JP4346806B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料噴射装置に関し、特にインジェクタに搭載されたピエゾアクチュエータの制御に関する。
【0002】
【従来の技術】
コモンレール式の内燃機関の燃料噴射装置として、燃料噴射用のインジェクタに、燃料の噴射と停止との切り替え制御をピエゾアクチュエータにより作動せしめるものがある。かかるインジェクタとして、噴孔が形成されたノズル部内のニードルの後方にコモンレールから高圧燃料が導入される背圧室が形成され、背圧室の圧力の制御を背圧制御部と前記ピエゾアクチュエータにより切り換える構成をとるものが知られている。背圧制御部は、背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体を配設して前記背圧室の圧力の高低を切り替え、ピエゾアクチュエータが前記弁体をピエゾスタックが充電時にリフト方向に押圧駆動し、背圧室の圧力を低下せしめてニードルをリフトせしめる。
【0003】
ピエゾアクチュエータの構成として、弁体を直接押圧するピストンにピエゾスタックの押圧力が、油圧を介して伝達する構成のものがある。例えば、弁体側の小径のピストンとピエゾスタック側の大径のピストンの間に密閉された変位拡大室が設けられ、伸縮量の小さいピエゾスタックで弁体を大きく変位せしめる。
【0004】
ピエゾスタックは充電電流値の大きさに応じた速度で伸長し、弁体のリフト作動において応答性を高めるべく、電流値は十分に大きく設定される。そして、弁体がリフト開始後も変位拡大室に弁体の押圧に供される圧力が蓄えられることになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、充電量が多くピエゾスタックの両端間電圧が高ければ、ピエゾスタックに絶縁性の高いものが要求され、駆動回路を、高耐電圧の電子部品で構成する必要がある。また、弁体のフルリフトを保持し得るのであれば、ピエゾスタックの充電は、必ずしも弁体がフルリフトに達するまで続けて行う必要はない。その場合、ピエゾスタックの充電停止後の弁体の変位で変位拡大室の圧力が低下し、ピエゾスタックの負荷の緩和による圧電効果で、ピエゾスタックの両端間電圧が低下する。したがって、この電圧低下分を考慮して充電量を設定する必要があり、結局、ピエゾスタックのピーク電圧は高いものとなり、コストアップ、大型化という問題が生じる。
【0006】
ピエゾスタックへの充電電流を、弁体の応答性に見合う程度に減らせば、充電完了から弁体のフルリフトまでの変位拡大室の減圧幅が小さくなるから、ピエゾスタックの両端間電圧のピーク電圧値を下げることができるが、それでは高い応答性というピエゾスタックの特徴が減殺されてしまう。
【0007】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、ピエゾスタックの両端間電圧のピーク電圧値が過剰に高くならず、ピエゾスタックの高応答性を損なわずにインジェクタの開閉制御を行い得る燃料噴射装置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記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有し、高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、燃料が導入され前記ニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体を配設して前記背圧室の圧力の高低を切り替える背圧制御部と、前記弁体を直接押圧するピストンにピエゾスタックの押圧力が油圧を介して伝達するようになっており、前記弁体を前記ピエゾスタックが充電時にリフト方向に押圧駆動するピエゾアクチュエータとを備えるインジェクタと、
前記ピエゾスタックに通電し前記ピエゾスタックの充電と放電とを行う通電手段と、
該通電手段における充電と放電とを制御して前記背圧室の圧力を増減することにより前記ニードルを開閉制御する制御手段とを有する燃料噴射装置において、
前記制御手段は、弁体のリフト開始からフルリフトまでの弁体作動期間中に、充電電流を減じて前記ピエゾスタックの両端間電圧が低下する電圧低下期間を有し、かつ、該電圧低下開始後の前記弁体作動期間中に充電電流が流れる電圧低下開始後充電期間を有するように、前記通電手段のオンオフを制御するものであり、
