JP2002031010A - 燃料噴射器、燃焼噴射システム及び燃料噴射器の補償方法 - Google Patents

燃料噴射器、燃焼噴射システム及び燃料噴射器の補償方法

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JP2002031010A
JP2002031010A JP2001194854A JP2001194854A JP2002031010A JP 2002031010 A JP2002031010 A JP 2002031010A JP 2001194854 A JP2001194854 A JP 2001194854A JP 2001194854 A JP2001194854 A JP 2001194854A JP 2002031010 A JP2002031010 A JP 2002031010A
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electric field
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Allen Samuraaku Thomas
アレン サムラーク トーマス
Paul Wiikuzorekku David
ポール ウィークゾレック デイヴィッド
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Siemens Automotive Corp
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 開口２８を形成している、燃料通流座部２６
を含む管アセンブリ１０、キャップ４８と心棒４６を含
む心棒アセンブリ４０、複数の圧電素子セット５２，５
４から構成されている燃料噴射器を、熱膨張、機械的な
変形などが補償されるようにする。 【解決手段】 圧電素子の第１セットは第１電界に応じ
てキャップを動かし、圧電素子の第２セットは第２電界
に応じて圧電素子の第１セットを動かし、間隙４７を測
定するセンサ６０が、管アセンブリ及び心棒アセンブリ
のうち少なくとも１つの物理変化に対して第２電界を補
償する６２，６４，６６。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電アクチュエー
タのための電子的補償器に関し、特に、少なくとも１セ
ットの圧電素子が電子的補償器回路に接続されている、
複数の圧電素子のセットを有する燃料噴射器アクチュエ
ータに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の圧電素子はセラミック構造であ
り、電圧を印加することによりその素子間に電界が発生
すると圧電素子の軸長は変化する。主用途においてはそ
の素子の軸長は、例えば、近似的には０．１２％変化す
る。素子が積層された構成では、積層の全軸長の変化は
積層された各素子の軸長の変化の合計と同じである。公
知のように、圧電素子又は圧電素子を積層したものに電
圧を印加すると、アクチュエータはほぼ瞬時に膨張し、
アクチュエータに接続されている構造体は瞬時に動く。
【０００３】内燃機関用の燃料噴射器を作動させるため
には、単一の圧電素子セット、即ち、共通の電圧が印加
される圧電素子を積層したものを使用することが知られ
ている。このような圧電アクチュエータは、燃焼室への
燃料流入量を正確に調流する燃料噴射器の弁体を正確に
開閉する。
【０００４】圧電的に作動された燃料噴射器の動作環境
に存在する熱作用及び圧力作用は、燃料噴射器内の寸法
変化を生じさせる。このような寸法変化によって燃料噴
射器のストロークが変化し、噴射器の流量特性に不安定
な変化が生じてしまう。この寸法変化を補償するには、
熱膨張が低い新材料で燃料噴射器を製造することが知ら
れている。また、弁本体の伸長を予測するために燃料噴
射器のストロークを較正することも知られている。しか
し、これらの方法はコスト高でかつ効率的でない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、圧電
アクチュエータのストロークを上げ、異なる動作条件で
の熱膨張を補償し、かつ異なる燃焼圧力及びアセンブリ
の応力下で生じる機械的変形を補償することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、第１の端と第
２の端との間に延在する長手軸線を有する管アセンブリ
を備え、該管アセンブリの第２の端に固定された座部を
備え、該座部は開口を形成し、前記管アセンブリに対し
