JP2009062910A - 燃料噴射弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】ピエゾスタックが高電圧のときにノズルニードルが開弁作動する燃料噴射弁において、開弁作動時の駆動伝達効率を向上させるとともに、ピエゾスタックへの充電エネルギーを低減させる。
【解決手段】ピエゾスタック30により駆動されるシリンダ20に、ノズルニードル15のニードルピストン部152を挿入するとともに、ボデー10に固定された固定ピストン40の固定ピストン部401を挿入し、ニードルピストン部152と固定ピストン部401との間に油密室45を形成する。ピエゾスタック30の伸長により油密室45の容積が拡大してノズルニードル15が開弁作動し、ピエゾスタック30の収縮により油密室45の容積が縮小してノズルニードル15が閉弁作動する。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料を内燃機関に噴射するための燃料噴射弁に関する。
特許文献1に示された燃料噴射弁は、電荷が充電されてピエゾスタックが高電圧のときにノズルニードルが閉弁作動し(すなわち、噴孔を閉じる)、電荷が放電されてピエゾスタックが低電圧のときにノズルニードルが開弁作動するようになっている。この場合、内燃機関の運転中には、ピエゾスタックが高電圧になっている時間が、ピエゾスタックが低電圧になっている時間よりも長くなるため、ピエゾスタックの信頼性(耐久性等)の面で望ましくない。
そこで、ピエゾスタックが高電圧のときにノズルニードルが開弁作動し、ピエゾスタックが低電圧のときにノズルニードルが閉弁作動するようにした燃料噴射弁が、特許文献2等にて提案されている。
特許文献2に示された燃料噴射弁は、図9に示すように、ピエゾスタック900が高電圧になって伸長することにより、第1の伝達ピストン910が駆動されて油密室920内の燃料の圧力が上昇し、ノズルニードル930と一体の第2の伝達ピストン940における環状面941に油密室920の燃料圧力が作用してノズルニードル930が開弁作動するようになっている。
米国特許第6420817号明細書 特表2007−500304号公報
しかしながら、特許文献2に示された燃料噴射弁は、高圧燃料が流通する高圧燃料通路950と油密室920との間に3箇所の摺動部クリアランスがあるため、開弁作動時にそれらのクリアランスを介して油密室920から高圧燃料通路950にリークする燃料の量が多くなってしまう。なお、3箇所の摺動クリアランスは、第1の伝達ピストン910と第2の伝達ピストン940とのクリアランス、第1の伝達ピストン910とスリーブ960とのクリアランス、ノズルニードル930とガイド部970とのクリアランスである。
そして、油密室920から高圧燃料通路950にリークする燃料の量が多くなると、駆動伝達効率が低下するという問題が発生する。なお、本明細書では、この駆動伝達効率の低下とは、実際の変位拡大率(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)が低下することを意味している。
また、油密室920から高圧燃料通路950にリークする燃料の量が多くなると、噴射期間が長い場合には、油密室920の圧力低下により噴射後期にノズルリフトが低下して噴霧状態が悪化してしまうという問題が発生する。
さらに、第2の伝達ピストン940における環状面941の面積を大きくすることが困難であるため、ノズルニードル930を開弁作動させるためには、油密室920と高圧燃料通路950の圧力差を大きくしなければならない。
そして、油密室920と高圧燃料通路950の圧力差が大きくなるほど、油密室920から高圧燃料通路950にリークする燃料の量が増加するため、上記した駆動伝達効率の低下や噴霧状態の悪化の問題がより顕著になる。
さらにまた、油密室920と高圧燃料通路950の圧力差を大きくするためには、ピエゾスタック900の伸長量を大きくして油密室920の燃料圧力を十分に高くする必要があり、そのためにピエゾスタック900への充電エネルギーが増加してしまうという問題が発生する。
本発明は上記点に鑑みて、ピエゾスタックが高電圧のときにノズルニードルが開弁作動する燃料噴射弁において、開弁作動時の駆動伝達効率を向上させるとともに、ピエゾスタックへの充電エネルギーを低減させることを目的とする。
