JPH0684748B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧電素子を用いた燃料噴射弁に係り、特に内燃
機関の燃料噴射装置用として好適な燃料噴射弁に関す
る。

〔従来の技術〕

圧電素子を利用した燃料噴射弁としては、特公昭49-604
3号公報に記載のものがあり、噴射ノズルは圧電素子か
らなる弁棒の下端に弁頭を一体的に有しており、弁ばね
により噴射ノズルの弁座に圧接して構成した燃料噴射ノ
ズルが開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

この先行技術の発明は、次の点が配慮されてない。

ストローク制御に用いる高変位圧電素子は一般にキュリ
ー温度（150℃程度）が低く、性能を維持できる使用温
度範囲はキュリー温度の1/3以下といわれている。従っ
て、圧電素子の自己発熱と取付部からの熱伝導による温
度上昇を考慮すると冷却手段を付加するのが好ましい。
本噴射弁は運転状態では、燃料によって冷却が進められ
ると考えられる。しかし、運転停止後は燃料の流れがな
いため冷却手段がなく、取付部からの熱伝導による温度
上昇が考えられ、圧電素子の保護という観点から信頼性
に乏しい。特に内燃機関を考えると、取付部の温度は最
高140℃程度になるといわれており、取付部の熱容量も
大きいことから適用は難しいと考えられる。

又、特公昭49-6043号公報に記載のものは、燃料は供給
口から積層圧電素子と噴射ノズルの本体との間の通路を
通って弁座へ供給されるだけのものであり、燃料に旋回
運動を与える構成，燃料噴射弁を冷却する構成および運
転停止後の冷却手段については、配慮されていないもの
である。

本発明の目的は、かかる欠点を解決するとともに圧電素
子を用いて内開きシート弁を構成するものである。すな
わち、圧電素子にパルス正電圧を印加し、その機械的変
位によって噴射孔を開閉して流量制御をして微細な液滴
の噴射を行う噴射弁を構成するとともに、圧電素子の冷
却手段を付加して、温度上昇に伴う性能降下を抑制し圧
電素子の信頼性向上を図ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目記を達成するために、本発明の燃料噴射弁は、圧
電素子を積層してなる中空円筒状の積層圧電部材と、該
積層圧電部材に面接触して接合されるともに弁ケースに
固定されるフランジを有する支持部材と、該弁ケースの
先端部に設けられた噴射孔と、該噴射孔の上流側に形成
された燃料流入孔と先端に該燃料流入孔と前記噴射孔と
の間で形成されるシート部と接触する弁本体を備え前記
支持部材内を往復運動するニードルを備えた燃料噴射弁
において、前記積層圧電部材の噴射孔側端面と弁本体間
の任意の位置に設けられた第２のフランジと、前記シー
ト部を閉止する如く前記フランジと前記第２のフランジ
間に設けたばね部材を有するものであって、前記燃料流
入孔が燃料に旋回運動を与えるように複数個形成され、
燃料流入孔の下流側と前記シート部間に渦巻室が形成さ
れるとともに、前記シート部が閉止されている時に前記
燃料流入孔から流入した燃料を燃料戻し孔へ流れるよう
に流路を構成し、燃料タンクと燃料噴射弁とが燃料供給
管および流量制御弁を介した燃料戻し管で連結され、制
御回路により燃料噴射弁の温度を設定温度以下になるよ
うにエンジンの停止後も前記流量制御弁を制御すること
を特徴とするものである。

〔作用〕

多数の圧電素子からなる中空円筒状の積層圧電部材と、
最先端部に噴射孔を有する中空状の弁ケースの両者に内
接してニードルを配設し、前記積層圧電部材の機械的変
位に連動してニードルを振動させて噴射孔を開閉制御す
るものであり、噴射孔を高速で開閉し流量制御を精度良
く行わせしめるとともに、開弁時間の少ない噴射領域
（パルスON時間が0.5〜1.0ms）での流量制御が可能とな
る。