て可動であるキャップと前記座部に対して可動である心
棒とを含む心棒アセンブリを備え、該心棒アセンブリの
心棒は、前記開口を介する燃料の流れが遮断されるよう
に該心棒が前記座部と接触して係合している第１の位置
と燃料の流れが開口を介して流れるように前記心棒が前
記座部と離間している第２の位置との間を移動し、該第
１の位置において前記キャップと前記心棒との間のある
間隙を備え、該ギャップは該第１の位置にある前記座部
と心棒との間のシーリングを高めかつ前記心棒の前記第
２の位置において無くなり、前記キャップと接触して係
合している圧電素子の第１のセットを備え、該圧電素子
の第１のセットは第１の電界に応じて前記キャップを動
かし、第２の電界に応じて前記圧電素子の第１のセット
を動かす圧電素子の第２のセットを備えている燃料噴射
器を提供する。
【０００７】また、本発明は、燃料噴射器と制御回路と
を有している燃料噴射システムを提供する。燃料噴射器
は、第１の端と第２の端との間に延在する長手軸線を有
する管アセンブリを備え、該管アセンブリの第２の端に
固定された座部を備え、該座部は開口を形成し、前記管
アセンブリに対して可動であるキャップと前記座部に対
して可動である心棒とを含む心棒アセンブリを備え、該
心棒アセンブリの心棒は、前記開口を介する燃料の流れ
が遮断されるように該心棒が前記座部と接触して係合し
ている第１の位置と燃料の流れが開口を介して流れるよ
うに前記心棒が前記座部と離間している第２の位置との
間を移動し、該第１の位置において前記キャップと前記
心棒との間のある間隙を備え、該ギャップは該第１の位
置にある前記座部と心棒との間のシーリングを高めかつ
前記心棒の前記第２の位置において無くなり、前記キャ
ップと接触して係合している圧電素子の第１のセットを
備え、該圧電素子の第１のセットは第１の電界に応じて
前記キャップを動かし、第２の電界に応じて前記圧電素
子の第１のセットを動かす圧電素子の第２のセットを備
えて成る。制御回路は、前記第１の電界を発生する第１
の電気的信号を供給する第１のドライバを備え、該第２
の電界を発生する第２の電気的信号を供給する第２のド
ライバを備え、前記間隙を測定しかつ該間隙の寸法に比
例する出力信号を発生するセンサを備え、該出力信号と
基準信号とを比較し、かつ前記間隙の寸法変化に応じて
前記第２の電気的信号を調整するコントローラを備えて
成る。
【０００８】また、本発明は、燃料噴射器を熱膨張及び
機械的変形に対して補償する方法を提供する。ここで燃
料噴射器は、第１の端と第２の端との間に延在する長手
軸線を有する管アセンブリを備え、該管アセンブリの第
２の端に固定された座部を備え、該座部は開口を形成
し、前記管アセンブリに対して可動であるキャップと前
記座部に対して可動である心棒とを含む心棒アセンブリ
を備え、該心棒アセンブリの心棒は、前記開口を介する
燃料の流れが遮断されるように該心棒が前記座部と接触
して係合している第１の位置と燃料の流れが開口を介し
て流れるように前記心棒が前記座部と離間している第２
の位置との間を移動し、該第１の位置において前記キャ
ップと前記心棒との間のある間隙を備え、該ギャップは
該第１の位置にある前記座部と心棒との間のシーリング
を高めかつ前記心棒の前記第２の位置において無くな
り、前記キャップと接触して係合している圧電素子の第
１のセットを備え、該圧電素子の第１のセットは第１の
電界に応じて前記キャップを動かし、第２の電界に応じ
て前記圧電素子の第１のセットを動かす圧電素子の第２
のセットを備えている。方法は、前記管アセンブリ及び
心棒アセンブリうち少なくとも一方の熱膨張及び機械的
変形のうち少なくとも一方に比例する出力信号を生成す
ることと、該出力信号と基準信号とを比較することと、
前記出力信号と該基準信号との間の変化量に応じて該第
２の電界を調整することとから成る。
【０００９】本明細書に組み入れられ、本明細書の１部
を構成している添付図面は、本発明の一実施例を示すも
のであり、前述の概要と以下の詳細な説明と共に本発明
の特徴を説明するのに役立つものである。
【００１０】
【実施例】次に本発明を図示の実施例に付き図面を用い
て詳細に説明する。
【００１１】燃料噴射器は、圧電素子に印加された制御
電圧によって発生される電界に応じて長さが変化する圧
電式マルチエレメントアクチュエータを含むことができ
る。このアクチュエータは燃料噴射器を開閉する弁部材
に結合される。
【００１２】図１を参照すると、燃料噴射器は、第１の
端部２０と、中央部２２と、第２の端部に位置する弁体
２４とを有する管アセンブリ１０を含んでいる。第１の
端部２０、中央部２２、及び弁体２４は、軸線１５に沿
