JPH0742904B2 - 燃料噴射装置の圧電型アクチユエ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料噴射装置に用いられるアクチュエータとし
て、圧電素子積層体によりピストンを駆動するようにし
た圧電型アクチュエータに関する。

〔従来の技術〕

燃料噴射ポンプから供給された燃料を噴射ノズルを通じ
てエンジンに供給するディーゼルエンジンの燃料噴射装
置等にあっては、燃料噴射ポンプと噴射ノズルを結ぶ燃
料通路や、ポンプ室を含む燃料加圧室などにアクチュエ
ータを接続して燃料の圧力を制御している。

例えば、分配型燃料噴射ポンプにあっては、プランジャ
にて加圧されるポンプ室の燃料をアクチュエータにて加
圧することによりパイロット噴射を行わせ、アイドリン
グ運転中の騒音、振動を低減するなどに適用されてい
る。

このようなエンジンの噴射系においては、アクチュエー
タの作動性能、すなわち応答性が問題となる。

応答性に優れたアクチュエータとしては、従来電磁駆動
型のアクチュエータが知られている。このものはソレノ
イドコイルへの電圧印加によりピストンを作動させるよ
うになっており、空圧、油圧駆動型に比べて作動速度が
早い利点がある。

しかしながら、電磁型アクチュエータであっても、エン
ジンの高速回転時には制御速度が遅くなる不具合があ
る。例えばエンジンの高速回転時にパイロット噴射を行
わせようとする場合、1m sec（10^-3sec）以下にてアク
チュエータのオン・オフ作動を行わせる必要があるが、
電磁型アクチュエータではこのような高速作動が不可能
である。

また、電磁型アクチュエータは押圧力が比較的小さく、
これを大きくしようとすると大形になるなどの不具合も
ある。

このような問題点を解消するため、アクチュエータの駆
動源に圧電素子積層体を使用することが検討されてい
る。

圧電素子積層体は、数10枚のPZT素子を、電極板と交互
に積層して構成され、圧電効果および逆圧電効果をもつ
ことは知られており、このような圧電素子積層体をアク
チュエータの駆動源として使用すると、数10μsec（10
^-6sec）のオーダの応答性がありしかも大きな押圧力が
得られる利点があるので、燃料噴射系のアクチュエータ
には好都合である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上記のような圧電素子積層体をアクチュエー
タの駆動源として使用しようとする場合、実施する上で
種々の問題を抱えている。

すなわち、圧電型アクチュエータはシリンダおよびこの
シリンダに収容されたピストンならびにこのピストンを
駆動する圧電素子積層体によって構成されることになる
が、ピストンと圧電素子積層体を切離して構成すると大
きなスペースを必要とし、大形になるので、ピストンは
ピストンヘッド側が閉塞された筒形をなし、この筒形ピ
ストンに上記圧電素子積層体を収容することが望まし
い。

しかしながら、このようにした場合、圧電素子積層体は
その軸方向長さにおいて、セラミック素子固体間に寸法
ばらつきがあり、この寸法ばらつきをなくすことは非常
に困難であるため、圧電素子積層体を収容したピストン
はそのピストンヘッドの位置にばらつきを生じ易い。ピ
ストンヘッド位置が一定にならないと、特性に影響を及
ぼす。したがって、ピストンヘッド位置を調節する手段
が要求される。

一方、圧電素子積層体は、上記したようにセラミック素
子固体間の寸法ばらつきのため押圧荷重がばらつき、特
性に影響を及ぼす。

さらに、圧電素子積層体には高電圧が印加されかつ高電
圧を発するため、リークする危険性をもっている。これ
を防止するのに、シリコン油を塗布すれば耐電圧性が向
上する。しかしながらシリコン油は燃料に溶けて流され
る心配があり、シール構造が要請される。

したがって、本発明はピストンヘッドの位置および荷重
の調整が行なえ、特性のばらつきを調節することがで
き、かつ確実なシール性が保たれる燃料噴射装置の圧電
型アクチュエータを提供しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、燃料噴射装置の圧電型アクチュエータにあっ
て、ピストンはピストンヘッド側が閉塞された筒形をな
し、この筒形ピストンに上記圧電素子積層体を収容した
構造のものにおいて、ピストンに収容された圧電素子積
層体を燃料から隔離するシール構造を形成し、上記シリ
ンダとピストンの間にこのピストンを後退方向に付勢す
るコイルばねを設置するとともに、上記シリンダに上記
ピストンヘッドの位置を調整する調整ボルトを螺着した
ことを特徴とする。

〔作用〕

このような構成によると、調整ボルトによりピストンヘ
ッドの位置およびコイルばねの荷重を調整することがで
きるので特性のばらつきを修正することができるととも
に、シール構造によって圧電素子積層体を燃料から隔離
するからシリコン油の溶出が生じなく、耐電圧性を高く
かつ長寿命に維持することができる。

