JP3807148B2

JP3807148B2 - Piezoelectric fuel injection valve

Info

Publication number: JP3807148B2
Application number: JP14255099A
Authority: JP
Inventors: 孝之荒井; 明宏榊田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2019-05-24
Also published as: JP2000337223A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、筒内直噴式ガソリン機関等に好適な圧電式燃料噴射弁、特に、燃料噴射率の可変制御が可能な圧電式燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば機関のシリンダ内に向けて燃料噴射弁を配置し、シリンダ内に直接に燃料を噴射するようにした筒内直噴式ガソリン機関においては、図１に示すように、運転条件によって異なる燃料噴射率が要求される。図１において斜線を施して示す領域は、圧縮行程付近で燃料を噴射することにより希薄空燃比による成層燃焼を実現するようにした成層運転領域であるが、この成層運転領域内において、中速中負荷域では、中程度の噴射率が要求される。これに対し、成層運転領域内において低速低負荷域では、筒内ガス流動が弱く、可燃混合気が点火栓近傍に供給されにくいことから、燃料噴射率を小さくし、できるだけ長時間に亘って燃料を噴射することにより、可燃混合気が点火栓近傍に形成されやすくすることが望ましく、小さな燃料噴射率が要求される。また、斜線を施した成層運転領域以外の領域は、吸気行程付近で燃料を噴射して略理論空燃比による均質燃焼を実現するようにした均質燃焼領域であるが、この領域では、必要な燃料供給量が多く、また機関回転数が高いことから、噴射率を大きくする必要がある。
【０００３】
また、筒内直噴式ガソリン機関に好適な燃料噴射弁として、特開平６−２８０７１１号公報に記載されているような圧電式燃料噴射弁が知られている。これは、電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータを用いたもので、燃料噴射時期に電圧の印加を停止することにより、圧電アクチュエータを後退させてニードル弁の閉方向に作用していた圧力を低下させ、ニードル弁をリフトさせる構成となっている。
【０００４】
なお、特開平９−２５６９２５号公報は、ディーゼル機関に用いられる蓄圧式燃料噴射装置において噴射率を可変制御する技術を開示しており、圧電素子に印加する電圧の制御により背圧制御弁のリフト量を可変とし、リリーフオリフィスを通過する流量を制御して、噴射率を可変制御している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平６−２８０７１１号公報に記載の従来の圧電式燃料噴射弁においては、ニードル弁のリフト量は、ニードル弁ストッパにより規定され、常に一定値であるため、燃圧を変化させることによって噴射率を僅かに変化させることができるに過ぎず、上述したような機関運転条件に応じた適切な噴射率可変制御は到底実現できない。
【０００６】
また、特開平９−２５６９２５号公報に開示された技術は、燃圧が１５０ＭＰａ以上と非常に高いディーゼル機関には適用可能であるものの、ガソリン機関では、燃圧が５〜１５ＭＰａ程度と低いので、ニードル弁の中間リフト時の挙動が不安定となり、安定した噴射率可変制御は実現不可能である。
【０００７】
そこで、この発明は、圧電アクチュエータへの印加電圧の制御によりリフト量を２段階に確実に制御可能な圧電式燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、アクチュエータシリンダ内に摺動可能に嵌合したアクチュエータピストンを一端部に備え、かつ予め電圧を印加することにより伸長した状態から電圧印加を停止することにより縮小する圧電アクチュエータと、先端部が噴孔を開閉するように噴射弁ボディ内に摺動可能に配置され、かつフルリフト位置がストッパにより規定されるニードル弁と、このニードル弁を閉方向に付勢するメインスプリングと、ニードル弁の周囲に形成され、かつ燃料が導入されるとともに、ニードル弁のリフトにより噴孔を通して開放される燃圧室と、上記ニードル弁の基端部に設けられ、かつ上記燃圧室からリフト方向の力を受ける受圧面を備えたニードルピストン部と、上記燃圧室の圧力と対向するように、上記ニードルピストン部と上記アクチュエータピストンとの間に形成される差圧室と、この差圧室が拡大する方向に上記アクチュエータピストンを常時付勢するアクチュエータスプリングと、を備え、上記圧電アクチュエータの縮小に伴う上記差圧室内の圧力低下による上記燃圧室との圧力差によって上記ニードル弁がリフトする圧電式燃料噴射弁において、
上記ニードルピストン部の差圧室側の端面と該端面に対向する噴射弁ボディ壁面とのいずれか一方に配置され、かつニードル弁軸方向に沿って進退可能なプランジャと、このプランジャがニードル弁の所定の中間リフト位置で上記端面もしくは上記壁面の他方に当接するように、突出状態に付勢するプランジャスプリングと、を備えるとともに、
上記圧電アクチュエータの印加電圧を、上記ニードル弁のリフト量が上記プランジャにより規制されるように上記圧電アクチュエータを相対的に小さく伸長させる相対的に低い第１の印加電圧（Ｖ１）と、上記プランジャスプリングに打ち勝って上記ニードル弁がフルリフト位置に達するように上記圧電アクチュエータを相対的に大きく伸長させる相対的に高い第２の印加電圧（Ｖ２）と、に制御することにより、中間リフト量による燃料噴射とフルリフト量による燃料噴射とが切り換えられることを特徴としている。
【００１０】
さらに請求項２の発明は、上記ニードルピストン部の差圧室側の端面および該端面に対向する上記噴射弁ボディ壁面がストッパとして互いに当接するように構成されているとともに、該端面もしくは上記壁面からのプランジャの突出量によって上記中間リフト位置が規定されることを特徴としている。
【００１１】
すなわち、リフト前の状態では、上記ニードル弁に、燃圧室内の燃料圧力がリフト方向に作用するとともに、差圧室内の燃料圧力が閉方向に作用し、かつメインスプリングのばね力が閉方向に作用する。ここで、差圧室内の燃料圧力は、燃圧室内の燃料圧力に等しく、その結果、ニードル弁は、着座状態に保持される。
