JP2005180192A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料の噴射特性が安定した燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】 燃料噴射装置１は、加圧燃料が貯められ、噴射口を有する燃圧室を規定するボディと、ボディ内に設けられ噴射口を開閉する弁と、弁に接続された伝達部材と、伝達部材の動作を制御する、圧電素子または磁歪素子から構成されるアクチュエータと、アクチュエータに開弁信号と閉弁信号とを選択的に送る制御部としてのＥＣＵ１００とを備える。ＥＣＵ１００は、燃料噴射中の伝達部材の変位がほぼ一定となるようにアクチュエータに開弁信号を送る。ＥＣＵ１００は、伝達部材の変位を一定にするための開弁信号に関するマップデータ１０１を有し、そのマップデータ１０１に基づいてアクチュエータに開弁信号を送る。
【選択図】 図１

Description

この発明は、燃料噴射装置に関し、特に圧電素子や磁歪素子を用いた燃料噴射装置に関するものである。

従来、アクチュエータとして圧電素子を用いた燃料噴射装置が、たとえば特開平１０−３０６７５６号公報（特許文献１）に開示されている。
特開平１０−３０６７５６号公報

上記公報に開示された燃料噴射装置（インジェクタ）の分野では、インジェクタに電圧が印加され、その印加時間に応じて燃料の噴射量が決定される。一般に、インジェクタの通電時間に対し、噴射量はスムーズに単調増加の関係にあるべきであるが、通電時間の増加に対し、噴射量がリニアに増加しない領域が発生する。

走行中に要求された噴射量Ｑに応じて、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）は、複数のマップ上の点から計算して、通電時間を求める。インジェクタは、この通電時間に関する信号を受けて燃料を噴射する。

通常、噴射量と通電時間の関係が単調増加の関係にあれば、要求された噴射量Ｑと実際の噴射量Ｑとは等しくなるが、素直な単調増加が生じていない領域では、要求された噴射量Ｑと実際の噴射量Ｑとの間で差が生じ、排気性能が悪化したり、実際の噴射量Ｑが要求値より少ないと加速性能が悪くなる。また、実際の噴射量Ｑがばらつくという問題もあった。このような問題は以下のように説明される。

図１０は従来のインジェクタの圧電素子に印加される電圧と、それに対応した他のパラメータとの関係を示すグラフである。図１０の（Ａ）は、通電時間と圧電素子に印加される電圧との関係を示す。図１０の（Ｂ）は通電時間と大径ピストンの変位を示す。図１０の（Ｃ）は、通電時間と噴射率との関係を示す。

インジェクタでは、圧電素子により構成されるアクチュエータに、順に大径ピストン、小径ピストンおよび開閉弁が設けられている。開閉弁が動作することによって噴射口から燃料が噴射される。図１０を参照して、時刻ｔ０において、ＥＤＵ（インジェクタ駆動ユニット）内の充電スイッチがオンされる。これにより圧電素子には電荷が流れ込み、電圧はＶ０まで上昇する。これに伴い、圧電素子が変形するため、この変形に伴い大径ピストンおよび小径ピストンも移動する。そして、大径ピストンおよび小径ピストンともに変位が最大となる。

しかしながら、この変位が最大の状態で大径ピストン、小径ピストンおよび変位拡大室で練成された固有振動が生じる。アクチュエータは縦弾性係数も金属に比べて小さいため、振動により発生する荷重で伸縮する。この伸縮の影響を受けてアクチュエータと隣接する大径ピストンの先端の変位は変動する。

また、アクチュエータは荷重の変動を受けることにより自ら発生した電荷により電圧変動も生じることになる。

次に、時間が経過して時刻ｔ１において通電を停止し、放電を開始したとする。すると図１０の（Ａ）で示されるように圧電素子内の電圧が低下する。また、時刻ｔ２からｔ５で放電を開始した場合にも、同様に圧電素子内の電圧は印加する。このとき、図１０の（Ｂ）から（Ｃ）で示すように大径ピストンの変位および噴射率も変動する。しかしながら、大径ピストンにうねりが生じているため、時刻ｔ１からｔ５のどのタイミングで放電を開始したかによって噴射率が異なる。