ってアライメントされておりかつ共に固定されている。
開口２８を有する座部２６は中央部２２の反対端にある
弁体２４に固定されている。燃料は開口２８に接続され
ているチャンバ３４に供給される。
【００１３】心棒アセンブリ４０は軸線１５に沿って延
びており、座部２６に対して相互に取りつけられてい
る。心棒アセンブリ４０は、開口２８を介する燃料の流
れが遮断されるように心棒アセンブリ４０が座部２６と
接触して係合している第１の位置と開口２８を介して燃
料が流れるように心棒アセンブリ４０が座部２６と離間
している第２の位置との間を動く。弾性素子（図示せ
ず）がチャンバ３４に設置されてもよく、第１の位置に
向かって心棒アセンブリ４０にバイアスをかける。
【００１４】心棒アセンブリ４０は圧電アクチュエータ
アセンブリ５０によって第１の位置に向かって動かされ
る。本発明によれば、圧電アクチュエータは、少なくと
も、共に直列に組み立てられている圧電素子５２の第１
のセットと圧電素子５４の第２のセットとを含み、通
例、軸線１５にアライメントされている。これら２組の
セット５２，５４は個別に或いは同時に作動する。つま
り、各セット５２，５４に対する制御電圧、従って電界
は静的或いは動的であってよい。スタック長は必要或い
は用途に応じて、同じ長さであるか或いは異なったもの
であってもよい。
【００１５】本発明によれば、心棒アセンブリ４０は、
座部２６と協働して係合する心棒４６と、管アセンブリ
１０に関して圧電アクチュエータ５０によって動かされ
るキャップ４８とを含む。
【００１６】心棒アセンブリ４０が第１の位置にある場
合、間隙４７が心棒４６とキャップ４８との間の接触し
ている係合を分離する。座部２６と心棒４６との間のシ
ーリングを高めるには間隙４７を最小にすることが望ま
しい。しかし、間隙４７が大き過ぎると、圧電アクチュ
エータ５０の変位に基づく心棒４６のストロークは縮小
され、間隙４７が無い場合、即ち、心棒アセンブリ４０
の第１の位置で心棒４６とキャップ４８が接触して係合
している場合には、心棒４６と座部２６との間のシーリ
ング力が軽減されてしまう。
【００１７】実際、燃料噴射器は噴射器の動作環境に存
在する熱運動及び圧力作用によって寸法変化を呈する。
このような寸法変化は燃料噴射器の動作特性及び性能に
直接影響を及ぼす。本発明はこれらの寸法変化を測定
し、必要であれば補償するものである。具体的に言え
ば、心棒４６とキャップ４８との間の間隙４７の寸法が
測定され、かつ目標とする間隙４７の範囲と比較され
る。
【００１８】また、図２を参照すると、心棒４６とキャ
ップ４８との間の間隙４７の寸法を測定するためにセン
スコイル６０が使用されている。センスコイル６０は、
心棒４６とキャップ４８との間の連結部を囲繞するよう
に配置されてもよい。図１に示すように、例えば、セン
スコイル６０用のボビンと心棒４６用のガイド・ブッシ
ングとが結合されて単一の多機能ユニットになってもよ
い。
【００１９】燃料噴射器の動作中は、内部燃焼圧力及び
外部温度の変化によって燃料噴射器は寸法変化を生じる
ことになる。このような変化によって結果的には、心棒
４６とキャップ４８との間の間隙４７は大きくなったり
／小さくなったりする。センスコイル６０は、間隙４７
の寸法に相当する信号をコントローラ６２に出力する。
コントローラ６２は出力された信号を解読し、目標とす
る間隙の範囲に相当する１つ又は複数の基準信号と比較
する。補正が必要な場合、即ち、間隙４７のサイズが目
標とする間隙の範囲に入っていない場合には、目標とす
る間隙の範囲を維持するために閉ループ回路が圧電素子
５４の第２のセットに印加された電圧を補償する。閉ル
ープ回路は、センスコイル６０、コントローラ６２、補
償された電圧信号を供給するドライバ６４、及び圧電素
子５４の第２のセットを含んでいることができる。圧電
素子５４の第２のセットの制御された作動によって間隙
寸法の制御が可能となり、また燃料噴射器の性能を最適
化することもできる。
【００２０】別のドライバ６６は、電界を発生させる電
圧信号を圧電素子５２の第１のセットに供給する。図３
に示すように、圧電素子５２の第１のセットに印加され
る電圧信号は、圧電素子５４の第２のセットに印加され
る電圧信号と異なるものである。したがって、本発明は
圧電的に作動された燃料噴射器の性能及び制御の柔軟性
を改善することができる。例えば、圧電素子５２，５４
の第１及び第２のセットは、弁揚程を増大させかつ熱負
荷及び機械的負荷による構成部品の長さの変化を補償す
る、即ち特定の揚程跡を形作ることができる。
【００２１】本発明は２セットの圧電素子に限定される
ものではなく、３セット又はそれ以上の圧電素子のセッ
