JP4346806B2

JP4346806B2 - 燃料噴射装置

Info

Publication number: JP4346806B2
Application number: JP2000312094A
Authority: JP
Inventors: 和英渡辺; 康弘深川; 通泰森次
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2000-10-12
Filing date: 2000-10-12
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2020-10-12
Also published as: JP2002115616A

Description

【０００１】
【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，３ＢＥＣＵ（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

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。