JP3827003B2 - 燃料噴射制御装置 - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関(以下、内燃機関を「エンジン」という。)のインジェクタを制御する燃料噴射制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えばピエゾ素子などの圧電素子の伸縮を利用して、ノズルニードルを駆動し噴孔を開閉するインジェクタが公知である。ピエゾ素子などの圧電素子は駆動指令に対する応答性が高く、ノズルニードルの作動を迅速に行うことが可能となる。このようなインジェクタの場合、圧電素子が伸縮することによりノズルニードルを噴孔閉塞方向へ付勢する制御室の油圧を制御している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
例えば図10に示すようなインジェクタ100の場合、制御室101と低圧室102とを連通する低圧ポート103を開閉する弁部材104は制御室101に設置されている。制御室101にはコモンレールから作動油である高圧の燃料が供給されるため、燃料の圧力により弁部材104は弁座部105に押し付けられている。そのため、制御室101と連通する背圧室106の圧力もコモンレール内の圧力と等しくなり、ノズルニードル110のシール部111はシート部107に着座している。その結果、噴孔108からの燃料の噴射は停止されている。
【0004】
ピエゾ素子が設けられているピエゾアクチュエータ120に電力が供給されると、ピエゾアクチュエータ120は伸長する。ピエゾアクチュエータ120の伸長にともなって大径ピストン121は油圧室122方向へ移動する。これにより、油圧室122の油圧は増大し小径ピストン123を介して弁部材104を駆動する。弁部材104が弁座部105から離座すると低圧ポート103は開放されるため、制御室101の燃料は低圧室102へ流出する。そのため、制御室101ならびに制御室101に連通する背圧室106の燃料の圧力は低下する。その結果、ノズルニードル110の周囲の高圧の燃料によりノズルニードル110は図10の上方へリフトし、噴孔108から燃料が噴射される。
【0005】
ピエゾアクチュエータ120への電力の供給が停止されると、ピエゾアクチュエータ120は収縮する。これにともない、大径ピストン121は油圧室122に設置されているスプリング124によりピエゾアクチュエータ120方向へ移動する。これにより、油圧室122の油圧は減少し、小径ピストン123を介して弁部材104を駆動する駆動力も低減する。駆動力の低減により、弁部材104は弁座部105に着座し低圧ポート103を閉塞するため、制御室101および背圧室106の燃料の圧力は増大し、ノズルニードル110を噴孔閉塞方向へ付勢する力が増大する。その結果、ノズルニードル110のシール部111はシート部107に着座し、噴孔108からの燃料の噴射が停止される。
【0006】
しかしながら、ピエゾアクチュエータ120が収縮する場合、ピエゾアクチュエータ120の収縮速度と大径ピストン121のピエゾアクチュエータ120方向への移動速度とは同一でない。そのため、ピエゾアクチュエータ120の収縮時、ピエゾアクチュエータ120の収縮速度が大径ピストン121の移動速度よりも大きくなると、ピエゾアクチュエータ120と大径ピストン121との間には隙間が形成される。この場合、ピエゾアクチュエータ120が収縮を停止すると、遅れて移動してきた大径ピストン121はピエゾアクチュエータ120に衝突する。その結果、衝突による衝撃でピエゾアクチュエータ120の信頼性が低下したり、騒音の発生を招くという問題がある。
【0007】
また、ピエゾアクチュエータ120と大径ピストン121とが衝突した場合、その反動により大径ピストン121が再び油圧室122方向へ移動するおそれがある。この場合、油圧室122の燃料が再び加圧されるため、小径ピストン123および弁部材104が駆動される。その結果、燃料の噴射の切れが悪化したり、二次噴射の発生を招くおそれがある。
【0008】
そこで、本発明の目的は、伸縮部と移動部材との衝突を防止し、燃料噴射の安定化、伸縮部の信頼性の向上、ならびに騒音の低下を図る燃料噴射制御装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1記載の燃料噴射制御装置によると、制御手段はインジェクタの伸縮部の伸縮速度を移動部材の移動速度以下に制御する。例えば、伸縮部がピエゾ素子を有する場合、ピエゾ素子の放電速度を制御することにより伸縮部の伸縮速度を移動部材の移動速度以下に制御することができる。伸縮部の収縮速度を移動部材の移動速度以下に制御することにより、伸縮部と移動部材とは一体となって移動する。そのため、伸縮部が収縮を停止したとき、伸縮部と移動部材とが衝突することを防止できる。したがって、伸縮部の信頼性を向上することができ、衝突による騒音を低減することができる。また、伸縮部の収縮後における移動部材の再移動を防止することができる。したがって、燃料の噴射の切れが向上し、二次噴射が防止され、燃料噴射を安定化することができる。
【0010】
本発明の請求項2記載の燃料噴射制御装置によると、制御手段は制御室へ導入される作動油の圧力に応じて伸縮部の収縮速度を変更する。移動部材には、伝達部材および油圧室の油圧を介して弁部材からの力が作用する。そのため、移動部材に作用する力は制御室の作動油の圧力によって変化する。例えば、ディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射システムの場合、制御室にはコモンレールから高圧の燃料が供給される。コモンレールから供給される燃料の圧力はエンジンの負荷状態によって変化する。そのため、コモンレールの圧力が高くなると、弁部材に作用する力も大きくなり、移動部材の移動速度も増大する。移動部材の移動速度の増大にあわせて、制御手段が伸縮部の収縮速度を増大させることにより、弁部材の高速な駆動が可能となる。また、伸縮部の収縮速度を一定にすると、例えばパイロット噴射をする場合、パイロット噴射の間隔が拡大し、パイロット噴射の自由度が制限される。そのため、制御室に導入される作動油の油圧に応じて伸縮部の収縮速度を増大することにより、燃料の噴射間隔を短縮することができる。したがって、燃料の噴射の自由度を高めることができる。
【0011】
本発明の請求項3記載の燃料噴射制御装置によると、伸縮部の収縮速度は作動油の圧力に応じて線形に変更される。そのため、伸縮部を作動油の圧力に応じて適切な収縮速度に制御することができる。
本発明の請求項4記載の燃料噴射制御装置によると、伸縮部の収縮速度は作動油の圧力に応じて段階的に変更される。そのため、作動油の圧力に応じた伸縮部の収縮速度の制御を簡略化することができる。
【0012】
本発明の請求項5記載の燃料噴射制御装置によると、伸縮部はピエゾ素子を有し、制御手段はピエゾ素子の放電速度を制御している。ピエゾ素子の放電速度は、例えばスイッチング素子を用いた多重スイッチング制御あるいはLC共振回路を用いたインダクタンスの制御などにより容易に変更することができる。したがって、伸縮部の収縮速度を適用されるエンジンあるいはエンジンの運転状態に合わせて容易に制御することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す複数の実施例を図面に基づいて説明する。
(第1実施例)
本発明の第1実施例による燃料噴射制御装置を適用したディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射システムを図2に示す。
【0014】
図示しないディーゼルエンジンの各気筒にはそれぞれインジェクタ1が設けられており、インジェクタ1には供給ライン2を経由してコモンレール3から高圧の燃料が供給される。そのため、インジェクタ1から各気筒の燃焼室内へはコモンレール3の内部の燃料の圧力に等しい圧力の燃料が噴射される。コモンレール3には燃料タンク4の燃料が高圧ポンプ5により加圧給送される。給送された燃料は、コモンレール3の内部に蓄圧状態で蓄えられる。コモンレール3に蓄えられている燃料の一部は、インジェクタ1の作動油としても用いられる。コモンレール3からインジェクタ1へ供給された作動油として用いられる燃料は、低圧の還流路6を経由して燃料タンク4に還流される。
【0015】
コモンレール3には圧力センサ3aが設けられている。コモンレール3の内部の燃料圧力は圧力センサ3aにより検出されECU7に出力される。ECU7は圧力センサ3aにより検出されたコモンレール3内部の燃料の圧力に基づいて調量弁8を制御し、コモンレール3へ給送される燃料の流量を調整する。ECU7は他の各種センサから入力される信号に基づいて判断されるエンジンの運転状態に合わせて、コモンレール3内の燃料の圧力が適正となるように制御する。
【0016】
