JP3845963B2 - 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、ピエゾ素子をアクチュエータとして使用した内燃機関の燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内燃料噴射方式の火花点火式内燃機関に適用する燃料噴射弁には高度の応答性及び開閉精度が求められる。このような要求に応える燃料噴射弁として、多数のピエゾ素子を積層した構成のアクチュエータに信号電流を供給して伸縮させることにより弁体の開閉を制御するようにしたものが知られている（例えば特開平７−２２９４５７号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種のピエゾアクチュエータを用いた燃料噴射装置では、アクチュエータの作動が高速であるがゆえに弁体が開き切るときのストッパとの衝突または閉じ切るときのノズルとの衝突により弁体がジャンプして流量特性が不安定になったり、二次噴射を起こしたりするという問題を生じる。またこれらの衝撃により異音が発生するという問題もある。
【０００４】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、複数のアクチュエータにより弁体のリフトを段階的に制御することにより針弁開閉時の衝撃を緩和できるようにした燃料噴射装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ピエゾアクチュエータの伸縮を弁体の進退動作に変換してノズルを開閉する機構を有する燃料噴射弁において、前記ピエゾアクチュエータを互いに軸方向に直列に結合した複数のアクチュエータ部で構成するとともに、前記各アクチュエータ部をそれぞれ独立して駆動する駆動手段を備えたものとする。また、前記駆動手段は、閉弁開始後、針弁が全閉となる直前にいずれかのアクチュエータ部に一時的に開弁方向の駆動信号を供給するように構成されており、前記燃料噴射弁は、ピエゾアクチュエータを収装した本体とその先端部に接続され弁体としての針弁を収装したノズルとからなり、本体には該本体内に形成されたシリンダ部とピエゾアクチュエータ端部に設けられ前記シリンダ部に摺動自由に嵌合するピストン部とで差圧室が画成され、ノズルには該ノズル内に形成されたシリンダ部と針弁後端部に設けられ前記ノズルシリンダ部に摺動自由に嵌合するピストン部とで背圧室が画成されるとともに針弁を閉弁方向に付勢する弾性体が設けられ、前記差圧室と背圧室とは通路を介して相互に連通されるとともに燃料が導入され、ピエゾアクチュエータの伸縮に伴う差圧室および背圧室の燃料圧力変化に基づき針弁を開閉駆動するよう構成され、ピエゾアクチュエータは、長さＬ１の第１アクチュエータ部と、長さＬ２の第２アクチュエータ部とからなり、かつ各アクチュエータ部の長さＬ１、Ｌ２は、背圧室のピストン部受圧面積をａ１、差圧室のピストン部受圧面積をａ２、針弁の必要リフト量をｓ、該アクチュエータ部のピエゾ変位率をδ（ただし、δ＝ピエゾアクチュエータの全長／変位量）とするとき、Ｌ１＞（ａ１／ａ２）ｓ・δの条件を満足するように設定され、駆動手段は、開弁開始後に各アクチュエータ部に開弁方向の駆動信号を供給するとともに、針弁が全開となる直前に第２アクチュエータ部に一時的に閉弁方向の駆動信号を供給するように構成する。
【０００６】