前記弁体がフルリフトする前に前記ピエゾスタックの充電を一時的に停止して前記電圧低下期間を設け、その後、再通電して前記電圧低下開始後充電期間を設けて、前記弁体がフルリフト位置を維持するのに必要な保持電圧以上となるように設定する。
【0009】
ピエゾスタックの両端間電圧が低下を開始する電圧低下期間の始期においてピエゾスタック電圧がさほど高くなくとも、電圧低下開始後充電期間における充電で、電圧低下開始後充電期間の終期のピエゾスタック両端間電圧を、弁体がフルリフト保持に必要な電圧に対して余裕をもった電圧値とすることができる。
【0010】
また、充電電流を減じるまでは十分な充電電流を流すことができるので、ピエゾスタックの高応答性という特徴を活かすことができる。ピエゾスタックの両端間電圧が一時的に低下しても、その後の充電で回復するから、ピエゾスタック両端間電圧のピーク電圧値がさほど高くなくとも弁体がフルリフト保持に必要な電圧に対して余裕をもった電圧値とすることができる。
【0011】
請求項2記載の発明では、上記構成の燃料噴射装置において、
前記制御手段は、弁体のリフト開始からフルリフトまでの弁体作動期間中に、充電電流を減じて前記ピエゾスタックの両端間電圧が低下する電圧低下期間を有し、かつ、該電圧低下開始後の前記弁体作動期間中に充電電流が流れる電圧低下開始後充電期間を有するように、前記通電手段を短期間に繰り返しオンオフ制御するものであり、
前記弁体がフルリフトする前に前記通電手段のオン期間の長さを減じて前記充電電流を0ではない電流値に減じ、前記ピエゾスタックの両端間電圧が低下する前記電圧低下期間を設けるとともに前記電圧低下開始後充電期間を設けて、前記弁体がフルリフト位置を維持するのに必要な保持電圧以上となるように設定する。
【0012】
充電電流を流しながらピエゾスタックの両端間電圧を低下せしめるので、電圧の低下速度を抑えることができ、ピエゾスタック両端間電圧のピーク電圧がさほど高くなくとも弁体がフルリフト保持に必要な電圧に対して余裕をもった電圧値とすることができる。
また、電圧の低下速度を抑えるようにしたから、ピエゾスタック両端間電圧が低下する間、ピエゾスタック電圧は、常に、弁体がフルリフト保持可能な最低電圧値に対して余裕をもった電圧値をとることができる。
【0013】
請求項3記載の発明では、請求項1または2の発明の構成において、前記制御手段を、前記電圧低下開始後充電期間が前記弁体のフルリフトまで続くように設定する。
【0014】
前記電圧低下開始後充電期間の終了後にそれ以上油圧が低下せず、弁体の押圧力が不足しないので、動作が確実である。
【0018】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1、図2、図3に本発明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装置を示す。全体構成を示す図2において、ディーゼルエンジンの気筒数分のインジェクタ4が各気筒に対応して設けられ(図例ではインジェクタ4は1つのみ図示)、供給ライン55を介して連通する共通のコモンレール54から燃料の供給を受けるようになっている。コモンレール54には燃料タンク51の燃料が高圧サプライポンプ53により圧送されて高圧で蓄えられる。
【0019】
インジェクタ4は、通電手段である駆動回路1、制御手段であるECU3、さらに圧力センサ57等により制御される。駆動回路1はECU3の制御信号を受けてインジェクタ4の後述するピエゾスタック2A(図1)を充放電し、例えば必要な時期に必要な時間だけインジェクタ4から各気筒の燃焼室内に略コモンレール圧力に等しい噴射圧力で燃料を噴射するようになっている。
【0020】
圧力センサ57はコモンレール54に設けられて前記コモンレール圧力を検出し、その検出結果に基づいてECU3が調量弁52を制御してコモンレール54への燃料の圧送量を調整し、コモンレール圧力を他のセンサ入力等により知られる運転条件に応じた適正な噴射圧となるように制御する。
【0021】
また、コモンレール54からインジェクタ4に供給された燃料は、上記燃焼室への噴射用の他、インジェクタ4の制御油圧等としても用いられ、インジェクタ4から低圧のドレーンライン56を経て燃料タンク51に還流するようになっている。
【0022】