図1に示すように、インジェクタ1はハウジング10、ノズルニードル20、付勢部30、弁部材31、および駆動部50を備えている。ハウジング10はハウジング本体11とノズルボディ12とを有している。ノズルボディ12の内部にはノズルニードル20が軸方向へ往復摺動可能に保持されている。ノズルボディ12には単数または複数の噴孔13が形成されている。ノズルボディ12の内部には燃料溜まり部14が形成されている。燃料溜まり部14は、高圧通路15に連通しており、コモンレール3から高圧の燃料が供給される。ノズルニードル20は、ノズルボディ12の噴孔13入口側に形成されているシート部16に着座可能なシール部21を有している。シール部21がシート部16から離座することにより噴孔13への燃料の流れが開放され、噴孔13から燃料が噴射される。シール部21がシート部16へ着座することにより噴孔13への燃料の流れが閉塞され、噴孔13からの燃料の噴射が停止される。
【0017】
ハウジング本体11には、弁部材31ならびに駆動部50を構成する伸縮部としてのピエゾアクチュエータ51が収容されている。ハウジング本体11には、ピエゾ収容部17、油圧室18、低圧室32、制御室33および背圧室34が形成されている。ピエゾ収容部17にはピエゾアクチュエータ51が収容されている。ピエゾアクチュエータ51の端部は移動部材としての大径ピストン52と当接しており、大径ピストン52の反ピエゾアクチュエータ側の端部は油圧室18に面している。大径ピストン52は、ハウジング本体11に形成されている大径シリンダ53の内部を往復摺動可能である。油圧室18には付勢部材としてのスプリング54が設置されており、大径ピストン52をピエゾアクチュエータ51方向へ付勢している。スプリング54が大径ピストン52をピエゾアクチュエータ51方向へ付勢することにより、ピエゾアクチュエータ51には反伸長方向へプリセットが荷重が加えられている。スプリング54としては、皿ばねあるいはコイルスプリングなどを使用可能である。
【0018】
大径ピストン52の変位量は、油圧室18の燃料により拡大されて伝達部材としての小径ピストン55に伝達される。小径ピストン55は、ハウジング本体11に形成されている小径シリンダ56の内部を往復摺動可能である。小径ピストン55の反油圧室側の端部は弁部材31と当接している。そのため、弁部材31は小径ピストン55の移動にともなって制御室33内を図1の上下方向へ移動する。弁部材31は、球状の部材一部を平面状に切除した概ね半球形状に形成されている。弁部材31は、球面状の部分が制御室33の内壁に形成されている弁座部33aに着座可能である。弁部材31の平面状の部分は、高圧通路15と制御室33とを連通する高圧ポート35の制御室33側の端部を閉塞可能である。コモンレール3から高圧通路15へ供給された燃料は、高圧ポート35を経由して制御室33および背圧室34へ導入される。制御室33にはスプリング331が設置されている。スプリング331は、弁部材31を弁座部33aへ着座する方向へ付勢している。
【0019】
低圧室32には低圧通路19が連通しており、制御室33から低圧ポート36を経由して排出された作動油である燃料は低圧通路19および還流路6を経由して燃料タンク4へ還流される。低圧ポート36は高圧側の制御室33と低圧側の低圧室32とを連通している。弁部材31が弁座部33aから離座または弁座部33aへ着座することにより、低圧ポート36は開閉される。低圧室32を形成するハウジング本体11の壁面と小径ピストン55との間にはスプリング57が設置されている。スプリング57は小径ピストン55を弁部材31方向へ付勢している。そのため、スプリング331により付勢される弁部材31とスプリング57により付勢される小径ピストン55とは、互いに当接し一体となって移動する。
【0020】
背圧室34は、弁部材31の反噴孔側の端部に形成されている。背圧室34には高圧通路15からオリフィス341を介してコモンレール3内の圧力と同一の燃料が導入されている。背圧室34はオリフィス371を有する制御通路37を介して制御室33に連通している。そのため、制御室33と背圧室34とは内部の圧力が概ね同一となる。背圧室34にはスプリング38が設置されており、背圧室34に導入された高圧の燃料とスプリング38の付勢力とによりノズルニードル20はシール部21がシート部16へ着座する方向すなわち噴孔13を閉塞する方向へ付勢されている。制御室33、背圧室34、制御通路37およびスプリング38などからノズルニードル20を噴孔閉塞方向へ付勢する付勢部30が構成されている。
【0021】
次に、燃料噴射制御装置60について詳細に説明する。
燃料噴射制御装置60は、ピエゾアクチュエータ51へ供給する電力を制御する駆動回路70と、ECU7から出力される噴射信号に基づいて駆動回路70の各素子を制御する制御回路61とを有している。
【0022】
駆動回路70は、図3に示すように電源であるバッテリ71に接続されている。駆動回路70は、DC/DCコンバータ72、充電スイッチング素子73、放電スイッチング素子74、気筒選択スイッチ75および充放電コイル76を有している。駆動回路70にはピエゾアクチュエータ51を構成するピエゾスタック77が接続されている。ピエゾスタック77は容量性の素子であるピエゾ素子が積層されて構成されている。DC/DCコンバータ72は、バッテリ71の電圧を所定の直流高電圧に変換する。充電スイッチング素子73および放電スイッチング素子74には逆方向の電流の流れを許容するダイオード731、741がそれぞれ接続されている。充電スイッチング素子73および放電スイッチング素子74は、例えばMOSFETが用いられ、回路の電流を断続する。充電スイッチング素子73、放電スイッチング素子74および気筒選択スイッチ75はそれぞれ制御回路61に接続されており、制御回路61からの駆動信号にしたがってオンオフされる。充放電コイル76は、ピエゾスタック77との間の共振により回路を流れる電流を漸増または漸減させる。駆動回路70にはDC/DCコンバータ72の出力端にバッテリ71と並列に接続されている図示しないバッファコンデンサを有している。バッファコンデンサはピエゾスタック77の放電時にピエゾスタック77から放電されたエネルギーを回収する。
【0023】
制御回路61は、CPU62、メモリ63および入出力回路64を有している。CPU62はメモリ63に格納されている所定のコンピュータプログラムにしたがって演算および処理をする。メモリ63には、CPU62で実行されるコンピュータプログラム、ならびに演算に必要なデータあるいは演算後のデータが格納される。入出力回路64では、ECU7から出力された噴射信号の入力、ならびに駆動回路70の充電スイッチング素子73、放電スイッチング素子74および気筒選択スイッチ75を駆動するための駆動信号が出力される。
【0024】
なお、本実施例では、ECU7と別体に燃料噴射制御装置60を構成する例について説明しているが、例えばECU7に燃料噴射制御装置60の制御回路61を形成したり、ECU7に制御回路61および駆動回路70を形成することも可能である。
【0025】
次に、上記の構成の燃料噴射制御装置60ならびにこれにともなうインジェクタ1の作動について説明する。
ECU7はディーゼルエンジンの運転状態に合わせて燃料を噴射するインジェクタ1を特定し噴射信号を出力する。燃料噴射制御装置60は、気筒選択スイッチ75を制御することにより燃料の噴射を実行するインジェクタ1を選択する。
【0026】
気筒選択スイッチ75がオフされているとき、ならびに充電スイッチング素子73がオフされているとき、ピエゾアクチュエータ51のピエゾスタック77には電力が供給されていない。そのため、ピエゾアクチュエータ51は伸長していない。ピエゾアクチュエータ51が伸長していないとき、ピエゾアクチュエータ51に当接する大径ピストン52は、油圧室18に設置されているスプリング54の付勢力により図1の上方へ移動している。そのため、小径ピストン55を介して弁部材31を図1の下方へ付勢する力は小さくなり、制御室33内の燃料の圧力により弁部材31に作用する油圧によって弁部材31は弁座部33aに着座している。これにより、制御室33の燃料の圧力はコモンレール3内の燃料の圧力と等しくなり、制御室33に連通している背圧室34の燃料の圧力もコモンレール3内の燃料の圧力と等しくなる。
【0027】
このとき、燃料溜まり部14に蓄えられている燃料によりノズルニードル20へシール部21がシート部16から離座する方向すなわち噴孔開放方向へ作用する力は、背圧室34の燃料の圧力およびスプリング38の付勢力によりノズルニードル20へ噴孔閉塞方向へ作用する力よりも小さい。そのため、シール部21はシート部16に着座し、噴孔13からの燃料の噴射は停止されている。
【0028】
