JPH10318078A - 積層膜の微駆動による燃料噴射装置 - Google Patents

積層膜の微駆動による燃料噴射装置

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JPH10318078A
JPH10318078A JP9160374A JP16037497A JPH10318078A JP H10318078 A JPH10318078 A JP H10318078A JP 9160374 A JP9160374 A JP 9160374A JP 16037497 A JP16037497 A JP 16037497A JP H10318078 A JPH10318078 A JP H10318078A
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laminated film
fuel
fuel injection
pump
film
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JP9160374A
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Yutaka Abe
豐 阿部
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Abstract

(57)【要約】 【課 題】 この発明は通常の燃料噴射ポンプでは
困難な、ガソリン、アルコールなど極低粘度の燃料を、
内燃機関の気筒内に直接高圧で噴射する装置に関するも
のである。 【解決手段】 難延性の極薄金属膜などを1〜数mm
積層した板を、積層圧電セラミクスの印加する電圧に比
例して発生する、超高圧の微変位を利用して駆動させ、
滑り機構を殆ど持たない燃料噴射ポンプの製造を可能と
するもの。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明はガソリン、アルコ
ールなどが低粘度の為、滑り面の潤滑が困難で摩耗や漏
れを生じ易い為、利用が困難である各種のプランジャー
・タイプの燃料噴射ポンプに代わる、ガソリン等の燃料
噴射ポンプおよび燃料噴射弁に関するものである。
【0002】
【従来の技術】気筒内に直接燃料を噴射するポンプとし
ては、従来から各種のプランジャー方式のものが広く利
用されている。 ボッシュ式の噴射ポンプがその代表で
あるが、滑り面が多くしかもプランジャー先端部の形状
が複雑であるため、極低粘度のガソリンなどを使用する
場合、滑り面の摩耗そして漏れを発生しやすく、長寿命
の実用的な燃料噴射ポンプの製造が非常に困難であっ
た。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従って摩耗を解決する
為耐摩耗性を高める材質の改良、漏れを防ぐ為の高精度
加工による滑り面のギャップを、極限まで少なくする事
などが現在まで研究されてきた。 本発明の課題は、摩
耗と漏れを実用上ほぼ完全に解決する事であり、さらに
プランジャー方式では殆ど不可能であった、各気筒別の
噴射燃焼割合、噴射時期、噴射時間や時間噴射率、さら
に不噴射不燃焼まで各気筒を選択制御し、最高の燃焼条
件を保ってより高性能の内燃機関の製造を課題とするも
のである。
【0004】
【課題を解決する為の手段】つぎに本発明による燃料噴
射装置の構成を説明する。 (イ)難延性の薄い弾性膜、例えば0.05mm〜0.
3mm程度のバネ用ステンレス鋼板、ベーナイト鋼板、
ベリリューム銅板などの極薄膜板を、必要とする耐圧に
基づき単種類または複種類を積層して、例えば直径が5
0〜100mm、積厚1〜4mm程度の円形状の積層膜
8を形成させる。 (ロ)十分な剛性をもつ上枠12と下枠13との間に、
積層膜8の外周部をボルト21などで強く加圧して取り
付ける。 その際必要により上環座14・下環座15さ
らに自圧パッキング22を設けて、ポンプ室3からの燃
料漏れを生じないようにする。 (ハ)上枠12と積層膜8との間に積層圧電セラミクス
10を、駆動体9を介して取り付け、また積層膜8を反
対側より膜押え11により皿バネ等適当なバネで強く上
方に加圧する。 (ニ)積層膜8の下側にポンプ室3を設けて、膜押え1
1などはこの中に納められる。 さらにポンプ室3の適
当な位置に燃料の吸入弁2と吐出弁、或は本例のように
噴射ノズルと一体になったものでは噴射孔4と針弁23
を設ける。 (ホ)積層圧電セラミクス10に電圧を印加して発生さ
せた、高圧力の微変位を駆動体9を介して積層膜8の中
央部を積層圧電セラミクスの積厚の0.001程度ポン
プ室側に微駆動する。 以上のような手段による燃料噴射装置。
【0005】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を述べる
と、数気圧に余圧されたガソリン等の燃料は、燃料通路
1を経て吸入弁2からポンプ室3や噴射孔4に密に充填
されている。圧電セラミクス10に噴射量に応じた電圧
が印加されると、電圧に比例して圧電セラミクスは変位
し、積層密度の多いものでは最大で積厚の0.1%程度
の変位量となり、その発生圧力は300〜400kg/
cmで駆動体9を介して積層膜8を下方に押し下げ
る。 それに依ってポンプ室3内の体積は、ほぼ駆動体
9の面積×積層膜8の変位量だけ縮小し、その量の燃料
は噴射孔4を通って針弁23先端部に導かれる。 加圧
された強い圧力によってバネ7連結棒6により、ノズル
5を閉ざしている針弁23を上面との大きな圧力差によ
って、上方に押し上げノズル5が開口して燃料は噴射さ
れる。 噴射弁の形態や機能は従来より広く実用化され
ており詳しい説明は省略する。 針弁23の上面は連結
棒6の周囲の隙間によって、燃料通路1に連絡しており
針弁23からの燃料の漏れが生じても内部で回収され
る。積層圧電セラミクス10に印加された電圧が取り去
られると、積層膜8も皿バネ17による膜押え11の強
い圧力によって元の状態に戻る。 その際ポンプ室3内
の圧力が下がり、針弁23はノズル5を閉止しまた押バ
ネ18により閉ざされていた、吸入弁2が上がって予圧
された燃料がポンプ室3内に供給される。上枠12と下
