JPS6149164A - 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】 産業上の利用分野 本発明は燃料噴射の制御を電歪式アクチュエータにより
行なう燃料噴射弁に関するものである。

従来の技術 燃料噴射弁の開閉は、それに要する時間が小さ　　。

い程、すなわち開閉の応答がよい程制御精度がよ（、ま
たエンジンの性能も向上する。応答の早いアクチュエー
タとして電歪式のものがあり、最近この電歪式アクチュ
エータを利用した燃料噴射弁がいくつか提案されている
。

しかして本発明者らが特願昭５８−００３６３７号にお
いて提案した燃料噴射弁は、噴口を開閉するノズルニー
ドルが電歪式アクチュエータを介して付勢されて噴口を
閉塞し、電歪式アクチュエータの収縮時に燃料だまりに
作用する燃料圧に付勢されて噴口を開放するように構成
されている。すなわち、燃料だまり内の燃料は、自らノ
ズルニードルを押上げるとともに噴口から吐出するよう
になっている。

発明が解決しようとする問題点 上記従来装置は、噴射される燃料が同時にノズルニード
ルを開放させるように作用するので、噴射圧力が低いと
きノズルニードルの制御の応答性が悪く、また、噴射さ
れる燃料の圧力が急変すると、これに応じてノズルニー
ドルが振動することがある。このような応答性の低下お
よびノズルニードルの振動は、燃料噴射弁の使用条件に
よっては所望の燃料噴射が行なわれないこととなり、問
題となる。

問題点を解決するための手段 本発明に係る燃料噴射弁は、燃料を噴射するための噴口
を有するとともに弁座が形成されたノズルボディと、こ
のノズルボディ内に往復動自在に収容され、上記弁座に
接離して上記噴口を開閉するノズルニードルと、このノ
ズルニードルの上記噴口とは反対側の端面を付勢可能な
電歪式アクチュエータと、上記弁座の近傍であって上記
噴口とは反対側に燃料を供給する燃料供給手段と、上記
ノズルニードルに圧力流体を供給してこのノズルニード
ルを上記弁座から離座させる開放手段とを備え、上記燃
料供給手段と開放手段とは別系統で形成され、上記ノズ
ルニードルは、上記電歪式アクチュエータが膨張するこ
とにより変位して上記噴口を閉塞し、上記電歪式アクチ
ュエータが収縮することにより上記開放手段を介して上
記噴口を開放し、燃料を噴射することを特徴としている
。

実施例 以下図示実施例により本発明を説明する。

燃料噴射弁１００は、内燃機関の吸気管あるいはシリン
ダヘッド等に取付けられ、フィードポンプ１０からプレ
ッシャレギュレータ１１を介して供給された燃料を、ノ
ズルニードル１０１を昇降させることにより噴口１０２
から噴射する。ノズルニードル１０１の開閉動作は、電
歪式アクチュエータ１０３と制御用油圧ポンプ２００に
より行なわれ、この油圧ポンプ２００は、三方弁１２に
よって駆動制御され、リザーバ１３を介して高圧燃料を
ノズルニードル１０１に供給し、これを上方へ付勢する
。

三方弁１２は、コントローラ３００により切換制御され
、コントローラ３００はリザーバ１３に取付けられた圧
力スイツチ１４に応じて作動するよう構成されている。

燃料噴射弁１００のケーシングはノズルホルダ１０４と
リテーニングナンド１０５から構成される。

ノズルホルダ１０４は内部に円筒状の空間１０６を有し
、リテーニングナツト１０５は空間１０６よりも内径の
大きい円筒状空間１０７を有する。ノズルホルダ１０４
のオネジ１０８とリテーニングナツト１０５のメネジ１
０９によって両者は結合され、これにより内部に段付円
筒状の空間が形成される。この空間内には、第１図の上
側より電歪式アクチュエータ１０３、ポンプピストン１
１１、皿バネ１１２、ディスタンスピース１１３、およ
びノズルボディ１１４が収容される。