トを含んでもよい。
【００２２】特定の実施例を参照して本発明を開示して
きたが、添付された請求項に定義されているように本発
明の範囲から逸脱することなく種々の改良、改変、及び
変更を解説されている実施例に加えることも可能であ
る。したがって、本発明は解説されている実施例に限定
されるものではないことを意図しているが、本発明はす
べての請求範囲を以下の請求項の専門用語及びその同等
物によって規定することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電アクチュエータを含む燃料噴射器
の断面略図である。
【図２】本発明の圧電アクチュエータのための制御回路
の略図である。
【図３】本発明の圧電アクチュエータ２セットの寸法変
化をまとめたもの４例を示す波形図である。
【符号の説明】
２６ 座部、 ４０ 心棒アセンブリ、 ４６ 心棒、
４７ 間隙、 ５０圧電アクチュエータアセンブリ、
５２，５４ 圧電素子セット、 ６０ センスコイ
ル、 ６２ コントローラ、 ６４，６６ ドライバ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイヴィッド ポール ウィークゾレック アメリカ合衆国 ヴァージニア シーフォ ード スパラー ロード 217 Ｆターム(参考） 3G066 AA02 AB02 AD12 BA43 BA44 CC06U CC40 CD25 CE27

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料噴射器であって、第１の端と第２の
    端との間に延在する長手軸線を有する管アセンブリを備
    え、該管アセンブリの第２の端に固定された座部を備
    え、該座部は開口を形成し、前記管アセンブリに対して
    可動であるキャップと前記座部に対して可動である心棒
    とを含む心棒アセンブリを備え、該心棒アセンブリの心
    棒は、前記開口を介する燃料の流れが遮断されるように
    該心棒が前記座部と接触して係合している第１の位置と
    燃料の流れが開口を介して流れるように前記心棒が前記
    座部と離間している第２の位置との間を移動し、該第１
    の位置において前記キャップと前記心棒との間のある間
    隙を備え、該ギャップは該第１の位置にある前記座部と
    心棒との間のシーリングを高めかつ前記心棒の前記第２
    の位置において無くなり、前記キャップと接触して係合
    している圧電素子の第１のセットを備え、該圧電素子の
    第１のセットは第１の電界に応じて前記キャップを動か
    し、第２の電界に応じて前記圧電素子の第１のセットを
    動かす圧電素子の第２のセットを備えている燃料噴射
    器。
  2. 【請求項２】 さらに、前記間隙を測定しかつ前記第２
    の電界と電気的に相互接続されているセンサを有してい
    る請求項１記載の燃料噴射器。
  3. 【請求項３】 前記センサは前記間隙を囲繞するコイル
    を含む請求項２記載の燃料噴射器。
  4. 【請求項４】 前記間隙は、前記管アセンブリと心棒ア
    センブリのうち少なくとも一方の物理変化に比例するサ
    イズを有する請求項２記載の燃料噴射器。
  5. 【請求項５】 前記物理変化は熱膨張及び機械的変形の
    うち少なくとも一方を含む請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記圧電素子の第１のセットの電気機械
    的伸長及び縮小は第１の軸線に沿っており、かつ前記圧
    電素子の第２のセットの電気機械的伸長及び縮小は該第
    １の軸線に実質的に平行である第２の軸線に沿っている
    請求項１記載の燃料噴射器。
  7. 【請求項７】 前記第１及び第２の軸は実質的に同一線
    線上にある請求項６記載の燃料噴射器。
  8. 【請求項８】 前記第１の電界は前記第１の位置から前
    記第２の位置に前記心棒アセンブリを動かす請求項１記
    載の燃料噴射器。
  9. 【請求項９】 前記第２の電界は前記第１の位置から前
    記第２の位置に前記心棒アセンブリを動かす請求項８記
    載の燃料噴射器。
  10. 【請求項１０】 燃料噴射システムであって、第１の端
    と第２の端との間に延在する長手軸線を有する管アセン
    ブリを備え、該管アセンブリの第２の端に固定された座
    部を備え、該座部は開口を形成し、前記管アセンブリに
    対して可動であるキャップと前記座部に対して可動であ
    る心棒とを含む心棒アセンブリを備え、該心棒アセンブ
