JP3823434B2

JP3823434B2 - エンジンの燃料噴射弁

Info

Publication number: JP3823434B2
Application number: JP10222997A
Authority: JP
Inventors: 雅彦勝; 雅彦飯泉; 孝之荒井; 隆福田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2017-04-18
Also published as: JPH10288116A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電素子または磁歪素子等のアクチュエータを介して針弁前後の燃料圧力を変化させることにより針弁を駆動するエンジンの燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から自動車用エンジンに備えられる燃料噴射弁に、印加電圧に応じて体積変化する圧電素子や磁界の変化に応じて体積変化する磁歪素子を備えたアクチュエータによって針弁（弁体）を開弁作動させるものが知られており、針弁をこれらアクチュエータにより駆動することにより、燃料噴射弁の応答性を向上でき、噴射可能範囲が拡大してエンジンの高出力化に対応できるとともに、少量の燃料を安定して噴射することが可能となってエンジンの燃費低減を図ることができる。
【０００３】
このような燃料噴射弁としては、実開昭６３−２４３６２号公報に開示されるものが知られており、アクチュエータとして圧電素子からなるピエゾアクチュエータを用いるとともに、針弁の開閉をその前後差圧に基づいて行うようにしたものである。
【０００４】
針弁の基端側の前後には供給された燃料の圧力を導く燃圧室と、ピエゾアクチュエータからの液圧を導く圧力室が画成されており、圧力室は燃圧室とオリフィスを介して連通されている。そして、ピエゾアクチュエータの収縮により圧力室の圧力が増大すると、リターンスプリングに抗して針弁が開弁駆動され、噴口が開いて燃料が噴射されることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の燃料噴射弁では、針弁を駆動する圧力室からピエゾアクチュエータ側の回路が閉回路となるため、ドレーン通路などを設ける必要があり、このドレーン通路の形成によって構造が複雑になって、製造コストを増大するという問題があり、また、針弁は噴口側から基端側まで一体的に形成されて、さらに、針弁の途中には、受圧部やスプリングと係合するための複数の大径部と小径部を形成する必要があり、さらに、これら大径部、小径部には燃料を導くオリフィスを形成せねばならず、針弁及びオリフィスの加工工数が増大して製造コストが上昇するのに加え、加工精度を保持するのが難しいため均一な応答性を確保するのが困難になる場合があった。
【０００６】
そこで、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、製造コストの低減と応答性の確保を両立可能な燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、加圧燃料が導かれる燃圧室と、燃圧室と差圧室の差圧に応じて変位する針弁と、針弁によって開閉され燃圧室の燃料を噴射する噴口と、燃圧室と差圧室を連通する絞り通路と、針弁を閉弁方向に付勢する第１弾性部材と、圧電素子または磁歪素子から構成されたアクチュエータと、アクチュエータの伸縮に応じて差圧室の圧力を加減圧するピストンとを備えたエンジンの燃料噴射弁において、前記針弁は、噴口を開閉する弁体と、この弁体と直列的に配設されるとともに、前記第１弾性部材に付勢されて弁体と接離可能な押圧部材とから形成され、前記差圧室を弁体と押圧部材との間に画成するとともに、前記弁体を開弁方向へ付勢する第２弾性部材を設け、加圧燃料を導くと共に、この加圧燃料と前記差圧室との差圧に応じて前記押圧部材を変位させる第２の燃圧室を形成する。
