JP3852146B2 - Fuel injection valve - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を有する電歪式アクチュエータにより燃料噴射の制御を行う内燃機関の燃料噴射弁に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の内燃機関では、レスポンスや燃費、出力を向上させるといったニーズが高まっており、このようなニーズに対応することに燃料噴射弁は重要な役割をもっている。
【0003】
燃料噴射弁は、開閉に要する時間が短い程、すなわち開閉の応答が良いほど制御性がよく、また内燃機関の性能も向上する。この開閉を短時間で行うことができるアクチュエータとして電歪のものが知られているが、この電歪式アクチュエータにより直接弁を開閉しようとするとリフトを大きくとることができないという問題があるため、電歪式アクチュエータは弁の開閉のためのトリガとして用い、実際の弁の開閉およびその開閉状態の維持は油圧によって行う燃料噴射弁が提案されている。
【0004】
例えば、電歪として高速応答性に優れた圧電素子を用いることによって、噴射弁のレスポンスの向上や、低燃費化された場合の少量の燃料噴射量の安定供給、あるいは高出力化に対応するため噴射可能範囲(ダイナミックレンジ)を拡大するといった技術は、特許第2,522,417号公報などで提案されており、圧電素子とニードル弁との間に燃料等の作動油を介在させて、圧電素子の変位をニードル弁に伝達することが開示されている。
【0005】
特許第2,522,417号公報に開示された燃料噴射弁は、図3に示されるように、ノズル1内に、可動部材としての金属製ニードル弁2が同軸的に介挿され、このニードル弁2と、圧電素子6に接合されたピストン7との間には、圧力室13が形成されている。そして、圧電素子6のmsecオーダの瞬間的な伸縮にともない、燃料供給室31内の圧力に対し、圧力室13内の圧力が過渡的に変化(収縮時は低く、伸長時は高くなる。)するので、圧力室13と燃料供給室31との圧力バランスが崩れ、これによりニードル弁2が開閉する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の燃料噴射弁において、圧電素子6の変位量をY、ニードル弁2の基端部2dとピストン7の頭部断面積をそれぞれA1,A2とすると、ニードル弁2のリフト量は、E0×Y×A2/A1で表される。ここで、E0は変位拡大効率であり、0≦E0≦1である。
【0007】
すなわち、ニードル弁2のリフト量は、圧電素子6の変位量Y、ピストン7とニードル弁2の基端部2dとの断面積比(A2/A1)および変位拡大効率E0に比例するため、ニードル弁2を必要なだけリフトさせるためには、圧電素子6の変位量Yを大きくするか、断面積比A2/A1を大きくするか、あるいは変位拡大効率E0を大きくする必要がある。ただし、圧電素子6の変位量Yを大きくするために当該圧電素子6を大型化すると、コストアップおよび燃料噴射弁自体の大型化につながり好ましくない。また、ピストン7とニードル弁2の基端部2dとの断面積比A2/A1は、燃料噴射弁の寸法によってある程度決まってしまうので、大きく変動させることはできない。したがって、変位拡大効率E0を極力1に近づけることが有効である。
【0008】
しかしながら、従来の燃料噴射弁にあっては、圧力室13と圧電素子6とのシールは、Oリング8で行われていたため、本来的には圧電素子6が変位して圧力室内の容積がV=Y×A2だけ変化するはずのものが、ピストン7に組み込まれたOリング8の弾性変形によって、実際の圧力室内の容積変化は、V−ΔVとなる。
【0009】
すなわち、図4に示すように、圧電素子6が収縮(図中右方向に変位)する場合には、圧力室13の圧力が減少するので、Oリング8は圧力室13側に引っ張られて膨張する。一方、図5に示すように、圧電素子6が伸長(図中左方向に変位)する場合には、圧力室13の圧力が増加するので、Oリング8は圧電素子6側に押し付けられて収縮する。このようなOリングの弾性変形が、上述した変位拡大効率E0を小さくする原因となって、ニードル弁2のレスポンスが低下するという問題があった。
【0010】
本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、Oリングの弾性変形を防止して、圧電素子の変位により発生した圧力の応答性を向上させた燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料噴射弁は、弁本体内にニードル弁と圧電素子とを設け、前記弁本体内であって前記ニードル弁と前記圧電素子との間に圧力室を形成し、前記圧電素子の伸縮により前記圧力室内の作動油の圧力を変化させ、前記ニードル弁を開閉動作させる燃料噴射弁において、前記圧力室と前記圧電素子との間に、前記圧電素子の伸縮方向に移動可能なピストンを設けるとともに、前記ピストンの外周に前記圧力室を密封するシール部材を設け、さらに前記シール部材と前記圧力室との間にラビリンス構造部を設け、外部からの燃料が供給される燃料供給室を前記ニードル弁の周囲に形成し、当該燃料供給室と前記圧力室との間に第1のオリフィス部を形成するとともに、前記圧力室と前記ラビリンス構造部との間に、前記第1のオリフィス部よりもオリフィス断面積の小さい第2のオリフィス部を形成したことを特徴とする。
