压电式燃料喷射阀(喷油器)使用于柴油发动机的共轨燃料 喷射装置。压电驱动部分通常具有压电元件、用于传递压电元件 位移的活塞以及弹簧，其中该弹簧与压电元件和活塞相接触并向 压电元件施加预定载荷。当压电元件伸展或收缩时，活塞根据该 伸展或收缩进行移动，以控制用于控制喷油器打开和关闭的控制 阀。
在盘簧用作上述喷油器的弹簧部件的情况下，则喷油器的压 电驱动部分的尺寸会变大，这是因为该盘簧自身的体积较大。最 近，提出了这样一种弹簧部件，其中多个孔口形成在管状板部件 中以使得该管状板部件具有弹性。上述弹簧部件的一个示例例如 公开在日本专利文献No.H7-94812中。这种现有技术的弹簧部件 如本申请的图3A-3C所示。如图3A-3C所示，螺旋形切口102 或多个切口102’(沿周向延伸)形成在杯形管状部件101的中间 部分处。压电元件100插入到管状部件101内且容纳在壳体103 中。管状部件101在其上端处具有大径部分104，以使得管状部件 101稳固地固定到壳体103上。压电元件100通过设置在压电元件 100两端的绝缘部件105被保持在壳体103中。
另一种弹簧部件的示例公开在日本专利文献No.2003-65179 中。现有技术的这种弹簧部件如本申请的图4A-4B所示。如图 4A-4B所示，多个孔口202形成在筒形弹簧部件201中，其中孔 口202通过深拉冲工艺而形成且沿周向和纵向布置在整个表面上。 该弹簧部件201在压电部件200的下侧布置在壳体203中，以使 得弹簧部件201围绕着活塞204和205。根据现有技术，弹簧部件 201具有较高的成圆度，因为弹簧部件201是通过深拉冲工艺而制 成的。该弹簧部件201沿轴向可容易地连同其他部件一起组装到 壳体203内。该技术具有压电驱动部分所需空间较小的优点。
另一种弹簧部件的示例公开于国际专利文献No.WO00/08353 中。该现有技术中的弹簧部件如本申请的图5A和5B所示。如图 5A和5B所示，多个骨形凹口302沿周向和纵向形成于中空部件 301中。中空部件301的两个纵向端由一对支撑部件303、304所 支撑，且中空部件301围绕压电致动器300，以使得预设的挤压力 施加于压电致动器300上。
根据上述现有技术，可减小压电致动器的纵向长度，且可预 期获得小尺寸和高响应性的喷油器，并实现对燃料喷射的先进控 制。
然而，总是不太容易制造上述现有技术中的弹簧部件。例如， 上述现有技术(JP H7-94812)中的螺旋形切口102的制造较为复 杂，而用于上述现有技术(JP2003-65179，WO00/08353)的多个 孔口202(或凹口302)的制造要求以下步骤：利用冲床冲压出孔 口和凹口的步骤；卷成筒形(中空)的步骤；和焊接周向端的步 骤。根据JP2003-65179的现有技术，需要深拉冲工艺来形成具有 高成圆度的筒形部件。因此，制造成本变得较高。

本发明致力于解决上述问题，且目的是提供一种用于燃料喷 射装置的压电式喷油器，其中用于喷油器的弹簧部件形成为能够 向压电元件施加预定载荷的简单结构，且该弹簧部件可容易地制 造，进而可简化制造成本。
根据本发明的其中一个方面，一种燃料喷射阀包括压电元件 和弹簧部件，该弹簧部件用于向压电元件施加预定载荷，其中弹 簧部件由卷起并形成管形的矩形片材制成，但是被卷起而成的弹 簧部件的周向相对端未彼此结合。
沿周向延伸的多个孔口形成在弹簧部件的壁部分中，以使得 孔口规则地沿弹簧部件的周向和纵向布置，孔口以相等的间隔“a” 布置在多个周向线中，且周向线沿纵向以相等的间隔进行布置。