ECU7から燃料噴射制御装置60へ噴射信号が入力されると、燃料噴射制御装置60のCPU62は噴射信号に基づいて燃料を噴射するインジェクタ1を特定し、そのインジェクタ1の気筒選択スイッチ75をオンにする。そして、ECU7からの噴射信号により燃料の噴射が指示されると、CPU62は充電スイッチング素子73をオンにする。充電スイッチング素子73がオンされると、バッテリ71からピエゾスタック77へ電力の供給が開始され、ピエゾスタック77の充電が開始される。このとき、充電スイッチング素子73は所定の間隔でオンオフされ、ピエゾスタック77は多重スイッチング方式により段階的に充電される。
【0029】
ピエゾスタック77の充電にともない、ピエゾスタック77が設けられているピエゾアクチュエータ51は図4に示すように大径ピストン52方向へ伸長する。そして、ピエゾアクチュエータ51は大径ピストン52を図4の下方へ駆動する。大径ピストン52の移動により油圧室18の燃料は加圧され、油圧室18の油圧を介して大径ピストン52の駆動力は小径ピストン55へ伝達される。大径ピストン52の移動量の増大にともなって油圧室18の油圧は増大する。そして、油圧室18の油圧により小径ピストン55を弁部材31方向へ付勢する力が弁部材31に作用する制御室33の油圧による力よりも大きくなると、弁部材31は弁座部33aから離座する。弁部材31が弁座部33aから離座すると、制御室33の燃料は低圧ポート36を経由して低圧室32へ流出する。そのため、制御室33の油圧は低下し、これにともない背圧室34の油圧も低下する。そして、背圧室34の燃料の圧力およびスプリング38の付勢力によりノズルニードル20へ噴孔閉塞方向に作用する力が、燃料溜まり部14の燃料によりノズルニードル20へ噴孔開放方向に作用する力よりも小さくなると、ノズルニードル20は図4の上方へリフトし、シール部21はシート部16から離座する。その結果、噴孔13から燃料の噴射が開始される。
CPU62は、ECU7から出力された噴射信号に基づいて所定の期間またはピエゾスタック77が所定の電圧となるまで充電スイッチング素子73のオンオフを繰り返す。
【0030】
ECU7からの噴射信号により燃料の噴射停止が指示されると、CPU62は充電スイッチング素子73をオフにするとともに、放電スイッチング素子74をオンにする。放電スイッチング素子74がオンにされると、ピエゾスタック77に充電された電気的なエネルギーは図示しないコンデンサへ回収される。これにより、ピエゾスタック77の放電が開始される。このとき、放電スイッチング素子74は所定の間隔でオンオフされ、ピエゾスタック77は多重スイッチング方式により段階的に収縮する。
【0031】
ピエゾスタック77の放電にともない、ピエゾスタック77が設けられているピエゾアクチュエータ51は図1に示すように反大径ピストン方向へ収縮する。そのため、大径ピストン52はスプリング54の付勢力によりピエゾアクチュエータ51方向へ移動する。このとき、CPU62は、メモリ63に格納されている所定のコンピュータプログラムにしたがって、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度が大径ピストン52の移動速度以下となるように制御する。ピエゾアクチュエータ51の収縮速度とは、単位時間あたりにピエゾアクチュエータ51が図1の上方へ収縮する距離をいい、大径ピストン52の移動速度とは、単位時間あたりに大径ピストン52が大径シリンダ53内をピエゾアクチュエータ51方向へ移動する距離をいう。
【0032】
図5に示すように、大径ピストン52の移動速度は制御室33の油圧すなわちコモンレール3内の圧力に応じて大きくなる。これは、制御室33内の圧力が上昇するにしたがって、弁部材31に作用する力が増大し、弁部材31、小径ピストン55および油圧室18の油圧を介して大径ピストン52をピエゾアクチュエータ51方向へ付勢する力が増大するためである。本実施例のように、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度を大径ピストン52の移動速度以下にすることにより、ピエゾアクチュエータ51と大径ピストン52とは確実に一体となった状態で図1の上方へ移動する。すなわち、ピエゾアクチュエータ51と大径ピストン52との間に移動速度の差による隙間が形成されることがない。
【0033】
これに対し、従来のようにピエゾアクチュエータ51の収縮速度を制御しない場合、コモンレール3内の圧力が低いとき、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度は大径ピストン52の移動速度を上回ることがある。そのため、ピエゾアクチュエータ51が収縮するとき、ピエゾアクチュエータ51と大径ピストン52との間には隙間が形成される。その結果、ピエゾアクチュエータ51が収縮を停止したとき、移動を継続している大径ピストン52はピエゾアクチュエータ51に衝突する。
【0034】
一方、油圧室18に設置されているスプリング54のプリセット荷重を増大することにより、大径ピストン52の付勢力を増大し、大径ピストン52の移動速度を向上することが考えられる。しかし、スプリング54のプリセット荷重を増大するためにはスプリング54の大型化が必要となる。スプリング54が設置される油圧室18をはじめインジェクタ1の各部の大きさには制限があり、大型化を招くスプリング54の荷重の増大は好ましくない。
【0035】
したがって、本実施例では上述のようにピエゾアクチュエータ51の収縮速度を大径ピストン52の移動速度以下とすることにより、ピエゾアクチュエータ51と大径ピストン52との衝突を防止している。本実施例では、ピエゾアクチュエータ51に設けられているピエゾスタック77の放電速度を制御することによりピエゾアクチュエータ51の収縮速度を制御している。放電速度とは、ピエゾ素子により構成されるピエゾスタック77から単位時間あたりに放電される電気的なエネルギーを意味する。図3に示すような放電スイッチング素子74を用いた多重スイッチング方式の場合、ピエゾスタック77が放電されるとき、図6に示すようにピエゾスタック77の電圧は段階的に低下し、電流は概略正弦波状に変化しながら低減する。駆動回路70では、充放電コイル76とピエゾスタック77からLC共振回路が形成される。そのため、充放電コイル76のインダクタンスを調整することにより、電流の傾きすなわち放電電圧の下降速度を調整、あるいは回路を流れる電流の最小値を調整をすることができる。また、放電スイッチング素子74のオン期間を調整することにより、ピエゾスタック77の放電速度を変更することができる。すなわち、駆動回路70の充放電コイル76のインダクタンスを調整、または放電スイッチング素子74のオンオフ周期を調整することにより、ピエゾスタック77の放電速度を適正に制御することができる。
【0036】
以上のような作動により、ピエゾアクチュエータ51が収縮すると、油圧室18の油圧が低下し小径ピストン55を弁部材31方向へ付勢する力が低下する。そのため、制御室33の油圧により弁部材31は弁座部33aに着座し、制御室33から低圧室32への燃料の流出は停止される。これにより、制御室33の油圧は再び上昇し、これにともない背圧室34の油圧も上昇する。そして、背圧室34の燃料の圧力およびスプリング38の付勢力によりノズルニードル20へ噴孔閉塞方向に作用する力が、燃料溜まり部14の燃料によりノズルニードル20へ噴孔開放方向に作用する力よりも大きくなると、ノズルニードル20は図1の下方へ移動し、シール部21はシート部16へ着座する。その結果、噴孔13から燃料の噴射が停止される。
ECU7からの噴射信号にしたがって、ピエゾスタック77を充電または放電することによりピエゾアクチュエータ51は伸長または縮小を繰り返す。これにより、噴孔13からの燃料の噴射が断続される。
【0037】
以上、説明したように、本発明の第1実施例による燃料噴射制御装置60は、ピエゾスタック77の放電速度を調整することにより、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度を大径ピストン52の移動速度以下に制御している。そのため、ピエゾアクチュエータ51が収縮を停止したとき、ピエゾアクチュエータ51と大径ピストン52とが衝突することを防止できる。これにより、大径ピストン52の再移動による燃料の切れの悪化ならびに燃料の二次噴射を防止することができる。したがって、騒音を低減でき、燃料噴射を安定化することができる。また、ピエゾアクチュエータ51と大径ピストン52との衝突を防止することにより、ピエゾアクチュエータ51の信頼性を向上することができる。
【0038】
また、第1実施例では、ピエゾアクチュエータ51を使用しているので、充放電コイル76のインダクタンスの変更あるいは放電スイッチング素子74のオン期間を変更することにより、ピエゾスタック77の放電速度を容易に変更することができる。したがって、駆動回路70の構成を簡単にすることでき、ピエゾスタック77の放電速度の変更が容易である。
【0039】
(第2実施例)
本発明の第2実施例による燃料噴射制御装置について説明する。燃料噴射制御装置の構成は第1実施例と同一であるので説明を省略する。