請求項２の発明は、ピエゾアクチュエータの伸縮を弁体の進退動作に変換してノズルを開閉する機構を有する燃料噴射弁において、前記ピエゾアクチュエータを互いに軸方向に直列に結合した複数のアクチュエータ部で構成するとともに、前記各アクチュエータ部をそれぞれ独立して駆動する駆動手段を備え、前記駆動手段は、閉弁開始後、針弁が全閉となる直前にいずれかのアクチュエータ部に一時的に開弁方向の駆動信号を供給するように構成されており、 燃料噴射弁は、ピエゾアクチュエータを収装した本体とその先端部に接続され弁体としての針弁を収装したノズルとからなり、本体には該本体内に形成されたシリンダ部とピエゾアクチュエータ端部に設けられ前記シリンダ部に摺動自由に嵌合するピストン部とで差圧室が画成され、ノズルには該ノズル内に形成されたシリンダ部と針弁後端部に設けられ前記ノズルシリンダ部に摺動自由に嵌合するピストン部とで背圧室が画成されるとともに針弁を閉弁方向に付勢する弾性体が設けられ、前記差圧室と背圧室とは通路を介して相互に連通されるとともに燃料が導入され、ピエゾアクチュエータの伸縮に伴う差圧室および背圧室の燃料圧力変化に基づき針弁を開閉駆動するように構成され、ピエゾアクチュエータは、長さＬ１の第１アクチュエータ部と、長さＬ２の第２アクチュエータ部からなり、かつ各アクチュエータ部の長さＬ１、Ｌ２は、背圧室のピストン部受圧面積をａ１、差圧室のピストン部受圧面積をａ２、針弁の必要リフト量をｓ、該アクチュエータ部のピエゾ変位率をδ（ただし、δ＝ピエゾアクチュエータの全長／変位量）とするとき、Ｌ１＞（ａ１／ａ２）ｓ・δの条件を満足するように設定され、駆動手段は、開弁開始時に各アクチュエータ部に開弁方向の駆動信号を供給するとともに、針弁が全開となる直前に第２アクチュエータ部に閉弁方向の駆動信号を供給し、かつ該閉弁方向の駆動状態を少なくとも閉弁直前まで維持するように構成する。
【００１１】
【作用・効果】
請求項１以下の各発明によれば、ピエゾアクチュエータを２個以上の複数のアクチュエータ部から構成するとともに、各アクチュエータ部の伸縮動作すなわちノズルの開閉動作を個々独立に制御可能な駆動手段を設け、特に閉弁開始後、全閉となる直前に何れかのアクチュエータ部を一時的に開弁方向に駆動するようにしたことから、全閉するする直前の弁体の変位および速度を減殺して、全閉時の衝撃を緩和し、これにより流量特性の不安定化や騒音の発生、さらに二次噴射という不具合を回避することができる。さらに弁体が全開となる直前に一部のアクチュエータを一時的に閉弁方向に駆動することにより、全開する直前の弁変位および速度を減殺して、全開時の衝撃をも緩和することができる。
【００１２】
また、第１のアクチュエータ部の長さＬ１を設定することにより、該アクチュエータ部の作動により所要の針弁リフト量を確保しつつ、第２のアクチュエータ部を併用することで開弁時の応答性の向上を図ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態につき図面を示して説明する。図１において、１は燃料噴射弁、２はその駆動回路である。
【００１４】
燃料噴射弁１は、筒状の本体１１の内部にアクチュエータ１２が収装されるとともに、この本体１１の先端部には、内部に針弁１３を収装したノズル１４が設けられている。
【００１５】
アクチュエータ１２は、それぞれ薄板状のピエゾ素子を多数積層して円柱状に形成された第１アクチュエータ部１２ａと第２アクチュエータ部１２ｂとが直列に結合されている。このアクチュエータ１２の背後側の端部に設けられた端板１５は、本体１１に嵌合したキャップ１６に対してボール１７を介して位置決めされている。
【００１６】
アクチュエータ１２の先端側にはピストン部１８が設けられており、このピストン部１８は本体内に形成されたシリンダ部１９にシールリング２０を介して油密的にかつ摺動可能に嵌合している。ピストン部１８の前方にはシリンダ部１９との間に差圧室２１が画成されており、この差圧室２１に収装された皿ばね２２の張力によりピストン部１８は背後方向に付勢されている。
【００１７】
ノズル１４にはその先端部に開口した噴孔２３を開閉する針弁１３が収装されている。この針弁１３は、基端部が太径のピストン部２４となっており、このピストン部２４がノズル内周に形成されたシリンダ部２５に沿って摺動可能に保持されている。ピストン部２４の背後部に画成された背圧室２６には弾性体としてコイルスプリング２７が介装されており、このスプリング２７の張力により針弁１３は閉弁方向に付勢されている。また背圧室２６は通路３０を介してその背後の差圧室２１と連通している。
