JP2000161175A - インジェクタおよび燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】圧電素子の有する高速応答性を発揮でき、かつ
スペース的にも有利なインジェクタを提供すること。 【解決手段】燃料通路の開閉を行うプランジャ、プラン
ジャを駆動する圧電素子，プランジャを駆動するバネ、
これらを固定する治具およびハウジング（インジェクタ
の最も外側の構造部材）等から構成されたインジェクタ
において、圧電素子および圧電素子を支持する部材の周
囲に、これらを燃料から隔離する構造物（隔壁）を設
け、燃料をハウジングと隔壁との間を通過させてインジ
ェクタ先端に供給するとともに、燃料供給ラインとイン
ジェクタとの接合部（燃料導入部）を、プランジャから
見て、圧電素子よりも後方に配置したインジェクタ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はインジェクタおよび
燃料噴射システムに関し、特に圧電素子を用いたものに
関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子を用いたインジェクタとして
は、例えば、特開平7−189853 号公報（以下従来例１と
いう。）には、圧電素子とプランジャとの間に流体を介
在させ、圧電素子の力を間接的にプランジャに与えて弁
開閉を行うパイロット式のインジェクタが記載されてい
る。また、例えば、特開昭62−191662号公報（以下従来
例２という。）には、円筒状の圧電素子（中空圧電素
子）を用いたインジェクタが記載されている。また、例
えば、特開昭62−199963号公報（以下従来例３とい
う。）、特開平8−97980号公報（以下従来例４とい
う。）には、圧電素子によって直接プランジャを駆動す
るインジェクタが記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】自動車エンジンの燃費
向上あるいは排気ガスの清浄化が強く求められており、
高速応答性を有するインジェクタの開発が急務の課題と
なっている。従来の電磁式インジェクタの応答性はほぼ
限界に達していることから、高速動作が可能な圧電素子
を用いたインジェクタに期待が寄せられている。

【０００４】圧電式インジェクタは、流体を介在物とし
て間接的にプランジャを駆動するパイロット式と圧電素
子によって直接プランジャを駆動する直動式に大別でき
る。前者は流体の流路を工夫すれば、圧電素子のストロ
ーク以上にプランジャのストロークを大きくできる利点
があるものの、ピストンとシリンダ間の摺動抵抗あるい
は流体の弾性的特性の影響を受けることから、応答性の
面では直動式インジェクタの方が有利と考えられる。

【０００５】直動式インジェクタとしては、中空の圧電
素子（円筒状の圧電素子）を用いたインジェクタも検討
されているが、インジェクタ全体が太くなること、プラ
ンジャが長くなり、重量が増加するため、応答性が悪く
なること、さらには、円筒素子の製造の歩留りが悪い、
あるいは素子断面積が大きくなることから、素子がコス
ト高になるなどの問題を有する。

【０００６】また、圧電式インジェクタを考える上で、
インジェクタの寸法の問題を避けて通ることはできな
い。特に直噴方式のエンジンでは、インジェクタの先端
から中央部にかけては外形が細く、部材がはみ出ていな
いことが強く求められている。例えば、従来例４の場合
は、インジェクタ先端のサイドから燃料を導入する形
（サイドフィード型）になっており、スペース的な問題
を抱えている。

【０００７】また、インジェクタの使用温度は−４０℃
〜１５０℃と広い。圧電素子は通常インジェクタを構成
する材料と熱膨張係数がかなり異なることから、直動式
インジェクタを構成した場合、熱膨張差によって弁が開
く、あるいは逆に圧電素子に過大な圧縮応力が加わり、
素子破損につながる可能性がある。

【０００８】また、排気ガスの清浄化に対して、具体的
な解決方法の開発が急務の課題であるが、従来例はこの
点についても触れていない。

【０００９】本発明の目的は、内燃機関に好適な燃料供
給用のインジェクタを提供することである。

【００１０】本発明の他の目的は、排気ガス中のＮＯｘ
を低減できる燃料噴射システムを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、圧電式
インジェクタにおいて、中空ではない（中実の）圧電素
子による直動式を用いたことである。なぜなら、圧電式
インジェクタに求められている機能は、第１に高速応答
性であるからである。

【００１２】また、本発明の他の特徴は、燃料通路の開
閉を行うプランジャと、プランジャを駆動する中実構造
の圧電素子と、圧電素子を燃料から隔離する隔壁と、こ
れらを保持するハウジングとを有するインジェクタであ
って、燃料をハウジングと隔壁との間を通過させてイン
ジェクタ先端に供給するとともに、インジェクタへの燃
料導入部を、プランジャから見て、圧電素子より後方に
配置したことである。また、本発明の他の特徴は、更
に、圧電素子のリード線を装着する電極を有する部材を
設け、この電極から離れた位置に、燃料が通過する流路
を設けたことである。

【００１３】また、本発明の他の特徴は、燃料通路の開
閉を行うプランジャと、プランジャを固体または弾性体
を介して駆動する中実構造の圧電素子と、これらを保持
するハウジングとを有するインジェクタであって、燃料
を、ハウジングと、燃料から保護する保護膜を有する圧
電素子との間を通過させるか、ハウジングの一部に流路
となる穴を設けて、インジェクタ先端に供給するととも
に、インジェクタへの燃料導入部を、プランジャから見
て、圧電素子の後背部側に有することである。また、本
発明の他の特徴は、インジェクタにおいて、燃料通路の
開閉を行うプランジャ，プランジャを駆動する中実の圧
電素子，圧電素子を支持する可動部材とを有し、可動部
材の移動速度が、インジェクタ動作時に０.１μｍ／s〜
５００μｍ／ｓの範囲内にあることである。

【００１４】また、本発明の他の特徴は、インジェクタ
において、燃料通路の開閉を行うプランジャ，プランジ
ャを駆動する中実の圧電素子，圧電素子を支持する可動
部材とを有し、圧電素子を支持する可動部材が、室温時
の静止点を原点とした時、少なくとも−１５０μｍ〜４
０μｍの移動ができることである。