本発明は、電荷の充放電により伸縮するピエゾスタック(30)と、このピエゾスタック(30)により駆動されるとともに、ノズルニードル(15)のニードルピストン部(152)が摺動自在に挿入されたシリンダ(20)と、ボデー(10)に固定されるとともに、ニードルピストン部(152)よりも大径の固定ピストン部(401)がシリンダ(20)に摺動自在に挿入された固定ピストン(40)と、シリンダ(20)内においてニードルピストン部(152)と固定ピストン部(401)との間に区画形成された油密室(45)と、ノズルニードル(15)を閉弁向きに付勢するノズルスプリング(25)とを備え、ピエゾスタック(30)の伸長により前記シリンダ(20)が移動し、油密室(45)の容積が拡大してノズルニードル(15)が開弁作動し、ピエゾスタック(30)の収縮により油密室(45)の容積が縮小してノズルニードル(15)が閉弁作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、油密室(45)と高圧燃料系との間の摺動部クリアランスは、シリンダ(20)とニードルピストン部(152)とのクリアランス、およびシリンダ(20)と固定ピストン部(401)とのクリアランスの2箇所となるため、開弁作動時にそれらのクリアランスを介して高圧燃料系から油密室(45)にリークする燃料の量が少なくなり、駆動伝達効率が向上する。
また、特許文献2に示された燃料噴射弁における第1の伝達ピストン910の外径(=油密室920の外径)と、本発明の燃料噴射弁における固定ピストン部(401)の外径(=油密室45の外径)とが等しく、且つ特許文献2に示された燃料噴射弁の変位拡大率と、本発明の燃料噴射弁の変位拡大率とが等しい場合、特許文献2に示された燃料噴射弁の環状面941の面積よりも、本発明の燃料噴射弁のニードルピストン部(152)の面積が大きくなるため、本発明の燃料噴射弁においては、油密室(45)と高圧燃料系の圧力差を特許文献2に示された燃料噴射弁よりも小さくすることが可能である。これにより、開弁作動時に高圧燃料系から油密室(45)にリークする燃料の量がさらに少なくなって駆動伝達効率が向上するとともに、リーク量の減少に対応してピエゾスタック(30)の伸長量を小さく設定することが可能になるためピエゾスタック(30)への充電エネルギーを低減させることができる。
この場合、ノズルスプリング(25)は、ノズルニードル(15)とシリンダ(20)とに挟持されて、油密室(45)の容積が縮小する向きにシリンダ(20)を付勢することができる。
このようにすれば、ノズルスプリング(25)によって、ノズルニードル(15)およびシリンダ(20)をともに所定の向きに付勢することができる。
また、油密室(45)の容積が縮小する向きにシリンダ(20)を付勢するピエゾスプリング(60)を備えるようにすれば、ピエゾスプリング(60)のばね定数を大きく設定して、閉弁時の応答性を向上させることができる。
また、ピエゾスプリング(60)として、金属製の板材に多数の穴(601)を設けて円筒状に形成されたスリットスプリングを用いれば、限られたスペース内で、ばね定数の大きなばねを容易に配置することができる。
また、シリンダ(20)の内周面に段付き部を設け、この段付き部の一方側に、ニードルピストン部(152)が挿入される第1シリンダ孔(201)を形成し、段付き部の他方側に、この第1シリンダ孔(201)よりも大径で固定ピストン部(401)が挿入され第2シリンダ孔(202)を形成することができる。
このようにすれば、ピエゾスタック(30)の伸長によりシリンダ(20)が移動したときに、油密室(45)の容積を拡大することができる。
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は第1実施形態に係る燃料噴射弁の構成を示す断面図である。
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に示すように、燃料噴射弁の略円筒状のボデー10には、略円柱状の収納空間101と、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102と、高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴出させる噴孔103が形成されている。収納空間101は、ボデー10の径方向(以下、ボデー径方向という)の中心部においてボデー10の軸方向(以下、ボデー軸方向という)に沿って延びており、高圧燃料通路102は、収納空間101よりもボデー径方向外側に位置してボデー軸方向に沿って延びている。噴孔103は、ボデー軸方向一端に位置している。 高圧燃料通路102は、ノズルニードル15(詳細後述)の配置位置近傍にて収納空間101に接続され、収納空間101を介して噴孔103と連通している。なお、本明細書では、収納空間101と高圧燃料通路102をまとめて高圧燃料系101、102という。
収納空間101におけるボデー軸方向一端側(噴孔103側)に、噴孔103を開閉するノズルニードル15がボデー10に摺動自在に保持されて配置されている。より詳細には、ボデー10には噴孔103の上流側にテーパ状の弁座104が形成されており、ノズルニードル15に形成されたシート部151が弁座104に接離することにより噴孔103が開閉される。