このように、インジェクタの噴射量は大径ピストンおよび小径ピストンの開閉弁時期に依存しているため、これらの時期が不安定であると、毎回ばらつきの悪化となる。また、開弁、閉弁時期がそれぞれ通電時間に対し規則正しく変化していかないと、噴射量が単調増加にならず、いわゆるうねりが発生する。図１０で示すように、大径ピストンは、短時間に急激な電荷をチャージャされることにより、うねりが生じる。このうねりは通電を切った後でも変位に影響を与える。振動している大径ピストンがどの位置にいるときに噴射終了信号が来るかによって、小径ピストンが着座するまでの時間が変わるため、インジェクタ本体の噴射終了イベント開始時期が影響を受ける。したがって、実噴射期間が影響を受け、通電時間に対して噴射量が素直に変化しないことがあり得る。

また、小径ピストンの振動は不安定なものであるから、一定の通電時間の場合でも、これまでに説明したのと同様な原因で毎回の噴射量がばらつくことになる。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、噴射特性が改善された燃料噴射装置を提供することを目的とする。

この発明に従った燃料噴射装置は、加圧燃料が貯められ、噴射口を有する燃圧室を規定するボディと、ボディ内に設けられて噴射口を開閉する開閉弁と、ボディ内で開閉弁に接続された伝達部材と、伝達部材の動作を制御する、圧電素子または磁歪素子から構成されるアクチュエータと、アクチュエータに開弁信号と閉弁信号とを選択的に送る制御部とを備える。制御部は燃料噴射中の伝達部材の変位がほぼ一定となるようにアクチュエータに開弁信号を送る。

このように構成された燃料噴射装置では、制御部は燃料噴射中の伝達部材の変位がほぼ一定となるようにアクチュエータに開弁信号を送るため、燃料噴射中の伝達部材の変位がほぼ一定となる。その結果、伝達部材の変位にうねりまたは波打ちが生じることがない、噴射特性が安定した燃料噴射装置を提供することができる。

また好ましくは、制御部は伝達部材の変位を一定にするための開弁信号に関するマップデータを有し、そのマップデータに基づいてアクチュエータに開弁信号を送る。

より好ましくは、制御部は加圧燃料の複数の圧力に対応した複数のマップデータを有し、加圧燃料の圧力に応じて複数のマップデータから開弁信号を演算してアクチュエータに送る。

この場合、加圧燃料の圧力に対応したきめ細かな制御が可能となり、より安定した噴射特性を有する燃料噴射装置を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従った燃料噴射装置のブロック図である。図１を参照して、燃料噴射装置１は、制御部としてのＥＣＵ１００と、ＥＣＵ１００からの信号を受けるＥＤＵ２００と、ＥＤＵに接続されたインジェクタ３００とを有する。ＥＣＵ１００は、燃料噴射に関するマップデータ１０１を有する。ＥＣＵ１００とＥＤＵ２００とは、充電スイッチおよび放電スイッチの制御用通信線で接続されている。

ＥＤＵ２００には、シリンダ数に応じたインジェクタ３００が複数本接続されている。

図２は、図１中のＥＤＵ内の回路を示す回路図である。図２を参照して、ＥＤＵ２００内には、電源に接続されるＤＣ−ＤＣコイル２０１、ＤＣ−ＤＣコイル２０１に接続されるＤＣ−ＤＣダイオード２０２、ＤＣ−ＤＣコイル２０１と接地とを接続するＤＣ−ＤＣスイッチ２０３を有する。

ＤＣ−ＤＣダイオード２０２と接地との間にＤＣ−ＤＣ電解コンデンサ２０５が設けられる。ＤＣ−ＤＣ電解コンデンサ２０５に接続されるように充電スイッチ２０６が接続される。充電スイッチ２０６と接地との間に放電スイッチ２０８が設けられる。インジェクタごとに圧電素子により構成されるアクチュエータ３０２に、気筒選択スイッチ３２１が設けられる。