【００１５】また、本発明の他の特徴は、更に、固定部
材に取り付けたバネと連結した可動部材によって圧電素
子を支持し、可動部材の周囲に流体を充填し、隔壁の一
部に変形可能な部材を設けたことである。

【００１６】また、本発明の他の特徴は、更に、変形可
能な部材の中央部に圧電素子の支持部材を設け、この支
持部材のインジェクタの長手方向の中心軸に垂直な面の
受圧面積を、隔壁で囲まれた領域の断面（インジェクタ
の中心軸に垂直な断面）の面積の１／３以下にしたこと
を特徴とするインジェクタ。

【００１７】また、本発明の他の特徴は、更に、変形可
能な部材が燃料から受ける圧力の内、プランジャの軸方
向の成分を、可動部材に取り付けたバネの力よりも小さ
くしたことである。

【００１８】また、本発明の他の特徴は、更に、流体の
中に可動部材から見て圧電素子とは反対側に変形可能な
部材を設けたことである。

【００１９】また、本発明の他の特徴は、更に、可動部
材の内部に流体の通過可能な流路を形成したことであ
る。

【００２０】また、本発明の他の特徴は、更に、隔壁の
一部、もしくはこれに装着した部材により、圧電素子を
支持する可動部材の可動範囲に制限を加えることであ
る。

【００２１】また、本発明の他の特徴は、更に、圧電素
子の周囲に設けた燃料と素子とを隔離する構造物の内部
に弾性部材を設けたことである。

【００２２】また、本発明の他の特徴は、自動車用の燃
料噴射システムにおいて、上述のインジェクタ有するこ
とである。

【００２３】また、本発明の他の特徴は、さらに、圧電
式インジェクタを用いて、吸気行程と圧縮行程の両方で
燃料を噴射し、圧縮行程の噴射量を吸気行程の噴射量よ
りも小さくしたことである。

【００２４】また、本発明の他の特徴は、吸気行程の噴
射量の割合を０.７〜０.９にしたことである。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るインジェクタ
および燃料噴射システムの実施形態を図１乃至図２５を
参照して説明する。なお、同一の部位，矢印等は同一符
号をもって示し重複した説明を省略する場合もある。

【００２６】図１は、本発明の実施例の圧電式インジェ
クタの断面構造を示す図である。図２は、本発明の実施
例の圧電式インジェクタを用いた燃料噴射システムの構
成概略図である。図１（ａ）では、圧電素子１１として
は５mm×５mm×４０mmの積層型の中実素子を用いた。圧
電素子１１は径φ１０mm×１５mmの可動部材１６により
支持され、圧電素子１１と可動部材１６は、内管１２と
内管３１およびダイヤフラム１５等で囲まれた領域に配
置した。そして、この中に粘度の高いシリコンオイルを
満たした。内管１２および内管３１は、ハウジング（図
中では外管１３および外管３２が相当する。）の内側に
配置し、燃料は燃料導入部３３からハウジングと内管１
２，３１の間を通り、電極取り出し部２０においては燃
料貫通孔１９を経由して、インジェクタ先端に供給でき
る構成にした。なお、ハウジングは電極取り出し部を除
いて外径１９mmとし、内管１２，３１および外管１３，
３２、可動部材１６（ダンパ）およびダイヤフラム１５
はステンレス製とし、パッキン２７は弗素系のゴムを用
いた。バネ２６は１０kgf、バネ２５は６kgfとし、この
構成により圧電素子１１が伸びると、プランジャ１４が
インジェクタ先端に押し付けられて閉弁した。一方、圧
電素子１１が縮むと、可動部材１６がシリコンオイルの
粘性のため急激には動かないことから、バネ２５の力の
みがプランジャ１４に働き、開弁した。開閉弁の応答時
間は１００μｓ程度であり、電磁式インジェクタの約１
／３の時間で弁が動くことがわかった。プランジャ１４
の軸は、部材２８により支持され、圧電素子１１の伸縮
方向に動くように規制される。プランジャ１４は、圧電
素子の歪動作に伴って往復動する弁体として作用する。
圧電素子と弁体との間においては、流体を介在すること
なく、固体部材及びまたは弾性部材を介して、力が伝達
される。

【００２７】図１（ｂ）は、ハウジング６０の一部に燃
料の流路となる燃料貫通孔５９を設け、ハウジング６０
に圧電素子１１と燃料とを分離する役目を担わせたもの
である。ここでは、圧電素子１１から見て燃料導入部３
３側に位置する部材は図１（ａ）と同じで、図１（ａ）
と全く同じ原理で動作する。

【００２８】本発明の実施態様（実施例）のインジェク
タは、燃料導入部３３が、プランジャ１４からみて、圧
電素子の背後または後方に位置している。したがって、
インジェクタの先端から中央に至る部分に、燃料導入部
といった大きなスペースを必要とする部材がなく、口径
も小さい。そのため、本発明の実施態様のインジェクタ
を用いれば、エンジンへの搭載に適した省スペース型の
インジェクタを構成できる。圧電素子１１のリード１１
７は、電極１７を介して、インジェクタの外部（外管１
３，３２より外）へ導かれる。

【００２９】ここで、本発明の実施例のインジェクタと
比較例としての中空の圧電素子を用いたインジェクタの
口径を比較をすると次の様になる。

【００３０】本発明の実施例では、内管１２を外径１
２.５mm（内径８.５mm）とし、圧電素子１１を内部に納
めた。また、外管１３は内径１３mm，外径１９mmとし
た。なお、機械的な力に対しては余裕があることから、
内管１２の外側に浅い溝を掘るなどの工夫をすれば、さ
らに小口径化が可能である。

【００３１】一方、中空の圧電素子（円筒状）の場合、
中空部に燃料管が通り、その中にプランジャを配置する
必要がある。また、中空の圧電素子の場合、径方向の内
から外へ向かう力には弱いことから、ガソリンの燃圧が
中空の圧電素子に加わらないようにする必要がある。こ
れらのことを考慮すると、中空部を通る管，プランジャ
等を配置する空間を確保するためには、圧電素子の内径
は約１１mmは必要となる。また、中空素子（中空の圧電
素子）は偏荷重に弱く、健全性を確保しようとすると、
素子の外径は少なくとも１９mm〜２０mmは必要である。
さらに、圧電素子のリード線を電極取出し部へ配線する
こと、圧電素子をインジェクタ内部に固定すること等を
考慮すると、インジェクタの口径（外径）は２５mm以上
になり、エンジンに搭載する際に制約が生じる。

