JP2006200446A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 故障発生時に速やかにピエゾ素子を放電させ、連続噴射等を防止して、燃料噴射装置の安全性および制御性を向上させる。
【解決手段】 ピエゾインジェクタ１１〜１４の内部に、ピエゾ素子２１〜２４の両端に並列に接続されるピエゾスイッチ６１〜６４を、制御用コンピュータ４によってオンオフ制御可能に設置する。ピエゾ素子２１〜２４への充電および放電を行う駆動回路３内部または通電用配線５１、５２の故障検出時に、ピエゾスイッチ６１〜６４をオンすることで強制放電用回路を形成し、ピエゾ素子２１〜２４に蓄えられた電荷を速やかに放電させて燃料噴射を停止する。
【選択図】 図１

Description

本発明はピエゾ素子によって駆動されるピエゾインジェクタを備えた燃料噴射装置に関する。

図４に従来の燃料噴射装置の概略構成図を示す。図中、ピエゾインジェクタ１０１〜１０４の駆動部を構成するピエゾ素子１１１〜１１４は、ＰＺＴ等の圧電材料の圧電効果を利用したもので、充放電により伸縮してノズル部を開閉駆動する。ピエゾ素子１１１〜１１４は、外部の駆動回路２０１に接続されており、充電によりピエゾ素子１１１〜１１４を伸長させると、ノズル部のニードルが噴孔を開放し、燃料がエンジン筒内へ噴射される。また、放電によりピエゾ素子１１１〜１１４を収縮させると、ノズル部のニードルが噴孔を閉鎖し、燃料噴射を停止する構成となっている。

駆動回路は、一般に、充電用の高電圧を発生する高電圧発生回路と充電用および放電用のスイッチング素子を備え、噴射指令に応じて制御用コンピュータ３０１が駆動信号を出力し、充電用のスイッチング素子をオンオフ制御することにより、ピエゾ素子１１１〜１１４へ充電電流を流す。噴射停止時には、放電用のスイッチング素子をオンオフすることにより逆方向の放電電流を流し、ピエゾ素子１１１〜１１４を放電させる。

ところで、ピエゾ素子１１１〜１１４は容量性素子であり、充電が完了してスイッチング素子がオフに固定されても、充電保持状態を保つ。このため、ピエゾ素子１１１〜１１４の充電後に駆動回路２０１内部やピエゾ素子１１１〜１１４への通電用配線４０１、４０２に何らかの故障（例えば、短絡・断線等）が発生して放電不能となると、燃料噴射を停止することができなくなるおそれがある。

そこで、駆動回路２０１に故障検出回路を設けて、故障検出時に燃料噴射を停止する等の安全対策が必要となっている。ピエゾ駆動装置の故障検出に関しては、例えば、特許文献１に記載されており、充放電時に流れる電流から異常の有無を判断して運転者に知らせたり、駆動回路２０１の動作を停止したりするようになっている。
特開平１−２０２１７７号公報

しかしながら、特許文献１の装置は、充電状態にあるピエゾ素子を放電させる手段を有していない。一方、図４に示す従来装置では、ピエゾインジェクタ１０１〜１０４内に電気抵抗を設置する方式となっており、ピエゾ素子１１１〜１１４の両端に抵抗器１２１〜１２４が並列に接続されている。これは、ピエゾインジェクタ１０１〜１０４の駆動停止時にピエゾ素子１１１〜１１４の残電圧を放電するためのもので、感電防止を主目的とするが、駆動回路２０１や配線４０１、４０２等の故障が発生した際には、抵抗器１２１〜１２４を介してピエゾ素子１１１〜１１４の両端を短絡させていることから、放電による噴射停止が可能な構成となっている。

しかしながら、上記従来装置では、ピエゾ素子１１１〜１１４への充電時にも抵抗器１２１〜１２４に電流が流れる構成であり、駆動回路２０１からピエゾ素子１１１〜１１４への充電効率を高めるためには、大きな電気抵抗を選択する必要がある。このため、故障発生時の放電速度が遅くなり、その間、燃料が連続噴射されるという問題が生じる。

本発明は前記実情に鑑みなされたもので、簡単な構成で、故障発生時に速やかにピエゾ素子の放電させることにより、連続噴射等の発生を防止して、燃料噴射装置の安全性および制御性を向上させることを目的とする。

