JPH01182553A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

内燃機関の燃料噴射制御装置

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JPH01182553A
JPH01182553A JP304988A JP304988A JPH01182553A JP H01182553 A JPH01182553 A JP H01182553A JP 304988 A JP304988 A JP 304988A JP 304988 A JP304988 A JP 304988A JP H01182553 A JPH01182553 A JP H01182553A
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JP
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piezoelectric element
fuel
fuel injection
pressure
valve
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JP304988A
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English (en)
Inventor
Naoyuki Tsuzuki
尚幸 都築
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。
〔従来の技術〕
ピエゾ圧電素子により燃料噴射制御を行なうようにした
燃料噴射制御装置において、燃料噴射時に初めてピエゾ
圧電素子の駆動制御パルスを発生する駆動制御回路が公
知である(特開昭60−237869号公報参照)。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながらピエゾ圧電素子に駆動制御パルスを印加し
始めた当初はピエゾ圧電素子に十分な電荷がチャージさ
れず、′その結果ピエゾ圧電素子が十分に伸長しない。
従って機関始動時に燃料噴射をすべくピエゾ圧電素子に
駆動制御パルスを印加してもピエゾ圧電素子が十分に伸
長しないために燃料噴射が行なわれず、斯くして機関の
始動が困難であるという問題がある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記問題点を解決するために本発明によればピエゾ圧電
素子により燃料噴射制御を行なうようにした燃料噴射制
御装置において、燃料噴射を開始すべきときよりも以前
からピエゾ圧電素子の駆動制御パルスを繰返し発生する
駆動制御回路を具備している。
〔実施例〕
第8図から第10図を参照すると、1はユニツトインジ
ェクタのハウジング本体、2はその先端部にノズル口3
を形成したノズル、4はスペーサ、5はスリーブ、6は
これらノズル2、スペーサ4、スリーブ5をハウジング
本体1に固締するためのノズルホルダを夫々示す。ノズ
ル2内にはノズル口3の開閉制御を行なうニードル7が
摺動可能に挿入され、ニードル7の頂部は加圧ピン8を
介してスプリングリテーナ9に連結される。このスプリ
ングリテーナ9は圧縮ばね10により常時下方に向けて
押圧され、この押圧力は加圧ピン8を介してニードル7
に伝えられる。従ってニードル7は圧縮ばね10によっ
て常時閉弁方向に付勢されることになる。
一方、ハウジング本体1内にはニードル7と共軸的にプ
ランジャ孔11が形成され、このプランジャ孔11内に
プランジャ12が摺動可能に挿入される。プランジャI
2の上端部はタペット13に連結され、このタペット1
3は圧縮ばね14により常時上方に向けて付勢される。
このタペット13は機関駆動のカム(図示せず)により
上下動せしめられ、それによってプランジャ12がプラ
ンジャ孔ll内において上下動せしめられる。−方、プ
ランジャ12下方のプランジャ孔11内にはプランジャ
12によって画定された燃料加圧室15が形成される。
この燃料加圧室15は棒状フィルタ16および燃料通路
17を介してニードル加圧室18に連結され、・このニ
ードル加圧室18はニードル7周りの環状燃料通路19
を介してノズル口3に連結される。また、プランジャ孔
