JPH0621598B2 - 燃料噴射弁用電歪式アクチユエ−タの駆動回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は各燃料噴射弁の噴射制御用電歪式アクチュエー
タを駆動するための駆動回路に関する。

〔従来の技術〕

内燃機関、特にディーゼル機関において応答性のよい燃
料噴射制御を行なうためにピエゾ圧電素子を利用した燃
料噴射弁が公知である（特開昭60−17250号公報或いは
特開昭60−1369号公報参照）。ピエゾ圧電素子は電圧を
印加すると軸線方向に伸長し、電圧を印加してから伸長
するまでの時間が50μsec から 100μsec という極めて
短かい時間であるのでビエゾ圧電素子の伸長作用を利用
すると応答性のよい燃料噴射制御が可能となる。そこで
特開昭60−17250号公報に記載された燃料噴射弁ではピ
エゾ圧電素子の伸長作用によりニードルの受圧面に作用
する高圧燃料の燃料圧を高めてニードルを開弁させ、そ
れによって燃料噴射を行なうようにしている。一方、特
開昭60−1369号公報に記載された燃料噴射弁ではノズル
孔と反対側のニードル端面に高圧燃料の燃料圧を作用さ
せ、ピエゾ圧電素子の収縮作用によりニードル端面に作
用する高圧燃料の燃料圧を低下させてニードルを開弁さ
せ、それによって燃料噴射を行なうようにしている。

ところでこのようなピエゾ圧電素子、即ち電歪式アクチ
ュエータを伸長、収縮せしめるには各電歪式アクチュエ
ータを夫々充電或いは放電しなければならず、従ってそ
のための駆動回路が必要となる。通常使用されている駆
動回路では各電歪式アクチュエータに対して夫々充電制
御用スイッチング素子、充電用コイルおよび放電制御用
スイッチング素子、放電用コイルが設けられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながらこのように各電歪式アクチュエータ毎に夫
々別個のスイッチング素子およびコイルを設けるとスイ
ッチング素子のスイッチング特性やコイルのインダクタ
ンスにもともとばらつきがあるために、或いは長期間使
用するうちにばらつきを生じるために同一のタイミング
でスイッチング素子にトリガ信号を与えても伸縮タイミ
ングや伸縮速度が各電歪式アクチュエータ毎に異なって
しまう。その結果、燃料噴射時期や燃料噴射量が各気筒
毎にばらつくためにトルク変動を生じ、排気ガス中の有
害成分が増大するという問題を生ずる。

なお、本出願人により先に出願された特願昭60−156034
号にはこのような問題を解決するための駆動回路が記載
されている。

〔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各燃料噴射
弁の噴射制御用歪式アクチュエータを駆動するための駆
動回路であって、直流電源に並列に接続された充電用コ
ンデンサと、一端が充電用コンデンサのプラス側端子に
接続された一個の充電用コイルと、充電用コイルの他端
に並列接続された複数個の充電制御用スイッチング素子
と、各充電制御用スイッチング素子に夫々直列接続され
た電歪式アクチュエータと、各充電制御用スイッチング
素子と対応する各電歪式アクチュエータとの各接続点に
夫々アノード端子が接続されたダイオードと、全ダイオ
ードのカソード端子に接続された一個の放電用コイル
と、放電用コイルに直列に接続された一個の放電制御用
スイッチング素子とを具備している。

〔実施例〕

第３図および第４図を参照すると、１はディーゼル機関
本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４
はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は排気弁、８
は燃焼室５内に配置された燃料噴射弁、９は吸気マニホ
ルドを夫々示し、吸気マニホルド９の入口部は過給機Ｔ
に接続される。燃料噴射弁８は燃料供給管１０を介して
各気筒に共通の燃料蓄圧管１１に連結される。燃料蓄圧
管１１はその内部に容積一定の蓄圧室１２を有し、この
蓄圧室１２内の燃料が燃料供給管１０を介して燃料噴射
弁８に供給される。一方、蓄圧室１２は燃料供給管１３
を介して吐出圧制御可能な燃料供給ポンプ１４の吐出口
に連結される。燃料供給ポンプ１４の吸込口は燃料ポン
プ１５の吐出口に連結され、この燃料ポンプ１５の吸込
口は燃料リザーバタンク１６に連結される。また、各燃
料噴射弁８は燃料返戻導管１７を介して燃料リザーバタ
ンク１６に連結される。燃料ポンプ１５は燃料リザーバ
タンク１６内の燃料を燃料供給ポンプ１４内に送り込む
ために設けられており、燃料ポンプ１５がなくても燃料
供給ポンプ１４内に燃料を吸込むことが可能な場合には
燃料ポンプ１５を特に設ける必要はない。これに対して
燃料供給ポンプ１４は高圧の燃料を吐出するために設け
られており、燃料供給ポンプ１４から吐出された高圧の
燃料は蓄圧室１２内に蓄積される。