枠13の接合部の外周部の間にパッキング16が取り付
けられ、また下環座15の外側に隙間である環室19が
設けられ、ポンプ室3から燃料が漏れた場合にはここに
集められ、回収管20によって回収される。図2は、図
1に書かれていない自圧パッキング22を積層膜8と下
環座15の間に取り付けた場合を示している。 自圧パ
ッキング22はポンプ室3内に駆動と同時に生ずる高圧
を利用して、パッキング22の内側が上下に開く力によ
って漏れを防止する為のものである。燃料の噴射量は、
例えば有効径60mm×行程0,02mmとすると約5
6mmであり、この量は印加する電圧にょって0から
最大まで正確に制御できる。もし積層膜8がその内圧に
よって逆方向即ち上方に膨らむと、ロスが大きくなり、
必要とする噴射量は到底確保できない。従って積層膜8
は極薄の焼入れ鋼帯や、バネ用銅合金などを必要量積層
したものを使用する。 微行程である為変形による膜間
の摩擦は極めて微小であるが、必要な場合には潤滑油や
潤滑性のプラスチック膜を間に挟む事により解決でき
る。極薄板の積層板であるため焼入れ鋼帯であっても、
数mm重ねても0.02〜0.03mm程度の駆動は容
易である。 また有効径部分での伸び率は、極めて微小
で長時間の使用に充分耐える事ができる。駆動に必要な
加圧力はガソリンの場合で、有効径60mm噴射圧力を
50kg/cmとして約1,400kgであり、4〜
5cmの面積の積層圧電セラミクスを使用する。その
面積は吐出量や噴射圧力により選定し、単体でもよくま
た2個以上を組み合わせてもよい。図面の例ではノズル
5の針弁23が吐出弁を兼ねているが、噴射孔4の入口
などに別個に設けてもよい。図に示したものはポンプと
噴射弁を一体にしたものであるが、分離する事もでき
る。 その場合には吐出弁やこれらを連結する噴射管が
必用になる。次に本発明によるガソリン点火機関の特性
について、図3により従来のものとの相違点について説
明する。 ディーゼル機関と異なりガソリン点火機関の
実用空燃比は、1/15の前後30%程度に限られる。
希薄になると点火が不確実となり、また濃くなると不完
全燃焼となり燃費率も急速に高くなる。 従って出力は
主に気化器の絞り弁によって、混合気の吸入を制御する
ことによって行われる為、機関の燃費率は一般に図3の
Aが示すようになる。現在その問題の解決策として層状
吸気法によって、気筒内の一部分のみを高濃度にして、
希薄混合比ながら点火確実に燃焼させて低燃費、低公害
化を図ってきた。 しかし広範囲の運転で燃費率の低フ
ラット化は、完全に実現されたとは言えない状態であ
る。 本発明による燃料噴射装置は、機関出力を気化器
の絞り弁によらず、噴射ポンプのみによって零から最大
まで制御させる事がでる。 即ちチョーク弁、絞り弁共
不要で吸入抵抗が少なく、常時最低の燃費率を保ちなが
ら低回転から高回転まで運転させる事を可能とするもの
である。図3では気筒内に燃料を直接噴射させるガソリ
ン機関で、かつ層状吸気法によって1/30の希薄燃焼
を基準とした場合で、例えば2サイクル3気筒を全気筒
をフルに燃焼させた場合を、100%噴射燃焼率Tとし
て4回に1回即ち一つづつずらして噴射燃焼を休止させ
ると軸出力は75%になり、2回に1回休止させると5
0%、4回に1回休止させると25%、全休止だと軸出
力は0%となる。理論値では図3グラフのTのようにな
るが実際には慣性力が働くので、多小グラフよりは変化
率は緩和される。 そこで燃料噴射量を1/30〜1/
15の範囲で図3のAFRのように対応させると、PS
が示すような出力を発生させる事ができる。 噴射燃焼
率Tはより細かく数十回を分母とした、気筒別の燃焼休
止回数を制御する事によりよりスムーズな出力制御が可
能となる。また燃焼休止のみでなく気筒別に燃料噴射量
を違えて、例えば3気筒の場合1/25−1/25−1
/15とか1/22−1/28−1/30のようにし
て、より微妙な出力調整御をコンピューター制御によっ
て行う事ができる。さらに1/30〜1/60の希薄燃
焼を可能にすればより効果的に、出力制御の殆ど或は大
半を燃料の噴射量のみによって行なえる。従来の電磁方
式の噴射弁で吸気管内にガソリン等を噴射するもので
は、一般に1/1000秒台の制御で十分であるが、よ
り高精度を必要とする気筒内直接噴射では1/1000
0秒台の極精密なポンプ制御が必要になる。 これは毎
秒100回転の場合1/10000はクランク角で3.
6゜である事で明白である。特に2サイクル機関さらに
層上給気法による直接噴射では、より短時間に正確に終
了させる必要がある。 圧電セラミクスの電圧印加によ
る作動は、マイクロ秒台と瞬時に応答する。 これは従
来の機械的方法では非常に困難であり、本発明の実用上
の際立った利点である。
【0006】
【発明の効果】高圧のポンプ部分に滑り面が無く、運転
による摩耗を生じない。プランジャー形式の噴射ポンプ
と比較して、構造が簡単で製造が容易。駆動の為のエネ
ルギー消費が桁違いに低くなる。ポンプ・ノズル一体型
の燃料噴射装置の製造を可能とし、機械駆動では不可能
な内燃機関の複雑かつ広範囲な気筒別の燃焼制御ができ
る。電気駆動の為コンピューター制御によって、噴射量
はもとより噴射時期、噴射時間、気筒別選択燃焼などを
制御でき、より高性能で低燃費かつ低公害の内燃機関を
製造する事ができる。
【図面の簡単な説明】
図1は本発明の一実施例であるポンプ・ノズル一体型の
燃料噴射装置を示した縦断面図。図2は、図1の上環座
14、積層膜8、下環座15の一部を拡大して示した直
径方向の断面図であり、また図1にはない環状の自圧パ
ッキング22を設けた場合を示したもの。図3は本発明
に依る内燃機関の機能や効果を説明するもの。
【符号の説明】
1 燃料通路 2 吸入弁 3 ポンプ室 4 噴射孔 5 ノズル 6 連結棒 7 バネ 8 積層膜 9 駆動体 10 積層圧電セ
ラミクス 11 膜押え 12 上枠 13 下枠 14 上環座 15 下環座 16 パッキン
グ 17 皿バネ 18 押バネ 19 環室 20 回収管
【手続補正書】
【提出日】平成9年9月24日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 積層膜の微駆動による燃
料噴射装置

