JP2817354B2 - ユニットインジェクタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は内燃機関に高圧の燃料を供給するためのユ
ニットインジェクタに係り、特に燃料の圧送に圧電アク
チュエータを用いたユニットインジェクタに関する。

［従来の技術］ 内燃機関に燃料を供給するための装置としては、燃料
噴射ポンプと機械式ガバナとを一体化させて構成した機
械式分配型燃料噴射ポンプがある。

しかし、この種の機械式分配型燃料噴射ポンプは駆動
系が機械的に複雑であり、また大きな駆動力を必要と
し、きめの細かな制御が困難であるため近年、吸気管内
へ燃料を噴射するインジェクタ（アクチュエータ）へ加
圧燃料を圧送するために燃料を導入するシリンダ内に加
圧ピストンを往復動自在に収容し、その加圧ピストンを
圧電アクチュエータで駆動するように構成した「圧電式
燃料噴射ポンプ」（特開昭61−108865号）が提案されて
いる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記圧電アクチュエータは、電圧を加えることにより
機械的な変形ひずみを生じる円形の圧電素子（ジアゾ素
子）を軸方向に積層させてユニット状に構成されたもの
で、簡便な構造にて優れた応答性，信頼性を発揮する。

しかし、インジェクタへの燃料供給系に単に圧電アク
チュエータを設けただけでは吸気管等の低圧部への燃料
噴射が可能であっても高圧のシリンダ内への燃料噴射は
不可能である。

本発明は、特別な増圧機構を採用することなくディー
ゼル機関のように高圧のシリンダ内への燃料噴射を可能
とするユニットインジェクタを提供することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するために、シリンダ内に往
復動自在に収容されたピストンと、このシリンダの燃料
加圧側に連続的に接続され燃料加圧側に順次容積を縮小
させて形成されたチャンバと、上記チャンバの最大容積
部に接続された燃料供給管路と、上記チャンバの最小容
積部に接続されてインジェクタへ燃料を案内するための
燃料圧送管路と、上記ピストンを往復動すべく上記シリ
ンダに設けられた圧電アクチュエータとを有するもので
ある。

［作用］ シリンダ内及びこれに連通させて連続的に形成された
チャンバ内には燃料供給管路を介して燃料が供給され
る。燃料の加圧方向に圧電アクチュエータを動作し、ピ
ストンを燃料の加圧方向へ動作すると、ピストンは、チ
ャンバ内の燃料を加圧して燃料圧送管路に加圧燃料を供
給し、インジェクタへ加圧燃料を供給する。

このピストンの燃料加圧時にあって、チャンバの容積
は、燃料の加圧側へ順次容積を縮小させて形成されてい
るため、最小容積部の燃料圧力がチャンバの最大容積部
側の燃料圧力に対して大巾に増幅されるようになる。つ
まりピストンの短い加圧ストロークで瞬時のうちにチャ
ンバの最小容積部に高圧な燃料圧力を発生させインジェ
クタに高圧の燃料を供給する。圧電アクチュエータは通
常のアクチュエータに対して応答性に優れ、インジェク
タに要求される燃料噴射特性（噴射時期、噴射期間，噴
射量）に対応しての作動が可能であり、エンジン性能
（出力、燃費、スモーク、燃焼騒音等）を改善すること
が可能である。