【００１２】
この状態から所定の噴射時期となって圧電式燃料噴射弁の電圧の印加が停止されると、圧電アクチュエータが縮小してアクチュエータピストンが後退し、差圧室が拡大する。これにより差圧室内の燃料圧力が低下し、燃圧室との間で圧力差が生じるので、ニードル弁はメインスプリングのばね力に抗してリフトし、燃料が噴射される。このニードル弁のリフトが所定の中間リフト位置に達すると、プランジャ先端がニードルピストン部の端面もしくは噴射弁ボディ壁面に当接し、プランジャスプリングのばね力がニードル弁閉方向に作用するようになる。従って、差圧室と燃圧室との間の圧力差が所定レベルより小さければ、ニードル弁はこの中間リフト位置において停止し、それ以上リフトすることができない。また、差圧室と燃圧室との間の圧力差が所定レベルより大きければ、ニードル弁は、プランジャスプリングのばね力に抗してプランジャを押し込みながらさらにリフトし、何らかのストッパにより規制されるフルリフト位置までリフトする。
【００１３】
本発明では、上記圧電アクチュエータの印加電圧の制御により、差圧室内の燃料圧力の低下を変化させることができるので、ニードル弁のリフト量を、ストッパにより規制されるフルリフト量と、上記プランジャにより規制される中間リフト量とに、制御可能である。これにより燃料噴射率を基本的に２段階に切り換えることができるが、さらに、請求項５のように、上記印加電圧の制御によるリフト量の可変制御と上記燃圧室に導入される燃圧の可変制御とを組み合わせるようにすれば、多段階の噴射率制御が可能である。
【００１４】
請求項２の発明では、ニードルピストン部端面と噴射弁ボディ壁面とが当接することによってニードル弁のフルリフト位置が規定され、またプランジャの突出量によって中間リフト位置が規定される。
【００１５】
請求項１，２の発明をさらに限定した請求項３の発明では、上記プランジャの先端面に、溝が形成されている。このように溝を設けることによって、上記端面もしくは壁面に当接した状態でも、溝を通した燃料の移動が可能となり、プランジャの接離に伴う液圧受圧面積の変化が少なくなる。
【００１６】
また請求項４の発明は、上記壁面を構成する噴射弁ボディの一部によって、上記差圧室が、圧電アクチュエータ側差圧室とニードル弁側差圧室とに区分されており、かつ両者が連通孔を介して一体に連通していることを特徴としている。つまり、上記壁面は、ニードルピストン部とアクチュエータピストンとの間に位置しているが、その両側に、実質的に一体となった差圧室が構成されている。
【００１７】
【発明の効果】
この発明に係る圧電式燃料噴射弁によれば、プランジャスプリングにより付勢されたプランジャの作用によってリフト量を２段階に確実に制御することができ、圧電アクチュエータへの印加電圧の制御により要求噴射率に応じた噴射率可変制御を実現することができる。特に、請求項５のように燃圧の可変制御と組み合わせることにより、一層広い範囲に亘って噴射率を可変制御することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図２は、この発明に係る圧電式燃料噴射弁の一実施例を示す断面図である。この圧電式燃料噴射弁は、例えば筒内直噴式ガソリン機関に用いられるものであって、噴射弁ボディ１７の先端側のノズル部１７ａ内にニードル弁３が摺動可能に配置されており、このニードル弁３の先端のシート部３ｆが噴射弁ボディ１７先端の噴孔１を開閉している。上記ニードル弁３は、基端部に大径のニードルピストン部３ｄを有するとともに、中間部に鍔状のガイド部３ａを有し、それぞれノズル部１７ａ内周に数μｍ程度の間隙を介して摺動可能に嵌合している。ここで、上記ニードルピストン部３ｄのノズルシリンダ８に対する嵌合隙間は、ガイド部３ａにおける嵌合隙間よりも小さく、これによって、ニードル弁３周囲に燃圧室５を画成している。この燃圧室５には、燃料導入孔６を通して所定の燃圧の燃料が導入されるようになっており、その燃料圧力が、ニードルピストン部３ｄのテーパ状の受圧面３ｅにニードル弁３のリフト方向に作用する。上記ガイド部３ａには、図３に示すように、周囲４カ所に燃料流路３ｇが切欠形成されている。そして、このガイド部３ａとスプリング支持部１７ｂとの間に配設されたメインスプリング７によってニードル弁３は常時閉方向へ付勢されている。なお、噴孔１の上流側には、噴霧に旋回成分を付与するためのスワラーチップ２が設けられている。上記ニードルピストン部３ｄは、軽量化のために中空状となっており、その端部の開口面が、連通孔４ａを有するプレート４によって閉塞されている。
【００２０】
一方、噴射弁ボディ１７の基端側のアクチュエータシリンダ９内には、圧電素子を多数積層してなる円柱状の圧電アクチュエータ１８が配設されている。この圧電アクチュエータ１８は、ニードル弁３側の一端部にアクチュエータピストン２０を備えているとともに、他端部にエンドプレート２１を有し、これらのアクチュエータピストン２０およびエンドプレート２１が、アクチュエータシリンダ９内周に摺動可能に嵌合している。そして、アクチュエータシリンダ９端部の固定プレート２２によって該圧電アクチュエータ１８が保持されている。なお、２３は、開口部２４を通して外部へ出されたリード線である。
【００２１】
上記アクチュエータピストン２０は、アクチュエータシリンダ９内周との間をシールするためのＯリング１９を備えており、これによって、該アクチュエータピストン２０と上記ニードルピストン部３ｄとの間に、差圧室１０が画成されている。
【００２２】
この実施例では、上記ノズルシリンダ８と上記アクチュエータシリンダ９とを仕切るように、噴射弁ボディ１７の一部からなるストッパブロック１７ｃを備えている。このストッパブロック１７ｃは、アクチュエータシリンダ９内に円柱状に突出しており、その端面と上記アクチュエータピストン２０との間に、圧電アクチュエータ１８を常時縮小方向へ付勢する皿ばねからなるアクチュエータスプリング２５が配設されている。また、このストッパブロック１７ｃによって、上記差圧室１０は、ノズルシリンダ８内のニードル弁側差圧室１０Ａと、アクチュエータシリンダ９内のアクチュエータ側差圧室１０Ｂと、に区分されているが、両者は、ストッパブロック１７ｃ周囲の複数の連通路１２によって常時連通しており、実質的に一体となっている。なお、ニードル弁側差圧室１０Ａの径（ノズルシリンダ８の径）Ｄ１は、アクチュエータ側差圧室１０Ｂの径（アクチュエータシリンダ９の径）Ｄ２よりも小さく、その口径比は、必要な変位拡大率に応じて設定されている。