図３は、インジェクタの構造を説明するための断面図である。図３を参照して、インジェクタ３００は、加圧燃料としての高圧燃料４０１が貯められ、噴射口３１０を有する燃圧室３０９を規定するボディ３０１と、ボディ３０１内に設けられ、噴射口３１０を開閉する弁としての開閉バルブ３０８と、開閉バルブ３０８に接続された伝達部材３０５としての大径ピストン３０３および小径ピストン３０４と、伝達部材３０５の動作を制御する、圧電素子または磁歪素子から構成されるアクチュエータ３０２とを備える。図１で示すように、燃料噴射装置１は、アクチュエータ３０２に開弁信号と閉弁信号とを選択的に送る制御部としてのＥＣＵ１００を備える。ＥＣＵ１００は、燃料噴射中の伝達部材３０５の変位がほぼ一定となるようにアクチュエータ３０２に開弁信号を送る。ＥＣＵ１００は、伝達部材３０５の変位を一定にするための開弁信号に関するマップデータ１０１を有し、そのマップデータ１０１に基づいてアクチュエータ３０２に開弁信号を送る。

図３で示すように、ボディ３０１内に圧電素子（たとえばＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）の積層体により構成されるアクチュエータ３０２が配置されている。アクチュエータ３０２には、正の電圧が印加されることでアクチュエータ３０２は伸びる。アクチュエータ３０２に接続されるように大径ピストン３０３が設けられる。大径ピストン３０３はアクチュエータ３０２とともにボディ３０１の内部空間３４１内を、ボディ３０１の長手方向に沿って移動することが可能である。大径ピストン３０３のフランジ状の部分にばね３５１が接触しており、ばね３５１は大径ピストン３０３をアクチュエータ３０２へ近づく方向へ付勢する。

大径ピストン３０３と小径ピストン３０４との間には、変位拡大室３１３が設けられている。変位拡大室３１３には低圧燃料が充填されている。変位拡大室３１３において、小径ピストン３０４に向かい合う部分の面積は大径ピストン３０３に向かい合う部分の面積よりも小さい。これにより、大径ピストン３０３の変位を拡大して小径ピストン３０４へ伝達することができる。変位拡大室３１３と内部空間３４１内には、ともに低圧燃料が満たされている。変位拡大室３１３内にはばね３５２が設けられており、ばね３５２は大径ピストン３０３と接触して、大径ピストン３０３をアクチュエータ３０２へ近づく方向へ付勢する。

小径ピストン３０４は制御バルブ３０７に接続されている。制御バルブ３０７、小径ピストン３０４、大径ピストン３０３はともにアクチュエータ３０２へ近づく方向と、アクチュエータ３０２から遠ざかる方向とに移動することが可能である。制御バルブ３０７は、高圧燃料４０１と低圧燃料４０２との境界を規定している。図３で示す状態では、制御バルブ３０７は小径ピストン３０４に押圧されているため、高圧燃料４０１が低圧燃料４０２側へ流れ込む状態となっている。

燃圧室３０９内には、スライド可能にニードルバルブからなる開閉バルブ３０８が設けられている。開閉バルブ３０８にはばね３５３が接触しており、ばね３５３が開閉バルブ３０８を噴射口３１０へ近づく方向に押し付ける。

次に、図３で示すインジェクタ３００の動作について説明する。図４は、燃料噴射停止時の制御バルブを示す断面図である。図５は、燃料噴射時の制御バルブを示す断面図である。図３および図４を参照して、噴射停止時には、アクチュエータ３０２には電圧が印加されない。これにより、アクチュエータ３０２は縮んだ状態となる。このとき大径ピストン３０３はばね３５１，３５２により、アクチュエータ３０２側へ押し付けられる。これに伴い小径ピストン３０４もアクチュエータ３０２側へ移動する。制御バルブ３０７も高圧燃料４０１に押されてアクチュエータ３０２側へ移動する。これにより、図４で示すように高圧燃料４０１と低圧燃料４０２との間が塞がれる。それにより高圧燃料４０１が低圧燃料４０２側へ移動することがない。燃圧室３０９ではばね３５３により開閉バルブ３０８が噴射口３１０側へ押されているため、噴射口３１０から燃料が噴出することがない。

噴射時には、アクチュエータ３０２にＥＤＵ２００から電圧を加える。具体的には、ＥＤＵ２００内の充電スイッチ２０６をオンにする。これによりＤＣ−ＤＣ電解コンデンサ２０５内の電荷がアクチュエータ３０２を構成する圧電素子へ流れ込む。圧電素子は膨張する。これによりアクチュエータ３０２に接続された大径ピストン３０３、および小径ピストン３０４が噴射口３１０へ向かって移動する。これに伴い、小径ピストン３０４に接続された制御バルブ３０７も移動する。このとき図５で示すように制御バルブ３０７のリフト量がＬとなると、隙間が生じて、この隙間を矢印４０３で示すように高圧燃料４０１が流れる。これにより高圧燃料４０１および室４０４の圧力が低下して開閉バルブ３０８がばね３５３へ近づく方向に移動する。このとき、図３で示すように燃圧室３０９から噴射口３１０を介して燃料が噴射される。