【００３２】図２は、本発明の実施例の圧電式インジェ
クタを用いた燃料噴射システムの構成概略図である。イ
ンジェクタ部分は、図１と同様の構造である。電極１７
を介して駆動回路２０４から圧電素子１１を駆動する電
気信号２０５が印加される。駆動回路２０４は、制御回
路２０２からの制御信号２０３により制御される。制御
回路２０２は、各種センサ等からの情報２０１に基づき
制御信号２０３を生成する。また、燃料導入部３３へ
は、燃料ポンプ２０７から管２０６を介して燃料が供給
される。燃料ポンプ２０７へは、管２０８を介して燃料
タンク２０９から燃料が供給される。

【００３３】図３は本発明の実施例の電極取り出し部を
詳細に示した図である。また、図４は、電極取り出し部
の断面構造を示す。電極取り出し部２０は内管１２と溶
接するか、一体物から内管１２と一緒に切り出した物を
用いた。電極取り出し部２０には、燃料が通過する燃料
貫通孔１９（流路）を設けた。図４に示す様に、燃料貫
通孔１９（流路）から離れた位置に電極１７と該電極１
７を外部（例えば、電極取り出し部２０）から電気的に
絶縁する電気絶縁部１８とを設けた。また、図３に示す
ように、燃料漏れを防止するため、パッキン２７が、外
管側と内管側のそれぞれに設けられている。この構成に
より、燃料のトップフィード化が可能になった。

【００３４】また、図３の構成は圧電素子１１への電流
のパスが燃料から完全に隔離されるため安全性が高い。
特に、接合不良を起こしやすい圧電素子１１のリード線
（図示せず）と電極１７との接合部が内管１２内に充た
されたシリコンオイル中に浸されることから、スパーク
が起こりにくく、万一起こったとしても燃料に引火する
可能性はほとんどない。

【００３５】さらに、圧電素子１１のリード線と電極１
７との接合部を電気絶縁性の部材で覆っておけば、２重
の引火防止対策となり、安全性は一段と向上する。

【００３６】一般にガソリンには水分，酸が含まれてお
り、この中に圧電素子を浸すと圧電素子の劣化が起こる
ことがある。図１，図３および図４で示した構造のイン
ジェクタの場合、圧電素子１１とガソリンが接していな
いことから、圧電素子に特殊な絶縁体物質によるオーバ
ーコートは不要である。

【００３７】図５は、本発明の変形例の断面構造を示
す。図５に示すインジェクタは内管１２，３１および外
管１３，３２の一部を溶接によって接合したものであ
る。図１に示すようなゴム製のパッキン２７を用いたイ
ンジェクタに比べ、より細型のインジェクタを構成でき
る。溶接以外でも、例えばかしめによる接合箇所を増や
せば、溶接の場合と同様の効果がある。他の構成は、図
１と同様である。

【００３８】図６は、本発明の他の実施例の圧電式イン
ジェクタの断面構造を示す。図６に示したインジェクタ
も基本的には直動式（例えば、圧電素子１１によるプラ
ンジャ１４の駆動に液体を介在させない方式）でトップ
フィード型（例えば、燃料タンクからインジェクタへの
燃料供給が、プランジャ１４からみて圧電素子１１の背
面側（インジェクタの使用態様でみると高い（頭）側）
から行われる方式）のインジェクタである。図１の構成
と同様に、圧電素子１１としては５mm×５mm×４０mmの
積層型素子を用いた。圧電素子１１はベロー２９を介し
てφ１０mm×１５mmの可動部材１６によって支持し、可
動部材１６をシリコンオイルに満たした内管３１の中に
配置した。内管３１は外管３２の内側に配置し、燃料は
燃料導入部３３から外管３２と内管３１の間を通り、イ
ンジェクタ先端に供給する構成にした。インジェクタの
他の構成部材については、図１のインジェクタと同様に
した。図６の構造により、弁の高速開閉が可能で、省ス
ペース型のインジェクタを構成できた。図６の可動部材
１６と圧電素子１１の間のベロー２９（もしくはダイヤ
フラム）は、圧電素子１１とインジェクタ構成部材との
熱膨張差が発生すると駆動力を受けて変形する。それに
対して図１の構成では弁の開閉に伴ってベロー２９ある
いはダイヤフラムが変形する。熱膨張差による変形と弁
開閉に伴う変形とを比べると、圧倒的に前者の方が回数
としては少ない。そのため、図６の構造は図１の構造に
比べて、変形部材の信頼性確保が容易である。

【００３９】ここで、熱膨張差の緩和方法を具体的に説
明する前に、圧電素子の熱膨張について説明する。表１
は圧電素子１１の熱膨張係数の測定結果の一例である。

【００４０】

【表１】

【００４１】測定は圧電素子１１のリード線をオープン
状態，ショート状態，２５０Ｖ印加状態の３通り行っ
た。その結果、温度−４０℃〜２０℃での平均熱膨張係
数は、それぞれ７.０ppm／℃，−２.０ppm／℃，−２.
２ppm／℃，温度２０℃〜１５０℃での平均熱膨張係数
は、それぞれ４.３ppm／℃，０ppm／℃，−２.５ppm／
℃となり、電気的な条件によって圧電素子の熱膨張特性
は大きく変化した。また、これらの値は圧電素子の受け
た温度的，電気的な履歴にも影響を受けることを見出し
た。

【００４２】インジェクタの場合、圧電素子の温度条件
あるいは電気的条件は時々刻々と変化することから、通
常の構造材で用いられる手法、例えば圧電素子と熱膨張
係数の異なる構造部材を圧電素子に装着し、周辺の部材
との熱膨張を補償するという方法も可能であるが、更な
る工夫が望ましい。