【００２３】
上記ストッパブロック１７ｃには、ノズルシリンダ８に向かって開口したシリンダ状のプランジャ嵌合部１５が凹設されており、ここに略円筒状のプランジャ１１が摺動可能に配設されている。このプランジャ１１は、プランジャスプリング１６によって常時ノズルシリンダ８側へ付勢されているとともに、プランジャ嵌合部１５を覆うように圧入固定された環状のストッパプレート１３によって抜け止めされている。そして、ノズルシリンダ８側の小径部１１ｃがストッパプレート１３の開口部を貫通してニードル弁３側へ所定量突出しており、その先端１１ａがニードルピストン部３ｄの端面つまりプレート４に対向している。なお、燃料の通流を許容するために、プランジャ嵌合部１５底部に連通孔１４が、プランジャ１１に連通孔１１ｂが、それぞれ貫通形成されており、さらに、上記プランジャ先端１１ａには、図４に示すように、放射状に４本の溝１１ｅが形成されている。
【００２４】
なお、図２では、噴射弁ボディ１７を一つの部材であるかのように模式的に示しているが、実際には複数の部材から構成されている。
【００２５】
次に、図５に基づいて、上記圧電式燃料噴射弁の作用を説明する。
【００２６】
先ず、所定の噴射時期の前の状態では、上記圧電アクチュエータ１８に図示せぬ駆動装置から所定の電圧が印加され、該圧電アクチュエータ１８が伸長状態となっている。そして、燃料は、燃圧室５および差圧室１０を満たしているが、各部の燃料圧力は等しく、従って、ニードル弁３は、メインスプリング７のばね力によって着座し、燃料は噴射されない。この状態では、図５（ａ）に示すように、ニードルピストン部３ｄとプランジャ１１先端１１ａとの間には、所定の間隙Ｓ１が存在し、かつプランジャ１１は、ストッパプレート１３の壁面から所定量Ｓ２だけ突出している。
【００２７】
次に、所定の噴射時期に達すると、印加電圧が例えば０Ｖまで低下し、圧電アクチュエータ１８は収縮する。その結果、差圧室１０の容積が急激に増加し、圧力が低下する。これにより、燃圧室５と差圧室１０との間で圧力差が発生し、その圧力差による開弁力Ｆ（圧力差×受圧面３ｅ面積に略等しい）がメインスプリング７による閉弁力Ｆａよりも大きくなった時点でニードル弁３がリフトし、燃料噴射が開始される。
【００２８】
ここで、上記ニードル弁３は、図５（ｂ）に示すように、所定量Ｓ１だけリフトした段階でプランジャ１１に当接し、該プランジャ１１からプランジャスプリング１６のセット荷重Ｆｂを受ける。このときに、Ｆａ＜Ｆ≦Ｆａ＋Ｆｂの関係にあれば、ニードル弁３は、図５（ｂ）に示すようなプランジャ１１に当接した位置で停止し、中間リフト量（リフト量Ｓ１）に保たれる。なお、プランジャ１１の当接状態においても先端１１ａの溝１１ｅを介して燃料の通流が可能であるので、上述の圧力差がニードル弁３に有効に作用する。
【００２９】
一方、ニードル弁３がプランジャ１１先端１１ａに当接したときに、Ｆ＞Ｆａ＋Ｆｂの関係にあれば、ニードル弁３はプランジャ１１とともにさらにリフトし、プレート４端面がストッパプレート１３に当接するフルリフト位置に達する。
【００３０】
すなわち、ニードル弁３に作用する開弁力Ｆの大きさを制御することにより、ニードル弁３のリフト量を、２段階に制御することができる。そして、開弁力Ｆは、燃圧室５と差圧室１０との圧力差に依存するので、圧電アクチュエータ１８に印加する電圧の値によって制御することができる。
【００３１】
図６は、圧電アクチュエータ１８の駆動電圧に対する、圧電アクチュエータ１８の変位量、差圧室１０内の圧力および開弁力Ｆの変化をそれぞれ示している。図示するように、圧電アクチュエータ１８の変位量および開弁力Ｆは印加電圧に比例し、差圧室１０内の圧力は印加電圧に反比例する関係にあるので、予めＦａ＜Ｆ≦Ｆａ＋ＦｂおよびＦ＞Ｆａ＋Ｆｂを満たす圧電アクチュエータ１８印加電圧Ｖ１，Ｖ２を求めておけば、上述したリフト量の可変制御を容易に実現できる。なお、実際には、ニードル弁３やプランジャ１１の変位に伴ってメインスプリング７の荷重Ｆａやプランジャスプリング１６の荷重Ｆｂが僅かに変化するが、その大きさは比較的小さいので、上記の説明では、これを無視している。
【００３２】
上記のようにニードル弁３がリフトした後、設定された噴射期間が経過したら、再度圧電アクチュエータ１８に所定の電圧が印加される。これにより、圧電アクチュエータ１８が伸長し、差圧室１０内の燃料圧力が燃圧室５内の圧力に近づくので、メインスプリング７の荷重Ｆａによりニードル弁３が閉じ、噴射が終了する。
【００３３】
次に、上記構成の圧電式燃料噴射弁を用いて、図１に示したように燃料噴射率を大、中、小の３段階に可変制御する場合の制御の流れを、図７のフローチャートに基づいて説明する。なお、この例では、ニードル弁３のリフト量制御と燃圧の可変制御とを組み合わせて３段階の噴射率を得るようにしている。
【００３４】
先ず、ステップ１で内燃機関が運転中であるか否か判定した後、ステップ２において、機関回転数、スロットル弁開度、吸入空気量、等の機関運転条件を読み込み、かつステップ１で、運転条件に応じた要求噴射率および要求噴射パルス幅を決定する。そして、要求噴射率が、小、中、大のいずれであるかを、ステップ４およびステップ５によって判別する。
【００３５】
決定された噴射率が小であった場合には、ステップ６へ進み、圧電アクチュエータ１８の印加電圧を中間リフトに対応したＶ１とし、燃圧を相対的に低いＰ１とする。そして、この状態で、ステップ７において、要求噴射パルス幅での燃料噴射を行う。また、噴射率が中であれば、ステップ５からステップ８へ進み、圧電アクチュエータ１８の印加電圧を中間リフトに対応したＶ１とし、かつ燃圧を中間のＰ２とする。そして、この状態で、ステップ９において、要求噴射パルス幅での燃料噴射を行う。また、噴射率が大であれば、ステップ５からステップ１０へ進み、圧電アクチュエータ１８の印加電圧をフルリフトに対応したＶ２とし、かつ燃圧を最も高いＰ３（Ｐ１＜Ｐ２≦Ｐ３である）とする。そして、この状態で、ステップ１１において、要求噴射パルス幅での燃料噴射を行う。
【００３６】
このように内燃機関の運転条件に応じて燃料噴射率を可変制御することにより、燃費性能や排気性能が大幅に向上する。
【００３７】