図６は、本発明に従った燃料噴射装置での燃料噴射時の時刻と電圧との関係を示すグラフである。図７は、燃料噴射時の時刻と大径ピストンの変位とを示すグラフである。図６および図７では、噴射時におけるアクチュエータに印加される電圧および大径ピストンの変位が示される。

図６を参照して、時刻ｔ０においてアクチュエータ３０２に電圧が印加される。このとき、図７で示すように大径ピストンの変位は一気に上昇する。図６で示されるように、アクチュエータ３０２に印加される電圧は一定ではなく、変則的な電圧を印加する。この電圧は、図２で示す充電スイッチ２０６および放電スイッチ２０８を適切なタイミングでオンオフすることで得られる。このオンオフのタイミングは図１のマップデータ１０１に従う。すなわち、マップデータ１０１には、大径ピストン３０３の変位を、図７で示すように一定にするための電圧の印加のタイミングに関するデータが記録されている。すなわち、ＥＣＵ１００は、大径ピストン３０３の変位の変動を打消すような、充放電スイッチのオン時間に関するマップデータ１０１を有している。このデータがＥＤＵ２００内の充電スイッチ２０６および放電スイッチ２０８に伝えられる。

マップデータ１０１は、予め大径ピストン３０３の変位を一定にするためのさまざまなテストに基づいて作成される。

実施の形態１に従った燃料噴射装置１は、高圧燃料４０１が貯められ、噴射口３１０を有する燃圧室３０９を規定するボディ３０１と、ボディ３０１内に設けられて噴射口３１０を開閉する開閉バルブ３０８と、ボディ３０１内で開閉バルブ３０８に接続された伝達部材３０５と、伝達部材３０５の動作を制御する、圧電素子または磁歪素子から構成されるアクチュエータ３０２と、アクチュエータ３０２に開弁信号と閉弁信号とを選択的に送る制御部としてのＥＣＵ１００とを備える。ＥＣＵ１００は燃料噴射中の伝達部材３０５の変位がほぼ一定となるようにアクチュエータ３０２に開弁信号を送る。アクチュエータ３０２に印加する電圧を調整することで、燃料噴射時に伝達部材３０５の変位がほぼ一定に保たれる。

ＥＣＵ１００は、伝達部材３０５の変位を一定にするための開弁信号に関するマップデータ１０１を有し、そのマップデータ１０１に基づいてアクチュエータ３０２に開弁信号を送る。

このように、本発明では、圧電素子を用いたインジェクタ３００の大径ピストン３０３の振動を押さえ込むような電圧を印加する。これにより、大径ピストン３０３の振動を安定させ、噴射特性を改善することができる。

（実施の形態２）
図８は、この発明の実施の形態２に従った燃料噴射装置のブロック図である。図８を参照して、この発明の実施の形態２に従った燃料噴射装置１では、ＥＣＵ１００は複数のマップデータ１０１，１０２，１０３および１０４を有する。マップデータ１０１は、高圧燃料４０１の圧力が４０ＭＰａの場合のマップデータであり、マップデータ１０２は、高圧燃料４０１の圧力が８０ＭＰａの場合のマップデータであり、マップデータ１０３は高圧燃料４０１の圧力が１２０ＭＰａの場合のマップデータであり、マップデータ１０４は高圧燃料４０１の圧力が１８０ＭＰａの場合のマップデータである。各マップデータ１０１から１０４は、各圧力４０ＭＰａから１８０ＭＰａでの大径ピストンの変位を一定にするための電圧を規定する。

