JP3794154B2 - 差圧式燃料噴射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ニードル弁前後の差圧によりニードル弁を進退させて燃料噴孔を開閉する差圧式燃料噴射装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特開平６３−３８６３９号公報の第３図には、燃料噴孔を開閉するニードル弁の前後に、燃料ポンプから供給される高圧燃料の圧力が開弁方向に作用する燃圧室（油溜まり４８）と、燃料ポンプから絞りを介して供給される高圧燃料の圧力が閉弁方向に作用する差圧室（圧力室７２）とを設け、この差圧室に一端が臨んだピストンを圧電アクチュエータにより進退駆動することによってニードル弁前後の差圧を変化させ、この差圧変化によってニードル弁を進退させる差圧式燃料噴射装置が記載されている。
【０００３】
このような差圧式燃料噴射装置は、アクチュエータの駆動制御による高精度の燃料噴射時期制御と、ニードル弁の前後に作用する圧力を利用した高い燃料噴射圧とを両立でき、特に筒内直接噴射式ガソリン機関のような内燃機関に適している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような差圧式燃料噴射装置は、燃料ポンプを起動した直後の状態では、燃料ポンプと差圧室との間に絞りが存在するために、差圧室内の圧力上昇に所定の時間を要し、この間は燃料噴射が正常に行われないという問題があった。
【０００５】
そこで、上記公報に記載された燃料噴射装置では、内燃機関の始動に先がけて燃料ポンプを始動すると同時に、圧電アクチュエータを繰り返し伸縮させてピストンを繰り返し進退駆動し、差圧室内の圧力を早期に上昇させている。
【０００６】
しかしながら、このように内燃機関の始動前に圧電アクチュエータを繰り返し伸縮させると、アクチュエータの伸縮時に差圧室内の圧力が一時的に減圧されて、圧電アクチュエータに引張り方向の荷重が発生することがあり、このため、圧電アクチュエータの耐久性を劣化させる虞がある。また、上記のように差圧室内の圧力が一時的に低下する結果、内燃機関の始動に先がけてニードル弁が開弁方向へ移動し、燃料の不正噴射を招く虞がある。
【０００７】
特に、上記公報に記載された燃料噴射装置では、差圧室内へより多くの燃料を早期に流入させる目的で、アクチュエータを収縮している時間を伸長している時間より長く設定しているから、更に差圧室内の圧力が低下し易く、上記のような問題を発生し易い。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１の発明は、燃料噴孔を開閉するニードル弁と、燃料を加圧する燃料ポンプと、この燃料ポンプから高圧燃料が供給され、その圧力が上記ニードル弁に対して開弁方向に作用する燃圧室と、上記燃料ポンプからオリフィスを介して高圧燃料が供給され、その圧力が上記ニードル弁に対して閉弁方向に作用する差圧室と、印加電圧に応じて伸縮する圧電アクチュエータと、上記差圧室へ一端が臨み、上記アクチュエータの伸長に応じて上記差圧室側へ前進するとともに、上記アクチュエータの収縮に応じて上記差圧室から後退するピストンと、を有する差圧式燃料噴射装置において、内燃機関の始動に先だって上記燃料ポンプを始動し、この燃料ポンプの始動に伴い差圧室の圧力が燃圧室の圧力に比して遅れて上昇し、両圧力の差により上記ニードル弁が開弁方向へ移動する直前に、上記アクチュエータが初期の収縮状態から電圧印加により伸長され、かつ、この伸長状態が、内燃機関の始動後の初回の燃料噴射に応じて収縮されるまで保持されることを特徴としている。
【０００９】
請求項１の発明を具体化した請求項２の発明は、上記燃料ポンプの供給圧を検出するとともに、上記差圧室内の圧力を検出する圧力検出手段を有し、上記供給圧と上記差圧室内の圧力とに基づいて、上記アクチュエータを初期の収縮状態から伸長させることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項１の発明を具体化した請求項３の発明は、上記内燃機関の始動に先だって燃料ポンプを始動してから所定時間経過後に、上記アクチュエータを初期の収縮状態から伸長させることを特徴としている。
【００１１】
上記の構成により、アクチュエータの駆動によりピストンを進退させると、ピストンの端面が臨んだ差圧室内の圧力が変化して、ニードル弁前後の差圧が変化する。これによりニードル弁が進退移動して、燃料噴孔が開閉し、燃料噴射が行われる。