【００１８】
ピストン部２４よりも前方のノズル１４内の空間は燃料室２８となっており、この燃料室２８には燃料供給口２９を介して図示しない燃料系統から所定圧力に調圧された燃料が供給される。
【００１９】
駆動回路２は、図示しない運転状態検出手段からの情報に基づき、例えば内燃機関の回転数及び吸入空気量をパラメータとして燃料噴射量を決定し、該燃料噴射量に相当するパルス幅を有する駆動信号を燃料噴射弁のアクチュエータ１２に付与して燃料噴射を行わせる。ただし前記駆動信号は、詳細は後述するが、アクチュエータ１２の第一アクチュエータ部１２ａと第２アクチュエータ部１２ｂとで個々独立したタイミングで供給される。
【００２０】
ところで、本実施形態では上述のとおりアクチュエータ１２を第１アクチュエータ１２ａと第２アクチュエータ１２ｂとから構成しているが、第１アクチュエータ部１２ａの長さＬ１は第２アクチュエータ部１２ｂの長さＬ２よりも大きく、またＬ１は次の式で示される条件を満たすように設定されている。
【００２１】
Ｌ１＞（ａ１／ａ２）ｓ・δ … （ａ）
ただし、ａ１は背圧室２６のピストン部受圧面積、ａ２は差圧室２１のピストン部受圧面積、δは針弁１３の必要リフト量、δはアクチュエータ１２のピエゾ変位率（ピエゾアクチュエータの全長と変位量の比）である。
【００２２】
次にアクチュエータ１２に駆動信号を供給したときの燃料噴射弁１の基本的な作動につき説明する。この燃料噴射弁では、非噴射時にはアクチュエータ１２に伸び方向の信号を供給している。このとき、アクチュエータ１２は伸張して差圧室２１の容積を小さく保っている。燃料室２８に供給されている燃料の圧力は、この場合針弁ピストン部２４とシリンダ部２５との間の摺動間隙を介して背圧室２６にも作用しているため、針弁１３の前後圧力は平衡しており、したがって針弁１３はスプリング２７の張力により閉弁保持されている。
【００２３】
この状態から収縮方向の信号を供給するとアクチュエータ１２及びピストン部１８は速やかに初期位置にまで収縮するため、差圧室２１はその容積を拡大して圧力を低下させる。この圧力低下は通路３０を介して直ちに背圧室２６に伝えられるが、このとき針弁ピストン部２４とシリンダ部２５との間の摺動間隙がオリフィスとして作用するので、背圧室２６の圧力低下に対して燃料室２８の圧力変化に遅れを生じ、燃料室２８は相対的に高圧になる。このピストン部２４の前後圧力差に基づき、針弁１３はスプリング２７に抗して背後方向に通路３０周囲の壁面に当接する位置まで変位し、噴孔２３を開放して燃料噴射を行う。
【００２４】
そのときの要求燃料噴射量に応じて定められた時間が経過した後に再び伸び方向の信号を供給すると、アクチュエータ１２が再度伸張して室２１及び２６の圧力を上昇させるため針弁１３が閉弁方向にノズル内面に着座する位置まで変位して燃料噴射は終了する。非噴射時の針弁１３の閉弁状態はピストン２４前後の圧力平衡状態およびスプリング２７の張力により保持される。
【００２５】
ところで、このようにアクチュエータ１２が単一構造のものとしてこれにオン・オフ状の信号を付与して開閉制御した場合、これは従来例に相当する構成であり、図２に示したように針弁変位が開弁方向または閉弁方向の最大量に達したとき（図の時間tfまたはte）に大きな変位速度の状態から急激に針弁が停止させられるため大きな衝撃が発生し、これが二次噴射やジャンプなどの不都合の原因となっていることはすでに述べたとおりである。
【００２６】
