JP2008151049A - 燃料噴射弁 - Google Patents
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Abstract
【課題】ノズルニードルがリフトする際に変位拡大率が途中で変化する燃料噴射弁において、燃料を供給するポンプの容量を小さくする。
【解決手段】ノズルニードル12における反噴孔側の外周に摺動自在にアウタニードルストッパ3が装着され、ピエゾアクチュエータによりピエゾピストン6が駆動されて変位拡大室222、232の圧力が上昇すると、その圧力をノズルニードル12とアウタニードルストッパ3が受けてノズルニードル12が開弁向きに付勢される。ノズルニードル12のリフト量が所定リフト量に達すると、アウタニードルストッパ3の移動がストッパ236にて規制され、変位拡大率が変化する。また、高圧部位が摺動部を介して低圧部位に繋がる経路を、変位拡大室222→ピエゾピストン6の外周側→低圧部位の1系統のみにすることができるため、低圧部位への燃料リーク量を低減して、燃料を供給するポンプの容量を小さくすることができる。
【選択図】図2
【解決手段】ノズルニードル12における反噴孔側の外周に摺動自在にアウタニードルストッパ3が装着され、ピエゾアクチュエータによりピエゾピストン6が駆動されて変位拡大室222、232の圧力が上昇すると、その圧力をノズルニードル12とアウタニードルストッパ3が受けてノズルニードル12が開弁向きに付勢される。ノズルニードル12のリフト量が所定リフト量に達すると、アウタニードルストッパ3の移動がストッパ236にて規制され、変位拡大率が変化する。また、高圧部位が摺動部を介して低圧部位に繋がる経路を、変位拡大室222→ピエゾピストン6の外周側→低圧部位の1系統のみにすることができるため、低圧部位への燃料リーク量を低減して、燃料を供給するポンプの容量を小さくすることができる。
【選択図】図2
Description
本発明は、内燃機関、特にディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射弁に関するものである。
ピエゾアクチュエータを用いた燃料噴射弁として、例えば特許文献1に開示されたものがある。この特許文献1の図3に示された燃料噴射弁は、ボディ内にノズルニードルと小径ピストンとバランスピストンが連結配置されている。また、低圧部に配置されたピエゾアクチュエータにより大径ピストン(ピエゾピストンに相当)を駆動して変位拡大室の燃料を加圧し、その加圧された燃料を小径ピストンの下部に供給する構成となっている。さらに、バランス圧力室に導入される高圧燃料の圧力がバランスピストンに作用するようになっている。
かかる構成の場合、バランスピストンが発生する力と、ノズルニードルを閉弁向きに付勢するスプリングの力とを合算した力が、ノズルニードルを閉弁向きに付勢する力となる。
また、閉弁時には高圧燃料通路の燃料圧はノズルニードル先端のシート部に作用せず、ノズルニードル径とシート部径の差の部分に作用し、その燃料圧によりノズルニードルは開弁向きに付勢される。さらに、小径ピストンの下部に作用する燃料圧により、小径ピストンはノズルニードルを開弁向きに付勢する力を発生する。
そして、ピエゾアクチュエータに通電することにより、小径ピストン下部の燃料圧を高めてノズルニードルを開弁向きに作動させ、ノズルの噴孔から燃料を噴射させるようになっている。
また、ピエゾアクチュエータの変位量でノズルニードルのリフト量を制御することが可能で、かつ、変位拡大率(すなわち、変位拡大率=ノズルニードルのリフト量/ピエゾアクチュエータの伸び量)が途中で変わるようになっている。
特開2002−322962号公報
しかしながら、上記した従来の燃料噴射弁は、高圧部位が摺動部を介して低圧部位に繋がる経路が多い。具体的には、変位拡大室→大径ピストンの外周側→低圧燃料通路の経路、バランス圧力室→バランスピストンの外周側→低圧燃料通路の経路、燃料溜まり→ノズルニードル→低圧燃料通路の経路がある。このため、多くの燃料が低圧部位へリークすることになり、燃料を供給するポンプの容量が大きくなり、コストがアップするという問題がある。
本発明は上記点に鑑みて、ノズルニードルがリフトする際に変位拡大率が途中で変化する燃料噴射弁において、燃料を供給するポンプの容量を小さくすることを目的とする。
本発明は、高圧燃料通路(24)が形成されたホルダボディ(2)と、高圧燃料通路に連通する背圧室(64、76、234)と、通電状態に応じて伸縮するピエゾアクチュエータ(5)と、ピエゾアクチュエータにより駆動されるピエゾピストン(6)と、ピエゾピストンの変位に応じて燃料の圧力が変化する変位拡大室(72、74、92、222、232)と、高圧燃料通路に接続された噴孔(112)をノズルニードル(12)により開閉するノズル(1)と、ノズルニードルにおける反噴孔側の外周に摺動自在に装着されたアウタニードルストッパ(3)と、ノズルニードルを閉弁向きに付勢するスプリング(13)とを備え、ノズルニードルは、断面積を変化させて形成した肩部(126)を軸方向中間部に有し、反噴孔側の端面に背圧室の圧力を受けて閉弁向きに付勢されるとともに、肩部に変位拡大室の圧力を受けて開弁向きに付勢され、アウタニードルストッパは、一端面に変位拡大室の圧力を受けてノズルニードルのリフト量が所定リフト量以下の領域でのみノズルニードルを開弁向きに付勢し、さらに、ノズルニードルとアウタニードルストッパは、ノズルニードルのリフト量が所定リフト量以下の領域でのみ一体的に移動するように構成されていることを特徴とする。