第５図に燃料噴射弁８の側面断面図を示す。第５図を参
照すると、２０は燃料噴射弁本体、２１はノズル、２２
はスペーサ、２３はノズル２１およびスペーサ２２を燃
料噴射弁本体２０に固定するためのノズルホルダ、２４
は燃料流入口、２５はノズル２３の先端部に形成された
ノズル孔を夫々示す。燃料噴射弁本体２０、スペーサ２
２、ノズル２１内には互いに直列に配置された制御ロッ
ド２６、加圧ピン２７およびニードル２８が摺動可能に
挿入される。制御ロッド２６の上方には燃料室２９が形
成され、この燃料室２９は燃料流入口２４および燃料供
給管１０を介して蓄圧室１２（第４図）に連結される。
従って燃料室２９内には蓄圧室１２内の燃料圧が加わっ
ており、燃料室２９内の燃料圧が制御ロッド２６の上面
に作用する。ニードル２８は円錐状をなす受圧面３０を
有し、この受圧面３０の周りにニードル加圧室３１が形
成される。ニードル加圧室３１は一方では燃料通路３２
を介して燃料室２９に連結され、他方ではニードル２８
の周りに形成された環状の燃料通路３３を介してノズル
孔２５に連結される。燃料噴射弁本体２０内には加圧ピ
ン２７を下方に向けて付勢する圧縮ばね３４が挿入さ
れ、ニードル２８はこの付勢ばね３４によって下方に押
圧される。制御ロッド２６はその中間部に円錐状をなす
受圧面３５を有し、この受圧面３５の周りに制御ロッド
加圧室３６が形成される。加圧室３６は燃料噴射弁本体
２０内に形成されたシリンダ３７内に連通せしめられ、
このシリンダ３７内には油圧ピストン３８が摺動可能に
挿入される。この油圧ピストン３８にはＯリング３９が
取付けられている。

一方、燃料噴射弁本体２０には油圧ピストン３８を駆動
するための駆動装置４０が取付けられる。この駆動装置
４０は燃料噴射弁本体２０に固締されたケーシング４１
と、ピストン３８およびケーシング４０間に挿入された
ピエゾ圧電素子４２からなる。このピエゾ圧電素子４２
は電歪式アクチュエータを形成する。ピエゾ圧電素子４
２は薄板状の圧電素子を多数枚積層した積層構造をなし
ており、このピエゾ圧電素子４２に電圧を印加するとピ
エゾ圧電素子４２は電歪効果によって長手方向の歪を生
ずる、即ち長手方向に伸びる。この伸び量は例えば５０
μｍ程度の少量であるが応答性が極めて良好であり、電
圧を印加してから伸びるまでの応答時間は80μsec 程度
である。電圧の印加を停止すればピエゾ圧電素子４２は
ただちに縮む。第５図に示されるように油圧ピストン３
８と燃料噴射弁本体２０間には皿ばね４３が挿入され、
この皿ばね４３のばね力によって油圧ピストン３８はピ
エゾ圧電素子４２に向けて押圧される。第６図に示すよ
うに油圧ピストン３８内には燃料通路４４が形成され、
この燃料通路４４内には逆止弁４５が挿入される。ケー
シング４１とピエゾ圧電素子４２間にはピエゾ圧電素子
４２を冷却するために図示しない装置によって燃料が循
環せしめられ、制御ロッド加圧室３６内の燃料、即ち制
御油が漏洩するとケーシング４１内の燃料が燃料通路４
４および逆止弁４５を介して制御ロッド加圧室３６内に
補給される。

制御ロッド加圧室３６内の燃料、即ち制御油が加圧され
ていない場合にはニードル２８には制御ロッド２６の上
面に作用する下向きの力と、圧縮ばね３４による下向き
の力と、ニードル２８の受圧面３０に作用する上向きの
力が加わる。このとき下向きの力の総和が上向きの力よ
りも若干大きくなるように制御ロッド２６の径、圧縮ば
ね３４のばね力およびニードル２８の受圧面３０の面積
が設定されている。従って通常ニードル２８には下向き
の力が作用しており、斯くして通常ニードル２８はノズ
ル孔２５を閉鎖している。次いでピエゾ圧電素子４２に
電圧が印加されるとピエゾ圧電素子４２が伸びるために
油圧ピストン３８が左方に移動し、その結果制御ロッド
加圧室３６内の制御油圧が上昇する。このとき制御ロッ
ド２６の受圧面３５に上向きの力が作用するために制御
ロッド２６が上昇し、斯くしてニードル２８が上昇する
ためにノズル孔２５から燃料が噴射される。このときの
応答性は上述したように80μsec 程度であって極めて速
い。一方、ピエゾ圧電素子４２への電圧の印加が停止せ
しめられるとピエゾ圧電素子４２は縮み、その結果制御
ロッド加圧室３６内の制御油圧が低下するために制御ロ
ッド２６およびニードル２８が下降して燃料噴射が停止
せしめられる。このとき応答性も80μsec 程度であって
極めて速い。なお、上述したように制御ロッド加圧室３
６内の燃料、即ち制御油が加圧されていない場合にニー
ドル２８に作用する下向きの力の総和は上向きの力より
も若干大きくなるように制御ロッド２６の径、圧縮ばね
３４のばね力およびニードル２８の受圧面３０の面積が
定められている。従って制御ロッド２６の受圧面３５に
小さな上向きの力を加えればニードル２８を上昇させる
ことができる。即ち、ニードル２８を上昇させるために
昇圧すべき制御ロッド加圧室３６内の制御油圧は小さく
てすみ、斯くしてピエゾ圧電素子42に加えるべき電力も
小電力で足りる。