図６および図７で示すように、１回の噴射に必要とされる噴射時間は、通常エンジンの負荷と回転数によって決定される。さらに、高圧燃料４０１の圧力が異なると、同じ時間噴射口３１０を開いても噴射される燃料の量が異なる。したがって、高圧燃料４０１の圧力に応じて、噴射時間およびアクチュエータ３０２に電圧が印加される時間を決定する必要がある。この実施の形態では、制御部としてのＥＣＵ１００は、加圧燃料としての高圧燃料４０１の複数の圧力に対応した複数のマップデータ１０１から１０４を有する。高圧燃料４０１の圧力に応じて、複数のマップデータ１０１から１０４から開弁信号を演算してアクチュエータ３０２に送る。図９を参照して、まずＥＣＵ１００は高圧燃料４０１の圧力を検出する（ステップＳ６０１）。

次に、高圧燃料４０１の圧力に対して、マップデータ１０１から１０４に組込まれた直近の２つの設定圧力に関するマップにアクセスする（ステップＳ６０２）。たとえば、高圧燃料４０１の圧力が６０ＭＰａであれば、圧力が４０ＭＰａのマップデータ１０１と圧力が８０ＭＰａのマップデータ１０２とにアクセスする。

次に、ＥＣＵ１００は、上述のステップで選択した２つのマップデータ１０１，１０２から、検出圧力（６０ＭＰａ）でのマップデータを作成する（ステップＳ６０３）。このマップデータに基づき、ＥＣＵ１００はアクチュエータ３０２に図６で示すような電圧を印加する。

このように構成されたこの発明の実施の形態２に従った燃料噴射装置１では、実施の形態１に従った燃料噴射装置と同様の効果がある。さらに、複数の圧力に基づいて電圧を印加する時間を調整することができるため、よりきめの細かな制御が可能となる。その結果さらに燃料の噴射特性を向上させることができる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形することが可能である。まず、アクチュエータ３０２を構成する材料として、実施の形態では発電素子を示したが、これに限られるものではなく、磁歪素子からアクチュエータ３０２を構成することができる。また、この発明はコモンレールを用いたディーゼルエンジンの燃料噴射機構として適用することができる。また、ガソリンエンジンの燃料噴射装置としてこの発明を適用することも可能である。さらに、ディーゼルエンジンであっても、直接噴射式、副室噴射式のいずれにも適用することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、自動車の燃料噴射装置の分野で使用することができる。

この発明の実施の形態１に従った燃料噴射装置のブロック図である。 図１中のＥＤＵ内の回路を示す回路図である。 インジェクタの構造を説明するための断面図である。 燃料噴射停止時の制御バルブを示す断面図である。 燃料噴射時の制御バルブを示す断面図である。 本発明に従った燃料噴射装置での燃料噴射時の時刻と電圧との関係を示すグラフである。 燃料噴射時の時刻と大径ピストンの変位とを示すグラフである。 この発明の実施の形態２に従った燃料噴射装置のブロック図である。 実施の形態２に従った燃料噴射装置の動作を示すフロー図である。 従来の燃料噴射装置での燃料噴射時の時間と他のパラメータとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 燃料噴射装置、１００ ＥＣＵ、１０１〜１０４ マップデータ、２００ ＥＤＵ、３００ インジェクタ、３０１ ボディ、３０２ アクチュエータ、３０３ 大径ピストン、３０４ 小径ピストン、３０５ 伝達部材、３０７ 制御バルブ、３０８ 開閉バルブ、３０９ 燃圧室、３１０ 噴射口、４０１ 高圧燃料、４０２ 低圧燃料。

Claims (3)

1. 加圧燃料が貯められ、噴射口を有する燃圧室を規定するボディと、
   前記ボディ内に設けられて前記噴射口を開閉する開閉バルブと、
   前記ボディ内で前記開閉バルブに接続された伝達部材と、
   前記伝達部材の動作を制御する、圧電素子または磁歪素子から構成されるアクチュエータと、
   前記アクチュエータに開弁信号と閉弁信号とを選択的に送る制御部とを備え、
   前記制御部は燃料噴射中の伝達部材の変位がほぼ一定となるようにアクチュエータに開弁信号を送る、燃料噴射装置。
2. 前記制御部は、前記伝達部材の変位を一定にするための信号に関するマップデータを有し、そのマップデータに基づいて前記アクチュエータに信号を送る、請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 前記制御部は前記加圧燃料の複数の圧力に対応した複数の前記マップデータを有し、前記加圧燃料の圧力に応じて前記複数のマップデータから開弁信号を演算して前記アクチュエータに送る、請求項２に記載の燃料噴射装置。

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