11の内壁面上には第9図に示すようにプランジャ12
が上方位置にあるときに燃料加圧室15内に開口する燃
料供給ポート20が形成され、この燃料供給ポート20
から燃料加圧室15内に3kg/ctll程度の圧力の
燃料が供給される。
一方、ハウジング本体1内にはプランジャ孔11内の側
方近傍において横方向に延びる摺動孔21が形成される
。この摺動孔21内には溢流弁22が摺動可能に挿入さ
れ、この摺動孔21に隣接してこの摺動孔21よりも大
径の燃料溢流室23が形成される。この燃料溢流室23
には燃料供給口24から燃料が供給され、図示しない燃
料流出口から燃料が流出する。この燃料溢流室23内の
燃料圧は3 kg / c−程度に維持されている。溢
流弁22□は燃料溢流室23内に位置する拡大頭部22
aと、拡大頭部22aに隣接して形成°された円周溝2
2bとを有し、この拡大頭部22aが弁ポート25の開
閉制御を行なう。摺動弁22は拡大頭部22aと反対側
に位置する圧縮ばね26により第8図において常時右方
に向けて付勢される。また、ハウジング本体1内には第
9図に示すように燃料加圧室15から半径方向上方に向
けて延びる燃料溢流路27が形成される。この燃料溢流
路27の一端は常時燃料加圧室15内に連通しており、
燃料溢流路27の他端は常時溢流弁22の円周溝22b
内に連通ずる。
更に、ハウジング本体1内には摺動孔21と共軸的にロ
ッド孔28が形成され、このロッド孔28内にロッド2
9が摺動可能に挿入される。ロッド29の一端は溢流弁
22の拡大頭部22aと当接可能に配置され、ロッド2
9の他端にはロッド29の他端により画定された圧力制
御室30が形成される。
一方、ハウジング本体1には圧電素子ハウジング31が
固締され、この圧電素子ハウジング31内に多数の圧電
素子板を積層したピエゾ圧電素子32が挿入される。圧
電素子ハウジング31の下端部にはピストン33が・摺
動可能に挿入され、このピストン33の下方には燃料で
満たされたシリンダ室34が形成される。このシリンダ
室34は燃料通路35を介して圧力制御室30に連結さ
れる。また、シリンダ室34内にはピストン33を常時
上方に向けて付勢する皿ばね36が挿入され、ピエゾ圧
電素子32は圧電素子ハウジング31の頂部とピストン
33間において支持される。圧電素子ハウジング31内
には冷却液体、例えば燃料をピエゾ圧電素子32の周り
に供給するための冷却液体供給通路37と冷却液体排出
通路38が形成される。冷却液体供給通路37からピエ
ゾ圧電素子32の上端部局りに供給された冷却液体、例
えば燃料はピエゾ圧電素子32を冷却しつつと工ゾ圧電
素子32の周りを下降し、冷却液体排出通路38から排
出される。圧電素子ハウジング31の頂部にはピエゾ圧
電素子32に電力を供給するためのプラグ39が取付け
られる。
一方、第11図および第12図に示されるようにハウジ
ング本体1には逆止弁40が挿入される。
この逆止弁40は弁ボート41の開閉制御をするボール
42と、ボール42のリフト量を規制するロッド43と
、ボール42およびロッド43を常時下方に向けて押圧
する圧縮ばね44とを具備し、従って弁ボート41は通
常ボール42によって閉鎖される。逆止弁40の弁ポー
ト41は環状の燃料流入通路45および燃料流入通路4
6を介して燃料溢流室23に連結され、逆止弁40の燃
料流出路47はシリンダ室34内に連結される。前述し
たように燃料溢流室23内の燃料圧は3kg/ci程度
に維持されており、シリンダ室34内の燃料圧が燃料溢
流室23内の燃料圧よりも低くなると逆止弁40が開弁
じて燃料がシリンダ室34内に補給される。従ってシリ
ンダ室34は常時燃料によって満たされることになる。
前述したようにプランジャ12が上方位置にあるときに
は燃料供給ポート20から燃料加圧室15内に燃料が供
給され、゛従ってこのときには燃料加圧室15内は3 
kg/c111程度の低圧になっている。
一方、このときピエゾ圧電素子32は最大収縮位置にあ
り、このときシリ・ンダ室34および圧力制御室30内
の燃料圧は3kg/d程度の低圧になっている。従って
このとき溢流弁22は圧縮ばね26のばね力により第8
図において右方に移動しており、溢流弁22の拡大頭部
22aが弁ポート25を開口している。斯くしてこのと
き燃料溢流路27および溢流弁22の円周溝22b内の