以上、ニードル弁３のニードルピストン部３ｄに対向するプランジャ１１を噴射弁ボディ１７側に設けた一実施例を説明したが、この発明においては、同様のプランジャ１１を逆にニードル弁３のニードルピストン部３ｄ側に設けることも可能である。
【００３８】
すなわち、図示は省略するが、ニードル弁３が位置するノズルシリンダ８と圧電アクチュエータ１８が位置するアクチュエータシリンダ９との間に、平板な隔壁状のストッパ部を設け、その中心部に連通路１２が貫通形成される。前述した実施例と同様に、このストッパ部によって、差圧室１０は、ノズルシリンダ８内のニードル弁側差圧室１０Ａと、アクチュエータシリンダ９内のアクチュエータ側差圧室１０Ｂと、に区分されるが、両者は、上記連通路１２によって常時連通し、実質的に一体となる。
【００３９】
そして、ニードル弁３のニードルピストン部３ｄ内に、上記ストッパ部へ向けて突出するプランジャ１１が配置される。このプランジャ１１は、やはりプランジャスプリング１６によって突出方向へ付勢され、プレート４から所定量突出したものとなる。
【００４０】
従って、ニードル弁３が所定の中間リフト位置までリフトすると、上記プランジャ１１の先端１１ａが上記ストッパ部に当接し、プランジャスプリング１６の荷重Ｆｂによって、該ニードル弁３を中間リフト位置に保持しようとする。そして、燃圧室５と差圧室１０との間の圧力差が所定レベル以上であれば、プランジャ１１はニードルピストン部３ｄ内に後退し、プレート４がストッパ部に当接するフルリフト位置までリフトする。
【００４１】
この実施例においては、前述した実施例がニードル弁３の重量つまり応答性の点で優れているのに対し、圧電式燃料噴射弁としての基本的構成がリフト量固定のものと特に変わりがないという点で優れている。つまり、ニードル弁３を、上述したプランジャ１１を具備したものとすれば、可変噴射率燃料噴射弁とすることができ、コスト等の点で有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】筒内直噴式ガソリン機関における要求噴射率を示す特性図。
【図２】この発明に係る圧電式燃料噴射弁の一実施例を示す断面図。
【図３】ニードル弁３のガイド部３ａ部分の断面図。
【図４】プランジャ１１の先端１１ａの正面図。
【図５】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、この実施例におけるプランジャ１１の作用を示す説明図。
【図６】圧電アクチュエータ１８の駆動電圧と、圧電アクチュエータ１８の変位量、差圧室１０内の圧力および開弁力Ｆとの関係を示す特性図。
【図７】噴射弁可変制御の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
３…ニードル弁
３ｄ…ニードルピストン部
５…燃圧室
７…メインスプリング
１０…差圧室
１１…プランジャ
１６…プランジャスプリング
１７…噴射弁ボディ
１８…圧電アクチュエータ
２０…アクチュエータピストン
２５…アクチュエータスプリング[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric fuel injection valve suitable for an in-cylinder direct injection gasoline engine or the like, and more particularly to a piezoelectric fuel injection valve capable of variably controlling a fuel injection rate.
[0002]
[Prior art]
For example, in a direct injection type gasoline engine in which a fuel injection valve is arranged in a cylinder of an engine and fuel is directly injected into the cylinder, as shown in FIG. Is required. 1 is a stratified operation region in which stratified combustion is realized by a lean air-fuel ratio by injecting fuel in the vicinity of the compression stroke. In the load range, a medium injection rate is required. On the other hand, in the low speed and low load region in the stratified operation region, the in-cylinder gas flow is weak and the combustible mixture is difficult to be supplied to the vicinity of the spark plug. It is desirable that the combustible air-fuel mixture be easily formed in the vicinity of the spark plug by injecting the fuel, and a small fuel injection rate is required. In addition, the region other than the stratified operation region that is shaded is a homogeneous combustion region in which fuel is injected near the intake stroke to achieve homogeneous combustion at a substantially stoichiometric air-fuel ratio. Since the supply amount is large and the engine speed is high, it is necessary to increase the injection rate.