これに対して本発明では、上述の通りアクチュエータ１２を二つのアクチュエータ部１２ａ、１２ｂに分割した構成とし、これらに付与する駆動信号を適切なタイミングで制御することにより針弁１３が最大変位しようとするときの衝撃を緩和しようとするものである。次にこの点を、図３または図４に示した実施形態に基づいて説明する。なお、図３、図４および以下の説明においては、表記を簡略化するために第１アクチュエータ１２ａは１段目、第２アクチュエータ１２ｂは２段目と表し、それぞれの変位は図中に破線、一転鎖線で示す。また、駆動信号はアクチュエータに開弁方向の変位を与える場合をＯＮ、閉弁方向の変位を与える場合をＯＦＦで示す。
【００２７】
まず図３に示した例について説明する。これは、図示したように開弁開始時t0にて１段目と２段目の双方にＯＮ信号を付与し、その後針弁が最大変位（全開位置）に達する直前の時期t1に達したときに２段目のみＯＦＦ信号を付与する。これにより、針弁が最大変位に達する時期t2より前に実線で示したアクチュエータ１２の合成変位が減少するため、針弁の速度が低減して最大変位時の衝撃が緩和される。
【００２８】
開弁後は１段目のみが変位した状態であるが、上記（ａ）式で示したようにこの場合１段目のアクチュエータ部１２ａのみで所要の針弁変位が得られるようにその長さＬ１が設定してあるので、確実に所期の燃料噴射を行わせることができる。また、必要な針弁変位を１段目のみで確保しつつ、開弁開始時に２段目を併用することで開弁応答性を高めることができる。
【００２９】
その後、閉弁開始時期t3が到来すると、こんどは１段目にもＯＦＦ信号を付与し、これにより針弁は閉弁方向へと変位することになる。この閉弁方向の変位の途中、完全に閉弁する直前の時期t4からt5の間、一時的に２段目のみにＯＮ信号を付与する。このように、長さの比較的短い２段目のアクチュエータ部１２ｂに一時的にＯＮ信号を付与することで、閉弁直前の針弁の変位速度が減殺されるため、閉弁時の衝撃も十分に緩和される。
【００３０】
ところで、図１に示した燃料噴射弁では第１アクチュエータ部１２ａのみで所要の針弁リフトが得られるようにしてあるが、これに限らず、各アクチュエータ部１２ａ，１２ｂの合成変位により所要の針弁変位を得るような設定とすることも可能である。図４はこのような場合の制御を示したもので、この場合１段目は開弁開始時t0から閉弁開始時t3にわたりＯＮ信号を付与する点で図３のものと同様であるが、開弁直弁t2の前後で一時的に２段目にＯＦＦ信号を付与している点で異なる。この制御により、必要な針弁変位を確保しつつ最大変位時の衝撃を図３のものと同様にして緩和することができる。
【００３１】
なお、針弁が全開または全閉するタイミングは噴射弁、アクチュエータ、駆動回路等の仕様が定まれば実験的に確認することができるので、この実験結果に基づいて駆動信号を付与するタイミングを決定すればよい。もちろん針弁の変位を検出するリフトセンサーを設け、そのリフト信号に基づいて制御するように構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の概略構成図。
【図２】アクチュエータへの通電制御に関する一実施形態を示すタイミング図。
【図３】アクチュエータへの通電制御方法に関する他の実施形態を示すタイミング図。
【図４】従来の燃料噴射弁の作動特性を示す特性線図。
【符号の説明】
１ 燃料噴射弁
２ 駆動回路
１１ 燃料噴射弁の本体
１２ ピエゾアクチュエータ
１２ａ 第１アクチュエータ部
１２ｂ 第２アクチュエータ部
１３ 針弁
１４ ノズル
１５ 端板
１６ キャップ
１７ ボール
１８ ピストン部
１９ シリンダ部
２０ シールリング
２１ 差圧室
２２ 皿ばね
２３ 噴孔
２４ ピストン部
２５ シリンダ部
２６ 背圧室
２７ コイルスプリング
２８ 燃料室
２９ 燃料供給口
３０ 通路

Claims (2)

1. ピエゾアクチュエータの伸縮を弁体の進退動作に変換してノズルを開閉する機構を有する燃料噴射弁において、