    リの心棒は、前記開口を介する燃料の流れが遮断される
    ように該心棒が前記座部と接触して係合している第１の
    位置と燃料の流れが開口を介して流れるように前記心棒
    が前記座部と離間している第２の位置との間を移動し、
    該第１の位置において前記キャップと前記心棒との間の
    ある間隙を備え、該ギャップは該第１の位置にある前記
    座部と心棒との間のシーリングを高めかつ前記心棒の前
    記第２の位置において無くなり、前記キャップと接触し
    て係合している圧電素子の第１のセットを備え、該圧電
    素子の第１のセットは第１の電界に応じて前記キャップ
    を動かし、第２の電界に応じて前記圧電素子の第１のセ
    ットを動かす圧電素子の第２のセットを備えて成る燃料
    噴射器と、前記第１の電界を発生する第１の電気的信号
    を供給する第１のドライバを備え、該第２の電界を発生
    する第２の電気的信号を供給する第２のドライバを備
    え、前記間隙を測定しかつ該間隙の寸法に比例する出力
    信号を発生するセンサを備え、該出力信号と基準信号と
    を比較し、かつ前記間隙の寸法変化に応じて前記第２の
    電気的信号を調整するコントローラを備えて成る制御回
    路とを有している燃料噴射システム。
  11. 【請求項１１】 前記センサは前記間隙を囲繞するコイ
    ルを含む請求項１０記載の燃料噴射システム。
  12. 【請求項１２】 前記間隙の寸法の変化は、前記管アセ
    ンブリ及び前記心棒アセンブリのうち少なくとも一方の
    物理変化に比例する請求項１０記載の燃料噴射システ
    ム。
  13. 【請求項１３】 前記物理変化は、熱膨張及び機械的変
    形のうち少なくとも１つを含む請求項１２記載の燃料噴
    射システム。
  14. 【請求項１４】 前記圧電素子の第１のセットの電気機
    械的伸長及び縮小は第１の軸線に沿ったものであり、か
    つ前記圧電素子の第２のセットの電気機械的伸長及び縮
    小は、前記第１の軸線に実質的に平行である第２の軸線
    に沿ったものである請求項１０記載の燃料噴射システ
    ム。
  15. 【請求項１５】 前記第１及び第２の軸は実質的に同一
    直線上にある請求項１４記載の燃料噴射システム。
  16. 【請求項１６】 前記第１の電界は前記第１の位置から
    前記第２の位置まで前記心棒アセンブリを動かす請求項
    １０記載の燃料噴射システム。
  17. 【請求項１７】 前記第２の電界は前記第１の位置から
    前記第２の位置まで前記心棒アセンブリを動かす請求項
    １６記載の燃料噴射システム。
  18. 【請求項１８】 第１の端と第２の端との間に延在する
    長手軸線を有する管アセンブリを備え、該管アセンブリ
    の第２の端に固定された座部を備え、該座部は開口を形
    成し、前記管アセンブリに対して可動であるキャップと
    前記座部に対して可動である心棒とを含む心棒アセンブ
    リを備え、該心棒アセンブリの心棒は、前記開口を介す
    る燃料の流れが遮断されるように該心棒が前記座部と接
    触して係合している第１の位置と燃料の流れが開口を介
    して流れるように前記心棒が前記座部と離間している第
    ２の位置との間を移動し、該第１の位置において前記キ
    ャップと前記心棒との間のある間隙を備え、該ギャップ
    は該第１の位置にある前記座部と心棒との間のシーリン
    グを高めかつ前記心棒の前記第２の位置において無くな
    り、前記キャップと接触して係合している圧電素子の第
    １のセットを備え、該圧電素子の第１のセットは第１の
    電界に応じて前記キャップを動かし、第２の電界に応じ
    て前記圧電素子の第１のセットを動かす圧電素子の第２
    のセットを備えている燃料噴射器を熱膨張及び機械的変
    形に対して補償する方法であって、前記管アセンブリ及
    び心棒アセンブリうち少なくとも一方の熱膨張及び機械
    的変形のうち少なくとも一方に比例する出力信号を生成
    することと、該出力信号と基準信号とを比較すること
    と、前記出力信号と該基準信号との間の変化量に応じて
    該第２の電界を調整することとから成る燃料噴射器を補
    償する方法。
  19. 【請求項１９】 前記出力信号を生成することは前記間
    隙を測定することを含む請求項１８記載の方法。
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