JP2006226137A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピエゾインジェクタにおいて、制御弁体に圧電性部材の伸縮を伝達する機構（変位伝達機構）を簡素化しても、各種の寸法変動要因の影響を除去して、噴射制御に対する信頼性を維持することができる燃料噴射装置を提供することにある。
【解決手段】燃料噴射装置は、所定の印加電圧特性に従って圧電性部材に電圧を印加することで、圧電性部材を伸長させる制御手段と、圧電性部材から変位伝達機構を通じて制御弁体に負荷される荷重を検出する荷重検出手段とを有し、制御手段は、荷重検出手段から出力される検出荷重に応じて印加電圧特性を補正する。ここで、各種の寸法変動要因は、変位伝達機構を介して制御弁体に負荷される荷重の変動に反映される。よって、上記のように印加電圧特性を補正することで、寸法変動要因を印加電圧特性の補正に反映させることができる。この結果、噴射制御に対する信頼性を維持することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、圧電性部材の伸縮を利用してエンジンに燃料を噴射供給する燃料噴射装置に関する。

〔従来の技術〕
従来から、圧電性部材の伸縮を利用して背圧を制御することで噴孔の開閉を行う燃料噴射弁（以下、「ピエゾインジェクタ」と呼ぶ）を備えた燃料噴射装置が公知となっている。ピエゾインジェクタは、圧電性部材の伸縮を利用して背圧室を開閉する制御弁体、背圧室の開閉に伴う背圧の増減により噴孔を開閉する噴射弁体を有する。そして、所定の印加電圧特性に従って圧電性部材に電圧が印加され、圧電性部材が伸長することで背圧が制御されて噴孔が開放される。

ピエゾインジェクタは、圧電性部材と制御弁体との間に、圧電性部材の伸縮を制御弁体に伝達する変位伝達機構を具備する。そして、従来の変位伝達機構は、少なくとも、圧電性部材側に配置される大径ピストンと、大径ピストンよりも小径であって制御弁体側に配置される小径ピストンとを有する。そして、従来の変位伝達機構では、大径ピストンの一端面、小径ピストンの他端面、およびインジェクタボディの内面とで形成される燃料室を介して、圧電性部材の伸縮が拡大されて制御弁体に伝達される。

ところで、この燃料室は、圧電性部材の伸縮を拡大して伝達する機能以外に、初期寸法のばらつき、磨耗による寸法変化、インジェクタボディと圧電性部材との素材の違いに基づく温度寸法変化の差などの寸法変動要因を吸収する機能を果たしている。すなわち、寸法変動要因が吸収されないと、圧電性部材の伸長量と制御弁体の変位量との関係が変動する。そして、圧電性部材の伸長量と制御弁体の変位量との関係が変動すると、背圧が増減する時期、さらに噴孔が開閉される時期が変動してしまう。このため、所望の時期に噴射を開始することができなくなるとともに、所望の時期に噴射を終了することもできなくなり、噴射制御に対する信頼性が著しく低下してしまう。

そこで、圧電性部材への電圧印加を制御して噴射制御を行う場合、圧電性部材の伸長量と制御弁体の変位量とは、常に同じ関係を保つ必要がある。そして、この必要性に対し、燃料室では所定の圧力を維持するように燃料の給排が行われ、これにより、寸法変動要因を吸収し、圧電性部材の伸長量と制御弁体の変位量との関係を常に一定に維持している（例えば、特許文献１参照）。

〔従来技術の不具合〕
しかし、従来の変位伝達機構によれば、上記のように大径ピストンと小径ピストンとを具備し、燃料室を形成する必要があり、さらに燃料室に燃料を給排する手段も必要となる。このため、従来のピエゾインジェクタは、体格が大きくコストも高い。
特開２００１−１４０７２７号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、ピエゾインジェクタの変位伝達機構を簡素化しても、噴射制御に対する信頼性を維持することができる燃料噴射装置を提供することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の燃料噴射装置は、圧電性部材の伸縮を利用して背圧室を開閉する制御弁体、背圧室の開閉に伴う背圧の増減により噴孔を開閉する噴射弁体を有する燃料噴射弁と、所定の印加電圧特性に従って圧電性部材に電圧を印加することで、圧電性部材を伸長させる制御手段とを備える。また、この燃料噴射装置は、圧電性部材から制御弁体に負荷される荷重を検出する荷重検出手段を備え、制御手段は、荷重検出手段からの出力に応じて印加電圧特性を補正する。

例えば、変位伝達機構において燃料室を形成しないことにすると、変位伝達機構は極めて簡素になるものの、初期寸法のばらつき、磨耗による寸法変化、インジェクタボディと圧電性部材との素材の違いに基づく温度寸法変化の差などの寸法変動要因を吸収することができなくなり、圧電性部材の伸長量と制御弁体の変位量との関係は、変動してしまう。