このようにすれば、ノズルニードル(12)がリフトする際に、所定リフト量以下の領域と所定リフト量を超える領域とで変位拡大率を変化させることができる。また、高圧部位が摺動部を介して低圧部位に繋がる経路を、全廃、ないしは変位拡大室(222)→ピエゾピストン(6)の外周側→低圧部位の1系統のみにすることができるため、低圧部位への燃料リーク量を低減して、燃料を供給するポンプの容量を小さくすることができる。
また、燃料がリークする際の発熱量を抑制できるため、燃料噴射弁が高温になったり、燃料が劣化することを抑制することができる。
この場合、ピエゾアクチュエータ(5)を高圧燃料通路(24)内に配置すれば、高圧部位が摺動部を介して低圧部位に繋がる経路を全廃することができるため、低圧部位への燃料リーク量がゼロになり、燃料を供給するポンプの容量を一層小さくすることができる。
また、燃料リークによる発熱がないため、その発熱により燃料噴射弁が高温になったり、燃料が劣化することを防止することができる。
さらに、従来必要であったリーク燃料を燃料タンクに戻す配管が不要となり、システムをより安価に製作することが可能である。
また、ホルダボディ(2)が、ピエゾピストン(6)が摺動自在に挿入される第1シリンダ孔(221)とアウタニードルストッパ(3)が摺動自在に挿入される第2シリンダ孔(231)とを備える場合、ノズルニードル(12)のリフト量が所定リフト量に達したときにアウタニードルストッパ(3)に当接してアウタニードルストッパの移動を規制するストッパ部(236)を、ホルダボディ(2)に設けるようにすれば、所定リフト量以下の領域でのみノズルニードルとアウタニードルストッパを一体的に移動させることを簡単な構成で実現することができる。
また、ピエゾピストン(6)が摺動自在に挿入される第1シリンダ孔(71)とアウタニードルストッパ(3)が摺動自在に挿入される第2シリンダ孔(73)とが形成されたシリンダ(7)を備えるようにすれば、ピエゾアクチュエータ(5)をノズルニードル(12)と同軸に配置することができる。
この場合、ノズルニードル(12)のリフト量が所定リフト量に達したときにアウタニードルストッパ(3)に当接してアウタニードルストッパの移動を規制するストッパ部(78)を、シリンダ(7)に設けるようにすれば、所定リフト量以下の領域でのみノズルニードルとアウタニードルストッパを一体的に移動させることを簡単な構成で実現することができる。
また、ピエゾピストン(6)が摺動自在に挿入されるシリンダ(9)を備え、ピエゾピストンを筒状とし、ピエゾピストン内にアウタニードルストッパ(3)を摺動自在に挿入し、ピエゾピストン内空間のうち、ノズルニードル(12)の反噴孔側の端面およびアウタニードルストッパの他端面側に背圧室(64)を形成し、シリンダ内空間のうち、ノズルニードルの肩部(126)およびアウタニードルストッパの一端面側に変位拡大室(92)を形成すれば、変位拡大室の容積を小さくすることが可能であり、ピエゾアクチュエータ(5)の伸びの伝達ロスを抑制することができる。また、ピエゾアクチュエータ(5)の伸びを伝達する機構をコンパクトにできるため、燃料噴射弁の長さを短くすることができる。
この場合、ノズルニードル(12)のリフト量が所定リフト量に達したときにアウタニードルストッパ(3)に当接してアウタニードルストッパの移動を規制するストッパ部(66)を、ピエゾピストン(6)に設けるようにすれば、所定リフト量以下の領域でのみノズルニードルとアウタニードルストッパを一体的に移動させることを簡単な構成で実現することができる。
ところで、ノズルニードル(12)のリフト量が概ね100μm以下の領域は、ノズルニードル(12)のシート部とノズルボディの弁座との隙間が狭く通路絞りになる領域、すなわちノズルニードル(12)のリフト量を制御して噴射率を制御することが可能な領域である。また、変位拡大率が小さい所定リフト量以下の領域では、ノズルニードル(12)のリフト量を良好に制御することができる。
そこで、所定リフト量を50〜100μmに設定すれば、通路絞りになる領域のノズルニードル(12)のリフト量を良好に制御することができる。
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。図1は本発明の第1実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図、図2は図1の燃料噴射弁における要部の断面図である。
