JP4270293B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータに駆動される加圧ピストンの移動により圧力制御室の制御圧を増減させてニードルの開閉動作を制御する燃料噴射弁に関する。

従来、燃料噴射弁では、アクチュエータとして電磁弁を用いたものが一般的であるが、大流量、高応答を実現するために、発生力が大きく、且つ、応答性の高い圧電アクチュエータを用いた燃料噴射弁が提案されている。
例えば、特許文献１に示される燃料噴射弁は、図５に示す様に、電圧が印加されて変位を生じる圧電アクチュエータ１００と、この圧電アクチュエータ１００に駆動される加圧ピストン１１０と、この加圧ピストン１１０の外周を摺動自在に保持する外側スリーブ１２０と、加圧ピストン１１０の移動に応じて内部圧（油圧）が増減する圧力制御室１３０と、弁ボディ１４０の内部に摺動自在に保持されて、噴孔１５０を開閉するニードル１６０等より構成される。

圧力制御室１３０は、加圧ピストン１１０と、外側スリーブ１２０、ニードル１６０、および弁ボディ１４０とで液密に区画されており、圧電アクチュエータ１００に電圧が印加されて加圧ピストン１１０が図示下方へ押し下げられると、圧力制御室１３０の容積が低減して内部圧が上昇する。
この圧力制御室１３０の内部圧は、ニードル１６０に形成された受圧面１６１に作用してニードル１６０を開弁方向（図示上方）へ付勢する開弁力として働き、ニードル１６０を閉弁方向へ付勢する閉弁力（スプリング１７０の反力）より開弁力が上回ると、ニードル１６０がリフトして噴孔１５０を開くことにより、弁ボディ１４０の内部に供給された高圧燃料が噴孔１５０よりエンジンの燃焼室１８０に噴射される。
国際公開第２００５／０７５８１１号パンフレット

ところが、上記の燃料噴射弁は、ニードル１６０の開弁リフト位置を規制するストッパ機構がなく、圧電アクチュエータ１００の変位量によってニードル１６０のリフト量が決まるため、圧電アクチュエータ１００の変位バラツキにより噴射量が安定しないという問題があった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、ニードルの開弁リフト位置を規制するストッパ機構を設けることにより、安定した噴射量を得ることができる燃料噴射弁を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、電圧が印加されて変位を生じる圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータの変位に応じて軸方向に移動する加圧ピストンと、この加圧ピストンの移動に伴って軸方向に移動する筒状の可動スリーブと、先端部に高圧流体を噴射するための噴孔を有する弁ボディと、この弁ボディ内に摺動可能に保持されて噴孔を開閉するニードルと、このニードルの開閉動作に係わる制御圧を蓄えると共に、可動スリーブの移動によって制御圧が増減する圧力制御室と、ニードルの開弁リフト位置を規制するリフト規制手段とを備え、圧力制御室の制御圧を増減させてニードルの開閉動作を制御する燃料噴射弁であって、加圧ピストンは、圧電アクチュエータの変位を受けるヘッド部と、このヘッド部の動きを可動スリーブに伝達する伝達部とを有し、ニードルは、可動スリーブの内周に摺動自在に嵌合するニードル頭部を有し、リフト規制手段は、ニードル頭部の軸方向端面と加圧ピストンのヘッド部との間に配置される１枚のプレート部材から成り、そのプレート部材には、加圧ピストンの伝達部を遊挿する孔部が形成されると共に、ニードルが所定量リフトした時に、ニードル頭部の軸方向端面が当接するストッパ面が設けられていることを特徴とする。