［実施例］ 以下に本発明の好適一実施例を添付図面に基づいて説
明する。

第１図には本発明に係るユニットインジェクタの構成
が示されている。

図示されるようにポンプハウジング１は上下に上部ハ
ウジング２と下部ハウジング３とに２分割形成されてお
り、上部ハウジング２と下部ハウジング３との接続部に
は相互を同軸的に接続するためのフランジ4,5がそれぞ
れ一体に形成されている。上部ハウジング２はその内部
に筒状の収容部６が形成され、下部ハウジング３には、
その上部ハウジング２側にピストン７を所定ストローク
往復動自在にかつ摺動自在に収容するために筒状にシリ
ンダ８が形成されていると共に、そのシリンダ８の下端
部に連続させて軸方向下方に向い順次容積を円錘体状に
縮小させてチャンバ９が形成されている。上部ハウジン
グ２と下部ハウジング３との間には剛性の高い材料から
薄板状に形成されたパッキン部材10が取付けられてい
る。このパッキン部材10は円周方向に沿う部分を上記収
容部６内に半径方向内方へ適宜突出させて形成され、そ
の延出部11にはシール部材として機能する金属製のベロ
ーズ12が吊架状態で取付けられている。ベローズ12の下
端面には上記ピストン７の上端面が一体的に接続されて
いる。ピストン７は、その軽量化のためにセラミック材
料から形成され、また軽量化のために軸長をできるだけ
短縮して形成されている。ピストン７の上記シリンダ８
に対する摺動面13には表面をテフロン加工されたピスト
ンリング14が嵌合されて取付けられている。一方、上記
収容部６内にはセラミック材料から円形に形成された圧
電素子15を軸方向に積層させて構成した圧電アクチュエ
ータ16が収容されている。そして上部ハウジング２の天
井部17には、上記各圧電素子15を軸方向に貫通させて上
記ピストン７を往復動自在に吊架しておくめため２組の
ボルト18a,18bが取付けられている。なお、これらボル
ト18a,18bに対するピストン７の貫通穴にはシールリン
グなどのシール部材（図示せず）が取付けられる。

そして下部ハウジング３にはその上位側の最大容積位
置にチャンバ９内に連通させて軽油などの燃料をチャン
バ９内へ連続的に供給するための燃料供給管路19が逆止
弁20を介して接続されていると共に、チャンバ９の下部
にチャンバ９内へ供給された燃料をインジェクタ21へ圧
送するための燃料圧送管路22が接続されている。インジ
ェクタ21は第１図に示されているように、ノズルボディ
23内に、そのノズルボディ23の先端に開口した燃料の噴
口24を開閉するための針弁25を往復動自在にかつ摺動自
在に収容し、ノズルボディ内に一端が上記燃料圧送管路
22に接続されて高圧燃料を導入すると共に、その導入し
た燃料の圧力を針弁25のコーン状の燃料圧力作用部26に
作用させて針弁25をリターンスプリング27の弾発力に抗
して開弁方向に作動させる燃料供給通路28を形成して構
成されている。この種のインジェクタ21としては、周知
のホール型燃料噴射ノズル、スロットル型燃料噴射ノズ
ル、ピント−ノズルなどがある。また下部ハウジング３
には、上記チャンバ９内の上位の最大容積部の燃料圧力
を取出して検出するための第１圧力ポート29が形成され
ていると共に、最小容積部たる燃料圧送管路22の入口圧
力を取出して検出するための第２圧力ポート30が形成さ
れている。これら第1,第２圧力ポート29,30にはそれぞ
れ圧力センサ31,32が取付けられている。33はエア抜き
穴、34はリークオフポートである。

以上のように構成し、まず圧電アクチュエータ16の伸
長方向に電圧を切換えると圧電アクチュエータ16がピス
トン７を燃料の加圧方向へ作動し、チャンバ９内の燃料
を加圧して燃料圧送管路22に加圧燃料を連続的に供給す
る。すなわちインジェクタ21へ高圧の燃料が供給される
ようになる。この逆に電圧の正負を切換えると圧電アク
チュエータ16は今度は収縮方向へ作動され燃料の圧送を
停止する。圧電アクチュエータ16は通常のアクチュエー
タ16に対して応答性に優れ、インジェクタ21が要求する
燃料噴射特性（噴射時期、噴射期間、噴射量）に対応し
て作動することが可能であり、エンジン性能（出力、燃
費、スモーク、燃焼騒音等）を改善することが可能であ
る。

このピストン７の加圧時にあってチャンバ９は、燃料
の加圧方向に順次容積を縮小させて形成されているた
め、チャンバ９の最大容積部側の燃料圧力に対して最小
容積部の燃料圧力は大巾に増幅されるようになる。つま
りピストン７の短いストロークのうちにチャンバ９の最
小容積部に高圧な燃料圧力を発生させ、インジェクタ21
の燃料供給通路に高圧の燃料を供給する。従って上記チ
ャンバ９の容積を、ピストン７の加圧方向に第１図中、
破線ｘに示すように指数関数的に縮小させて形成する場
合、ピストン７の加圧に対して最小容積部の燃料圧力を
指数関数的に増加させることが可能になり、極めて短時
間のうちに所望圧力の燃料をインジェクタ21の噴口から
エンジンのシリンダ（図示せず）内へ噴射させることが
可能になる。

