JPS61283760A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、内燃機関用の燃料噴射装置に用いる燃料噴射
弁に関する。

〔発明の背景〕

内燃機関の燃料噴射装置に用いる燃料噴射弁は、噴射様
式によって２種類の弁構造より成る。即ち、吸気管噴射
の場合は、取付部周辺の圧力が低い為、ニードル弁の受
ける面圧の影響が極小さいため特開昭５４−１４７５２
５号公報に示されているような内開きシート弁が一般に
使用される。しかし乍ら、筒内噴射の場合は、取付部周
辺の圧力が燃焼（爆発）時に高圧となるため内開きシー
ト弁とした場合。

ニードル弁の受ける面圧ガス圧縮ばねのバネ力より大き
くなる。従ってニードルがばね力に抗して押し戻され燃
料の噴射制御が損なわれたり、あるいは噴射弁が破壊さ
れてしまう、これを防止するため、筒内噴射では特開昭
４８−４８２３号公報に示されているように、噴射孔の
外面で圧力を受ける外開きシート弁が一般に使用される
。

前記した内開きシート弁を従来の思想（構造）のままで
、筒内噴射への適用を試みるとすれば、噴射孔が開孔さ
れない様にばね力を強くすれば良い。しかし、この種の
弁の押圧力（バネ力）は数１００ｇであり、これを筒内
噴射では数１０Ｋｇの押圧力にする必要がある。従って
、ニードルの吸引力すなわち電磁力の強化を図らねばな
らない。

これを達成できる電磁石を有する燃料噴射弁はかなり人
形のものとなり実用上成り立たない、いわゆる低圧から
高圧の幅広い領域を満足するシート弁構造の共用化は困
難である。

置方、リターンスプリングのばね力と電磁石の電磁力の
相互作用によりニードルを往復動させて噴射孔を開閉し
燃料の噴射制御を行うこの種の弁は、燃料の応答速度に
限界があり直線的に噴射量を制御できる範囲が狭いこと
、や、噴射量の制御を精度良く行えないという問題を有
している。従って、応答速度を早めるためにリターンス
プリングのばね力の調整やニードルの軽量化、電磁力の
強化（エネルギーの投入）等種々検討されているが、開
閉時の応答時間を共に早くすることは仲々難しい。また
、この種の噴射弁が有する他の問題として燃料の微粒化
特性の悪さがあげられる。燃料の微粒化は、燃料自身の
もつ噴射エネルギー、すなわち、燃料の供給圧力によっ
て基本的に左右される。従って、燃料の供給圧力を高め
れば微粒化の促進を図ることができる。しかし、供給圧
力を高めた結果、ニードルの動きを束縛したり、リター
ンスプリングのばね力に抗してニードルが押し上げられ
て噴射孔が開き燃料もれが生ずるなどの問題を誘発する
。従ってこれを解決するためには、ばね力を強くするこ
とや電磁力の強化が必要になる。しかしバネ力を強くす
ると開弁応答時間が長くなり、また電磁力を強くすると
多大な電力を消費することや電磁石が大きくなることか
ら噴射弁が大形になる等実用上決して好ましい結果が得
られない。燃料圧力と応答時間あるいは省電力化、小形
化を両立させることも仲々難しい。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、燃料を噴射する空間の圧力の高低また
は変動による悪影響を受けない内開きシート弁形燃料噴
射弁を提供することにある。

〔発明の概要〕

燃焼室近傍の吸気管噴射については、燃料噴射弁の取付
位置の空間スペースが狭いということから燃料噴震の広
がり角度が限定されるので、内開きシート弁にて構成す
ることを基本とし、これを燃料を噴射する空間の圧力の
変動による悪影響を受けにくい弁構造へ、展開するのが
よい、従来の概念では可動部材であるニードル弁が外圧
の影響を受けて不用な動きをする。この動きを阻止する
観点からニードル弁を固定し、これに対して噴射孔を有
するノズルボデーが相対的に運動する構成とした。従っ
て、噴射弁が外圧を受けた場合、可動部材であるノズル
ボデーが固定ニードルに押圧されるため、噴射孔のシー
ルは増加し、燃料（噴射弁内側）と外気の遮断効果が著
しく向上する。

