JP2010242566A - 燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】ピエゾ駆動部に供給する電荷の供給速度を変更することなく、ニードルの変位速度を変更することができる燃料噴射システムを提供する。
【解決手段】燃料噴射システム（５）は、制御室（２０３）と、電荷量の増減に応じて伸縮変位するピエゾ駆動部と、ピエゾ駆動部が初期状態の場合に制御室を経由した高圧燃料であるリターン燃料を内部に蓄積し、ピエゾ駆動部の初期状態からの伸長変位量に応じて容積が減少することによって内圧を上昇させ、ニードルが開弁方向に付勢されるように内圧が上昇したリターン燃料をニードルに導く作動燃料室（２０５）と、を有する燃料噴射手段（４０）と、運転情報取得手段（８０，１００）および圧力取得手段（７０）の取得結果に基づいて、リターン燃料の圧力を調整する圧力調整手段（６０，１００）と、を備えることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料噴射システムに関する。

従来、コモンレールから供給された高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴射するインジェクタを備える燃料噴射システムがある。例えば特許文献１には、ピエゾ駆動部の伸長変位に応じてニードルが噴孔を開閉するピエゾ駆動式のインジェクタを用いた燃料噴射システムが開示されている。ピエゾ駆動式のインジェクタは、ピエゾ駆動部の電荷量に応じた伸長変位を速やかに得ることができることから、例えばソレノイド駆動式のインジェクタに比較して、燃料噴射の制御性がよい。

特開２００２−１６１７８８号公報

ところで、インジェクタのニードルの変位速度は、内燃機関の運転状態に対応した適切な値が存在する。よって、内燃機関の運転状態に応じてニードルの変位速度を変更できることが好ましい。従来技術に係るピエゾ駆動式のインジェクタによれば、ピエゾ駆動部に対する電荷の供給速度を変更することで、ニードルの変位速度を変更することができる。しかしながら、ピエゾ駆動部に対する電荷の供給速度を変更するためには、電荷の供給時間、ピエゾ駆動部への印加電圧等を変更するための制御機構が必要となる。そのため、システムが複雑化するおそれがある。その結果、燃料噴射システムのコストが上昇するおそれがある。

本発明は、ピエゾ駆動部に供給する電荷の供給速度を変更することなく、ニードルの変位速度を変更することができる燃料噴射システムを提供する。

本発明に係る燃料噴射システムは、コモンレールから供給された高圧燃料をニードルの基端側に貯留する制御室と、電荷量の増減に応じて伸縮変位するピエゾ駆動部と、前記ピエゾ駆動部が初期状態の場合に前記制御室を経由した前記高圧燃料であるリターン燃料を内部に蓄積し、前記ピエゾ駆動部の前記初期状態からの伸長変位量に応じて容積が減少することによって内圧を上昇させ、前記ニードルが開弁方向に付勢されるように内圧が上昇した前記リターン燃料を前記ニードルに導く作動燃料室と、を有する燃料噴射手段と、前記内燃機関の運転状態に関する情報を取得する運転情報取得手段と、前記リターン燃料の圧力を取得する圧力取得手段と、前記運転情報取得手段および前記圧力取得手段の取得結果に基づいて、前記リターン燃料の圧力を調整する圧力調整手段と、を備えることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料噴射システムによれば、ニードルの変位速度は、作動燃料室の内圧によって変化する。そして作動燃料室の内圧は作動燃料室に蓄積された初期状態のリターン燃料の圧力によって変化する。よって、圧力調整手段によってリターン燃料の圧力が調整されることにより、ニードルの変位速度を変更することができる。

上記構成において、前記ピエゾ駆動部は、電荷量の増減に応じて伸縮変位するピエゾスタックと、前記ピエゾスタックと前記作動燃料室との間に配置され、前記ピエゾスタックの前記初期状態からの伸長変位量に応じて前記作動燃料室の容積を減少させるとともに、前記リターン燃料を前記作動燃料室に導く連通路を有する駆動ピストンと、前記ピエゾスタックが前記初期状態の場合に前記連通路を連通状態とし、前記初期状態以外の場合に前記連通路を遮断状態とする弁部と、を有していてもよい。