インジェクタ4の断面を示す図1において、インジェクタ4は、棒状体で、図中下端部分がエンジンの図略の燃焼室壁を貫通して燃焼室内に突出するように取り付けられている。インジェクタ4は下側から順にノズル部4a、背圧制御部4b、ピエゾアクチュエータ4cとなっている。
【0023】
ノズル部4aの本体内にはニードル421がその後端部にて摺動自在に保持されており、ノズル部4aの先端部に形成された環状シート4041に着座または離座する。ニードル421の先端部の外周空間405には高圧通路401を介してコモンレール54から高圧燃料が導入され、ニードル421の離座時に噴孔403から燃料が噴射される。ニードル421にはその環状段面4211に前記高圧通路401からの燃料圧がリフト方向(上向き)に作用している。
【0024】
ニードル421の後方には高圧通路401からインオリフィス407を介して制御油としての燃料が導入されており、ニードル421の背圧を発生する背圧室406が形成される。この背圧は、背圧室406に配設されたスプリング422とともにニードル421の後端面4212に着座方向(下向き)に作用する。
【0025】
前記背圧は背圧制御部4bで切り替えられ、背圧制御部4bはピエゾスタック2Aを備えたピエゾアクチュエータ4cにより駆動される。
【0026】
前記背圧室406はアウトオリフィス409を介して常時、背圧制御部4bの弁室410と連通している。弁室410は天井面4101が上向きの円錐状に形成されており、天井面4101の最上部で低圧室411とつながっている。低圧室411は、ドレーンライン56に通じる低圧通路402と連通している。
【0027】
弁室410の底面4102には高圧通路401から分岐する高圧制御通路408が開口している。
【0028】
弁室410内には、下側部分を水平にカットしたボール423が配設されている。ボール423は上下動可能な弁体であり、下降時に、上記カット面で弁座としての弁室底面(以下高圧側シートという)4102に着座し弁室410を高圧制御通路408と遮断し、上昇時には弁座としての前記天井面(以下低圧側シートという)4101に着座し弁室410を前記低圧室411から遮断する。これにより、ボール423の下降時には背圧室406がアウトオリフィス409、弁室410を経て低圧室411と連通し、ニードル421の背圧が低下してニードル421が離座する。一方、ボール423の上昇時には背圧室406が低圧室411と遮断されて高圧通路401のみと連通し、ニードル421は背圧の上昇で着座する。
【0029】
ボール423はピエゾアクチュエータ4cにより押圧駆動される。ピエゾアクチュエータ4cは低圧室411の上方に上下方向に形成された縦穴412に径の異なる2つのピストン424,425が摺動自在に保持され、上側の大径のピストン425の上方にピエゾスタック2Aが上下方向を伸縮方向として配設されている。
【0030】
大径ピストン425はその下方に設けられたスプリング426によりピエゾスタック2Aと当接状態を維持しており、ピエゾスタック2Aの伸縮量と同じだけ上下方向に変位するようになっている。
【0031】
小径ピストン424と大径ピストン425と縦穴412とで画された空間は燃料が充填されて変位拡大室413としてあり、ピエゾスタック2Aの伸長で大径ピストン425が下方変位して変位拡大室413の燃料を押圧すると、その押圧力が変位拡大室413の燃料を介して小径ピストン424に伝えられる。ここで、小径ピストン424は大径ピストン425よりも小径としているので、ピエゾスタック2Aの伸長量が拡大されて小径ピストン424の変位に変換される。
【0032】
変位拡大室413は常時十分な燃料が満たされるように図示しないチェック弁を介して低圧通路402と通じている。チェック弁は低圧通路402から変位拡大室413に向かう方向を順方向として設けられており、ピエゾスタック2Aの伸長により大径ピストン425が押圧された時に閉じて燃料を変位拡大室413に閉じ込めるようになっている。
【0033】
燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック2Aが充電されて伸長することにより、小径ピストン424が下降してボール423を押し下げる。これにより、ボール423が低圧側シート4101から離間するとともに高圧側シート4102に着座して背圧室406が低圧通路402と連通するので、背圧室406の燃料圧が低下する。これにより、ニードル421に離座方向に作用する力が着座方向に作用する力よりも優勢となって、ニードル421が離座して燃料噴射が開始される。