【0012】
本発明の燃料噴射弁では、シール部材と圧力室との間に、ラビリンス構造部が設けられているため、圧電素子が収縮して圧力室が減圧しても、瞬間的には、ラビリンス構造部の容積は減少して、増圧されるので、シール部材の圧力室側への膨張力が打ち消され、結果的にシール部材の弾性変形量が小さくなる。
【0013】
逆に、圧電素子が伸長して圧力室が増圧しても、瞬間的には、ラビリンス構造部の容積は増加して、減圧されるので、シール部材の反圧力室側への圧縮力が打ち消され、結果的にシール部材の弾性変形量が小さくなる。
【0014】
このようにシール部材の弾性変形量が抑制されると、圧電素子の変位による発生圧力の減衰量が小さくなるので、ニードル弁の応答性が向上する。これに加え、変形拡大効率E0が1に近づくため、同じ変位量の圧電素子を用いてもリフト量を大きくすることができ、逆に同じリフト量に設定すれば、小型の圧電素子で足りるので燃料噴射弁自体を小型化することができる。
【0015】
また、シール部材の弾性変形量が抑制されるので、ピストンからはみ出しにくくなり、ピストンの外周に設けられるバックアップリングを省略することができ、コスト低減を図ることができるとともに、さらに燃料噴射弁の信頼性を高めることができる。
さらに、第1のオリフィス部は燃料のフィード作用を有するが、第2のオリフィス部のオリフィス断面積を第1のオリフィス部のオリフィス断面積よりも小さくすることにより、圧力室とラビリンス構造部との間の作動油の移動量が相対的に小さくなる。したがって、圧電素子の変位にともなうシール部材への応力が減少するので、シール部材の弾性変形量がより小さくなる。
【0016】
本発明の燃料噴射弁において、ラビリンス構造部の具体的構造は特に限定されず、要するに、圧電素子の伸縮によって変動する圧力室の圧力の増減を打ち消す方向に圧力が増減する室であればよい。つまり、圧電素子が収縮して圧力室が減圧する場合には、容積が減少して増圧される室であって、逆に、圧電素子が伸長して圧力室が増圧する場合には、容積が増加して減圧される室である。したがって、ラビリンス(迷路)の名称に拘泥されることなく、上述した相殺機能を有する第2の圧力室であればよい。
【0019】
【発明の効果】
本発明の燃料噴射弁によれば、ラビリンス構造部を設けてシール部材の弾性変形量を抑制しているので、応答時間を短縮することができるとともに、変形拡大効率を1に近づけることができ、その結果、圧電素子の変位量やピストンとニードル弁の圧力作用部の面積比を必要以上に大きくしなくても、ニードル弁のリフト量を大きくすることができる。
【0020】
また、シール部材のはみ出し等の不具合の発生率が低下するため、バックアップリングを省略することができ、さらに信頼性を向上させることができる。
【0021】
本発明の燃料噴射弁において、燃料供給室と圧力室との間に形成された第1のオリフィス部よりも、圧力室とラビリンス構造部との間に形成された第2のオリフィス部のオリフィス断面積を小さくすれば、圧力室とラビリンス構造部との間の作動油の移動量が相対的に小さくなるので、シール部材に作用する応力が減少し、シール部材の弾性変形量がより小さくなる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の燃料噴射弁の実施形態を示す断面図である。
【0023】
本実施形態の燃料噴射弁では、ノズル1とニードルホルダ3と円筒状のケーシング5とで弁本体が形成されている。ケーシング5内には圧電素子6が内蔵されており、圧電素子6の先端部にはピストン7、基端部には端板6aが取り付けられている。このピストン7及び端板6aは、ケーシング5内を移動できる寸法に形成されており、端板6bはケーシング5の最奥部に溶接等で接合されている。
【0024】
なお、符号5aは圧電素子6のリード線取出し用孔、符号17は圧電素子6のリード線取出し孔用ブッシュであり、リード線取出し部分の簡単なシールとして設定されている。また、圧電素子リード線16は、ケーシング5のリード線取出し孔5aを貫通し、ブッシュ17を貫通して外部へ取り出され、このリード線16を介して500V程度の高電圧が圧電素子6に印加される。
【0025】
ケーシング5の一端には、ニードルホルダ3が溶接等によって接合されており、この接合面にシム14が挟持されている。ケーシング5とニードルホルダ3との接合部18は、同軸度を確保するために、はめあい構造が採用されている。
【0026】
符号4は、ピストン7を図中右方向に付勢する皿バネであり、そのセット長はシム14によって調整される。本実施形態では、ピストン7の組付けを容易にするために、ケーシング5は長手方向に二分割とされており、ケーシング5の端部には設定位置が調節できるケーシングエンド(蓋)が設けられていない。従って、皿バネ4のセット長の調節は、ケーシングエンドによって行うことはできず、シム14によって行うこととしたものである。
【0027】
ニードルホルダ3には、ノズル1が溶接等で油密に接合されており、ノックピン15によって位置決めされている。ノズル1の一端は、ノズルシート部1aと、ニードルシート部2cとでポペット弁を形成している。そして、燃料噴射のための噴口1bから、ニードル弁2の開閉に応じて燃料を噴射又は非噴射状態とする。