ノズルボディ１１４は下端部に噴口１０２を有し、この
噴口１０２をリテーニングナツト１０５の開口部１１５
内に位置させる。ノズルボディ１１４の内部空間内には
ノズルニードル１０１が昇降自在に収容される。ノズル
ニードル１０１は段付円柱状を呈し、上半分が大径部１
１６、下半分が小径部１１７となっている。小径部１１
７の下端は半球状を有し、噴口１０２の上方に形成され
た円錐状の弁座１１８に着座したときこの噴口１０２を
閉塞し、弁座１１８から離座したときこの噴口１０２を
開放する。ノズルニードル１０１の大径部１１６はノズ
ルボディ１１４の軸部上方に形成された大径孔１１９内
を摺動し、両者のクリアランスは直径にして約２０μｍ
である。ノズルニードル１０１の小径部１１６はノズル
ボディ１１４の軸部下方に形成された小径孔１２０内を
摺動し、両者のクリランスは直径にして約２μｍである
。ノズルニードル１０１の軸方向の可動範囲は約５０μ
ｍであり、上端はディスタンスピース１１３によって、
下端は弁座１１８によって制限される。

ノズルボディ１１４の大径孔１１９と小径孔１２０の接
続部は、環状に拡大された空間となっており制御用油溜
り１２１を形成する。また小径孔１２０の下方には燃料
溜り１２２が形成され、これは制御用油溜り１２１より
も大径に形成される。制御用油溜り１２１には、ノズル
ボディ１１４、ディスタンスピ−ス１１３、およびノズ
ルホルダ１０４内を連通して延びる制御油通路１２３が
導通しており、この制御油通路１２３はノズルホルダ１
０４の上部右側に形成された制御油入口ポート１２４に
連通する。一方、燃料溜り１２２には、上記制御油通路
１２３と同様に、ノズルボディ１１４、ディスタンスピ
ース１１３、およびノズルホルダ１０４内を連通して延
びる燃料通路１２５が導通ずる。この燃料通路１２５は
ノズルボルダ１０４の上部左側に形成された燃料入口ポ
ート１２６に連通する。燃料溜り１２２内の燃料はノズ
ル−ドル１０１が弁座１１８から離座したとき噴口１０
２から噴射され、ノズルニードル１０１は制御用油溜り
１２１内の燃料圧がノズルニードル１０１を下ゝ方へ付
勢する力よりも大きくなったとき上昇して弁座１１８か
ら離座する。

ノズルニードル１０１の上端面は研磨されて平滑な面を
存し、同様に研磨されて平滑な平面をもつディスタンス
ピース１１３の下面と密着可能である。

ディスタンスピース１１３の中央には孔１２７が穿設さ
れており、この孔１２７はノズルニードル１０１がディ
スタンスピース１１３に密着することにより閉塞される
。ディスタンスピース１１３の上方にはポンプピストン
１１１が配設され、これらディスタンスピース１１３と
ポンプピストン１１１の間にはポンプ室１２８が形成さ
れる。このポンプ室１２８内はディスタンスピース１１
３の孔１２７を介してノズルボディ１１４内の空間に連
通ずる。ポンプピストン１１１はその上方に設けられた
電歪式アクチュエータ１０３の下端に取付けられ、ポン
プ室１２８内に設けられた皿バネ１１２により上方に付
勢される。ポンプピストン１１１は電歪式アクチュエー
タ１０３の伸縮によって昇降し、これによりポンプ室１
２８の容積を変化させる。このポンプ作用のため、ポン
プピストン１１１の外周にはシール用のＯリング１２９
が取付けられる。

電歪式アクチェエータ１０３は薄い円盤状の電歪素子を
約５０桟積層して円柱状となしたものである。電歪素子
はＰＺＴと呼ばれるセラミックであり、チタン酸ジルコ
ン酸鉛を主成分としており、その厚み方向に５００Ｖの
電圧を印加すると１μｍ伸びる。

これを５０枚積層して各々の素子の厚み方向に５００ｖ
印加すると全体として５０μｍの伸張が得られる。この
電圧を解除するか又は若干の負電圧を印加すれば５０μ
ｍの縮小を起して元の長さに戻る。電圧の印加、解除は
図示しないリード線を介して外部のコントローラによっ
て行なわれる。

