| 【発明の名称】 |
アクチュエータおよび燃料噴射装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】船井 賢二
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| 【要約】 |
【課題】ポンプ室の容積を縮小して昇圧能力を高めることにより、噴射性能を向上可能であるとともに、高い加工精度が要求されず、コスト低減が可能なアクチュエータおよび燃料噴射装置を実現する。
【解決手段】燃料噴射装置のアクチュエータを、ピエゾスタック２１の伸縮に伴ってシリンダ２３内を摺動するピエゾピストン２２によって、その一端側に設けたピエゾポンプ室２７内の圧力を増減させる構成とし、ピエゾポンプ室２７を、ピエゾピストン２２を一端側に配され、表面を弾性材料よりなるシール層２４ｂで覆った筒状ばね２４ａよりなるばね部材２４の筒内およびこれに連続する閉空間内に形成する。ばね部材２４にシール機能を持たせたので、ピエゾポンプ室２７内の容積を小さくし、部材数を削減できる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 通電により伸縮する駆動部材と、上記駆動部材の伸縮に伴ってシリンダ内を摺動するピストンと、上記ピストンの一端側に設けられ上記ピストンの変位によって圧力を増減させるポンプ室と、上記ピストンを上記駆動部材の収縮方向に付勢するばね部材を備えるアクチュエータであって、上記ばね部材を、表面を弾性材料よりなるシール層で覆った筒状ばねで構成して、上記ピストンの上記一端側に形成した空間に配置し、上記ばね部材の筒内に形成される閉空間を上記ポンプ室としたことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】 通電により伸縮する駆動部材と、上記駆動部材の伸縮に伴ってシリンダ内を摺動するピストンと、上記ピストンの一端側に設けられ上記ピストンの変位によって圧力を増減させるポンプ室と、上記ピストンを上記駆動部材の収縮方向に付勢するばね部材を備えるアクチュエータであって、上記ばね部材を、金属よりばね定数が低く、上記ピストンの上記一端側に形成した空間に配置する際のセット荷重において弾性変形する筒状の弾性部材で構成して、上記ばね部材の筒内に形成される閉空間を上記ポンプ室としたことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】 上記ばね部材の形状が、一定径のリング状、または上記ピストンの上記一端側に向けて拡径するテーパ状である請求項１または２記載のアクチュエータ。
【請求項４】 上記ポンプ室の圧力変化に応じて変位する可動部材を有する請求項１ないし３のいずれか記載のアクチュエータ。
【請求項５】 請求項１ないし４のいずれか記載のアクチュエータによって駆動されて、低圧通路または高圧通路と制御室とを選択的に導通させる弁部材を有し、上記弁部材によって上記制御室内の圧力を増減することにより噴孔を開閉することを特徴とする燃料噴射装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、変位を圧力に変換するアクチュエータと、このアクチュエータを用いて弁部材を駆動する燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、ピエゾアクチュエータ等を用いて増圧ピストンを変位させ、ポンプ室内の圧力を上昇あるいは下降させることでバルブあるいはノズルを開閉弁させる構造の燃料噴射装置が知られ、内燃機関のコモンレール噴射システム用のインジェクタとして広く用いられている。コモンレール噴射システムは、燃料供給ポンプから圧送される高圧燃料を蓄圧するコモンレールを有するもので、内燃機関の運転状態に応じてコモンレール圧力を所定の高圧に制御し、所定のタイミングでノズルニードルを開弁して各気筒に燃料噴射している。ポンプ室内の圧力を下降させてノズルニードルを開弁する構造は、例えば、特公平４−５４０６５号公報に開示されている。
