JPH0472066B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内燃機関用の燃料噴射装置に用いる燃
料噴射弁に係り、とくに圧電素子を用いて成る燃
料噴射弁の改良に関するものである。

〔従来の技術〕

圧電素子を用いた燃料噴射弁に特開昭50−
60630号記載のものがある。この従来技術は、リ
ターンスプリングを使用せず、しかも簡単な構成
で磁界の影響を受けず開弁、閉弁応答をともに早
める噴射弁を提供することを目的としたもので、
応答性の向上を図らしめ、かつ高圧燃料の供給を
可能としたもので、燃料の微粒化をも促進できる
ものである。

また、周知の如く、内燃機関においては燃料経
済性の観点から、燃料系、給気系の改善、機関の
小型化、軽量化等様々の検討がなされている。な
かでも燃料噴射装置に用いる燃料噴射弁において
は、燃焼の改善を目的として微粒化の促進、応答
性の向上、小型化が精力的に取り組まれている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記燃料噴射弁は、燃料の旋回による
微粒化の促進、磁気抵抗の低滅、可動部材の小型
化、軽量化等の検討がなされているが、電磁石が
有する電磁力とリターンスプリングのばね力との
釣り合いによつて成り立つことから、開弁、閉弁
応答をともに早めることは難しい。また、電磁石
が有する電磁力が小さいことからこの種の燃料噴
射弁では高圧燃料の供給が行えず、低圧燃料自身
の運動エネルギーでは燃料の微粒化におのずと限
界がある。格言すれば、電磁石式燃料噴射弁は現
状より飛躍的な性能向上が期待できないというの
が実情である。

さらに、小型化は内燃機関の運転を適性に行う
うえで重要な因子であり、その要求の根底となる
のは内燃機関への取付位置にある。すなわち、ガ
ソリン機関においては、燃料噴射弁は吸気管に取
付けられ、とくに燃料効率の向上という観点か
ら、吸気弁（インテークバルブ）に近接して取付
けられる。この場合、吸気弁周辺は、それ自身吸
気集合管部に位置すること、また弁機構を備える
部品が混在すること等から取付スペースが得られ
る。現ガソリン機関では、吸気孔よりおおむね14
cmの位置に燃料噴射弁は取付けられている。従つ
て、噴射位置から燃焼室に至るまでの燃料輸送遅
れ時間、あるいは取付部周辺の吸気管に付着する
未燃燃料が存在することがあつて、燃焼効率を向
上させるうえで好ましくない状況にある。燃料噴
射弁は、可能な限り吸気孔へ近接して在ることが
好ましく、将来的にはデイーゼル機関の如く直接
燃焼室へ取付けられると考えても差し支えない。
吸気孔へ近接して取り付けるとすると、現状より
さらに取付スペースが狭くなることが必至であ
り、いずれの場合からも小型化に対する重要性が
クローズアツプされている。

一方、最近圧電素子を燃料噴射弁へ適用する試
みが関係方面で種々検討されている。この圧電素
子（例えばチタン酸ジルコン酸鉛）は、固有振動
数が高いことから応答性に優れること、また圧電
素子自身が伸縮することから発生する力が大きい
という特徴を有している。これらの特徴を燃料噴
射弁で発揮できれば、開弁、閉弁時間の短縮は勿
論のこと、発生力の利用により電磁石では得られ
ない高圧燃料を供給することが可能となる。以つ
て燃料自身のエネルギーを増大ならしめ、その結
果燃料の微粒化の促進が図れることになる。

本発明の目的は、燃料噴射弁の小形化にあり、
前述したように燃焼効率の向上において重要な役
割をもつ燃料噴射弁を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、最先端部に噴射孔を有する弁ケー
スと、電圧の印加によつて高速変位する圧電素子
に機械的に結合されるニードル弁とを備え、該圧
電素子の変位に連動して前記噴射孔を開閉し燃料
の噴射を断続する燃料噴射弁において、前記圧電
素子を中空円筒形状に形成し、該圧電素子の中空
部に前記ニードルを配設し、該ニードル長を中空
円筒状圧電素子の軸長と略等しくして構成したこ
とによつて達成される。

〔作用〕

中空円筒状積層圧電部材の中空部に可動部材よ
り成るニードるを配設し、該ニードル長を積層圧
電部材の軸方向長さと等しくなるように構成した
ので軸長の長さを小さくでき、燃料噴射弁を小さ
くすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図により説明する。
第１図は本発明の第１実施例を示す断面図、第２
図は本発明の第２実施例を示す断面図である。

第１図において、１は圧電素子を多数枚積層し
てなる中空円筒状に積層圧電部材、２は積層圧電
部材１の中空部にニードル３を配設していなる可
動部材で、ニードル３は先端近傍にシート３ａを
有する。また、ニードル３と連続してなる急拡大
部４には凹部４ａ，圧力流体通路４ｂを有してな
る。５は積層圧電部材１の中空部とニードル３間
に形成される空間、６は最先端部に噴射孔６ａを
有する弁ケース、７は弁ケースにネジ固定される
弁フタで、圧力流体入口７ａを有する。圧力流体
入口７ａには燃料配管（図示せず）が結合され
る。８は、可動部材２の凹部４ａと弁フタ７間に
設けた圧縮ばね、９は積層圧電部材１に電圧を印
加する導線である。かかる構成で、ニードル３の
シート３ａは圧縮ばね８の復元力により弁ケース
６の噴射孔６ａを閉止するごとく押圧されてお
り、圧力流体の外部への漏れを阻止する。