なお、ノズルホルダ１０４、ディスタンスピース１１３
、およびノズルボディ１１４の相対位置を規制して燃料
通路１２５および制御油通路１２３を確保するために、
例えばノックピン（図示せず）が設けられる。

噴射弁１００が噴射する燃料は、フィードポンプ１０か
らプレッシャレギュレータ１１を介して燃料入口ボート
１２４へ供給される。フィードポンプ１０は電動式のベ
ーンポンプであって、燃料タンク１５の燃料（ガソリン
）を汲み上げて吐出するものである。この吐出される燃
料は、プレッシャレギュレータ１１によって２．５ｋｇ
／Ｃｍ２の圧力を維持する。プレッシャレギュレータ１
１はリリーフ式のものであって、ドレーンパイプ１６に
よって余分の燃料をフィードポンプ１０の入口に戻す。

ノズルニードル１０１を昇降させて噴口１０２を開閉さ
せるための制御用油は、制御用油圧ポンプ２００から逆
止弁１７およびリザーバ１３を介して制御油人口ポート
１２４へ供給される。油圧ポンプ２００はダイヤフラム
式ポンプである。すなわち、油圧ポンプ２００は、ケー
シング２０１内をダイヤフラム２０２により変圧室２０
３と定圧室２０４とに区画され、ダイヤフラム２０２に
ピストン２０５を取付けて構成される。ピストン２０５
の先端円柱部２０６は、ケーシング２０１の下方に形成
されたポンプ室２０７内に臨み、昇降してこのポンプ室
２０７の容積を変化させることができる。ピストン２０
５は、変圧室２０３内の圧力が相対的に大きくなったと
き下方へ変位してポンプ室２０７を圧縮し、変圧室２０
３内の圧力が相対的に小さくなったとき、定圧室２０４
内に設けられたばね２０８とポンプ室２０７内の圧力に
付勢されて上方へ変位し、ポンプ室２０７を拡大させる
。ダイヤフラム２０２の有効面積はピストン２０５の円
柱部２０６の有効面積の約２５倍である。

変圧室２０３は入口ボート２０９を介して三方弁１２に
接続され、定圧室２０４は孔２１０を介して燃料タンク
１５に接続される。ポンプ室２０７へは、プレッシャレ
ギュレータ１１と噴射弁１００の燃料入口ポート１２６
とを結ぶ管路１８の途中において分岐する管路１９が接
続され、この管路１９を介して２．５　ｋｇ／ｃｍ２の
圧力の燃料が供給される。なお管路１９の途中には逆止
弁２０が設けられる。

三方弁１２は電磁式であって、通電された時変圧室２０
３をフィードポンプ１ｏの吐出側に導通し、通電されな
い時変圧室２０３を燃料タンク１５に導通ずる。三方弁
１２の通電はコントローラ３００によって制御され、コ
ントローラ３００はリザーバ１３内の圧力を検出して開
閉する圧力スイフチ１４の信号によってその制御を行な
う。圧力スイフチ１４はリザーバ１３内の圧力が５０　
ｋｇ　／　ｃＪｌｌ　ｘ以下では閉（ＯＮ）となり、５
Ｑｋｇ／ｃｍ”を越える時開（ＯＦＦ）となる。圧力ス
イッチ１４が閉の時、コントローラ３００は三方弁１２
に対して３　ｓｅｃ通電、３　ｓｅｃ停止を周期的に繰
返す。圧力スイッチ１４が開の時、コントローラ３００
は三方弁１２への通電を行なわない。

第３図はコントローラ３００の回路構成を示す。

バッテリ３０は、内燃機関のイグニッションスイッチ３
１を介してコントローラ３００に１２Ｖの直流電圧を供
給し、この電圧は電源回路３０１により５■に安定化さ
れて各部に供給される。