周向相对端和最靠近该周向相对端的孔口周向侧端之间的距 离大于“a/2”。
根据本发明的另一个方面，一种燃料喷射阀包括压电元件和 弹簧部件，该弹簧部件用于向压电元件施加预定载荷，其中弹簧 部件由卷起并形成管形的矩形片材制成，被卷起而成的弹簧部件 的周向相对端未彼此结合。
沿周向延伸的多个孔口形成在弹簧部件的壁部分中，以使得 所述孔口规则地沿弹簧部件的周向和纵向布置，孔口以相等的间 隔“a”布置在多个周向线中，且周向线沿纵向以相等的间隔进行 布置。多个凹口形成于弹簧部件的两个周向端部分处，以使得凹 口沿周向彼此相对，从而形成多个开口。
布置在相同周向线上的凹口和相邻孔口之间的距离“b”大于 相邻孔口之间的间隔“a”。
附图说明
本发明的上述和其它目标、特征和优点通过以下参照附图所 做的详细说明而变得更清楚。其中：
图1A是根据本发明第一实施例的燃料喷射阀的示例性剖视 图；
图1B是弹簧部件的局部立体图；
图1C是弹簧部件的整个结构的侧视图；
图2是根据第二实施例的弹簧部件的整个结构的侧视图；
图3A是传统燃料喷射阀的主要部分的示例性剖视图；
图3B和3C分别是图3A中传统燃料喷射阀的弹簧部件整个结 构的侧视图；
图4A是另一种传统燃料喷射阀的主要部分的示例性剖视图；
图4B是图4A中传统燃料喷射阀的弹簧部件整个结构的侧视 图；
图5A是另一种传统燃料喷射阀的主要部分的示例性剖视图； 以及
图5B是图5A中传统燃料喷射阀的弹簧部件整个结构的侧视 图。

以下参考图1A-1C来描述本发明的第一实施例。在该实施例 中，本发明应用于柴油发动机用的共轨燃料喷射系统的燃料喷射 阀。
图1A显示了燃料喷射阀1(以下将称为喷油器)的结构，该 喷油器安装到各个发动机缸体上。喷油器1连接到共轨(未示) 上，以使得高压燃料(柴油)从共轨供应到各个喷油器1上。该 燃料被供应泵(未示)加压且被供应到共轨上，以使得该加压的 高压燃料储存在共轨中，其中在共轨中的燃料的高压被控制在预 定值以使得喷油器1在预定高压下喷射燃料。
在图1A中，喷油器1具有多个主体部件B1-B4，其中压电元 件2和第一、第二活塞31、33容纳在主体部件B1中，球阀(控 制阀)35容纳在主体部件B2和B3中，且喷嘴6容纳在主体部件 B4中。主体部件B1-B4沿纵向组装(装配)且通过保持件B5流 体密封地紧固到彼此上面。喷油器1安装到各个共轨发动机缸体 上，以使得喷油器1暴露于发动机的燃烧室。
高压燃料通道12形成在主体部件B1-B3中(沿纵向贯穿主体 部件B1-B3)以将高压燃料从共轨(未示)供应到喷油器1内。 喷油器1在形成于高压燃料通道12的一端(上端)处的入口端口 11处连接到共轨上，且高压燃料通道12的另一端与形成在主体部 件B4中的燃料储存腔13相连通。低压燃料通道22形成在与高压 燃料通道12相邻的主体部件B1中。低压燃料通道22用作返回通 道，且通过形成在喷油器1中的出口端口(未示)连接到设置于 喷油器1外侧的燃料箱(未示)上。
压电元件2和第一、第二活塞31、33容纳在形成于主体部件 B1中的纵向筒形孔21中，其中压电元件2和第一、第二活塞31、 33构成压电驱动部分。筒形孔21的靠下端部分和低压燃料通道 22的靠下端部分通过形成于主体部件B2中的低压燃料路径23彼 此相连通。压电元件2形成为压电堆叠器，其中多个压电陶瓷 (PZT)和多层电极交替层叠。当电流由驱动电路(未示)供应或 切断时，压电元件2沿层叠方向伸展和收缩。第一、第二活塞31、 33由筒形部件5可滑动地保持，且油密腔32形成于第一、第二活 塞31、33之间的筒形部件5中。第一、第二活塞31、33、油密腔 32和筒形部件5构成了位移传递部分A(也称为活塞装置，以下 将对其详细描述)。
