JPH04166641A

JPH04166641A - 燃料噴射弁用電歪式アクチュエータの駆動回路

Info

Publication number: JPH04166641A
Application number: JP2291694A
Authority: JP
Inventors: Akitoshi Tomota; 晃利友田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1990-10-31
Filing date: 1990-10-31
Publication date: 1992-06-12

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、燃料を高圧に加圧して内燃機関の気筒内に直
接噴射する燃料噴射弁を開閉制御する電歪式アクチュエ
ータの駆動回路に関する。

〔従来の技術〕

ガソリンのような燃料を機関の気筒内・＼直接噴射して
火花点火により燃焼させる筒内直接噴射式火花点火機関
やディーゼル機関のように、高圧に加圧された燃料を気
筒内へ直接噴射するための燃料噴射弁を有する内燃機関
において、燃料噴射弁の開閉制御の応答性を高めるた袷
に、圧電素子を用いた電歪式アクチュエータを設けてい
るものが知られている。そのような燃料噴射弁、すなわ
ち電歪式アクチュエータの制御駆動に使用される駆動回
路の従来例が、特開昭６２−２４８８５１号公報に示さ
れている。

この例は充電用及び放電用コイルに関するもので、電源
に接続される部分に設けられる安全装置としてのフユー
ズ等については特に記載はないが、このような駆動回路
では、圧電素子の両極間、あるいはその周辺のリード線
の短絡等によって、駆動回路の電流が流れ放しとなり、
駆動回路以外に故障を誘発するのを防止するために、駆
動回路と電源との接続個所にフユーズを設けて安全を図
るのが通常である。

圧電素子による電歪式アクチユエータを備えた燃料噴射
弁は、例えば第４図に概略的に示すような構造を有する
。すなわち、燃料噴射弁１０は、機関の気筒（燃焼室）
内に開口する噴孔１２を下端の円錐形の壁部分に有する
略円筒形のニードル室１４を有し、その中で上下方向に
摺動可能なニードル１６が挿入されている。ニードル１
６は、噴孔１２をスプリング１８の付勢によって閉じる
円錐形の部分を有する頭部２０と、上部のニードルガイ
ド部２２、及びそれらの間を接続する小径の軸部２４か
らなる。

燃料噴射弁１０の上部に取付けられている電歪式アクチ
ユエータ２６は、特殊なセラミック等の薄い結晶板とそ
の両面の電極を多数重ね合わせた積層体からなる圧電素
子２８と、その下端に取付けられた比較的大径のピスト
ン３０、ピストン３０を摺動可能に受入れるピストン室
３２等からなり、ピストン室３２と前述のニードル室１
４の上部のスプリング室３４（ニードルガイド部２２に
より区画して形成され、スプリング１８を収容している
）とは、連通孔３６によって連通している。

ニードル室１４の中で、ニードルの頭部２０とガイド部
２２との間に形成される中間室３８には燃料通路４０の
一端が開口しており、他端は図示しない燃料噴射ポンプ
に接続されていて、高圧に加圧された燃料を受入れ、ニ
ードル１６が上昇した時に噴孔１２から機関の気筒内に
燃料を噴射するが、ニードルのガイド部２２０円筒面に
はニードル室１４の壁との間に極く狭い隙間が形成され
ており、中間室３８内の高圧燃料はスプリング室３４、
連通孔３６、ピストン室３２にも流入することができる
ようになっている。

したがって、第４図に例示した電歪式燃料噴射弁１０に
おいては、前述の特開昭６２−２４８８５１号公報に記
載されたような駆動回路のスイッチング素子を切換える
ことにより、圧電素子２８に電荷を加え（充電）、ある
いは電荷を取除く　（放電）という操作を加えると、圧
電素子２８は軸方向（上下方向）に微小な伸縮をするが
、圧電素子２８の上端は固定されているから、その伸縮
はピストン３０の微小な上下方向移動をもたらし、それ
によってピストン室３２内に充満している燃料（液体）
の圧力が高低の変化をして、その圧力変化はスプリング
室３４に伝達される。

スプリング室３４の圧力変化により、ニードルガイド部
２２は中間室３８の燃料の高圧との釣合いにより上下に
動かされ、スプリング１８の付勢力も加わって、ニード
ル１６は上下に動いて頭部２０が噴孔１２を開閉し、中
間室３８にある高圧の燃料を機関の燃焼室内に噴射した
り、噴射を停止したりして、図示されない制御装置が指
令しただけの燃料を機関に供給する。