これにより、圧力が低い吸気管噴射用または圧力変動の
大きい筒内噴射用のいずれにも適合する。

一方、駆動手段は電磁石を用いても成立するが。

電磁石式燃料噴射弁にて懸念される事項を改警するため
には積層形圧電素子を用いるのが好ましい。

積層形圧電素子は、電圧を印加すると変位を生ずる圧電
素子を多数枚積層したものであり、電気的には並列、機
械的には直列となり、全体の変位量は各々の素子の和と
なる。このように積層することにより、１枚の圧電素子
では得られない大きな力と変位を得ることができる。現
在市販されているこの種の圧電素子は、角柱形または円
柱形であり、変位は直流正電圧の印加によって得られる
。

すなわち、一端を固定端とし他端を自由端として自由端
の変位（伸び）を利用することになる。本発明では積層
圧電素子を中空円筒状の積層圧電部材として構成する。

この積層圧電部材の中空部にニードル弁を挿入し、以っ
てニードル弁の弁体に対応する軸端にて一端を固定し、
他端を可動部材として成るノズルボデーに機械的に結合
した。かかる状態で積層圧電部材にパルス電圧を印加す
ると、積層圧電部材の機械的変位に連動してノズルボデ
ーが運動振動し、ノズルボデーの最先端部に設けた噴射
孔が開閉されて燃料が外部へ噴射供給される。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図により説明する。

説明にあたっては、駆動手段に積層圧電素子を用いた燃
料噴射弁について記述する。第１図および第２図は本発
明の第１実施例を示す断面図、要部拡大断面図を示し、
第３図および第４図は本発明の第２実施例を示す部分断
面図、要部拡大図を示す。

第１図において、１は圧電素子を多数枚積層した中空円
筒状の積層圧電部材、２は積層圧電部材１内に挿入した
絶縁材、３は最先端部に噴射孔３ａを有する中空円筒状
のノズルボデーで積層圧電部材１に機械的に結合してな
る。４は絶縁材２およびノズルボデー３に内接してなる
ニードルでノズルボデー３側に比較的隙間を小さくして
嵌合される。例えば、隙間は１０ミクロン程度である。

４ａ圧力流体入口で燃料配管が結合される。４ｂはニー
ドル４内に設けた圧力流体通路、４ｃは圧力流体通路４
ｂに連通してなり、圧力流体に旋回運動を与える旋回孔
で複数個設けである。

４ｄはシートで面接触あるいは線接触にて構成される。

５は圧力流体通路４ｂ内に設けたフィルター、６はニー
ドル４の先端部近傍に設けた渦巻室、７はニードル４と
ノズルボデー３間に設けた○リングで圧力流体の積層圧
電部材１側への漏れを阻止する。８はノズルボデー３の
外周に設けた圧縮バネ、９は以上掲げた各々の部品、を
包合するように設けた弁ケースで、一端はノズルボデー
３が適告な隙間をもって挿入可能な寸法に開放され、他
端は固定ネジを設けてなる中空円筒状の部材である。す
なわち、ノズルボデー３を覆って挿入しニードル４に固
定される。かかる構成で、ノズルボデー３は圧縮バネ８
の復元力によりニードル４のシート４ｄに押圧されてお
り圧力流体の外部への漏れを阻止する。押圧される力（
シート力）は、圧縮バネ８のバネ定数と弁ケース９の固
定位置によって所望の強さに設定できる。尚、本発明の
実施例では、前記圧縮ばね８はコイル状を用いたが板状
のものでもよい。

