JPS618462A

JPS618462A - 電歪式燃料噴射弁

Info

Publication number: JPS618462A
Application number: JP12909984A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Abe; 誠幸阿部; Toshihiko Ito; 猪頭　敏彦; Yasuyuki Sakakibara; 榊原　康行
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1984-06-25
Filing date: 1984-06-25
Publication date: 1986-01-16

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内燃機関、特にディーゼルエンジンに設けられ
る燃料噴射弁に関するものである。

従来の技術ディーゼルエンジンにおいては燃料圧を高くする必要が
ある。一方、最近、燃料噴射の制御の自由度を高めるた
めに燃料噴射弁を電子制御することが広がりつつあり、
高圧燃料を扱うために、構造的に丈夫である電歪素子が
しばしば用いられる。

しかして従来の燃料噴射弁は、燃料を噴射するための噴
口を開閉するニードル弁と、このニードル弁を噴口を閉
塞する方向に付勢するばねと、燃料供給源と噴口との間
の通路の途中に設けられてこの通路を開閉する弁体と、
この弁体を駆動するための電歪式アクチュエータとが設
けられ、弁体が開放したときニードル弁は燃料圧を受け
てばねに抗して噴口を開放し、弁体が閉じたときニード
ル弁はばねにより噴口を閉塞するようになっている。

発明が解決しようとする問題点ところが従来の燃料噴射弁は、上記弁体の部分と上記ニ
ードル弁を設けられた噴射ノズル部とが別体であり、こ
れらの部分を接続する通路が長く、このため、ニードル
弁を閉じるときにこの通路内の圧力がすぐには低下しな
い。したがってこのニ−ドル弁がばねに押圧されて噴口
を閉しるまでには一定の時間を要し、燃料噴射の停止を
迅速に行なうことが困難である。本発明は以上の問題点
を解決することを目的とする。

問題点を解決するための手段上記問題点を解決するため、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開閉するニードル弁と、
燃料供給源と上記噴口との間の通路の途中に設けられて
この通路を開閉する弁体と、この弁体が連結され、印加
電圧に応じて伸縮してこの弁体を開閉駆動する電歪式ア
クチュエータとを備え、上記ニードル弁は第一受圧面と
この受圧面よりも大きい受圧０面積を有する第二受圧面
とを有し、上記第一受圧面は上記通路内であって上記弁
体より上流側に臨み、上記第二受圧面は上記通路内であ
って上記弁体より下流側に臨む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。

第１図において、１は本発明の一実施例に係る電歪式燃
料噴射弁を示し、センターケーシングｌＯの上部にはア
ッパーケーシング２０が螺合され、一方、下部にはロア
ケーシング３０が螺合される。

センターケーシング１０の下方にはシリンダ４０とディ
スタンスピース５０が配設され、これらシリンダ４０と
ディスタンスピース５０はセンターケーシング１０とロ
アケーシング３０により挾持される。したがって、セン
クーケーシング１０の端面とシリンダ４０とディスタン
スピース５０とロアケーシング３０の下方肩部とのそれ
ぞれの各接触面は、相互に密着する。ロアケーシング３
０の下端にはりテーニングナソト６０を介してニードル
ボディ７０が固定される。

センターケーシング１０とアッパーケーシング２０とシ
リンダ４０とにより形成される空間内には電歪アクチュ
エータ１００が収容される。電歪アクチュエータ１００
の上下端にはそれぞれ電気絶縁板１１０，１２０が配置
され、さらにその上下に熱歪補正用ピストン１３０、駆
動ピストン１４０が配設される。

電歪アクチュエータ１００は電歪素子を多数枚積層した
ものである。電歪素子はチタン酸ジルコン酸鉛を主成分
とするセラミックであって、薄い円盤状の両面に電極が
設けてあり、この両面間に５００　Ｖの電圧を印加すれ
ば厚み方向に１μの伸長を生じる。この電歪素子を１０
０枚積層して円柱状に構成したのが電歪アクチュエータ
１００であり、このアクチュエータ１００は各素子の厚
み方向に電圧を印加、解除するための電気配線１５０が
設けられる。