又、運転状態においては燃料の噴射制御に影響を及ぼさ
ない程度の燃料量を、ニードル内部あるいは積層圧電部
材の周辺を経て還流させることができ、燃料噴射弁を構
成する種々の部材の温度上昇を抑制でき、設定温度以下
に温度をおさえることにより部材の熱膨張による噴射流
量の変化や燃料中に気泡が混入することを防止できると
ともに多数の圧電素子よりなる積層圧電部材の温度に対
する信頼性を高めることができる。また、エンジンの運
転停止後、残存熱による燃料噴射弁の温度上昇を、燃料
噴射弁の内部あるいは外部に温度によって還流する燃料
の制御によって抑制することができ、部材の温度に対す
る信頼性は極めて高くなるというものである。又、旋回
流を与えるように燃料流入口を複数個設け渦巻室を設け
ているので弁閉止時にも圧力流体に旋回運動を与えるこ
とができるので、運動エネルギーを損うことなく薄膜状
のスプレー形状となり、微粒化を行うことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の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図は第１図のAA断
面図、第３図は本発明の第２実施例を示す断面図、第４
図は第１実施例あるいは第２実施例のいずれかの燃料噴
射弁をエンジンの吸気通路に装備した状態で、燃料の循
環量を制御する手段を示した一実施例を示す。

第１図において、20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、21は積層圧電部材20内に挿入した
支持部材で、ネジ溝を有するフランジ21aを有する。22
は最先端部に噴射孔22aとこの噴射孔22aに近傍しかつ連
通する如く設けた複数個の流入孔22bを有する中空状の
弁ケース、23は支持部材21および弁ケース22に内接して
配設されるニードルで、弁ケース22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。23aはニードル23の先端近傍で、弁ケース22の噴射
孔22aと流入孔22b間に形成したシートで面接触あるいは
線接触にて構成される。23bはニードル23の他端面に設
けたフランジで、積層圧電部材20を挿入後機械的（たと
えばかしめ等）に結合される。23cはフランジ23bに近接
してニードル23に設けた肉厚部で支持部材21に内接して
なりニードル23の心振れを防止する。23dは支持部材21
のフランジ21aとこの面に対応する弁ケース22間に設け
て成るとともに、その位置を弁ケース22に近接してなる
別なる小径フランジ、24はこの小径フランジ23dと支持
部材21のフランジ21a間に設けた圧縮バネでニードル23
のシート23aを弁ケース22に押圧する。25はフランジ23d
とこれに対応する弁ケース22の内面との間に設けたシー
ル材で圧力流体の積層圧電部材20側への流れを阻止す
る。26はニードル23のシート23aの上流に形成した渦巻
室、27は弁ケース22の先端部を覆って固定される弁キャ
ップ、28は弁キャップ27内に形成される圧力流体流路、
29は圧力流体入口で燃料供給管（図示せず）が結合され
る。32は積層圧電部材20に給電するための導線である。
かかる構成でニードル23のシート23aは圧縮バネの復元
力により押圧されており圧力流体の外部への燃料漏れは
阻止される。押圧力（シート力）は圧縮バネのバネ定数
の選定により調整できる。第２図は第１図のAA断面図で
あり、圧力流体に旋回運動を与える流入孔22bを示した
ものである。さらに、本実施例は積層圧電部材の冷却手
段を施している。以下主要部分について説明する。33は
内部に燃料通路33aを設けたニードルで、34は弁フタで
燃料戻り孔34aを開口する。前記燃料通路33aはニードル
33の小径フランジ23dより上流から弁フタ34に設けた燃
料戻り孔34aに連通する。

35は弁フタ34とニードル33のフランジ23b間に設けたス
トッパー、36は弁フタ34とニードル33のフランジ23b間
に設けたシール材で積層圧電部材20側への燃料の流れを
阻止する。

第３図は本発明の第２の実施例を示す断面図であり、第
２の実施例は第１の実施例と同様に積層圧電部材の冷却
手段を施したものである。この実施例は積層圧電部材内
へ燃料を供給したもので、以下第１の実施例との相違点
について記述する。まず積層圧電部材側への燃料の流れ
を阻止するために設けたシール材25,36は第２の実施例
では不要となる。また、ニードル33の内部に設けた燃料
通路33aも同様に不要である。37は支持部材21に設けた
燃料通路で、周方向の一部を軸方向に細長く切断したも
のであり、積層圧電部材側への燃料の流れを誘引するも
のである。