ノズルニードル15には、反シート部側に円柱状のニードルピストン部152が形成されている。そして、このニードルピストン部152はシリンダ20(詳細後述)に摺動自在に挿入されている。
ノズルニードル15には、その軸方向中間部にフランジ部153が形成され、このフランジ部153とシリンダ20との間にノズルスプリング25が配置されている。因みに、ノズルスプリング25は、圧縮コイルスプリングを用いている。そして、ノズルニードル15は、このノズルスプリング25により閉弁向きに付勢される。
収納空間101におけるボデー軸方向他端側(反噴孔側)に、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スタック30が収納されている。そして、ピエゾスタック30とシリンダ20との間にプッシュプレート35(詳細後述)が配置され、ピエゾスタック30の伸長時には、ピエゾスタック30によりプッシュプレート35を介してシリンダ20が駆動されるようになっている。
シリンダ20は、内周面に段付き部を備える段付き円筒状になっており、その段付き部の一方側に円柱状の第1シリンダ孔201が形成され、段付き部の他方側に、この第1シリンダ孔201よりも大径の円柱状の第2シリンダ孔202が形成されている。第1シリンダ孔201と第2シリンダ孔202は、ボデー軸方向に沿って直列に配置されており、より詳細には、第1シリンダ孔201が第2シリンダ孔202よりもボデー軸方向一端側(噴孔103側)に位置している。
第1シリンダ孔201には、ニードルピストン部152が摺動自在に挿入され、第2シリンダ孔202には、固定ピストン40に形成された円柱状の固定ピストン部401が摺動自在に挿入されている。固定ピストン部401は、ニードルピストン部152よりも大径になっている。
そして、シリンダ20内においてニードルピストン部152と固定ピストン部401との間に油密室45が区画形成されている。この油密室45は、第1シリンダ孔201とニードルピストン部152とのクリアランス、および第2シリンダ孔202と固定ピストン部401とのクリアランスを介して、収納空間101に連通している。
図2は図1の固定ピストン40のA視図である。この図2に示すように、固定ピストン40は、固定ピストン部401から径方向外側に突出するフランジ部402を備えている。このフランジ部402は、周方向に沿って3個に分割されており、隣接するフランジ部402間に切り欠き部403が形成されている。そして、図1に示すように、円筒状のスペーサ50と固定スプリング55とによってフランジ部402が挟持され、これにより固定ピストン40がボデー10に固定されている。
図3(a)は図1のプッシュプレート35の正面図、図3(b)はそのプッシュプレート35の下面図である。この図3に示すように、プッシュプレート35は、円柱状の円板部351と、この円板部351の一端面から軸方向に突出する円柱状の脚部352とを備えている。この脚部352は、周方向に沿って3個設けられ、固定ピストン40の切り欠き部403に挿入されるようになっている(図2参照)。そして、図1に示すように、プッシュプレート35は、円板部351がピエゾスタック30に当接し、脚部352がシリンダ20に当接している。
なお、プッシュプレート35は、図4に示すようなプッシュプレート35を用いてもよい。図4(a)は変形例のプッシュプレート35の正面図、図4(b)はそのプッシュプレート35の下面図である。この図4に示すように、プッシュプレート35の脚部352は、略角柱であってもよい。
次に、上記燃料噴射弁の作動を説明する。図1は燃料噴射弁の閉弁状態を示している。このときには、第1シリンダ孔201とニードルピストン部152とのクリアランス、および第2シリンダ孔202と固定ピストン部401とのクリアランスを介して、収納空間101から油密室45に高圧燃料が流入し、油密室45の圧力は高圧燃料系101、102の圧力と等しくなっている。そして、ノズルニードル15は、ニードルピストン部152に作用する油密室45の圧力により閉弁向きに付勢されるとともに、ノズルスプリング25により閉弁向きに付勢されて、閉弁状態になっている。
次に、ピエゾスタック30に充電電流が供給されて(すなわち、電荷が充電されて)ピエゾ電圧が上昇すると、ピエゾスタック30が伸長し、プッシュプレート35を介してシリンダ20がボデー軸方向他端側から一端側に向かって駆動され、油密室45の容積が拡大される。これにより、油密室45の圧力が低下し、ノズルニードル15を閉弁向きに付勢する力が小さくなるため、ノズルニードル15が開弁向きに移動し、シート部151が弁座104から離れて噴孔103が開かれ、噴孔103から内燃機関の気筒内に燃料が噴射される。