第２図は第１図のＡ−Ａ断面であり、圧力流体に旋回運
動を与える旋回孔４Ｃを示したものである。

第３図は本発明の第２の実施例を示す部分断面図であり
、第２の実施例はニードル４の構造を変更したもので、
別の構造をもったニードル１０を有する。すなわち、ニ
ードル１０の先端寄りの一部に段部を設け、この段部と
ノズルボデー３間の空間１１を形成したものである。空
間１１と圧力流体通路４ｂは、別なる複数個の圧力流体
通路１０ａにて連通ずる。また、空間１１より下流側の
ニードル１０の周囲面には、複数個の旋回孔１１ｂが設
けてあり、この旋回孔１１ｂは渦巻室６と連通ずる。す
なわち、圧力流体通路４ｂから流入した圧力流体は、別
なる圧力流体通路１１ａを通って空間１１に流入し、旋
回孔１１ｂによって旋回運動を与えられ渦巻室６に至る
。

第４図は、第２の実施例におけるニードル１０の先端部
の拡大図である。第１図から第４図において、同一符号
を付したものは同一部品を示す。

かかる構成において、以下にその動作を説明する。第１
図において、積層圧電部材１にパルス電圧を印加すると
、パルスのＯＮ時間に対応して積層圧電部材１が変位（
伸び）する。積層圧電部材１の伸びによってノズルボデ
ー３が圧縮ばね８のばね力に抗して押され、ニードル４
に設けたシート４ｄより離脱する。以ってノズルボデー
３に設けた噴射孔３ａが開口される。圧力流体は加圧ボ
ブ（図示せず）等の搬送機器を経て、圧力流体入口４ａ
からフィルター５を介して流入する・その後、圧力流体
は渦巻室６にて集められ、圧力流体の保持する運動エネ
ルギーを損なうことなく、シート４ｄの隙間より噴射孔
３ａに向って流れ、噴射孔３ａより外部へ噴射される。

この際、圧力流体は、広がりをもった薄膜状のスプレー
形状となり、微細な液滴に細分される。

一方、電圧がＯＦＦ状態になると、ノズルボデー３は圧
縮ばね８の復元力により、瞬時に元の位置に戻されニー
ドル４のシート４ｄを押圧する。

以ってノズルボデー３に設けた噴射孔３ａは閉止され圧
力流体の外部への噴射が止まる。第２の実施例における
動作は、第１の実施例とほぼ同じであるが、圧力流体は
ニードル１０の圧力流体通路４ｂから別の圧力流体通路
１１ａを経て、ニードル１０の外周に設けた旋回孔１１
ｂにて旋回運動を与えられ、噴射孔３ａより外部へ噴射
される。

以上の説明から明らかな様に、噴射孔３ａを有するノズ
ルボデー３自身が可動部材として成り。

圧縮バネ８にてニードル４もしくはニードル１０に押圧
されているため、ノズルボデー３に外力が加わった場合
、ニードル４，１０に設けたシート４ｄはさらに押圧さ
れることになる。従って、燃料噴射弁の取付部周辺の圧
力が異常に上昇しても噴射孔３ａは開かれることはない
。すなわち、取付部周辺の圧力状態の影響を受けない為
、吸気管噴射用と筒内噴射用の両用噴射弁を構成できる
ものである。

一方、本実施例に用いた積層圧電部材は、圧電素子を多
数枚積層して成るが、ｎ枚積層した圧電素子に直流電圧
Ｖを印加すると、変位量δはδ＝ｎ・α３□・　（Ｖ／
ｌ）で与えられる。α３．：圧電歪定数、ｔ：素子厚み
、一般には圧電素子を１００枚積層すると４０ミクロン
程度の変位が得られる。