電歪アクチュエータ１００の上下端の電気絶縁板１１０
、１２０は硬質の樹脂から成形され、その凹部１１１、
１２１に電歪アクチュエータ１００が嵌着するようにな
っている。駆動ピストン１４０は、電気絶縁板１２０の
外周に嵌合する凹部１４１と、センターケーシング１０
の内径より小径の円筒部１４２と、後述するシリンダ４
０の中央孔４５に摺設する摺動部１４３から構成される
。摺動部１４３は円筒部１４２より小さい径を有し、そ
の先端は球面状を有していて後述する弁体１７０に当接
する。一方、熱歪補正用ピストン１３０は電気絶縁板１
１０の外周に嵌合する凹部１３１とセンターケーシング
１０の内径より小径の円筒部１３２と摺動部１３３から
構成される。

摺動部１３３は円筒部１３２より小径であり、その先端
面は平らである。また、この摺動部１３３の径は駆動ピ
ストン１４０の摺動。部１４３の径よりわずかに大きく
成形される。

ピストン１３０の摺動部１３３はアッパーケーシング２
０の孔に圧入されたスリーブ２１に摺動自在に嵌合する
。アッパーケーシング２０には、燃料人口２２、燃料通
路２３，２４　、環状溝２５がそれぞれ形成され、燃料
通路２３の途中には逆止弁座２６が成形される。燃料人
口２２と環状溝２５は燃料通路２３を介して連通ずる。

アッパーケーシング２０の中央凹部には、逆止弁用法１
６０とこの球１６０のためのストッパー２７とが挿入さ
れる。組付時において熱歪補正用ピストン１３０の上端
面とストッパー２７の下端面との間の距離は、アッパー
ケーシング２０、センターケーシング１０、電歪アクチ
ュエータ１００の上下端の各ピストン１３０゜１４０の
熱膨張を考慮し０．５ｎ前後とする。しかして熱歪補正
用ピストン１３０の上端面とストッパー２８の下端面と
の間に、熱歪補正用圧力室２００が形成される。

センターハウジング１０は中空円筒で厚内部の上下外周
にアッパーケーシング２０取付用のネジ１１と、ロアケ
ーシング３０取付用ネジ１２とが形成される。さらにセ
ンターハウジング１０には、これの軸心方向に貫通する
燃料通路１３と軸心方向に垂直に延びるドレン燃料通路
１４と、ドレン燃料通路１４に連通しケーシング１０の
下端面にまで達するドレン燃料通路１５とが、それぞれ
形成される。燃料通路１３はアッパーケーシング２０の
環状溝２５に、またドレン燃料通路１５は後述するシリ
ンダ４０のドレン燃料通路４１に、それぞれ連通する。

センターハウジング１０の中央部の側壁には、電気配線
１５０用の取出穴１６が穿設される。

シリンダ４０は環状を有し、厚肉部には、センターケー
シング１０の燃料通路１３に連通ずる燃料通路４２と、
センターケーシング１０のドレン燃料通路１５に連通す
るドレン燃料通路４１とが貫通して成形される。シリン
ダ４０の下端面には、溝巾がＱ　、　３　＊ｍ程度の環
状溝４３が形成され、この環状溝４３は外周の下端面に
開口する燃料通路４４に連通ずる。

ディスタンスピース５０は皿状に成形され、凹部５１内
に、弁体１７０と板バネ１８０とを収容する。

ディスタンスピース５０の中央部には、後述するニード
ル弁１９０を摺動自在に支持するシリンダ孔５２が形成
される。ディスタンスピース５０の厚肉部には、シリン
ダ４０の燃料通路４２に連通ずるとともに弁体１７０の
上下の四部５１内に連通ずる燃料通路５３と、シリンダ
４０のドレン燃料通路４１と連通ずるとともにシリンダ
孔５２の下部に開口するドレン燃料通路５４と、シリン
ダ４０の燃料通路４４に連通ずるとともにディスタンス
ピース５０の下端面に開口する燃料通路５５が穿設され
る。