しかし、寸法変動要因は、圧電性部材が変位伝達機構を介して制御弁体に負荷する荷重の変動に反映される。例えば、圧電性部材、制御弁体またはこれらの間に介在する何らかの部材が圧電性部材の伸縮方向に磨耗して寸法が小さくなると、この寸法の縮小量に応じて、制御弁体に負荷される荷重も小さくなる。

よって、上記構成のように、燃料噴射装置が圧電性部材から制御弁体に負荷される荷重を検出する荷重検出手段を備え、制御手段が荷重検出手段からの出力に応じて印加電圧特性を補正することで、寸法変動要因を印加電圧特性の補正に反映させることができる。この結果、ピエゾインジェクタにおいて、例えば、燃料室の形成を省略して変位伝達機構を簡素化しても、噴射制御に対する信頼性を維持することができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の燃料噴射装置では、荷重検出手段が、燃料噴射弁に内蔵され、圧電性部材の伸縮方向に圧電性部材と直列に組み込まれている。
これにより、荷重の検出を正確かつ容易に行うことができる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の燃料噴射装置では、荷重検出手段が、圧電性部材と一体化された圧電素子により構成されている。
つまり、圧電性部材の一部を荷重検出手段として利用することができる。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の燃料噴射装置の印加電圧特性は、圧電性部材への印加電圧が、所定の目標値を所定の保持期間、維持するパターンを有し、印加電圧特性の補正に用いられる出力は、保持期間に荷重検出手段により検出されたものである。
これにより、荷重が安定した時に補正用の出力データを検出することができる。この結果、補正に対する信頼性を高めることができる。

〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の燃料噴射装置では、制御手段が、荷重検出手段からの出力に応じて、印加電圧の目標値を増減する。
この手段は、印加電圧特性の補正方法の一形態を示すものである。

〔請求項６の手段〕
請求項６に記載の燃料噴射装置では、制御手段が、荷重検出手段からの出力に応じて、圧電性部材への電圧印加開始時期を前後させる。
この手段は、印加電圧特性の補正方法の一形態を示すものである。

〔請求項７の手段〕
請求項７に記載の燃料噴射装置では、燃料噴射弁に、圧電性部材の伸縮を制御弁体に伝達する変位伝達機構が設けられている。そして、この変位伝達機構は、圧電性部材から負荷される荷重を部材同士の当接により制御弁体に伝達することで、圧電性部材の伸縮を制御弁体に伝達する。
これにより、流体の液圧（すなわち、燃料室の燃料の圧力）を利用することなく、圧電性部材から制御弁体に、圧電性部材の伸縮を伝達することができる。このため、燃料室を設ける必要がなくなる。

〔請求項８の手段〕
請求項８に記載の燃料噴射装置では、変位伝達機構が、圧電性部材から荷重を受ける受圧部、および圧電性部材からの荷重を制御弁体に加える加圧部を具備するピストンにより、圧電性部材の伸縮を制御弁体に伝達する。

最良の形態１の燃料噴射装置は、圧電性部材の伸縮を利用して背圧室を開閉する制御弁体、背圧室の開閉に伴う背圧の増減により噴孔を開閉する噴射弁体を有する燃料噴射弁と、所定の印加電圧特性に従って圧電性部材に電圧を印加することで、圧電性部材を伸長させる制御手段とを備える。また、この燃料噴射装置は、圧電性部材から制御弁体に負荷される荷重を検出する荷重検出手段を備え、制御手段は、荷重検出手段からの出力に応じて印加電圧特性を補正する。

荷重検出手段は、燃料噴射弁に内蔵され、圧電性部材の伸縮方向に圧電性部材と直列に組み込まれている。また、荷重検出手段は、圧電性部材と一体化された圧電素子により構成されている。

印加電圧特性は、圧電性部材への印加電圧が、所定の目標値を所定の保持期間、維持するパターンを有する。印加電圧特性の補正に用いられる出力は、この保持期間に荷重検出手段により検出されたものである。そして、制御手段は、荷重検出手段からの出力に応じて、印加電圧の目標値を増減する。

また、最良の形態１の燃料噴射装置では、燃料噴射弁に、圧電性部材の伸縮を制御弁体に伝達する変位伝達機構が設けられている。そして、変位伝達機構は、圧電性部材から負荷される荷重を部材同士の当接により制御弁体に伝達することで、圧電性部材の伸縮を制御弁体に伝達する。また、この変位伝達機構は、圧電性部材から荷重を受ける受圧部、および圧電性部材からの荷重を制御弁体に加える加圧部を具備するピストンにより、圧電性部材の伸縮を制御弁体に伝達する。

最良の形態２の燃料噴射装置では、制御手段が、荷重検出手段からの出力に応じて、圧電性部材への電圧印加開始時期を前後させる。

〔実施例１の構成〕
実施例１の燃料噴射装置１の構成を、図１および図２を用いて説明する。
この燃料噴射装置１は、例えば、燃料噴射ポンプ（図示せず）により吐出された燃料を高圧状態で蓄圧するコモンレール２、コモンレール２から燃料の供給を受けるとともにエンジン（図示せず）に燃料を噴射する燃料噴射弁３、燃料噴射ポンプや燃料噴射弁３等を駆動制御する制御手段４等を備える蓄圧式である。