【０００３】かかる燃料噴射装置の一例を図８に示す。図中、１００はピエゾアクチュエータで、ピエゾスタック１０１が伸縮すると、その下面に接して設けたピエゾピストン１０２がシリンダ１０３内を摺動し、ピエゾポンプ室１０４内の油圧が増減するようになしてある。ピエゾポンプ室１０４の下方には、ピエゾポンプ室１０４内の油圧の増減に伴って上下動する作動ピストン１０５が設けられ、これと一体のプッシュロッド１０６を介してバルブ室１０７内のボール弁１０８を駆動している。バルブ室１０７は、上端にドレーン通路１０９に連通するポートを、下端に燃料供給通路１１０に連通するポートを有し、これらポートを選択的に閉鎖することで、油圧ピストン１１１上方の制御室１１２を、ドレーン通路１０９または燃料供給通路１１０に連通させる。
【０００４】ピエゾポンプ室１０４内には、ピエゾピストン１０２をピエゾスタック１０１の収縮方向に付勢する皿ばね１１３と、作動ピストン１０５内に設けた通路１１５上端に配したボール１１６を下方に付勢するスプリング１１４が配設されている。また、ピエゾピストン１０２には、外周に環状溝を形成してシール用のＯリング１１７を配設している。
【０００５】ピエゾスタック１０１の収縮時には、ボール弁１０８が上方に移動してドレーン通路１０９に連通するポートを閉塞し、燃料供給通路１１０に連通する制御室１１２の圧力が上昇して油圧ピストン１１１が下方へ押され図示されていないノズルニードルは閉弁している。ピエゾスタック１０１が伸長してピエゾピストン１０２が下方に移動するとピエゾポンプ室１０４内の圧力が上昇し、作動ピストン１０５がボール弁１０８を下降させて燃料供給通路１１０に連通するポートを閉鎖する。このため、制御室１１２の燃料がドレーン通路１０９に流出して圧力低下し、油圧ピストン１１１と図示されていないノズルニードルがリフトして燃料が噴射される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記構成において、噴射性能を大きく左右する因子にピエゾポンプ室１０４内の容積がある。すなわち、この容積が小さければ小さい程、ピエゾスタック１０１の変位に対する圧力変化が大きくなるため、ボール弁１０８に加わる燃料圧力がより高くなっても、これを開弁することが可能となる（噴射可能領域の拡大）。また、ピエゾポンプ室１０４容積が小さいと、圧力変化速度が速くなるため、ノズルニードル１１１のリフトが速くなって応答性が向上する。そこで、ピエゾポンプ室１０４内の容積を小さくして、噴射性能を向上させることが検討されている。
【０００７】しかしながら、上記従来構成のままでは、ピエゾポンプ室１０４内に皿ばね１１３とスプリング１１４を収容するスペースを確保する必要があること、Ｏリング１１７下方のピエゾピストン１０２の外周にピエゾポンプ室１０４から燃料が流入して、ピエゾポンプ室１０４の実質的な容積が拡がること、などから容積を十分小さくすることは困難であった。また、摺動部であるピエゾピストン１０２の外周をＯリング１１７でシールするという上記構成では、シール部に高い加工精度が要求され、コスト高となっている。
【０００８】本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、その目的は、ポンプ室の容積を縮小することにより、昇圧能力を高めて噴射性能を向上させること、また、加工に高い精度が要求されず、コスト低減が可能な燃料噴射装置を実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明請求項１のアクチュエータは、通電により伸縮する駆動部材と、上記駆動部材の伸縮に伴ってシリンダ内を摺動するピストンと、上記ピストンの一端側に設けられ上記ピストンの変位によって圧力を増減させるポンプ室と、上記ピストンを上記駆動部材の収縮方向に付勢するばね部材を備えている。上記ばね部材は、表面を弾性材料よりなるシール層で覆った筒状ばねで構成してあり、これを上記ピストンの上記一端側に形成される空間内に配置して、上記ばね部材の筒内に形成される閉空間を上記ポンプ室とするものである。