ディスタンスピース５０の凹部５１に収容される弁体１
７０は略円盤状を呈し、上端面のリング状突起１７１が
シリンダ４０の下端面に着座したとき環状溝４３を閉塞
する。上記リング状突起１７１のシール部の幅はシリン
ダ４０の環状溝４３の幅の約２倍程度である。ディスタ
ンスピース５０は皿ばね１８０により付勢されており、
非作動時シリンダ４０の下端面に密着する。しかしてデ
ィスタンスピース５０の下端面は皿バネ１８０の支持面
である。

弁体１７０の外径は、ディスタンスピース５０の凹部５
１の円周面をガイドとして動く程度の間隙を設けるよう
に定められる。さらに弁体１７０は、中央から少しずれ
た位置にバランスポート１７２が形成され、弁体１７０
の上下に油圧がかかる様になっている。

ニードルボディ７０は、中央にニードル弁１９０を摺動
自在に支持するシリンダ孔７１、油だまり７２を有し、
下方にはシート部７３及び噴孔が形成される。またニー
ドルボディ７０の上端面にはリング状燃料通路７５が形
成され、これは、ディスタンスピース５０の燃料通路５
５と連通ずる。

リング状燃料通路７５と油だまり７２は燃料通路７６を
介して連通ずる。ニードルボディ７０の上端面はりテー
ニングナソト６０により、ディスタンスピース５０の下
端面に密着する。

ニードル弁１９０はディスタンスピース５０のシリンダ
孔５２に摺動自在に支持される第１摺動部１９１と、ニ
ードルボディ７０のシリンダ孔７１に摺動自在に支持さ
れる第２摺動部１９２と、ニードルボディ７０のシート
部７３に着座する先端シート部１９３とを有する。第１
摺動部１９１の断面積を８１とし、第２摺動部１９２の
断面積を８２とし、シート部１９３のシート径内側の断
面積を８３とすると、（Ｓ＋　）＜　（Ｓ２−３３　）
なる関係がある。

さらに第１摺動部１９１の径は第２摺動部１９２の径よ
り小さいが、その段部１９４はニードル弁１９０がニー
ドルボディ７０のシート部７３に着座する状態において
、ディスタンスビー、ス５０の下端面より０．５ｆｌ程
度下方に位置するようになっている。

この時形成される空間１９５はデイスタンスピース５０
のドレン燃料通路５５と連通ずるようになっている。な
お３０１は燃料タンク、３０２は高圧燃料ポンプ、３０
３はアキュームレータ、３０４は一定圧力にするための
レギュレータである。これらは低圧パイプ３０５．３０
６、高圧パイプ３０７　、３０８　、３０９により相互
に連通ずる。またセンターケーシング１０のドレン燃料
通路１４は低圧パイプ３１０を介して燃料タンク３０１
に連通する。３１１は電歪アクチュエータ１００を駆動
するための駆動回路である。

以上の構成を有する本実施例装置の動作を第１〜第３図
に従って説明する燃料ポンプ３０２により燃料タンク３
０１から吸入された燃料は、燃料タンク３０１−低圧パ
イプ３０５−燃料ポンプ３０２−高圧ポンプ３０７→ア
キユームレーク３０３→高圧パイプ３０８→レギユレー
タ３０４、および高圧パイプ３０９＝アツパーケーシン
グ２０の燃料人口２２の順に流れる。その結果、燃料ポ
ンプ３０２より下流であってレギュレータ３０４までの
燃料ライン内の圧力はレギュレータ３０４により設定さ
れた２００気圧の高圧に維持される。燃料ボシブ３０２
によりそれ以上に供給された燃料は低圧パイプ３０６か
ら燃料タンク３０１に戻される。

アッパーケーシング２０の燃料人口２２に供給された燃
料は、燃料通路２３−環状溝２５→センターケーシング
１０の燃料通路１３→シリンダ４０の燃料通路４２→デ
イスタンスピース５０の燃料通路５３−ディスタンスピ
ース５０の凹部５１の順に流入し、それらは全て２００
気圧に維持される。