ニードルのガイド部２２の面積をピストン３００面積の
数分の−とすれば、圧電素子２８の伸縮によるピストン
３０の上下動の距離は微小でも、ニードル１６にはその
数倍の上下動のリフトが得られることになり、噴孔１２
を開口させるのに十分であって、しかも圧電素子２８を
利用した電歪式アクチユエータ２６の応答性は極めて高
いので、駆動回路の信号が圧電素子２８に入力されてか
ら短時間で噴孔１２は開閉して、必要な量の高圧燃料を
機関の気筒内へ直接噴射することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の圧電素子駆動回路によれば、少くとも気筒の数だ
けある電歪式燃料噴射弁１０の圧電素子２８の１つが、
きわめて薄いセラミック板の割れによって電極間に放電
が生じたり、圧電素子２８が冷却のために燃料の中に浸
されているような場合は、燃料中のカーボン等の夾雑物
により圧電素子２８の電極間やリード線の間に電流のリ
ークが生じたり、あるいはスイッチング素子であるサイ
リスク等が故障したり、更には図示しない制御装置にノ
イズが入力されて制御信号が乱れ、充電側及び放電側の
スイッチング素子が同時に導通したりして、どれか１つ
の気筒の圧電素子２８の回路が短絡状態になると、電源
に通じている共通の導線に設けられたフユーズが溶断し
て駆動回路全体が機能を喪失し、機関が停止してしまう
という問題がある。

〔課題を解決するた約の手段〕

多気筒内燃機関の場合、一部の気筒において燃料が噴射
されないでトルクを発生しなくなっても、残りの気筒が
正常に作動しているときは、残りの気筒への供給燃料を
増加してそれらの発生トルクを増大させることにより、
機関停止は避けることができ、曲りなりにも運転を継続
することは可能である。

そこで、前記のように、少くとも気筒の数だけある電歪
式燃料噴射弁１０の圧電素子２８の回路が、どれか１つ
故障して短絡状態となっても、駆動回路全体の機能が失
われることがないように、故障を短絡状態となった特定
の圧電素子の回路だけに封じこ給で、残りの圧電素子の
回路に波及しないようにすれば、残りの圧電素子による
燃料噴射弁１０は作動し、機関は停止を免れて運転を継
続することができる筈である。

この着想のもとに、本発明は、多気筒内燃機関の各気筒
毎に設けられる電歪式燃料噴射弁を開閉制御するために
各燃料噴射弁の電歪式アクチユエータに使用される圧電
素子と、充電用スイッチ手段を含み各圧電素子に接続さ
れる各気筒毎の充電回路と、各気筒の充電回路または複
数の気筒群毎に並列に接続した充電回路に対してそれぞ
れ直列に接続された過電流遮断器とを備えていることを
特徴とする燃料噴射弁用電歪式アクチユエータの駆動回
路を提供する。

〔作　用〕

燃料噴射弁の電歪式アクチュエータは、その圧電素子が
充放電を繰返すことによって伸縮して燃料噴射弁の噴孔
を開閉し、加圧された燃料を開弁時間に応じた量だけ多
気筒内燃機関の各気筒へ供給する。

いま、どれかの気筒の燃料噴射弁において、圧電素子の
絶縁破壊や、スイッチング手段の故障等により、その気
筒の燃料噴射弁のための充電回路が短絡状態になると、
過大な電流がその充電回路に流れるため、その充電回路
に直列に接続されている過電流遮断器が遮断状態となる
。気筒が何個づつかにまとめられて複数の気筒群に分け
られている場合は、各気筒群に属する各気筒の充電回路
は並列に接続され、それに対して各気筒群に一個の過電
流遮断器が直列に接続されているので、その過電流遮断
器が遮断状態となる。

したがって、過電流遮断器が遮断した気筒又は気筒群に
ふいては、燃料噴射が停止されてトルクを発生しなくな
るが、それ以外の気筒又は気筒群は正常に作動していて
、故障の原因はそれらに波及することがないから、多気
筒内燃機関は減筒運転と同じような状態で運転を継続す
ることができる。

〔実施例〕第１図に本発明の第１実施例を示す。本発明の図示実施
例はいずれも４気筒の筒内直接噴射式火花点火機関（た
とえば特開平２−１６９８３４号公報参照）に適用され
るもので、各気筒ごとに１個の電歪式燃料噴射弁１０（
第４図）を備えており、各噴射弁１０はその電歪式アク
チュエータ２６の中に圧電素子２８を１個づつ備えてい
る。それらの圧電素子を各実施例共通で５０．５２．５
４．５６として示す。