【００１０】上記構成では、上記ばね部材として表面にシール層を形成した筒状ばねを用いているので、その筒内空間およびこれに連続する閉空間を、密閉シールされた上記ポンプ室とすることができる。よって、従来に比べて構成を大きく変えることなく、上記ポンプ室容積を縮小することができるので、上記ピストンの変位に対する圧力変化が大きくなり、噴射性能が向上する。また、シール用のＯリングが不要となるので、部品点数が削減でき、加工精度が要求されないので、コストが低減できる。
【００１１】請求項２は、本発明の課題を解決するアクチュエータの他の構成であり、通電により伸縮する駆動部材と、上記駆動部材の伸縮に伴ってシリンダ内を摺動するピストンと、上記ピストンの一端側に設けられ上記ピストンの変位によって圧力を増減させるポンプ室と、上記ピストンを上記駆動部材の収縮方向に付勢するばね部材を備えるアクチュエータにおいて、上記ばね部材を、金属よりばね定数が低く、上記ピストンの上記一端側に形成した空間に配置する際のセット荷重において弾性変形する筒状の弾性部材で構成して、上記ばね部材の筒内に形成される閉空間を上記ポンプ室とする。
【００１２】上記特性を有する弾性部材よりなる上記ばね部材を用いることによっても、シール機能と必要なばね特性とを確保することができ、上記請求項１の構成と同様の効果が得られる。
【００１３】請求項３の構成では、上記ばね部材の形状を、上記ピストンの上記一端側に向けて拡径するテーパ状、または一定径のリング状とする。上記ばね部材を逆テーパ状とすると、上記ピストンの変位に対する圧力変化量を大きくすることができ、噴射性能が向上する。また、一定径のリング状とすると、筒内容積をより小さくできるので、昇圧効果が高まって噴射性能がより向上する。
【００１４】請求項４の構成では、上記ポンプ室の圧力変化に応じて変位する可動部材を設ける。本発明のアクチュエータに、上記ポンプ室の圧力変化を伝達するための可動部材を設けることもでき、この可動部材を用いて弁部材等を駆動することができる。
【００１５】請求項５は、上記アクチュエータを用いた燃料噴射装置に関し、上記アクチュエータをによって駆動されて、低圧通路または高圧通路と制御室とを選択的に導通させる弁部材を有する。上記弁部材によって上記制御室内の圧力を増減することにより噴孔を開閉して燃料噴射を行うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は、本発明を適用したピエゾアクチュエータ２を備える燃料噴射装置１で、例えばコモンレール燃料噴射システムにおいて、コモンレールに蓄圧された高圧燃料をエンジンの各気筒に噴射するために用いられる。燃料噴射装置１は、詳細を後述するピエゾアクチュエータ２が収容される上部ハウジング１１と、その下端にねじ固定される下部ハウジング１２を有し、下部ハウジング１２内には噴孔３１を開閉するノズルニードル３が上下動自在に収容されている。
【００１７】ノズルニードル３の中間部周りには、燃料供給通路４１に連通する燃料溜まり３２が設けられ、ノズルニードル３は、この燃料溜まり３２から開弁方向（上向き）の燃料圧を受けている。ノズルニードル３は、また、上端面に接して設けたコマンドピストン３３を介して、その上方の制御室４から閉弁方向（下向き）の燃料圧を受けており、コマンドピストン３３は、下半部外周に設けたスプリング室３６内のスプリング３５によってノズルニードル３方向に付勢されている。そして、制御室４の圧力が降下すると、燃料溜まり３２内の燃料圧の作用でノズルニードル３がリフトし、噴孔３１が通路３４を介して燃料溜まり３２と導通して燃料噴射が開始される。なお、スプリング室３６はドレーン通路４２に連通している。