【０００８】
また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記ピストンの前記差圧室に連通する加圧室に面した受圧面積Ａ３を、押圧部材の前記差圧室に面した受圧面積Ａ２より大きく、かつ、押圧部材の前記受圧面積Ａ２を弁体の前記差圧室に面した受圧面積Ａ１より大きく設定する。
【０００９】
また、第３の発明は、前記第１の発明において、前記第１弾性部材のバネ定数は第２弾性部材のバネ定数よりも大きく設定されたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射弁。
【００１０】
また、第４の発明は、前記第１の発明において、前記弁体の開弁時には、前記第１弾性部材が発生する付勢力は押圧部材が受ける油圧力より小さく、かつ、第２弾性部材が発生する付勢力は弁体が受ける油圧力より大きく設定する。
【００１１】
また、第５の発明は、前記第１の発明において、前記ピストンは加圧室内に収装され、この加圧室は連通路を介して前記差圧室と接続される。
【００１２】
【発明の効果】
第１の発明は、噴口を開閉する弁体と、第１弾性部材に付勢される押圧部材を直列的に分割して配置するとともに、弁体を開弁方向へ付勢する第２弾性部材を設け、弁体と押圧部材の間に画成した差圧室にはアクチュエータの伸縮に応じたピストンからの圧力が加わることで、圧電素子または磁歪素子で構成されたアクチュエータの変位によって差圧室と弁体側の燃圧室及び押圧部材側の第２燃圧室の間に生じる差圧に応じて弁体を開閉駆動することが可能となり、差圧室へ燃料を供給する絞り通路は、弁体側ないし押圧部材側の少なくとも一方に設ければよく、前記従来例のように針弁を一体に形成して複数の絞りを形成するのに比して製造コストを低減することができるとともに、加工精度を容易に確保することが可能となって、安定した応答性の確保と製造コストの低減を両立させることができる。
【００１３】
また、第２の発明は、アクチュエータに駆動されるピストンの受圧面積Ａ３を押圧部材の受圧面積Ａ２より大きく、かつ、押圧部材の受圧面積Ａ２を弁体の受圧面積Ａ１より大きく設定することで、圧電素子ないし磁歪素子からなるアクチュエータの微少な変位による差圧室の圧力変動で針弁の駆動を確実に行うことが可能となる。
【００１４】
また、第３の発明は、押圧部材を介して弁体を閉弁方向へ付勢する第１弾性部材のバネ定数は、弁体を開弁方向へ付勢する第２弾性部材のバネ定数よりも大きく設定さるため、アクチュエータの伸長時にのみ弁体が開弁する一方、通電遮断時には第１弾性部材が第２弾性部材に抗して、弁体を閉弁させるため、アクチュエータの駆動回路等が故障した際のフェイルセーフを確保することができるのである。
【００１５】
また、第４の発明は、第１弾性部材が発生する付勢力を押圧部材が受ける差圧室からの油圧力より小さく、かつ、第２弾性部材が発生する付勢力を弁体が受ける差圧室からの油圧力より大きく設定したため、アクチュエータの伸長駆動によって差圧室の圧力が燃圧室及び第２燃圧室に供給される燃圧より大きくなる差圧の増大時には、押圧部材が第１弾性部材に抗して弁体から離れる方向へ変位するため、弁体は差圧室の油圧力に抗して開弁することができ、逆に、アクチュエータの収縮駆動によって差圧室の圧力が燃圧室及び第２燃圧室に供給される燃圧より小さくなる差圧の減少時には、押圧部材は第１弾性部材によって差圧室の油圧力に抗して弁体に当接するとともに、弁体を閉弁方向へ付勢することで、弁体を確実に閉弁することができる。
【００１６】