第2実施例の場合、燃料噴射制御装置60は、図7に示すようにコモンレール3内の燃料の圧力に応じてピエゾアクチュエータ51の収縮速度が増大するようにピエゾスタック77の放電速度を変更する。すなわち、コモンレール3内の圧力が上昇するにしたがって、ピエゾスタック77の放電速度を高めている。
【0040】
ピエゾアクチュエータ51を利用したインジェクタ1の場合、ピエゾアクチュエータ51の高速応答性を活用し多段噴射の実施が可能となる。多段噴射とは、主たる燃料であるメイン噴射以前に少量の燃料を噴射するパイロット噴射あるいはプレ噴射を実施するものである。しかし、第1実施例で説明したように、ピエゾスタック77の放電速度を、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度が大径ピストン52の移動速度以下となるように制御すると、図8に示すようにパイロット噴射とメイン噴射との間隔をピエゾスタック77の放電速度以下に短縮することができない。すなわち、パイロット噴射後のピエゾスタック77の放電からメイン噴射によるピエゾスタック77の充電までの時間的な間隔が拡大する。
【0041】
これに対し、上述のように、大径ピストン52は制御室33の燃料の圧力を受けてピエゾアクチュエータ51方向へ移動するため、制御室33内の圧力すなわちコモンレール3の圧力が上昇するにしたがって大径ピストン52の移動速度は大きくなる。そのため、例えば高負荷時のようにコモンレール3の圧力が高い場合、ピエゾスタック77の放電速度を高め、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度を高めた場合でも、ピエゾスタック77が収縮を停止したときに大径ピストン52がピエゾアクチュエータ51へ衝突することはない。
そこで、図7に示すようにコモンレール3内の圧力に応じてピエゾスタック77の放電速度を高めることにより、大径ピストン52の移動速度が大きな高圧時、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度を高めている。
【0042】
第2実施例では、燃料噴射制御装置60は、大径ピストン52の移動速度すなわちコモンレール3内の圧力に応じてピエゾスタック77の放電速度を高めている。そのため、コモンレール3内の圧力が高い高負荷時、例えばパイロット噴射とメイン噴射との間隔のように燃料の噴射間隔を短縮することができる。また、燃料噴射制御装置60は、ピエゾスタック77の放電速度をコモンレール3内の圧力に応じて変化させ、大径ピストン52の移動速度を線形に変化させている。そのため、コモンレール3内の圧力に応じてピエゾスタック77の放電速度を最適に制御することができる。
【0043】
(第3実施例)
本発明の第3実施例による燃料噴射制御装置について説明する。燃料噴射制御装置の構成は第1実施例と同一であるので説明を省略する。
第3実施例の場合、燃料噴射制御装置60は、図9に示すようにコモンレール3内の燃料の圧力に応じてピエゾアクチュエータ51の収縮速度が変更されるようにピエゾスタック77の放電速度を変更する。すなわち、コモンレール3の圧力が所定の圧力以上になると、ピエゾスタック77の放電速度を段階的に高めている。
【0044】
第2実施例のようにコモンレール3内の圧力に応じてピエゾスタック77の放電速度を線形に変化させることにより、コモンレール3内の圧力とピエゾスタック77の放電速度との関係を最適にすることができる。しかし、第2実施例の場合、コモンレール3内の圧力に応じたピエゾスタック77の放電速度のデータを複数必要としたり、適切な放電速度の演算を必要とする。そのため、データ記憶容量の大きなメモリ63あるいは処理能力の高いCPU62を必要とし、コストの上昇を招く。また、コモンレール3内の圧力に応じて放電スイッチング素子74のオンオフ間隔を調整する必要があり、制御が複雑化する。
【0045】
第3実施例の場合、燃料噴射制御装置60は、コモンレール3内の圧力が所定圧力以上となると、ピエゾスタック77の放電速度を高めている。これにより、制御回路61による駆動回路70の制御を簡易にすることができる。
また、第3実施例では、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度がコモンレール3内の圧力に応じて2段階に変化する例について説明したが、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度を3段階以上に変化させてもよい。
【0046】
以上説明した本発明の複数の実施例では、ピエゾスタックの駆動回路としてスイッチング素子を用いた多段スイッチング制御方式を適用した例について説明した。しかし、本発明は駆動回路としてLC共振回路方式を用いてもよく、多段スイッチング方式に限定するものではない。LC共振回路方式を用いる場合、インダクタのインダクタンスを変更することにより、ピエゾスタックの放電速度を変更することができる。
【0047】
また、本発明の複数の実施例では、伸縮部としてピエゾスタックを適用する例について説明したが、伸縮部として供給される電力によって変位する磁歪素子あるいは電歪素子を適用することも可能である。磁歪素子あるいは電歪素子を適用する場合、電荷の蓄積によって変位するピエゾ素子などと異なり、磁歪素子あるいは電歪素子に印加される電圧などにより変位する。そのため、駆動回路のインダクタのインダクタンスを変更することにより、磁歪素子あるいは電歪素子の伸縮速度を変更することができる。
【0048】
さらに、本発明の複数の実施例では、燃料噴射制御装置をディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射システムに適用した例について説明した。しかし、本発明はガソリンエンジンなど他の内燃機関にも適用することができ、コモンレール式の燃料噴射システムに限らず他の燃料噴射システムにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例による燃料噴射制御装置を適用したインジェクタを示す模式的な断面図である。
【図2】本発明の第1実施例による燃料噴射制御装置を適用したインジェクタを用いたディーゼルエンジンの燃料噴射制御システムを示す模式図である。
【図3】本発明の第1実施例による燃料噴射制御装置の制御回路および駆動回路を示す模式図である。
【図4】本発明の第1実施例による燃料噴射制御装置を適用したインジェクタを示す模式的な断面図である。
【図5】コモンレールの圧力と、大径ピストンの移動速度ならびに本発明の第1実施例による燃料噴射制御装置により制御されるピエゾアクチュエータの収縮速度との関係を示す模式図である。
【図6】ピエゾスタックの電圧と放電電流との関係を示す模式図である。
【図7】コモンレールの圧力と、大径ピストンの移動速度ならびに本発明の第2実施例による燃料噴射制御装置により制御されるピエゾアクチュエータの収縮速度との関係を示す模式図である。
【図8】時間とピエゾスタックに充電されたエネルギーとの関係を示す模式図であって、ピエゾスタックの放電速度による噴射間隔の変化を示す図である。
【図9】コモンレールの圧力と、大径ピストンの移動速度ならびに本発明の第3実施例による燃料噴射制御装置により制御されるピエゾアクチュエータの収縮速度との関係を示す模式図である。
【図10】従来のインジェクタの構造を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
1 インジェクタ
3 コモンレール
10 ハウジング
11 ハウジング本体
12 ノズルボディ
13 噴孔
18 油圧室
20 ノズルニードル
30 付勢部
31 弁部材
32 低圧室
33 制御室(付勢部)
34 背圧室(付勢部)
36 低圧ポート
37 制御通路(付勢部)
38 スプリング(付勢部)
50 駆動部
51 ピエゾアクチュエータ(伸縮部)
52 大径ピストン(移動部材)
54 スプリング(付勢部材)
55 小径ピストン(伝達部材)
60 燃料噴射制御装置
61 制御回路
70 駆動回路
77 ピエゾスタック
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関(以下、内燃機関を「エンジン」という。)のインジェクタを制御する燃料噴射制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えばピエゾ素子などの圧電素子の伸縮を利用して、ノズルニードルを駆動し噴孔を開閉するインジェクタが公知である。ピエゾ素子などの圧電素子は駆動指令に対する応答性が高く、ノズルニードルの作動を迅速に行うことが可能となる。このようなインジェクタの場合、圧電素子が伸縮することによりノズルニードルを噴孔閉塞方向へ付勢する制御室の油圧を制御している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