この構成によれば、弁部が連通路を連通状態にすることによって、リターン燃料を作動燃料室に蓄積することができる。また、弁部が連通路を遮断状態にすることによって、作動燃料室を密閉状態にすることができる。それにより、作動燃料室は、ピエゾ駆動部の初期状態からの伸長変位量に応じて容積が減少することによって内圧を上昇させることができる。

本発明によれば、ピエゾ駆動部に供給する電荷の供給速度を変更することなく、ニードルの変位速度を変更することができる燃料噴射システムを提供することができる。

図１は、燃料噴射システムの構成を示す模式図である。 図２は、インジェクタの模式的断面図である。 図３は、ピエゾスタックに電荷が供給された場合のインジェクタの模式的断面図である。 図４は、体積弾性係数（Ｋ（Ｐ））と作動燃料室の圧力との関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

本発明の実施例１に係る燃料噴射システム５について説明する。図１は、燃料噴射システム５の構成を示す模式図である。燃料噴射システム５は、主として、燃料タンク１０と、サプライポンプ２０と、コモンレール３０と、インジェクタ４０と、各種通路（供給通路５０、高圧燃料通路５１、第１リターン通路５２、第２リターン通路５３および第３リターン通路５４）と、圧力調整弁６０と、圧力センサ７０と、回転数センサ８０と、ＥＤＵ９０と、ＥＣＵ１００と、を備える。

燃料タンク１０は燃料を貯留するためのタンクである。燃料としては、内燃機関用の燃料であれば特に限定されない。本実施例においては、燃料としてディーゼル燃料が用いられる。サプライポンプ２０は、ＥＣＵ１００からの指示を受けて駆動し、燃料タンク１０の燃料を汲み上げて、供給通路５０を介してコモンレール３０に供給する。

コモンレール３０には、レール圧センサ３２と減圧弁３４とが配置されている。レール圧センサ３４は、レール圧を取得し、取得結果をＥＣＵ１００に伝える。減圧弁３４は、ＥＣＵ１００から指示を受けたＥＤＵ９０によって制御されることによって、レール圧を調整する。ＥＣＵ１００は、レール圧センサ３２の取得したレール圧が目標圧力よりも高い場合には、レール圧が目標圧力に調整されるようにＥＤＵ９０に指示を与える。その結果、減圧弁３４は、コモンレール３０内の燃料を第２リターン通路５３にリークさせることによって、レール圧を減少させる。コモンレール３０を経由した燃料は、高圧燃料通路５１を通過してインジェクタ４０に供給される。第２リターン通路５３を流動した燃料は、燃料タンク１０に戻る。

インジェクタ４０は、ＥＣＵ１００からの指示を受けたＥＤＵ９０によって駆動される。インジェクタ４０は、コモンレール３０から供給された高圧燃料を内燃機関の例えば気筒内に噴射する燃料噴射手段としての機能を有する。本実施例において燃料噴射システム５は、複数のインジェクタ４０を有する。なお、インジェクタ４０は、高圧燃料の一部をインジェクタ４０の駆動に用いる。インジェクタ４０の駆動に供された高圧燃料の一部は、第１リターン通路５２および第３リターン通路５４を流動して燃料タンク１０に戻る。インジェクタ４０の詳細は、後述する。

圧力調整弁６０は、ＥＣＵ１００の指示を受けて、第１リターン通路５２の圧力を調整する。圧力センサ７０は、第１リターン通路５２の圧力を取得し、取得結果をＥＣＵ１００に伝える。すなわち、圧力センサ７０は、第１リターン通路５２を流動する燃料（後述するリターン燃料）の圧力を取得する圧力取得手段として機能する。