上記の構成によれば、ニードルが噴孔を開く開弁リフト時に、ニードル頭部の軸方向端面がリフト規制手段のストッパ面に当接することで、ニードルの開弁リフト位置が規制される。その結果、圧電アクチュエータの変位バラツキに係わりなく、安定した噴射量を得ることができる。
また、リフト規制部材は、１枚のプレート部材から成り、そのプレート部材には、加圧ピストンの伝達部を遊挿する孔部が形成されているので、プレート部材が加圧ピストンの動きに干渉することはなく、ニードル頭部の軸方向端面と加圧ピストンのヘッド部との間に１枚のプレート部材を効果的に配置できる。これにより、リフト規制部材を新たに設けることによる燃料噴射弁の体格アップを抑制できる。
なお、「遊挿」とは、プレート部材の孔部に加圧ピストンの伝達部が隙間を有して挿通されている状態（空間的に余裕のある状態）を言う。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した燃料噴射弁において、ニードルは、ニードル頭部が円筒形状に設けられて、その円筒内部を高圧流体が流れる流体通路を形成し、加圧ピストンは、ヘッド部に対し伝達部が周方向等間隔に複数設けられ、プレート部材には、径方向の中央部に高圧流体が通過でき、且つ、前記流体通路と連通する流路孔が形成されると共に、その流路孔の周囲にストッパ面がリング状に設けられ、且つ、ストッパ面の周囲に孔部が周方向等間隔に複数形成されていることを特徴とする。
上記の構成によれば、ニードル頭部が円筒形状に設けられて、その内部に流体通路が形成されるので、ニードル頭部の軸方向端面がリング形状となる。このため、プレート部材に設けられるストッパ面をリング状に形成して、そのストッパ面の内周側に流路孔を形成し、ストッパ面の周囲に複数の孔部を周方向等間隔に配置できる。これにより、１枚のプレート部材の面領域を多機能に使い分けることができる。

（請求項３の発明）
請求項２に記載した燃料噴射弁において、プレート部材に対してニードルを閉弁方向（噴孔を閉じる方向）へ付勢するスプリングを有し、プレート部材は、ストッパ面の表面部位を段差状に窪ませたその底面が、スプリングの端部を受ける座面として形成されたスプリング座面を有していることを特徴とする。
この場合、ストッパ面と流路孔との間にスプリング座面を効率的に形成できるので、１枚のプレート部材の面領域をより多機能に使い分けることができる。
また、スプリング座面をストッパ面より低く形成する、つまり、ストッパ面に対してスプリング座面が段差状に窪んでいるので、スプリング座面に係止されるスプリングの端部を確実に保持できる。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの燃料噴射弁において、弁ボディは、可動スリーブの外周を保持する円筒壁部を有し、プレート部材は、径方向の周縁部における板厚方向の一方の面が、円筒壁部の軸方向端面に当接して組み付けられ、且つ、一方の面とストッパ面とが段差の無い面一の平面状に形成されていることを特徴とする。
この場合、一方の面とストッパ面を研磨する際に、両者間に段差が無いので、一方の面とストッパ面を精度良く仕上げることができる。

（請求項５の発明）
請求項４に記載した燃料噴射弁において、プレート部材は、ストッパ面から一方の面まで板厚が同一の厚さに設けられていることを特徴とする。
この場合、一方の面とストッパ面を研磨する際に、両者間に段差が無いので、一方の面とストッパ面を精度良く仕上げることができる。また、ストッパ面を一方の面と同一面に形成できるので、ニードルの開弁リフト位置を精度良く規制できる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１は燃料噴射弁の断面図である。
本実施例の燃料噴射弁１は、例えば、ディーゼル機関の各気筒に取り付けられて、コモンレール（図示せず）より供給される高圧燃料を筒内燃焼室に直接噴射する装置である。 この燃料噴射弁１は、図１に示す様に、弁ハウジング２、圧電アクチュエータ３、加圧ピストン４、可動スリーブ５、弁ボディ６、ニードル７、内側スリーブ８、リフト規制手段（後述する）等より構成される。

弁ハウジング２は、弁ボディ６との間に密閉された内部空間を形成すると共に、燃料配管（図示せず）を介してコモンレールに接続される燃料入口２ａが設けられ、この燃料入口２ａより流入する高圧燃料によって内部空間が満たされている。
圧電アクチュエータ３は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電セラミック層と電極層とを交互に積層したコンデンサ構造を有する一般的なもので、電圧が印加されると積層方向に伸張する。この圧電アクチュエータ３は、弁ハウジング２の内部空間に配置され、積層方向の一端側（図示上側）が弁ハウジング２に固定されている。