例えば図10に示すようなインジェクタ100の場合、制御室101と低圧室102とを連通する低圧ポート103を開閉する弁部材104は制御室101に設置されている。制御室101にはコモンレールから作動油である高圧の燃料が供給されるため、燃料の圧力により弁部材104は弁座部105に押し付けられている。そのため、制御室101と連通する背圧室106の圧力もコモンレール内の圧力と等しくなり、ノズルニードル110のシール部111はシート部107に着座している。その結果、噴孔108からの燃料の噴射は停止されている。
【0004】
ピエゾ素子が設けられているピエゾアクチュエータ120に電力が供給されると、ピエゾアクチュエータ120は伸長する。ピエゾアクチュエータ120の伸長にともなって大径ピストン121は油圧室122方向へ移動する。これにより、油圧室122の油圧は増大し小径ピストン123を介して弁部材104を駆動する。弁部材104が弁座部105から離座すると低圧ポート103は開放されるため、制御室101の燃料は低圧室102へ流出する。そのため、制御室101ならびに制御室101に連通する背圧室106の燃料の圧力は低下する。その結果、ノズルニードル110の周囲の高圧の燃料によりノズルニードル110は図10の上方へリフトし、噴孔108から燃料が噴射される。
【0005】
ピエゾアクチュエータ120への電力の供給が停止されると、ピエゾアクチュエータ120は収縮する。これにともない、大径ピストン121は油圧室122に設置されているスプリング124によりピエゾアクチュエータ120方向へ移動する。これにより、油圧室122の油圧は減少し、小径ピストン123を介して弁部材104を駆動する駆動力も低減する。駆動力の低減により、弁部材104は弁座部105に着座し低圧ポート103を閉塞するため、制御室101および背圧室106の燃料の圧力は増大し、ノズルニードル110を噴孔閉塞方向へ付勢する力が増大する。その結果、ノズルニードル110のシール部111はシート部107に着座し、噴孔108からの燃料の噴射が停止される。
【0006】
しかしながら、ピエゾアクチュエータ120が収縮する場合、ピエゾアクチュエータ120の収縮速度と大径ピストン121のピエゾアクチュエータ120方向への移動速度とは同一でない。そのため、ピエゾアクチュエータ120の収縮時、ピエゾアクチュエータ120の収縮速度が大径ピストン121の移動速度よりも大きくなると、ピエゾアクチュエータ120と大径ピストン121との間には隙間が形成される。この場合、ピエゾアクチュエータ120が収縮を停止すると、遅れて移動してきた大径ピストン121はピエゾアクチュエータ120に衝突する。その結果、衝突による衝撃でピエゾアクチュエータ120の信頼性が低下したり、騒音の発生を招くという問題がある。
【0007】
また、ピエゾアクチュエータ120と大径ピストン121とが衝突した場合、その反動により大径ピストン121が再び油圧室122方向へ移動するおそれがある。この場合、油圧室122の燃料が再び加圧されるため、小径ピストン123および弁部材104が駆動される。その結果、燃料の噴射の切れが悪化したり、二次噴射の発生を招くおそれがある。
【0008】
そこで、本発明の目的は、伸縮部と移動部材との衝突を防止し、燃料噴射の安定化、伸縮部の信頼性の向上、ならびに騒音の低下を図る燃料噴射制御装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1記載の燃料噴射制御装置によると、制御手段はインジェクタの伸縮部の伸縮速度を移動部材の移動速度以下に制御する。例えば、伸縮部がピエゾ素子を有する場合、ピエゾ素子の放電速度を制御することにより伸縮部の伸縮速度を移動部材の移動速度以下に制御することができる。伸縮部の収縮速度を移動部材の移動速度以下に制御することにより、伸縮部と移動部材とは一体となって移動する。そのため、伸縮部が収縮を停止したとき、伸縮部と移動部材とが衝突することを防止できる。したがって、伸縮部の信頼性を向上することができ、衝突による騒音を低減することができる。また、伸縮部の収縮後における移動部材の再移動を防止することができる。したがって、燃料の噴射の切れが向上し、二次噴射が防止され、燃料噴射を安定化することができる。
【0010】
本発明の請求項2記載の燃料噴射制御装置によると、制御手段は制御室へ導入される作動油の圧力に応じて伸縮部の収縮速度を変更する。移動部材には、伝達部材および油圧室の油圧を介して弁部材からの力が作用する。そのため、移動部材に作用する力は制御室の作動油の圧力によって変化する。例えば、ディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射システムの場合、制御室にはコモンレールから高圧の燃料が供給される。コモンレールから供給される燃料の圧力はエンジンの負荷状態によって変化する。そのため、コモンレールの圧力が高くなると、弁部材に作用する力も大きくなり、移動部材の移動速度も増大する。移動部材の移動速度の増大にあわせて、制御手段が伸縮部の収縮速度を増大させることにより、弁部材の高速な駆動が可能となる。また、伸縮部の収縮速度を一定にすると、例えばパイロット噴射をする場合、パイロット噴射の間隔が拡大し、パイロット噴射の自由度が制限される。そのため、制御室に導入される作動油の油圧に応じて伸縮部の収縮速度を増大することにより、燃料の噴射間隔を短縮することができる。したがって、燃料の噴射の自由度を高めることができる。
【0011】
本発明の請求項3記載の燃料噴射制御装置によると、伸縮部の収縮速度は作動油の圧力に応じて線形に変更される。そのため、伸縮部を作動油の圧力に応じて適切な収縮速度に制御することができる。
本発明の請求項4記載の燃料噴射制御装置によると、伸縮部の収縮速度は作動油の圧力に応じて段階的に変更される。そのため、作動油の圧力に応じた伸縮部の収縮速度の制御を簡略化することができる。
【0012】
本発明の請求項5記載の燃料噴射制御装置によると、伸縮部はピエゾ素子を有し、制御手段はピエゾ素子の放電速度を制御している。ピエゾ素子の放電速度は、例えばスイッチング素子を用いた多重スイッチング制御あるいはLC共振回路を用いたインダクタンスの制御などにより容易に変更することができる。したがって、伸縮部の収縮速度を適用されるエンジンあるいはエンジンの運転状態に合わせて容易に制御することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す複数の実施例を図面に基づいて説明する。
(第1実施例)
本発明の第1実施例による燃料噴射制御装置を適用したディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射システムを図2に示す。
【0014】
図示しないディーゼルエンジンの各気筒にはそれぞれインジェクタ1が設けられており、インジェクタ1には供給ライン2を経由してコモンレール3から高圧の燃料が供給される。そのため、インジェクタ1から各気筒の燃焼室内へはコモンレール3の内部の燃料の圧力に等しい圧力の燃料が噴射される。コモンレール3には燃料タンク4の燃料が高圧ポンプ5により加圧給送される。給送された燃料は、コモンレール3の内部に蓄圧状態で蓄えられる。コモンレール3に蓄えられている燃料の一部は、インジェクタ1の作動油としても用いられる。コモンレール3からインジェクタ1へ供給された作動油として用いられる燃料は、低圧の還流路6を経由して燃料タンク4に還流される。
【0015】
コモンレール3には圧力センサ3aが設けられている。コモンレール3の内部の燃料圧力は圧力センサ3aにより検出されECU7に出力される。ECU7は圧力センサ3aにより検出されたコモンレール3内部の燃料の圧力に基づいて調量弁8を制御し、コモンレール3へ給送される燃料の流量を調整する。ECU7は他の各種センサから入力される信号に基づいて判断されるエンジンの運転状態に合わせて、コモンレール3内の燃料の圧力が適正となるように制御する。
【0016】
図1に示すように、インジェクタ1はハウジング10、ノズルニードル20、付勢部30、弁部材31、および駆動部50を備えている。ハウジング10はハウジング本体11とノズルボディ12とを有している。ノズルボディ12の内部にはノズルニードル20が軸方向へ往復摺動可能に保持されている。ノズルボディ12には単数または複数の噴孔13が形成されている。ノズルボディ12の内部には燃料溜まり部14が形成されている。燃料溜まり部14は、高圧通路15に連通しており、コモンレール3から高圧の燃料が供給される。ノズルニードル20は、ノズルボディ12の噴孔13入口側に形成されているシート部16に着座可能なシール部21を有している。シール部21がシート部16から離座することにより噴孔13への燃料の流れが開放され、噴孔13から燃料が噴射される。シール部21がシート部16へ着座することにより噴孔13への燃料の流れが閉塞され、噴孔13からの燃料の噴射が停止される。