回転数センサ８０は、内燃機関の回転数を取得し、取得結果をＥＣＵ１００に伝える。回転数センサ８０は、内燃機関の運転状態に関する情報を取得する運転情報取得手段として機能する。また、ＥＣＵ１００は、燃料噴射量のマップを有している。ＥＣＵ１００は、燃料噴射量に基づいて負荷を把握する。すなわち、ＥＣＵ１００は、内燃機関の運転状態に関する情報（負荷）を取得する運転状態取得手段として機能する。なお、ＥＣＵ１００は、例えばアクセル開度等に基づいて負荷を把握してもよい。

ＥＤＵ９０は、ＥＣＵ１００からの指示を受けて、減圧弁３４およびインジェクタ４０に入力される信号を制御する。それにより、減圧弁３４およびインジェクタ４０の後述するピエゾスタック２３１の動作が制御される。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを有するマイクロコンピュータである。ＥＣＵ１００は、内燃機関の負荷および内燃機関の回転数に応じて、サプライポンプ２０を制御する。それにより、サプライポンプ２０の吐出量が調整される。また、ＥＣＵ１００は、内燃機関の負荷および回転数に応じて、ＥＤＵ９０を制御する。それにより、減圧弁３４およびインジェクタ４０のピエゾスタック２３１の動作が制御される。さらに、ＥＣＵ１００は、内燃機関の負荷および回転数と、圧力センサ７０の取得結果と、に基づいて、圧力調整弁６０を制御する。すなわち、本実施例において、圧力調整弁６０およびＥＣＵ１００は、運転情報取得手段および圧力取得手段の取得結果に基づいて、第１リターン通路５２を流動するリターン燃料の圧力を調整する圧力調整手段として機能する。圧力調整弁６０の制御の詳細については後述する。

図２は、インジェクタ４０の模式的断面図である。インジェクタ４０は主として、ボディ２００と、ボディ２００内に配置されたニードル２２０と、ボディ２００内に配置されたピエゾ駆動部（ピエゾスタック２３１、駆動ピストン２３２、チェックボール２３３およびスプリング２３４）と、を備える。

ボディ２００の先端には噴孔２０１が形成されている。ボディ２００の内部には、高圧燃料溜室２０２と、制御室（第１制御室２０３および第２制御室２０４）と、作動燃料室２０５と、各種通路（第１通路２０６、第２通路２０７および第３通路２０８）と、が形成されている。

高圧燃料溜室２０２は、高圧燃料用入口２０９に、第１通路２０６を介して連通している。高圧燃料用入口２０９は、前述した高圧燃料通路５１を介してコモンレール３０に連通している。噴孔２０１が閉の場合、コモンレール３０から供給された高圧燃料は、第１通路２０６を流動して高圧燃料溜室２０２に蓄積される。噴孔２０１が開の場合、高圧燃料溜室２０２の高圧燃料は、噴孔２０１から噴射される。

制御室は、ニードル２２０を閉弁方向に付勢する機能を有する室である。本実施例において、制御室は、第１制御室２０３と第２制御室２０４とを有する。第１制御室２０３は、ニードル２２０の基端部（ニードル２２０の先端とは反対側の端部）によって区画された領域である。第１制御室２０３は、第２通路２０７を介して第１通路２０６に連通している。それにより、コモンレール３０から供給された高圧燃料は、第１制御室２０３に流入する。すなわち、第１制御室２０３は、コモンレール３０から供給された高圧燃料をニードル２２０の基端側に貯留する室である。第２制御室２０４は、ニードル２２０の基端部の外周壁によって区画された領域である。第２制御室２０４には、スプリング２１１が配置されている。スプリング２１１は、ニードル２２０を閉弁方向に付勢している。

なお、ニードル２２０の基端部の外周壁は、第１制御室２０３内を摺動する。よって、ニードル２２０の基端部の外周壁と第１制御室２０３の内周壁との間には、若干のクリアランスが設けられている。このクリアランスによって、第１制御室２０３と第２制御室２０４とは、連通している。それにより、第１制御室２０３の高圧燃料は、微量ではあるが、第２制御室２０４に流入する。第１制御室２０３を経由した燃料をリターン燃料と称する。

