JP2000097123A - 圧電式燃料噴射弁及び燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アクチュエータ１４のサイズ又は駆動電圧を
効果的に低減する。機関始動時における不用意な燃料噴
射を防止する。 【解決手段】 印加電圧により圧電式のアクチュエータ
１４を収縮させると、アクチュエータ側ピストン１６を
介して差圧室３４内の圧力が変動し、この差圧室３４と
燃圧室３６との圧力差によりニードル弁側ピストン３０
を介してニードル弁２８が進退し、燃料噴射が行われ
る。差圧室３４内に、少なくとも燃料より大きな体積弾
性率を有する作動流体を予め密封する。また、機関の始
動に先がけて、アクチュエータ１４を徐々に伸長させ
て、差圧室３４内の圧力を、少なくとも燃圧室３６内の
燃圧よりも高い所定の初期設定圧まで上昇させる。

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、自動車等の内燃
機関に用いられる燃料噴射装置に関し、特に、圧電式ア
クチュエータの伸縮に応じて高圧燃料噴射を実現する圧
電式燃料噴射弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧電式燃料噴射弁として、特開平
６−２８０７１１号公報に記載されたものが公知であ
る。この燃料噴射弁は、印加電圧に応じて伸縮する圧電
式のアクチュエータと、このアクチュエータと一体に進
退するピストンと、このピストンの一端が臨んだ差圧室
と、燃料噴孔を開閉するニードル弁と、燃料通路を介し
て燃料が導入され、ニードル弁の開弁時に燃料噴孔と連
通する燃圧室と、を備え、上記差圧室と燃圧室との圧力
差によりニードル弁を進退させて燃料噴孔を開閉するよ
うに構成されている。

【０００３】このような圧電式燃料噴射弁は、アクチュ
エータの駆動制御による高精度の噴射制御と、ニードル
弁の前後に作用する燃圧室及び差圧室の圧力を利用した
高い燃料噴射圧の確保とを両立できるため、高圧噴射が
要求される筒内直接噴射式の内燃機関に特に適してい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな圧電式燃料噴射弁は、燃圧室と差圧室とがオリフィ
スを介して互いに連通しており、差圧室内の作動流体が
燃料となるために、以下のような課題を有している。

【０００５】第１に、差圧室内に存在する作動流体とし
ての燃料の体積弾性率は一般的な作動流体の中でも相対
的に小さいため、ニードル弁を高応答で開閉させるため
には、ニードル弁前後（差圧室）の圧力変動を大きくす
る必要があり、そのためには、アクチュエータの変位量
を大きくする必要がある。この結果、アクチュエータの
変位量が大きくなり、あるいはアクチュエータの駆動電
圧が高くなり、サイズ，コスト，消費電力等の点で課題
を残している。

【０００６】第２に、内燃機関の始動時には、燃圧室内
に供給される燃料の圧力上昇に伴って、燃圧室内の圧力
が速やかに上昇する一方、オリフィスを介して燃圧室に
連通する差圧室内の圧力上昇は相対的に遅れる形とな
る。この結果、一時的に燃圧室内の圧力が差圧室に対し
て高くなって、ニードル弁が不用意に開弁して燃料が噴
射されてしまう虞があり、信頼性の点で課題を残してい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る圧電式燃料
噴射弁は、印加電圧により伸縮する圧電式のアクチュエ
ータと、このアクチュエータと一体に進退するアクチュ
エータ側ピストンと、このアクチュエータ側ピストンの
一端が臨んだ差圧室と、燃料噴孔を開閉するニードル弁
と、燃料通路を介して燃料が導入され、上記ニードル弁
の開弁時に燃料噴孔と連通する燃圧室と、上記差圧室と
燃圧室との圧力差に応じて上記ニードル弁と一体に進退
するニードル弁側ピストンと、を備えている。

【０００８】上記の構成により、アクチュエータを収縮
させると、差圧室内の圧力が速やかに上昇し、差圧室と
燃圧室との圧力差に応じてニードル弁が開弁し、燃料が
噴射される。一方、アクチュエータを伸長させると、差
圧室内の圧力が速やかに下降し、差圧室と燃圧室との圧
力差に応じてニードル弁が閉弁し、燃料噴射が停止され
る。