[0003]
As a fuel injection valve suitable for an in-cylinder direct injection gasoline engine, a piezoelectric fuel injection valve as described in JP-A-6-280711 is known. This uses a piezoelectric actuator that expands and contracts when a voltage is applied. By stopping the application of voltage at the fuel injection timing, the piezoelectric actuator is moved backward to reduce the pressure acting in the needle valve closing direction. The needle valve is lifted.
[0004]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-256925 discloses a technique for variably controlling the injection rate in a pressure accumulating fuel injection device used in a diesel engine, and the back pressure control valve lift is controlled by controlling the voltage applied to the piezoelectric element. The injection rate is variably controlled by making the amount variable and controlling the flow rate passing through the relief orifice.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional piezoelectric fuel injection valve described in JP-A-6-280711, the lift amount of the needle valve is defined by the needle valve stopper and is always a constant value. Therefore, the injection rate can be changed by changing the fuel pressure. It is only possible to slightly change the above, and appropriate injection rate variable control according to the engine operating conditions as described above cannot be realized at all.
[0006]
The technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-256925 can be applied to a diesel engine having a fuel pressure as high as 150 MPa or higher, but in a gasoline engine, the fuel pressure is as low as about 5 to 15 MPa. The behavior during the intermediate lift becomes unstable, and stable injection rate variable control cannot be realized.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric fuel injection valve capable of reliably controlling the lift amount in two stages by controlling the voltage applied to the piezoelectric actuator.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Invention, a piezoelectric be reduced by comprising at one end a fitted actuator piston slidably in the actuator cylinder, and stops the voltage application from Shin poured was state by applying a pre-voltage according to claim 1 An actuator, a needle valve whose tip is slidably disposed in the injection valve body so as to open and close the nozzle hole , and a full lift position is defined by a stopper, and a main spring that biases the needle valve in the closing direction A fuel pressure chamber that is formed around the needle valve and in which fuel is introduced and is opened through the nozzle hole by the lift of the needle valve; and provided at the base end of the needle valve and lifted from the fuel pressure chamber A needle piston portion having a pressure receiving surface for receiving a force in the direction, and the needle piston portion so as to face the pressure of the fuel pressure chamber. A differential compartments formed between the serial actuator piston, an actuator spring for constantly urging the actuator piston in a direction which the differential room is enlarged, provided with, the difference in pressure chamber due to the reduction of the piezoelectric actuator In the piezoelectric fuel injection valve in which the needle valve is lifted by a pressure difference with the fuel pressure chamber due to a pressure drop of
A plunger that is disposed on either the end surface on the differential pressure chamber side of the needle piston portion or the injection valve body wall surface facing the end surface and that can advance and retreat along the needle valve axial direction, so as to abut against the other of the end surface or the wall surface at a predetermined intermediate lift position, Rutotomoni and a plunger spring for urging the projecting state,
The applied voltage of the piezoelectric actuator includes a relatively low first applied voltage (V1) for extending the piezoelectric actuator relatively small so that a lift amount of the needle valve is regulated by the plunger, and the plunger spring. By controlling the piezoelectric actuator to a relatively high second applied voltage (V2) that extends the piezoelectric actuator relatively large so that the needle valve reaches the full lift position by overcoming It is characterized in that the fuel injection by the full lift amount can be switched .
[0010]
Further, the invention according to claim 2 is configured such that the end surface of the needle piston portion on the differential pressure chamber side and the injection valve body wall surface facing the end surface are in contact with each other as a stopper, and from the end surface or the wall surface, The intermediate lift position is defined by the protruding amount of the plunger.
[0011]
That is, in the state before the lift, the fuel pressure in the fuel pressure chamber acts on the needle valve in the lift direction, the fuel pressure in the differential pressure chamber acts in the closing direction, and the spring force of the main spring acts in the closing direction. To do. Here, the fuel pressure in the differential pressure chamber is equal to the fuel pressure in the fuel pressure chamber, and as a result, the needle valve is held in the seated state.
[0012]
When the application of the voltage of the piezoelectric fuel injection valve is stopped from this state at a predetermined injection timing, the piezoelectric actuator is contracted, the actuator piston is retracted, and the differential pressure chamber is expanded. As a result, the fuel pressure in the differential pressure chamber decreases and a pressure difference is generated between the pressure chamber and the fuel pressure chamber, so that the needle valve is lifted against the spring force of the main spring, and fuel is injected. When the lift of the needle valve reaches a predetermined intermediate lift position, the plunger tip comes into contact with the end face of the needle piston portion or the wall surface of the injection valve body, and the spring force of the plunger spring acts in the needle valve closing direction. Therefore, if the pressure difference between the differential pressure chamber and the fuel pressure chamber is smaller than a predetermined level, the needle valve stops at this intermediate lift position and cannot be lifted any further. Further, if the pressure difference between the differential pressure chamber and the fuel pressure chamber is larger than a predetermined level, the needle valve further lifts while pushing the plunger against the spring force of the plunger spring, and is a full lift position regulated by some stopper. Lift up to.
[0013]
In the present invention, since the decrease in the fuel pressure in the differential pressure chamber can be changed by controlling the voltage applied to the piezoelectric actuator, the lift amount of the needle valve is regulated by the full lift amount regulated by the stopper and the plunger. The intermediate lift amount can be controlled. As a result, the fuel injection rate can be basically switched between two stages. Further, as in claim 5 , the lift amount variable control by the applied voltage control and the fuel pressure variable control introduced into the fuel pressure chamber are controlled. If combined with the above, multistage injection rate control is possible.