【００１２】
そして、内燃機関の始動に先だって上記燃料ポンプを始動した後で、かつ上記ニードル弁が開弁方向へ移動する直前に、アクチュエータが初期の収縮状態から伸長される。このため、ピストンが差圧室側へ前進して差圧室内の圧力が昇圧する。更に、この伸長状態が初回の燃料噴射に対応して収縮されるまで保持される。従って、初回の燃料噴射前にアクチュエータが収縮して差圧室内の圧力が急激に低下する事態が回避される。
【００１３】
【発明の効果】
このように、本発明では、燃料ポンプを始動してから初回の燃料噴射を行うまでの間、差圧室内の圧力が効果的に上昇されるとともに、その圧力低下が効果的に抑制されるから、内燃機関の始動前後の不正噴射等を確実に防止しつつ、早期に安定した燃料噴射を行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係わる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施例に関わる差圧式燃料噴射装置の基本的構成を示すブロック図である。エンジン１は、例えば筒内直接噴射式ガソリンエンジン１であり、このエンジン１の各気筒にそれぞれ燃料噴射弁２が配設されている。これら燃料噴射弁２へ高圧燃料を送給する燃料ポンプ３は、エンジン１並びに図外のモータによって適宜駆動されるようになっている。圧力検出部４は、上記燃料ポンプ３の供給圧Ｐ２を検出するとともに、燃料噴射弁２内に形成された後述する差圧室の圧力Ｐ１を検出し、これらの圧力信号を制御部５へ出力する。制御部５は、上記の圧力信号等に基づいて燃料噴射弁２や、エンジン１を始動するスタータ６等を駆動制御するもので、具体的には、燃料噴射弁２へ駆動信号を出力して燃料噴射を制御する第１駆動部５ａと、スタータ６へ駆動信号を出力してエンジン１の始動を制御する第２駆動部５ｂと、を有している。
【００１６】
図２は、上記燃料噴射弁２を示す断面図である。ノズルホルダ１０の先端部に螺合するノズルナット１２によって、先端に燃料噴孔１４が形成されたノズルボディ１６が固定されおり、このノズルボディ１６の内部には、燃料噴孔１４を開閉するニードル弁１８が摺動可能に保持されている。このニードル弁１８の前後には、内部に導入された高圧燃料の圧力がニードル弁１８に対して閉弁方向に作用する差圧室２０と、内部に導入された高圧燃料の圧力がニードル弁１８に対して開弁方向に作用する燃圧室２２とが形成されている。
【００１７】
ノズルボディ１６は、段付きに異径となった有底筒状に形成され、その底部に燃料噴孔１４が貫通形成されているとともに、開口部側（図２の上側）の第１シリンダ部１６ａの内径が、燃料噴孔１４側の第２シリンダ部１６ｂの内径よりも大きく形成されている。
【００１８】
ニードル弁１８は、差圧室２０と燃圧室２２とを区画するように、第１シリンダ部１６ａに摺動可能に嵌合するプランジャ部１８ａを有し、かつ、閉弁時に燃料噴孔１４を閉塞する先端部１８ｃが第２シリンダ部１６ｂに摺動可能に嵌合している。
【００１９】
第１シリンダ部１６ａとプランジャ部１８ａとの摺接部分には、差圧室２０と燃圧室２２とを連通するオリフィス（絞り）３０が形成されている。従って、燃料ポンプ３（図１）から燃料導入通路４４を介して導入される高圧燃料は、環状溝４６並びに径方向通路４８を通って燃圧室２２へ導入されるとともに、この差圧室２０からオリフィス３０を介して燃圧室２２へ導入される。
【００２０】
差圧室２０は、ピストン２８の先端２８ａが臨んだ変圧室２０ａと、ニードル弁１８の後面が臨んだ背圧室２０ｂとを、比較的小径の連通路２０ｃを介して連通させており、ピストン２８の進退によって生じる圧力脈動がニードル弁１８側へ伝達することを効果的に抑制する形状となっている。また、背圧室２０ｂ内には、ニードル弁１８を閉弁方向へ付勢するリターンスプリング３４が介装されているとともに、ニードル弁１８のリフト量を規定するディスタンスピース３６が配設されている。
【００２１】
ノズルホルダ１０内に収容されているアクチュエータ２６は、ピストン２８の先端２８ａとこれに対向するノズルホルダ１０の内部底面との間に介装された皿バネ３８によって収縮方向に予圧された状態で、ノズルホルダ１０開口部に螺合するキャップ４０によって固定支持されている。このアクチュエータ２６は、例えば公知のピエゾ素子を多数積層したピエゾアクチュエータであって、制御部５からの印加電圧により伸縮する。すなわち、ピエゾ素子に電圧を印加すると電歪効果により軸方向へ伸長し、電圧を取り去ると直ちに収縮する。