加圧ピストン４は、弁ハウジング２の内部空間において圧電アクチュエータ３の他端側に接触して配置され、圧電アクチュエータ３の変位に応じて軸方向（図示上下方向）に移動する。この加圧ピストン４は、圧電アクチュエータ３の変位を受けるヘッド部４ａと、このヘッド部４ａの動きを可動スリーブ５に伝達する伝達部４ｂとで構成される。
ヘッド部４ａには、加圧ピストン４の内側と外側とを連通して高圧燃料が通過できる連通路４ｃが形成されている。
伝達部４ｂは、ヘッド部４ａの外周部において周方向等間隔に複数設けられ、ヘッド部４ａから軸方向に延設されている。

可動スリーブ５は、弁ボディ６に設けられた円筒壁部６ａの内周に摺動自在に挿入され、弁ボディ６との間に配設される弾性体９の反力によって加圧ピストン４の伝達部４ｂに押し付けられている。これにより、可動スリーブ５は、加圧ピストン４と一体に軸方向に可動する。また、加圧ピストン４は、可動スリーブ５を介して弾性体９の反力を受けることにより、ヘッド部４ａが圧電アクチュエータ３の他端側に押し付けられている。
弁ボディ６は、弁ハウジング２の開口部の内周に挿入される円筒壁部６ａと、ディーゼル機関の燃焼室に突き出るノズル部６ｂとが設けられ、リテーニングナット１０によって弁ハウジング２に固定されている。また、弁ボディ６の内側には、円筒壁部６ａとノズル部６ｂとの間に設けられる段差を利用して、ニードル７の開閉動作を制御するための圧力制御室１１が形成されている。

ノズル部６ｂの先端には、燃料を噴射するための噴孔１２が形成され、ノズル部６ｂの内部には、ニードル７を保持するガイド孔１３が穿設されると共に、そのガイド孔１３の先端部に円錐状のシート面１４が形成されている。
ニードル７は、ガイド孔１３に摺動自在に保持される中軸部７ａと、この中軸部７ａの一端側（反噴孔側）に設けられるニードル頭部７ｂと、中軸部７ａの他端側に設けられる小径軸部７ｃとを有し、ニードル頭部７ｂから中軸部７ａまで中空状に設けられて、その中空内部が燃料通路１５として利用される。

ニードル頭部７ｂは、中軸部７ａより外径が大きく形成され、可動スリーブ５の内周に摺動自在に保持されている。
小径軸部７ｃは、中軸部７ａより外径が小さく形成され、小径軸部７ｃの外周とガイド孔１３の内周との間に燃料溜まり１６が形成されている。中軸部７ａと小径軸部７ｃとの段差部には、上記の燃料通路１５と燃料溜まり１６とを連通する連通孔７ｄが形成されている。また、小径軸部７ｃの先端部には、ニードル７の閉弁時にノズル部６ｂのシート面１４に着座するシート部７ｅが設けられている。

圧力制御室１１は、弁ボディ６と可動スリーブ５とニードル７と内側スリーブ８とで区画された密閉空間であり、内部に高圧燃料が満たされている。この圧力制御室１１は、可動スリーブ５の軸方向移動に応じて内部圧が増減し、その内部圧が、ニードル７の中軸部７ａとニードル頭部７ｂとの間に設けられる段差（受圧面７ｆと呼ぶ）に作用して、ニードル７を開弁方向（図示上方）へ付勢する開弁力として働く。