燃料圧も3kg/d程度の低圧になっている。
次いでプランジャ12が下降すると燃料供給ポート20
がプランジャ12によって閉鎖されるが溢流弁22が弁
ボート25を開口しているために燃料加圧室15内の燃
料は燃料溢流路27、溢流弁22の円周溝22bおよび
弁ポート25を介して燃料溢流室23内に流出する。従
ってこのときも燃料加圧室15内の燃料圧は3 kg/
c−程度の低圧となっている。
次いで燃料噴射を開始すべくピエゾ圧電素子32に電荷
がチャージされるとピエゾ圧電素子32は軸線方向に伸
長し、その結果ピストン33が下降するためにシリンダ
室34および圧力制御室30内の燃料圧が急激に上昇す
る。圧力制御室30内の燃料圧が上昇するとロッド29
が第8図において左方に移動するためにそれに伴なって
溢流弁22も左方に移動し、溢流弁22の拡大頭部22
aが弁ポート25を閉鎖する。弁ボート25が閉鎖され
ると燃料加圧室15内の燃料圧はプランジャ12の下降
運動により急速に上昇し、燃料加圧室15内の燃料圧が
予め定められた圧力、例えば1500kg/cT1以上
の一定圧を越えるとニードル7が開弁じてノズル口3か
ら燃料が噴射される。このとき燃料溢流路27を介して
溢流弁22の円周溝22b内にも高圧が加わるが円周溝
22bの軸方向両端面の受圧面積が等しいためにこの高
圧によって溢流弁22に駆動力が作用しない。
次いで燃料噴射を停止すべくピエゾ圧電素子32にチャ
ージされた電荷がディスチャージされるとピエゾ圧電素
子32が収縮する。その結果、ピストン33が皿ばね3
6のばね力により上昇せしめられるためにシリンダ室3
4および圧力制御室30内の燃料圧が低下する。圧力制
御室30内の燃料圧が低下するとロッド2・−9および
溢流弁22が圧縮ばね26のばね力により第8図におい
て右方に移動するために溢流弁22の拡大頭部22aが
弁ポート25を開口する。その結果、燃料加圧室15内
の高圧の燃料が燃料溢流路27、溢流弁22の円周溝2
2bおよび弁ポート25を介して燃料溢流室23内に流
出するために燃料加圧室15内の燃料圧はただちに3.
0 kg / c+fl程度の低圧まで低下し、ニード
ル7が下降して燃料噴射を停止する。次いでプランジ中
12が上昇して上端位置まで戻り、再び下降を開始する
次に第1図から第7図を参照してピエゾ圧電素子32の
駆動制御方法について説明する。
第1図はピエゾ圧電素子32の駆動制御回路を示してい
る。
第1図に示される駆動制御回路は電子制御ユニット50
と駆動回路51とにより構成される。駆動回路51は電
源52と、サイリスタ53と、充電側コイル54と、放
電側コイル55と、サイリスタ56とを具備する。ピエ
ゾ圧電素子32の一方の端子は電源52のマイナス側端
子に接続される。ピエゾ圧電素子32の他方の端子は一
方では充電用コイル54およびサイリスタ53を介して
電源52のプラス側端子に接続され、他方では放電用コ
イル55およびサイリスク56を介して電源52のマイ
ナス側端子に接続される。
一方、電子制御ユニット50はディジタルコンピュータ
からなり、双方向性バス60によって相互に接続された
ROM(リードオンリメモリ)61、RAM (ランダ
ムアクセスメモリ)62、CPU(マイクロプロセッサ
)63、入力ポートロ4および出力ポートロ5を具備す
る。入力ポートロ4にはクランク角センサ66の出力パ
ルスが入力され、更に入力ポートロ4にはアクセルペダ
ルの踏込み量を表わす負荷センサ67の出力信号がAD
変換器68を介して入力される。また、入力ポートロ4
には機関冷却水温を表わす水温センサ69の出力信号が
AD変換器70を介して入力され、更に入力ポートロ4
にはスタータスイッチ71が接続される。一方、出力ポ
ートロ5は対応する駆動回路72.73を介して各サイ
リスク53.56のゲート端子に接続される。また、電
子制御ユニット50はイグニッションスイッチ74に接
続され、イグニッションスイッチ74がオンになったと
きに電子制御ユニット50に電力が供給される。
第2図はピエゾ圧電素子32の駆動制御が開始されてか
ら暫くした後のピエゾ圧電素子32の駆動制御のタイム
チャートを示している。プランジャ12が下降を開始し
て暫らくするとサイリスタ53の制御信号が電子制御ユ
ニット50から出力されてサイリスタ53がオンになる
。サイリスタ53がオンになると電源52からサイリス