【0034】
噴射停止は反対にピエゾスタック2Aを放電することで縮小してボール423への押し下げ力を解除する。この時、弁室410内は低圧となっており、またボール423の底面には高圧制御通路408から高圧の燃料圧力が作用しているから、ボール423には全体としては上向きの燃料圧が作用している。そして、前記ボール423への押し下げ力の解除により、ボール423が高圧側シート4102から離間するとともに再び低圧側シート4101に着座して弁室410の燃料圧力が上昇するため、ニードル421が着座し噴射が停止する。
【0035】
前記ピエゾスタック2Aを作動せしめる駆動回路1を含む、本燃料噴射装置の電気回路構成を示す図3において、車載のバッテリ111、DC−DCコンバータ112およびバッファコンデンサ113により直流電源11を構成している。DC−DCコンバータ112は公知の降圧チョッパ回路であり、バッテリ111から数十〜数百Vの直流電圧を発生し、バッファコンデンサ113にピエゾスタック2A,2B,2C,2Dの充電用の蓄電を行う。ピエゾスタック2B,2C,2Dは残りの3気筒用のインジェクタ1のピエゾスタックで、実質的にピエゾスタック2Aと同じものである。ピエゾスタック2A〜2Dにはスイッチ回路15A,15B,15C,15Dが1対1に対応して直列に接続され、噴射気筒の切り替えに対応してオンしたスイッチ回路15A〜15Dに対応するピエゾスタック2A〜2Dのみに対し駆動回路1が機能し、充電、放電が行われる。
【0036】
バッファコンデンサ113からピエゾスタック2A〜2Dへの通電経路は、バッファコンデンサ113とピエゾスタック2A〜2Dの間に直列にインダクタ12および第1のスイッチ回路13が設けられてなり、第1のスイッチ回路13のオンとオフとが切り替わることで、バッファコンデンサ113〜インダクタ12〜ピエゾスタック2A〜2Dという第1のLC共振回路が開閉する。
【0037】
また、インダクタ12およびピエゾスタック2Aに直列に第2のスイッチ回路14が設けられてこれらにより閉回路が形成されるようになっており、第2のスイッチ回路14のオンとオフとが切り替わることで、インダクタ12〜ピエゾスタック2A〜2Dという第2のLC共振回路が開閉する。
【0038】
第1のLC共振回路は充電時に形成され、第1のスイッチ回路13のオン時間に応じてピエゾスタック2A〜2Dが充電する。一方、第2のLC共振回路は放電時に形成され、第2のスイッチ回路14のオンでピエゾスタック2A〜2Dが放電する。
【0039】
スイッチ回路13,14はECU3からの制御信号で作動する。ECU3は内部で発生する二値の噴射信号が例えば「H」になるとピエゾスタック2A〜2Dの充電制御を開始し、「L」になるとピエゾスタック2A〜2Dの放電制御を開始する。
【0040】
また、ピエゾスタック2A〜2Dの両端間電圧(以下、単にピエゾスタック電圧という)はECU3でモニタされており、ECU3は前記ピエゾスタック2A〜2Dの充電制御をピエゾスタック電圧に基づいて行うようになっている。
【0041】
図4はスイッチ回路13,14のオンオフを含む本燃料噴射装置の各部の作動状態を示すタイミングチャートで、これにより、ECU3におけるスイッチ回路13,14の制御信号の設定とともに、本燃料噴射装置の作動を説明する。
【0042】
噴射信号が「H」になると、第1のスイッチ回路13をオンする。これにより、ピエゾスタック2A〜2Dに流出入する電流(以下、ピエゾスタック電流という)が充電方向に流れる。そして、ピエゾスタック電圧が上昇し変位拡大室413の圧力(変位拡大室圧力)が上昇する。変位拡大室圧力が、ボール423がリフト可能な最低圧力(ボール作動開始圧力という)に達すると、ボール423がリフトを開始するとともに背圧室406が弁室410を介して低圧通路402と連通し、背圧室406の圧力(以下、背圧室圧力という)が低下する。なお、変位拡大室圧力がボール作動開始圧力に達した時のピエゾスタック電圧を、以下、ボール作動開始電圧という。
【0043】