本発明の第1実施形態について説明する。図1は本発明の第1実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図、図2は図1の燃料噴射弁における要部の断面図である。
燃料噴射弁は、内燃機関(より詳細にはディーゼルエンジン、図示せず)のシリンダヘッドに装着され、蓄圧器(図示せず)内に蓄えられた高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴射するものである。
図1、図2に示すように、燃料噴射弁は、開弁時に燃料を噴射するノズル1を備えている。このノズル1は、ノズルボディ11と、ノズルボディ11に摺動自在に保持されたニードル12とを有している。
ノズルボディ11には、ホルダボディ(詳細後述)の高圧燃料通路を介して高圧燃料が供給される燃料溜まり111、この燃料溜まり111を介して供給される高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴出させる噴孔112、噴孔112の上流側に設けられたテーパ状の弁座113、およびニードル12を摺動自在に保持するニードル収納孔114が形成されている。
ニードル12には、噴孔112側から反噴孔側に向かって順に、テーパ状のシート部121、第1円柱部122、第1円柱部122よりも径が大きい第2円柱部123、第2円柱部123よりも径が大きい第3円柱部124、第3円柱部124よりも径が大きい鍔部125が形成されている。なお、第2円柱部123と第3円柱部124との境界部を、肩部126という。
そして、シート部121が弁座113に接離することにより、噴孔112が開閉されるようになっている。第2円柱部123がニードル収納孔114に摺動自在にかつ液密に保持されている。第3円柱部124の外周には、円筒状のアウタニードルストッパ3が摺動自在に装着されている。
ノズル1の反噴孔側にはホルダボディ2が配設され、ノズル1とホルダボディ2は、リテーニングナット4により結合されている。ホルダボディ2は第1〜第3ボディ21〜23からなり、反ノズル側からノズル1側に向かって順に、第1ボディ21、第2ボディ22、第3ボディ23が配置されている。
第1〜第3ボディ21〜23には、蓄圧器から供給される高圧燃料が流通する高圧燃料通路24が形成されており、高圧燃料通路24を介して高圧燃料が燃料溜まり111に導かれるようになっている。
第1ボディ21にはアクチュエータ室211が形成され、このアクチュエータ室211は、低圧燃料通路212を介して図示しない低圧部位としての燃料タンクに接続されている。アクチュエータ室211には、ピエゾ素子が多数積層されて電荷の充放電により伸縮するピエゾアクチュエータ5が収納されている。
第2ボディ22には第1シリンダ孔221が形成され、この第1シリンダ孔221には、ピエゾアクチュエータ5により駆動されるピエゾピストン6が摺動自在に挿入されている。第1シリンダ孔221内の空間には、ピエゾピストン6の移動に伴って容積や圧力が変化する第1変位拡大室222が形成されている。第1変位拡大室222には、ピエゾピストン6をピエゾアクチュエータ5側に付勢する皿ばね61が配設されている。
第3ボディ23には第2シリンダ孔231が形成され、この第2シリンダ孔231には、アウタニードルストッパ3が摺動自在に挿入されている。第2シリンダ孔231内の空間には、ノズルニードル12の肩部126における噴孔1側の端面およびアウタニードルストッパ3における噴孔1側の端面に対向して、第2変位拡大室232が形成されている。第1変位拡大室222と第2変位拡大室232は、第2ボディ22に形成された連通孔223および第3ボディ23に形成された連通孔233により接続されるとともに、燃料が充填されている。
そして、ノズルニードル12は、肩部126に第2変位拡大室232の圧力を受けて開弁向きに付勢されるようになっている。アウタニードルストッパ3は、ノズルニードル12の鍔部125と係合しているため、噴孔1側の端面に第2変位拡大室232の圧力を受けた際には、鍔部125を介してノズルニードル12を開弁向きに付勢するようになっている。
第2シリンダ孔231内の空間には、ノズルニードル12における反噴孔側の端面およびアウタニードルストッパ3における反噴孔側の端面に対向して、背圧室234が形成されている。この背圧室234は、第3ボディ23に形成された連通孔235を介して高圧燃料通路24に接続されている。ノズルニードル12は、背圧室234の圧力を受けて閉弁向きに付勢されるようになっている。背圧室234には、ノズルニードル12を閉弁向きに付勢するスプリング13が配設されている。
第2シリンダ孔231は段付き形状になっていて、第3ボディ23にストッパ部236が形成されている。そして、アウタニードルストッパ3がノズルニードル12とともに開弁向きに移動する際に、ノズルニードル12のリフト量が所定リフト量に達したときに、アウタニードルストッパ3がストッパ部236に当接して、アウタニードルストッパ3の移動が規制されるようになっている。