【００２２】
燃料噴射時においては、アクチュエータ２６が伸長状態から収縮すると、ピストン２８が差圧室２０から開弁方向へ後退し、これに伴って差圧室２０内の圧力が低下して、ニードル弁１８が開弁方向に移動し、燃料噴孔１４が開いて高圧燃料が筒内へ噴射される。一方、アクチュエータ２６が収縮状態から伸長すると、ピストン２８が差圧室２０側へ前進し、これに伴って差圧室２０内の圧力が上昇して、ニードル弁１８が閉弁方向に移動し、燃料噴孔１４が閉じられる。
【００２３】
なお、ピストン２８外周面とノズルホルダ１０内壁面との間には差圧室２０をシールするＯリング４２が介装され、またノズルホルダ１０内周面とノズルボディ１６外周面との間にも適宜なＯリング４３が設けられている。
【００２４】
次に、図３〜６を参照して、本実施例装置の作用を説明する
スタータ６を起動する前のエンジン１が停止している初期状態では、図４にも示すように、アクチュエータ２６は収縮しており、かつ、ニードル弁１８は閉弁状態にある。このようにニードル弁１８が閉弁状態にあるとき、ニードル弁１８に作用する閉弁方向の荷重Ｆａは、次式（１）のようになる。
【００２５】
【数１】
Ｆａ＝（Ｐ１−Ｐ２）・Ａ１ ＋ Ｆspg ＋ Ｐ２・Ａ２ …（１）
Ｐ１：差圧室２０内の圧力
Ｐ２：燃圧室２２内の圧力（供給圧）
Ａ１：プランジャ部１８ａの外径（ニードル弁１８のガイド径）
Ａ２：ニードル弁１８のシート径
Ｆspg：リターンスプリング３４のスプリング荷重
例えば上記のようなエンジン停止状態にあっては、差圧室２０の圧力Ｐ１と燃圧室２２の圧力Ｐ２とが可及的に等しい状態となっているから、上記（１）式より、ニードル弁１８には、Ｆspg ＋ Ｐ２・Ａ２＞０なる閉弁方向の荷重Ｆａが作用している。このため、ニードル弁１８は閉弁状態に保持される。
【００２６】
このようなエンジン停止状態から電源投入がなされると、制御部５によって実行される図３のフローチャートが開始する。先ず、ステップ１０において、運転者等によりイグニッションスイッチがＯＮされたことが検出されると、ステップ１２へ進み、燃料ポンプ３が始動されて、燃圧室２２並びに差圧室２０へ供給される燃料が加圧される。
【００２７】
ここで、燃料ポンプ３と差圧室２０との間にはオリフィス３０が存在するため、図４，５に示すように、差圧室２０内の圧力の上昇は、供給圧やこれと略同じ値の燃圧室２２内の圧力の上昇に比して遅れる形となる。つまり、燃料ポンプ３を始動した直後の状態では、燃圧室２２の圧力Ｐ２と差圧室２０の圧力Ｐ１との差は徐々に大きくなっていく。
【００２８】
また、図６に示すように、供給圧Ｐ２と差圧室２０の圧力Ｐ１との差に略比例するように、ニードル弁１８に作用する閉弁方向の荷重Ｆａが低下する。従って、燃圧室２２の圧力と差圧室２０の圧力との差が、図５の仮想線で示すようにそのまま大きくなって、図６に示すようにＦａ＜０となる臨界値Ｄminを越えてしまうと、ニードル弁１８がアクチュエータ２６の伸縮に関わらず不用意に開弁してしまい、不正噴射が行われてしまう。そこで本実施例では、ステップ１４，１６において、ニードル弁１８が開弁方向へ移動する直前に、アクチュエータ２６を初期の収縮状態から伸長させている。
【００２９】
すなわち、ステップ１４では、差圧室２０内の圧力Ｐ１並びに供給圧Ｐ２に基づいて、次式（２）を満足するか否かが判定される。
【００３０】
【数２】
Ｆａ − α ＞ ０ …（２）
ここで、αは、ニードル弁１８を確実に閉弁状態に維持するために、誤差等を見越した余裕分である。従って、上記（２）式が満たされている限り、ニードル弁１８は確実に閉弁状態に保持される。そして、ニードル弁１８が開弁方向へ移動する直前で、上記（２）式が満たされなくなって、ステップ１４からステップ１６へ進み、アクチュエータ２６へ駆動信号が出力されて、アクチュエータ２６に電圧が印加され、このアクチュエータ２６が初期の収縮状態から伸長される。このアクチュエータ２６の伸長に伴ってピストン２８が差圧室２０側へ前進し、図４，５に示すように、差圧室２０内の圧力が急激に上昇する。この結果、ニードル弁１８に作用する閉弁方向の荷重が大きくなって、ニードル弁１８の開弁方向への移動が抑制される。
【００３１】
次いで、ステップ１８では、圧力検出部４により検出される供給圧に基づいて、燃圧室２２内の圧力Ｐ２が高圧燃料噴射に必要な目標圧力Ｐａに達したか否かが判定され、Ｐ２＞Ｐａとなった時点でステップ２０へと進み、スタータスイッチの操作に応じてスタータ６が起動されてエンジン１が始動する。