[0014]
According to the second aspect of the present invention, the full lift position of the needle valve is defined by contact between the end surface of the needle piston portion and the wall surface of the injection valve body, and the intermediate lift position is defined by the protruding amount of the plunger.
[0015]
In the invention of claim 3 , which further restricts the inventions of claims 1 and 2 , a groove is formed on the tip surface of the plunger. By providing the groove in this manner, the fuel can be moved through the groove even in a state where the groove is in contact with the end face or the wall surface, and the change in the hydraulic pressure receiving area due to the contact and separation of the plunger is reduced.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, the differential pressure chamber is divided into a piezoelectric actuator side differential pressure chamber and a needle valve side differential pressure chamber by a part of the injection valve body constituting the wall surface, and both are It is characterized in that they communicate with each other through a communication hole. That is, the wall surface is located between the needle piston portion and the actuator piston, but differential pressure chambers that are substantially integrated are formed on both sides thereof.
[0017]
【The invention's effect】
According to the piezoelectric fuel injection valve of the present invention, the lift amount can be reliably controlled in two stages by the action of the plunger urged by the plunger spring, and the required injection rate is controlled by controlling the voltage applied to the piezoelectric actuator. It is possible to realize injection rate variable control according to the above. In particular, by combining with variable control of fuel pressure as in claim 5 , the injection rate can be variably controlled over a wider range.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0019]
FIG. 2 is a sectional view showing an embodiment of the piezoelectric fuel injection valve according to the present invention. This piezoelectric fuel injection valve is used, for example, in an in-cylinder direct injection gasoline engine, and a needle valve 3 is slidably disposed in a nozzle portion 17a on the distal end side of the injection valve body 17. A seat portion 3 f at the tip of the needle valve 3 opens and closes the nozzle hole 1 at the tip of the injection valve body 17. The needle valve 3 has a large-diameter needle piston portion 3d at the base end portion and a hook-shaped guide portion 3a at the intermediate portion, and slides through an inner periphery of the nozzle portion 17a through a gap of about several μm. It is movably fitted. Here, the fitting gap between the needle piston portion 3d and the nozzle cylinder 8 is smaller than the fitting gap in the guide portion 3a, thereby defining the fuel pressure chamber 5 around the needle valve 3. A fuel having a predetermined fuel pressure is introduced into the fuel pressure chamber 5 through the fuel introduction hole 6, and the fuel pressure is applied to the tapered pressure receiving surface 3e of the needle piston portion 3d in the lift direction of the needle valve 3. Act on. As shown in FIG. 3, the guide portion 3a is formed with cutouts of fuel passages 3g at four locations around the guide portion 3a. The needle valve 3 is normally urged in the closing direction by the main spring 7 disposed between the guide portion 3a and the spring support portion 17b. A swirler tip 2 for providing a swirling component to the spray is provided on the upstream side of the nozzle hole 1. The needle piston portion 3d has a hollow shape for weight reduction, and an opening surface at an end thereof is closed by a plate 4 having a communication hole 4a.
[0020]
On the other hand, in the actuator cylinder 9 on the base end side of the injection valve body 17, a cylindrical piezoelectric actuator 18 formed by laminating a large number of piezoelectric elements is disposed. The piezoelectric actuator 18 includes an actuator piston 20 at one end on the needle valve 3 side, and an end plate 21 at the other end, and the actuator piston 20 and the end plate 21 are connected to the inner periphery of the actuator cylinder 9. It is slidably fitted to. The piezoelectric actuator 18 is held by a fixed plate 22 at the end of the actuator cylinder 9. Reference numeral 23 denotes a lead wire that is led out through the opening 24.
[0021]
The actuator piston 20 includes an O-ring 19 for sealing between the inner periphery of the actuator cylinder 9, whereby a differential pressure chamber 10 is provided between the actuator piston 20 and the needle piston portion 3 d. It is defined.
[0022]
In this embodiment, a stopper block 17 c made of a part of the injection valve body 17 is provided so as to partition the nozzle cylinder 8 and the actuator cylinder 9. The stopper block 17c protrudes in a cylindrical shape into the actuator cylinder 9, and an actuator spring 25 made up of a disc spring that constantly biases the piezoelectric actuator 18 in the contracting direction is disposed between the end face of the stopper block 17c and the actuator piston 20. It is installed. The stopper block 17c divides the differential pressure chamber 10 into a needle valve side differential pressure chamber 10A in the nozzle cylinder 8 and an actuator side differential pressure chamber 10B in the actuator cylinder 9. Are always communicated by a plurality of communication passages 12 around the stopper block 17c, and are substantially integrated. In addition, the diameter (diameter of the nozzle cylinder 8) D1 of the needle valve side differential pressure chamber 10A is smaller than the diameter (diameter of the actuator cylinder 9) D2 of the actuator side differential pressure chamber 10B, and the aperture ratio is a necessary displacement expansion. It is set according to the rate.
[0023]
The stopper block 17c is provided with a cylindrical plunger fitting portion 15 that opens toward the nozzle cylinder 8, and a substantially cylindrical plunger 11 is slidably disposed therein. The plunger 11 is constantly urged toward the nozzle cylinder 8 by a plunger spring 16 and is prevented from coming off by an annular stopper plate 13 that is press-fitted and fixed so as to cover the plunger fitting portion 15. A small-diameter portion 11c on the nozzle cylinder 8 side passes through the opening of the stopper plate 13 and protrudes by a predetermined amount toward the needle valve 3, and the tip 11a faces the end surface of the needle piston portion 3d, that is, the plate 4. . In order to allow the flow of fuel, a communication hole 14 is formed in the bottom of the plunger fitting portion 15, a communication hole 11 b is formed in the plunger 11, and further, the plunger tip 11 a is formed in FIG. As shown in FIG. 4, four grooves 11e are formed radially.