压电元件2的驱动力通过位移传递部分A和滑动销34传递到 球阀35上。滑动销34可滑动地容纳在形成于主体部件B2中的筒 形孔中。大径孔部分形成于主体部件B2的下侧，在其中该孔部分 与主体部件B2的筒形孔相连通以形成阀腔36。球阀35容纳在阀 腔36中。阀腔36形成为半球形或具有半球形头部分和平底部分 的单元部件，其中球形部分的上顶面接触滑动销34。滑动销34 在其下侧具有小径销部分，以使得环形流体空间形成于主体部件 B2的筒形孔中且形成在小径销部分周围。环形流体空间通过孔与 低压燃料路径23相连通。高压燃料路径14形成于主体部件B3中， 以使得高压燃料路径14的一端与高压燃料通道12相连通，而高 压燃料路径14的另一端朝向阀腔36开口且面对球阀35的底部平 表面。
喷嘴6可滑动地容纳在主体部件B4中。燃料喷射端口64形 成在主体部件B4的下端处，其中燃料喷射端口64穿过囊状腔的 壁。当滑动销34驱动球阀35(以沿向下方向移动)时，喷嘴6 被提升起来以打开燃料喷射端口64。主体部件B4的内部空间构 成燃料储存腔13。当喷嘴6保持在其最低位置时，喷嘴6的向前 端(圆形的圆锥端)座靠在喷嘴座65上，其中该喷嘴座65形成 在燃料储存腔13和囊状腔之间的边界区域。因此，切断了从燃料 储存腔13到燃料喷射端口64的燃料供应。当喷嘴6抬升时，喷 嘴6的向前端从喷嘴座65处分离开以喷射燃料。
控制腔61形成在喷嘴6的上端处。阀腔36通过形成在主体 部件B3中的连通路径15(其穿过主体部件B3)与控制腔61总是 相连通。管状部分66形成在主体部件B4的上部分处，且喷嘴6 的上部分被管状部分66的内表面可滑动地保持，以通过喷嘴6的 上端和管状部分66的内壁形成控制腔61。通过从高压燃料通道 12经阀腔36和连通路径15供应高压燃料，在控制腔61中产生了 用于喷嘴6的反压力。该反压力沿向下方向作用在喷嘴6上，且 沿阀关闭方向连同弹簧62一起来推压喷嘴6。弹簧62设置在管状 部分66的下端和凸缘部分63之间，该凸缘部分63形成在喷嘴6 的中间部分处。在燃料储存腔13的燃料的高压沿向上方向(阀开 启方向)作用在喷嘴6的向前端的圆形锥形面上。
球阀35形成为三通阀结构，以使得通过选择性地改变球阀35 的座靠位置，可控制位于与阀腔36相连通的控制腔61中的燃料 压力。当球阀35保持在其最高位置时，球阀35的半球形表面封 闭了阀腔36的开口部分(形成于阀腔36的上侧)，以使得可以切 断位于阀腔36和小径销部分周围的环形流体空间的连通。在另一 方面，当球阀35保持在其最低位置时，球阀35的底部平表面封 闭了阀腔36的另一个开口部分(形成于阀腔36的下侧处)，以使 得可切断阀腔36和高压燃料路径14之间的连通。根据球阀35的 上述位置，与阀腔36相连通的控制腔61中的燃料压力，即用于 喷嘴6的反压力，可增加或减少。
球阀35是半球形的原因在于防止球阀35由于主体部件B2和 B3的位移而相对于阀座不正确地进行座靠。阀座的其中一个(形 成在阀腔36的下侧处的阀腔36另一个开口部分)以及球阀35的 座靠部分形成为平的座表面，以使得可吸收主体部件B2和B3之 间的位移。此外，半球形的球阀35容易制造。
当没有电流供应至压电元件2时，球阀35被设置在高压燃料 路径中的弹簧推压力(沿向上方向)和其中的燃料压力保持在其 最高位置。在这种情况下，通过阀腔36而与高压燃料路径14相 连通的控制腔61中的燃料压力增加，且喷嘴6因此被保持在其阀 关闭位置。