【００４３】また、圧電素子の熱膨張特性は極めて複雑
であるため、何らかのデータベースを用意し、熱膨張差
を能動的な制御（圧電素子にかける電界の制御）によっ
て補償することも可能であるが、更なる工夫が望まし
い。これらの点を考慮して製作した熱膨張差の緩和機構
を図７を用いて説明する。

【００４４】図７は、本発明の実施例のダンパの動作原
理を示す図である。前述した様に、内管３１の内部には
ダンパである可動部材３４とバネ３５を配置し、内管３
１の内部はシリコンオイル３６で満たした。圧電素子１
１の一方は、支持部材５７を介して可動部材３４に接続
される。シリコンオイルは、変形可能なダイヤフラム１
１の熱膨張差を、バネ３５の伸縮動作により緩和でき
る。ところで、圧電素子弾性力を受ける状態でプランジ
ャ１４に接続される。これらの部材は、ハウジング５６
により覆われる。可動部材３４をバネ３５によって、一
定のバネ圧で押す構造とした。これによって、インジェ
クタの温度変化によって発生する圧電素子１１の熱膨張
差を、バネ３５の伸縮動作により緩和できる。ところ
で、圧電素子１１の電気信号による伸縮動作に伴って可
動部材３４が動くと、プランジャがインジェクタ先端か
ら離れず、開弁しないという問題が生じる。この意味で
は、可動部材３４は動いて欲しくない。これは熱膨張の
緩和と相反する要請であるが、圧電素子１１の熱膨張は
１秒のオーダーの現象であり、圧電素子１１の電気信号
による伸縮動作は、１０^-4秒のオーダーの現象である。
そこで、この点を利用すると、相反する要請を満たすこ
とが可能である。

【００４５】まず、可動部材３４は、温度が変化した時
に熱膨張差に追従して動くことが求められ、インジェク
タの温度変化が最も激しい状態での熱膨張差を追従でき
るだけの能力が必要となる。この値をインジェクタ（圧
電素子）の温度変化率，圧電素子とインジェクタ構成部
材との熱膨張係数の差および圧電素子の素子長さから求
めた。すると熱膨張差に追従するためのダンパー移動速
度は、約０.１μｍ／ｓ以上となった。一方、弁の開閉
のために素子が伸縮する場合は、固定端として作用する
必要があり、可動部材に許される移動速度は燃料噴射時
に許されるストロークの変化量から求めた。その結果、
許容できる固定壁として作用するためのダンパの移動速
度は約５００μｍ／ｓ以下であることを見出した。以上
の検討結果から、熱膨張の緩和と固定端としての働きが
両立できる条件は、図８に示す様にダンパーの移動速度
が０.１μｍ／ｓ 以上，５００μｍ／ｓ以下の範囲であ
ることが望ましい。

【００４６】次に、可動部材の可動範囲については、イ
ンジェクタの動作温度範囲が−４０℃以上１５０℃以下
であること、圧電素子およびインジェクタ構造部材の熱
膨張係数，燃料供給時（加圧時）の圧電素子の収縮とハ
ウジングの膨張，バネ圧による圧電素子の収縮，脱分極
現象などを考慮すると、可動部材の室温時の静止点を原
点にとると、少なくとも−１５０μｍ以上，４０μｍ以
下の可動範囲が必要であることを見出した。

【００４７】以上述べたことを念頭に置いてインジェク
タを作成するためのいくつかの工夫を、次に説明する。

【００４８】まず、図７の可動部構造を試作して燃料を
供給したところ、支持部材５７の大きなインジェクタで
は、圧電素子１１に加わる荷重が小さく、完全に閉弁し
なかった。これは次の理由による。燃料供給時には７〜
１２ＭＰａの圧力がシリコンオイル３６に加わるため、
シリコンオイル３６は約１％程度の体積減少を起こす。
ダイヤフラム１５の支持部材５７が大きくなると、ダイ
ヤフラム１５の変形領域が減り、シリコンオイルの体積
変化に追従して変形できなくなったと考えられる。その
ため、燃圧とシリコンオイル３６の内圧が一致しなくな
り、バネ２５，バネ３５およびハウジング５６からの抗
力に、燃圧，シリコンオイルの内圧、さらにはダイヤフ
ラム１５に発生する応力がプランジャ１４に加わり、プ
ランジャ１４が本来静止する位置からずれた位置で静止
したと考えられる。また、温度の変化によって、シリコ
ンオイル３６の圧縮率、あるいはダイヤフラムの弾性定
数が変化することから、ダイヤフラムから圧電素子１１
に加わる力は温度依存性を有することもわかった。前述
した原因から考えると、その解決策としては、ダイヤフ
ラムの凹凸の振幅を可能な限り大きくし、変形領域を大
きくすることが望ましい。現実には、スペースの問題あ
るいはダイヤフラムの強度的な問題のため、ダイヤフラ
ムの寸法，形状には制約があるので、次の工夫をした。

【００４９】弗素系ゴムで作製した概略平坦なダイヤフ
ラム１５を用いて、支持部材５７の直径を変化させ、圧
電素子１１に所定の力(約１０kgf）が加わる条件を探索
した結果、支持部材５７の受圧面積を隔壁で囲まれた領
域の断面積（インジェクタの中心軸方向に垂直な断面）
の１／３以下にすれば良いことを見出した。

【００５０】また、同様の解決策としては、図９に示す
様にハウジング５６と比較して小型（少なくとも圧電素
子１１をカバーするに足る大きさ）のベロー４１を介し
て圧電素子１１にバネ３５から力を加える構成も有効で
あることがわかった。表２は燃圧が７ＭＰａの場合のベ
ローの直径（mm）（表２では、受圧部寸法と表示。）
と、燃料によって可動部材３４側に加えられる力（表２
では、燃圧荷重(kgf）と表示。）との関係を示す。ベロ
ーの直径が２mmの場合、燃圧荷重が２.２kgfである。ベ
ローの直径が３mmの場合、燃圧荷重が４.９kgfである。
ベローの直径が４mmの場合、燃圧荷重が８.８kgfであ
る。ベローの直径が６mmの場合、燃圧荷重が１９.７kgf
である。表２から分かるように、ベローの直径を小さく
すると、燃料側から可動部材３４側への荷重が小さくな
る。この値をバネ３５の力に比べて十分に小さくなるよ
うにすれば、圧電素子１１をプランジャ１４側に押し込
む力をほぼ一定に保持できることがわかった。