【0028】
ノズル1内に収容されたニードル弁2は、環状の凸部2a,2bを有し、ノズル1の内周面1c及びニードルホルダ3の内周面3aと摺動可能に保持されている。ニードル弁2の凸部2bとニードルホルダ3の内周面3aとは、ニードル弁2の姿勢保持機能と燃料のオリフィス機能とを発揮する第1のオリフィス部20を形成する。この第1のオリフィス部20は、燃料通路10からの燃料を圧力室13まで導き、かつ圧力室13の圧力が瞬時に増減する際には、ごく少量の燃料しか流れない程度の若干のクリアランスを保つように形成されている。本実施形態では、このクリアランスは6μmに設定している。
【0029】
ニードル弁2の凸部2aは、当該ニードル弁2の倒れや座屈等を防止する作用を有する。ニードル弁2の凸部2aとノズル1の内周面1cとの間のクリアランスは、ニードル弁2の姿勢を保持するとともに、一定量の燃料を通過させることができる程度であればよく、本実施形態では30μmと比較的大きく設定している。
【0030】
ニードル弁2の基端部2dは、ニードル弁2が図中右方向へ移動した際、ストッパ部材11と当接することで、当該ニードル弁2のストローク量が規定される。符号32,33および上述した13は、ニードル弁2を駆動するための差圧を発生させる第1の圧力室であり、燃料供給室31とは、第1のオリフィス部20を介して連通している。
【0031】
ニードル弁2とニードルホルダ3との間には、当該ニードル弁2を図中左方向へ付勢するコイルバネ12が設けられている。なお、ノズル1及びニードルホルダ3には、燃料通路10が設けられており、燃料供給室31と連通している。
【0032】
ここで、図1におけるAの部分を拡大した断面図を図2に示す。
ピストン7の外周にはOリング8が組み込まれており、Oリング8の圧電素子6側には、当該Oリング8のはみ出し防止のためにバックアップリング9が設けられている。
【0033】
ピストン7の頭部は拡径されて形成されており、その最外に位置するフランジ部7aは、ケーシング5の内周面5bとで第2のオリフィス部71を形成する。第2のオリフィス部71は、燃料をラビリンス構造部の圧力室72へ導入するオリフィス機能を発揮する。
【0034】
本実施形態では、ピストン7のフランジ部7aは、圧電素子6側に向かって凸状になっており、それに対応してケーシング5には凹部5cが設けられている。当該凹部5cの内周側にはさらに凸部5dが形成されており、それに対応してピストン7に凹部7bが設けられている。ピストン7は、圧電素子6の伸縮動作に応じてケーシング5内を移動するが、フランジ部7a及び凸部5dは、圧電素子6が最も収縮した場合であっても、それぞれ凹部5c及び凹部7bと当接しない程度に形成されている。
【0035】
これらフランジ部7a、凹部5c、凸部5d、凹部7b及びOリング8の間の空間が、ラビリンス構造部の圧力室72を形成する。ラビリンス構造部の圧力室72は、圧電素子6が伸縮した場合にOリング8の弾性変形を小さくする機能を有するものであり、この圧力室72をラビリンス構造にすることにより、Oリング8の弾性変形をほとんどなくすことができる。
【0036】
第2のオリフィス部71は、圧力室13からの燃料をラビリンス構造部の圧力室72まで導き、かつ圧力室13,72の圧力が瞬時に増減する際には、ごく少量の燃料しか流れない程度の若干のクリアランスを保つように形成されており、好ましくは第1のオリフィス部20よりもオリフィス断面積を小さく形成する。第2のオリフィス部のオリフィス面積を第1のオリフィス部のオリフィス面積よりも小さくすることにより、圧電素子6の変位に伴いOリング8に作用する応力を減少させ、Oリング8の弾性変形をより小さくすることができる。
【0037】
次に動作を説明する。
内燃機関が停止しているときは、コイルバネ12の付勢力によって、ニードル弁2の先端部2cはノズルシート部1aに押圧され、これにより燃料がシールされるので燃料の停止状態が保たれる。
【0038】
内燃機関の運転が開始される前においては、図示しない電動高圧燃料ポンプで高圧に圧送され、同じく図示しない圧力調整器で約5MPa一定に保たれた燃料が、燃料通路10を経て、燃料供給室31に導かれる。このとき、燃料供給室31内に導かれた燃料は、第1のオリフィス部20を通過し、圧力室32,33および13まで導かれ、さらに第2のオリフィス部71を通過し、ラビリンス構造部の圧力室72まで導かれる。
【0039】
この状態では、各圧力室内の燃料圧力は供給圧力に全て等しいので、ニードル弁2は、コイルバネ12からの付勢力と燃料供給圧(噴口1bの直径×燃料供給圧)との合力によって閉弁状態を保ち、燃料は噴射されない。
【0040】
このような状態で、例えばピエゾ素子などからなる圧電素子6に、図外の制御駆動回路から約500Vの電圧を印加すると、圧電素子6は、圧電素子自体の軸方向の長さについて瞬時にZ(長さの約0.1%、例えば約50μm)だけ伸長する。
【0041】