【００１８】下部ハウジング１２の上端部内には、制御室４内の圧力を増減する３方弁５が設けられている。３方弁５は、ドレーン通路４２に連通する上端部にテーパ状の第１シート５３を、燃料供給通路４１に連通する下端部にテーパ状の第２シート５４を有するバルブ室５１と、バルブ室５１内に配設されて第１または第２シート５３、５４を選択的に閉鎖するボール弁５２を有している。バルブ室５１の側部には、制御室４に連通する通路５５が開口し、ボール弁５２が移動して第１または第２シート５３、５４に押圧されるのに伴い、制御室４が燃料供給通路４１またはドレーン通路４２に連通する。
【００１９】ボール弁５２は、上部ハウジング１１内のピエゾアクチュエータ２によって駆動される。ピエゾアクチュエータ２は、電圧の印加または解除により伸縮するピエゾスタック２１と、その下端面に当接してシリンダ２３内を摺動するピストンとしてのピエゾピストン２２を有し、シリンダ２３の下端部内には、ピエゾピストン２２をピエゾスタック２の収縮方向（上方）に付勢するばね部材２４が配設されている。シリンダ２３の下方には、これより小径のシリンダ２６内に可動部材としての作動ピストン２５が摺動自在に設けられ、作動ピストン２５下端面より突出するプッシュロッド２５ａがボール弁５２に当接している。
【００２０】ばね部材２４は、図２に拡大図を示すように、ピエゾピストン２２側に向けて拡径するテーパ状、すなわち、断面逆ハの字形の筒状ばね２４ａの表面全面を、弾性材料よりなるシール層２４ｂで被覆してなる。つまり、このばね部材２４は、ピエゾピストン２２下端面とシリンダ２３の底面に平面接触して、その筒内空間と筒外空間とを区画するとともに、両者の間をシールするシール機能を有している。そこで、本発明では、ばね部材２４の筒内空間およびこれに連続する作動ピストン２５上端中央部の空間２５ｂ内を、ポンプ室としてのピエゾポンプ室２７とし、ピエゾスタック２１の伸縮によってピエゾピストン２２が上下動するのに伴い、容積を拡大または縮小させるようにする。これにより、ピエゾポンプ室２７内部の燃料圧が増減し、作動ピストン２５のプッシュロッド２５ａを介してボール弁５２を上下動させることができる。
【００２１】ばね部材２４のシール層２４ｂを構成する弾性材料としては、ゴム材料、例えば、耐熱性、耐油性に優れるフッ素系ゴムが好適に用いられる。あるいはフッ素系ゴムに限らず、必要な特性等に応じて適宜選択してもよい。シール層２４ｂの膜厚は、充分なシール性能が確保できる厚さとする必要があるが、あまり厚すぎるとゴムの変形のみでばね力を確保するようになり、ゴムの圧縮永久歪により隙間があきやすくなるため、例えば、０．１ｍｍ程度とすることが望ましい。ばね部材２４表面にシール層２４ｂを形成する方法は、例えば、シール必要部位にシール層２４ｂの構成材料を噴き付ける方法、シール層２４ｂを圧着する方法、あるいは型内に筒状ばね２４ａを配置して一体成形する方法等があり、いずれの方法を採用してもよい。
【００２２】なお、作動ピストン２５の内部には、その上下の空間２５ｂ、２５ｃ間を連通する通路２５ｄが設けられ、空間２５ｂ内にはボール弁２８が配設されて通路２５ｄの上端開口を閉鎖している。ボール弁２８はスプリング２９により下方に付勢されて、ピエゾポンプ室２７への流れのみを許容する逆止弁として機能する。このようにすると、始動時のピエゾポンプ室２７への燃料の充填が容易になされ、また作動中の気泡抜きを効果的に行うことができる。
【００２３】次に、上記構成の燃料噴射装置１の作動を説明する。ピエゾアクチュエータ２のピエゾスタック２１に電圧を印加してこれを伸長させると、ピエゾピストン２２が下降してピエゾポンプ室２７の容積を縮小する。これに伴いピエゾポンプ室２７の燃料圧が上昇して作動ピストン２５を下降させ、作動ピストン２５と一体のプッシュロッド２５ａがボール弁５１を押し下げる。これによりボール弁５１がドレーン通路４２に至る第１シート５３を開放し、燃料供給通路４１に至る第２シート５４を閉塞する。この時、通路５５を介してバルブ室５１と導通している制御室４の圧力が低下し、ノズルニードル３がリフトして噴孔３１から高圧燃料が噴射される。