燃料噴射弁３は、圧電性部材７の伸縮を利用して背圧室８を開閉する制御弁体９、背圧室８の開閉に伴う背圧の増減により噴孔１０を開閉する噴射弁体１１を有する。すなわち、燃料噴射弁３は、圧電性部材７の伸縮を利用して背圧を制御することで噴孔１０の開閉を行うピエゾインジェクタである（以下、燃料噴射弁３をピエゾインジェクタ３とする）。

ピエゾインジェクタ３は、噴孔１０および背圧室８が設けられ噴射弁体１１を内蔵するノズル１４、圧電性部材７を内蔵する本体１５、圧電性部材７に電圧を印加するための端子（図示せず）が接続されるコネクタ１６等から構成されている。ここで、ノズル１４は、リテーニングナット１７により、本体１５の先端側に複数のチップパッキン１８、１９、２０を介して締め付け固定され、コネクタ１６は、リテーニングナット２１により、本体１５の後端側に締め付け固定されている。

そして、コモンレール２から噴孔１０まで高圧の燃料を導くための高圧流路２５が、本体１５、チップパッキン１８、１９、２０およびノズル１４を貫通するように形成されている。また、チップパッキン１８、１９、２０が積層されることで、低圧流路２６が開口する低圧室２７、高圧流路２５から背圧室８へ燃料を供給するための背圧供給流路２８、主に背圧室８から低圧室２７に背圧を排出するための背圧給排流路２９、制御弁体９を摺動自在に収容する弁室３０、弁室３０および背圧給排流路２９を介して、背圧供給流路２８とは別に背圧室８へ燃料を供給するための第２背圧供給流路３１などが形成されている。

また、背圧供給流路２８には、背圧室８への供給流量を規制するインオリフィス３５が設けられ、背圧給排流路２９には、背圧室８からの排出流量を規制するアウトオリフィス３６、および制御弁体９を後端側に付勢するスプリング３７を収容するスプリング室３８が設けられている。なお、インオリフィス３５の孔径は、アウトオリフィス３６の孔径よりも小さい。このため、背圧排出時には排出流量が供給流量よりも多くなり、確実に背圧を低下させることができる。

ノズル１４は、噴孔１０および背圧室８が設けられたノズルボディ４１と、ノズルボディ４１に収容され噴孔１０を開閉する針状の噴射弁体１１とを有する。

ノズルボディ４１では、先端側に噴孔１０が設けられ、後端側に背圧室８が設けられている。また、ノズルボディ４１には、高圧流路２５が開口してコモンレール２と、常時、連通する燃料溜まり４２、燃料溜まり４２から噴孔１０まで燃料を導くためのガイド孔４３が設けられている。ガイド孔４３の先端側には、先端に向かい縮径するように円錐状のシート面４４が設けられている。さらに、シート面４４の先端側にサック室４５が設けられ、サック室４５に噴孔１０が開口している。

噴射弁体１１は、後端部が摺動軸部４８をなし、燃料溜まり４２の後端側に設けられた軸受け面４９により摺動自在に支持されている。摺動軸部４８の後端面は、チップパッキン２０の先端側とともに背圧室８を形成する。なお、背圧室８には、噴射弁体１１を先端側に付勢するスプリング５０が収容されている。

また、噴射弁体１１は、先端部が円錐状に縮径され、シート面４４に着座するシート部５１が設けられている。そして、シート部５１がシート面４４に着座することで、噴孔１０と燃料溜まり４２との間が遮断されて噴孔１０が閉鎖される。また、シート部５１がシート面４４から離座することで、噴孔１０と燃料溜まり４２との間が連通し噴孔１０が開放される。

以上より、噴射弁体１１には、噴射弁体１１を先端側に付勢して噴孔１０を閉鎖する閉孔付勢力として、背圧による付勢力およびスプリング５０による付勢力等が作用し、噴射弁体１１を後端側に付勢して噴孔１０を開放する開孔付勢力として、燃料溜まり４２の燃料の圧力による付勢力等が作用している。そして、背圧が低下して閉孔付勢力が開孔付勢力よりも弱くなると、噴射弁体１１が後端側に変位し噴孔１０が開放される。また、背圧が増加して閉孔付勢力が開孔付勢力よりも強くなると、噴射弁体１１が先端側に変位し噴孔１０が閉鎖される。

本体１５は、本体ボディ５４、圧電性部材７、圧電性部材７の伸縮に伴い同軸方向に変位するピストン５５等からなる。また、本体１５には、圧電性部材７の伸縮をピストン５５により制御弁体９に伝達する変位伝達機構が設けられている。