[0024]
In addition, in FIG. 2, although the injection valve body 17 is typically shown as if it were one member, it actually comprises a plurality of members.
[0025]
Next, the operation of the piezoelectric fuel injection valve will be described with reference to FIG.
[0026]
First, in a state before a predetermined injection timing, a predetermined voltage is applied to the piezoelectric actuator 18 from a driving device (not shown), and the piezoelectric actuator 18 is in an extended state. The fuel fills the fuel pressure chamber 5 and the differential pressure chamber 10, but the fuel pressure in each part is equal. Therefore, the needle valve 3 is seated by the spring force of the main spring 7, and no fuel is injected. In this state, as shown in FIG. 5A, there is a predetermined gap S1 between the needle piston portion 3d and the tip 11a of the plunger 11, and the plunger 11 is separated from the wall surface of the stopper plate 13 by a predetermined amount. Only S2 protrudes.
[0027]
Next, when the predetermined injection timing is reached, the applied voltage decreases to, for example, 0 V, and the piezoelectric actuator 18 contracts. As a result, the volume of the differential pressure chamber 10 increases rapidly and the pressure decreases. As a result, a pressure difference is generated between the fuel pressure chamber 5 and the differential pressure chamber 10, and a valve opening force F (pressure difference × substantially equal to the pressure receiving surface 3e area) due to the pressure difference is a valve closing force Fa by the main spring 7. The needle valve 3 is lifted when it becomes larger than that, and fuel injection is started.
[0028]
Here, as shown in FIG. 5 (b), the needle valve 3 contacts the plunger 11 when it is lifted by a predetermined amount S 1, and receives a set load Fb of the plunger spring 16 from the plunger 11. At this time, if the relationship of Fa <F ≦ Fa + Fb is satisfied, the needle valve 3 stops at a position where it abuts against the plunger 11 as shown in FIG. 5B, and is maintained at the intermediate lift amount (lift amount S1). Be drunk. Even when the plunger 11 is in contact, the fuel can flow through the groove 11e of the tip 11a, so that the pressure difference described above effectively acts on the needle valve 3.
[0029]
On the other hand, if the relationship of F> Fa + Fb is established when the needle valve 3 comes into contact with the tip 11a of the plunger 11, the needle valve 3 is further lifted together with the plunger 11, and the end face of the plate 4 is in the full lift position where it comes into contact with the stopper plate 13. Reach.
[0030]
That is, by controlling the magnitude of the valve opening force F acting on the needle valve 3, the lift amount of the needle valve 3 can be controlled in two stages. The valve opening force F depends on the pressure difference between the fuel pressure chamber 5 and the differential pressure chamber 10 and can be controlled by the value of the voltage applied to the piezoelectric actuator 18.
[0031]
FIG. 6 shows changes in the displacement amount of the piezoelectric actuator 18, the pressure in the differential pressure chamber 10, and the valve opening force F with respect to the driving voltage of the piezoelectric actuator 18. As shown in the figure, since the displacement amount and the valve opening force F of the piezoelectric actuator 18 are proportional to the applied voltage, and the pressure in the differential pressure chamber 10 is inversely proportional to the applied voltage, Fa <F ≦ Fa + Fb and F> in advance. If the applied voltages V1 and V2 of the piezoelectric actuator 18 satisfying Fa + Fb are obtained, the above-described variable control of the lift amount can be easily realized. Actually, the load Fa of the main spring 7 and the load Fb of the plunger spring 16 slightly change with the displacement of the needle valve 3 and the plunger 11, but the magnitude thereof is relatively small. Ignore this.
[0032]
After the needle valve 3 is lifted as described above, when a set injection period has elapsed, a predetermined voltage is applied to the piezoelectric actuator 18 again. As a result, the piezoelectric actuator 18 extends, and the fuel pressure in the differential pressure chamber 10 approaches the pressure in the fuel pressure chamber 5, so that the needle valve 3 is closed by the load Fa of the main spring 7, and the injection is completed.
[0033]
Next, the flow of control when the fuel injection rate is variably controlled in three stages of large, medium and small as shown in FIG. This will be explained based on. In this example, the lift amount control of the needle valve 3 and the variable control of the fuel pressure are combined to obtain a three-stage injection rate.
[0034]
First, after determining in step 1 whether or not the internal combustion engine is in operation, in step 2, the engine operating conditions such as the engine speed, throttle valve opening, intake air amount, etc. are read. The required injection rate and the required injection pulse width corresponding to the conditions are determined. Then, it is determined in step 4 and step 5 whether the required injection rate is small, medium or large.
[0035]
If the determined injection rate is small, the process proceeds to step 6 where the applied voltage of the piezoelectric actuator 18 is set to V1 corresponding to the intermediate lift, and the fuel pressure is set to P1 which is relatively low. In this state, in step 7, fuel injection is performed with the required injection pulse width. If the injection rate is medium, the process proceeds from step 5 to step 8 where the applied voltage of the piezoelectric actuator 18 is set to V1 corresponding to the intermediate lift, and the fuel pressure is set to intermediate P2. In this state, in step 9, fuel injection is performed with the required injection pulse width. If the injection rate is large, the process proceeds from step 5 to step 10, where the applied voltage of the piezoelectric actuator 18 is set to V2 corresponding to full lift, and the fuel pressure is set to P3 (P1 <P2 ≦ P3) being the highest. In this state, in step 11, fuel injection is performed with the required injection pulse width.
[0036]
Thus, by variably controlling the fuel injection rate in accordance with the operating conditions of the internal combustion engine, fuel efficiency and exhaust performance are greatly improved.