端板6aの断面積をA3とすると、このとき、Z×A3の容積だけ第1の圧力室13,33,32の容積が減少するが、圧力室13,33,32内の燃料は第1のオリフィス部20の作用により燃料供給室31へ即座には流入しないので、第1の圧力室13,33,32内の燃料は圧縮され、当該圧力室内の圧力が燃料供給室31の圧力より上昇する。なお、このとき、第2のオリフィス部71の作用により、圧力室13,33,32内の燃料はラビリンス構造部の圧力室72へも即座には流入しない。この燃料の上昇圧と、コイルバネ12の付勢力とによって、ニードル弁2は閉弁方向に押し付けられ、依然としてニードル弁2の先端部2cはノズルシート部1aに押圧されるので、燃料のシール状態が維持される。この噴射の準備が完了した状態が初期状態である。
【0042】
この初期状態から、スタータにより内燃機関が始動すると同時に、それまで圧電素子6に印加されていた500Vの電圧を0Vとして圧電素子6に貯まった電荷を取り除く。これにより、当該圧電素子6は、自己収縮機能と皿バネ4の付勢力とによって瞬時に図中右方向へ収縮し、圧力室13,33,32の容積がZ×A3だけ増加する。
【0043】
この圧力室13,33,32の圧力は、圧電素子6の駆動前においては、燃料のフィード圧に保たれており、しかも第1のオリフィス部20の存在により燃料供給室31の燃料は瞬時に圧力室13,33,32に移動しないので、この圧電素子6の収縮によって、圧力室13,33,32の圧力は燃料供給室31の圧力より下降する。これにより、ニードル弁2の燃料供給室側と圧力室側のバランスが崩れ、ニードル弁2には開弁方向の力が作用し、この力がコイルバネ12の付勢力を越えたときに、当該ニードル弁2が開弁し燃料供給室31の燃料が噴口1bから噴射される。
【0044】
このとき、ピストン7の駆動によりラビリンス構造部の圧力室72の容積は減少するが、第2のオリフィス部71の存在、さらにはこのラビリンス構造により流路抵抗が生じ、圧力室72内の燃料は瞬時に圧力室31に移動しないため、圧力室72内の圧力が増加する。この圧力の瞬間的な増加により、Oリング8は従来のように圧力室13側に引っ張られて膨張することはほとんどなく、弾性変形が防止される。従って、圧力室13,33,32の容積変化は、ほぼZ×A3となり、変位拡大効率E0を0に近づけることができる。これにより、ニードル弁2のリフト特性が安定することとなる。
【0045】
またこれに加え、第2のオリフィス部71のオリフィス断面積が第1のオリフィス部20のオリフィス断面積よりも小さいことにより、燃料供給室31から圧力室13,33,32にわずかに移動する燃料量よりも、ラビリンス構造部の圧力室72から圧力室13,33,32にわずかに移動する燃料量が小さくなるため、Oリング8に作用する正の圧力を大きくすることができ、Oリング8の弾性変形量をさらに少なくすることができる。
【0046】
一方、閉弁時は、圧電素子6に500Vの電圧を印加して約50μm伸長させる。このとき、圧力室13,33,32には、上述したニードル弁2の開弁時間中に燃料が流入しているので、開弁初期に比べて燃料量が増加している。この状態で、圧力室13,33,32の容積がZ×A3だけ減少し、しかもオリフィス20の作用によって燃料供給室3a内の燃料は瞬時には圧力室13,33,32に流入しないので、当該圧力室13,33,32の圧力は、元の燃料フィード圧力に加えて、開弁時に圧力室13,33,32へ流入した燃料分だけ上乗せした圧力まで上昇する。この上昇圧力とコイルバネ12の付勢力とによって、ニードル弁2が閉弁状態となる。
【0047】
この場合も、開弁時と同様、ピストン7の駆動により、ラビリンス構造部の圧力室72の容積は増加するが、第2のオリフィス部71の存在、さらにはこのラビリンス構造により流路抵抗が生じ、圧力室31内の燃料は瞬時に圧力室72に移動しないため、圧力室72の圧力が減少する。この圧力の瞬間的な減少により、Oリング8は従来のように圧電素子6側に押し付けられて収縮することはほとんどなく、弾性変形が防止される。従って、圧力室13,33,32の容積変化は、ほぼZ×A3となり、変位拡大効率E0を0に近づけることができる。これにより、ニードル弁2のリフト特性が安定することとなる。
【0048】
またこれに加え、第2のオリフィス部71のオリフィス面積が第1のオリフィス部20のオリフィス面積よりも小さいことにより、圧力室13,33,32から燃料供給室31にわずかに移動する燃料量よりも、圧力室13,33,32から圧力室72にわずかに移動する燃料量が小さくなるため、Oリング8に作用する負の圧力を大きくすることができ、Oリング8の弾性変形量をさらに少なくすることができる。
【0049】
ここで、圧電素子の変位と、その変位によって発生する圧力との関係を図6のグラフに示す。同図に示すように、従来の燃料噴射弁では、Oリングの弾性変形により圧電素子の変位に対する応答時間は長く、発生圧力の減衰量も大きかったが、本発明の燃料噴射弁ではOリングの弾性変形を小さくしたため、圧電素子の変位に対する応答時間は短く、発生圧力の減衰量も小さい。
【0050】
すなわち、本発明によれば、発生圧力の応答性を向上させることができるとともに、圧電素子の変位量やピストンとニードル弁の圧力作用部の面積比を必要以上に大きくしなくても、ニードル弁のリフト量を大きくすることができる。この結果、圧電素子の小型化を図ることができ、エンジンレイアウトの自由度が高まり、圧電素子自体のコスト低減を図ることができる。
【0051】