各圧電素子５０〜５６は前述のように薄いセラミック板
の両面に金属膜からなる電極を付けたものを数十枚積層
したもので、一種のコンデンサとみなすことができ、燃
料噴射弁１０のニードル１６を駆動するための伸縮運動
は、各気筒ごとの圧電素子５０〜５６に個別に電荷を加
え（充電と呼ぶことにする）、あるいは電荷を取り除く
　（放電と呼ぶことにする）ことによって生起される。

そのために各圧電素子５０〜５６には１個づつの充電用
スイッチング素子（サイリスタ等）　５８．６０．６２
．６４と放電用スイッチング素子（同上”）　６６、６
８．７０．７２が接続される。

第１実施例の駆動回路８０においては、第１図に示すよ
うに、充電用の各スイッチング素子５８〜６４及び各圧
電素子５０〜５６が、それぞれ各気筒毎の回路を保護す
るフユーズ８２．８４．８６．８８と直列に接続され、
それらの各気筒毎の回路が並列に接続されたのち、充電
用のインダクタンス（鉄心入りのチョークコイル）９０
及び電源９２と直列に接続され、閉回路（充電回路）を
形成する。９４はバイパス用のコンデンサを示す。

フユーズ８２〜８８は、各気筒毎の充電回路に所定値以
上の過大な電流が流れたときにその気筒の回路を遮断し
て、その気筒の燃料噴射を停止するために設けられたも
のであるから、同じ働きをするものであれば、フユーズ
以外のものも使用することができ、たとえば電磁式のブ
レーカのようなもので置きかえてもよい。したがって、
フユーズ８２〜８８として示したものは、一般的には過
電流によって回路を遮断する過電流遮断器であればよい
。

各圧電素子５０〜５６の一種に接続された放電用の各ス
イッチング素子６６〜７２は、並列に接続されたのち放
電用のインダクタンス（鉄心入りのチョークコイル）９
６と直列に接続され、各圧電素子５０〜５６の他極に戻
るという閉回路（放電回路）を形成する。

図示しない制御装置から燃料の噴射開始と噴射停止を指
令するパルス信号が、各気筒毎のスイッチング素子５８
−６６　、６０−６８　、６２−７０　、６４−７２０
トリガ一回路（図示しない）に交互に人力されると、各
気筒毎のスイッチング素子は交互に導通して各圧電素子
５０〜５６を充電し、あるいは放電する。充電回路と放
電回路は共にインダクタンス９０及び９６と、コンデン
サとみなし得る圧電素子５０〜５６によってＬＣ共振回
路を形成しているから、電源９２がたとえば３２０ｖで
あれば、充電用スイッチング素子５８が導通した時は、
極めて短い時間内にＬＣ共振作用によって圧電素子５０
にかかる電圧が５００ｖ程度に達し、それ以上充電電流
が流れなくなるので、充電用スイッチング素子５８は遮
断状態となる。

そして次に放電用スイッチング素子６６が導通した時は
、圧電素子５０に蓄えられた電荷がインダクタンス９６
を通じて放出され、電極間の電圧は一挙に一２００Ｖ程
度まで低下したのち、放電用スイッチング素子６６が遮
断状態となる。

このように、圧電素子５０〜５６のそれぞれが充電、放
電を繰返す際に、ピエゾ効果によって各圧電素子は軸方
向に伸縮し、第４図について説明したようなメカニズム
によって電歪式燃料噴射弁１０のニードル１６が噴孔１
２を開閉して、例えば２００ｋｇ／ａｎ！程度の高圧に
加圧された燃料を吸気行程及び／又は圧縮行程中に気筒
内へ直接に噴射し、電気火花によって点火して燃焼させ
るのである。ディーゼル機関の場合は、噴射される燃料
の圧力は更に高く、気筒の圧縮比も大であって、圧縮行
程において燃料の筒内噴射が行なわれ、噴射された燃料
は空気の圧縮熱によって着火して燃焼するが、電歪式燃
料噴射弁の基本的な構造は略同様である。

第１実施例の場合、もし圧電素子５０が何らかの原因で
破損して短絡状態になると、充電用スイッチング素子５
８が導通した時にその回路だけに過大な電流が流れ、フ
ユーズ８２が溶断して、その気筒だけ燃料噴射が停止す
るが、他の気筒の回路には影響しないから、残る３個の
気筒によって機関は運転を継続することができる。また
、この場合、過大な電流によって電源９２が破損するの
を防止することができるのは言うまでもない。