公知の構成を有する発振回路３０２は６８２．７　Ｈｚ
のクロック信号を発生する。このクロック信号は１２ビ
ツトのバイナリカウンタ３０３のクロック入力に接続さ
れており、Ｚ”＝４０９６分周された信号すなわち周期
６秒の方形波がｑ＋ｚ端子に出力される。この信号はイ
ンバータ３０４により反転され、２人力ＡＮＤゲート３
０５の一方の入力端子に接続される。

圧力スイッチ１４は、リザーバ１３の圧力が５０ｋｇ／
ｃｍ”以下のときＯＮ、それ以上のときＯＦＦとなるよ
うに作動する。圧力スイッチ１４の一方の端子はグラン
ドに接続されており、他方はコントローラ３００に人力
される。この信号は、抵抗３０６を介してインバータ３
０７へ接続すれる。インパーク３０７の入力信号は、さ
らに抵抗３ｏ８、コンデンサ３０９を介して正電源へプ
ルアンプされているため、圧力スイッチ１４がＯＦＦの
ときは　１ルベル、ＯＮのときは“０ルベルとなる。

インバータ３０７の出力は、２人力ＡＮＤゲート３０５
の他方の入力端子に接続されており、さらにインバータ
３１０により反転されて、バイナリカウンタ３０３のリ
セット人力Ｒに接続される。２人力ＡＮＤゲート３０５
の出力は抵抗３１１．３１２を介してトランジスタ６１
３のベースに接続される。トランジスタ３１３のコレク
タは電磁三方弁１２に接続されており、電磁三方弁１２
の他方の端子は、イグニ・シションスイッチ３１に接続
される。３２はトランジスタ３１３の保護用のダイオー
ドである。

以上の構成を有するコントローラ３００の作動について
説明する。イグニッションスイッチ３１がＯＮされると
、電源回路３０１により安定化された電源がコン１０−
ラ３００の各部に供給される。電源をＯＮにした直後に
はコンデンサ３０９の電圧は０■であるため、インバー
タ３０７の入力は“１”レベルとなり、バイナリカウン
タ３０３はリセットされる。イグニッションスイッチ４
３１のＯＮ直７ｉはリザーバ１３の圧力はまだ低いため
、圧力スイッチ１４はＯＮ状態となっており、抵抗３０
６を介してコンデンサ３０９は急速に充電され、即座に
インバータ３０７の入力は“０”レベルとなる。このた
めバイナリカウンタ３０３のリセットは解除され、発振
回路３０２からのクロック信号をカウントし始める。バ
イナリカウンタ３０３のＱＩ！端子出力は、リセット直
後１０″レベルとなっておりインバータ３０４により反
転されて″１″レベルとなって２人力ＡＮＤゲート３０
５に入力される。２人力ＡＮＤゲート３０５の他方の入
力はインバータ３０７の出力であり“１”レベルとなっ
ているため、２人力＾ＮＤゲート３０５の出力は“１”
レベルとなり抵抗３１１゜３１２を介してトランジスタ
３１３を導通させ電磁三方弁１２に通電を行なう。

３秒後バイナリカウンタ３０３のＱ１□端子からの出力
は“１”レベルとなり、インバータ３０４で反転される
。したがって２人力ＡＮＤゲート３０５の入力が０”レ
ベルとなるため、トランジスタ３１３は非導通となり、
電磁三方弁１２には通電されなくなる。さらに３秒経過
すると、バイナリカウンタ３０３のＱ　１　を端子から
の出力が再び“０”レベルとなり電磁三方弁１２が通電
される。

このような動作は圧力スイッチ１４がＯＮの間くり返さ
れる。圧力スイッチ１４がＯＦＦになると、インバータ
３０７の入力は抵抗３０８により“１”レベルとなり、
２人力ＡＮＤゲート３０５の人力が’ｏ”レベルとなる
ため、即時にトランジスタ３１３は非導通となり、電磁
三方弁１２への通電は停止される。この時、バイナリカ
ウンタ３０３はインバータ３１０を介してリセットされ
、圧力スイッチ１４が次にＯＮになった時のために待機
するようになっている。

以上のように、コントローラ３００は、圧力スイッチ１
４がＯＮの時には、電磁三方弁１２を３秒′ａ電、３秒
停止を周期的にくり返し、圧力スイッチ１４がＯＦＦの
時には通電を行なわないように作動する。