〔発明の実施例〕

以下本発明について、図面に示す一実施例にもとづき説
明する。

本実施例は分配型燃料噴射ポンプのポンプ室にパイロッ
ト噴射のための圧電型アクチュエータを設置した例を示
し、図において１は分配型燃料噴射ポンプ、２は圧電型
アクチュエータである。

分配型燃料噴射ポンプ１は公知のものであるから詳細な
説明を省略するが、第２図に示すように、プランジャ３
を備え、このプランジャ３はポンプ室４に燃料を吸入す
るとともに、この燃料を加圧して燃料噴射ノズル５に圧
送する。すなわち、プランジャ３は図示しないエンジン
によりエンジンと同期して回転されるとともに、フィイ
スカム６を備え、このフェイスカム６に転接している気
筒数と同数のカムローラ７により上記プランジャ３は、
その１回転中にエンジンの気筒数に応じて往復移動され
る。プランジャ３の吸入行程中に、このプランジャ３の
先端部周面に形成した吸入溝８…の１つが吸入ポート９
に連通すると、燃料室10の燃料が導入路11を通じてポン
プ室４に吸入される。プランジャ３の圧縮行程中にポン
プ室４内の燃料は加圧され、この加圧された燃料は縦孔
13に押し出され、供給ポート14が複数個の内の１個の吐
出ポート15と連通した場合に噴射通路16を通じて、デリ
バリ弁17を経て、燃料噴射ノズル５に供給される。

上記噴射通路16を通じて燃料噴射ノズル５に燃料を供給
している時に、プランジャ３に設けたスピルリング18の
端面から、縦孔13と通じているスピルポート19が燃料室
10へ開放され、縦孔13内の燃料がスピルポート19より燃
料室10へ逃がされる。これにより燃料噴射ノズル５への
燃料供給を停止する。したがって、スピルリング18をプ
ランジャ３の軸方向へ移動制御することにより燃料噴射
量および燃料噴射タイミングをを制御することができ
る。

上記ポンプ室４にはパイロット噴射のための圧電型アク
チュエータ２が接続されている。圧電型アクチュエータ
２は第１図に示されており、20は両端開放形のシリンダ
である。このシリンダ20の一端は上記ポンプ室４を形成
するポンプヘッド21に螺着されており、Ｏリング22,23
などのシール材により液密が保たれている。そしてこの
シリンダ20内には上記一端を通じて上記ポンプ室４に連
通するシリンダ室24を構成している。

シリンダ20内にはピストン25が摺動自在に収容されてい
る。ピストン25は上記シリンダ室24に臨む一端が閉塞さ
れた筒形をなしており、この閉塞端がピストンヘッド26
となっている。

ピストン25には、圧電素子積層体27が収容されている。
この圧電素子積層体27は、詳図しないが、数10枚のPZT
素子を、電極板と交互に積層して構成され、このような
積層体27は、耐電圧性を増すためシリコン油が塗布され
ている。また、圧電素子積層体27とピストン25の間は図
示しない樹脂製チューブにより絶縁されている。

ピストン25の他端にはカバーヘッド28が摺動可能に被冠
されている。このカバーヘッド28とピストン25の間はＯ
リング29などのシール材により液密が保たれており、し
たがって圧電素子積層体27は、ピストン25の周囲の燃料
と液密に隔離されている。

カバーヘッド28は回り止めブロック30に固定されてい
る。この回り止めブロック30は、シリンダ20の他端部
に、シリンダ20の軸方向へ移動可能として嵌挿されてお
り、シリンダ20に対しＯリング31などのシール材により
液密が保たれている。

この回り止めブロック30には周面の１箇所に、軸方向に
沿った係止溝32が形成されており、この係止溝32には、
シリンダ20の側壁に螺挿入した回り止めねじ33が挿入さ
れている。

したがって、回り止めブロック30は軸方向へ移動可能で
あるが、周方向つまり回転ができないように支持されて
いる。

シリンダ20の他端内部には、調整ボルト34が螺着されて
いる。この調整ボルト34は筒形をなし外周面でシリンダ
20の内面に螺合している。この調整ボルト34は回り止め
ブロック30に当接しており、この調整ボルト34を螺進退
させると、回り止めブロック30が軸方向へ移動し、カバ
ーヘッド28および圧電素子積層体27を介してピストンヘ
ッド26の位置を調整することができる。この場合、調整
ボルト34は回転されるが、回り止めブロック30は回転せ
ず、よっでカバーヘッド28も回転せず、圧電素子積層体
27に回転力を伝えない。