次に、上記構成になる燃料噴射弁の作動を、図1〜図4に基づいて説明する。なお、図3は燃料噴射弁の作動説明に供するタイムチャート、図4は燃料噴射弁の作動状態を示す要部の断面図である。
まず、ピエゾアクチュエータ5に通電されていないときには、背圧室234の圧力Pcとスプリング13の付勢力によりノズルニードル12は閉弁向きに付勢され(図4(a)の状態)、シート部121が弁座113に当接して噴孔112が閉じられている。
ピエゾアクチュエータ5に通電されると(図3の時刻t1)、ピエゾアクチュエータ5は逆圧電効果により伸張してピエゾピストン6が移動し、第1変位拡大室222内の燃料が加圧され、それと連通した第2変位拡大室232の圧力Pxが上昇し、第2変位拡大室232の圧力Pxがノズルニードル12の肩部126およびアウタニードルストッパ3に作用して、ノズルニードル2を開弁向きに付勢する力(以下、開弁付勢力という)F2が大きくなる。
ここで、ピエゾピストン6の断面積をSp、アウタニードルストッパ3の断面積をSo、ノズルニードル12における第3円柱部124の断面積をSi、ノズルニードル12における第2円柱部123の断面積をSn、ノズルニードル12のシート部121のうち、閉弁時に高圧燃料通路24の燃料圧が作用しない領域の断面積をSsとする。また、ピエゾアクチュエータ5の加圧力をFpとする。
そして、下式(1)のように、開弁付勢力F2がノズルニードル2を閉弁向きに付勢する力(以下、閉弁付勢力という)F1を上回ると(図3の時刻t2)、アウタニードルストッパ3およびノズルニードル12は一体で開弁向きに移動し始め(図4(b)の状態)、シート部121が弁座113から離れて噴孔112が開かれ、燃料噴射が開始される。
F1=Pc×(Sb−Sn+Ss)<F2=Px×(So+Si−Sn) …式(1)
なお、開弁開始時の第2変位拡大室232の圧力Pxを一段目リフト時圧力Px1とすると、一段目リフト時圧力Px1は下式(2)で表される。
なお、開弁開始時の第2変位拡大室232の圧力Pxを一段目リフト時圧力Px1とすると、一段目リフト時圧力Px1は下式(2)で表される。
Px1={(Sp−Sn+Ss)・Pc+Fp}/(Si+So−Sn) …式(2)
さらにピエゾアクチュエータ5への通電を継続すると、アウタニードルストッパ3およびノズルニードル12はさらに開弁向きに移動して、図4(c)に示すようにアウタニードルストッパ3がストッパ部236に当接する(図3の時刻t3)。このため、アウタニードルストッパ3はノズルニードル12を開弁向きに付勢することができなくなり、ノズルニードル12も一端停止する。
さらにピエゾアクチュエータ5への通電を継続すると、アウタニードルストッパ3およびノズルニードル12はさらに開弁向きに移動して、図4(c)に示すようにアウタニードルストッパ3がストッパ部236に当接する(図3の時刻t3)。このため、アウタニードルストッパ3はノズルニードル12を開弁向きに付勢することができなくなり、ノズルニードル12も一端停止する。
そして、第2変位拡大室232の圧力Pxがさらに上昇すると、図4(d)および図4(e)に示すように、アウタニードルストッパ3およびノズルニードル12のうちノズルニードル12のみが開弁向きにさらに移動する(図3の時刻t4〜t5)。
なお、ノズルニードル12のみが開弁向きに移動を開始する時の第2変位拡大室232の圧力Pxを二段目リフト時圧力Px2とすると、二段目リフト時圧力Px2は下式(3)で表される。
Px2={(Sp−Sn)・Pc+Fp/(Si−Sn)} …式(3)
ここで、ノズルニードル12のリフト量をL、ピエゾアクチュエータ5の伸び量をLpとすると、L/Lpが変位拡大率である。そして、リフト量L=0からアウタニードルストッパ3がストッパ部236に当接するまでの間の変位拡大率を一段目変位拡大率a1とすると、a1=Sp/(So+Si−Sn)である。アウタニードルストッパ3がストッパ部236に当接した後の変位拡大率を二段目変位拡大率a2とすると、a2=Sp/(Si−Sn)となる。したがって、二段目変位拡大率a2は一段目変位拡大率a1よりも大きくなる
次に、一段目変位拡大率a1の決め方について説明する。まず、二段目変位拡大率a2は、a2>(ニードルフルリフト量/ピエゾ伸び量)、であることが必要であることは言うまでもない。また、ピエゾアクチュエータ5及び軽油の合成のバネ定数をkとすると、通電時にピエゾアクチュエータ5が発生する力(以下、ピエゾ加圧力という)Fpは、Fp=k×L、となる。
ここで、ノズルニードル12のリフト量をL、ピエゾアクチュエータ5の伸び量をLpとすると、L/Lpが変位拡大率である。そして、リフト量L=0からアウタニードルストッパ3がストッパ部236に当接するまでの間の変位拡大率を一段目変位拡大率a1とすると、a1=Sp/(So+Si−Sn)である。アウタニードルストッパ3がストッパ部236に当接した後の変位拡大率を二段目変位拡大率a2とすると、a2=Sp/(Si−Sn)となる。したがって、二段目変位拡大率a2は一段目変位拡大率a1よりも大きくなる