【００２４】次に、ピエゾスタック２１へ印加されていた電圧を抜いてこれを収縮させると、ピエゾピストン２２がばね部材２４の付勢力によって上昇し、ピエゾポンプ室２７の容積を拡大する。これによりピエゾポンプ室２７の圧力が降下し、ボール弁５１に上向きに作用する油圧力によって、ボール弁５１とプッシュロッド２５ａが一体となって上昇する。そして、ボール弁５１が第２シート５４から離れて、第１シート５３を閉塞し、燃料供給通路４１から高圧燃料が流入するために、バルブ室５１に連通する制御室４の圧力が上昇する。これに伴い、コマンドピストン４２およびノズルニードル４が下降して、噴孔３１を閉鎖し、燃料噴射が停止される。
【００２５】ここで、上記構成では、ピエゾポンプ室２７を、ばね部材２４の筒内空間とこれに連続する空間２５ｂとで構成したので、従来に比べてピエゾポンプ室容積を縮小することができる。しかも、ばね部材２４形状を断面逆ハの字状としたので、ピエゾピストン２２の変位に対する容積変化量、すなわち、圧力変化量が大きくなり、噴射可能領域の拡大、応答性の向上により、噴射性能が向上する。また、筒状のばね部材２４の表面にシール層２４ａを設けてシール機能を持たせたので、ピエゾポンプ室２７を確実に密閉シールすることができ、従来のようにピエゾピストン２２外周にＯリングを設ける必要がないので、部品点数が減少し、Ｏリングシール部に高い加工性が要求されないので、コスト低減が可能である。
【００２６】上記第１の実施の形態では、作動ピストン２５の内部に通路２５ｄとボール弁２８を設けたが、図３、４に本発明の第２の実施の形態として示すように、組付時に燃料充填を行い、作動中の気泡の発生が問題とならない場合には、これらを省略した構成とすることもできる。この時、作動ピストン２５の上端面に空間２５ｂが形成されないので、ピエゾポンプ室２７はばね部材２４の筒内空間のみとなり、また、ピエゾピストン２２の下端面に凸部２２ａを形成してばね部材２４の筒内空間に突出させることで、容積をさらに縮小することができる。よって、上記第１の実施の形態の構成に比べて、ピエゾピストン２２の変位に対する圧力変化が大きくなり、噴射可能領域の拡大、応答性の向上といった噴射性能がさらに向上する。
【００２７】以上のように、本発明によれば、ピエゾポンプ室２７の容積を縮小することにより、昇圧能力を高め、噴射性能を向上させることができる。この本発明の効果を図５で説明する。まず、噴射可能領域の拡大に関して、燃料噴射装置では、噴射圧力が高い程、燃料の霧化が良好となりエンジン性能が良いとされるが、一方、この高圧燃料がボール弁５２を第１シート５３にシートさせようとする力（図５（ａ）における上向きの力）は、第１シート５３径をａとすると、式（１）
（π／４）×ａ2 ×燃料圧力・・・（１）
で表される。よって、開弁に必要な力は、噴射圧力が高い程大きくなる（図５（ｂ））。ここでピエゾピストン２３の径ｂは一定なので、より高い圧力で開弁できるようにするためには、ピエゾスタック２１の変位により、ピエゾポンプ室２７がより高い圧力まで昇圧できなければならない。ピエゾ変位に対する圧力変化量ΔＰは、式（２）であらわされるので、ΔＰ∝（ΔＶ／Ｖ）×Ｅ・・・（２）
（式中、ΔＶはピエゾ変位に対する容積変化量、Ｖはピエゾポンプ室２７の容積、Ｅはヤング率、）ピエゾポンプ室２７の容積Ｖが小さければ小さい程、ΔＰ、すなわち昇圧効果が大きくなり、従来より高い圧力まで噴射が可能になる。
【００２８】次に、応答性に関しては、上記式（２）を時間微分すると、下記式（３）のようになる。
ｄＰ／ｄｔ＝定数×（ｄＶ／ｄｔ）・・・（３）
つまり、ピエゾポンプ室２７の容積Ｖが小さいと、定数項が大きくなり、圧力変化速度が速くなる。これを従来と対比させたタイムチャートにしたのが図５（ｃ）であり、ピエゾポンプ室２７の容積Ｖが小さいために、ピエゾスタック２１の変位に対してピエゾポンプ室２７の圧力の増加が速く、ボール弁５２のリフト開始、さらにノズルニードル３のリフト開始が速くなることがわかる。よって、従来に比べて昇圧性能が高くなり、応答性が大きく改善される。