以下解释位移传递部分(活塞装置)A。容纳在筒形孔21的 下部分中的筒体部件5在其上侧具有大径筒形空间(第一筒形空 间)，且在其下侧具有小径筒形空间(第二筒形空间)。第一活塞 (压电-活塞)31可滑动地保持在大径筒形空间，且第二活塞(阀 -活塞)33可滑动地保持在小径筒形空间中，其中第一活塞31的 直径大于第二活塞33的直径。形成在第一活塞31和第二活塞33 之间的空间构成油密腔32，其中工作流体填充到该油密腔32内。 相应地，第一活塞31的位移转换成流体压力，且传递到第二活塞 33，其中取决于第一活塞31和第二活塞33的横截面积比例可相 应地增加传递到第二活塞33的位移。
凸缘部分31a形成在第一活塞31的上端处，其中凸缘部分31a 形成于筒体部件5的外侧且和压电元件2的下端直接或间接接触。 阀活塞(第二阀)33通过形成于第二活塞33的下端处的突起部分 而与滑动销34的上端相接触。筒形部件5在其下端具有凸缘部分 51。弹簧部件4设置在第一活塞31的凸缘部分31a和筒体部件5 的凸缘部分51之间。弹簧部件4形成为管形，且布置在筒体部件 5的外周表面和筒形孔21的内周表面之间的空间中，其中弹簧部 件4以一定的间隙与各个周向表面分离开。弹簧部件4向压电元 件2施加预定的弹簧力，即弹簧部件4朝向压电元件2推压第一 活塞31以使得第一活塞31和压电元件2一起移动。
如图1B和1 C所示，通过卷轧矩形片材可形成管形的弹簧部 件4。弹簧部件4的两个卷起周向端没有彼此连接，而是相对着周 向间隙C。换句话说，弹簧部件4并没有形成完整的圆形，而是 横截面呈C型。多个孔口41形成在弹簧部件4的管形壁中，其中 孔口41沿周向等间隔“a”地规则布置，且沿纵向以另一等间隔 地进行布置。孔口41使得弹簧部件4具有弹簧弹力。孔口41形 成为沿周向延伸的长孔口，且在各个相邻的孔口41之间以恒定距 离“a”沿周向进行布置。孔口41以恒定的距离沿纵向布置，但 是沿周向从相邻线上的孔口41处错开(偏置)。这些孔口41因此 布置成使得孔口41沿纵向交替地对准。如上所述，孔口41布置 成锯齿形曲折形式，从而其具有弹簧常数减小的优点。
多个凹口42和43形成在弹簧部件4的周向端(其彼此相对)。 凹口42和43对称地成形且带有间隙“c”地彼此相对。一对凹口 42和43形成了组合的长开口(包括间隙“c”)，其等同于孔口41。 在同一条线上的凹口42和孔口41之间的周向距离或凹口43和孔 口41之间的周向距离等于相邻孔口41之间的距离“a”。如上所 述，多个孔口41以及由凹口42和43所形成的长开口布置在弹簧 部件4的整个管形壁上，其中孔口沿纵向和周向规则地进行布置。 结果使得，可减少在相对端的凹口42、43处所产生的应力，并维 持整体平衡。此外，可防止弹簧部件4倾斜，且预定弹簧力均等 地作用于压电元件2上。
弹簧部件4的周向端和最靠近周向端的长孔口41的侧端之间 的周向距离优选被选择为等于“a/2”(但是小于“a”)，以使得在 弹簧部件4的相对周向端处确保所需的强度。在上述周向距离被 设计为小于“a/2”的情况下，在相对端处的应力变得大于其他部 分处的应力，且可能在上述凹口42和43处发生破坏。
鉴于防止弹簧部件4的倾斜，弹簧部件4和筒形孔21的内周 面之间的间隙以及弹簧部件4和筒体部件5的外周面之间的间隙 优选被设计为尽可能地小，例如小于5μm，且弹簧部件4的材料 屈服强度优选被设计成尽可能地高，例如高于1500N/mm2。