第２制御室２０４は、第３通路２０８を介してリターン燃料用出口２１０に連通している。なお、リターン燃料用出口２１０は、第１リターン通路５２および第３リターン通路５４を介して燃料タンク１０に連通している。それにより、第２制御室２０４のリターン燃料は、第３通路２０８、第１リターン通路５２および第３リターン通路５４を流動して、燃料タンク１０に戻る。

作動燃料室２０５は、後述する駆動ピストン２３２に形成された連通路２３５が連通状態の場合に、第３通路２０８のリターン燃料を蓄積する。作動燃料室２０５は、ピエゾ駆動部のピエゾスタック２３１の初期状態からの伸長変位量に応じて容積が減少する。そして、作動燃料室２０５は、ニードル２２０が閉弁方向に付勢されるように、蓄積したリターン燃料をニードル２２０に導いている。

なお、ニードル２２０の後述する拡径部は、第２制御室２０４内を摺動する。よって、ニードル２２０の拡径部の外周壁と第２制御室２０４の内周壁との間には、若干のクリアランスが設けられている。このクリアランスによって、作動燃料室２０５と第２制御室２０４とは、連通している。そのため、作動燃料室２０５の燃料は、第２制御室２０４に流入する。

ニードル２２０は、その先端が噴孔２０１を開閉するように、ボディ２００内に配置されている。ニードル２２０は、先端部と基端部との間に拡径した拡径部を有する。拡径部は、第２制御室２０４内を摺動する。ニードル２２０は、制御室とスプリング２１１から受ける閉弁方向への付勢力と、作動燃料室２０５から受ける開弁方向の付勢力と、の差によって駆動する。それにより、ニードル２２０の先端部が噴孔２０１を開閉する。その結果、コモンレール３０から供給された高圧燃料の噴射量が調整される。

ピエゾ駆動部は、ピエゾスタック２３１と、駆動ピストン２３２と、チェックボール２３３と、スプリング２３４と、を有する。ピエゾスタック２３１は、電荷量の増減に応じて伸縮変位する。本実施例においては、ＥＣＵ１００に制御されたＥＤＵ９０によって、ピエゾスタック２３１の電荷量が調整される。

駆動ピストン２３２は、ピエゾスタック２３１と後述する作動燃料室２０５との間に配置されている。駆動ピストン２３２は、ピエゾスタック２３１の伸縮変位と同期して変位する。駆動ピストン２３２が作動燃料室２０５側に変位すると、作動燃料室２０５の容積が減少する。すなわち、駆動ピストン２３２は、ピエゾスタックの伸長変位量に応じて作動燃料室２０５の容積を減少させる。なお、駆動ピストン２３２には、作動燃料室２０５と後述する第３通路２０８とを連通する連通路２３５が形成されている。

チェックボール２３３は、連通路２３５の連通状態と遮断状態とを切替える弁部である。本実施例において、チェックボール２３３は、駆動ピストン２３２の作動燃料室２０５側に形成された内部空洞部に配置されている。スプリング２３４は、駆動ピストン２３２をピエゾスタック２３１が収縮する方向に付勢している。

インジェクタ４０は、以下のように作動する。まず、ピエゾスタック２３１に電荷が供給される前の状態（以下、初期状態と称する）において、チェックボール２３３は、連通路２３５を連通状態にする。その結果、第３通路２０８のリターン燃料は、作動燃料室２０５に流入する。この場合、作動燃料室２０５の圧力は、第３通路２０８の圧力と等しくなる。一方、コモンレール３０からの高圧燃料は、制御室に流入する。ここで、前述したようにニードル２２０は制御室とスプリング２１１から受ける付勢力と作動燃料室２０５から受ける付勢力との差によって駆動する。よって、この場合、作動燃料室２０５から受ける付勢力より制御室から受ける付勢力の方が強いことから、ニードル２２０は噴孔２０１を閉にする。この場合、燃料噴射は行われない。