【００５１】

【表２】

【００５２】図１０は、ダンパ（図中の可動部材３４を
含む構造）が生み出す荷重の変化（場所による違い）を
小さくするために、シリコンオイル３６の中に弾性部材
４２（例えば弗素系ゴム）を配置した実施例を示す。な
お、図７から図１０までは、説明のため燃料の流路等を
省略して図示している。

【００５３】図１１は、本発明の実施例のダイヤフラム
（可動部材３４）の位置と抗力との関係を示す図であ
る。図１１中の曲線１１１に示す様に、弾性部材４２が
ない場合は、燃料の圧力に対してシリコンオイル３６中
で発生する内圧（抗力）が、曲線１１２に示す弾性部材
４２がある場合と比較して、可動部材３４の位置によっ
て急激に変化する（図中のΔＸが、曲線１１１の場合が
曲線１１２の場合より小さい）。圧電素子１１の受ける
力は、厳密には、燃圧，シリコンオイル３６の内圧，バ
ネ２５，バネ３５およびプランジャ１４がハウジング５
６から受ける抗力，ダイヤフラムによる引っぱり力等の
バランスで決定され、圧電素子が静止した条件下では、
これらの合力は０である。従って、この中のいずれか
が、可動部材３４の位置によって大きく変化する特性を
有していると、圧電素子１１の受ける力も可動部材３４
の位置によって変化する。

【００５４】そこで、弾性部材４２を図１０の様に配置
すると、図１１の曲線１１２に示す様に可動部材３４の
位置によって発生する抗力の変化率が減少し、圧電素子
１１への荷重も可動部材３４の位置の影響を受けにくく
なった。その結果、所定の力を圧電素子１１側に常に加
えることができた。

【００５５】以上述べた実施例は、ダイヤフラムあるい
はベローといった変形部材を一箇所に設けた場合のもの
であるが、変形部材を２箇所以上設けることによっても
同様の目的を達成できる。

【００５６】例えば、図１２は変形部材として、ベロー
４１とベロー４３を設けることによって、燃圧と内管３
１中のシリコンオイル３６との力のバランスをとり、内
管３１に固定したバネ３５によって圧電素子（図示せ
ず）に荷重を加える構造を示す。

【００５７】１つのダイヤフラムによって、大きな可動
範囲を確保しようとした場合、口径の大きなものになり
がちであるが、図１３の様に変形部材を２箇所（ベロー
４１とベロー４３）以上設けている。また可動部材３４
には、シリコンオイル３６の流路４５が形成されてい
る。ベロー４１とベロー４３のような圧電素子（図示し
ないが、位置関係は図１等と同様である。）の軸方向に
伸びるものを用いると、径の小さなダンパになるため、
インジェクタを小口径化しやすい。

【００５８】ところで、上記実施例は基本的に可動部材
３４と内管３１との間をシリコンオイル３６が通過する
際の摺動抵抗によって、ダンピング効果を実現するもの
であった。これに対して、図１３の様に可動部材の内部
にも流路４５を介してシリコンオイルを通過させること
によっても同様の機能を実現できることがわかった。次
に、インジェクタの応答性を考えてみると、図１の構造
のインジェクタで高い応答性を実現するためには、ダイ
ヤフラム１５がプランジャ１４の運動に影響を与えない
様にダイヤフラム１５を薄肉状のものにする必要があ
る。この場合、インジェクタ組み立て時に、バネ２５に
よってダイヤフラムあるいはベロー等に許容値を超える
荷重が加わり、これらを破損する可能性がある。

【００５９】図１４の実施例はこの可能性に対する対策
を示し、ストッパ４６によりダイヤフラム１５に過大な
変位を起こさせない様にしたもので、これによりダイヤ
フラム１５の健全性が向上する。

【００６０】また、図１５に示す実施例の様に、内管１
２の先端にストッパ４７を設けることもできる。ストッ
パ４７は、プランジャ１４を貫通させる開口を有してい
る。これにより、ダイヤフラム１５の過大な変位を起こ
させない。よって、インジェクタ組み立て時に、バネ２
５によってダイヤフラム１５あるいはベロー等に許容値
を超える荷重が加わることがなく、一段とダイヤフラム
１５等の破損を防止できた。

【００６１】図１に示すインジェクタの場合、ダイヤフ
ラム１５の運動に伴って、内管１２に圧力分布が発生
し、封入されたシリコンオイルの流動がおこり、これが
ダイヤフラムの運動に対する抵抗として働く場合があり
うる。そこで、この課題を解決するため、ダイヤフラム
近傍に図１６に示すフッソ系ゴムによる弾性部材４８を
設けた。その結果、この弾性部材４８が微小な圧力変動
を吸収し、オイルの流動を抑えることから、応答性の低
下を抑制できる。

【００６２】図１７および図１８は、本発明の実施例の
ボールジョイントを用いたインジェクタの断面構造を示
す図である。図１７では、プランジャ１４とダイヤフラ
ム１５の間に、ボールジョイント５０を圧電素子１１の
長軸（大きい伸縮を示す方向）上に設置した。圧電素子
１１に加わる偏荷重を低減できることから、圧電素子１
１の破損を防止できる。図１８では、ダイヤフラム１５
と圧電素子１１との間に、ボールジョイント５０を圧電
素子１１の長軸（大きい伸縮を示す方向）上に設置し
た。この場合も圧電素子１１に加わる偏荷重を低減でき
ることから、圧電素子１１の破損を防止できる。