上記カバーヘッド28および回り止めブロック30には、圧
電素子積層体27に電力を供給するリード線35,35が挿通
されており、これらリード線35,35は調整ボルト34の中
を通って外部に導出されている。なお、リード線35,35
の導出根元は接着剤36により気液密を保って回り止めブ
ロック30に接合されている。

シリンダ20には段部37が形成されているとともにピスト
ン25にはフランジ38が形成されている。

これら段部37とフランジ38の間には、ばね常数の小さな
圧縮コイルばね39が介挿されている。この圧縮コイルば
ね39は、ピストン25を常に後退する方向に付勢し、これ
により圧電素子積層体27には圧縮荷重が与えられる。

このような構成に係る実施例の作用を説明する。

分配形燃料噴射ポンプ１は、先に述べたように、プラン
ジャ３の圧縮作動によりポンプ室４内の燃料を加圧し、
この加圧された燃料を縦孔13に押し出し、供給ポート14
が複数個の内の１個の吐出ポート15と連通した場合に燃
料噴射ノズル５に供給するものであるが、この際予め圧
電素子積層体27に電圧を与えて圧電素子積層体27を伸長
状態にしておく。そして上記プランジャ３によりポンプ
室４内の燃料が加圧されかつ供給ポート14が吐出ポート
15と連通した初期の段階で、リード線35,35を通じて圧
電素子積層体27に貯えられた電圧を取り除く。すると圧
電素子積層体27は瞬時に縮み変形し、これによりピスト
ン25を、後退つまり図示右側に移動させる。

このためピストン25はシリンダ室24の燃料の圧力を低下
させ、したがってポンプ室４の燃料圧力も低下する。よ
って、ポンプ室４の燃料圧力が本来のプランジャ３によ
って所定の圧力まで加圧される段階で、上記圧電型アク
チュエータ２で一瞬減圧されるから供給ポート14が吐出
ポート15と連通した初期の段階で、噴射ノズル５におい
て燃料の噴射を分離し、いわゆるパイロット噴射を行わ
せる。

このような作用をなす圧電型アクチュエータ２におい
て、シリンダ20の他端に螺着した調整ボルト34を螺進退
させると、回り止めブロック30が軸方向へ移動し、カバ
ーヘッド28および圧電素子積層体27を介してピストンヘ
ッド26の位置を調整することができる。圧電素子積層体
27においては、固体間のばらつきによる軸方向の長さに
ばらつきが生じやすく、しかもこの軸方向長さのばらつ
きをなくすことは非常に困難であるが、上記調整ボルト
34によりピストンヘッド26の位置を一定位置に設定する
ことができ、したがってシリンダ室24およびこれに連通
するポンプ室４の総内容積を一定にすることができるか
らポンプ性能を一定にすることができる。

この場合、上記調整ボルト34を回転させると、これに当
接している回り止めブロック30に回転力が伝えらえる
が、回り止めブロック30の周面に形成した係止溝32に、
シリンダ20の側壁に螺挿入した回り止めねじ33が挿入さ
れているため、回り止めブロック30は軸方向へ移動可能
であるが、周方向つまり回転することが防止される。よ
ってカバーヘッド28も回転せず、圧電素子積層体27に回
転力を伝えない。この結果、数10枚のPZT素子と電極板
と交互に積層して構成された圧電素子積層体27に、これ
らPZT素子と電極板との間に回転ずれを生じることがな
く、また塗布されたシリコン油の剥がれや、圧電素子積
層体27とピストン25の間に介在させた絶縁のための樹脂
製チューブが破損するなどの不具合が防止される。ま
た、リード線35,35のねじれも防止される。

また、一端が閉塞された筒型ピストン25の他端にはカバ
ーヘッド28が被冠され、このカバーヘッド28とピスト25
の間はＯリング29などのシール材により油密が保たれて
いるため、収容してある圧電素子積層体27は、ピストン
25の周囲の燃料と油密に隔離される。このため、塗布し
てあるシリコン油が燃料に浸されることがなく、耐電圧
性能を維持し、リークを防止する。

ところで、この種の圧電素子積層体27は、予めコイルば
ね39により所定の荷重を加えて圧縮状態にしておくと、
電圧を取り除いた場合に圧縮復帰作動特性が良く、ポン
プ性能が向上する。

第３図および第４図は、圧電素子積層体に加えるばね荷
重に対するポンプの噴射量および噴射遅れに関する測定
結果の特性図である。

これらの特性図から、コイルばね39のセット荷重を大き
くすればする程、噴射量を大きく確保できかつ噴射遅れ
を小さくすることができる。すなわち、ポンプ性能の向
上が可能になる。

また、コイルばね39のセット荷重を大きくすれば圧電素
子積層体27に加えられる油圧の急激な変化によって生じ
るピストン25および積層体27の踊り、つまり揺動を防止
することもできる。