次に、一段目変位拡大率a1の決め方について説明する。まず、二段目変位拡大率a2は、a2>(ニードルフルリフト量/ピエゾ伸び量)、であることが必要であることは言うまでもない。また、ピエゾアクチュエータ5及び軽油の合成のバネ定数をkとすると、通電時にピエゾアクチュエータ5が発生する力(以下、ピエゾ加圧力という)Fpは、Fp=k×L、となる。
そして、ノズルニードル12に作用する力Fn=Fp/a1>ニードル開弁力F=Ss×Pc、で開弁することが可能となる。従って、一段目変位拡大率a1は、下式(4)を満足する必要がある。
a1<F/Fp=F/(k×L) …式(4)
また、ピエゾアクチュエータ5の最大伸び量をLpmax、リフト量L=0からアウタニードルストッパ3がストッパ部236に当接するまでの間のリフト量を一段目ニードルリフト量L1とすると、Lpmax×a1が一段目ニードルリフト量L1よりも大きくないと二段目のリフトができないことは明らかであることから、一段目変位拡大率a1は、下式(5)を満足する必要がある。
また、ピエゾアクチュエータ5の最大伸び量をLpmax、リフト量L=0からアウタニードルストッパ3がストッパ部236に当接するまでの間のリフト量を一段目ニードルリフト量L1とすると、Lpmax×a1が一段目ニードルリフト量L1よりも大きくないと二段目のリフトができないことは明らかであることから、一段目変位拡大率a1は、下式(5)を満足する必要がある。
a1>L1/Lpmax …式(5)
そして、式(4)および式(5)から、一段目変位拡大率a1は、下式(6)の範囲内であることが必要である。
そして、式(4)および式(5)から、一段目変位拡大率a1は、下式(6)の範囲内であることが必要である。
F/Fp=F/(k×L)>a1>L1/Lpmax …式(6)
本実施形態では、ノズルニードル12がリフトする際に、一段目ニードルリフト量L1以下の領域と一段目ニードルリフト量L1を超える領域とで変位拡大率を変化させることができる。換言すると、ピエゾアクチュエータ5により加圧された燃料の圧力を受けて開弁向きの力を発生する部位の受圧面積を切換える構造とすることで、ニードルリフト量が小の時には受圧面積を大とし、小さなエネルギで確実に開弁させると共に、ニードルリフト量が大の時には、受圧面積を小とすることで必要なニードルリフト量を確保することができる。
本実施形態では、ノズルニードル12がリフトする際に、一段目ニードルリフト量L1以下の領域と一段目ニードルリフト量L1を超える領域とで変位拡大率を変化させることができる。換言すると、ピエゾアクチュエータ5により加圧された燃料の圧力を受けて開弁向きの力を発生する部位の受圧面積を切換える構造とすることで、ニードルリフト量が小の時には受圧面積を大とし、小さなエネルギで確実に開弁させると共に、ニードルリフト量が大の時には、受圧面積を小とすることで必要なニードルリフト量を確保することができる。
また、高圧部位が摺動部を介して低圧部位に繋がる経路を、第1変位拡大室222→ピエゾピストン6の外周側→アクチュエータ室211→低圧燃料通路212の1系統のみにすることができるため、低圧部位への燃料リーク量を低減して、燃料を供給するポンプの容量を小さくすることができる。
また、燃料がリークする際の発熱量を抑制できるため、燃料噴射弁が高温になったり、燃料が劣化することを抑制することができる。
ところで、ノズルニードル12のリフト量が概ね100μm以下の領域は、ノズルニードル12のシート部121とノズルボディ11の弁座113との隙間が狭く通路絞りになる領域、すなわちノズルニードル12のリフト量を制御して噴射率を制御することが可能な領域である。また、変位拡大率が小さい一段目ニードルリフト量L1以下の領域では、ノズルニードル12のリフト量を良好に制御することができる。そこで、一段目ニードルリフト量L1を50〜100μmに設定することにより、通路絞りになる領域のノズルニードル12のリフト量を良好に制御することができる。
また、ノズルニードル12のリフト量が一段目ニードルリフト量L1に達すると、第2変位拡大室232の圧力PxがPx1〜Px2の間では、二段目リフトを開始する圧力に達していないため、ノズルニードル12のリフト量は一段目ニードルリフト量L1のまま変化しない。従って、少リフト量を多用する場合、一段目ニードルリフト量L1を必要とされる少リフト量に設定することで、ピエゾアクチュエータ5の伸び量が温度等で変化した場合でも、第2変位拡大室232の圧力PxがPx1〜Px2の範囲内ではノズルニードル12のリフト量は一段目ニードルリフト量L1のまま変化せず、一定のリフト量に制御することが可能である。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。図5は本発明の第2実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。第1実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