【００６３】図１９は、本発明の実施例のインジェクタ
のノズル部の断面構造を示す図である。図２０は、本発
明の実施例のインジェクタのストロークと流量の関係を
示す図である。一般に、圧電素子のストロークは、温度
依存性があり、また現実には製造した素子の１つ１つに
わずかながらストロークの違いがある。ストロークの差
がそのまま流量に反映されると、各インジェクタの流量
特性に差が生じる。そこで、図１９に示すプランジャの
先端のボール弁５１とインジェクタノズル部５２との間
の流路の断面積（最大変位時）である流路断面積Ａをイ
ンジェクタノズル部の先端の流路の断面積である流路断
面積Ｂよりも小さく（図２０中のオリフイス流量制御
型）すれば、流量とストロークの関係は、図２０に示す
様にストロークの大きな領域では流量が、所定の定格値
で飽和する特性を示し、この特性を用いることにより、
圧電素子のストロークの温度依存性およびばらつきの影
響を低減できる。図２０中のストローク依存型は、プラ
ンジャ１４の先端のボール弁５１とインジェクタノズル
部５２との間の流路の断面積（最大変位時）である流路
断面積Ａをインジェクタノズル部の先端の流路の断面積
である流路断面積Ｂよりも大きいばあいである。

【００６４】図２１は、本発明の実施例の固定部材を用
いたインジェクタの断面構造を示す図である。圧電式イ
ンジェクタにおいては、圧電素子に対する偏荷重がわず
かであったとしても、圧電素子を高速で駆動するため、
圧電素子が回転運動を起こし、素子のリード線が断線す
ることがあった。図２１はこの課題の対策例を示し、ダ
イヤフラム１５と圧電素子１１の間に、圧電素子１１よ
りも一回り大きな角状の溝を堀った固定部材５８を設け
たもので、これによって圧電素子１１の回転を防止でき
た。固定部材５８の溝は、一般に角型形状の断面形状を
有する圧電素子１１の一端が嵌まるように、圧電素子１
１よりも一回り大きな角状の溝となっている。したがっ
て、回転を防止したい圧電素子１１の断面形状に対応し
て固定部材の溝形状は決定される。

【００６５】図２２および図２３は、本発明の実施例の
インジェクタノズル部の断面構造を示す図である。ま
た、プランジャ１４にストッパを設けることも考えられ
る。その場合は、プランジャ１４がストッパに衝突した
瞬間に流路の一部が塞がれることによって流量特性に微
妙に影響を与える課題が考えられる。図２２および図２
３は、この課題を解決するための実施例を示し、図２２
の例は、図１の部材２８に対応した部材５５（プランジ
ャ１４の動作のガイド（プランジャ１４の動作の偏心を
防止する機能を有する。）を果たす。）に流路を形成す
るものである。図２３の例は、プランジャ１４自身に燃
料の流路５４を形成したものである。即ち、ボール弁５
１を支持する部材５３に流路５４を形成する。これらに
より、プランジャ１４が部材５５へ衝突もしくは近づい
た時の流量変動を抑制できる。また、部材５５によりプ
ランジャ１４の軸に垂直な方向への運動を制約すること
により、噴射特性の再現性を向上できるとともに、プラ
ンジャ１４の先端部分の破損頻度を低減できることがわ
かった。

【００６６】次に、図２４は、本発明の実施例のインジ
ェクタを用いた噴射システムの動作を示す図である。ま
た、図２５は、本発明の実施例の予混合割合とＮＯｘ排
出量との関係を示す図である。

【００６７】図２４は、本発明による圧電式インジェク
タを用いた燃料噴射システムに関する実施例を示す。同
図右欄に示すように、内燃機関(エンジン)のシリンダ２
４３内にピストン２４４があり、その上部に点火プラグ
２４１およびシリンダ２４３内壁とピストン２４４によ
り作られた燃焼室内に直噴方式で燃料を供給する圧電式
インジェクタ２４２がある。現在、排気ガスの浄化が強
く望まれており、特にＮＯｘの低減は技術的にも難しい
重要な課題となっている。図２４の左欄の比較例のグラ
フに示す様に、一般の直噴エンジンは、燃料を圧縮行程
における１回噴射(例えば１５mcc）であったが、この場
合、図２４の右欄上段に示す様に、燃料が集中し、燃焼
温度が局所的に上がりすぎ、ＮＯｘが発生しやすいとい
う問題があった。

【００６８】一方、図２４の左欄の多段噴射のグラフに
示す様に、燃料噴射を吸気行程（例えば１２mcc）と圧
縮行程（例えば３mcc）の２回に分け、圧縮行程での燃
料噴射量を少なくすると燃料の集中が防止され、局所的
な温度上昇を低減でき、その結果ＮＯｘを低減できる。

【００６９】また、吸気行程の予混合の割合を０.７〜
０.９にすることにより図２５に示す様にＮＯｘ排出量
を約１／２に低減できる。

【００７０】以下に本発明の特徴を例示する。

【００７１】１．燃料通路の開閉を行うプランジャ，プ
ランジャを駆動する中実の圧電素子，プランジャを駆動
するバネ，これらを固定する治具およびハウジング（イ
ンジェクタの最も外側の構造部材）等から構成されたイ
ンジェクタにおいて、圧電素子および圧電素子を支持す
る部材の周囲に、これらを燃料から隔離する構造物（隔
壁）を設け、燃料をハウジングと隔壁との間を通過させ
るか、ハウジングの一部に流路となる穴を設けて、イン
ジェクタ先端に供給するとともに、燃料供給ラインとイ
ンジェクタとの接合部（燃料導入部）を、プランジャか
ら見て、圧電素子より後方（又は背部）に配置すること
である。

【００７２】２．上記１．において、圧電素子のリード
線を装着する電極を有する部材を設け、この部材の電極
とは離れた位置に、燃料が通過する流路を設けることで
ある。

【００７３】３．燃料通路の開閉を行うプランジャ，プ
ランジャを駆動する中実の圧電素子，プランジャを駆動
するバネ、これらを固定する治具およびハウジング等か
ら構成されたインジェクタにおいて、燃料に対して圧電
素子を保護する保護膜（オーバーコート）を圧電素子に
施し、燃料を該圧電素子と隔壁との間を通過させてイン
ジェクタ先端に供給するとともに、燃料供給ラインとイ
ンジェクタとの接合部（燃料導入部）を、プランジャか
ら見て、圧電素子より後方に配置することである。