第２図は第２の実施例を示す断面図であり、第
２の実施例は別なる構造のニードル１０を有す
る。すなわち、ニードル１０は内部に圧力流体通
路１０ｂを、またシート１０ａの近傍に段部を設
け、この段部と積層圧電部材１の中空部間に形成
した空間１１と連通する別なる複数個の圧力流体
通路１０ｃを有してなる。

尚本発明の実施例では、圧縮ばね８はコイル状
ばねを用いたが板状等のものでも差し支えない。

第１図および第２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の伸びによつて可動部材２が圧縮ばね８のばね
力の抗して押され、ニードル３に設けたシート３
ａが弁ケース６より離脱する。以つて弁ケース６
に設けた噴射孔６ａが開口される。圧力流体は加
圧ポンプ（図示せず）等の搬送機器を経て、圧力
流体入口７ａから可動部材２に設けた凹部４ａに
流入し圧力流体通路４ｂに至る。その後、圧力流
体は空間５に集められ、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３ａの隙間
より噴射孔６ａに向つて流れ、噴射孔６ａより外
部へ噴射される。この際、圧力流体は広がりをも
つた薄膜状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、可動部材２
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３のシート３ａは噴射孔６ａを閉
止する。以つて、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、圧力流体は可動部材２の凹
部４ａに流入した後、ニードル１０内に設けた圧
力流体通路１０ａから別なる圧力流体通路１０ｃ
に至る。その後、圧力流体は空間１１に集めら
れ、圧力流体の保持する運動エネルギーを損なう
ことなく噴射孔６ａから外部へ噴射される。

以上の説明から明らかな様に、その構成におい
て、積層圧電部材の中空部に可動部材２より成る
ニードル３を配設したことにより、燃料噴射弁の
軸長は従来のこの種の燃料噴射弁の約半分にな
る。前記した様に、内燃機関の運転を適性に行い
機関効率を向上させるうえで、とくに燃料噴射弁
の取付位置が重要な因子であることが明らかであ
るが、本発明の如き小形の燃料噴射弁によつて実
現が可能となるものである。すなわち、より吸気
孔（燃焼室）に近い位置に取付けることによつ
て、燃料の輸送遅れ時間の短縮が図れるととも
に、吸気管壁への燃料付着を防止できる。その結
果、燃焼効率を大幅に向上でき燃料の節約が図れ
るというものである。

尚、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・d₃₃・Ｖ・t^-1で与えられる。ここにd₃₃：圧電
歪定数，ｔ：素子の厚み、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ことから変位の
応答性が良い。通常100μsecの応答が得られる。
従つて、電磁石式燃料噴射弁（開閉弁応答時間は
100ｍsec程度）に比べて非常に優れている。前記
した様に可動部材は積層圧電部材に機械的に結合
したので、積層圧電部材の高速動作を有効に生か
すことができ噴射孔６ａの開閉弁動作を高速で行
うことができる。すなわち、応答性の向上によつ
て１回当りの噴射量を正確に調量し、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。従つて、本実施例においてはシート３
ａの押圧力を数10Kgに向上させて構成することが
可能である。すなわち、可動部材２の凹部４ａと
弁フタ７間に設けた圧縮ばね８のばね定数を大き
くできる。これによつて、供給燃料の圧力を高め
ても可動部材２が圧縮ばね８のばね力に抗して押
されシート３ａ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
5MPaまで上げても良いことが確認されている。
このとき、噴射孔６ａより噴射される燃料の粒の
大きさは数10ミクロンとなり、電磁石式燃料噴射
弁の1/5程度になる。以つて微粒化の促進が十分
図れる。さらに、圧電素子はコンデンサとして扱
えるのでON−OFF時間の瞬間的にのみ電力を消
費するのがON時間の間はコンデンサに電力が蓄
えられるのみで消費はしない。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
り確認されている。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明の燃料噴射弁によれ
ば、内燃機関の運転効率を向上させるうえで様々
の効果が得られるが、とくにその構成において、
中空円筒状積層圧電部材の中空部に可動部材より
成るニードルを配設し、該ニードル長（針弁長）
を積層圧電部材の軸方向長さと略等しくなる様に
構成したので、従来のこの種の燃料噴射弁より、
その軸長が約半分程度にできる。すなわち、小形
の燃料噴射弁を提供できる。これによつて、内燃
機関への取付位置を、従来よりさらに吸気孔（燃
焼室）側に置くことができ、その結果として燃料
の輸送遅れ時間を短縮せしめるとともに、吸気管
壁に付着する燃料をなくし未燃燃料の吸気孔上流
での残留を防止することができる。以つて、内燃
機関の運転を適確に行わしめ、機関効率の向上に
より燃料を大幅に節約できるという実用上の効果
が大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す縦断面図、
第２図は本発明の第２実施例を示す縦断面図であ
る。 １……積層圧電部材、３……ニードル、３ａ…
…シート、６……弁ケース、６ａ……噴射孔、７
ａ……圧力流体入口。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 圧電素子によつてニードルを変化させ、この
   ニードルによつて噴射孔を開閉し、燃料の噴射を
   断続する燃料噴射弁において、中空状の弁ケース
   の一方側に噴射孔を設け、この弁ケースの他方端
   に燃料供給孔を有する弁フタを設け、前記弁ケー
   ス内に筒状の急拡大部を摺動可能に設け、この急
   拡大部の噴射孔側の端面に、噴射孔を開閉するニ
   ードルを設け、このニードルの外周における弁ケ
   ースと急拡大部との間に圧電素子を設け、前記急
   拡大部の反ニードル側と弁フタとの間にばねを装
   設し、前記急拡大部に燃料をニードル側に供給す
   る通路を設けたことを特徴とする内燃機関用の燃
   料噴射弁。