請求項１記載の発明において、燃料噴射装置は、ピエゾ素子を備えた駆動部によってノズル部を開閉駆動することにより燃料噴射を行うピエゾインジェクタと、該ピエゾインジェクタの外部に設置されて上記ピエゾ素子への充電および放電を行うピエゾ駆動回路部と、該ピエゾ駆動回路部による上記ピエゾ素子への充放電を制御する制御部とを備えている。上記ピエゾインジェクタの内部には、上記ピエゾ素子の両端に上記制御部によってオンオフ制御されるスイッチ手段が並列に接続されており、故障時に上記ピエゾ素子に蓄えられた電荷を放電させる強制放電用回路を構成している。

上記構成によれば、駆動回路部や配線の故障によりピエゾ素子からの放電が不能となった場合でも、上記スイッチ手段をオンすることでピエゾ素子の両端を短絡させて強制的に放電できる。これにより、従来の感電防止用の電気抵抗を用いた場合に比べて迅速に放電がなされるので、簡単な構成で速やかに噴射を停止させることができ、燃料噴射装置の安全性、制御性を向上させることが可能となる。

請求項２記載の発明において、上記制御手段は、上記ピエゾ駆動回路部または上記ピエゾ素子への通電経路に異常が発生し、かつ上記ピエゾ素子が充電状態にある時に、上記スイッチ手段をオンして上記ピエゾ素子を放電させる。

具体的には、上記ピエゾ素子に電荷が蓄えられた状態で、上記ピエゾ駆動回路部または上記ピエゾ素子への通電経路に故障が発生した場合に、強制放電を行う。上記スイッチ手段は上記制御手段によって直接オンオフ制御されるので、上記ピエゾ駆動回路部や配線に断線等が生じてもピエゾ素子からの放電が可能となる。

請求項３記載の発明では、上記強制放電用回路に、上記スイッチ手段と直列に抵抗を接続する。

上記強制放電用回路に抵抗を設置することもできる。上記強制放電用回路は放電時のみ閉成されるので、充電効率を考慮して上記抵抗を大きくする必要はなく、同様に、迅速な放電を行って連続噴射等を抑制する効果が得られる。

請求項４記載の発明では、複数気筒の内燃機関に対応する複数の上記ピエゾインジェクタを備え、これら複数の上記ピエゾインジェクタのそれぞれに対して上記強制放電用回路を設ける。

内燃機関の各気筒に対応して上記強制放電用回路を設け、それぞれ制御手段で放電可能とすることで、充電中のピエゾ素子を効率的に放電させて燃料噴射を防止することができる。

以下、本発明の第１の実施形態を図面により説明する。図１は本発明による燃料噴射装置の概略構成を示す図である。図中、ピエゾインジェクタ１１〜１４は、図示しないエンジンの気筒数分だけ設けられ（ここでは、４気筒エンジンの例を示す）、対応する各気筒に燃料を噴射するようになっている。ピエゾインジェクタ１１〜１４は公知の構成で、それぞれ、ピエゾ素子２１〜２４を搭載した駆動部を備えており、ピエゾ駆動回路部となる駆動回路３から充放電を行ってピエゾ素子２１〜２４を伸縮させると、これに伴い、図示しないノズル部のニードルが昇降して噴孔を開閉する。ピエゾインジェクタ１１〜１４のノズル部へは、例えば、共通のコモンレール（図略）から高圧燃料が供給されるようになっており、噴孔が開放されている間、各気筒の燃焼室内に燃料を噴射する。

ピエゾ素子２１〜２４は、通常、ＰＺＴ等からなる圧電板を多数積層してなり、各圧電板の両端面に形成した電極膜の一方を正極側端子に、他方を負極側端子に接続して電圧を印加すると、圧電効果によって積層方向へ伸長する。また、蓄積された電荷を放出すると収縮し、初期状態へ戻る。

制御部となる制御用コンピュータ４は、エンジンに設けた各種センサからの検出信号に基づいて最適な燃料の噴射時期と噴射量を演算し、噴射指令を発する。噴射指令は、ピエゾインジェクタ１１〜１４からの噴射開始時期および噴射停止時期を規定する駆動信号として駆動回路３に出力され、これに応じてピエゾ素子２１〜２４の充電および放電がなされる。