【００７４】４．燃料通路の開閉を行うプランジャ，プ
ランジャを駆動する中実の圧電素子，プランジャを駆動
するバネ，これらを固定する治具およびハウジング等か
ら構成されたインジェクタにおいて、圧電素子を支持す
る可動部材の移動速度が、インジェクタ動作時に０.１
μｍ／ｓ 〜５００μｍ／ｓの範囲内とすることであ
る。

【００７５】５．燃料通路の開閉を行うプランジャ，プ
ランジャを駆動する中実の圧電素子，プランジャを駆動
するバネ，これらを固定する治具およびハウジング等か
ら構成されたインジェクタにおいて、圧電素子を支持す
る可動部材が、室温時の静止点を原点とした時、少なく
とも−１５０μｍ〜４０μｍの移動ができるようにする
ことである。

【００７６】６．上記１．又は３．において、固定部材
に取り付けたバネと連結した可動部材（例えば、ダンパ
ー）によって圧電素子を支持し、可動部材の周囲に流体
を充填し、隔壁の一部に変形可能な部材（例えば、ダイ
ヤフラム又はベロー（ベローズとも称する。）を設ける
ことである。

【００７７】７．上記６．において、変形可能な部材の
中央部に圧電素子の支持部材を設け、この支持部材のイ
ンジェクタの長手方向の中心軸に垂直な面の受圧面積
を、隔壁で囲まれた領域の断面（インジェクタの中心軸
に垂直な断面）の面積の１／３以下にすることである。

【００７８】８．上記６．において、変形可能な部材が
燃料から受ける圧力の内、プランジャの軸方向の力を、
可動部材に取り付けたバネの力よりも小さくすることで
ある。

【００７９】９．上記６．において、流体の中に可動部
材（例えば、ダンパー）から見て圧電素子とは反対側に
変形可能な部材（例えば、）を設けることである。

【００８０】１０．上記６．において、可動部材の周囲
に設けた隔壁に２箇以上の変形可能な部材を設けること
である。

【００８１】１１．上記６．において、可動部材の内部
に流体の通過可能な流路を形成することである。

【００８２】１２．上記１．又は３．において、隔壁の
一部、もしくはこれに装着した部材により、圧電素子を
支持する可動部材の可動範囲に制限を加えることであ
る。

【００８３】１３．上記１．，３．，４．又は５．にお
いて、圧電素子の周囲に設けた燃料と素子とを隔離する
構造物の内部に弾性部材を設けることである。

【００８４】１４．上記１．，３．，４．又は５．にお
いて、圧電素子とプランジャとを機械的に接続する部材
の一部にボールジョイントを設けることである。

【００８５】１５．上記１．，３．，４．又は５．にお
いて、インジェクタ先端のノズルの流路断面積を、開弁
状態におけるプランジャ先端部とノズルの間の流路断面
積よりも小さくすることである。

【００８６】１６．上記１．，３．，４．又は５．にお
いて、プランジャの可動範囲を制限し、かつ燃料が通過
可能な構造部材を設けることである。

【００８７】１７．上記１．，３．，４．又は５．にお
いて、プランジャの可動範囲を制限し、プランジャ内部
に燃料の通過する流路を形成することである。

【００８８】１８．上記１．，３．，４．又は５．にお
いて、プランジャの軸に垂直な方向への運動を制限する
部材を設けることである。

【００８９】１９．上記１．，３．，４．又は５．にお
いて、圧電素子の軸方向の回転を制約する部材を圧電素
子に接合することである。

【００９０】２０．上記１．，３．，４．又は５．に記
載の圧電式インジェクタを用いて、吸気行程と圧縮行程
の両方で燃料を噴射し、圧縮行程の噴射量を吸気行程の
噴射量よりも小さくすることである。

【００９１】２１．上記２０．において、吸気行程の噴
射量の割合を０.７〜０.９にすることである。

【００９２】以上によれば、省スペース構造で、広範な
温度で健全性を保ち、安定した特性を発揮できる高速応
答のインジェクタを実現できる。また、排気ガス中のＮ
Ｏｘ低減に有効な燃料噴射システムを構築できる。

【００９３】

【発明の効果】本発明によれば、内燃機関に好適な燃料
供給用のインジェクタを提供できる。また、本発明によ
れば、排気ガス中のＮＯｘを低減できる燃料噴射システ
ムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の圧電式インジェクタの断面構
造を示す図である。