本発明の第2実施形態について説明する。図5は本発明の第2実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。第1実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
第1実施形態では、ピエゾアクチュエータ5が収納されるアクチュエータ室211は低圧燃料通路212を介して燃料タンクに接続されているが、本実施形態では、図5に示すように、低圧燃料通路212が廃止され、ピエゾアクチュエータ5が収納されるアクチュエータ室211は高圧燃料通路24を拡大して形成されている。換言すると、アクチュエータ室211は高圧燃料通路24の一部をなしており、ピエゾアクチュエータ5は高圧燃料通路24内に配置されている。
これによると、第1変位拡大室222は、ピエゾピストン6の外周側を介して、高圧のアクチュエータ室211に繋がる。したがって、高圧部位が摺動部を介して低圧部位に繋がる経路を全廃することができ、低圧部位への燃料リーク量がゼロになり、燃料を供給するポンプの容量を一層小さくすることができる。
また、燃料リークによる発熱がないため、その発熱により燃料噴射弁が高温になったり、燃料が劣化することを防止することができる。
さらに、従来必要であったリーク燃料を燃料タンクに戻す配管が不要となり、システムをより安価に製作することが可能である。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。図6は本発明の第3実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図、図7は図6の燃料噴射弁における要部の断面図である。上記各実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
本発明の第3実施形態について説明する。図6は本発明の第3実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図、図7は図6の燃料噴射弁における要部の断面図である。上記各実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図6、図7に示すように、ホルダボディ2は、分割されておらず、1つの部材からなる。そして、ホルダボディ2は低圧燃料通路212(図1参照)が廃止され、アクチュエータ室211は高圧燃料通路24を拡大して形成されている。
アクチュエータ室211内には、ピエゾアクチュエータ5よりもノズル1側にシリンダ7が配設されている。シリンダ7におけるピエゾアクチュエータ5側には、ピエゾピストン6が摺動自在に挿入される第1シリンダ孔71が形成され、第1シリンダ孔71内の空間には、ピエゾピストン6の移動に伴って容積や圧力が変化する第1変位拡大室72が形成されている。ピエゾピストン6は、シリンダ7とピエゾピストン6との間に配設されたコイルばね62により、ピエゾアクチュエータ5側に付勢されている。
シリンダ7におけるノズル1側には、アウタニードルストッパ3が摺動自在に挿入される第2シリンダ孔73が形成され、第2シリンダ孔73内の空間には、ノズルニードル12の肩部126における噴孔1側の端面およびアウタニードルストッパ3における噴孔1側の端面に対向して、第2変位拡大室74が形成されている。第1変位拡大室72と第2変位拡大室74は、シリンダ7に形成された連通孔75により接続されるとともに、燃料が充填されている。
第2シリンダ孔73内の空間には、ノズルニードル12における反噴孔側の端面およびアウタニードルストッパ3における反噴孔側の端面に対向して、背圧室76が形成されている。この背圧室76は、シリンダ7に形成された連通孔77を介して高圧燃料通路24に接続されている。
第2シリンダ孔73は段付き形状になっていて、シリンダ7にストッパ部78が形成されている。そして、アウタニードルストッパ3がノズルニードル12とともに開弁向きに移動する際に、ノズルニードル12のリフト量が所定リフト量に達したときに、アウタニードルストッパ3がストッパ部78に当接して、アウタニードルストッパ3の移動が規制されるようになっている。
シリンダ7とノズル1との間には、プレート8が配設されている。プレート8には、ノズルニードル12の第2円柱部123を摺動自在に保持するニードル収納孔81、および高圧燃料通路24からの高圧燃料をノズル1に導くための切り欠き溝82が形成されている。
ノズルボディ11におけるプレート8側には、ノズルニードル12の第2円柱部123よりも径が大きい拡大孔115が形成され、ノズルニードル12における第2円柱部123の外周面には、3ないし4面にカットしたカット面127が形成されている。そして、高圧燃料通路24からの高圧燃料は、切り欠き溝82、拡大孔115、およびカット面127を介して、噴孔112に導かれるようになっている。
スプリング13は拡大孔115内に配設されており、このスプリング13によりノズルニードル12が閉弁向きに付勢されるとともに、プレート8がシリンダ7に押し付けられている。
ピエゾアクチュエータ5とピエゾピストン6とノズルニードル12は、同軸に配置されている。