【0017】
ハウジング本体11には、弁部材31ならびに駆動部50を構成する伸縮部としてのピエゾアクチュエータ51が収容されている。ハウジング本体11には、ピエゾ収容部17、油圧室18、低圧室32、制御室33および背圧室34が形成されている。ピエゾ収容部17にはピエゾアクチュエータ51が収容されている。ピエゾアクチュエータ51の端部は移動部材としての大径ピストン52と当接しており、大径ピストン52の反ピエゾアクチュエータ側の端部は油圧室18に面している。大径ピストン52は、ハウジング本体11に形成されている大径シリンダ53の内部を往復摺動可能である。油圧室18には付勢部材としてのスプリング54が設置されており、大径ピストン52をピエゾアクチュエータ51方向へ付勢している。スプリング54が大径ピストン52をピエゾアクチュエータ51方向へ付勢することにより、ピエゾアクチュエータ51には反伸長方向へプリセットが荷重が加えられている。スプリング54としては、皿ばねあるいはコイルスプリングなどを使用可能である。
【0018】
大径ピストン52の変位量は、油圧室18の燃料により拡大されて伝達部材としての小径ピストン55に伝達される。小径ピストン55は、ハウジング本体11に形成されている小径シリンダ56の内部を往復摺動可能である。小径ピストン55の反油圧室側の端部は弁部材31と当接している。そのため、弁部材31は小径ピストン55の移動にともなって制御室33内を図1の上下方向へ移動する。弁部材31は、球状の部材一部を平面状に切除した概ね半球形状に形成されている。弁部材31は、球面状の部分が制御室33の内壁に形成されている弁座部33aに着座可能である。弁部材31の平面状の部分は、高圧通路15と制御室33とを連通する高圧ポート35の制御室33側の端部を閉塞可能である。コモンレール3から高圧通路15へ供給された燃料は、高圧ポート35を経由して制御室33および背圧室34へ導入される。制御室33にはスプリング331が設置されている。スプリング331は、弁部材31を弁座部33aへ着座する方向へ付勢している。
【0019】
低圧室32には低圧通路19が連通しており、制御室33から低圧ポート36を経由して排出された作動油である燃料は低圧通路19および還流路6を経由して燃料タンク4へ還流される。低圧ポート36は高圧側の制御室33と低圧側の低圧室32とを連通している。弁部材31が弁座部33aから離座または弁座部33aへ着座することにより、低圧ポート36は開閉される。低圧室32を形成するハウジング本体11の壁面と小径ピストン55との間にはスプリング57が設置されている。スプリング57は小径ピストン55を弁部材31方向へ付勢している。そのため、スプリング331により付勢される弁部材31とスプリング57により付勢される小径ピストン55とは、互いに当接し一体となって移動する。
【0020】
背圧室34は、弁部材31の反噴孔側の端部に形成されている。背圧室34には高圧通路15からオリフィス341を介してコモンレール3内の圧力と同一の燃料が導入されている。背圧室34はオリフィス371を有する制御通路37を介して制御室33に連通している。そのため、制御室33と背圧室34とは内部の圧力が概ね同一となる。背圧室34にはスプリング38が設置されており、背圧室34に導入された高圧の燃料とスプリング38の付勢力とによりノズルニードル20はシール部21がシート部16へ着座する方向すなわち噴孔13を閉塞する方向へ付勢されている。制御室33、背圧室34、制御通路37およびスプリング38などからノズルニードル20を噴孔閉塞方向へ付勢する付勢部30が構成されている。
【0021】
次に、燃料噴射制御装置60について詳細に説明する。
燃料噴射制御装置60は、ピエゾアクチュエータ51へ供給する電力を制御する駆動回路70と、ECU7から出力される噴射信号に基づいて駆動回路70の各素子を制御する制御回路61とを有している。
【0022】
駆動回路70は、図3に示すように電源であるバッテリ71に接続されている。駆動回路70は、DC/DCコンバータ72、充電スイッチング素子73、放電スイッチング素子74、気筒選択スイッチ75および充放電コイル76を有している。駆動回路70にはピエゾアクチュエータ51を構成するピエゾスタック77が接続されている。ピエゾスタック77は容量性の素子であるピエゾ素子が積層されて構成されている。DC/DCコンバータ72は、バッテリ71の電圧を所定の直流高電圧に変換する。充電スイッチング素子73および放電スイッチング素子74には逆方向の電流の流れを許容するダイオード731、741がそれぞれ接続されている。充電スイッチング素子73および放電スイッチング素子74は、例えばMOSFETが用いられ、回路の電流を断続する。充電スイッチング素子73、放電スイッチング素子74および気筒選択スイッチ75はそれぞれ制御回路61に接続されており、制御回路61からの駆動信号にしたがってオンオフされる。充放電コイル76は、ピエゾスタック77との間の共振により回路を流れる電流を漸増または漸減させる。駆動回路70にはDC/DCコンバータ72の出力端にバッテリ71と並列に接続されている図示しないバッファコンデンサを有している。バッファコンデンサはピエゾスタック77の放電時にピエゾスタック77から放電されたエネルギーを回収する。
【0023】
制御回路61は、CPU62、メモリ63および入出力回路64を有している。CPU62はメモリ63に格納されている所定のコンピュータプログラムにしたがって演算および処理をする。メモリ63には、CPU62で実行されるコンピュータプログラム、ならびに演算に必要なデータあるいは演算後のデータが格納される。入出力回路64では、ECU7から出力された噴射信号の入力、ならびに駆動回路70の充電スイッチング素子73、放電スイッチング素子74および気筒選択スイッチ75を駆動するための駆動信号が出力される。
【0024】
なお、本実施例では、ECU7と別体に燃料噴射制御装置60を構成する例について説明しているが、例えばECU7に燃料噴射制御装置60の制御回路61を形成したり、ECU7に制御回路61および駆動回路70を形成することも可能である。
【0025】
次に、上記の構成の燃料噴射制御装置60ならびにこれにともなうインジェクタ1の作動について説明する。
ECU7はディーゼルエンジンの運転状態に合わせて燃料を噴射するインジェクタ1を特定し噴射信号を出力する。燃料噴射制御装置60は、気筒選択スイッチ75を制御することにより燃料の噴射を実行するインジェクタ1を選択する。
【0026】
気筒選択スイッチ75がオフされているとき、ならびに充電スイッチング素子73がオフされているとき、ピエゾアクチュエータ51のピエゾスタック77には電力が供給されていない。そのため、ピエゾアクチュエータ51は伸長していない。ピエゾアクチュエータ51が伸長していないとき、ピエゾアクチュエータ51に当接する大径ピストン52は、油圧室18に設置されているスプリング54の付勢力により図1の上方へ移動している。そのため、小径ピストン55を介して弁部材31を図1の下方へ付勢する力は小さくなり、制御室33内の燃料の圧力により弁部材31に作用する油圧によって弁部材31は弁座部33aに着座している。これにより、制御室33の燃料の圧力はコモンレール3内の燃料の圧力と等しくなり、制御室33に連通している背圧室34の燃料の圧力もコモンレール3内の燃料の圧力と等しくなる。
【0027】
このとき、燃料溜まり部14に蓄えられている燃料によりノズルニードル20へシール部21がシート部16から離座する方向すなわち噴孔開放方向へ作用する力は、背圧室34の燃料の圧力およびスプリング38の付勢力によりノズルニードル20へ噴孔閉塞方向へ作用する力よりも小さい。そのため、シール部21はシート部16に着座し、噴孔13からの燃料の噴射は停止されている。
【0028】
ECU7から燃料噴射制御装置60へ噴射信号が入力されると、燃料噴射制御装置60のCPU62は噴射信号に基づいて燃料を噴射するインジェクタ1を特定し、そのインジェクタ1の気筒選択スイッチ75をオンにする。そして、ECU7からの噴射信号により燃料の噴射が指示されると、CPU62は充電スイッチング素子73をオンにする。充電スイッチング素子73がオンされると、バッテリ71からピエゾスタック77へ電力の供給が開始され、ピエゾスタック77の充電が開始される。このとき、充電スイッチング素子73は所定の間隔でオンオフされ、ピエゾスタック77は多重スイッチング方式により段階的に充電される。
【0029】