この後、第1のスイッチ回路13をオフする。これにより、ピエゾスタック2Aの伸長が停止し小径ピストン424のみが下降することとなって変位拡大室圧力は低下する。この変位拡大室圧力低下でピエゾスタック2A〜2Dの負荷が減じられると、ピエゾスタック2A〜2Dの圧電効果により変位拡大室圧力の低下に応じてピエゾスタック電圧が低下する。そして、ボール423をフルリフト状態に保持するのに必要な最低圧力(以下、ボールフルリフト保持必要圧力という)に近づく。なお、変位拡大室圧力がボールフルリフト保持必要圧力に達した時のピエゾスタック電圧を、以下、ボールフルリフト保持必要電圧という。
【0044】
ピエゾスタック電圧が所定の電圧しきい値(これはボールフルリフト保持必要電圧以上に設定される。図例のようにボールフルリフト保持必要電圧よりもやや高い値とするのがよい。)に達すると、ECU3はこれを検出して第1のスイッチ回路13をオンする。これにより、再びピエゾスタック2A〜2Dの充電が開始されてピエゾスタック2A〜2Dが伸長し、ピエゾスタック電圧、変位拡大室圧力が上昇に転じる。そして、予め設定された充電時間の後、第1のスイッチ回路13をオフする。
【0045】
このように、ピエゾスタック2A〜2Dの充電は一時停止期間を挟んで2回行われるが、第1回の充電期間の長さはピエゾスタック電圧がボール作動開始電圧よりもやや高い電圧まで達するように設定される。
【0046】
また、第2回の充電期間の長さはボール423が略フルリフトに達する時間に設定され、ボール423がフルリフト状態となった時、ピエゾスタック電圧が確実にボールフルリフト保持必要電圧以上となるようにしてある。
【0047】
このように、充電の一時的な停止でピエゾスタック電圧が低下を開始した後で、電圧低下開始後充電期間である第2回の充電期間を設けることで、ピエゾスタック電圧がさほど高いピーク電圧値をとることなく、変位拡大室圧力がボールフルリフト保持必要圧力よりも十分に高い圧力に固定されることになる。
【0048】
一方、変位拡大室圧力がボール作動開始圧力に達した後には、ノズル部4aにおいては、背圧室406の圧力(以下、背圧室圧力という)が低圧通路402にリリーフされて背圧室圧力が低下し、背圧室圧力がニードル421が開弁を開始する圧力(以下、ニードル開弁開始圧力という)に達すると、ニードル421は開弁し、噴射が開始される。
【0049】
また、噴射信号が「H」から「L」になると、第2のスイッチ回路14をオンし、ピエゾスタック2A〜2Dを放電して縮小することにより、変位拡大室圧力が低下してボール423の押し下げ力が解除され、ボール423は再び低圧側シート4101に着座する。そして、背圧室圧力が再び高圧に復帰してニードル421が閉弁し、燃料噴射が停止する。
【0050】
なお、噴射信号とニードル421の開弁期間にずれがあるが、これが噴射信号の「H」出力時期および長さにオフセット補正を加えることで所望の燃料噴射が得られるのは勿論である。
【0051】
ここで、本燃料噴射装置のごとくピエゾスタックへの充電経路がLC共振回路を構成する従来の燃料噴射装置の作動と比較しながら、本発明が奏する格別の効果について説明する。図4には従来装置の各部の作動状態を併せて示している。なお、説明の便宜のため本燃料噴射装置と実質的に同じ構成については同じ番号を付すものとする。
【0052】
従来装置においてはピエゾスタック2A〜2Dの充電の期間が単純にスイッチ回路13のオン期間で規定されるから、変位拡大室圧力としてボールフルリフト保持必要圧力よりも十分に高い圧力を得るためには、図4より知られるように、本燃料噴射装置の場合よりもピエゾスタック電圧が相当程度高い値をとってから充電を終了しなければならない。これに対して本発明では、電圧低下期間の後、再び電圧低下開始後充電期間を設けてピエゾスタック電圧を回復させているから、ピエゾスタック電圧のピーク値をさほど高くすることなくボールフルリフト保持必要電圧を維持することができる。この結果、ピエゾスタック2A〜2Dの絶縁性にはさほど酷な仕様は要求されない。また、ピエゾスタック2A〜2Dをあまり高い電圧まで充電しないから、駆動回路1は高電圧まで出力可能である必要はなく、したがって、高耐電圧の部品で構成する必要もない、これらのことがコスト低減につながる。
【0053】
(第2実施形態)
第1の実施形態では、充電の再開のタイミングをピエゾスタック電圧の検出結果に基づいておこなっているが、別の手段を用いることもできる。図5にかかる手段を採用した燃料噴射装置の一部を示す。インジェクタ4Aは、第1の実施形態と基本的に同じ構成を有している。そして、大径ピストン425とピエゾスタック2Aの間に円盤状の荷重センサ431が挟んであり、ピエゾスタック2Aの大径ピストン425に対する押圧荷重を検出するようになっている。これにより、変位拡大室圧力が知られる。なお、荷重センサ431には、例えば圧電式のものが用いられ得る。