【０００９】そして、請求項１の発明は、上記第１の課
題に鑑みてなされたもので、上記差圧室内に、少なくと
も燃料より大きな体積弾性率を有する作動流体を予め密
封したことを特徴としている。

【００１０】この請求項１の発明によれば、差圧室内の
作動流体が燃料の場合に比して、ニードル弁の高応答性
を維持するために必要十分な圧力差を維持しつつ、アク
チュエータの変位量又は駆動電圧を効果的に抑制するこ
とができる。

【００１１】請求項１の発明をより具体化した請求項２
の発明は、上記アクチュエータ側ピストンと、このアク
チュエータ側ピストンが嵌合するシリンダとの間に、上
記差圧室をシールする第１のシール部材を設けるととも
に、上記ニードル弁側ピストンと、このピストンが嵌合
するシリンダとの間に、上記燃圧室と差圧室とを液密に
隔成する第２のシール部材を設けたことを特徴としてい
る。

【００１２】請求項３，４の発明は、上記第２の課題に
鑑みてなされたもので、上記アクチュエータを伸縮させ
て上記差圧室内の圧力を制御する制御手段を備え、この
制御手段は、内燃機関の始動に先がけて、上記差圧室内
の圧力を、少なくとも燃圧室内の燃圧よりも高い所定の
初期設定圧まで速やかに上昇させることを特徴としてい
る。

【００１３】このように、内燃機関の始動前には差圧室
内の圧力が燃圧室内の燃圧よりも高く維持されるため、
両者の圧力差によりニードル弁が開弁方向へ移動するこ
とはなく、始動直後における不用意な燃料噴射を確実に
抑制することができる。

【００１４】ここで、アクチュエータを伸長させること
により、差圧室内の圧力を所定の初期設定圧まで上昇さ
せているため、何ら機械的な構成を追加する必要はな
い。

【００１５】請求項３，４の発明を具体化した請求項５
の発明は、上記アクチュエータの一部を、上記差圧室内
の圧力を検出する圧力センサとして利用し、上記制御手
段は、この圧力センサからの検出信号に基づいて、上記
差圧室内の圧力をフィードバック制御することを特徴と
している。

【００１６】この場合、アクチュエータの一部を圧力セ
ンサとして利用することによって、構成が簡素化されて
いるとともに、この圧力センサからの検出信号に基づい
て、差圧室内の圧力をフィードバック制御しているた
め、より高精度な圧力制御が可能となる。

【００１７】また、請求項６の発明に係る燃料噴射装置
は、内燃機関の始動時には、上記圧電式燃料噴射弁とは
異なる始動用燃料噴射弁により燃料噴射を行い、上記燃
圧室内の圧力が少なくとも上記初期設定圧以下の所定の
設定圧に達した時点で、上記始動用燃料噴射弁を停止す
るとともに、上記圧電式燃料噴射弁による燃料噴射を開
始することを特徴としている。

【００１８】請求項６の発明によれば、差圧室内の圧力
が所定の設定圧に達する前に、始動用燃料噴射弁により
燃料噴射を行い、内燃機関を始動させることができる。

【００１９】

【発明の効果】以上のように、請求項１，２の発明によ
れば、差圧室内の作動流体が燃料の場合に比して、ニー
ドル弁の高応答性を維持するために必要十分な圧力差を
維持しつつ、アクチュエータの変位量又は駆動電圧を効
果的に抑制することができ、サイズの小型化，低コスト
化，低電力化を図ることができる。

【００２０】請求項３，４の発明によれば、簡素な構造
で、始動直後における不用意な燃料噴射を確実に抑制す
ることができ、信頼性が向上する。

【００２１】請求項５の発明によれば、アクチュエータ
の一部を圧力センサとして利用しているため、簡素な構
造で、差圧室内の圧力をより高精度に制御することが可
能となり、信頼性が更に向上する。