   前記ピエゾアクチュエータを互いに軸方向に直列に結合した複数のアクチュエータ部で構成するとともに、前記各アクチュエータ部をそれぞれ独立して駆動する駆動手段を備え、
   前記駆動手段は、閉弁開始後、針弁が全閉となる直前にいずれかのアクチュエータ部に一時的に開弁方向の駆動信号を供給するように構成されており、
   前記燃料噴射弁は、ピエゾアクチュエータを収装した本体とその先端部に接続され弁体としての針弁を収装したノズルとからなり、
   本体には該本体内に形成されたシリンダ部とピエゾアクチュエータ端部に設けられ前記シリンダ部に摺動自由に嵌合するピストン部とで差圧室が画成され、
   ノズルには該ノズル内に形成されたシリンダ部と針弁後端部に設けられ前記ノズルシリンダ部に摺動自由に嵌合するピストン部とで背圧室が画成されるとともに針弁を閉弁方向に付勢する弾性体が設けられ、前記差圧室と背圧室とは通路を介して相互に連通されるとともに燃料が導入され、ピエゾアクチュエータの伸縮に伴う差圧室および背圧室の燃料圧力変化に基づき針弁を開閉駆動するよう構成され、
   ピエゾアクチュエータは、長さＬ１の第１アクチュエータ部と、長さＬ２の第２アクチュエータ部とからなり、かつ各アクチュエータ部の長さＬ１、Ｌ２は、背圧室のピストン部受圧面積をａ１、差圧室のピストン部受圧面積をａ２、針弁の必要リフト量をｓ、該アクチュエータ部のピエゾ変位率をδ（ただし、δ＝ピエゾアクチュエータの全長／変位量）とするとき、
   Ｌ１＞（ａ１／ａ２）ｓ・δの条件を満足するように設定され、
   駆動手段は、開弁開始後に各アクチュエータ部に開弁方向の駆動信号を供給するとともに、針弁が全開となる直前に第２アクチュエータ部に一時的に閉弁方向の駆動信号を供給するように構成されていることを特徴とする燃料噴射装置。
2. ピエゾアクチュエータの伸縮を弁体の進退動作に変換してノズルを開閉する機構を有する燃料噴射弁において、
   前記ピエゾアクチュエータを互いに軸方向に直列に結合した複数のアクチュエータ部で構成するとともに、前記各アクチュエータ部をそれぞれ独立して駆動する駆動手段を備え、
   前記駆動手段は、閉弁開始後、針弁が全閉となる直前にいずれかのアクチュエータ部に一時的に開弁方向の駆動信号を供給するように構成されており、
   燃料噴射弁は、ピエゾアクチュエータを収装した本体とその先端部に接続され弁体としての針弁を収装したノズルとからなり、
   本体には該本体内に形成されたシリンダ部とピエゾアクチュエータ端部に設けられ前記シリンダ部に摺動自由に嵌合するピストン部とで差圧室が画成され、
   ノズルには該ノズル内に形成されたシリンダ部と針弁後端部に設けられ前記ノズルシリンダ部に摺動自由に嵌合するピストン部とで背圧室が画成されるとともに針弁を閉弁方向に付勢する弾性体が設けられ、前記差圧室と背圧室とは通路を介して相互に連通されるとともに燃料が導入され、ピエゾアクチュエータの伸縮に伴う差圧室および背圧室の燃料圧力変化に基づき針弁を開閉駆動するように構成され、
   ピエゾアクチュエータは、長さＬ１の第１アクチュエータ部と、長さＬ２の第２アクチュエータ部からなり、かつ各アクチュエータ部の長さＬ１、Ｌ２は、背圧室のピストン部受圧面積をａ１、差圧室のピストン部受圧面積をａ２、針弁の必要リフト量をｓ、該アクチュエータ部のピエゾ変位率をδ（ただし、δ＝ピエゾアクチュエータの全長／変位量）とするとき、
   Ｌ１＞（ａ１／ａ２）ｓ・δの条件を満足するように設定され、
   駆動手段は、開弁開始時に各アクチュエータ部に開弁方向の駆動信号を供給するとともに、針弁が全開となる直前に第２アクチュエータ部に閉弁方向の駆動信号を供給し、かつ該閉弁方向の駆動状態を少なくとも閉弁直前まで維持するように構成されていることを特徴とする燃料噴射装置。

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