タおよび充電用コイル54を介して電荷がピエゾ圧電素
子32に次第にチャージされ、それに伴なってピエゾ圧
電素子32の端子電圧が次第に増大する。
このときピエゾ圧電素子32の端子電圧は充電用コイル
54とピエゾ圧電素子32(コンデンサとみなしうる)
からなる発振回路によって電源52の電圧Eよりも高く
なる。次いでサイリスタ53に逆方向の電圧が印加され
るとサイリスタ53はオフとなる。
次いでサイリスタ56の制御信号によりサイリスク56
がオンになるとピエゾ圧電素子32にチャージされた電
荷が放電用コイル55およびサイリスタ56を介してデ
ィスチャージされ、斯くしてピエゾ圧電素子32の端子
電圧が低下する。このとき放電用コイル55とピエゾ圧
電素子32からなる発振回路によってピエゾ圧電素子3
2の端子電圧は0(v)以下となる。
ピエゾ圧電素子32に電荷がチャージされると燃料噴射
が開始され、チャージされた電荷がデイ゛  スチャー
ジされると燃料噴射が停止するのでサイリスタ53の制
御信号によって燃料噴射が開始され、サイリスタ56の
制御信号によって燃料噴射が停止することになる。
第2図は前述したようにピエゾ圧電素子32の駆動制御
が開始されてから暫く経過した後を示しており、このと
きには゛ピエゾ圧電素子32に十分な量の電荷がチャー
ジされる。しかしながらピエゾ圧電素子32の駆動制御
を開始した直後ではピエゾ圧電素子32にチャージされ
る電荷量は少なく、従ってピエゾ圧電素子32の伸び量
が小さくなる。次にこのことについて第3図を参照しつ
つ説明する。
第3図はピエゾ圧電素子32の端子電圧を示しており、
第3図に示されるようにピエゾ圧電素子32の駆動制御
が開始される前はピエゾ圧電素子32の端子電圧は0 
(V)となっている。ところでピエゾ圧電素子32ヘチ
ヤージしうる電荷量は電源52の電圧Eとピエゾ圧電素
子32の端子電圧との差Δv1に比例する。従ってt、
ではΔ■1に比例した電荷量がチャージされる。一方、
ピエゾ圧電素子32からディスチャージしうる電荷量は
ピエゾ圧電素子32の端子電圧Δ■2に比例する。従っ
てt2ではΔ■2に比例した電荷量がディスチャージさ
れ、その結果ピエゾ圧電素子32の端子電圧は0(■)
以下となる。次いでt3ではΔv3に比例した電荷量が
チャージされるのでチャージされる電荷量が増大し、ピ
エゾ圧電素子32の端子電圧Δv4が高くなる。次いで
t4ではΔv4に比例した電荷量がディスチャージされ
るのでディスチャージされる電荷量が増大し、ピエゾ圧
電素子32の端子電圧が更に低くなる。このようにピエ
ゾ圧電素子32のチャージおよびディスチャージが繰返
されるとチャージおよびディスチャージされる電荷量が
次第に増大して最終的に一定値に落ちつく。このときが
第2図に示されている。従ってピエゾ圧電素子32の駆
動制御を開始したときにはピエゾ圧電素子32にチャー
ジされる電荷量が少ないためにピエゾ圧電素子32の伸
び量が小さく、従って燃料を噴射できないことになる。
従って機関始動時に燃料噴射をすべくピエゾ圧電素子3
2を駆動しても燃料が噴射されず、ピエゾ圧電素子32
の駆動が何回か繰返されてピエゾ圧電素子32に十分な
量の電荷をチャージできるようになってから燃料噴射が
開始される。
従って機関の始動に時間を要するという問題がある。そ
こで本発明では機関始動時において燃料噴射を行なうべ
きときよりも以前からピエゾ圧電素子32を駆動して燃
料噴射を行なうべきときにはピエゾ圧電素子32に十分
な量の電荷をチャージできるようにしておき、それによ
って機関を容易に始動できるようにしている。
次に第4図を参照して本発明によるピエゾ圧電素子32
の駆動制御方法について説明する。
第4図は機関低温時における駆動制御方法と、機関高温
時における駆動制御方法を示している。
そこでまず始めに機関低温時における駆動制御方法につ
いて説明する。
第4図を参照すると機関低温時にはイグニッションスイ
ッチ74がオンにされた後スタータスイッチ75がオン
とされるまでの間サイリスタ56の制御信号が発せられ
てからΔt1時間経過後にサイリスタ53の制御信号が
発せられ、サイリスタ53の制御信号が発せられてから
Δt2時間経過後にサイリスタ56の制御信号が発せら
れる。
従ってこのときには(Δt1+Δtり時間経過する毎に
ピエゾ圧電素子32が駆動されることになる。このとき