駆動回路３は、一般に、車載バッテリの給電で数十〜数百Ｖの直流電圧を発生するＤＣ−ＤＣコンバータとバッファコンデンサを有してピエゾ素子２１〜２４充電用の高電圧を出力する高電圧発生回路、充電用および放電用のスイッチング素子を有するスイッチング回路等を備え、通電用配線５１、５２によりピエゾ素子２１〜２４と接続されて充放電を行うようになっている。制御用コンピュータ４は、噴射指令に応じて充電用および放電用のスイッチング素子の制御信号を出力し、ピエゾ素子２１〜２４の充放電を制御する。

充電制御は、例えば、段階的にスイッチングを行う複数スイッチング方式によりなされ、充電用のスイッチング素子をオンオフ制御して、ピエゾ素子２１〜２４へ充電電流を流す。これを繰り返して、ピエゾ素子２１〜２４の両端間電圧が予め設定した目標電圧に達すると、充電を完了する。同様に、放電制御は、放電用のスイッチング素子をオンオフすることにより逆方向の放電電流を流すことを繰り返し、ピエゾ素子２１〜２４の両端間電圧がゼロに達すると、放電完了となる。駆動回路３は、通常、ピエゾ素子２１〜２４の両端間電圧をモニタする電圧モニタ回路を備え、制御用コンピュータ４はこれを監視しながら、ピエゾ素子２１〜２４の充放電を制御する。

なお、図１は、ピエゾ素子２１〜２４と駆動回路３との接続構造を簡略化して示しているが、通常は、図示しない素子選択用のスイッチング素子により充放電を行うピエゾ素子２１〜２４を選択可能となっている。充放電を行うピエゾ素子２１〜２４を選択して、充電用または放電用のスイッチング素子をオンオフ制御することにより、所望のピエゾ素子２１〜２４を充電または放電できる。

駆動回路３は、また、ピエゾ素子２１〜２４への通電異常を検出するための故障検出回路を有し、駆動回路３内部や配線５１、５２における断線あるいは短絡等の故障を検出して、制御用コンピュータ４は駆動回路３に故障検出信号を出力するようになっている。故障検出回路は公知の回路構成で、例えば、ピエゾ素子２１〜２４の充放電時に流れる充電電流または放電電流、あるいは充放電制御時のピエゾ素子２１〜２４の両端間電圧を検出して、所定値と比較することにより故障判定を行う。

ここで、ピエゾ素子２１〜２４が充電状態にある時に、ピエゾ駆動系に断線等の故障が発生すると、放電制御を行っても実際には放電がなされず、ピエゾ素子２１〜２４が収縮できなくなる。そこで、本発明では、ピエゾ素子２１〜２４のそれぞれに対応して、放電用のスイッチ手段であるピエゾスイッチ６１〜６４を設ける。これらピエゾスイッチ６１〜６４は、対応するピエゾ素子２１〜２４の両端に電気的に並列に接続され、制御用コンピュータ４からの入力信号によってオンオフ制御される。制御用コンピュータ４は、駆動回路３から故障検出信号が入力された時に、充電中のピエゾ素子２１〜２４に対応するピエゾスイッチ６１〜６４をオンすることにより、強制放電用回路を形成する。これにより、通常の放電動作ができない場合でも、放電可能となる。

なお、ピエゾスイッチ６１〜６４および各スイッチング素子としては、通常、パワ−トランジスタ等が用いられる。

図２は本発明効果を示す故障発生時の動作フローで、何らかの故障が発生して駆動回路３から制御コンピュータ４に故障検出信号が出力された場合（ステップＳ１、Ｓ２）、制御コンピュータ４は、ピエゾ素子２１〜２４が充電制御中かどうかを判定する（ステップＳ３）。ピエゾ素子２１〜２４が充電制御中である場合には、放電がなされずに連続噴射状態となるおそれがあるため（ステップＳ４）、図３（ａ）に示すように、制御コンピュータ４から充電制御中のピエゾ素子２１〜２４に対応するピエゾスイッチ６１〜６４に駆動信号を出力する。ピエゾスイッチ６１〜６４がオンすると（ステップＳ５）、ピエゾ素子２１〜２４の両端が短絡して直ちに放電されるので、速やかに燃料噴射を停止することができる（ステップＳ６）。