例如，弹簧部件4以下述方式进行制造。首先，切割板材以 形成预定的矩形形状，通过冲孔加工或激光加工形成多个孔口41 (以及凹口42和43)，且板材被卷成管形。在矩形的板材被卷成 为管形之后，多个孔口41和凹口42和43被可选地形成。
以下将解释喷油器1的操作。如图1A所示，当压电元件2处 于放电条件进而也就是处于收缩状态时，球阀35保持在其最高位 置。因此，喷嘴6被控制腔61中的油压以及弹簧62的弹簧力保 持在关闭位置。当向压电元件2供应电流时，压电元件2被充以 电能，进而伸展。第一活塞31根据压电元件2的膨胀朝向下方向 移动，以在油密腔32中挤压工作流体(柴油)。然后，油密腔32 中的流体压力朝向下方向挤压第二活塞33和滑动销34，以使得球 阀35向下移动以关闭高压燃料路径14。
控制腔61因此通过连通路径15、阀腔36和低压燃料路径23 而连通到低压燃料通道22上。当控制腔61中的油压减少且沿向 上方向作用于喷嘴6上的推压力变得大于向下方向的力时，喷嘴6 从喷嘴座65上抬升起来以通过燃料喷射端口64来喷射燃料。当 压电元件2之后被放电以发生收缩时，去除了沿向下方向用于推 动球阀35的推动力，且因此球阀35返回其最高位置。结果使得， 控制腔61中的油压再次增加，且喷嘴6座靠在喷嘴座65上以停 止燃料喷射。
根据上述实施例，位移传递部分A的弹簧部件4被形成为管 形，其中周向相对端没有彼此连接(或结合)。因此，可省去结合 工艺，进而减少了制造工序和减少了制造成本。
此外，对称的凹口42和43形成在相对端部分处，以使得由 所述成对的凹口42和43来形成开口，其中该开口等同于孔口41。 结果使得，多个孔口以及开口可形成在管形壁的整个部分上，其 中多个孔口以及开口规则地布置。弹簧部件4的相对端之间的间 隙被设计成尽可能地小，以使得可增加相对端部分的强度。相应 地，通过具有间隙c的简单结构，弹簧部件4向压电元件2施加 所需预定载荷。
此外，因为弹簧部件4布置在筒体部件5的外周面周围的空 间中，不再需要用于弹簧部件4的较大空间。因为弹簧部件4进 一步布置在第一活塞31和筒体部件5之间且弹簧部件4的两个纵 向端分别与第一活塞31和筒体部件5接触，压电元件2的驱动力 可有效地传递给第一活塞31。
结果使得，能够以低的成本制造出尺寸较小且性能较优越的 喷油器1。
图2显示了本发明的第二实施例，其中显示了弹簧部件4的 修正形式。喷油器1的基本结构和操作等同于第一实施例。
如图2所示，以和第一实施例相同的方式，在弹簧部件4的 周向相对端处形成有凹口42’和43’。然而，在该实施例中，在同 一条线上的凹口43’和相邻孔口41之间的距离“b”被制成大于孔 口41之间的距离“a”(b＞a)。该(b＞a)也适用于在同一条线上 的凹口42’和相邻孔口41之间的距离“b”。相应地，凹口42’和 43’的周向长度被制成小于第一实施例中的凹口42和43的周向长 度。
根据该实施例，在相对端部分处的弹簧常数增加，且该部分 的变形不可能克服该部分中产生的应力而产生。结果使得，可更 加可靠地抑制弹簧部件4向开口部分(相对部分)的弯曲或倾斜。
在上述实施例中(图1A)中，位移传递部分A由大径第一活 塞31和小径第二活塞33组成，以使得可增加将传递的位移量。 然而，第一活塞31和第二活塞33也可以是相等的直径。压电陶 瓷的热膨胀系数不同于金属材料。在油密腔32布置在第一活塞31 和第二活塞33之间以使得可允许燃料流入和流出油密腔32的情 况下，通过吸收具有不同热膨胀系数的多个部件之间的不同热变 形量可获得更合适的传递性能。
两通阀结构也可应用于喷油器，而取代具有三通阀结构的球 阀35，其中阀腔36和低压燃料路径通过该两通阀相连通或被该两 通阀切断。