このときの印加電圧は直流４００ｖである。また、圧電
素子の固有振動数が高いので応答性が良い。

通常１００μｓｅｃの応答が得られる。従って、電磁石
式燃料噴射弁（開閉弁応答時間は１ｍ５ｅｃ程度）に比
べて比常に優れている。前記した様に最先端部に噴射孔
３ａを有するノズルボデー３を中空円筒状の積層圧電部
材１に機械的に結合したので・積層圧電部材１の高速動
作をそのまま生かすコトカテキ、噴射孔３ａの開閉弁動
作を高速で行うことができる。すなわち、応答性向上に
よって１回当たりの噴射量を正確に調量することができ
、噴射量の制御を高精度に行うことができる。また、積
層圧電部材１は変位を拘束したときに７０Ｋｇ程度の力
を発生する。従って、本実施例においてはシート４ｄの
押し圧力を数１０Ｋｇに向上させて構成することも可能
である。すなわち、ノズルボデー３と弁ケース９間に設
けた圧縮ばね８のバネ定数を大きくできる。これによっ
て、供給燃料の圧力を高めてもノズルボデー３がバネ力
に抗して押し上げられシート４ｄが開いて燃料が外部へ
漏れることはない。本実施例によれば供給燃料の圧力は
５　Ｍ　Ｐ　ａまで上げても良いことが確認されている
。このとき、ノズルボデー３に設けた噴射孔３ａより噴
射される粒の大きさは数１０ミクロンとなり、電磁石式
燃料噴射弁の１７５程度にできる。さらに、圧電素子は
コンデンサーとして扱えるので０Ｎ−ＯＦＦ時の瞬間的
にのみ電力を消費するがＯＮ時間の間はコンデンサーに
電力が蓄わえられるのみで消費しない。前記した１００
枚積層の積層圧電部材１にパルス電圧４００Ｖを印加し
た際、消費される電力は５Ｗ程度であり、電磁石式燃料
噴射弁の１／３以下になることも本実施例によって確認
されている。

第５図は、本実施例の燃料噴射弁をガソリンエンジンの
吸気通路に装備した適用例を示す断面図である。吸気系
統として吸気通路１００には、その上流にエアフィルタ
ー、吸入空気量の制御を開閉にて行うスロットルバルブ
（共に図示せず）を、また下流に、点火プラグ１１０の
点火部１２０を臨ませて配設する燃焼室１３０と関口連
通する吸気孔１４０およびこの吸気孔１４０を開閉制御
する吸気弁１５０を装備してなる。この吸気弁１５０の
上流で吸気通路１１０の壁部１７０（インテークマニホ
ールド）に設けた取付孔１８０には、本実施例の燃料噴
射弁１９０が取付けられ、吸気弁１５０の弁座２００方
向に噴射可能とじてある。以上の構成において、ガソリ
ン機関は、吸入行程において燃焼室１３０内に所定量の
吸入空気を吸入通路１００、吸気弁１５０を経て吸入さ
れるものである。この煙流噴射弁１９０からは、従来に
比べて燃料が弁座２００方向へ微粒化特性および噴射圧
に対する応答性が良好にして噴霧供給される。これが吸
入空気と効率よく均一に拡散混合され所定の混合比なる
燃料と空気の混合気が形成される。燃焼室１３０では前
記混合気を吸入し圧縮工程にて圧縮したのち点火プラグ
１１０により着火燃焼させ、燃焼を適確に完結させるの
である。

以上説明したように、本発明の実施例によれば内燃機関
の燃料噴射様式である吸気管噴射用、筒内噴射用のいず
れにも適合した内開きシート弁より成る燃料噴射弁を提
供できるのは明らかである。

すなわち、燃料噴射弁の取付部周辺の圧力が上昇した場
合、噴射孔を有するノズルボデーは、固定したニードル
弁に押圧されるもので、外圧はシーん） 電力を向上する方向に働く。従って燃料もれの必イ もなく、弁機能の信頼性向上が図れるとともに、完全な
シールによって外気が噴射弁に悪影響を及ぼさないため
燃料制御に支障をきたすこともなく小形で安価な噴射弁
を構成できる。また従来、噴射様式によって分けられて
いた弁構造を共用化することができるため、生産設備の
一本化を図ることができ、これによってさらに原価低減
が図れるとともに、部品の共用化により信頼性の向上を
も同時に図ることができる。