また、第５の発明は、アクチュエータが伸縮するとピストンの変位によって、加圧室内の圧力は連通路を介して差圧室へ導かれ、圧電素子または磁歪素子からなるアクチュエータの微少な変位を圧力変動に変換して、燃料噴射に必要な弁体及び押圧部材の駆動量を確保することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を筒内噴射式火花点火エンジンに配設される燃料噴射弁に適用した一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１において、燃料噴射弁はケーシング９の先端には、図示しないエンジンの燃焼室に臨ませるノズルボディ１が設けられ、このノズルボディ１は先端に開口した噴口１ａから燃料噴霧をピストンに向けて噴出するように構成される。
【００１９】
ノズルボディ１の内部には、噴口１ａ側に弁体２ａを形成する一方、他端にピストン部２ｂを形成した弁体としての針弁２が摺動可能に収装され、ノズルボディ１の内部には針弁２のまわりに燃圧室３が画成され、噴口１ａは針弁２によって開閉される。なお、針弁２は弁体２ａとピストン部２ｂでノズルボディ１内周と摺接する。なお、針弁２のピストン部２ｂの外径は弁体側よりも大きく設定され、ピストン部２ｂの噴口１ａ側には、針弁２を開弁方向へ付勢する第２弾性部材としてのスプリング５が介装される。
【００２０】
そして、ケーシング９に埋設されたノズルボディ１の内周には、ピストン部２ｂと接離可能な押圧部材としての押圧ピストン７が摺動自由に収装される。この押圧ピストン７は、先端側にピストン部２ｂと接離するロッド部７ａを形成する一方、基端側には内周で第１弾性部材としてのリターンスプリング４を収装するとともに、外周でノズルボディ１の内周と摺接する筒状部７ｂが形成され、この筒状部７ｂの端面がケーシング９の隔壁９ａ側と接離可能に形成される。
【００２１】
この押圧ピストン７と針弁２のピストン部２ｂの間には差圧室８が画成され、この差圧室８に面したピストン部２ｂの受圧面積をＡ１、同じく差圧室８に面した筒状部７ｂの受圧面積をＡ２とすると、
Ａ１＜Ａ２
の関係に設定される。
【００２２】
ここで、リターンスプリング４は押圧ピストン７を介して、針弁２を閉弁方向へ付勢するもので、このリターンスプリング４のバネ定数をＫ２とする一方、これに対抗するスプリング５のバネ定数をＫ１とすると、これらバネ定数の関係は、
Ｋ１＜Ｋ２ ………（１）
として設定される。
【００２３】
そして、筒状部７ｂとケーシング９の隔壁９ａとの間には、第２燃圧室３０が画成される。
【００２４】
さらに、ケーシング９の隔壁９ａよりも基端側（図中右側）は、筒状に形成されており、内周には圧電素子からなるピエゾアクチュエータ１０が軸方向（図中左右方向）へ伸縮自在に形成され、ケーシング９の開口端（基端）には封止部材１６が配設される。
【００２５】
また、ピエゾアクチュエータ１０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系セラミック、ＰＭＮ（ニオブ酸マグネシウム酸鉛）系セラミックなどからなる圧電素子を円盤状に形成した部材を多数積層し、これら、各圧電素子間及び両端には図示しない電極が介装されて、図示しないコントローラからの印加電圧に応じてピエゾアクチュエータ１０は、軸方向へ伸縮する。
【００２６】
隔壁９ａと対向したピエゾアクチュエータ１０の先端には、ピストン１１が固設され、このピストン１１と隔壁９ａの間には加圧室２１が画成されており、さらに、ピストン１１と隔壁９ａとの間には、ピエゾアクチュエータ１０を収縮方向へ付勢する皿バネ状のリターンスプリング２２が介装される。
【００２７】
このピストン１１の受圧面積をＡ３とすると、上記針弁２のピストン部２ｂ及び押圧ピストン７の受圧面積Ａ１、Ａ２との関係は、次のように設定される。
【００２８】
Ａ１＜Ａ２＜Ａ３ ………（２）