上記構成になる燃料噴射弁は、ピエゾアクチュエータ5に通電されると、ピエゾアクチュエータ5が伸張してピエゾピストン6が移動し、第1変位拡大室72および第2変位拡大室74の圧力Pxが上昇し、第2変位拡大室74の圧力Pxがノズルニードル12の肩部126およびアウタニードルストッパ3に作用して、ノズルニードル12を開弁向きに付勢する。
そして、第1実施形態と同様に、第2変位拡大室74の圧力Pxの上昇に伴って、ノズルニードル2が2段階にリフトする。
なお、本実施形態は、第1実施形態のノズル1と組合わせてもよいことはいうまでもない。
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態について説明する。図8は本発明の第4実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図、図9は図8の燃料噴射弁における要部の断面図である。上記各実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
本発明の第4実施形態について説明する。図8は本発明の第4実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図、図9は図8の燃料噴射弁における要部の断面図である。上記各実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図8、図9に示すように、ホルダボディ2は、第1ボディ21と第2ボディ22からなる。そして、ホルダボディ2は低圧燃料通路212(図1参照)が廃止され、アクチュエータ室211は高圧燃料通路24を拡大して形成されている。
アクチュエータ室211内には、ピエゾアクチュエータ5よりもノズル1側に筒状のシリンダ9が配設されている。シリンダ9にはシリンダ孔91が形成されており、シリンダ孔91に有底円筒状のピエゾピストン6が摺動自在に挿入されている。
ピエゾピストン6にはシリンダ孔63が形成されており、シリンダ孔63にアウタニードルストッパ3が摺動自在に挿入されている。
シリンダ9に形成されたシリンダ孔91内の空間には、ノズルニードル12の肩部126における噴孔1側の端面およびアウタニードルストッパ3における噴孔1側の端面に対向して、変位拡大室92が形成されている。変位拡大室92は、燃料が充填されていて、ピエゾピストン6の移動に伴って容積や圧力が変化するようになっている。
ピエゾピストン6に形成されたシリンダ孔63内の空間には、ノズルニードル12における反噴孔側の端面およびアウタニードルストッパ3における反噴孔側の端面に対向して、背圧室64が形成されている。この背圧室64は、ピエゾピストン6に形成された連通孔65を介して高圧燃料通路24に接続されている。
ピエゾピストン6に形成されたシリンダ孔63は段付き形状になっていて、ピエゾピストン6にストッパ部66が形成されている。そして、アウタニードルストッパ3がノズルニードル12とともに開弁向きに移動する際に、ノズルニードル12のリフト量が所定リフト量に達したときに、アウタニードルストッパ3がストッパ部66に当接して、アウタニードルストッパ3の移動が規制されるようになっている。
上記構成になる燃料噴射弁は、ピエゾアクチュエータ5に通電されると、ピエゾアクチュエータ5が伸張してピエゾピストン6が移動し、変位拡大室92の圧力Pxが上昇し、変位拡大室92の圧力Pxがノズルニードル12の肩部126およびアウタニードルストッパ3に作用して、ノズルニードル2を開弁向きに付勢する。
そして、開弁付勢力F2が閉弁付勢力F1を上回ると、アウタニードルストッパ3およびノズルニードル12は一体で開弁向きに移動し始め、燃料噴射が開始される。
さらにピエゾアクチュエータ5への通電を継続すると、アウタニードルストッパ3およびノズルニードル12はさらに開弁向きに移動して、アウタニードルストッパ3がストッパ部66に当接する。このため、アウタニードルストッパ3はノズルニードル12を開弁向きに付勢することができなくなり、ノズルニードル12も一端停止する。
そして、変位拡大室92の圧力Pxがさらに上昇すると、アウタニードルストッパ3およびノズルニードル12のうちノズルニードル12のみが開弁向きにさらに移動する。
すなわち、第1実施形態と同様に、変位拡大室92の圧力Pxの上昇に伴って、ノズルニードル12が2段階にリフトする。
上記各実施形態では変位拡大室が2つであるのに対し、本実施形態では変位拡大室92が1つであるため、変位拡大室の容積を小さくすることが可能であり、ピエゾアクチュエータ5の伸びの伝達ロスを抑制することができる。また、ピエゾアクチュエータ5の伸びを伝達する機構をコンパクトにできるため、燃料噴射弁の長さを短くすることができる。
1…ノズル、2…ホルダボディ、3…アウタニードルストッパ、5…ピエゾアクチュエータ、6…ピエゾピストン、12…ノズルニードル、13…スプリング、24…高圧燃料通路、64、76、234…背圧室、72、74、92、222、232…変位拡大室、112…噴孔、126…肩部。