たとえばフェーズ８２が溶断するような異常状態は、制
御装置がノイズにより誤作動して、充電用スイッチング
素子５８と放電用スイッチング素子６６が同時に導通状
態になるような場合にも起こると考えられるなど、圧電
素子５０の短絡以外の原因によっても起り得るが、いず
れの場合も圧電素子５０の回路の遮断によってその気筒
の燃料噴射だけを停止し、機関停止という最悪の状態に
追い込まれることは回避することができる。

第２図は本発明の第２実施例を示したもので、第１実施
例（第１図）と同様なものは同じ参照符号を付して示し
ている。この例の特徴は、４つの気筒を２気筒づつ２つ
のグループに分けて、各グループ毎に共通のフユーズ９
８及び１００を設けた点にあり、たとえば圧電素子５０
が短絡状態になった時は、フェーズ９８が溶断し、圧電
素子５４にも給電されなくなって２つの気筒の燃料噴射
が停止するが、正常な圧電素子５２及び５６を有する噴
射弁の気筒では燃料噴射が行なわれるので、それらの燃
料噴射量を増加させれば、機関は運転を続けることがで
きる。この例では、フェーズの数を第１実施例の場合よ
りも少なくすることができるという利点がある。

第３図は本発明の第３実施例を示したものである。この
場合も第１実施例（第１図）と同様なものは同じ参照符
号を付して示している。この例が第１実施例と異なる点
は、充電用のインダクタンス（鉄心入りのチョークコイ
ル）　１０２．１０４，１０６゜１０８が各気筒の回路
毎に別のものを使用していることで、第１実施例や第２
実施例のように充電用インダクタンス９０が各気筒共通
の場合のように、コイルの断線によって金気筒の燃料噴
射が停止して機関が全く運転できなくなるということが
ない上に、フユーズ８２〜８８が第１実施例と同様に各
気筒毎に設けられているから、圧電素子５０〜５６の短
絡等によるフユーズの溶断が起きても、残りの気筒によ
って運転を継続することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、多気筒内燃機関の燃料噴射弁の駆動回
路の一部に故障が生じて、一部の気筒に対する燃料噴射
が停止しても、その故障によって機関の停止を招くこと
はなく、故障は局部的に封じ込められて他に波及するこ
とがないので、残りの気筒によって運転を継続すること
ができ、機関停止による損失や危険等を防止することが
できる。

また、過電流遮断器を使用して、駆動回路の−・部を遮
断するようにしているので、回路の一部の故障によって
過大な電流が流れたときは、その部分が直ちに遮断され
、電源装置等が大きな負担によって破損するようなこと
も防止される。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の実施例を示すもので、第１図
は第１実施例の、第２図は第２実施例の、また、第３図
は第３実施例の駆動回路を示す回路図、第４図は本発明
の駆動回路の対象となる電歪式燃料噴射弁の概略構造を
例示する断面図である。１０・・・電歪式燃料噴射弁、　１２・・・噴孔、１４
・・・ニードル室、１６・・・ニードル、１８・・・ス
プリング、２０・・・ニードルの頭部、２２・・・ニー
ドルのガイド部、２４・・・小径の軸部、２６・・・電歪式アクチュエータ、２８・・・圧電素子、　　　　　３０・・・ピストン、
３２・・・ピストン室、３４・・・スプリング室、３６
・・・連通孔、　　　　　　３８・・・中間室、４０・
・・燃料通路、　　　　　５０〜５６・・・圧電素子、
５８〜６４・・・充電用スイッチング素子、６６〜７２
・・・放電用スイッチング素子、８０・・・駆動回路、８２〜８８・・・フユーズ（過電流遮断器）、９０・・
・充電用インダクタンス、９２・・・電源、　　　　　　　　９４・・・コンデン
サ、９６・・・放電用インダクタンス、９８・１００・・・フユーズ、１０２〜１０８・・・充電用インダクタンス。８０・・・駆動回路８２〜８８．９８　１００・・・フェーズ慾２図

Claims

【特許請求の範囲】

多気筒内燃機関の各気筒毎に設けられる電歪式燃料噴射
弁を開閉制御するために各燃料噴射弁の電歪式アクチュ
エータに使用される圧電素子と、充電用スイッチ手段を
含み各圧電素子に接続される各気筒毎の充電回路と、各
気筒の充電回路または複数の気筒群毎に並列に接続した
充電回路に対してそれぞれ直列に接続された過電流遮断
器とを備えていることを特徴とする燃料噴射弁用電歪式
アクチュエータの駆動回路。