一方、駆動源に積層圧電素子を適用し、これを中空円筒
状とした積層圧電部材と噴射孔を有するノズルボデーを
機械的に結合したので噴射孔の開閉を高速で行うことが
でき、流量制御の高精度比が図れるとともに開弁時間が
少ない領域（パルスＯＮ時間０　、５ｍ５ｅｃ　〜１　
、０ｍ５ｅｃ　）での流量制御も可能になった。また、
シートの押圧力の向上により５Ｍパスカル程度の高圧燃
料の噴射も可能にしたので燃料の微粒化特性を極めて良
好にでき、しかも噴射圧に対する微粒化の応答性をも迅
速にする等の効果が得られる。さらに、駆動手段として
積層圧電部材を利用した燃料噴射弁は、圧電部材も圧縮
ばねと共働してノズルボデーの移動を制限するので、筒
内が負圧になった場合でも噴射孔のシールを縮持するこ
とができ、また消費電力（約５Ｗで電磁石式燃料噴弁の
１／３以下）も少なく、従来より懸念される省電力化に
おいても優れる効果が得られる。また、本発明の燃料噴
射弁は、これを各種産業分野に適用すれば実益は大であ
る。例えば、内燃機関に適用すれば、燃料の適確な噴射
供給ができ燃焼の十分な完結を得て、有害ガスの発生を
抑制し排気による大気汚染を防止できるとともに、機関
を安定、円滑に運転でき各種動作効率等を大幅に改善で
き、しかも燃費を大幅に低減できるという実用上の効果
を有する６〔発明の効果〕 以上詳細に述べたように本発明によれば、燃料を噴射す
る空間の圧力の高低または変動による悪影響を受けない
内開きシート弁形燃料弁を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す縦断面図、第２図は第
１図のＡ−Ａ線断面図、第３図および第４図は本発明の
第２実施例を示す部分断面図、および要部拡大図、第５
図は本発明の燃料噴射弁をエンジンの吸気通路に装備し
た適用例を示す断面図である。 １・・・積層圧電部材、３・・・ノズルボデー、３ａ・
・・噴射孔、４・・・ニードル、４ｂ・・・圧力流体通
路、４ｄ・・・シート、６・・・渦巻室、８・・・圧縮
バネ、９・・・弁ケ３　　３久 冨２図 乙 篤３図 百５　図 ｔｑρ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．噴射孔を有するノズルボデーと、このノズルボデー
   の噴射孔を閉止するように配置されたニードル弁と、前
   記噴射孔を開閉する駆動手段とを有し、噴射孔が開いた
   とき、開かれた通路断面によつて与えられる流量の燃料
   を噴霧する燃料噴射弁において、ニードル弁に固定され
   た弁ケース、ノズルボデーと弁ケースとの間に介在され
   、ノズルボデーに対して噴射孔が閉止される方向の力を
   付与する圧縮ばね、ノズルボデーとニードル弁または弁
   ケースとの間に介在された駆動手段を備え、ニードルボ
   デーを運動させて噴射孔を開閉することを特徴とする燃
   料噴射弁。
2. ２．前記ノズルボデーを運動せしめる駆動手段として、
   電圧を印加する変位が生ずる圧電素子を多数枚積層して
   成る中空円筒状の積層圧電部材を用いたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の燃料噴射弁。
3. ３．前記ニードル弁内に流体通路を配設し、該流体通路
   より流出する燃料に旋回運動を与える複数個の旋回孔を
   設けるとともに、前記ノズルボデーに設けた噴射孔と該
   旋回孔間に、前記噴射孔に近接して該噴射孔と連通する
   渦巻室を設けて、燃料の旋回エネルギーを蓄積し、噴射
   時の燃料の微粒化を促進するようにしたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項または第２項記載の燃料噴射弁
   。