また、ピストン１１の外周にはケーシング９内壁と摺接するＯリング１２が介装されて、加圧室２１内の燃料がピエゾアクチュエータ１０側へ漏れるのを防止する。
【００２９】
一方、封止部材１６と対向したピエゾアクチュエータ１０の基端には板状のスペーサ１４が固設され、このスペーサ１４と封止部材１６との間にはボール１５が介装される。このボール１５は、ピエゾアクチュエータ１０の軸線近傍に設けられて、封止部材１６に対するピエゾアクチュエータ１０の相対的な回動を許容し、ピエゾアクチュエータ１０に軸まわりのねじれが発生するのを防止する。
【００３０】
次に、ケーシング９の所定の側面には、図示しない燃料供給手段と連通する燃料入口６が開口形成され、この燃料入口６からは、針弁２の燃圧室３と連通する燃料供給通路１７と、押圧ピストン７背面の第２燃圧室３０と連通する燃圧供給通路１８が接続され、上記燃料供給手段から圧送される燃料は、燃料入口６から、まず上流側の第２燃圧室３０へ導かれるとともに、下流側の燃圧室３へ導入されて、後述するように、針弁２のリフトに伴って噴口１ａから噴射される。
【００３１】
また、針弁２のピストン部２ｂと押圧ピストン７との間に画成された、差圧室８とピエゾアクチュエータ１０側の加圧室２１との間には、連通路１９が形成されて、ピエゾアクチュエータ１０の伸縮に応じた加圧室２１の圧力の変動は、この連通路１９を介して差圧室８へ導かれる。
【００３２】
ここで、燃料入口６から供給される燃圧をＰ１、差圧室８に加わる圧力をＰ２とすると、これらの差圧ΔＰは、
ΔＰ＝Ｐ２−Ｐ１
で表され、また、針弁２を開弁方向へ付勢するスプリング５が発生する付勢力（弾性復元力）をＦ１、対抗するリターンスプリング４が発生する付勢力をＦ２とすると、上記各ピストン２ｂ、７、１１の受圧面積Ａ１〜Ａ３と、これらスプリング４、５が発生する弾性復元力の関係は次のように設定される。
【００３３】
Ｆ１＞ΔＰ×Ａ１ ………（３）
Ｆ２＜ΔＰ×Ａ２ ………（４）
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００３４】
図１は、エンジン停止時における燃料噴射弁の状態を示しており、図示しないコントローラから電圧が印加されていないため、ピエゾアクチュエータ１０は収縮するとともに、リターンスプリング２２によって付勢されて最収縮位置となっており、加圧室２１の容積は最大となって、これと連通する差圧室８の圧力は低下し、また、燃料入口６へ燃料が圧送されないため、燃圧室３及び第２燃圧室３０との圧力は共に低下し、これら各室の圧力は、ピストン部２ｂに形成した絞り通路２０を介して均一になり、このとき針弁２は、上記（１）式から、リターンスプリング４のバネ定数Ｋ２の方がスプリング５のバネ定数Ｋ１より大きく設定されるため、閉弁方向へ付勢されて弁体２ａがノズルボディ１のシート部に押し付けられて閉弁状態を保持することができる。
【００３５】
すなわち、リターンスプリング４の付勢力が針弁２を開弁方向へ付勢するスプリング５に抗して、押圧ピストン７のロッド７ａを介して針弁２を閉弁し、エンジン停止中に噴口１ａから燃料が洩れることが防止される。
【００３６】
エンジン始動に伴って図示しない燃料供給手段から燃料入口６へ所定の燃圧Ｐ１で燃料が圧送されると、燃圧室３及びその上流の第２燃圧室３０へ燃圧Ｐ１が導かれて圧力が上昇し、燃料が絞り通路２０を通って差圧室８へ流入し終わるまでの間は、針弁２のピストン部２ｂの前後に差圧が生じる。
【００３７】
しかし、燃圧室３とその上流側の第２燃圧室３０には等しく燃圧Ｐ１が加わるとともに、針弁２がリターンスプリング４とスプリング５の付勢力（バネ定数）の差によって、針弁２の弁体２ａがノズルボディ１のシート部へ押し付けられることにより、所定の噴射時期以外での針弁２が開弁を防止できる。
【００３８】