内側スリーブ８は、ガイド孔１３より反噴孔側（図示上方）へ突き出るニードル７の中軸部７ａの外周に摺動自在に嵌合すると共に、可動スリーブ５との間に配設されるスプリング１７に付勢されて、軸方向の先端部（図示下端部）が弁ボディ６の段差面に押し付けられている。この内側スリーブ８を中軸部７ａの外周に配置することにより、圧力制御室１１の容積を小さくコンパクトに形成きるので、ニードル７をリフトさせるために必要な開弁力（受圧面７ｆに作用する油圧力）を有効に得ることができる。
なお、内側スリーブ８の先端部には、最外径にエッジ部８ａが形成され、このエッジ部８ａが弁ボディ６の段差面に押し付けられている。

次に、本発明に係るリフト規制手段について説明する。
リフト規制手段は、ニードル頭部７ｂの軸方向端面（図１に示す上端面）と加圧ピストン４のヘッド部４ａとの間に配置される１枚のプレート部材１８から成る。このプレート部材１８には、ニードル７が所定量リフトした時に、ニードル頭部７ｂの軸方向端面が当接するストッパ面１８ａと、加圧ピストン４の伝達部４ｂを遊挿する複数の孔部１８ｂと、高圧燃料が通過できる流路孔１８ｃと、ニードル７を閉弁方向へ付勢するスプリング１９の端部を受けるスプリング座面１８ｄとが形成されている（図２参照）。

ストッパ面１８ａは、ニードル頭部７ｂの端面形状がリング状であることから、それに対応してリング状に設けられている。
複数の孔部１８ｂは、ストッパ面１８ａの周囲に周方向等間隔に形成されている。この孔部１８ｂの形状は、伝達部４ｂの断面形状に合わせて形成される。つまり、伝達部４ｂの断面形状が円弧状の場合は、図２（ａ）、（ｂ）に示す様に、孔部１８ｂの形状も円弧状に形成され、伝達部４ｂの断面形状が円形の場合は、図２（ｃ）、（ｄ）に示す様に、孔部１８ｂの形状も断面円形に形成される。
流路孔１８ｃは、プレート部材１８の径方向中央部に形成されている。この流路孔１８ｃをプレート部材１８に形成することにより、ニードル頭部７ｂの軸方向端面がストッパ面１８ａに当接した状態でも、ニードル７の内部に形成された燃料通路１５がプレート部材１８によって塞がれることはなく、流路孔１８ｃを通じて燃料通路１５へ高圧燃料が供給される。

スプリング座面１８ｄは、ストッパ面１８ａと流路孔１８ｃとの間にリング状に確保されている。このスプリング座面１８ｄは、図１に示す様に、ストッパ面１８ａより低く形成されている。つまり、ストッパ面１８ａに対し凹んだ状態に形成されている。
スプリング１９は、一方の端部がプレート部材１８のスプリング座面１８ｄに係止され、他方の端部がニードル頭部７ｂの内周に設けられた段差に係止されて、プレート部材１８に対しニードル７を閉弁方向（図示下方向）へ付勢している。

このプレート部材１８は、径方向の周縁部が、弁ボディ６の円筒壁部６ａと、弁ハウジング２の内周に形成された段差との間に挟持されて、リテーニングナット１０の締め付け力により固定されている。
また、プレート部材１８は、弁ボディ６の円筒壁部６ａの軸方向端面に当接する面、つまり、径方向の周縁部における板厚方向の一方の面（当接面１８ｅと呼ぶ）と、ストッパ面１８ａとが段差の無い同一高さ（面一）に形成され、且つ、ストッパ面１８ａから当接面１８ｅまで板厚が同一に設けられている。

次に、燃料噴射弁１の作動を説明する。
圧電アクチュエータ３に電圧が印加されていない時、つまり、圧電アクチュエータ３に変位が発生していない状態では、ニードル７に対する開弁力より閉弁力の方が上回っている。その結果、図３（ａ）に示す様に、ニードル７のシート部７ｅがノズル部６ｂのシート面１４に着座して閉弁状態となっている。
圧電アクチュエータ３に電圧が印加されると、圧電アクチュエータ３に変位Ｘが発生し、その変位Ｘを受けて加圧ピストン４が図示下方へ押し下げられる。