図３は、ピエゾスタック２３１に電荷が供給された場合のインジェクタ４０の模式的断面図である。ＥＤＵ９０がピエゾスタック２３１に電荷を供給した場合、ピエゾスタック２３１は伸長変位する。その結果、駆動ピストン２３２は、作動燃料室２０５の容積を減少させる。ここで、チェックボール２３３は、慣性によって、駆動ピストン２３２に遅れて移動する。その結果、チェックボール２３３は、連通路２３５の作動燃料室２０５側の開口部を閉塞する。それにより、連通路２３５は遮断状態となる。

次いで、ピエゾスタック２３１の電荷量が増大することによってピエゾスタック２３１がさらに伸長変位した場合、作動燃料室２０５の内圧は上昇する。その結果、ニードル２２０に作動燃料室２０５から作用する付勢力が制御室とスプリング２１１からニードル２２０に作用する付勢力より大きくなった場合、ニードル２２０は開弁方向に変位する。それにより、噴孔２０１が開になり、燃料噴射が開始される。

また、ＥＤＵ９０がピエゾスタック２３１の電荷量を減少させた場合、ピエゾスタック２３１は収縮変位する。この場合、スプリング２３４からの付勢力によってピエゾスタック２３１の収縮変位は助長される。ピエゾスタック２３１が収縮変位した場合、駆動ピストン２３２は作動燃料室２０５の容積が増大する方向に変位する。その結果、作動燃料室２０５の内圧が減少する。作動燃料室２０５からの付勢力より制御室とスプリング２１１からの付勢力の方が大きくなった場合、ニードル２２０は、図２に示すように噴孔２０１を閉にする。それにより、燃料噴射が停止される。

なお、前述したように、作動燃料室２０５の燃料は、ニードル２２０の拡径部の外周壁と第２制御室２０４の内周壁とのクリアランスを通過して第２制御室２０４に流入する。それにより、ピエゾスタック２３１が初期状態に戻った場合、作動燃料室２０５の燃料量は、当初作動燃料室２０５に蓄積されていた燃料量より減少する。その結果、ピエゾスタック２３１が初期状態に戻った場合、作動燃料室２０５の内圧は第３通路２０８の内圧より低くなる。それにより、チェックボール２３３は、連通路２３５内の内圧によって作動燃料室２０５側に押される。その結果、連通路２３５は連通状態となる。以上のように、インジェクタ４０は作動する。

ここで、例えば、ピエゾスタック２３１への電荷の供給速度を変更することによって、ピエゾスタック２３１の伸長速度を変更することができる。その結果、ニードル２２０の変位速度を変更することができる。しかし、この場合、ＥＤＵ９０およびＥＣＵ１００の構成が複雑化することから、燃料噴射システム５のコストが上昇するおそれがある。

そこで、ピエゾスタック２３１への電荷供給速度を変更することなく、ニードルの変位速度を変更する方法について考察する。ピエゾスタック２３１の初期状態における作動燃料室２０５の圧力をＰとする。ピエゾスタック２３１の初期状態における作動燃料室２０５の容積をＶとする。そして、ピエゾスタック２３１の伸長変位よって作動燃料室２０５の容積が△Ｖ圧縮されたとする。この場合、圧縮後の作動燃料室２０５の内圧△Ｐは、下記式（１）によって表される。なお、Ｋ（Ｐ）は、体積弾性係数である。
△Ｐ＝Ｋ（Ｐ）×△Ｖ／Ｖ・・・（１）