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(イ)難延性の金属などの薄膜を積層して
    造られた積層膜8の外周部を、上下の上枠12と下枠1
    3との間に直接または、上下の環座14、15、さらに
    必要な場合には、適当な自圧パッキング22を介して強
    力に挟んで取り付ける。 (ロ)上枠12と積層膜8の間に、駆動体9を介して積
    層圧電セラミクス10を積層膜8が平面状になるように
    取り付ける。 (ハ)積層膜8の下方にポンプ室3を設け、中心部に膜
    押え11を介して皿バネ17などで積層膜8を強く上方
    に加圧する。 (ニ)ポンプ室3の適当な位置に燃料の吸入弁2と、吐
    出弁かポンプ・ノズル一体型にあっては噴射孔4および
    加圧によって開く針弁23を設ける。 以上のように構成された積層膜の微駆動による燃料噴射
    装置。
  2. 【請求項2】(イ)第一項による燃料噴射ポンプの積層
    膜の8の下部支持体である下枠13の下端部を細い筒状
    にし、これに噴射孔4、針弁23、ノズル5、針弁を下
    方に加圧するバネ7、連結棒6を内蔵させる。 (ロ)針弁23の上側は、連結棒6の廻りの間隙により
    燃料通路1や、吸入弁2の下面と同圧力になるように連
    絡する。 以上のように構成されたポンプ、ノズル一体の燃料噴射
    装置。
JP9160374A 1997-05-14 1997-05-14 積層膜の微駆動による燃料噴射装置 Pending JPH10318078A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1477873A1 (de) 2003-05-12 2004-11-17 WIKA Alexander Wiegand GmbH & Co.KG Druckregelungssystem
WO2008009159A1 (fr) * 2006-06-19 2008-01-24 Xiuchuan Zhang Générateur de gouttelettes pour imprimante codeuse
CN119827031A (zh) * 2024-12-13 2025-04-15 上海空间推进研究所 用于垂直向上喷射的电推力器推力测量装置及其测量方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1477873A1 (de) 2003-05-12 2004-11-17 WIKA Alexander Wiegand GmbH & Co.KG Druckregelungssystem
WO2008009159A1 (fr) * 2006-06-19 2008-01-24 Xiuchuan Zhang Générateur de gouttelettes pour imprimante codeuse
CN119827031A (zh) * 2024-12-13 2025-04-15 上海空间推进研究所 用于垂直向上喷射的电推力器推力测量装置及其测量方法

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