その後、ピエゾスタック30から電荷が放電されてピエゾ電圧が低下すると、ピエゾスタック30が収縮し、シリンダ20はノズルスプリング25によりピエゾスタック30側に戻され、油密室45の容積が縮小される。これにより、油密室45の圧力が上昇し、ノズルニードル15を閉弁向きに付勢する力が大きくなるため、ノズルニードル15が閉弁向きに移動し、シート部151が弁座104に当接して噴孔103が閉じられ、燃料噴射が終了する。
本実施形態の燃料噴射弁では、油密室45と収納空間101との間の摺動部クリアランスは、第1シリンダ孔201とニードルピストン部152とのクリアランス、および第2シリンダ孔202と固定ピストン部401とのクリアランスの2箇所となるため、開弁作動時にそれらのクリアランスを介して収納空間101から油密室45にリークする燃料の量が少なくなり、駆動伝達効率が向上する。
また、以下述べるように、本実施形態の燃料噴射弁によると、油密室45と高圧燃料系101、102の圧力差を小さくすることができる。
ここで、特許文献2に示された燃料噴射弁において、第1の伝達ピストン910の外径(=油密室920の外径)をa、第2の伝達ピストン940の外径(=環状面941の外径)をb、ノズルニードル930のうちガイド部970に保持された部位の外径(=環状面941の内径)をc、変位拡大率をK1とする。なお、K1=(a−b)/(b−c)である。
また、本実施形態の燃料噴射弁において、固定ピストン部401の外径をd、ニードルピストン部152の外径をe、変位拡大率をK2とする。なお、K2=(d−e)/eである。
そして、a=d、K1=K2、また、c>0とすると、b−c< eとなる。すなわち、特許文献2に示された燃料噴射弁の環状面941の面積よりも、本実施形態の燃料噴射弁のニードルピストン部152の面積が大きくなる。
したがって、本実施形態の燃料噴射弁においては、油密室45と高圧燃料系101、102の圧力差を特許文献2に示された燃料噴射弁よりも小さくすることが可能である。これにより、開弁作動時に高圧燃料系101、102から油密室45にリークする燃料の量がさらに少なくなって駆動伝達効率が向上するとともに、リーク量の減少に対応してピエゾスタック30の伸長量を小さく設定することが可能になるためピエゾスタック30への充電エネルギーを低減させることができる。
さらに、本実施形態においては、ノズルニードル15の配置位置近傍にて高圧燃料通路102が収納空間101に接続されているため、換言すると、高圧燃料通路102が噴孔103に近い部位まで延びているため、圧損が少なく良好な噴霧が得られる。
(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は第2実施形態に係る燃料噴射弁の構成を示す断面図、図6(a)は図5のピエゾスプリング60を示す正面図、図6(b)はそのピエゾスプリング60の平面図である。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。
本実施形態の燃料噴射弁は、図5に示すように、ボデー10とシリンダ20との間にピエゾスプリング60が配置されている。このピエゾスプリング60は、油密室45の容積が縮小する向きにシリンダ20を付勢している。
これによると、ピエゾスタック30から電荷が放電されてピエゾ電圧が低下すると、シリンダ20はノズルスプリング25とピエゾスプリング60とによりピエゾスタック30側に戻される。したがって、閉弁時の応答性を向上させることができる。
また、ピエゾスプリング60の荷重はノズルニードル15に作用しないため、ピエゾスプリング60のばね定数の設定自由度は高い。したがって、ピエゾスプリング60のばね定数を大きく設定して、閉弁時の応答性を一層向上させることができる。
ピエゾスプリング60は、図6に示すように、多数の穴601が千鳥状に設けられた金属製の板材を円筒状にした所謂スリットスプリングを用いている。このスリットスプリングによると、ばね定数の大きいスプリングを容易に得ることができる。
(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7は第3実施形態に係る燃料噴射弁の構成を示す断面図である。本実施形態は、高圧燃料通路102と収納空間101との接続位置が第2実施形態と異なる。第2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。
本実施形態の燃料噴射弁は、図7に示すように、収納空間101におけるボデー軸方向他端側近傍にて高圧燃料通路102が収納空間101に接続されている。これによると、高圧燃料通路102をボデー10の側面に要しないので、信頼性(内圧強度)を向上できるとともに、収納空間101の径を大きくすることができる。そして、収納空間101の径を大きくすることにより、収納空間101に収納される構成部品の設計自由度を高めることができる。