のピエゾ圧電素子32の駆動周期(Δt1+Δt2)は
機関始動後に正常な燃料噴射制御が開始されたときの駆
動周期よりもかなり短かく設定されている。従ってこの
間にピエゾ圧電素子32のチャージ或いはディスチャー
ジ電荷量は次第に増大する0次いでスタータスイッチ7
1がオンになると今度はクランクシャフトが予め定めら
れた一定のクランク角度Δθ1を回転する毎にサイリス
タ53の制御信号が発生せしめられ、サイリスタ53の
制御信号が発生せしめられてからクランクシャフトが予
め定められた一定のクランク角度Δθ2を回転する毎に
サイリスタ56の制御信号が発生せしめられる。このと
きのピエゾ圧電素子32の駆動周期Δθ1は機関始動時
における燃料噴射すべき周期よりも短かくなっている。
なお、このときのサイリスタ53の最初の制御信号を発
生するクランク角θ。はプランジャ12が下降して燃料
噴射をしうる状態のときにサイリスタ53の制御信号が
発生するように定められる。
また、Δθ、は機関始動に必要な燃料噴射量となるよう
に定められる。従ってスタータスイッチ71がオンにな
った後もピエゾ圧電素子32のチャージ或いはディスチ
ャージ電荷量は次第に増大する。
そしてプランジャ12が下降して燃料噴射をしうる状態
のときにピエゾ圧電素子32に十分な電荷をチャージで
きるようになっていれば燃料噴射が行なわれることにな
る。
なお、ピエゾ圧電素子32は温度に応じて結晶構造が変
化し、一般的に云って同一駆動電圧を印加した場合にピ
エゾ圧電素子32の温度が高くなるほど受容しうる電荷
量が増大する。従ってピエゾ圧電素子32の温度が高い
場合にはピエゾ圧電素子32に印加する制御信号の繰返
し数が少ないうちにピエゾ圧電素子32のチャージ或い
はディスチャージ電荷量が十分に増大する。従って機関
高温時には第4図に示されるようにサイリスタ53の制
御信号の発生周期を長くするようにしている。
ただし、この場合でもスタータスイッチ71がオンにさ
れた後のサイリスタ53の制御信号はプランジャ12が
下降するときに必ず発生するように定められる。
第5図および第6図は第4図に示す駆動制御方法を実行
するためのルーチンを示している。このルーチンはイグ
ニッションスイッチ74がオンになるとただちに実行さ
れる。第5図を参照すると、まず始めにステップ80に
おいて機関が始動したか否かが判別される。機関が始動
を開始すれば処理ルーチンを完了し、機関が始動してい
なければステップ81に進む。ステップ81では機関冷
却水温Tを表わす水温センサ69の出力信号を読込む。
次いでステップ82ではスタータスイッチ71がオンに
なるまでの間に繰返し発生せしめられるサイリスタ53
の制御信号の最大繰返し数N0が計算される。これはイ
グニッションスイッチ74がオンとされたまま放置され
たときの安全対策である。この最大繰返し数N0は第7
図(a)に示されるように冷却水温Tが高くなるにつれ
て小さくなる。次いでステップ83では第4図に示すΔ
1゜が計算される。このΔtlは第7図[有])に示さ
れるように冷却水温Tが高くなるにつれて小さくなる。
次いでステップ84では第4図に示すΔt2が計算され
る。このΔt2は第7図(C)に示されるように冷却水
温Tが高くなるにつれて小さくなる。次いでステップ8
5では第4図に示すΔθ1が計算される。このΔθ1は
第7図(d)に示されるように冷却水温Tが高くなるに
つれて小さ(なる。次いでステップ86では第4図に示
すΔθ2が計算される。このΔθ2は第7図(e)に示
されるように冷却水温Tが高くなるにつれて小さくなる
次いでステップ87ではスタータスイッチ71がオンで
あるか否かが判別される。オンでない場合にはステップ
88に進んでカウント値Nが1だけインクリメントされ
、次いでステップ90においてカウント(INが最大繰
返し数N0よりも大きいか否かが判別される。N<N、
であればステップ90に進んで一定時間Δtlだけ経過
したか否かが判別される。ΔL、時間経過したときはス
テップ91に進んでサイリスク53の制御信号を発生し
、サイリスタ53をオンとする。次いでステップ92に
進んで一定時間Δ11だけ経過したか否かが判別される
。Δむ2時間経過すればステップ93に進んでサイリス
タ56をオンとし、再びステップ87に戻る。ステップ
89においてN>Noと判断されるとサイリスタ53.