【００２９】ばね部材２４形状は、上記各実施の形態では、断面逆ハの字状としたが、所望のばね特性を有し、かつ表面にシール層２４ｂを形成してその内外をシールすることができる形状であればよい。図６（ａ）上段は、ばね部材２４の他の形状例を示すもので、筒状ばねとしてＣの字断面の中空の金属Ｏリング２４ｃを用い、その内外表面をフッ素系ゴム等よりなるシール層２４ｄで覆った構成としている。中空でない通常の金属Ｏリングでは、数十ｋｇのセット荷重をかけることで金属が塑性変形するため、ばねとして機能しないが、上記構成のばね部材２４を押しつぶすと、図６（ａ）下段のように、Ｃの字の開口部が閉鎖されて中のゴムが密閉させて反力が発生し、また、金属の塑性変形を防ぐので、ばねとして機能する。この時、ばね部材２４のばね特性は図６（ｂ）に示すようになり、荷重が小さい時はシール層２４ｄの表面のゴムのみが変形するため、変位が大きいが、荷重が大きくなると金属の変形と密閉された内部のゴム２４ｄ´の抵抗による反力で、変位が抑制される。このような構成によっても、必要なばね特性を得るとともにシール性を確保することができる。
【００３０】さらに、筒状ばねの表面をシール層で被覆する構成の他、図６（ｃ）のように、ばね部材２４を、リング状の弾性材料のみで構成することもできる。この時、ばね部材２４を構成する弾性材料は、ばね定数が金属程高くなく、数十ｋｇのセット荷重において弾性変形する材料であればよい。より具体的には、ばね定数が、セット時のたわみおよびピエゾスタック２１の変位によって塑性変形しない程度に大きく、ピエゾスタック２１のばね定数より小さいことが必要であり、ばね定数が小さすぎると、たわみ量（＝セット荷重／ばね定数）が大きくなって塑性変形しやすくなり、ばね定数が大きすぎると、ピエゾスタック２１の変位が小さくなってピエゾポンプ室２７の昇圧量が小さくなり、容積縮小による昇圧効果が充分得られない。
【００３１】また、上記各実施の形態では、可動部材としての作動ピストン２５を用いて３方弁５のボール弁５２を駆動する構成としたが、図７のように、ピエゾアクチュエータ２に作動ピストン２５を設けず、また、３方弁５を省略して、ピエゾポンプ室２７の圧力変化を直接制御室４に伝達して、ノズルニードル３を駆動する構成とすることもできる。また、ピエゾポンプ室２７の圧力を下降させてノズルニードル３を開弁する方式の他、ピエゾポンプ室２７の圧力を上昇させてノズルニードル３を開弁する方式の燃料噴射装置に本発明を適用することももちろんでいる。さらに、駆動部材は、ピエゾスタック２１に限らず、通電により伸縮してピエゾピストン２２を移動できればよく、例えば、電歪材料等を用いて構成することも可能である。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４２６０
【氏名又は名称】株式会社デンソー
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| 【出願日】 |
平成１３年１月１８日（２００１．１．１８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６７５９６
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 求馬
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２７１７２４（Ｐ２００１−２７１７２４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１０月５日（２００１．１０．５） |
| 【出願番号】 |
特願２００１−１０３８８（Ｐ２００１−１０３８８） |
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