エンジン始動時および始動後における燃料噴射弁の開弁動作時には、ピエゾアクチュエータ１０はエンジン回転に同期して印加される電圧に応じて、また、リターンスプリング２２に抗して伸長駆動される。
【００３９】
ピエゾアクチュエータ１０の伸長に伴って、ピストン１１が加圧室２１の体積を縮小する方向（隔壁９ａ側）へ移動し、差圧室８には連通路１９を介して加圧室２１からの加圧燃料が供給される。
【００４０】
このとき、加圧室２１の圧力は、上記絞り通路２０によってピエゾアクチュエータ１０の伸長駆動以前に燃圧Ｐ１に達しており、また、ピストン１１の受圧面積Ａ３は、上記（２）式のように設定されるため、ピエゾアクチュエータ１０の微少な変位によっても燃圧Ｐ１より大となる。したがって、連通路１９を介して差圧室８に加わる圧力も燃圧Ｐ１より大となり、このときの差圧室８の圧力をＰ２とすると、針弁ピストン部２ｂと押圧ピストン７には差圧ΔＰが生じる。
【００４１】
したがって、上記（４）式より、リターンスプリング４の付勢力Ｆ２が差圧室８の油圧力より小さくなるため、押圧ピストン７は隔壁９ａへ向けて移動して、筒状部７ｂの端面が隔壁９ａに当接するまで移動する。
【００４２】
一方、上記（３）式より、針弁２のピストン部２ｂを開弁方向へ付勢するスプリング５の付勢力Ｆ１は、差圧室８の油圧力より大きくなり、また、押圧ピストン７が上記のように隔壁９ａ側へ移動するため、針弁２も隔壁９ａへ向けて移動して、弁体２ａが噴口１ａを開き、燃圧室３に導かれる燃圧Ｐ１の燃料が噴口１ａを通ってエンジン内の燃焼室へ噴射される。
【００４３】
一方、燃料噴射弁の閉弁動作は、ピエゾアクチュエータ１０への電圧の印加を遮断することにより行われる。
【００４４】
ピエゾアクチュエータ１０は電圧の遮断によって収縮するとともに、リターンスプリング２２の付勢力によって最収縮位置まで変位する。
【００４５】
ピエゾアクチュエータ１０の収縮に伴って、ピストン１１が加圧室２１の体積を増大する方向（封止部材１６側）へ移動し、差圧室８は連通路１９を介して加圧室２１の容積の増大に伴って減圧される。
【００４６】
このとき、差圧室８の圧力は、上記絞り通路２０によって燃圧室３から徐々に燃料の供給を受けるが、圧力は急減して燃圧室３及び第２燃圧室３０の燃圧Ｐ１未満となり、このときの差圧室８の圧力Ｐ２と、針弁ピストン２ａと押圧ピストン７に加わる燃圧Ｐ１との間には差圧−ΔＰが生じる。
【００４７】
したがって、上記（３）式より、針弁２のピストン部２ｂを開弁方向へ付勢するスプリング５の付勢力Ｆ１は、差圧室８の油圧力より大きいままであるが、上記（４）式より、リターンスプリング４の付勢力Ｆ２が差圧室８の油圧力より大きくなり、かつ、上記（１）式より、リターンスプリング４のバネ定数Ｋ２はスプリング５のバネ定数より大であるため、押圧ピストン７はロッド７ａをピストン部２ｂへ当接させるとともに、針弁２を閉弁方向へ駆動し、弁体２ａがシート部に当接して噴口１ａを封止することで、燃圧室３から燃焼室への噴射が停止する。
【００４８】
上記閉弁動作は、ピエゾアクチュエータ１０への通電経路の断線等で、電圧の印加が遮断された場合にも同様に作動し、電気系統の故障時のフェイルセーフを確保することができるのである。
【００４９】
こうして、ピストン部２ｂを備えた針弁２と、針弁２を駆動する押圧ピストン７を直列的に分割して配置するとともに、ピストン部２ｂと押圧ピストン７の間に画成した差圧室８と、ピエゾアクチュエータ１０のピストン１１で画成された加圧室２１を連通路１９により接続し、各ピストンを上記（２）のように設定し、またスプリング５とリターンスプリング４のバネ定数Ｋ１、Ｋ２及び付勢力Ｆ１、Ｆ２を上記（１）、（３）、（４）式のように設定することで、ピエゾアクチュエータ１０の微少な変位によって差圧室８との間に生じる差圧ΔＰに応じて針弁２を開閉駆動することが可能となり、差圧室８へ燃料を供給する絞り通路２０を、１箇所設けるだけでよいため、前記従来例のように針弁を一体に形成するとともに複数の絞りを形成するのに比して製造コストを低減することができるとともに、加工精度を容易に確保することが可能となって、安定した応答性の確保と製造コストの低減を両立させることができるのである。