56の制御は停止される。
スタータスイッチ71がオンになるとステップ94に進
んでスタータスイッチ71がオフからオンに切換えられ
た瞬間であるか否かが判別され、オフからオンに切換え
られた瞬間であればステップ95に進んで第4図に示す
θ。を計算する。即ち、プランジャ12が下降している
ときにサイリスタ53の制御信号を発生できるようにΔ
θ、に基いてサイリスタ53の制御信号を最初に発生す
べきクランク角θ。が計算される。次いでステップ96
ではクランク角センサ66により検出される実際のクラ
ンク角θがθ。となるまで待ち、実際のクランク角θが
θ。になるとステップ97に進んでサイリスタ53をオ
ンにする。次いでステップ98では実際のクランク角θ
が(θ。十Δθ2)になるまで待ち、実際のクランク角
θが(θ。+Δθりになるとステップ99に進んでサイ
リスタ56をオンとする。次いでステップ100ではθ
。にΔθ、を加算してθ。とじ、ステップ87.94を
経てステップ96に戻る。
〔発明の効果〕
本発明によれば燃料噴射を開始すべきときよりも以前か
らピエゾ圧電素子が駆動制御される。その結果、燃料噴
射を開始すべきときにはピエゾ圧電素子に十分な量の電
荷をチャージすることができるので燃料噴射を開始すべ
きときに燃料噴射が開始され、斯くして良好な機関の始
動を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はピエゾ圧電素子の駆動制御回路図、第2図はピ
エゾ圧電素子の駆動制御が開始されてから暫らく経過し
たときの駆動制御のタイムチャート、第3図はピエゾ圧
電素子の駆動制御を開始したときのピエゾ圧電素子の端
子電圧を示すタイムチャート、第4図は本発明によるピ
エゾ圧電素子の駆動制御のタイムチャート、第5図およ
び第6図はピエゾ圧電素子の駆動制御−を行なうための
フローチャート、第7図は最大繰返し数等と冷却水温の
関係を示す線図、第8図は第9図の■−■線に沿ってみ
たユニットインジェクタの側面断面図、第9図は第8図
のIX−IX線に沿ってみた側面断面図、第10図は第
8図の平面図、第11図は第8図のXI−XI線に沿っ
てみた断面図、第12図は第11図のX1l−XIl線
に沿ってみた断面図である。 32・・・ピエゾ圧電素子、 50・・・電子制御ユニット、 51・・・駆動回路、 53.56・・・サイリスタ、 54.55・・・コイル。 第1図 51・・・駆動回路 第2図 駆動制御開始 第3図 (CI)           ’  (b)― ■ 第9図 第11図 第12図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. ピエゾ圧電素子により燃料噴射制御を行なうようにした
    燃料噴射制御装置において、燃料噴射を開始すべきとき
    よりも以前からピエゾ圧電素子の駆動制御パルスを繰返
    し発生する駆動制御回路を具備した内燃機関の燃料噴射
    制御装置。
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