本発明の燃料噴射弁は上述した実施形態にのみ限定されることなく種々に改変することができる。例えば、ラビリンス構造部の圧力室72の形状は上記実施形態のものに限定されることはなく、また、この圧力室の構造によっては、第2のオリフィス部はオリフィス機能を有さない通常の流路であってもよい。
【0052】
さらに、上記実施形態では、ピストン7の外周にはOリングのはみ出し防止のためにバックアップリング9が設けられているが、本発明によれば、Oリングの弾性変形が小さくなり、Oリングがピストンからはみ出す率が極めて小さくなるため、当該バックアップリング9を省略することができる。バックアップリングは径方向の公差が小さいものであるため、これを省略することによりコストの低減を図ることができるとともに、燃料噴射弁自体の信頼性を向上させることができる。
【0053】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の燃料噴射弁の実施形態を示す全体断面図である。
【図2】 本発明の燃料噴射弁の実施形態を示す要部断面図である。
【図3】 従来の燃料噴射弁を示す断面図である。
【図4】 従来の燃料噴射弁を示す要部断面図(圧力減少時)である。
【図5】 従来の燃料噴射弁を示す要部断面図(圧力上昇時)である。
【図6】 圧電素子の変位と、それによって発生する圧力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1…ノズル
1a…ノズルシート部
1b…噴口
1c…内周面
2…ニードル弁
2a,2b…凸部
2c…先端部
2d…基端部
20…第1のオリフィス部
3…ニードルホルダ
3a…内周面
31…燃料供給室
32,33…圧力室
4…皿バネ
5…ケーシング
5a…リード線取出し用孔
5b…内周面
5c…凹部
5d…凸部
6…圧電素子
6a…端板
7…ピストン
7a…フランジ部
7b…凹部
71…第2のオリフィス部
72…ラビリンス構造部の圧力室
8…Oリング(シール部材)
9…バックアップリング
10…燃料通路
11…ストッパ部材
12…コイルバネ
13…圧力室
14…シム
15…ノックピン
16…リード線
17…ブッシュ
18…接合部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel injection valve for an internal combustion engine that controls fuel injection by an electrostrictive actuator having a piezoelectric element.
[0002]
[Prior art]
In recent internal combustion engines, there are increasing needs for improving response, fuel consumption, and output, and the fuel injection valve plays an important role in meeting such needs.
[0003]
The shorter the time required for opening and closing the fuel injection valve, that is, the better the response of opening and closing, the better the controllability and the performance of the internal combustion engine. An electrostrictive actuator is known as an actuator that can be opened and closed in a short time. However, there is a problem that if the electrostrictive actuator is used to directly open and close the valve, the lift cannot be increased. There has been proposed a fuel injection valve in which a strain type actuator is used as a trigger for opening and closing a valve, and the actual opening and closing of the valve and the maintenance of the opened and closed state are performed by hydraulic pressure.
[0004]