圧電性部材７は、圧電素子５７と電極板５８とを交互に積層してなるピエゾスタックである。圧電性部材７の先端側は、調整シム５９を介してピストン５５を押圧する先端側押圧部材６０により支持され、圧電性部材７の後端側は、後端側支持部材６１により支持されている。先端側押圧部材６０は、本体ボディ５４の内部に装着された筒状部材６２の内周に、溶接等により固定され、後端側支持部材６１は、この筒状部材６２の内周に摺動自在に支持されている。これにより、圧電性部材７は筒状部材６２の内部に収容され、筒状部材６２の内部で伸縮する。ここで、調整シム５９とは、製作時に、先端側押圧部材６０とピストン５５との間に介挿される隙間調整部材である。

なお、圧電性部材７の先端側は、筒状部材６２の先端に装着される弾性膜部材６３により油密が保たれている。このため、先端側押圧部材６０の先端は、弾性膜部材６３を介して調整シム５９に当接している。また、圧電性部材７の後端側は、後端側支持部材６１に装着されるＯリング６４により油密が保たれ、コネクタ１６への油漏れが防止されている。

圧電性部材７の最後端部に位置する圧電素子５７は、圧電性部材７から制御弁体９に負荷される荷重を検出する荷重検出手段をなす。すなわち、荷重検出手段は、ピエゾインジェクタ３に内蔵され、圧電性部材７の伸縮方向に、最後端部の圧電素子５７以外の圧電性部材７と直列に組み込まれている。また、荷重検出手段は、圧電性部材７と一体化された圧電素子５７により構成されている。

このように、圧電性部材７の最後端部は、荷重を検出するセンサ部６６をなし、最後端部以外の部分は、ピストン５５や制御弁体９等を駆動するアクチュエータ部６７をなす。そして、アクチュエータ部６７には制御手段４から電圧が印加され、印加電圧に応じた荷重が、先端側の制御弁体９等に負荷されるとともに、後端側のセンサ部６６にも負荷される。そして、センサ部６６では、負荷された荷重に応じた電圧が、検出信号として出力される。

変位伝達機構は、圧電性部材７から負荷される荷重を部材同士の当接により制御弁体９に伝達することで、圧電性部材７の伸縮を制御弁体９に伝達する。すなわち、変位伝達機構は、従来のように燃料の圧力を利用することなく、圧電性部材７の伸縮を制御弁体９に伝達する。また、変位伝達機構は、単一のピストン５５が、弾性膜部材６３を介して調整シム５９等に当接され、圧電性部材７から荷重を受けるとともに、制御弁体９に当接して、制御弁体９に荷重を伝達する。

ピストン５５は、本体ボディ５４の内部で筒状部材６２の先端側に装着された筒状部材６９に摺動自在に収容されている。ピストン５５は、後端に設けられる傘状部７０、筒状部材６９に支持される摺動軸部７１、先端において制御弁体９を押圧する押圧部７２を有する。

傘状部７０は、調整シム５９等を介して後端面７３で圧電性部材７から荷重を受ける受圧部をなすとともに、筒状部材６９の鍔部７４との間でスプリング７５を軸方向に保持している。スプリング７５は、圧電性部材７に圧縮荷重を与え、圧電素子５７が引張応力により破壊されるのを防止するために組み込まれている。

押圧部７２は、圧電性部材７からの荷重を制御弁体９に加える加圧部をなす。また、押圧部７２は、摺動軸部７１よりも小径の円柱状に設けられ、低圧室２７で変位する。なお、低圧室２７は、先端に向かい縮径するように設けられ、低圧室２７の先端部分は押圧部７２よりも大径の円筒状に形成され、弁室３０に開口している。なお、弁室３０への開口部７９は、スプリング３７により後端側に付勢された制御弁体９により閉鎖されている。そして、圧電性部材７の伸長によりピストン５５が先端側に変位すると、押圧部７２が制御弁体９に当接し（図２（ｂ）参照）、さらに圧電性部材７が伸長すると、押圧部７２が制御弁体９を先端側に変位させ開口部７９を開放する（図２（ｃ）参照）。

制御弁体９は、チップパッキン１８、１９が積層されて形成される弁室３０に、摺動自在に収容されている。制御弁体９は、開口部７９を閉鎖するとともにピストン５５の押圧部７２に当接され荷重を受ける鍔部８０、先端側に設けられる摺動軸部８１、鍔部８０と摺動軸部８１とを連結する中間部８２からなる。ここで、弁室３０は、摺動軸部８１を軸受けする軸受け面８３、軸受け面８３の後端側で軸受け面８３よりも径大に設けられる第１内筒面８４ａ、第１内筒面８４ａの後端側で軸受け面８３と略同一径の第２内筒面８４ｂ、第２内筒面８４ｂの後端側で後方に向かい拡径するテーパ面８５、開口部７９の周辺のチップパッキン１８の先端面８６などにより形成されている。