ピエゾスタック77の充電にともない、ピエゾスタック77が設けられているピエゾアクチュエータ51は図4に示すように大径ピストン52方向へ伸長する。そして、ピエゾアクチュエータ51は大径ピストン52を図4の下方へ駆動する。大径ピストン52の移動により油圧室18の燃料は加圧され、油圧室18の油圧を介して大径ピストン52の駆動力は小径ピストン55へ伝達される。大径ピストン52の移動量の増大にともなって油圧室18の油圧は増大する。そして、油圧室18の油圧により小径ピストン55を弁部材31方向へ付勢する力が弁部材31に作用する制御室33の油圧による力よりも大きくなると、弁部材31は弁座部33aから離座する。弁部材31が弁座部33aから離座すると、制御室33の燃料は低圧ポート36を経由して低圧室32へ流出する。そのため、制御室33の油圧は低下し、これにともない背圧室34の油圧も低下する。そして、背圧室34の燃料の圧力およびスプリング38の付勢力によりノズルニードル20へ噴孔閉塞方向に作用する力が、燃料溜まり部14の燃料によりノズルニードル20へ噴孔開放方向に作用する力よりも小さくなると、ノズルニードル20は図4の上方へリフトし、シール部21はシート部16から離座する。その結果、噴孔13から燃料の噴射が開始される。
CPU62は、ECU7から出力された噴射信号に基づいて所定の期間またはピエゾスタック77が所定の電圧となるまで充電スイッチング素子73のオンオフを繰り返す。
【0030】
ECU7からの噴射信号により燃料の噴射停止が指示されると、CPU62は充電スイッチング素子73をオフにするとともに、放電スイッチング素子74をオンにする。放電スイッチング素子74がオンにされると、ピエゾスタック77に充電された電気的なエネルギーは図示しないコンデンサへ回収される。これにより、ピエゾスタック77の放電が開始される。このとき、放電スイッチング素子74は所定の間隔でオンオフされ、ピエゾスタック77は多重スイッチング方式により段階的に収縮する。
【0031】
ピエゾスタック77の放電にともない、ピエゾスタック77が設けられているピエゾアクチュエータ51は図1に示すように反大径ピストン方向へ収縮する。そのため、大径ピストン52はスプリング54の付勢力によりピエゾアクチュエータ51方向へ移動する。このとき、CPU62は、メモリ63に格納されている所定のコンピュータプログラムにしたがって、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度が大径ピストン52の移動速度以下となるように制御する。ピエゾアクチュエータ51の収縮速度とは、単位時間あたりにピエゾアクチュエータ51が図1の上方へ収縮する距離をいい、大径ピストン52の移動速度とは、単位時間あたりに大径ピストン52が大径シリンダ53内をピエゾアクチュエータ51方向へ移動する距離をいう。
【0032】
図5に示すように、大径ピストン52の移動速度は制御室33の油圧すなわちコモンレール3内の圧力に応じて大きくなる。これは、制御室33内の圧力が上昇するにしたがって、弁部材31に作用する力が増大し、弁部材31、小径ピストン55および油圧室18の油圧を介して大径ピストン52をピエゾアクチュエータ51方向へ付勢する力が増大するためである。本実施例のように、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度を大径ピストン52の移動速度以下にすることにより、ピエゾアクチュエータ51と大径ピストン52とは確実に一体となった状態で図1の上方へ移動する。すなわち、ピエゾアクチュエータ51と大径ピストン52との間に移動速度の差による隙間が形成されることがない。
【0033】
これに対し、従来のようにピエゾアクチュエータ51の収縮速度を制御しない場合、コモンレール3内の圧力が低いとき、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度は大径ピストン52の移動速度を上回ることがある。そのため、ピエゾアクチュエータ51が収縮するとき、ピエゾアクチュエータ51と大径ピストン52との間には隙間が形成される。その結果、ピエゾアクチュエータ51が収縮を停止したとき、移動を継続している大径ピストン52はピエゾアクチュエータ51に衝突する。
【0034】
一方、油圧室18に設置されているスプリング54のプリセット荷重を増大することにより、大径ピストン52の付勢力を増大し、大径ピストン52の移動速度を向上することが考えられる。しかし、スプリング54のプリセット荷重を増大するためにはスプリング54の大型化が必要となる。スプリング54が設置される油圧室18をはじめインジェクタ1の各部の大きさには制限があり、大型化を招くスプリング54の荷重の増大は好ましくない。
【0035】
したがって、本実施例では上述のようにピエゾアクチュエータ51の収縮速度を大径ピストン52の移動速度以下とすることにより、ピエゾアクチュエータ51と大径ピストン52との衝突を防止している。本実施例では、ピエゾアクチュエータ51に設けられているピエゾスタック77の放電速度を制御することによりピエゾアクチュエータ51の収縮速度を制御している。放電速度とは、ピエゾ素子により構成されるピエゾスタック77から単位時間あたりに放電される電気的なエネルギーを意味する。図3に示すような放電スイッチング素子74を用いた多重スイッチング方式の場合、ピエゾスタック77が放電されるとき、図6に示すようにピエゾスタック77の電圧は段階的に低下し、電流は概略正弦波状に変化しながら低減する。駆動回路70では、充放電コイル76とピエゾスタック77からLC共振回路が形成される。そのため、充放電コイル76のインダクタンスを調整することにより、電流の傾きすなわち放電電圧の下降速度を調整、あるいは回路を流れる電流の最小値を調整をすることができる。また、放電スイッチング素子74のオン期間を調整することにより、ピエゾスタック77の放電速度を変更することができる。すなわち、駆動回路70の充放電コイル76のインダクタンスを調整、または放電スイッチング素子74のオンオフ周期を調整することにより、ピエゾスタック77の放電速度を適正に制御することができる。
【0036】
以上のような作動により、ピエゾアクチュエータ51が収縮すると、油圧室18の油圧が低下し小径ピストン55を弁部材31方向へ付勢する力が低下する。そのため、制御室33の油圧により弁部材31は弁座部33aに着座し、制御室33から低圧室32への燃料の流出は停止される。これにより、制御室33の油圧は再び上昇し、これにともない背圧室34の油圧も上昇する。そして、背圧室34の燃料の圧力およびスプリング38の付勢力によりノズルニードル20へ噴孔閉塞方向に作用する力が、燃料溜まり部14の燃料によりノズルニードル20へ噴孔開放方向に作用する力よりも大きくなると、ノズルニードル20は図1の下方へ移動し、シール部21はシート部16へ着座する。その結果、噴孔13から燃料の噴射が停止される。
ECU7からの噴射信号にしたがって、ピエゾスタック77を充電または放電することによりピエゾアクチュエータ51は伸長または縮小を繰り返す。これにより、噴孔13からの燃料の噴射が断続される。
【0037】
以上、説明したように、本発明の第1実施例による燃料噴射制御装置60は、ピエゾスタック77の放電速度を調整することにより、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度を大径ピストン52の移動速度以下に制御している。そのため、ピエゾアクチュエータ51が収縮を停止したとき、ピエゾアクチュエータ51と大径ピストン52とが衝突することを防止できる。これにより、大径ピストン52の再移動による燃料の切れの悪化ならびに燃料の二次噴射を防止することができる。したがって、騒音を低減でき、燃料噴射を安定化することができる。また、ピエゾアクチュエータ51と大径ピストン52との衝突を防止することにより、ピエゾアクチュエータ51の信頼性を向上することができる。
【0038】
また、第1実施例では、ピエゾアクチュエータ51を使用しているので、充放電コイル76のインダクタンスの変更あるいは放電スイッチング素子74のオン期間を変更することにより、ピエゾスタック77の放電速度を容易に変更することができる。したがって、駆動回路70の構成を簡単にすることでき、ピエゾスタック77の放電速度の変更が容易である。
【0039】
(第2実施例)
本発明の第2実施例による燃料噴射制御装置について説明する。燃料噴射制御装置の構成は第1実施例と同一であるので説明を省略する。
第2実施例の場合、燃料噴射制御装置60は、図7に示すようにコモンレール3内の燃料の圧力に応じてピエゾアクチュエータ51の収縮速度が増大するようにピエゾスタック77の放電速度を変更する。すなわち、コモンレール3内の圧力が上昇するにしたがって、ピエゾスタック77の放電速度を高めている。
【0040】
ピエゾアクチュエータ51を利用したインジェクタ1の場合、ピエゾアクチュエータ51の高速応答性を活用し多段噴射の実施が可能となる。多段噴射とは、主たる燃料であるメイン噴射以前に少量の燃料を噴射するパイロット噴射あるいはプレ噴射を実施するものである。しかし、第1実施例で説明したように、ピエゾスタック77の放電速度を、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度が大径ピストン52の移動速度以下となるように制御すると、図8に示すようにパイロット噴射とメイン噴射との間隔をピエゾスタック77の放電速度以下に短縮することができない。すなわち、パイロット噴射後のピエゾスタック77の放電からメイン噴射によるピエゾスタック77の充電までの時間的な間隔が拡大する。