【0054】
また、ECU3Aは、第1の実施形態と基本的に同じ構成を有しており、相違点は、前記変位拡大室圧力の検出結果を前期電圧しきい値に対応する圧力しきい値と比較して充電の一時停止期間の終期を与えるようにした点である。
【0055】
なお、充電の一時停止期間の終期は、第1、第2実施形態のピエゾスタック電圧や変位拡大室圧力ではなく、単に、タイマのカウント時間で設定してもよい。また、第1回充電期間、一時停止期間、第2回充電期間を前記タイマによる制御とする場合、コモンレール圧力に応じて可変とするのもよい。コモンレール圧力によりボール423への上向き作用力が異なるからである。
【0056】
あるいは、スイッチ回路13のすべてのオンオフタイミングについて、検出したピエゾスタック電圧や変位拡大室圧力を予め設定したしきい値と比較することで行う構成でもよい。
【0057】
(第3実施形態)
図6に本発明の第3実施形態になる燃料噴射装置の電気構成を示す。第1実施形態において電気構成を別の構成に代えたもので、図中、第1実施形態と同じ番号を付した部分は第1実施形態と実質的に同じ作動をするので第1実施形態との相違点を中心に説明する。
【0058】
バッファコンデンサ113からピエゾスタック2A〜2Dへの通電経路は、バッファコンデンサ113とピエゾスタック2A〜2Dの間に直列にインダクタ12および第1のスイッチ回路13Bが設けられてなり、第1のスイッチ回路13Bはスイッチ本体(以下、適宜、第1のスイッチ本体という)131に並列にダイオード(以下、適宜、第1のダイオードという)132が接続されている。第1のダイオード132の向きはバッファコンデンサ113の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように設定されている。
【0059】
また、インダクタ12とピエゾスタック2A〜2Dの間には直列に第2のスイッチ回路14Bが設けてある。第2のスイッチ回路14はスイッチ本体(以下、適宜、第2のスイッチ本体という)141に並列にダイオード(以下、適宜、第2のダイオードという)142が接続されており、第2のダイオード142の向きはバッファコンデンサ113の電圧に対して逆バイアスとなるように設定されている。
【0060】
スイッチ回路13B,14BはECU3Bからの制御信号で作動する。ECU3Bは、第1実施形態と同様に、噴射気筒に対応するピエゾスタック2A〜2Dに対応する選択用スイッチ回路15A〜15Dをオンしておくとともに、内部で発生する二値の噴射信号によりピエゾスタック2A〜2Dの充電と放電とを行うようになっている。充電と放電とは、スイッチ回路13B,14Bへの制御信号を短周期でパルス状に繰り返しオンオフする複数スイッチング方式でおこなわれる。また、スイッチ回路13B,14Bには、MOSFET等が用いられ得、その場合、ダイオード132,142はMOSFETの寄生ダイオードにより構成することができる。
【0061】
図7はスイッチ回路13B,14Bのオンオフを含む本燃料噴射装置の各部の作動状態を示すタイミングチャートで、これにより、ECU3Bにおけるスイッチ回路13B,14Bの制御信号の設定とともに、本燃料噴射装置の作動を説明する。
【0062】
噴射信号が「H」になると、第1のスイッチ回路13Bを短周期で繰り返しオンオフする。このオン期間にバッファコンデンサ113〜第1のスイッチ本体131〜インダクタ12〜ピエゾスタック2A〜2D〜選択用スイッチ回路15A〜15Dという経路で漸増する充電電流が流れ、ピエゾタック2A〜2Dが充電されるとともにインダクタ12に電磁エネルギーが蓄積される。そして、オフ期間に、インダクタ12に蓄積された前記電磁エネルギーにより、インダクタ12〜選択用スイッチ回路15A〜15D〜第2のダイオード142という経路で漸減する充電電流が流れ、ピエゾスタック2A〜2Dが充電される。これを繰り返して充電量が増大し第1実施形態と同様にピエゾスタック電圧が上昇していく。そして変位拡大室圧力が上昇し、ボール作動開始圧力に達すると、ボール423がリフトを開始するとともに、背圧室圧力が低下する。
【0063】