また、鍔部８０の後端面８７は、圧電性部材７が伸長して押圧部７２が制御弁体９を変位させるまで、先端面８６に当接して開口部７９を閉鎖している。そして、制御弁体９が先端側に変位すると、後端面８７は、先端面８６から分離し先端面８６と対向して流路９１をなすとともに開口部７９を開放する（図２（ｃ）参照）。鍔部８０の先端側の周縁面９２は先端に向かい縮径するようにテーパ状に形成され、テーパ面８５と対向して流路９３をなす（図２（ｂ）参照）。そして、制御弁体９が先端側に変位すると、周縁面９２は、テーパ面８５に当接し流路９３は閉鎖される（図２（ｃ）参照）。また、中間部８２の外周面９４や摺動軸部８１の外周面９５は第１、第２内筒面８４ａ、８４ｂと対向して流路９６をなす。

以上より、制御弁体９は、背圧給排流路２９と低圧室２７とが連通する開弁状態と、背圧給排流路２９と第２背圧供給流路３１とが連通する閉弁状態とを切り換える三方弁として機能する。

閉弁状態では、ピストン５５により制御弁体９が変位しておらず開口部７９が閉鎖されている。また、先端面８６と後端面８７とが当接して流路９１が閉鎖されているとともに周縁面９２とテーパ面８５とが分離して流路９３が開放されている。この時、背圧給排流路２９と低圧室２７とは遮断され、背圧給排流路２９と第２背圧供給流路３１とは、流路９３、９６を介して連通している。これにより、背圧室８へ、直接、通じる２つの流路（背圧供給流路２８および背圧給排流路２９）は両方とも高圧の燃料が満たされ背圧は高圧に保たれる。

開弁状態では、ピストン５５により制御弁体９が先端側に変位して開口部７９が開放されている。また、先端面８６と後端面８７とが分離して流路９１が開放されているとともに周縁面９２とテーパ面８５とが当接して流路９３が閉鎖されている。この時、背圧給排流路２９と第２背圧供給流路３１とは遮断され、背圧給排流路２９と低圧室２７とは、流路９１を介して連通している。これにより、背圧給排流路２９から低圧室２７に背圧室８の燃料が排出され背圧は低下する。

制御手段４は、各種センサから入力される信号を用いて各種の演算処理を行い、燃料噴射ポンプやピエゾインジェクタ３等を駆動制御するための制御信号を出力するＥＣＵ９８と、ＥＣＵ９８から出力される信号に応じて各種アクチュエータに電圧を印加する駆動回路９９とからなる。

ＥＣＵ９８は、エンジンの運転状態を検出する各種センサ（例えば、圧電性部材７のセンサ部６６の他に、クランク角センサ、アクセル開度センサ等）からの入力信号を用いて、ピエゾインジェクタ３における噴孔１０の開放時期（噴射開始時期）、および噴孔１０の開放時間（噴射期間）を算出する。

また、ＥＣＵ９８は、この噴射開始時期および噴射期間の算出値に基づいて、印加電圧特性を決定する。この印加電圧特性は、図３（ａ）に示すように、圧電性部材７のアクチュエータ部６７に印加する電圧（印加電圧）のタイムチャートであり、所定の大きさの目標値を所定の保持期間、維持するパターンを有する（図３において、目標値の大きさはＶ１である）。

そして、ＥＣＵ９８は、この印加電圧特性に応じた制御信号を駆動回路９９に出力する。これにより、駆動回路９９は、印加電圧の大きさが印加電圧特性に従うように、アクチュエータ部６７に電圧を印加する。

この結果、アクチュエータ部６７に電圧が印加されると、アクチュエータ部６７が伸長して制御弁体９が開弁し背圧が低下する。これにより、噴射開始時期に噴孔１０が開放されて噴射が始まる。そして、アクチュエータ部６７への電圧の印加が停止されると、アクチュエータ部６７が縮小して制御弁体９が閉弁し背圧が増加する。これにより、噴射開始時期から噴射期間が経過した時に、噴孔１０が閉鎖されて噴射が終わる。このようにして噴射制御が行われ、エンジンの運転状態に応じた時期に、エンジンの運転状態に応じた量の燃料が噴射供給される。

〔実施例１の作用〕
実施例１の作用を、図２および図３を用いて説明する。
まず、時間ｔ０にて、噴射開始時期の算出値に応じて制御信号が切り換わり、圧電性部材７のアクチュエータ部６７への電圧印加が始まる。これにより、アクチュエータ部６７に印加される電圧（印加電圧）は目標値（大きさ：Ｖ１）に向けて増加を開始する。このため、アクチュエータ部６７は伸長しようとするが、スプリング７５による付勢力やピストン５５の静止慣性の影響で、実際には伸長することができない。この結果、ピストン５５はまったく変位せずに、センサ部６６で検出される荷重（検出荷重）は、印加電圧の大きさに応じて増加し続ける。

時間ｔ１になると、アクチュエータ部６７は、スプリング７５による付勢力やピストン５５の静止慣性の影響に打ち勝って伸長を開始する。このため、ピストン５５は先端側に向かい変位を開始する。そして、ピストン５５が変位し始めた直後は、ピストン５５の変位速度の方が、アクチュエータ部６７が伸長しようとする勢いよりも大きいため、検出荷重は一時的な低下を始める。