一方この燃料は、アッパーケーシング２０の燃料人ロ２
２→燃料通路２４→熱歪補正用圧力室１７０の順にも流
入し、２００気圧が熱歪補正ピストン１３０にも作用す
る。

この状態においてディスタンスピース５０の凹部５１内
の２００気圧は、弁体１７０がシリンダ４０の下面に着
座しているとき駆動ピストン１４０を押し上げるように
作用するとともに、弁体１７０のシート部１７１の以外
の面に作用する。したがって弁体１７０は板バネ１８０
の付勢力に加え、シート部１７１の面積に相当する面積
に作用する２００気圧の上向きの力でもってシリンダ４
０の下面に押圧される。なお、凹部５１内の２００気圧
の圧力はニードル弁１９０の第１摺動部１９１の端面に
も作用する。

駆動ピストン１４０は、摺動部１４３の断面積に作用す
る２００気圧相当の力で上へ押されるが、電歪アクチュ
エータ１００の上方の熱歪補正用ピストン１３０にも摺
動部１３３の断面積に作用する２００気圧相当の力を受
けており、これによりアクチュエータ１００は下へ押さ
れる。上述したように、熱歪補正用ピストン１３０の摺
動部１３３の径は、駆動ピストン１４０の摺動部１４３
の径より大きいので、電歪アクチュエータ１００および
駆動ピストン１４０は、これらの摺動部１３３，１４３
の受圧面積の差に応じて下方へ付勢され弁体１７０を開
弁させようとする。

しかし、皿ばね１８０が弁体１７０を下方から支持する
ので弁体１７０は閉塞状態を維持する。しかして、電歪
アクチュエータ１００には熱歪補正用ピストン１３０の
摺動部１３３の断面積にかかる２００気圧相当分の力が
プリセット荷重として加わり、一方弁体１７０は着座状
態を維持する。さらにニードル弁１９０の最も上の端面
にも２００気圧が作用しているため、このニードル弁１
９０もシート部７３に着座し続ける。

この状態で駆動回路３１１を介して電歪アクチュエータ
１００に５００ｖの電圧を印加する。すると、まず電歪
アクチュエータ１００が軸方向に伸長する。

この結果、熱歪補正用圧力室２００内の逆止弁用法１６
０は、最初フリーの状態であったのが、この圧力室２０
０の圧力上昇によりアッパーケーシング２゜のシート部
２６に着座し、燃料人口２４を閉塞する。すると、電歪
アクチュエータ１００は上方に伸びることができないの
で下方に伸長し始め、駆動ピストン１４０を介して弁体
１７０を、皿ばね１８０と油圧に抗して押し下げる。こ
れにより、弁体１７０は０．３鰭幅の環状溝４３を開放
し、凹部５１あるいは燃料通路５３内に供給されていた
２００気圧の燃料は環状溝４３に流入するとともに燃料
通路４４−５５−７５−’７６−油溜り７２の順に流れ
る。

一方、ニードル弁１９０の燃料圧を受ける面は、押し下
１デようとする第１摺動部１９１の端面（断面積Ｓ１）
と、押し上げようとする、第２摺動部１９２の断面（断
面積Ｓ２）とシート部１９３（断面積Ｓ３）とであるが
、これらの各面積は（Ｓｉ　）　　＜（Ｓ２−３３）の
関係があるので、２００気圧が（Ｓ２−３３）の面に作
用することにより、ニードル弁１９０はリフトする。一
度リフトすれば、２００気圧−が供給されている期間ニ
ードル弁１９０は開弁状態を維持し、燃料噴射を続ける
。

次に電歪アクチュエータ１００にかかる電圧をＯＶに戻
すと、電歪アクチュエータ１００は軸方向に縮む。する
と駆動ピストン１４０が上方へ移動し、弁体１７０は皿
バネ１８０の力により上方へ押されシリンダ４０の下面
に着座する。しかして環状′ａ４３が閉塞され、油溜り
７２への２００気圧の燃料の補充が断たれる。この結果
、燃料の噴射により油溜り７２内の圧力が低下する一方
であり、かつニードル弁１９０の最上部端面には２００
気圧が作用しているので、ニードル弁１９０は下降して
シート部７３に着座し、燃料噴射が停止する。