【００５０】
また、ピエゾアクチュエータ１０による圧力変動を伝達する経路は、差圧室８と加圧室２１を連通する連通路１９を形成するだけでよく、前記従来例のようにドレーン通路などを設ける必要がなくなって、簡易な構成とすることができ、加工工数の低減による製造コストの低減をさらに推進することができるのである。
【００５１】
さらに、ピエゾアクチュエータ１０の伸長時にのみ針弁２が開弁するため、ピエゾアクチュエータ１０への通電が遮断された際には、確実に燃料の噴射を中止することができ、ピエゾアクチュエータ１０の駆動回路等が故障した際のフェイルセーフを確保することができるのである。
【００５２】
なお、上記実施形態において、ピストン１１を駆動するアクチュエータとして圧電素子からなるピエゾアクチュエータ１０を採用した場合を示したが、図示はしないが、磁界の強さに応じて伸縮する磁歪素子を用いた磁歪アクチュエータまたは超磁歪アクチュエータを採用しても同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料噴射弁の断面図。
【符号の説明】
１ノズルボディ
１ａ噴口
２針弁
２ａ弁体
２ｂピストン部
３燃圧室
４リターンスプリング（第１弾性部材）
５スプリング（第２弾性部材）
６燃料入口
７押圧ピストン（押圧部材）
８差圧室
１０ピエゾアクチュエータ
１１ピストン
１７燃料供給通路
１８燃圧供給通路
１９連通路
２０絞り通路
２１加圧室
２２リターンスプリング
３０第２燃圧室

Claims

加圧燃料が導かれる燃圧室と、
燃圧室と差圧室の差圧に応じて変位する針弁と、
針弁によって開閉され燃圧室の燃料を噴射する噴口と、
燃圧室と差圧室を連通する絞り通路と、
針弁を閉弁方向に付勢する第１弾性部材と、
圧電素子または磁歪素子から構成されたアクチュエータと、
アクチュエータの伸縮に応じて差圧室の圧力を加減圧するピストンとを備えたエンジンの燃料噴射弁において、
前記針弁は、噴口を開閉する弁体と、この弁体と直列的に配設されるとともに、前記第１弾性部材に付勢されて弁体と接離可能な押圧部材とから形成され、
前記差圧室を弁体と押圧部材との間に画成するとともに、前記弁体を開弁方向へ付勢する第２弾性部材を設け、
加圧燃料を導くと共に、この加圧燃料と前記差圧室との差圧に応じて前記押圧部材を変位させる第２の燃圧室を形成したことを特徴とするエンジンの燃料噴射弁。
前記ピストンの前記差圧室に連通する加圧室に面した受圧面積Ａ３を、押圧部材の前記差圧室に面した受圧面積Ａ２より大きく、かつ、押圧部材の前記受圧面積Ａ２を弁体の前記差圧室に面した受圧面積Ａ１より大きく設定したことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射弁。
前記第１弾性部材のバネ定数は第２弾性部材のバネ定数よりも大きく設定されたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射弁。
前記弁体の開弁時には、前記第１弾性部材が発生する付勢力は押圧部材が受ける油圧力より小さく、かつ、第２弾性部材が発生する付勢力は弁体が受ける油圧力より大きく設定したことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射弁。
前記ピストンは加圧室内に収装され、この加圧室は連通路を介して前記差圧室と接続されたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射弁。