【００３２】
このようにエンジン１が始動した後、アクチュエータ２６は、クランクシャフトの回転位相に応じた適宜な燃料噴射タイミングで繰り返し伸縮されることとなるが、ステップ１６で伸長された後では、図４の符号Ａ１に示すように、初回の燃料噴射に対応して収縮されるまで、この伸長状態が保持され続ける。言い換えると、燃料ポンプ３が起動してからＦａ−α＞０が不成立となった後、第１回目の燃料噴射が行われるまで、アクチュエータ２６が伸長状態から収縮されることはない。このため、アクチュエータ２６の収縮により差圧室２０内の圧力が急激に低下することはない。
【００３３】
このように本実施例では、エンジン１の始動に先だって燃料ポンプ３を始動した後で、かつニードル弁１８が開弁方向へ移動する直前に、アクチュエータ２６を初期の収縮状態から電圧印加により伸長し、かつ、この伸長状態を、初回の燃料噴射に応じて収縮されるまで保持している。この結果、燃料ポンプ３を始動してから第１回目の燃料噴射が行われるまでの間、差圧室２０内の圧力Ｐ１が効果的に上昇されるとともに、その圧力低下が効果的に抑制される。従って、エンジン１始動前後の不正噴射を確実に防止しつつ、早期に安定した燃料噴射を行うことができる。
【００３４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更，変形が可能である。例えば、エンジン１の始動に先だって燃料ポンプ３を起動してから、ニードル弁１８が開弁方向へ移動し始める直前までの時間Ｔａ（図５）を予め制御部５のメモリ内に記憶しておき、燃料ポンプ３を起動してから上記の時間Ｔａを経過した時点で、アクチュエータ２６を初期の収縮状態から伸長させるように構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係わる燃料噴射装置の基本的構成を示すブロック図。
【図２】図１の燃料噴射弁を示す断面図。
【図３】図１の制御部により実行されるフローチャート。
【図４】本実施例装置の動作を示すタイミングチャート。
【図５】供給圧と差圧室内の圧力との関係を示す特性図。
【図６】供給圧と差圧室内の圧力との差と、ニードル弁に作用する荷重との関係を示す特性図。
【符号の説明】
１…エンジン（内燃機関）
２…燃料噴射弁
３…燃料ポンプ
４…圧力検出部（圧力検出手段）
５…制御部
１８…ニードル弁
２０…差圧室
２２…燃圧室
２６…アクチュエータ
２８…ピストン
３０…オリフィス（絞り）

Claims (4)

1. 燃料噴孔を開閉するニードル弁と、燃料を加圧する燃料ポンプと、この燃料ポンプから高圧燃料が供給され、その圧力が上記ニードル弁に対して開弁方向に作用する燃圧室と、上記燃料ポンプからオリフィスを介して高圧燃料が供給され、その圧力が上記ニードル弁に対して閉弁方向に作用する差圧室と、印加電圧に応じて伸縮する圧電アクチュエータと、上記差圧室へ一端が臨み、上記アクチュエータの伸長に応じて上記差圧室側へ前進するとともに、上記アクチュエータの収縮に応じて上記差圧室から後退するピストンと、を有する差圧式燃料噴射装置において、
   内燃機関の始動に先だって上記燃料ポンプを始動し、この燃料ポンプの始動に伴い差圧室の圧力が燃圧室の圧力に比して遅れて上昇し、両圧力の差により上記ニードル弁が開弁方向へ移動する直前に、上記アクチュエータが初期の収縮状態から電圧印加により伸長され、かつ、この伸長状態が、内燃機関の始動後の初回の燃料噴射に応じて収縮されるまで保持されることを特徴とする差圧式燃料噴射弁。
2. 上記燃料ポンプの供給圧を検出するとともに、上記差圧室内の圧力を検出する圧力検出手段を有し、上記供給圧と上記差圧室内の圧力とに基づいて、上記アクチュエータを初期の収縮状態から伸長させることを特徴とする請求項１に記載の差圧式燃料噴射装置。
3. 上記内燃機関の始動に先だって燃料ポンプを始動してから予め記憶された所定時間を経過した時点で、上記アクチュエータを初期の収縮状態から伸長させることを特徴とする請求項１に記載の差圧式燃料噴射装置。
4. 上記燃料ポンプの供給圧を検出し、この供給圧が高圧燃料噴射に必要な目標圧力に達した時点で、上記内燃機関を始動させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の差圧式燃料噴射装置。

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