さて、この時のニードル弁１９０の受＆Ｊる関係を検討
する。ニードル弁１９０の第１摺動部１９１の直径を４
１ｍとし、第２摺動部１９２の直径を５ｆｉとし、ニー
ドル弁１９０のシート部１９３の直径を２酊とする。第
１摺動部１９１の断面積Ｓ１にかかる力は、燃料圧が２
００気圧の時２５．１３ｋｇであり、これはニードル弁
１９０を下方へ押す力である。一方、ニードル弁１９０
を上へ押す力は第２摺動部１９２の断面積Ｓ２からシー
ト部１９３の断面積Ｓ３を引いた残りの面積に相当する
部分にかかる圧力であるから、ニニドル弁１９０の開弁
圧Ｐｏは（Ｓ２　　Ｓ３　）　Ｘ　Ｐｏ　＝　２５．１３ｋｇよ
り求められる。

すなわちＰｏ　＝　１５２．７気圧となる。したがって
１、弁体１７０が開弁し１５２．７気圧以上の高圧がニ
ードル弁１９０に上方に作用した時、ニードル弁１９０
は開弁する。

これに対し、閉弁圧Ｐｃを見てみると、閉弁圧ＰｃはＳ
２　Ｘ　Ｐｃ　−２５，１３ｋｇより求められる。すな
わちＰｃ　＝　１２８．２気圧となる。したがって弁体
１７０が閉弁し、油溜り７２へ供給される高圧が遮断さ
れ、弁体１７０の下流の圧力が１２８．２気圧を下回る
とニードル弁１９０は閉弁するー。

たとえば上記Ｓ２　、Ｓ３の面積をそのままの値に維持
し、Ｓｌの面積を変えると、Ｓｌが直径３龍相当であれ
ば、開弁圧は８５．９気圧、閉弁圧は７２．１気圧とな
る。Ｓｌが直径４．５鶴相当であれば開弁圧は１９３．
２気圧、閉弁圧は１６２．３気圧となる。

なお熱歪補正用ピストン１３０は次のようにして熱歪を
補正する。電歪アクチュエータ１００はセラミックであ
り〜ケーシング１０等は金属であるので熱歪量はケーシ
ング１０等の方が大きい。したがってケーシング１０等
が外部の熱により膨張、収縮したとき、圧力室２００の
隙間は変化する。この変化は非常にゆるやかであり、し
たがって逆止弁１６−０がフリーの状態で行われる。こ
の結果、圧力室２００の容積は変わるが、非圧縮性の燃
料で満たされていることと、電歪アクチュエータ１００
の伸長が非常に急峻であるために多少の容積変化によら
ず逆止弁１６０が閉じられ、熱歪補正用ピストン１３０
は上方への移動を阻害される。しかして熱歪が補正され
る。

弁体１７０とニードル弁１９０の作動パターンを第２図
に従って説明する。

（Ａ）は駆動電圧、（Ｂ）は弁体１７０のリフト、（Ｃ
）は噴射率を示す。電歪式アクチュエータ１００に電圧
を印加すると（ＯＮ状態）Ｔ１後に弁体１７０がリフト
し始め、Ｔ２１＆に最大リフトに達する。

Ｔ３後に燃料噴射が開始し、Ｔ４後に最大噴射率に達す
る。その後、Ｔ５後に印加電圧をＯＦＦにすると電歪式
アクチュエータ１００は縮み、電圧をＯＦＦにしてから
Ｔ６後に弁体１７０が着座を開始し、Ｔ７後に着座する
。噴射率はＴ８後に降下し始め、Ｔ９後に燃料噴射が停
止する。このように、噴射量は弁体１７０のリフト量を
一定とし、ＯＮ時間を変えることによって制御できる。

噴射率の制御について第３図により説明する。

（Ｄ）は駆動電圧であり、この例ではＶ　ｉ　　ｐ　Ｖ
　２の２段階に変化するようになっている。（Ｅ）は弁
体１７０のリフト、（Ｆ）は噴射率である。

電歪式アクチュエータ１００に■１の電圧を印加すると
（ＯＮ）ＴＩｏ後に弁体１７０がリフトし始め、Ｔｏ　
後に低リフト状態に達する。Ｔｔｚ後に噴射が開始し、
Ｔ＋ａ後に低噴射率状態に達する。Ｔ＋牛後に■２の高
い電圧を印加すると、この電圧の印加からＴｉｔ　後に
弁体１７０がさらにリフトし始め、ＴＩ６後に最大リフ
トに達する。するとＴ＋７　後にさらに噴射率が増加し
始め、Ｔｒｇ後に最大噴射率に達する。Ｔ＋ｑ　後にＯ
ＦＦにすると、これからＴλ０後に弁体１７０が降下し
始め、Ｔ２ｒ　後に弁体１７０は着座する。Ｔ叱後に噴
射率は低下し始め、Ｔ２３後に噴射が停止する。このよ
うに、噴射率は電圧により制御卸できる。