本実施例は以上のように構成されるので、燃料噴射弁１
００は次のように作動する。

燃料の噴射を停止すべき時期に電歪式アクチュエータ１
０３に５００ｖの電圧を印加する。この結果電歪式アク
チュエータ１０３は約５０μｍ伸張してポンプピストン
１１１を下降させ、ポンプ室１２Ｂ内の燃料は圧縮され
高圧になって孔１２７を経てノズルニードル１０１の上
端面に作用してこれを下降させる。これによりノズルニ
ードル１０１の下端部は弁座１０８に押し付けられて噴
口１０２を閉塞し、この噴口１０２への燃料供給が遮断
される。

ノズルニードル１０１の上端面に作用する高圧の燃料は
、大径部１１６と大径孔１１９の間のクリアランスを経
て制御用油溜り１２１へ漏洩するが、燃料だまり１２１
の油圧、すなわちリザーバ１３の燃料圧よりも低下する
ことはありえず、少なくとも５０ｋｇ／ｃｍ”の燃料圧
がノズルニードル１０１の上端面全体に作用し続ける。

ノズルニードル１０１の大径部１１６と小径部１１７の
断面積の差に相当する面積には油溜り１２１の油圧５Ｑ
ｋｇ／ａｍ”が上向きに作用するが、この油圧は下向き
の力よりは小さく、その差の力によりノズルニードル１
０１が弁座１１８に押圧され続ける。即ち、燃料溜り１
２２の２．５　ｋｇ／Ｃｍ２の燃料は噴口１０２と遮断
され、噴射弁１００は閉弁の状態を維持し続ける。

これに対し、燃料の噴射を開始すべき時期には電歪式ア
クチュエータ１０２に若干の負電圧を印加して、上記５
００ｖの電圧を解除する。この結果、電歪式アクチュエ
ータ１０２は約５０μｍ収縮し、ポンプピストン１１１
は皿バネ１１２に押されて上昇する。しかしてポンプ室
１２８は拡大して負圧を発生し、孔１２７を介してノズ
ルニードル１０１の上端面に作用する圧力を減圧する。

よってノズルニードル１０１は油溜り１２１の油圧５Ｑ
ｋｇ／ｃｍ”によって押し上げられ、ノズルニードル１
０１の上端面はディスタンスピース１１３の下端面に密
着する。この状態ではノズルニードル１０１に作用する
下向きの力は存在せず、ノズルニードル１０１は上端の
位置にとどまり、噴口１０２は燃料溜り１２２と琳通し
て燃料噴射を持続する。すなわち噴射弁１００は開弁の
状態を維持し続ける。その後、燃料噴射を停止する時の
作動は前述のとうりであり、内燃機関の要求に応じて任
意の時期、任意の期間だけ燃料を噴射することができる
。

次に、噴射弁１００の制御用油溜り１２１への油圧の供
給についてその作動を説明する。

内燃機関の運転停止時には、制御用油圧ポンプ２００に
おいてピストン２０６ばばね２０８の付勢力によって図
の上方位置にあり、ポンプ室２０７の容積を最大にして
いる。この時、ポンプ室２０７、リザーバ１３、油溜り
１２１、及びそれらを結ぶ燃料通路は燃料で満たされて
はいるものの、その油圧は殆ど大気圧に等しい。内燃機
関の始動に当ってイグニッションスイッチを閉（ＯＮ）
にすると、フィードポンプ１０が作動を開始し、同時に
三方弁１２を３秒間通電する。よってフィードポンプ１
０の２．５　ｋｇ／ｃｍ”の吐出圧は、ダイヤフラム２
０２に作用して、ポンプ室２０７にその２５倍の圧力を
発生させることができる。しかしポンプ室２０７の吐出
容積は０．２ｃｃであり、それに対してリザーバ１３を
中心とする吐出側の全容積は２０ｃｃを越えるため、ピ
ストン２０６がフルストロークしてもリザーバ１３内の
油圧をすぐに５０ｋｇ／ａｍ２以上に上げることができ
ない場合もある。この時は圧力スイッチ１４は閉（ＯＮ
）のままである。