加圧ピストン４の移動を受けて可動スリーブ５が図示下方へ移動すると、圧力制御室１１の容積が減少して内部圧が上昇する。これにより、ニードル７の受圧面７ｆに掛かる油圧力（制御圧）がスプリング１９による閉弁力を上回ると、ニードル７がリフトして燃料溜まり１６と噴孔１２との間が連通することにより、燃料溜まり１６を通じて供給される高圧燃料が噴孔１２よりディーゼル機関の燃焼室へ噴射される。この時、ニードル７の開弁リフト位置は、図３（ｂ）に示す様に、ニードル頭部７ｂの軸方向端面がプレート部材１８のストッパ面１８ａに当接して規制される。

その後、圧電アクチュエータ３への通電が停止されて変位が戻る（収縮する）と、弾性体９の反力で加圧ピストン４が可動スリーブ５と共に押し戻されるため、圧力制御室１１１６の容積が拡大して内部圧が減圧される。これにより、ニードル７の受圧面７ｆに掛かる油圧力が減少して、スプリング１９による閉弁力より小さくなると、そのスプリング１９の反力でニードル７が押し下げられ、ニードル７のシート部７ｅがノズル部６ｂのシート面１４に着座して燃料溜まり１６と噴孔１２との間が遮断されることにより、噴射が終了する。

（実施例１の効果）
本実施例の燃料噴射弁１は、ニードル７が噴孔１２を開く開弁リフト時に、ニードル頭部７ｂの軸方向端面がプレート部材１８のストッパ面１８ａに当接することで、ニードル７の開弁リフト位置が規制される。その結果、圧電アクチュエータ３に変位バラツキが生じた場合でも、その変位バラツキに係わりなく、安定した噴射量を得ることができる。
また、プレート部材１８は、ストッパ面１８ａを形成するだけでなく、加圧ピストン４の伝達部４ｂを遊挿する孔部１８ｂ、スプリング１９の端部を受けるスプリング座面１８ｄ、および高圧燃料が通過できる流路孔１８ｃを効率的に配置することにより、１枚のプレート部材１８の面領域を多機能に使い分けることができる。これにより、リフト規制手段を新たに設けることによる燃料噴射弁１の体格アップを抑制できる。

さらに、プレート部材１８に形成されたスプリング座面１８ｄは、ストッパ面１８ａより低く形成され、ストッパ面１８ａとスプリング座面１８ｄとの間に段差が形成されているので、スプリング座面１８ｄに係止されるスプリング１９の端部を安定して保持できる。
また、プレート部材１８は、弁ボディ６の円筒壁部６ａの軸方向端面に当接する当接面１８ｅとストッパ面１８ａとが段差の無い同一高さ（面一）に形成されているので、当接面１８ｅ及びストッパ面１８ａを研磨する際に、当接面１８ｅ及びストッパ面１８ａを精度良く仕上げることができる。

図４は実施例２に示す燃料噴射弁１の断面図である。
本実施例の燃料噴射弁１は、図４に示す様に、弁ハウジング２と弁ボディ６との嵌合部にＯリング等のシール部材２０を配置した一例である。
実施例１に記載した構成では、弁ハウジング２の段差と弁ボディ６の円筒壁部６ａの軸方向端面との間にプレート部材１８の周縁部を挟み込んで、互いの金属面同士を密着させることにより燃料シールを実施しているため、リテーニングナット１０の締め付け力（軸力）によってシール性を維持する必要がある。
これに対し、本実施例の構成では、シール部材２０によって燃料シールを実施するので、実施例１の構成と比較してリテーニングナット１０の締め付け力を小さくできる。その結果、リテーニングナット１０の締め付けによる各部品の歪みが緩和でき、噴射特性のバラツキが抑制される。また、本実施例では、リテーニングナット１０による固定方法ではなく、例えば、溶接による固定方法を採用することもできる。