【００２２】請求項６の発明によれば、始動用燃料噴射
弁を用いることにより、差圧室内の圧力が所定の設定圧
に達する前に、内燃機関を始動させることができ、機関
始動の即応性が向上する。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の一実施例に係
る圧電式燃料噴射弁１の構成を示す断面図である。

【００２４】ノズルホルダ１０内には、制御部１２より
印加される電圧に応じて伸縮する圧電式のアクチュエー
タ１４と、このアクチュエータ１４と一体に進退するア
クチュエータ側ピストン１６と、アクチュエータ１４を
収縮方向に予圧する皿バネ１８とが収容されている。な
お、符号２０はノズルホルダ１０の開口部を閉塞する端
末キャップ，２２はアクチュエータ１４の後端と端末キ
ャップ２０との間に介装される補助ピストンである。

【００２５】また、ノズルホルダ１０の先端に固定され
るノズルボディ２４内には、ノズルボディ２４先端に形
成された燃料噴孔２６を開閉するニードル弁２８と、こ
のニードル弁２８の後端に固定され、ニードル弁２８と
一体に進退するニードル弁側ピストン３０と、このニー
ドル弁側ピストン３０をニードル弁２８の閉弁方向へ付
勢するリターンスプリング３２とが収容されている。

【００２６】そして、アクチュエータ１４の伸縮により
アクチュエータ側ピストン１６の一端が臨んだ差圧室３
４（５０，５２，５４）内の圧力を変化させ、この差圧
室３４と、ニードル弁２８の開弁時に燃料噴孔２６と連
通する燃圧室３６との差圧によって、ニードル弁２８を
進退させて、燃料噴射を行うように構成されている。

【００２７】制御部１２は、駆動線３８を介してアクチ
ュエータ１４に電圧を印加する駆動回路４０と、この駆
動回路４０に接続されたＥＣＵ（エンジン・コントロー
ル・ユニット）４２とを有している。このＥＣＵ４２
は、エンジン回転数，吸入空気量，コモンレール圧力等
の運転状態を示す制御因子等に基づいて、アクチュエー
タ１４の変位量を制御して、燃料噴射時期及び噴射量を
統括的に制御している。

【００２８】アクチュエータ１４は、例えばピエゾ素子
を多数積層して構成されている。そして、このアクチュ
エータ１４の一部が、差圧室３４内の圧力を検出する圧
力センサ４４として利用されている。すなわち、圧力セ
ンサ４４以外のアクチュエータ１４は、印加電圧に応じ
て電荷を充電して変位を得るように構成されているのに
対し、圧力センサ４４は、荷重（圧力）が作用したとき
に起電力が生じる圧電効果を利用して、差圧室３４内の
圧力を間接的に検出するように構成されている。

【００２９】そして、ＥＣＵ４２は、圧力センサ４４か
ら信号線４６を介して出力される検出信号に基づいて、
差圧室３４内の圧力をフィードバック制御している。

【００３０】燃圧室３６には、ノズルボディ２４に穿設
された燃料通路４８を介して燃料が導入され、この燃料
は、ニードル弁２８の開弁時に燃料噴孔２６を介して噴
射される。そして、燃圧室３６に臨んだニードル弁側ピ
ストン３０の先端面３０ａに、燃圧室３６内の燃圧が開
弁方向へ作用する。

【００３１】差圧室３４は、アクチュエータ側ピストン
１６の先端が臨んだ変圧室５０と、ニードル弁側ピスト
ン３０の後端３０ｂが臨んだ背圧室５２との間に、比較
的小径な連通路５４が設けられており、アクチュエータ
側ピストン１６の進退により生じる圧力脈動を、上記の
連通路５４で適宜に減衰させる構造となっている。そし
て、差圧室３４に臨んだニードル弁側ピストン３０の後
端３０ｂに、差圧室３４内の圧力が閉弁方向へ作用す
る。

【００３２】ここで、差圧室３４内には、少なくとも燃
料（体積弾性率が約６００〜７００ＭＰａ）よりも体積
弾性率の大きい所定量の作動流体、例えば体積弾性率が
燃料の約２〜２．５倍の１５００ＭＰａであるシリコン
油が噴射弁１の組立時に予め密封されている。