【図２】本発明の比較例の圧電式インジェクタの断面構
造を示す図である。

【図３】本発明の実施例の圧電式インジェクタの電極取
り出し部を詳細に示す図である。

【図４】本発明の実施例の圧電式インジェクタの電極取
り出し部の断面構造を示す図である。

【図５】本発明の実施例の断面構造を示す図である。

【図６】本発明の実施例の圧電式インジェクタの断面構
造を示す図である。

【図７】本発明の実施例のダンパの概略構成を示す図で
ある。

【図８】本発明の実施例の可動部材の許容される移動速
度を示す図である。

【図９】本発明の実施例のベローを用いたインジェクタ
の概略構成を示す図である。

【図１０】本発明の実施例の弾性部材を用いたインジェ
クタの断面構造を示す図である。

【図１１】本発明の実施例のダイヤフラムの位置と抗力
との関係を示す図である。

【図１２】本発明の実施例のベローを有するインジェク
タの断面構造を示す図である。

【図１３】本発明の実施例の可動部材中に流路を形成し
たインジェクタの断面構造を示す図である。

【図１４】本発明の実施例のストッパを設けたインジェ
クタの断面構造を示す図である。

【図１５】本発明の実施例のストッパを設けたインジェ
クタの断面構造を示す図である。

【図１６】本発明の実施例の弾性部材を用いたインジェ
クタの断面構造を示す図である。

【図１７】本発明の実施例のボールジョイントを用いた
インジェクタの断面構造を示す図である。

【図１８】本発明の実施例のボールジョイントを用いた
インジェクタの断面構造を示す図である。

【図１９】本発明の実施例のインジェクタのノズル部の
断面構造を示す図である。

【図２０】本発明の実施例のインジェクタのストローク
と流量の関係を示す図である。

【図２１】本発明の実施例の固定部材を用いたインジェ
クタの断面構造を示す図である。

【図２２】本発明の実施例のインジェクタノズル部の断
面構造を示す図である。

【図２３】本発明の実施例のインジェクタノズル部の断
面構造を示す図である。

【図２４】本発明の実施例のインジェクタを用いた噴射
システムの動作を示す図である。

【図２５】本発明の実施例の予混合割合とＮＯｘ排出量
との関係を示す図である。

【符号の説明】

１１…圧電素子、１２，３１…内管、１３，３２…外
管、１４…プランジャ、１５…ダイヤフラム、１６…可
動部材、１７…電極、１８…電気絶縁部、１９…燃料貫
通孔、２０…電極取り出し部、２１…溶接部、２２…ケ
ーシング、２５，２６，３５…バネ、２７…パッキン、
２８，５３，５５…部材、２９，４１，４３…ベロー、
３３…燃料導入部、３４…可動部材、３６…シリコンオ
イル、４２，４８…弾性部材、４５，５４，５９…流
路、４６，４７…ストッパ、５０…ボールジョイント、
５１…ボール弁、５２…インジェクタノズル部、５６，
６０…ハウジング、５７…支持部材、５８…固定部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大須賀 稔 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 野木 利治 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 白石 拓也 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 岡本 良雄 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 田辺 好之 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 濱田 泰久 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 Ｆターム(参考） 3G066 AA02 AB02 AD12 BA19 BA25 BA33 BA40 BA67 CC01 CC06T CC06U CC08U CC51 CC64U CC66 CD10 CD14 CD16 CD17 CD26 CD28 CD29 CD30 CE27 CE30 CE34

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料通路の開閉を行うプランジャと、プラ
   ンジャを駆動する中実構造の圧電素子と、圧電素子を燃
   料から隔離する隔壁と、これらを保持するハウジングと
   を有するインジェクタであって、燃料をハウジングと隔
   壁との間を通過させるか、ハウジングの一部に流路とな
   る穴を設けて、インジェクタ先端に供給するとともに、
   インジェクタへの燃料導入部を、プランジャから見て、
   圧電素子より後方に配置したことを特徴とするインジェ
   クタ。
2. 【請求項２】請求項１において、圧電素子のリード線を
   装着する電極を有する部材を設け、この電極から離れた
   位置に、燃料が通過する流路を設けたことを特徴とする
   インジェクタ。
3. 【請求項３】燃料通路の開閉を行うプランジャと、プラ
   ンジャを固体または弾性体を介して駆動する中実構造の
   圧電素子と、これらを保持するハウジングとを有するイ
   ンジェクタであって、燃料を、ハウジングと、燃料から
   保護する保護膜を有する圧電素子との間を通過させてイ
   ンジェクタ先端に供給するとともに、インジェクタへの
   燃料導入部を、プランジャから見て、圧電素子の後背部
   側に有することを特徴とするインジェクタ。
4. 【請求項４】燃料通路の開閉を行うプランジャ，プラン
   ジャを駆動する中実の圧電素子，圧電素子を支持する可
   動部材とを有し、可動部材の移動速度が、インジェクタ
   動作時に０.１μｍ／ｓ 〜５００μｍ／ｓの範囲内にあ
   ることを特徴とするインジェクタ。
5. 【請求項５】燃料通路の開閉を行うプランジャ，プラン
   ジャを駆動する中実の圧電素子，圧電素子を支持する可
   動部材とを有し、圧電素子を支持する可動部材が、室温
   時の静止点を原点とした時、少なくとも−１５０μｍ〜
   ４０μｍの移動ができることを特徴とするインジェク
   タ。
6. 【請求項６】請求項１または請求項３において、固定部
   材に取り付けたバネと連結した可動部材によって圧電素
   子を支持し、可動部材の周囲に流体を充填し、隔壁の一
   部に変形可能な部材を設けたことを特徴とするインジェ
   クタ。
7. 【請求項７】請求項６において、変形可能な部材の中央
   部に圧電素子の支持部材を設け、この支持部材のインジ
   ェクタの長手方向の中心軸に垂直な面の受圧面積を、隔
   壁で囲まれた領域の断面（インジェクタの中心軸に垂直
   な断面）の面積の１／３以下にしたことを特徴とするイ
   ンジェクタ。
8. 【請求項８】請求項６において、変形可能な部材が燃料
   から受ける圧力の内、プランジャの軸方向の成分を、可
   動部材に取り付けたバネの力よりも小さくしたことを特
   徴とするインジェクタ。
9. 【請求項９】請求項６において、流体の中に可動部材か
   ら見て圧電素子とは反対側に変形可能な部材を設けたこ
   とを特徴とするインジェクタ。
10. 【請求項１０】請求項６において、可動部材の内部に流
    体の通過可能な流路を形成したことを特徴とするインジ
    ェクタ。
11. 【請求項１１】請求項１または請求項３において、隔壁
    の一部、もしくはこれに装着した部材により、圧電素子
    を支持する可動部材の可動範囲に制限を加えることを特
    徴とするインジェクタ。
12. 【請求項１２】請求項１，請求項４または請求項５にお
    いて、圧電素子の周囲に設けた燃料と素子とを隔離する
    構造物の内部に弾性部材を設けたことを特徴とするイン
    ジェクタ。
13. 【請求項１３】自動車用の燃料噴射システムにおいて、
    請求項１，請求項３，請求項４または請求項５に記載の
    圧電式インジェクタを有することを特徴とする燃料噴射
    システム。
14. 【請求項１４】請求項１３に記載の圧電式インジェクタ
    を用いて、吸気行程と圧縮行程の両方で燃料を噴射し、
    圧縮行程の噴射量を吸気行程の噴射量よりも小さくした
    ことを特徴とする燃料噴射システム。
15. 【請求項１５】請求項１３または請求項１４において、
    吸気行程の噴射量の割合を０.７〜0.9にしたことを特徴
    とする燃料噴射システム。