本実施例装置は以上のように作動し、その効果は次のよ
うなものである。すなわち、（１）　　弁体１７０を電歪アクチュエータ１００によ
り直接駆動するので、応答が速い。

（２）直接弁体１７０を駆動するため、弁体１７０の開
口面積を電圧により変化させることができ、噴射率の制
御が容易である。

（３）弁体１７０はシール部を除き同し圧力を受けるの
で、電歪アクチュエータ１００の負荷が軽くて済む。

（４）　　ニードル弁１９０の上部にも燃料の供給圧を
作用させているので従来用いられていたニードル弁復帰
用のスプリングが不要である。

（５）またニードル弁１９０の上部にも供給圧を作用さ
せていることによりニードル弁１９０の上下の受圧面積
を変えるだけで開弁圧、閉弁圧を容易に変更できる。

（６）　　ニードル弁１９０の上下の面積比を一定にし
たまま燃料の供給圧力を変えることにより、ニードル弁
１９０の開弁圧、閉弁圧を変えることができ、噴射率を
変化させることができる。

（７）　　ニードル弁１９０のリフト量の自由度が高い
。

（８）駆動ピストン１４０の径を小さくできるので電歪
アクチュエータ１００にかかる力を低減でき、供給され
る燃料の高圧化が容易である。

（９）熱歪補正用圧力室２００及びピストン１３０を設
けたので、装置全体が熱膨張により歪んでも、非作動時
に弁体１７０を確実に閉弁させ、かつ開弁時における弁
体１７０のリフト量を一定に保ことができる。

なお上記実施例において、ニードル弁１９０は第１摺動
部１９１と第２摺動１９２を一体的に成形されていたが
、これらを分割して成形されていても良い。またポンプ
３０２はレギュレータ３０４の設定圧以上の圧力を発生
するものを使用したが、このレギュレータを用いず、一
定圧のみ供給する定圧供給燃料ポンプを、使用しても良
い。

発明の効果以上のように本発明によれば、弁体とニードル弁との間
の通路を短縮化できるので、ニードル弁の閉弁時におけ
る応答時間を極力短くすることができ、燃料噴射の停止
を迅速化できる。またニードル弁の復帰用のばねを省略
し、ニードル弁の端面に常に高い燃料圧を作用させるよ
うにしたので、このニードル弁の閉弁はより迅速なもの
となる。

さらに、ニードル弁の２つの受圧面を弁体の上流側と下
流側にそれぞれ臨ませたので、これらの受圧面あるいは
燃料供給圧を変えることにより、ニードル弁の開弁圧と
閉弁圧とを容易に変化させることができる。また弁体は
、電歪式アクチュエータにより直接駆動されるので、応
答が速い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は弁体
のリフトと噴射率の関係を示すグラフ、第３図は駆動電
圧を変化させたときの弁体のリフトと噴射率の関係を示
すグラフである。７４・・・噴口、１００・・・電歪式アクチュエータ、１７０・・・弁体、　　　　１９０・・・ニードル弁。

Claims

【特許請求の範囲】

　１．燃料を噴射するための噴口を開閉するニードル弁
、と燃料供給源と上記噴口との間の通路の途中に設けら
れてこの通路を開閉する弁体と、この弁体が連結され、
印加電圧に応じて伸縮してこの弁体を開閉駆動する電歪
式アクチュエータとを備え、上記ニードル弁は第一受圧
面とこの受圧面よりも大きい受圧面積を有する第二受圧
面とを有し、上記第一受圧面は上記通路内であって上記
弁体より上流側に臨み、上記第二受圧面は上記通路内で
あって上記弁体より下流側に臨むことを特徴とする電歪
式燃料噴射弁。