（変形例）
実施例１及び実施例２に示す燃料噴射弁１は、中軸部７ａの外周に内側スリーブ８を配置しているが、内側スリーブ８を廃止することもできる。

燃料噴射弁の断面図である（実施例１）。 プレート部材の平面図である（実施例１）。 （ａ）閉弁状態を示す燃料噴射弁の断面図、（ｂ）開弁状態を示す燃料噴射弁の断面図である（実施例１）。 燃料噴射弁の断面図である（実施例２）。 従来技術を示す燃料噴射弁の断面図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
３ 圧電アクチュエータ
４ 加圧ピストン
４ａ 加圧ピストンのヘッド部
４ｂ 加圧ピストンの伝達部
５ 可動スリーブ
６ 弁ボディ
６ａ 弁ボディの円筒壁部
７ ニードル
７ｂ ニードル頭部
１１ 圧力制御室
１２ 噴孔
１５ 燃料通路（流体通路）
１８ プレート部材（リフト規制手段）
１８ａ ストッパ面
１８ｂ 孔部
１８ｃ 流路孔
１８ｄ スプリング座面
１８ｅ 当接面（一方の面）
１９ スプリング

Claims (5)

1. 電圧が印加されて変位を生じる圧電アクチュエータと、
   この圧電アクチュエータの変位に応じて軸方向に移動する加圧ピストンと、
   この加圧ピストンの移動に伴って軸方向に移動する筒状の可動スリーブと、
   先端部に高圧流体を噴射するための噴孔を有する弁ボディと、
   この弁ボディ内に摺動可能に保持されて前記噴孔を開閉するニードルと、
   このニードルの開閉動作に係わる制御圧を蓄えると共に、前記可動スリーブの移動によって制御圧が増減する圧力制御室と、
   前記ニードルの開弁リフト位置を規制するリフト規制手段とを備え、
   前記圧力制御室の制御圧を増減させて前記ニードルの開閉動作を制御する燃料噴射弁であって、
   前記加圧ピストンは、前記圧電アクチュエータの変位を受けるヘッド部と、このヘッド部の動きを前記可動スリーブに伝達する伝達部とを有し、
   前記ニードルは、前記可動スリーブの内周に摺動自在に嵌合するニードル頭部を有し、 前記リフト規制手段は、前記ニードル頭部の軸方向端面と前記加圧ピストンのヘッド部との間に配置される１枚のプレート部材から成り、そのプレート部材には、前記加圧ピストンの伝達部を遊挿する孔部が形成されると共に、前記ニードルが所定量リフトした時に、前記ニードル頭部の軸方向端面が当接するストッパ面が設けられていることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載した燃料噴射弁において、
   前記ニードルは、前記ニードル頭部が円筒形状に設けられて、その円筒内部を高圧流体が流れる流体通路を形成し、
   前記加圧ピストンは、前記ヘッド部に対し前記伝達部が周方向等間隔に複数設けられ、 前記プレート部材には、径方向の中央部に高圧流体が通過でき、且つ、前記流体通路と連通する流路孔が形成されると共に、その流路孔の周囲に前記ストッパ面がリング状に設けられ、且つ、前記ストッパ面の周囲に前記孔部が周方向等間隔に複数形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項２に記載した燃料噴射弁において、
   前記プレート部材に対して前記ニードルを閉弁方向へ付勢するスプリングを有し、
   前記プレート部材は、前記ストッパ面の表面部位を段差状に窪ませたその底面が、前記スプリングの端部を受ける座面として形成されたスプリング座面を有していることを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項１〜３に記載した何れかの燃料噴射弁において、
   前記弁ボディは、前記可動スリーブの外周を保持する円筒壁部を有し、
   前記プレート部材は、径方向の周縁部における板厚方向の一方の面が、前記円筒壁部の軸方向端面に当接して組み付けられ、且つ、前記一方の面と前記ストッパ面とが段差の無い面一の平面状に形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項４に記載した燃料噴射弁において、
   前記プレート部材は、前記ストッパ面から前記一方の面まで板厚が同一の厚さに設けられていることを特徴とする燃料噴射弁。

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