かかる複数スイッチング方式の場合、オン期間の長さに応じて電流値が大きくなり、ECU3Bは通電停止状態を除きオン期間の長さとして長短二値をとることができ、ECU3Bは第1のスイッチ回路13Bのオン期間の長さを短い値に設定し充電電流値を0ではない値に下げる。この電流値は、ボール423のリフトでピエゾスタック電圧が低下する方向の作用が、充電でピエゾスタック電圧が上昇する方向の作用よりも優勢となるように、すなわち、ピエゾスタック電圧が低下するように設定される。
【0064】
また、この電流値は、ボール423のリフトで変位拡大室圧力を減じる方向の作用が、充電で伸長するピエゾスタック2A〜2Dが変位拡大室圧力を減じる方向の作用よりも優勢となるように、すなわち、変位拡大室圧力が低下するように設定される。そして、ボール423がフルリフトした時に変位拡大室圧力がボールフルリフト保持必要圧力以上であるように設定される。
【0065】
しかして、変位拡大室圧力は低下しボールフルリフト保持必要圧力に近づく。
【0066】
また、充電電流を減じるタイミング、したがって、大電流での充電期間の長さは、充電期間の終期においてピエゾスタック電圧がボール作動開始電圧以上となるように設定される。
【0067】
そして、予め設定された小電流による充電期間の後、第1のスイッチ回路13Bをオフに固定する。この小電流による充電期間の長さはボール423が略フルリフトに達する時間に設定され、ボール423がフルリフト状態で、ピエゾスタック電圧が確実にボールフルリフト保持必要電圧以上となるようにする。
【0068】
このように、充電電流を、ピエゾスタック電圧および変位拡大室圧力が低下し得る0ではない電流値に減じることで、ピエゾスタック電圧がさほど高いピーク電圧をとることなく、変位拡大室圧力がボールフルリフト保持必要圧力よりも十分に高い圧力に固定されることになる。
【0069】
また、噴射信号が「H」から「L」になると、第2のスイッチ回路14Bを前記第1のスイッチ回路13Bのごとく、オンオフを繰り返す。これにより、オン期間にはピエゾスタック2A〜2D〜インダクタ12〜第2のスイッチ本体141〜選択用スイッチ回路15A〜15Dという経路で電流が流れピエゾスタック2A〜2Dは放電する。オフ期間にはピエゾスタック2A〜2D〜インダクタ12〜第1のダイオード132〜バッファコンデンサ113〜選択用スイッチ回路15A〜15Dという経路で電流が流れ、バッファコンデンサ113に電荷が回収される。回収された電荷は次の気筒の燃料噴射制御に供される。
【0070】
しかして、ピエゾスタック2A〜2Dが放電して縮小することにより、変位拡大室圧力が低下してボール423の押し下げ力が解除され、ボール423は再び低圧側シート4101に着座する。そして、背圧室圧力が再び高圧に復帰してニードル421が閉弁し、燃料噴射が停止する。
【0071】
ここで、充電経路が本燃料噴射装置のごとく複数スイッチング方式の従来の燃料噴射装置の作動と比較しながら、本発明が奏する格別の効果について説明する。図7には従来装置の各部の作動状態を併せて示している。なお、説明の便宜のため本燃料噴射装置と実質的に同じ構成については同じ番号を付すものとする。
【0072】
従来装置においてはピエゾスタック2A〜2Dの充電の期間が単純にスイッチ回路13の作動期間で規定されるから、変位拡大室圧力としてボールフルリフト保持必要圧力よりも十分に高い圧力を得るためには、図7より知られるように、本燃料噴射装置の場合よりもピエゾスタック電圧が相当程度高い値をとってから充電を終了しなければならない。これに対して本発明では、電圧低下期間を、充電を続けながら緩い速度でピエゾスタック電圧が低下するようにしたから、ピエゾスタック電圧のピーク値をさほど高くすることなくボールフルリフト保持必要電圧を維持することができる。この結果、ピエゾスタック2A〜2Dの絶縁性にはさほど酷な仕様は要求されない。また、ピエゾスタック2A〜2Dをあまり高い電圧まで充電しないから、駆動回路1Bは高電圧まで出力可能である必要はなく、したがって、高耐電圧の部品で構成する必要もない、これらのことがコスト低減につながる。
【0073】
なお、本実施形態では大電流による充電の期間と小電流による充電の期間とを時間で設定しているが、大電流から小電流への切り替えのタイミングや小電流充電の停止のタイミングを、ピエゾスタック電圧や変位拡大室の圧力を検出して、その検出結果をそれぞれのしきい値と比較することで設定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した第1の燃料噴射装置の一部の断面図である。