なお、第１図から第３図において同一符号は同一部品を
示す。

以上の構成において、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20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20が変位
（伸び）する。この変位は図中に示した点線の矢印方向
になる。変位の応答は通常0.1msecである。（電磁石方
式の開弁時間は1msec程度。）これは圧電素子の固有振
動数が高いことに起因する。積層圧電部材20の伸びによ
ってニードル23が押し上げられ、ニードル23のシート23
aが弁ケース22より離脱する。以って弁ケース22に設け
た噴射孔22aが開口される。この際、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2
9,圧力流体通路28から旋回孔23aに至る。旋回孔23aで旋
回運動を与えられた圧力流体は、渦巻室26にて集められ
た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23aの隙間より噴射孔22aに向って流れ、噴射孔22
aより外部へ噴射される。噴射孔22aの開閉弁動作は高速
で行われるため、噴射量は正確に制御できる。また、噴
射される燃料は、十分な旋回エネルギーを与えられるの
で、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、積層圧電部材20へ印加するパ
ルス電圧がOFF状態になると、ニードル23は圧縮バネの
復元力により瞬時に元の位置に戻されシート23aを押圧
する。以って弁ケース22に設けた噴射孔22aは閉止され
る。この際、圧力流体の外部への噴射が止まる。

第３図において圧力流体入口29,圧力流体通路28から弁
ケース22に設けた流体孔22bを経て渦巻室26内に流入し
た圧力流体は、ニードル33のシート23aと弁ケース22の
隙間から噴射孔22aに至る流れと、ニードル33と弁ケー
ス22の隙間から燃料通路33aを通り燃料戻り孔34aに至る
流れに分離される。各々の流量は、噴射孔22aから外部
へ放出されるべき噴射量によって決定される。燃料戻り
孔34aに流れる量は、ニードル33のシート23aが閉止され
る状態、すなわちパルス電圧のOFF状態では供給燃料の
全部が燃料戻り孔34aへと流れる。従って、弁ケース22,
弁キャップ27,ニードル33が燃料によって強制的に冷却
されて、積層圧電部材20の温度上昇を抑制する。なお、
噴射孔22aより外部へ噴射される燃料は、第１の実施例
と同様に十分な旋回エネルギーを与えられるので、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。

第２の実施例の動作は、第１の実施例とほぼ同様である
が、積層圧電部材20の冷却手段を施したものであり、類
似する第１の実施例との相違点について、以下に記述す
る。第３図において、圧力流体入口29,圧力流体通路28
から弁ケース22に設けた流入孔22bを経て渦巻室26内に
流入した圧力流体は、燃料戻り孔34aに至る際、積層圧
電部材20を支持する支持部材21に設けた燃料通路37から
積層圧電部材20の周辺に流れ込む。従って、噴射弁内部
全域で燃料の流れが生じ冷却が促進されて、積層圧電部
材20の温度上昇を抑制するものである。

以上の如く、第１の実施例および第２の実施例では、燃
料の還流により噴射弁を構成する部材の冷却を促進せし
めたので、温度上昇に伴う性能降下もなく噴射されるべ
き燃料の制御を極めて高精度に行うことができる。