しかしながら、パイロット噴射させるには圧電素子積層
体27の伸び縮みを迅速に行わせることが好ましいので、
むしろコイルばね39のセット荷重は小さい方が良い。

これら両者の要求を満足して、ばらつきをなくすにはコ
イルばね39のセット荷重を一定にする必要があり、その
ためにはストロークの大きくとれる、つまりばね常数の
小さなコイルばね39が望ましい。

しかも、ばね常数の小さなコイルばね39を用いると、圧
電素子積層体27の軸方向長さのばらつきを修正するた
め、上記調整ナット34によりピストンヘッド26の位置を
調整した場合でも、略一定の荷重を加えることができる
ことになる。

なお、本発明は上記の一実施例に制約されるものではな
い。

すなわち、上記実施例の圧電型アクチュエータ２は、分
配型燃料噴射ポンプ１のポンプ室４に接続してパイロッ
ト噴射に適用したが、本発明は種々の燃料噴射システム
において、従来電磁型アクチュエータが使用されている
ところに、この電磁型アクチュエータに代わって用いる
ことができ、例えば、特開昭59−65992号における電磁
式ユニットなどに代わって使用することができる。

また、上記実施例では加工を容易にするため回り止めブ
ロック30とカバーヘッド28を別体に構成したが、これら
両者を一体に構成してよく、さらに、回り止めブロック
30はシリンダ20の側壁に螺挿入した回り止めねじ33にて
回転防止するようにしたが、キーや割ピンなどによって
回転を阻止するようにしてもよい。

そしてまた、上記実施例ではピストン25とカバーヘッド
28の間のＯリング29を介在させてシール構造としたが、
ピストン25の動きを阻害せずにシールできるものであれ
ば、たとえばパッキンなどであってもよい。

さらに、圧電素子積層体27を燃料から隔離するには、ピ
ストン25とシリンダ20の摺動部にピストンリングを取付
けるなどの手段であってもよく、このようなシール構造
であれば、カバーヘッド28を省略することができるなど
の対応が可能になる。

〔発明の効果〕

以上説明した通り本発明によれば、ピストンに収容され
た圧電素子積層体に燃料から隔離するシール構造を形成
し、上記シリンダとピストンの間にこのピストンを後退
方向に付勢するコイルばねを設置するとともに、上記シ
リンダに上記ピストンヘッドの位置を調整する調整ボル
トを螺着したから、上記シール構造によって圧電素子積
層体を燃料から隔離し、よってシリコン油の溶出を防止
して耐電圧性を高くかつ長寿命に維持することができ、
また調整ボルトによりピストンヘッドの位置およびコイ
ルばねの荷重を調整することができるので特性のばらつ
きを修正することができる。また、コイルばねは例えば
ばね常数の小さなものを使用すれば、セット荷重の大幅
な変動がなくポンプ性を一定にでき、かつ上記調整ボル
トにより調節した場合にもセット荷重を略一定に保つこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は第２図の要部
を拡大して示す断面図、第２図は分配型燃料噴射ポンプ
にパイロット噴射のための圧電型アクチュエータを設置
した例を示す断面図、第３図および第４図はばね荷重に
対するポンプの噴射量および噴射遅れの特性図である。 １……分配型燃料噴射ポンプ、２……圧電型アクチュエ
ータ、３……プランジャ、４……ポンプ室、５……燃料
噴射ノズル、20……シリンダ、24……シリンダ室、25…
…ピストン、26……ピストンヘッド、27……圧電素子積
層体、28……カバーヘッド、29……Ｏリング、30……回
り止めブロック、33……回り止めねじ、34……調整ボル
ト、39……圧縮コイルばね。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料噴射ポンプと噴射ノズルを結ぶ燃料通
   路、またはポンプ室を含む燃料加圧室に、燃料圧力を制
   御するアクチュエータを接続した燃料噴射装置であっ
   て、このアクチュエータは、シリンダおよびこのシリン
   ダに収容されたピストンならびにこのピストンを駆動す
   る圧電素子積層体にて構成された圧電型アクチュエータ
   において、上記ピストンはピストンヘッド側が閉塞され
   た筒形をなし、この筒形ピストンに上記圧電素子積層体
   を収容するとともに、このピストンに収容された圧電素
   子積層体を燃料から隔離するシール構造を形成し、上記
   シリンダとピストンの間にこのピストンを後退方向に付
   勢するコイルばねを設置するとともに、上記シリンダに
   上記ピストンヘッドの位置を調整する調整ボルトを螺着
   したことを特徴とする燃料噴射装置の圧電型アクチュエ
   ータ。
2. 【請求項２】上記調整ボルトと上記圧電素子積層体の後
   端面との間に、この調整ボルトの回転力が圧電素子積層
   体に伝わるのを阻止する回り止め体を設けたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の燃料噴射装置の圧電
   型アクチュエータ。