時間ｔ２になると、アクチュエータ部６７が伸長しようとする勢いの方が、ピストン５５の変位速度よりも大きくなるため、検出荷重は一時的な低下を止め、再度、上昇し始める。

時間ｔ３になると、図２（ｂ）に示すように、ピストン５５の押圧部７２が制御弁体９の後端面８７に当接し、制御弁体９も先端側に向かい変位を開始する。これにより、制御弁体９は閉弁から開弁への移行を開始し、背圧の低下が始まる。

時間ｔ４になると、図２（ｃ）に示すように、鍔部８０の周縁面９２がテーパ面８５に当接する。このため、ピストン５５および制御弁体９は、両方とも先端側への変位を止める。そして、制御弁体９は開弁への移行を完了する。また、ピストン５５および制御弁体９の変位停止により、アクチュエータ部６７は伸長することができなくなる。これに対し、印加電圧はさらにＶ１まで増加し続けるので、荷重の増加速度は大きくなる。

時間ｔ５になると、印加電圧がＶ１に到達する。このため、検出荷重は増加を停止する。そして、噴射期間に応じて制御信号が切り換わるまで、印加電圧はＶ１に維持される。

時間ｔ６になると、噴射期間の算出値に応じて制御信号が切り換わり、アクチュエータ部６７への電圧印加が終了する。これにより、アクチュエータ部６７は初期の長さに戻り、これに伴って検出荷重も低下し、ピストン５５および制御弁体９も後端側に変位する。この結果、制御弁体９は開弁から閉弁に移行し、背圧の上昇が始まる。

〔実施例１の制御方法〕
実施例１の制御方法を、図３および図４を用いて説明する。
本実施例では、ピストン５５の押圧部７２の先端と制御弁体９の鍔部８０の後端面８７との離接の繰り返し等により、押圧部７２の先端と鍔部８０の後端面８７との隙間ε（図２（ａ）参照）が拡大した場合の印加電圧特性の補正制御について説明する。

隙間εが拡大しても、ピストン５５が変位を開始する時期は時間ｔ１であり、検出荷重が、再度、上昇を始める時期も時間ｔ２である。しかし、ピストン５５の押圧部７２が制御弁体９の後端面８７に当接し、制御弁体９が変位を開始する時期は、時間ｔ３から時間ｔ３´に遅れる。これに伴い、鍔部８０の周縁面９２がテーパ面８５に当接し、ピストン５５および制御弁体９が変位を止める時期も、時間ｔ４から時間ｔ４´に遅れる（なお、ピストン５５の変位量は、隙間εの拡大量に応じて大きくなる）。

このように、ピストン５５の変位量（すなわち、アクチュエータ部６７の伸長量）の変化に対し、制御弁体９の変位量の変化が遅れる方向に、アクチュエータ部６７の伸長量と制御弁体９の変位量との関係が変動する。このため、背圧の低下が遅れ、さらに噴射弁体１１による噴孔１０の開放が遅れる。この結果、算出された噴射開始時期および噴射期間に基づく噴射を行うことができなくなり、噴射制御に対する信頼性が低下する。

そこで、例えば図４（ａ）に示すように印加電圧特性を、全体的にΔＶだけ嵩上げするように補正し、目標値の大きさをＶ１からＶ１＋ΔＶ（Ｖ２とする）に増加させる。これにより、図４（ｂ）に示すように、ピストン５５の変位量の経時変化は全体的に嵩上げされる。この結果、制御弁体９の変位量の経時変化は、隙間εが拡大する前の経時変化に一致する。

このため、隙間εの拡大に伴う背圧低下の開始遅れ、さらに噴孔１０の開放遅れがなくなるので、算出された噴射開始時期および噴射期間に基づく噴射を行うことができるようになり、噴射制御に対する信頼性を維持できる。

印加電圧特性の嵩上げ幅ΔＶは、印加電圧が目標値に維持されている期間（保持期間）の検出荷重を用いて算出される。ここで、図３（ｂ）に示すように、ピストン５５および制御弁体９が変位を止める時期が遅れると、保持期間の検出荷重は、隙間εが拡大する前に比べて小さくなる。このように、印加電圧の目標値が同じ大きさであれば、隙間εの変動は保持期間の検出荷重の変動に反映されるので、隙間εと保持期間の検出荷重とは何らかの相関関係にある。そこで、保持期間の検出荷重に応じてΔＶを決定すれば（すなわち、印加電圧の目標値の大きさを補正すれば、）、隙間εの変動を反映した補正を行うことができるので、制御弁体９の変位量の経時変化を、隙間εの拡大前の経時変化に一致させることができる。