第４図は第１図もしくは第３図に示した燃料噴射弁をエ
ンジンの吸気通路に装備し、還流する燃料流量を制御す
る手段を付加した一実施例を示したものである。

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，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を臨まして配設する燃料室130と開口連通する
吸気孔140およびこの吸気孔140を開閉制御する吸気弁15
0を装備してなる。この吸気弁150の上流で吸気通路100
の壁部170（インテークマニホールド）に設けた取付孔1
80には、本発明の燃料噴射弁190が取り付けられ吸気弁1
50の弁座200方向に噴射可能としてある。一方、燃料供
給系統として燃料供給管210には、その上流に燃料噴射
弁190に供給する燃料の圧力を一定に保つ機能を有する
圧力レギュレータ230を、またさらに上流に向って加圧
ポンプ240,フィルター250,燃料タンク260が設けてあ
る。圧力レギュレータ230によって調整される際、余剰
燃料は燃料経路270により燃料タンク260へ戻る。図中の
矢印220は、燃料噴射弁190へ供給される燃料経路であ
る。また、燃料噴射弁190の燃料戻り管280の下流には還
流量を制御する流量制御弁290が設けられており、流量
制御弁290を出た燃料は燃料タンク260に戻る。図中の矢
印300は還流する燃料経路を示す。310は流量制御弁290
の動作を制御する制御回路である。

かかる構成において、ガソリン機関は吸入行程において
燃料室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。燃料は燃料タンク260からフィ
ルター250,加圧ポンプ240,圧力レギュレータ230を経
て、燃料噴射弁190より所望量が弁座200方向へ噴霧され
る。これが吸入空気と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。燃料室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11
0により着火燃焼させ、燃焼を適確に完結させるのであ
る。エンジンが運転状態を維持すると、燃焼室130の周
辺は伝熱により次第に温度が上昇する。燃料噴射弁190
の取付孔180の壁部170の温度は最高140℃程度になると
言われている。壁部170からの伝導熱により燃料噴射弁1
90の温度がある設定温度になると制御回路310が流量制
御弁290を動作せしめ燃料の還流が開始される。制御回
路310への入力信号は、この場合燃料噴射弁190の内部か
あるいは外部の温度である。すなわち、燃料噴射弁190
の内部または外部の温度が高くなるにつれて制御回路31
0からの出力信号が、流量制御弁290の通路面積をさらに
大きくする方向に動作するるものである。制御回路310
の入力信号はエンジンの運転状態を把握できるのであれ
ば差し支えない。

一方、エンジンが停止された場合、燃料噴射弁190から
弁座200方向への燃料噴射は直ちに停止されるが、燃料
噴射弁190内から燃料戻り管280を通って流れる燃料経路
300には、エンジンの停止後も燃料が流れ、燃料噴射弁1
90の温度が設定温度以下になるまで止むことはない。

このため、燃料噴射弁を構成する種々の部材の温度上昇
を抑制でき設定温度以下にできるので、特に圧電素子部
材の温度上昇を抑制でき、設定温度以下にできる。この
結果、部材の熱膨張による噴射流量の変化や燃料中に気
泡が混入することを防止できるとともに多数の圧電素子
よりなる積層圧電部材の温度に対する信頼性を高めるこ
とができる。

かかる構成により、燃料噴射弁190の冷却をエンジンの
運転状態により適確に行うことができ、その結果として
エンジンの運転に最適な燃料噴射が得られるというもの
である。

なお、第５図に圧電素子に電界を印加するとともに、そ
の極性を反転する電界印加手段をなすブリッジ回路10を
示す。10aは燃料噴射量に対応した時間幅の噴射パルス
が加わる入力端子、10bはパルストランスで前記噴射パ
ルスの立上り時点に出力端子10b₁に正のトリガパルス、
出力端子10b₂に負のトリガパルスを発生し、また立上り
時点にはそれぞれ逆極性のトリガパルスを発生するもの
である。10c,10d,10e,10fはサイリスタ、＋Ｂは正電圧
の電極端子である。上記構成においてその作動を説明す
る。入力端子10aに噴射パルスが到来すると、その立上
り時点に発生する出力端子10b₁，10b₂のトリガパルスに
より一対のサイリスタ10c,10dが導通し、他の一対のサ
イリスタ10e,10fがしゃ断するようになっている。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明によって第１に、多数の圧電
素子からなる中空円筒状の積層圧電部材と、最先端部に
噴射孔を有する中空状の弁ケースの両者に内接してニー
ドルを配設し、前記積層圧電部材の機械的変位に連動し
てニードルを振動させて噴射孔を開閉制御する内開きシ
ート弁を構成できるものであり、その結果として噴射孔
を高速で開閉し流量制御を精度良く行わせしめるととも
に、開弁時間の少ない噴射領域（パルスON時間が0.5〜
1.0ms）での流量制御を可能にならしめた。