三方弁１２への３秒間の通電の後に、三方弁１２は３秒
間通電が停止される。この通電停止の間、変圧室２０３
は燃料タンク１５と導通されるため、この変圧室２０３
内の油圧は大気圧にまで低下し、ばね２０８の付勢力に
よってピストン２０６が上昇しポンプ室２０７は吸入工
程を行なう。吸入工程ではフィードポンプ１０より吐出
された燃料が、プレッシャレギュレータ１１、逆上弁２
０を介してポンプ室２０７に流入する。このようにして
三方弁１２は３秒間通電を停止され、この間にポンプ室
２０７の吸入工程を行なった後、再び３秒間通電される
。すなわち、ポンプ室２０７は再び吐出工程を行なう。

この作動が高々数回繰返えされれば、リザーバ１３内の
油圧は５Ｑｋｇ／ｃｍ”に達し、そこに設けられた圧力
スイッチ１４は開（ＯＦＦ）となり、その瞬間に三方弁
１２への通電は停止され、再び圧力スイッチ１４が閉（
ＯＮ）となるまでその状態は維持される。油溜り１２１
は、ノズルニードル１０１の小径部１１７と、小径孔１
２０とのクリアランスを介して燃料溜り１２２と導通し
ているため、わずかづつではあるが油圧の漏洩があり、
数分間で圧力スイッチ１４は閉（ＯＮ）となる。この時
三方弁１２は通電され、前述の作動が行なわれる。

よってリザーバ１３内には５０ｋｇ／ｃｍ”を中心とす
るわずかの振れ幅の油圧が常時維持される。

なお、制御用油圧ポンプ２００を省略し、リザーバ１３
と燃料通！１．８とを逆止弁１７のみを介して接続させ
てもよい。これは、フィードポンプ１０の吐出圧の変動
が大きければ、その最も高い油圧を制御用油圧として利
用できるからである。

また、圧力スイッチ１４を省略し、三方弁１２への通電
および停止を周期的に繰返してもよい。

この場合、三方弁１２を駆動するための電力消費が増大
し、リザーバ１３の内圧が上昇しすぎることがあるが、
基本的な作用は上記実施例と同様である。

発明の効果 以上のように本発明は、ノズルニードルを開閉制御する
ための油圧系統を、噴射される燃料系統とは別系統のも
のとしたものである。したがって、燃料の噴射圧力が低
くてもノズルニードルを開放するために高い制御用油圧
を作用させることができ、ノズルニードルの制御の応答
性を向上させることができる。また、噴射燃料圧が変動
しても、ノズルニードルは高い制御用油圧に付勢される
ので振動することはない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示し、要部を断面とした系
統図、第２図は三方弁と圧力スイッチの作動関係を示す
グラフ、第３図はコントローラの回路図である。 １００・・−・燃料噴射弁、 １０１−　ノズルニードル、 １０２−・−噴口、 １０３−電歪式アクチュエータ、 １１ＥＩ−ｍ＝・弁座、 １２１・−制御用油溜り（開放手段）、１２２−燃料溜
り（燃料供給手段）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．燃料を噴射するための噴口を有するとともに弁座が
   形成されたノズルボディと、このノズルボディ内に往復
   動自在に収容され、上記弁座に接離して上記噴口を開閉
   するノズルニードルと、このノズルニードルの上記噴口
   とは反対側の端面を付勢可能な電歪式アクチュエータと
   、上記弁座の近傍であって上記噴口とは反対側に燃料を
   供給する燃料供給手段と、上記ノズルニードルに圧力流
   体を供給してこのノズルニードルを上記弁座から離座さ
   せる開放手段とを備え、上記燃料供給手段と開放手段と
   は別系統で形成され、上記ノズルニードルは、上記電歪
   式アクチュエータが膨張することにより変位して上記噴
   口を閉塞し、上記電歪式アクチュエータが収縮すること
   により上記開放手段を介して上記噴口を開放し、燃料を
   噴射することを特徴とする燃料噴射弁。