(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は第4実施形態に係る燃料噴射弁の構成を示す断面図である。本実施形態は、高圧燃料通路102と収納空間101との接続位置が第2実施形態と異なる。第2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。
本実施形態の燃料噴射弁は、図8に示すように、ピエゾスタック30におけるボデー軸方向一端側近傍にて高圧燃料通路102が収納空間101に接続されている。これによると、圧損を少なくし、信頼性(内圧強度)を向上し、さらに、収納空間101に収納される構成部品のうちピエゾスタック30以外の構成部品の設計自由度を高めることができる。
本発明の第1実施形態に係る燃料噴射弁の構成を示す断面図である。 図1の固定ピストン40のA視図である。 (a)は図1のプッシュプレート35の正面図、(b)はそのプッシュプレート35の下面図である。 (a)は変形例のプッシュプレート35の正面図、(b)はそのプッシュプレート35の下面図である。 本発明の第2実施形態に係る燃料噴射弁の構成を示す断面図である。 (a)は図5のピエゾスプリング60を示す正面図、(b)はそのピエゾスプリング60の平面図である。 本発明の第3実施形態に係る燃料噴射弁の構成を示す断面図である。 本発明の第4実施形態に係る燃料噴射弁の構成を示す断面図である。 従来の燃料噴射弁の構成を示す断面図である。
符号の説明
10…ボデー、15…ノズルニードル、20…シリンダ、25…ノズルスプリング、30…ピエゾスタック、40…固定ピストン、45…油密室、102…高圧燃料通路、103…噴孔、152…ニードルピストン部、401…固定ピストン部。

Claims (6)

  1. 高圧燃料が流通する高圧燃料通路(102)およびこの高圧燃料通路(102)に接続された噴孔(103)がボデー(10)に形成され、前記噴孔(103)をノズルニードル(15)により開閉する燃料噴射弁であって、
    電荷の充放電により伸縮するピエゾスタック(30)と、
    このピエゾスタック(30)により駆動されるとともに、前記ノズルニードル(15)のニードルピストン部(152)が摺動自在に挿入されたシリンダ(20)と、
    前記ボデー(10)に固定されるとともに、前記ニードルピストン部(152)よりも大径の固定ピストン部(401)が前記シリンダ(20)に摺動自在に挿入された固定ピストン(40)と、
    前記シリンダ(20)内において前記ニードルピストン部(152)と前記固定ピストン部(401)との間に区画形成された油密室(45)と、
    前記ノズルニードル(15)を閉弁向きに付勢するノズルスプリング(25)とを備え、
    前記ピエゾスタック(30)の伸長により前記シリンダ(20)が移動し、前記油密室(45)の容積が拡大して前記ノズルニードル(15)が開弁作動し、前記ピエゾスタック(30)の収縮により前記油密室(45)の容積が縮小して前記ノズルニードル(15)が閉弁作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。
  2. 前記油密室(45)は、前記シリンダ(20)と前記ニードルピストン部(152)とのクリアランス、および前記シリンダ(20)と前記固定ピストン部(401)とのクリアランスを介して、前記高圧燃料通路(102)に連通していることを特徴とする請求項1に記載の燃料噴射弁。
  3. 前記ノズルスプリング(25)は、前記ノズルニードル(15)と前記シリンダ(20)とに挟持されて、前記油密室(45)の容積が縮小する向きに前記シリンダ(20)を付勢し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。
  4. 前記油密室(45)の容積が縮小する向きに前記シリンダ(20)を付勢するピエゾスプリング(60)を備えることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料噴射弁。
  5. 前記ピエゾスプリング(60)は、金属製の板材に多数の穴(601)を設けて円筒状に形成されたスリットスプリングであることを特徴とする請求項4に記
    載の燃料噴射弁。
  6. 前記シリンダ(20)は内周面に段付き部を備え、
    この段付き部の一方側に、前記ニードルピストン部(152)が挿入される第1シリンダ孔(201)が形成され、
    前記段付き部の他方側に、この第1シリンダ孔(201)よりも大径で前記固定ピストン部(401)が挿入される第2シリンダ孔(202)が形成されていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の燃料噴射弁。
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