[0037]
Although one embodiment has been described in which the plunger 11 facing the needle piston portion 3d of the needle valve 3 is provided on the injection valve body 17 side, in the present invention, the similar plunger 11 is reversed to the needle piston of the needle valve 3. It can also be provided on the part 3d side.
[0038]
That is, although not shown , a flat partition wall-shaped stopper is provided between the nozzle cylinder 8 where the needle valve 3 is located and the actuator cylinder 9 where the piezoelectric actuator 18 is located. It is formed through. Like the previously described embodiments, depending on the stopper portion, differential room 10 includes a needle valve-side differences chamber 10A in the nozzle cylinder 8, and actuator side differential pressure chamber 10B in the actuator cylinder 9, is divided into that is, both, always communicates with the communication passage 12, a substantially integral.
[0039]
Then, in the needle valve 3 the needle piston part 3d, the plunger 11 which projects towards the stopper part is arranged. The plunger 11 is also biased to the extended direction by a plunger spring 16, and that projects a predetermined amount from the plate 4.
[0040]
Accordingly, when the needle valve 3 is lifted to a predetermined intermediate lift position, the tip 11a of the plunger 11 comes into contact with the stopper portion and tries to hold the needle valve 3 at the intermediate lift position by the load Fb of the plunger spring 16. . If the pressure difference between the fuel pressure chamber 5 and the differential pressure chamber 10 is equal to or greater than a predetermined level, the plunger 11 moves backward into the needle piston portion 3d and lifts to the full lift position where the plate 4 comes into contact with the stopper portion .
[0041]
In this embodiment, the above-described embodiment is excellent in terms of the weight of the needle valve 3, that is, the responsiveness, whereas the basic structure as a piezoelectric fuel injection valve is not particularly different from that of a fixed lift amount. It is excellent in that point. That is, if the needle valve 3 includes the above-described plunger 11, it can be a variable injection rate fuel injection valve, which is advantageous in terms of cost and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a characteristic diagram showing a required injection rate in an in-cylinder direct injection gasoline engine.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an embodiment of a piezoelectric fuel injection valve according to the present invention.
3 is a cross-sectional view of a guide portion 3a portion of a needle valve 3. FIG.
4 is a front view of a tip 11a of a plunger 11. FIG.
FIGS. 5A, 5B, and 5C are explanatory views showing the action of the plunger 11 in this embodiment.
6 is a characteristic diagram showing the relationship between the drive voltage of the piezoelectric actuator 18, the amount of displacement of the piezoelectric actuator 18, the pressure in the differential pressure chamber 10, and the valve opening force F. FIG.
FIG. 7 is a flowchart showing a flow of injection valve variable control.
[Explanation of symbols]
3 ... Needle valve 3d ... Needle piston part 5 ... Fuel pressure chamber 7 ... Main spring 10 ... Differential pressure chamber 11 ... Plunger 16 ... Plunger spring 17 ... Injection valve body 18 ... Piezoelectric actuator 20 ... Actuator piston 25 ... Actuator spring

Claims

The actuator piston fitted slidably in the actuator cylinder provided at one end, and a piezoelectric actuator to reduce by stopping the advance voltage voltage applied from Shin poured was state by applying a tip injection hole The needle valve is slidably disposed in the injection valve body so as to open and close , and a needle valve whose full lift position is defined by a stopper , a main spring that biases the needle valve in the closing direction, and a needle valve are formed around the needle valve And a fuel pressure chamber that is opened through the nozzle hole by the lift of the needle valve and a pressure receiving surface that is provided at the base end of the needle valve and receives a force in the lift direction from the fuel pressure chamber. The needle piston portion and the actuator piston so as to face the pressure of the fuel pressure chamber. Comprising a differential pressure chamber is formed between the emission, and an actuator spring for constantly urging the actuator piston in a direction which the differential room is enlarged, the pressure in the differential pressure chamber due to the reduction of the piezoelectric actuator In the piezoelectric fuel injection valve in which the needle valve lifts due to a pressure difference with the fuel pressure chamber due to a decrease ,
A plunger that is disposed on either the end surface on the differential pressure chamber side of the needle piston portion or the injection valve body wall surface facing the end surface and that can advance and retreat along the needle valve axial direction, so as to abut against the other of the end surface or the wall surface at a predetermined intermediate lift position, Rutotomoni and a plunger spring for urging the projecting state,
The applied voltage of the piezoelectric actuator includes a relatively low first applied voltage (V1) for extending the piezoelectric actuator relatively small so that a lift amount of the needle valve is regulated by the plunger, and the plunger spring. By controlling the piezoelectric actuator to a relatively high second applied voltage (V2) that extends the piezoelectric actuator relatively large so that the needle valve reaches the full lift position by overcoming A piezoelectric fuel injection valve characterized in that fuel injection by a full lift amount is switched .

An end surface of the needle piston portion on the differential pressure chamber side and the injection valve body wall surface facing the end surface are configured to abut against each other as a stopper, and the intermediate position is determined by the amount of protrusion of the plunger from the end surface or the wall surface. The piezoelectric fuel injection valve according to claim 1, wherein a lift position is defined.

The piezoelectric fuel injection valve according to claim 1 or 2 , wherein a groove is formed in a tip surface of the plunger.

The differential pressure chamber is divided into a piezoelectric actuator side differential pressure chamber and a needle valve side differential pressure chamber by a part of the injection valve body constituting the wall surface, and both communicate with each other through a communication hole. The piezoelectric fuel injection valve according to any one of claims 1 to 3 , wherein the piezoelectric fuel injection valve is provided.

By combining the variable control control by the fuel pressure to be introduced into the variable control and the fuel pressure chamber of the lift amount of the applied voltage, one of the claims 1 to 4, characterized in that the injection rate control of the multi-step is performed piezoelectric fuel injector crab according.