【００３３】より具体的には、差圧室３４内を液密にシ
ールするために、アクチュエータ側ピストン１６の外周
に形成された周方向溝５６には、このピストン１６が進
退可能に嵌合するアクチュエータ側シリンダ５８との間
をシールするＯリング６０が配設されているとともに、
ニードル弁側ピストン３０の外周に形成された周方向溝
６２には、このピストン３０が進退可能に嵌合するニー
ドル側シリンダ６４との間をシールするニードル弁側Ｏ
リング６６が設けられている。このニードル弁側Ｏリン
グ６６によって、差圧室３４と燃圧室３６とが液密に隔
成されている。

【００３４】また、各周方向溝５６，６２には、Ｏリン
グ６０，６６の差圧室３４側へのはみ出しを抑制するバ
ックアップリング６８，７０がそれぞれ配設されてい
る。

【００３５】更に、差圧室３４内の圧力がＯリング６
０，６６に直接的に作用することのないように、差圧室
３４と各Ｏリング６０，６６との間には、僅かな隙間の
オリフィス通路７２，７４が設定されている。

【００３６】なお、ここでは図示していないが、この圧
電式燃料噴射弁１が適用される内燃機関の燃料噴射装置
には、例えば吸気ポート内に燃料を噴射する始動時用燃
料噴射弁が別途設けられている。

【００３７】次に本実施例の制御の流れを図２に示すフ
ローチャートを参照して説明する。

【００３８】イグニッションのＯＮが検出されると（ス
テップ１）、内燃機関の始動に先がけて、差圧室３４内
の圧力を、予め設定された所定の初期設定圧Ｐ１となる
まで上昇させる（ステップ２，３）。すなわち、駆動回
路４０からの印加電圧によりアクチュエータ１４を段階
的に伸長させ、差圧室３４内の圧力を徐々に上昇させ
る。このとき、圧力センサ４４には、差圧室３４内の圧
力に比例した荷重（差圧室３４内の圧力×アクチュエー
タ側ピストン１６の圧力作用面積）が作用し、この荷重
に応じた起電力が検出信号として信号線４６を介してＥ
ＣＵ４２へ出力される。ＥＣＵ４２には、予め起電力と
荷重（圧力）との相関を示すマップが記憶されており、
このマップに基づいて、差圧室３４内の圧力が推定され
る。この推定された圧力値を用いて、差圧室３４内の圧
力が初期設定圧Ｐ１となるようにフィードバック制御さ
れる。

【００３９】そして、差圧室３４の圧力が初期設定圧Ｐ
１になった時点で、アクチュエータ１４の伸長をストッ
プさせるとともに、予め設定された設定燃圧Ｐ２が読み
込まれる（ステップ４）。

【００４０】続くステップ５でスタータを回して内燃機
関の始動が行われるが、ここでの燃料噴射（供給）は、
上記の始動用燃料噴射弁により行われる（ステップ
６）。このような機関の始動に伴って、機関回転数が上
昇し、かつ、燃圧室３６に燃料を供給するコモンレール
内の圧力を上昇させる。

【００４１】そして、ステップ７，８では、コモンレー
ル用圧力センサからの検出信号に基づいて、コモンレー
ル内の圧力、すなわち燃圧室３６に供給される燃圧が、
ステップ４で読み込まれた所定の設定圧Ｐ２となるよう
にフィードバック制御される。

【００４２】ここで、設定圧Ｐ２は、少なくとも上記の
初期設定圧Ｐ１以下に設定されている。従って、燃圧室
３６内の燃圧が差圧室３４内の圧力よりも高くなること
はなく、不用意な燃料噴射が確実に防止されている。

【００４３】続くステップ９〜１４では、差圧室３４内
の圧力も設定燃圧Ｐ２となるように、圧力センサ４４か
らの検出信号に基づいて差圧室３４内の圧力をフィード
バック制御する。