【0041】
これに対し、上述のように、大径ピストン52は制御室33の燃料の圧力を受けてピエゾアクチュエータ51方向へ移動するため、制御室33内の圧力すなわちコモンレール3の圧力が上昇するにしたがって大径ピストン52の移動速度は大きくなる。そのため、例えば高負荷時のようにコモンレール3の圧力が高い場合、ピエゾスタック77の放電速度を高め、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度を高めた場合でも、ピエゾスタック77が収縮を停止したときに大径ピストン52がピエゾアクチュエータ51へ衝突することはない。
そこで、図7に示すようにコモンレール3内の圧力に応じてピエゾスタック77の放電速度を高めることにより、大径ピストン52の移動速度が大きな高圧時、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度を高めている。
【0042】
第2実施例では、燃料噴射制御装置60は、大径ピストン52の移動速度すなわちコモンレール3内の圧力に応じてピエゾスタック77の放電速度を高めている。そのため、コモンレール3内の圧力が高い高負荷時、例えばパイロット噴射とメイン噴射との間隔のように燃料の噴射間隔を短縮することができる。また、燃料噴射制御装置60は、ピエゾスタック77の放電速度をコモンレール3内の圧力に応じて変化させ、大径ピストン52の移動速度を線形に変化させている。そのため、コモンレール3内の圧力に応じてピエゾスタック77の放電速度を最適に制御することができる。
【0043】
(第3実施例)
本発明の第3実施例による燃料噴射制御装置について説明する。燃料噴射制御装置の構成は第1実施例と同一であるので説明を省略する。
第3実施例の場合、燃料噴射制御装置60は、図9に示すようにコモンレール3内の燃料の圧力に応じてピエゾアクチュエータ51の収縮速度が変更されるようにピエゾスタック77の放電速度を変更する。すなわち、コモンレール3の圧力が所定の圧力以上になると、ピエゾスタック77の放電速度を段階的に高めている。
【0044】
第2実施例のようにコモンレール3内の圧力に応じてピエゾスタック77の放電速度を線形に変化させることにより、コモンレール3内の圧力とピエゾスタック77の放電速度との関係を最適にすることができる。しかし、第2実施例の場合、コモンレール3内の圧力に応じたピエゾスタック77の放電速度のデータを複数必要としたり、適切な放電速度の演算を必要とする。そのため、データ記憶容量の大きなメモリ63あるいは処理能力の高いCPU62を必要とし、コストの上昇を招く。また、コモンレール3内の圧力に応じて放電スイッチング素子74のオンオフ間隔を調整する必要があり、制御が複雑化する。
【0045】
第3実施例の場合、燃料噴射制御装置60は、コモンレール3内の圧力が所定圧力以上となると、ピエゾスタック77の放電速度を高めている。これにより、制御回路61による駆動回路70の制御を簡易にすることができる。
また、第3実施例では、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度がコモンレール3内の圧力に応じて2段階に変化する例について説明したが、ピエゾアクチュエータ51の収縮速度を3段階以上に変化させてもよい。
【0046】
以上説明した本発明の複数の実施例では、ピエゾスタックの駆動回路としてスイッチング素子を用いた多段スイッチング制御方式を適用した例について説明した。しかし、本発明は駆動回路としてLC共振回路方式を用いてもよく、多段スイッチング方式に限定するものではない。LC共振回路方式を用いる場合、インダクタのインダクタンスを変更することにより、ピエゾスタックの放電速度を変更することができる。
【0047】
また、本発明の複数の実施例では、伸縮部としてピエゾスタックを適用する例について説明したが、伸縮部として供給される電力によって変位する磁歪素子あるいは電歪素子を適用することも可能である。磁歪素子あるいは電歪素子を適用する場合、電荷の蓄積によって変位するピエゾ素子などと異なり、磁歪素子あるいは電歪素子に印加される電圧などにより変位する。そのため、駆動回路のインダクタのインダクタンスを変更することにより、磁歪素子あるいは電歪素子の伸縮速度を変更することができる。
【0048】
さらに、本発明の複数の実施例では、燃料噴射制御装置をディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射システムに適用した例について説明した。しかし、本発明はガソリンエンジンなど他の内燃機関にも適用することができ、コモンレール式の燃料噴射システムに限らず他の燃料噴射システムにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例による燃料噴射制御装置を適用したインジェクタを示す模式的な断面図である。
【図2】本発明の第1実施例による燃料噴射制御装置を適用したインジェクタを用いたディーゼルエンジンの燃料噴射制御システムを示す模式図である。
【図3】本発明の第1実施例による燃料噴射制御装置の制御回路および駆動回路を示す模式図である。
【図4】本発明の第1実施例による燃料噴射制御装置を適用したインジェクタを示す模式的な断面図である。
【図5】コモンレールの圧力と、大径ピストンの移動速度ならびに本発明の第1実施例による燃料噴射制御装置により制御されるピエゾアクチュエータの収縮速度との関係を示す模式図である。
【図6】ピエゾスタックの電圧と放電電流との関係を示す模式図である。
【図7】コモンレールの圧力と、大径ピストンの移動速度ならびに本発明の第2実施例による燃料噴射制御装置により制御されるピエゾアクチュエータの収縮速度との関係を示す模式図である。
【図8】時間とピエゾスタックに充電されたエネルギーとの関係を示す模式図であって、ピエゾスタックの放電速度による噴射間隔の変化を示す図である。
【図9】コモンレールの圧力と、大径ピストンの移動速度ならびに本発明の第3実施例による燃料噴射制御装置により制御されるピエゾアクチュエータの収縮速度との関係を示す模式図である。
【図10】従来のインジェクタの構造を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
1 インジェクタ
3 コモンレール
10 ハウジング
11 ハウジング本体
12 ノズルボディ
13 噴孔
18 油圧室
20 ノズルニードル
30 付勢部
31 弁部材
32 低圧室
33 制御室(付勢部)
34 背圧室(付勢部)
36 低圧ポート
37 制御通路(付勢部)
38 スプリング(付勢部)
50 駆動部
51 ピエゾアクチュエータ(伸縮部)
52 大径ピストン(移動部材)
54 スプリング(付勢部材)
55 小径ピストン(伝達部材)
60 燃料噴射制御装置
61 制御回路
70 駆動回路
77 ピエゾスタック
Claims (5)
- 噴孔が形成されているハウジングと、
前記噴孔を開閉可能なノズルニードルと、
前記ノズルニードルを噴孔閉塞方向へ付勢するための作動油が導入される制御室を有する付勢部と、
前記制御室と低圧側とを連通する低圧ポートを開閉する弁部材と、
供給される電力に応じて伸縮する伸縮部、前記伸縮部の伸長にともなって移動する移動部材、前記移動部材の移動にともなって容積が変化する油圧室、前記移動部材を前記伸縮部方向へ付勢する付勢部材、ならびに前記油圧室の油圧を介して前記移動部材の駆動力を前記弁部材に伝達する伝達部材を有する駆動部とを備えるインジェクタを制御する燃料噴射制御装置であって、
前記伸縮部が収縮するとき、前記伸縮部の収縮速度を前記移動部材が前記伸縮部方向へ移動する速度以下に制御する制御手段を備えることを特徴とする燃料噴射制御装置。 - 前記制御手段は、前記制御室へ導入される作動油の圧力に応じて前記伸縮部の収縮速度を変更することを特徴とする請求項1記載の燃料噴射制御装置。
- 前記伸縮部の収縮速度は、前記作動油の圧力に応じて線形に変更されることを特徴とする請求項2記載の燃料噴射制御装置。
- 前記伸縮部の収縮速度は、前記作動油の圧力に応じて段階的に変更されることを特徴とする請求項2記載の燃料噴射制御装置。
- 前記伸縮部は充電または放電されることにより伸縮するピエゾ素子を有し、前記制御手段は前記ピエゾ素子の放電速度を制御することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項記載の燃料噴射制御装置。
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