For example, by using a piezoelectric element with excellent high-speed response as electrostriction, to improve the response of the injection valve, to stably supply a small amount of fuel injection when fuel consumption is reduced, or to increase output A technique for expanding the injectable range (dynamic range) has been proposed in Japanese Patent No. 2,522,417, etc., and a hydraulic oil such as fuel is interposed between the piezoelectric element and the needle valve so as to reduce the piezoelectricity. It is disclosed to transmit the displacement of the element to the needle valve.
[0005]
In the fuel injection valve disclosed in Japanese Patent No. 2,522,417, as shown in FIG. 3, a
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in this type of fuel injection valve, if the displacement amount of the
[0007]
That is, the lift amount of the
[0008]
However, in the conventional fuel injection valve, since the seal between the
[0009]
That is, as shown in FIG. 4, when the
[0010]
The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and is a fuel injection valve that prevents the elastic deformation of an O-ring and improves the response of pressure generated by displacement of a piezoelectric element. The purpose is to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a fuel injection valve according to the present invention is provided with a needle valve and a piezoelectric element in a valve body, and a pressure chamber is provided in the valve body between the needle valve and the piezoelectric element. In the fuel injection valve that is formed and changes the pressure of the hydraulic oil in the pressure chamber by the expansion and contraction of the piezoelectric element, and opens and closes the needle valve, the expansion and contraction of the piezoelectric element is between the pressure chamber and the piezoelectric element. A piston that can move in the direction is provided, a seal member that seals the pressure chamber is provided on the outer periphery of the piston, and a labyrinth structure is provided between the seal member and the pressure chamber to supply fuel from the outside. A fuel supply chamber to be formed around the needle valve, a first orifice portion is formed between the fuel supply chamber and the pressure chamber, and between the pressure chamber and the labyrinth structure portion. , Characterized in that the formation of the second orifice section smaller orifice cross-sectional area than the first orifice portion.