一方、図４の従来装置構成では、図５に示すように、故障発生により駆動回路３から制御コンピュータ４に故障検出信号が出力された場合（ステップＳ１１、Ｓ１２）、ピエゾ素子２１〜２４が充電制御中であると（ステップＳ１３）、放電がなされずに連続噴射状態となる（ステップＳ１４）。ピエゾ素子２１〜２４に対しそれぞれ抵抗器１２１〜１２４が接続されているので、徐々に放電されるが（ステップＳ１５）、電気抵抗を大きくしているため、ピエゾ素子２１〜２４の放電完了に時間を要する（ステップＳ１６）。このため、燃料噴射の停止が速やかになされず（ステップＳ１７）、その間、ピエゾインジェクタ１１〜１４から燃料が連続して噴射されてしまうことになる。

このように、本発明によれば、スイッチ手段をピエゾインジェクタ１１〜１４内部に設けて制御コンピュータ４でオンオフ制御するようにしたので、駆動回路３内部や配線５１、５２に不具合が生じても、直ちに強制放電させることができる。よって、簡単な構成で放電速度を速くし、故障発生時の連続噴射を最小限に抑制することができ、安全性および制御性を向上させて信頼性の高い燃料噴射装置を実現できる。また、スイッチ手段をピエゾインジェクタ内部に設けることにより、ピエゾインジェクタの外部（例えば、駆動回路の内部）に設ける場合に比して、スイッチ短絡（スイッチオン）時に生じる電磁ノイズが駆動回路内の他回路に影響を及ぼすことが軽減される効果が生じる。

また、図３（ｂ）に第２の実施形態として示すように、ピエゾ素子２１〜２４の強制放電回路に、ピエゾスイッチ６１〜６４と直列に抵抗７を配設することもできる。この構成では、通常時にはピエゾスイッチ６１〜６４がオフとなって抵抗７へ電流が流れないので、図４の従来装置構成のように充電効率を考慮する必要がなく、比較的小さな電気抵抗を選択することで、上記実施形態と同様の迅速な放電が可能となるように比較的小さな任意に設定することができる。また、抵抗７に代えてコンデンサを設置するようにしてもよい。

本発明を適用した燃料噴射装置の第１の実施形態を示す全体概略構成図である。 （ａ）は第１の実施形態におけるピエゾインジェクタの強制放電回路構成を示す図、（ｂ）は第２の実施形態におけるピエゾインジェクタの強制放電回路構成を示す図である。 第１の実施形態の燃料噴射装置における故障発生時の制御フローを示す図である。 従来の燃料噴射装置の概略構成図である。 従来の燃料噴射装置における故障発生時の制御フローを示す図である。

符号の説明

１１〜１４ インジェクタ
２１〜２４ ピエゾ素子
３ 駆動回路（ピエゾ駆動回路部）
４ 制御用コンピュータ（制御部）
５１、５２ 通電用配線
６１〜６４ ピエゾスイッチ（スイッチ手段）
７ 抵抗

Claims (4)

1. ピエゾ素子を備えた駆動部によってノズル部を開閉駆動することにより燃料噴射を行うピエゾインジェクタと、該ピエゾインジェクタの外部に設置されて上記ピエゾ素子への充電および放電を行うピエゾ駆動回路部と、該ピエゾ駆動回路部による上記ピエゾ素子への充放電を制御する制御部とを備える燃料噴射装置であって、
   上記ピエゾインジェクタ内部において、上記ピエゾ素子の両端に上記制御部によってオンオフ制御されるスイッチ手段を並列に接続し、故障時に上記ピエゾ素子に蓄えられた電荷を放電させる強制放電用回路を構成したことを特徴とする燃料噴射装置。
2. 上記制御手段は、上記ピエゾ駆動回路部または上記ピエゾ素子への通電経路に異常が発生し、かつ上記ピエゾ素子が充電状態にある時に、上記スイッチ手段をオンして上記ピエゾ素子を放電させる請求項１記載の燃料噴射装置。
3. 上記放電用回路に上記スイッチ手段と直列に抵抗を接続した請求項１または２記載の燃料噴射装置。
4. 内燃機関の複数の気筒に対応する複数の上記ピエゾインジェクタを備え、これら複数の上記ピエゾインジェクタのそれぞれに上記強制放電用回路を設けた請求項１ないし３のいずれか記載の燃料噴射装置。
   
   
   
   

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