【００４４】具体的には、ステップ９で検出される差圧
室３４内の圧力が設定燃圧Ｐ２を越えている場合、ステ
ップ１１からステップ１２へ進み、アクチュエータ１４
を収縮させて、差圧室３４内の圧力を低下させる。一
方、差圧室３４内の圧力が設定燃圧Ｐ２よりも低い場合
には、ステップ１３からステップ１４へ進み、アクチュ
エータ１４を伸長させて、差圧室３４内の圧力を上昇さ
せる。そして、差圧室３４内の圧力が設定燃圧Ｐ２と等
しくなった時点で、ステップ１０からステップ１５へ進
み、圧電式燃料噴射弁１による高圧燃料噴射の準備が完
了し、始動用燃料噴射弁を停止するとともに（ステップ
１６）、圧電式燃料噴射弁１による燃料噴射を開始す
る。

【００４５】このように、内燃機関の始動時、詳しくは
圧電式燃料噴射弁１による燃料噴射が行われるまでは、
燃圧室３６内の燃圧が差圧室３４内の圧力以下に維持さ
れる。従って、ニードル弁が開弁方向へ移動することは
なく、機関始動時における不用意な燃料噴射を確実に防
止することができる。

【００４６】この後の高圧燃料噴射は、周知の噴射ルー
チンに基づいて実行される。簡単に説明すると、アクチ
ュエータ１４の収縮（電荷放電）により、差圧室３４内
の圧力を速やかに下降させ、この差圧室３４と燃圧室３
６との差圧によりニードル弁２８が開弁し、燃料が噴射
される。燃料噴射の停止は、アクチュエータ１４の伸長
（電荷充電）により、差圧室３４内の圧力を燃圧室３６
の燃圧よりも所定値αだけ高い値まで上昇させ、リター
ンスプリング３２の閉弁方向加重との合力で、ニードル
弁２８を閉弁させることにより行われる。

【００４７】このような燃料噴射期間を除いて、通常運
転時における圧電式燃料噴射弁１の制御は、図２の破線
で囲んだ範囲Ｒに示したステップ７〜１５に従って行わ
れる。すなわち、差圧室３４内の圧力は、常にコモンレ
ール内の圧力、すなわち燃圧室３６内の圧力と等しくな
るように、圧力センサ４４の検出信号を用いてフィード
バック制御されている。

【００４８】以上のように本実施例によれば、第１に、
噴射弁１の組立時に差圧室３４内に作動流体を密封でき
る構造とし、その作動流体が少なくとも燃料よりも大き
な体積弾性率を有しているため、ニードル弁２８の高応
答性を維持するために必要十分な差圧を維持しつつ、作
動流体に燃料を用いた場合に比して、差圧室３４内の圧
力変動代が大きなものとなる。この結果、アクチュエー
タ１４の変位量あるいはアクチュエータ１４の長さに比
例する印加電圧を効果的に低減することができ、ひいて
は、サイズの小型化，低電力化を図ることができる。

【００４９】第２に、内燃機関の始動に先がけて、差圧
室３４内の圧力を、少なくとも燃圧室３６内の燃圧より
も高い所定の初期設定圧Ｐ１まで速やかに上昇させてい
るため、機関始動時における不用意な燃料噴射を確実に
抑制することができ、信頼性が向上する。ここで、アク
チュエータ１４を伸長させることにより、差圧室３４内
の圧力を上昇させているため、何ら機械的な構成を追加
する必要はない。

【００５０】第３に、アクチュエータ１４の一部を差圧
室３４用の圧力センサ４４として利用しているため、構
成が簡素化されるとともに、この圧力センサ４４からの
検出信号に基づいて、差圧室３４内の圧力をフィードバ
ック制御しているため、圧力制御をより高精度に行うこ
とができ、信頼性が更に向上する。

【００５１】第４に、差圧室３４内の圧力が所定の設定
圧Ｐ２に達する前に、始動用燃料噴射弁により燃料噴射
を行うことで、内燃機関を始動させることができ、機関
始動の即応性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る圧電式燃料噴射弁の
構成を示す構成図。