[0012]
In the fuel injection valve of the present invention, since the labyrinth structure is provided between the seal member and the pressure chamber, even if the piezoelectric element contracts and the pressure chamber is depressurized, the labyrinth structure is instantaneous. Therefore, the expansion force to the pressure chamber side of the seal member is canceled out, and as a result, the elastic deformation amount of the seal member is reduced.
[0013]
Conversely, even if the piezoelectric element expands and the pressure chamber increases, the volume of the labyrinth structure increases instantaneously and the pressure is reduced, so the compressive force of the seal member toward the counter pressure chamber is canceled out. As a result, the elastic deformation amount of the seal member is reduced.
[0014]
When the elastic deformation amount of the seal member is suppressed in this way, the attenuation amount of the generated pressure due to the displacement of the piezoelectric element is reduced, so that the responsiveness of the needle valve is improved. In addition, since the deformation expansion efficiency E0 approaches 1, the lift amount can be increased even if the piezoelectric elements having the same displacement amount are used. Conversely, if the same lift amount is set, a small piezoelectric element is sufficient. The fuel injection valve itself can be reduced in size.
[0015]
Further, since the elastic deformation amount of the seal member is suppressed, it is difficult to protrude from the piston, the backup ring provided on the outer periphery of the piston can be omitted, the cost can be reduced, and the reliability of the fuel injection valve can be further reduced. Can increase the sex.
Further, the first orifice portion has a fuel feeding action. By making the orifice sectional area of the second orifice portion smaller than the orifice sectional area of the first orifice portion, the pressure chamber and the labyrinth structure portion are separated. The amount of movement of hydraulic oil between them becomes relatively small. Therefore, since the stress on the seal member due to the displacement of the piezoelectric element is reduced, the elastic deformation amount of the seal member is further reduced.
[0016]
In the fuel injection valve of the present invention, the specific structure of the labyrinth structure portion is not particularly limited, and may be any chamber in which the pressure increases or decreases in a direction that cancels the increase or decrease in the pressure of the pressure chamber that varies due to expansion and contraction of the piezoelectric element. That is, when the piezoelectric element contracts and the pressure chamber is depressurized, the volume is reduced and the pressure is increased. Conversely, when the piezoelectric element is expanded and the pressure chamber is increased, the volume is increased. Is a chamber in which the pressure is reduced by increasing. Therefore, what is necessary is just the 2nd pressure chamber which has the cancellation function mentioned above, without being bound by the name of a labyrinth (maze).
[0019]
【The invention's effect】
According to the fuel injection valve of the present invention, since the amount of elastic deformation of the seal member is suppressed by providing the labyrinth structure portion, the response time can be shortened, and the deformation expansion efficiency can be brought close to 1. As a result, the lift amount of the needle valve can be increased without increasing the displacement amount of the piezoelectric element and the area ratio of the pressure acting portion of the piston and the needle valve more than necessary.
[0020]
Further, since the occurrence rate of problems such as protrusion of the seal member is reduced, the backup ring can be omitted, and the reliability can be further improved.
[0021]
In the fuel injection valve of the present invention, the orifice disconnection of the second orifice portion formed between the pressure chamber and the labyrinth structure portion is higher than that of the first orifice portion formed between the fuel supply chamber and the pressure chamber. If the area is reduced, the movement amount of the hydraulic oil between the pressure chamber and the labyrinth structure portion is relatively small, so that the stress acting on the seal member is reduced, and the elastic deformation amount of the seal member is further reduced.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a fuel injection valve of the present invention.
[0023]
In the fuel injection valve of the present embodiment, the valve body is formed by the nozzle 1, the
[0024]
[0025]
The
[0026]
[0027]
The nozzle 1 is joined to the
[0028]
The
[0029]
The
[0030]
When the
[0031]
A
[0032]
Here, FIG. 2 shows an enlarged cross-sectional view of a portion A in FIG.