印加電圧特性の嵩上げは、噴射時以外の時間帯に、常時、アクチュエータ部６７にΔＶの電圧を印加することで実現できる。また、隙間εの拡大前よりも早期に電圧印加を開始し、一旦、０→ΔＶに印加電圧を上昇させた後、さらにΔＶ→Ｖ２に上昇させるように段階的に上昇させることで、実現することもできる。

隙間εが縮小した場合には、逆に、背圧の低下が早まり、さらに噴射弁体１１による噴孔１０の開放が早まる。そこで、印加電圧の目標値の大きさを減少させるとともに、隙間εの縮小前よりも電圧印加の開始を遅延させれば、背圧低下の早期開始、さらに噴孔１０の早期開放がなくなり、算出された噴射開始時期および噴射期間に基づく噴射を行うことができるようになる。

なお、隙間εの拡大のような磨耗による寸法変化は、隙間ε以外でも離接を繰り返す部位や当接部位で当然に発生する。また、磨耗による寸法変化以外にも、初期寸法のばらつき、本体ボディ５４と圧電性部材７との素材の違いに基づく温度寸法変化の差などの寸法変動要因が存在するが、これらの寸法変動要因は、上記と同様の補正制御により、その影響を除去することができる。

〔実施例１の効果〕
実施例１の燃料噴射装置１は、圧電性部材７の伸縮を利用して背圧室８を開閉する制御弁体９、背圧室８の開閉に伴う背圧の増減により噴孔１０を開閉する噴射弁体１１を有するピエゾインジェクタ３と、所定の印加電圧特性に従って圧電性部材７のアクチュエータ部６７に電圧を印加することで、アクチュエータ部６７を伸長させる制御手段４とを備える。また、圧電性部材７は、アクチュエータ部６７から変位伝達機構を通じて制御弁体９に負荷される荷重を検出する荷重検出手段としてのセンサ部６６を有し、制御手段４は、センサ部６６から出力される検出荷重に応じて印加電圧特性を補正する。

ここで、変位伝達機構とは、アクチュエータ部６７の伸縮を制御弁体９に伝達する機構であり、本実施例の変位伝達機構は、アクチュエータ部６７から荷重を受ける傘状部７０、およびアクチュエータ部６７からの荷重を制御弁体９に加える押圧部７２を具備するピストン５５により、アクチュエータ部６７の伸縮を制御弁体９に伝達する。このように、変位伝達機構は、従来のように燃料室を形成せず、すなわち燃料圧力を利用することなく、アクチュエータ部６７の伸縮を制御弁体９に伝達する。

このため、変位伝達機構は極めて簡素になるものの、初期寸法のばらつき、磨耗による寸法変化、本体ボディ５４と圧電性部材７との素材の違いに基づく温度寸法変化の差などの寸法変動要因を吸収することができなくなり、アクチュエータ部６７の伸長量と制御弁体９の変位量との関係は、常に変動してしまう。

しかし、寸法変動要因は、アクチュエータ部６７が変位伝達機構を介して制御弁体９に負荷する荷重の変動に反映される。例えば、圧電性部材７、制御弁体９またはこれらの間に介在する何らかの部材（本実施例では、ピストン５５等）がアクチュエータ部６７の伸縮方向に磨耗して寸法が小さくなると、この寸法の縮小量に応じて、制御弁体９に負荷される荷重も弱くなる。

よって、上記構成のように、燃料噴射装置１が、アクチュエータ部６７から制御弁体９に負荷される荷重を検出する荷重検出手段としてのセンサ部６６を備え、制御手段４がセンサ部６６からの出力に応じて印加電圧特性を補正することで、寸法変動要因を印加電圧特性の補正に反映させることができる。この結果、ピエゾインジェクタ３において、例えば、燃料室の形成を省略して変位伝達機構を簡素化しても、噴射制御に対する信頼性を維持することができる。

また、燃料噴射装置１の荷重検出手段は、圧電性部材７の一部の圧電素子により構成されたセンサ部６６である。
つまり、圧電性部材７の一部を荷重検出手段として利用することができる。

また、荷重検出手段（センサ部６６）は、アクチュエータ部６７の伸縮方向にアクチュエータ部６７と直列に組み込まれている。
これにより、荷重の検出を正確かつ容易に行うことができる。

また、印加電圧特性の補正に用いられる検出荷重は、保持期間に検出されたものである。
これにより、検出荷重が安定した時に補正用の出力データが検出される。この結果、補正に対する信頼性を高めることができる。

〔実施例２の制御方法〕
実施例２の制御方法を、図５を用いて説明する。
本実施例も、実施例１と同様に、押圧部７２の先端と鍔部８０の後端面８７との隙間ε（図２（ａ）参照）が拡大した場合の印加電圧特性の補正制御に関するものである。

本実施例では、例えば図５（ａ）に示すように、電圧印加開始時期（時間ｔ０）をΔｔだけ早めるように印加電圧特性を補正する。これにより、図５（ｂ）に示すように、ピストン５５の変位開始時期が早くなる。この結果、制御弁体９の変位量の経時変化は、隙間εが拡大する前の経時変化に一致する。