【図2】前記燃料噴射装置の全体構成図である。
【図3】前記燃料噴射装置の電気構成を示す回路図である。
【図4】前記燃料噴射装置の作動を示すタイミングチャートである。
【図5】本発明を適用した第2の燃料噴射装置の一部の断面図である。
【図6】本発明を適用した第3の燃料噴射装置の電気構成を示す回路図である。
【図7】前記燃料噴射装置の作動を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
1,1B 駆動回路(通電手段)
2A,2B,2C,2D ピエゾスタック
3,3A,3B ECU(制御手段)
4,4A インジェクタ
4a ノズル部
4b 背圧制御部
4c ピエゾアクチュエータ
403 噴孔
406 背圧室
410 弁室
413 変位拡大室
421 ニードル
423 ボール(弁体)
51 燃料タンク(低圧源)
424 小径ピストン(ピストン)
425 大径ピストン
Claims (3)
- 噴孔を開閉するニードルを有し、高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、燃料が導入され前記ニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体を配設して前記背圧室の圧力の高低を切り替える背圧制御部と、前記弁体を直接押圧するピストンにピエゾスタックの押圧力が油圧を介して伝達するようになっており、前記弁体を前記ピエゾスタックが充電時にリフト方向に押圧駆動するピエゾアクチュエータとを備えるインジェクタと、
前記ピエゾスタックに通電し前記ピエゾスタックの充電と放電とを行う通電手段と、
該通電手段における充電と放電とを制御して前記背圧室の圧力を増減することにより前記ニードルを開閉制御する制御手段とを有する燃料噴射装置において、
前記制御手段は、弁体のリフト開始からフルリフトまでの弁体作動期間中に、充電電流を減じて前記ピエゾスタックの両端間電圧が低下する電圧低下期間を有し、かつ、該電圧低下開始後の前記弁体作動期間中に充電電流が流れる電圧低下開始後充電期間を有するように、前記通電手段のオンオフを制御するものであり、
前記弁体がフルリフトする前に前記ピエゾスタックの充電を一時的に停止して前記電圧低下期間を設け、その後、再通電して前記電圧低下開始後充電期間を設けて、前記弁体がフルリフト位置を維持するのに必要な保持電圧以上となるように設定したことを特徴とする燃料噴射装置。 - 噴孔を開閉するニードルを有し、高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、燃料が導入され前記ニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体を配設して前記背圧室の圧力の高低を切り替える背圧制御部と、前記弁体を直接押圧するピストンにピエゾスタックの押圧力が油圧を介して伝達するようになっており、前記弁体を前記ピエゾスタックが充電時にリフト方向に押圧駆動するピエゾアクチュエータとを備えるインジェクタと、
前記ピエゾスタックに通電し前記ピエゾスタックの充電と放電とを行う通電手段と、
該通電手段における充電と放電とを制御して前記背圧室の圧力を増減することにより前記ニードルを開閉制御する制御手段とを有する燃料噴射装置において、
前記制御手段は、弁体のリフト開始からフルリフトまでの弁体作動期間中に、充電電流を減じて前記ピエゾスタックの両端間電圧が低下する電圧低下期間を有し、かつ、該電圧低下開始後の前記弁体作動期間中に充電電流が流れる電圧低下開始後充電期間を有するように、前記通電手段を短期間に繰り返しオンオフ制御するものであり、
前記弁体がフルリフトする前に前記通電手段のオン期間の長さを減じて前記充電電流を0ではない電流値に減じ、前記ピエゾスタックの両端間電圧が低下する前記電圧低下期間を設けるとともに前記電圧低下開始後充電期間を設けて、前記弁体がフルリフト位置を維持するのに必要な保持電圧以上となるように設定したことを特徴とする燃料噴射装置。 - 請求項1または2いずれか記載の燃料噴射装置において、前記制御手段を、前記電圧低下開始後充電期間が前記弁体のフルリフトまで続くように設定した燃料噴射装置。
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