第２に、運転状態においては燃料の噴射制御に影響を及
ぼさない程度の燃料量を、ニードル内部あるいは積層圧
電部材の周辺を経て還流させるようにし、制御回路によ
りエンジン停止後も燃料噴射弁の温度を設定温度以下に
なるように前記流量制御弁を制御しているので、その結
果として燃料噴射弁を構成する種々の部材の温度上昇を
抑制でき設定温度以下にできるので、特に圧電素子部材
の温度上昇を抑制でき、設定温度以下にできる。この結
果、部材の熱膨張による噴射流量の変化や燃料中に気泡
が混入することを防止できるとともに多数の圧電素子よ
りなる積層圧電部材の温度に対する信頼性を高めること
ができる。第３に、前記燃料の還流量の制御手段を設け
たものであり、その結果としてエンジンの運転状態を適
確に把握でき、最適な燃料制御を行い得るものである。
また、エンジンの運転停止後、残存熱による燃料噴射弁
の温度上昇を、燃料噴射弁の内部あるいは外部の温度に
よって還流する燃料の制御によって抑制するものであ
り、部材の温度に対する信頼性は極めて高くなるという
ものである。従って燃料噴射弁の寿命，信頼性の向上の
点につき極めて高い効果が得られるものである。なお、
本発明の燃料噴射弁および燃料の還流量の制御手段を、
各種産業分野に応用しても、その実益は高く得られるも
のである。又、渦巻室を設けているので、弁閉止時にも
旋回孔で旋回運動を与えられた圧力流体は、渦巻室に集
められるため、圧力流体の保持する運動エネルギーを損
なうことがなく、流入孔から流入した燃料に十分な旋回
エネルギーを与えるので、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ので、燃費の向
上となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す断面図、第２図は第
１図のＡ−Ａ断面図、第３図は本発明の第２実施例を示
す断面図、第４図は本発明の第１実施例もしくは第２実
施例の燃料噴射弁をエンジンの吸気通路に装備し、燃料
の還流量の制御手段を付加した一実施例を示す断面図、
第５図は従来例の燃料噴射弁の制御回路である。 20……積層圧電部材、22……弁ケース、22a……噴射
孔、22b……流入孔、23,33……ニードル、33a……燃料
通路、34a……燃料戻り孔、310……制御回路、29……流
量制御弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山崎 重之 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 菅 恒夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (56)参考文献 特開 昭55−164771（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−7911（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−70871（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電素子を積層してなる中空円筒状の積層
   圧電部材と、該積層圧電部材に面接触して接合されると
   ともに弁ケースに固定されるフランジを有する支持部材
   と、該弁ケースの先端部に設けられた噴射孔と、該噴射
   孔の上流側に形成された燃料流入孔と先端に該燃料流入
   孔と前記噴射孔との間で形成されるシート部と接触する
   弁本体を備え前記支持部材内を往復運動するニードルを
   備えた燃料噴射弁において、前記積層圧電部材の噴射孔
   側端面と弁本体間の任意の位置に設けられた第２のフラ
   ンジと、前記シート部を閉止する如く前記フランジと前
   記第２のフランジ間に設けたばね部材を有するものであ
   って、前記燃料流入孔が燃料に旋回運動を与えるように
   複数個形成され、燃料流入孔の下流側と前記シート部間
   に渦巻室が形成されるとともに、前記シート部が閉止さ
   れている時に前記燃料流入孔から流入した燃料を燃料戻
   し孔へ流れるように流路を構成し、燃料タンクと燃料噴
   射弁とが燃料供給管および流量制御弁を介した燃料戻り
   管で連結され、制御回路により燃料噴射弁の温度を設定
   温度以下になるようにエンジンの停止後も前記流量制御
   弁を制御することを特徴とする燃料噴射弁。