このため、隙間εの拡大に伴う背圧低下の開始遅れ、さらに噴孔１０の開放遅れがなくなるので、算出された噴射開始時期および噴射期間に基づく噴射を行うことができるようになり、噴射制御に対する信頼性を維持できる。なお、Δｔは、実施例１のΔＶと同様に、保持期間の検出荷重を用いて算出される。また、隙間εが縮小した場合には、電圧印加開始時期を遅延させるように印加電圧特性を補正する。

〔変形例〕
本実施例の変位伝達機構は、アクチュエータ部６７から荷重を受ける傘状部７０、およびアクチュエータ部６７からの荷重を制御弁体９に加える押圧部７２を具備するピストン５５により、アクチュエータ部６７の伸縮を伝達するものであったが、これに限定されず、例えば２つ以上のピストンを直列に当接させてアクチュエータ部６７の伸縮を伝達するものであってもよい。

本実施例の荷重検出手段は、圧電性部材７の一部の圧電素子により構成されたセンサ部６６であったが、荷重に応じて発振周波数が可変する水晶を用いたセンサ等を用いてもよい。

ピエゾインジェクタの構成図である。 （ａ）、（ｂ）は制御弁体が閉弁している時のピエゾインジェクタの要部構成図であり、（ｃ）は制御弁体が開弁している時のピエゾインジェクタの要部構成図である。 （ａ）は印加電圧のタイムチャートであり、（ｂ）は検出荷重のタイムチャートであり、（ｃ）はピストン変位量のタイムチャートであり、（ｄ）は制御弁体変位量のタイムチャートである。 （ａ）は印加電圧特性の補正制御を示す説明図であり、（ｂ）は印加電圧特性の補正制御に伴うピストン変位量のタイムチャートの変化を示す説明図である（実施例１）。 （ａ）は印加電圧特性の補正制御を示す説明図であり、（ｂ）は印加電圧特性の補正制御に伴うピストン変位量のタイムチャートの変化を示す説明図である（実施例２）。

符号の説明

１ 燃料噴射装置
３ ピエゾインジェクタ（燃料噴射弁）
４ 制御手段
７ 圧電性部材
８ 背圧室
９ 制御弁体
１０ 噴孔
１１ 噴射弁体
５５ ピストン
５７ 圧電素子
６６ センサ部（荷重検出手段）
７０ 傘状部（受圧部）
７２ 押圧部（加圧部）

Claims (8)

1. 圧電性部材の伸縮を利用して背圧室を開閉する制御弁体、前記背圧室の開閉に伴う背圧の増減により噴孔を開閉する噴射弁体を有する燃料噴射弁と、
   所定の印加電圧特性に従って前記圧電性部材に電圧を印加することで、前記圧電性部材を伸長させる制御手段と
   を備える燃料噴射装置において、
   前記圧電性部材から前記制御弁体に負荷される荷重を検出する荷重検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記荷重検出手段からの出力に応じて前記印加電圧特性を補正することを特徴とする燃料噴射装置。
2. 請求項１に記載の燃料噴射装置において、
   前記荷重検出手段は、前記燃料噴射弁に内蔵され、前記圧電性部材の伸縮方向に、前記圧電性部材と直列に組み込まれていることを特徴とする燃料噴射装置。
3. 請求項２に記載の燃料噴射装置において、
   前記荷重検出手段は、前記圧電性部材と一体化された圧電素子により構成されていることを特徴とする燃料噴射装置。
4. 請求項１に記載の燃料噴射装置において、
   前記印加電圧特性は、前記圧電性部材への印加電圧が、所定の目標値を所定の保持期間、維持するパターンを有し、
   前記印加電圧特性の補正に用いられる出力は、前記保持期間に前記荷重検出手段により検出されたものであることを特徴とする燃料噴射装置。
5. 請求項４に記載の燃料噴射装置において、
   前記制御手段は、前記荷重検出手段からの出力に応じて、前記印加電圧の目標値を増減することを特徴とする燃料噴射装置。
6. 請求項４に記載の燃料噴射装置において、
   前記制御手段は、前記荷重検出手段からの出力に応じて、前記圧電性部材への電圧印加開始時期を前後させることを特徴とする燃料噴射装置。
7. 請求項１に記載の燃料噴射装置において、
   前記燃料噴射弁に、前記圧電性部材の伸縮を前記制御弁体に伝達する変位伝達機構が設けられ、
   この変位伝達機構は、前記圧電性部材から負荷される荷重を部材同士の当接により前記制御弁体に伝達することで、前記圧電性部材の伸縮を前記制御弁体に伝達することを特徴とする燃料噴射装置。
8. 請求項７に記載の燃料噴射装置において、
   前記変位伝達機構は、前記圧電性部材から荷重を受ける受圧部、および前記圧電性部材からの荷重を前記制御弁体に加える加圧部を具備するピストンにより、前記圧電性部材の伸縮を前記制御弁体に伝達することを特徴とする燃料噴射装置。

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