【図２】この実施例の制御の流れを示すフローチャー
ト。

【符号の説明】

１…圧電式燃料噴射弁 １２…制御部 １４…アクチュエータ １６…アクチュエータ側ピストン ２６…燃料噴孔 ２８…ニードル弁 ３０…ニードル弁側ピストン ３４…差圧室 ３６…燃圧室 ６０，６６…Ｏリング（シール部材）

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G066 AA01 AB02 AD10 BA12 BA17 BA31 BA61 BA67 CC06T CC08T CC14 CC61 CC64U CD10 CD25 CD26 CE27 CE31 CE34 DB01 DC09 DC11 DC18

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 印加電圧により伸縮する圧電式のアクチ
   ュエータと、このアクチュエータと一体に進退するアク
   チュエータ側ピストンと、このアクチュエータ側ピスト
   ンの一端が臨んだ差圧室と、燃料噴孔を開閉するニード
   ル弁と、燃料通路を介して燃料が導入され、上記ニード
   ル弁の開弁時に燃料噴孔と連通する燃圧室と、上記差圧
   室と燃圧室との圧力差に応じて上記ニードル弁と一体に
   進退するニードル弁側ピストンと、を備え、 上記差圧室内に、少なくとも燃料より大きな体積弾性率
   を有する作動流体を予め密封したことを特徴とする圧電
   式燃料噴射弁。
2. 【請求項２】 上記アクチュエータ側ピストンと、この
   アクチュエータ側ピストンが嵌合するシリンダとの間
   に、上記差圧室をシールする第１のシール部材を設ける
   とともに、 上記ニードル弁側ピストンと、このピストンが嵌合する
   シリンダとの間に、上記燃圧室と差圧室とを液密に隔成
   する第２のシール部材を設けたことを特徴とする請求項
   １に記載の圧電式燃料噴射弁。
3. 【請求項３】 上記アクチュエータを伸縮させて上記差
   圧室内の圧力を制御する制御手段を備え、 この制御手段は、内燃機関の始動に先がけて、上記差圧
   室内の圧力を、少なくとも燃圧室内の燃圧よりも高い所
   定の初期設定圧まで速やかに上昇させることを特徴とす
   る請求項１または２に記載の圧電式燃料噴射弁。
4. 【請求項４】 印加電圧により伸縮する圧電式のアクチ
   ュエータと、このアクチュエータと一体に進退するアク
   チュエータ側ピストンと、このアクチュエータ側ピスト
   ンの一端が臨んだ差圧室と、燃料噴孔を開閉するニード
   ル弁と、燃料通路を介して燃料が導入され、上記ニード
   ル弁の開弁時に燃料噴孔と連通する燃圧室と、上記差圧
   室と燃圧室との圧力差に応じて上記ニードル弁と一体に
   進退するニードル弁側ピストンと、上記アクチュエータ
   を伸縮させて上記差圧室内の圧力を制御する制御手段
   と、を備え、 この制御手段は、内燃機関の始動に先がけて、上記差圧
   室内の圧力を、少なくとも燃圧室内の燃圧よりも高い所
   定の初期設定圧まで速やかに上昇させることを特徴とす
   る圧電式燃料噴射弁。
5. 【請求項５】 上記アクチュエータの一部を、上記差圧
   室内の圧力を検出する圧力センサとして利用し、 上記制御手段は、この圧力センサからの検出信号に基づ
   いて、上記差圧室内の圧力をフィードバック制御するこ
   とを特徴とする請求項３又は４に記載の圧電式燃料噴射
   弁。
6. 【請求項６】 内燃機関の始動時には、上記圧電式燃料
   噴射弁とは異なる始動用燃料噴射弁により燃料噴射を行
   い、上記燃圧室内の圧力が少なくとも上記初期設定圧以
   下の所定の設定圧に達した時点で、上記始動用燃料噴射
   弁を停止するとともに、上記圧電式燃料噴射弁による燃
   料噴射を開始することを特徴とする請求項３〜５のいず
   れかに記載の燃料噴射装置。