Claims (9)
- 高圧燃料通路(24)が形成されたホルダボディ(2)と、
前記高圧燃料通路に連通する背圧室(64、76、234)と、
通電状態に応じて伸縮するピエゾアクチュエータ(5)と、
前記ピエゾアクチュエータにより駆動されるピエゾピストン(6)と、
前記ピエゾピストンの変位に応じて燃料の圧力が変化する変位拡大室(72、74、92、222、232)と、
前記高圧燃料通路に接続された噴孔(112)をノズルニードル(12)により開閉するノズル(1)と、
前記ノズルニードルにおける反噴孔側の外周に摺動自在に装着されたアウタニードルストッパ(3)と、
前記ノズルニードルを閉弁向きに付勢するスプリング(13)とを備え、
前記ノズルニードルは、断面積を変化させて形成した肩部(126)を軸方向中間部に有し、反噴孔側の端面に前記背圧室の圧力を受けて閉弁向きに付勢されるとともに、前記肩部に前記変位拡大室の圧力を受けて開弁向きに付勢され、
前記アウタニードルストッパは、一端面に前記変位拡大室の圧力を受けて前記ノズルニードルのリフト量が所定リフト量以下の領域でのみ前記ノズルニードルを開弁向きに付勢し、
さらに、前記ノズルニードルと前記アウタニードルストッパは、前記ノズルニードルのリフト量が所定リフト量以下の領域でのみ一体的に移動するように構成されていることを特徴とする燃料噴射弁。 - 前記ピエゾアクチュエータ(5)は、前記高圧燃料通路(24)内に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料噴射弁。
- 前記ホルダボディ(2)は、前記ピエゾピストン(6)が摺動自在に挿入される第1シリンダ孔(221)と前記アウタニードルストッパ(3)が摺動自在に挿入される第2シリンダ孔(231)とを備え、
前記第1シリンダ孔内空間に前記変位拡大室の一部(222)が形成され、
前記第2シリンダ孔内空間のうち、前記ノズルニードル(12)の反噴孔側の端面および前記アウタニードルストッパの他端面側に前記背圧室(234)が形成されるとともに、前記ノズルニードルの肩部(126)および前記アウタニードルストッパの一端面側に前記変位拡大室の一部(232)が形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料噴射弁。 - 前記ノズルニードル(12)のリフト量が所定リフト量に達したときに前記アウタニードルストッパ(3)に当接して前記アウタニードルストッパの移動を規制するストッパ部(236)が、前記ホルダボディ(2)に設けられていることを特徴とする請求項3に記載の燃料噴射弁。
- 前記ピエゾピストン(6)が摺動自在に挿入される第1シリンダ孔(71)と前記アウタニードルストッパ(3)が摺動自在に挿入される第2シリンダ孔(73)とが形成されたシリンダ(7)を備え、
前記第1シリンダ孔内空間に前記変位拡大室の一部(72)が形成され、
前記第2シリンダ孔内空間のうち、前記ノズルニードル(12)の反噴孔側の端面および前記アウタニードルストッパ(3)の他端面側に前記背圧室(76)が形成されるとともに、前記ノズルニードルの肩部(126)および前記アウタニードルストッパの一端面側に前記変位拡大室の一部(74)が形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料噴射弁。 - 前記ノズルニードル(12)のリフト量が所定リフト量に達したときに前記アウタニードルストッパ(3)に当接して前記アウタニードルストッパの移動を規制するストッパ部(78)が、前記シリンダ(7)に設けられていることを特徴とする請求項5に記載の燃料噴射弁。
- 前記ピエゾピストン(6)が摺動自在に挿入されるシリンダ(9)を備え、
前記ピエゾピストンは筒状であり、
前記ピエゾピストン内に前記アウタニードルストッパ(3)が摺動自在に挿入され、
前記ピエゾピストン内空間のうち、前記ノズルニードル(12)の反噴孔側の端面および前記アウタニードルストッパの他端面側に前記背圧室(64)が形成され、
前記シリンダ内空間のうち、前記ノズルニードルの肩部(126)および前記アウタニードルストッパの一端面側に前記変位拡大室(92)が形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料噴射弁。 - 前記ノズルニードル(12)のリフト量が所定リフト量に達したときに前記アウタニードルストッパ(3)に当接して前記アウタニードルストッパの移動を規制するストッパ部(66)が、前記ピエゾピストン(6)に設けられていることを特徴とする請求項7に記載の燃料噴射弁。
- 前記所定リフト量が、50〜100μmに設定されていることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載の燃料噴射弁。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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