図４は、体積弾性係数（Ｋ（Ｐ））と作動燃料室２０５の圧力との関係を示す図である。図４に示すように、Ｋ（Ｐ）は、圧力と比例関係にある。よって、ピエゾスタック２３１の初期状態における作動燃料室２０５の圧力Ｐが異なると、Ｋ（Ｐ）の値が異なる。その結果、式（１）から、△Ｐの値も異なる。△Ｐの値は、ニードル２２０の加速度に影響を及ぼす。よって、ピエゾスタック２３１の初期状態における作動燃料室２０５の圧力Ｐを調整することによって、ニードル２２０の変位速度を変化させることができる。

ここで、ピエゾスタック２３１の初期状態における作動燃料室２０５の圧力Ｐは、リターン燃料の圧力と等しい。リターン燃料の圧力は、第１リターン通路５２の圧力を調整することによって、調整され得る。

そこで、本実施例においては、第１リターン通路５２の圧力を取得する圧力センサ７０と、第１リターン通路５２の圧力を調整する圧力調整弁６０と、圧力調整弁６０を制御するＥＣＵ１００と、を備えている。例えば、ＥＣＵ１００は、内燃機関の運転状態に関する情報である内燃機関の負荷および回転数と、圧力センサ７０の取得結果と、に基づいて、圧力センサ７０の取得結果が所定の値になるように、圧力調整弁６０を制御する。

具体的には、ＥＣＵ１００は、内燃機関の負荷および回転数に応じて設定された第１リターン通路５２内の圧力のマップを記憶しておく。そして、内燃機関の負荷および回転数と、圧力センサ７０の取得結果と、に基づいて、圧力センサ７０の取得結果がマップに記載された所定の値になるように、圧力調整弁６０を制御する。それにより、第１リターン通路５２の圧力が変化することから、作動燃料室２０５の圧力Ｐを変化させることができる。その結果、ピエゾスタック２３１への電荷供給速度を変更することなく、ニードル２２０の変位速度を変更することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

５ 燃料噴射システム
３０ コモンレール
３２ レール圧センサ
３４ 減圧弁
４０ インジェクタ
５２ 第１リターン通路
６０ 圧力調整弁
７０ 圧力センサ
８０ 回転数センサ
９０ ＥＤＵ
１００ ＥＣＵ
２００ ボディ
２０１ 噴孔
２０２ 高圧燃料溜室
２０３ 第１制御室
２０４ 第２制御室
２０５ 作動燃料室
２２０ ニードル
２３１ ピエゾスタック
２３２ 駆動ピストン
２３３ チェックボール
２３５ 連通路

Claims (2)

1. コモンレールから供給された高圧燃料をニードルの基端側に貯留する制御室と、電荷量の増減に応じて伸縮変位するピエゾ駆動部と、前記ピエゾ駆動部が初期状態の場合に前記制御室を経由した前記高圧燃料であるリターン燃料を内部に蓄積し、前記ピエゾ駆動部の前記初期状態からの伸長変位量に応じて容積が減少することによって内圧を上昇させ、前記ニードルが開弁方向に付勢されるように内圧が上昇した前記リターン燃料を前記ニードルに導く作動燃料室と、を有する燃料噴射手段と、
   前記内燃機関の運転状態に関する情報を取得する運転情報取得手段と、
   前記リターン燃料の圧力を取得する圧力取得手段と、
   前記運転情報取得手段および前記圧力取得手段の取得結果に基づいて、前記リターン燃料の圧力を調整する圧力調整手段と、を備えることを特徴とする燃料噴射システム。
2. 前記ピエゾ駆動部は、
   電荷量の増減に応じて伸縮変位するピエゾスタックと、
   前記ピエゾスタックと前記作動燃料室との間に配置され、前記ピエゾスタックの前記初期状態からの伸長変位量に応じて前記作動燃料室の容積を減少させるとともに、前記リターン燃料を前記作動燃料室に導く連通路を有する駆動ピストンと、
   前記ピエゾスタックが前記初期状態の場合に前記連通路を連通状態とし、前記初期状態以外の場合に前記連通路を遮断状態とする弁部と、を有する請求項１記載の燃料噴射システム。

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