次に上記圧電アクチュエータ16を作動制御するための
制御系について説明する。

第１図に示されているようにまず上記圧電素子15の正
極（陽極）に一方のボルト18aを介してスイッチング回
路35の（＋）側を電気的に接続し、スイッチング回路35
の（−）側をその一方のボルト18aに対して電気的に絶
縁された他方のボルト18bを介して圧電素子15の負極
（陰極）に電気的に接続する。そしてスイッチング回路
35に、バッテリ電圧（24V）を可変的に昇圧できるよう
に構成された可変DC−DCコンバータ36を電気的に接続
し、その可変DC−DCコンバータ36の電圧制御部及び上記
スイッチング回路35の切換え制御部に、コントローラ37
の制御部を電気的に接続している。コントローラ（CPU
等）37はエンジンの運転状態の変化に伴って上記コンバ
ータ36の適正電圧を可変させるため及び上記スイッチン
グ回路35を正負に切換えて上記インジェクタ21への燃料
供給時期とその供給期間を決定するために、コントロー
ラ37の外部信号入力部に、エンジンの運転情報（エンジ
ン回転数、エンジン負荷、タイミング（TDC），上記圧
力センサの検出圧力及び温度（水温，吸気温度等）等）
が入力されるように構成され、コントローラ37のメモリ
に上記運転データと対応させて演算処理を行うためのデ
ータ（マップ等）を記憶させて構成されている。

次に上記コントローラ37の基本的な制御例を簡単に説
明する。

コントローラ37は、常時入力されるエンジン回転数、
エンジン負荷、タイミング信号（上死点）上記圧力セン
サの検出圧力及び温度（水温，吸気温度等）と、コント
ローラ37のメモリの記憶データ（マップ等）とを演算処
理部にて高速処理し、エンジンの運転状態を判断する。
例えばアクセル開度（アクセル角速度）からエンジン負
荷を判定し、エンジン回転速度が一定時と加速時（急加
速）とを判断する。そしてエンジン回転速度が一定の場
合はその回転速度を一定に維持できるように上記DC−DC
コンバータ36の電圧を算出すると共に、上記タイミング
信号に基づいて上記スイッチング回路35の作動時期と作
動期間を算出し、これら算出値にてDC−DCコンバータ3
6、スイッチング回路35を駆動する。また、加速時（急
加速）の場合は、エンジン回転数、エンジン負荷に基づ
いて、アクセル開度（アクセル角速度）に見合う量の燃
料をインジェクタ12へ供給するために上記DC−DCコンバ
ータ36の電圧を算出すると共に、上記タイミング信号に
基づいて上記スイッチング回路35の作動時期と作動期間
を算出し、これら算出値にてDC−DCコンバータ36、スイ
ッチング回路35を駆動する。なお上述のように圧電アク
チュエータ16は高速応答性に優れているためエンジンの
１行程に対して上記タイミング信号を基に複数回の噴射
を行うように制御することも可能である。また、圧力セ
ンサ31,32の検出圧力及び温度（水温，吸気温度等）
は、精度の高い制御を実行するための補正情報として取
り扱う。

従って従来の機械式分配型燃料噴射ポンプの課題であ
った構成の複雑さ装置の大形化を一気に解消し、装置全
体をコンパクトに形成できると共に、機械的な駆動部分
を廃止して信頼性が高く高精度の制御が可能になり、そ
して、シリンダ内直接噴射を可能にしてエンジン性能を
格段に向上させることができる。

［発明の効果］ 以上、説明したことから明らかなように本発明によれ
ば次の如き優れた効果を発揮する。

（１）シリンダ内直接噴射を可能にする耐久性、信頼性
の高い高速応答性のユニットインジェクタを提供でき
る。

（２）安価に提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るユニットインジェクタを示す構成
図である。 図中、７はピストン、８はシリンダ、９はチャンバ、16
は圧電アクチュエータ、19は燃料供給管路、21はインジ
ェクタ、22は燃料圧送管路である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダ内に往復動自在に収容されたピス
   トンと、該シリンダの燃料加圧側に連続的に接続され燃
   料加圧側に順次容積を縮小させて形成されたチャンバ
   と、上記チャンバの最大容積部に接続された燃料供給管
   路と、上記チャンバの最小容積部に接続されてインジェ
   クタへ燃料を案内するための燃料圧送管路と、上記ピス
   トンを往復動すべく上記シリンダに設けられた圧電アク
   チュエータとを備えたことを特徴とするユニットインジ
   ェクタ。