An O-
[0033]
The head portion of the piston 7 is formed with an enlarged diameter, and the
[0034]
In the present embodiment, the
[0035]
A space between the
[0036]
The
[0037]
Next, the operation will be described.
When the internal combustion engine is stopped, the tip portion 2c of the
[0038]
Before the operation of the internal combustion engine is started, the fuel that is pumped to a high pressure by an electric high-pressure fuel pump (not shown) and kept constant at about 5 MPa by a pressure regulator (not shown) passes through the
[0039]
In this state, since the fuel pressure in each pressure chamber is all equal to the supply pressure, the
[0040]
In this state, when a voltage of about 500 V is applied from a control drive circuit (not shown) to the
[0041]
Assuming that the cross-sectional area of the
[0042]
From this initial state, the internal combustion engine is started by the starter, and at the same time, the voltage of 500 V that has been applied to the
[0043]
The pressure in the
[0044]
At this time, the volume of the
[0045]
In addition to this, since the orifice sectional area of the
[0046]
On the other hand, when the valve is closed, a voltage of 500 V is applied to the
[0047]
In this case as well, when the valve 7 is opened, the volume of the
[0048]
In addition, since the orifice area of the
[0049]
Here, the relationship between the displacement of the piezoelectric element and the pressure generated by the displacement is shown in the graph of FIG. As shown in the figure, in the conventional fuel injection valve, the response time to the displacement of the piezoelectric element is long due to the elastic deformation of the O-ring, and the attenuation amount of the generated pressure is large. Since the elastic deformation is reduced, the response time to the displacement of the piezoelectric element is short, and the amount of attenuation of the generated pressure is also small.
[0050]
That is, according to the present invention, the responsiveness of the generated pressure can be improved and the needle valve can be obtained without increasing the displacement amount of the piezoelectric element and the area ratio of the pressure acting portion of the piston and the needle valve more than necessary. The lift amount can be increased. As a result, it is possible to reduce the size of the piezoelectric element, increase the degree of freedom in engine layout, and reduce the cost of the piezoelectric element itself.
[0051]
The fuel injection valve of the present invention is not limited to the above-described embodiment and can be variously modified. For example, the shape of the
[0052]
Furthermore, in the above embodiment, the
[0053]
The embodiment described above is described for facilitating understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall cross-sectional view showing an embodiment of a fuel injection valve of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part showing an embodiment of a fuel injection valve of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a conventional fuel injection valve.
FIG. 4 is a cross-sectional view of an essential part showing a conventional fuel injection valve (when pressure is reduced).
FIG. 5 is a cross-sectional view of an essential part showing a conventional fuel injection valve (when pressure rises).
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the displacement of a piezoelectric element and the pressure generated thereby.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記圧力室と前記圧電素子との間に、前記圧電素子の伸縮方向に移動可能なピストンを設けるとともに、前記ピストンの外周に前記圧力室を密封するシール部材を設け、さらに前記シール部材と前記圧力室との間にラビリンス構造部を設け、
外部からの燃料が供給される燃料供給室を前記ニードル弁の周囲に形成し、当該燃料供給室と前記圧力室との間に第1のオリフィス部を形成するとともに、前記圧力室と前記ラビリンス構造部との間に、前記第1のオリフィス部よりもオリフィス断面積の小さい第2のオリフィス部を形成したことを特徴とする燃料噴射弁。A needle valve and a piezoelectric element are provided in the valve body, a pressure chamber is formed in the valve body between the needle valve and the piezoelectric element, and hydraulic oil in the pressure chamber is expanded and contracted by the piezoelectric element. In the fuel injection valve for changing the pressure and opening and closing the needle valve,
A piston is provided between the pressure chamber and the piezoelectric element, the piston being movable in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element, a seal member for sealing the pressure chamber is provided on the outer periphery of the piston, and the seal member and the pressure are further provided. A labyrinth structure between the room and
A fuel supply chamber to which fuel from the outside is supplied is formed around the needle valve, a first orifice portion is formed between the fuel supply chamber and the pressure chamber, and the pressure chamber and the labyrinth structure A fuel injection valve characterized in that a second orifice portion having a smaller sectional area than the first orifice portion is formed between the first orifice portion and the first orifice portion.
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