第４図に示されるように燃料蓄圧管１１の端部には蓄圧
室１２内の燃料圧を検出する燃料圧センサ８０が取付け
られる。燃料圧センサ８０は蓄圧室１２内の燃料圧に比
例した出力電圧を発生し、この燃料圧センサ８０は駆動
回路７９に接続される。一方、吸気マニホルド９内には
吸気マニホルド９内の過給圧を検出する過給圧センサ８
２が取付けられる。過給圧センサ８２は吸気マニホルド
９内の圧力に比例した出力電圧を発生し、この過給圧セ
ンサ８２は駆動回路７９に接続される。また、機関本体
１には機関冷却水温を検出する水温センサ８４が取付け
られる。水温センサ８４は機関冷却水温に比例した出力
電圧を発生し、この水温センサ８４は駆動回路７９に接
続される。また、アクセルペダル８６にはアクセルペダ
ル８６の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷セ
ンサ８７が取付けられる。この負荷センサ８７は駆動回
路７９に接続される。また、機関クランクシャフトには
一対のディスク89，90が取付けられ、これらディスク8
9，90の歯付外周面に対向して一対のクランク角センサ9
1，92が配置される。一方のクランク角センサ９１は例
えば１番気筒が吸気上死点にあることを示す出力パルス
を発生し、従ってこのクランク角センサ９１の出力パル
スからいずれの気筒の燃料噴射弁８を作動せしめるかを
決定することができる。他方のクランク角センサ92はク
ランクシャフトが一定角度回転するごとに出力パルスを
発生し、従ってクランク角センサ９２の出力パルスから
機関回転数を計算することができる。これらのクランク
角センサ91，92は駆動回路７９に接続される。一方、駆
動回路７９は各燃料噴射弁８のピエゾ圧電素子４２に接
続される。

第１図はピエゾ圧電素子４２、即ち電歪式アクチュエー
タを駆動するための駆動回路を示す。この駆動回路は第
４図の駆動回路７９内に組込まれている。

第１図を参照すると、42ａ，42ｂ，42ｃ，42ｄは各燃料
噴射弁８の電歪式アクチュエータ、Ｓ_０は放電制御用ス
イッチング素子を形成するサイリスタ、Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ
_３，Ｓ_４は充電制御用スイッチング素子を形成するサイ
リスタ、Ｌ_１は放電用コイル、Ｌ_２は充電用コイル、Ｄ
₁,Ｄ₂,Ｄ₃,Ｄ_４はダイオード、Ｃはコンデンサ、Ｖ_DCは
直流電源である。第１図に示されるように直流電源Ｖ_DC
のプラス側端子とマイナス側端子間にはコンデンサＣが
接続される。また、直流電源Ｖ_DCのプラス側端子は充電
用コイルＬ_２および各サイリスタＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ
_４を介して電歪式アクチュエータ42ａ，42ｂ，42ｃ，42
ｄのプラス側端子に接続され、直流電源Ｖ_DCのマイナス
側端子は一方ではサイリスタＳ_０、放電用コイルＬ_１お
よび各ダイオードＤ_１，Ｄ_２，Ｄ_３，Ｄ_４を介して電歪
式アクチュエータ42ａ，42ｂ，42ｃ，42ｄのプラス側端
子に接続され、他方では各電歪式アクチュエータ42ａ，
42ｂ，42ｃ，42ｄのマイナス側端子に接続される。

いずれか一つのサイリスタＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４のゲ
ートＧ_１，Ｇ_２，Ｇ_３，Ｇ_４，例えばサイリスタＳ_１の
ゲートＧ_１にトリガ信号を入力させるとサイリスタＳ_１
はターンオンする。このときが第２図のｔ_１で示され
る。このとき直流電源Ｖ_DCにより充電されているコンデ
ンサＣの両端電圧は充電用コイルＬ_２により昇圧され、
次いでサイリスタＳ_１を介して電歪式アクチュエータ42
ａに印加される。その結果、電歪式アクチュエータ42ａ
は充電されて伸長し、その結果ニードル２８が上昇せし
められるために燃料噴射が開始される。次いでサイリス
タＳ_０のゲートＧ_０にトリガ信号を入力させるとサイリ
スタＳ_０がターンオンし、電歪式アクチュエータ42ａは
ダイオードＤ_１、放電用コイルＬ_１およびサイリスタＳ
_０を介して放電せしめられる。その結果、電歪式アクチ
ュエータ42ａが収縮し、それによりニードル２８が下降
して燃料噴射が停止せしめられる。次いで第２図のｔ_３
においてサイリスタＳ_２がターンオンし、次いでｔ_４に
おいてサイリスタＳ_０がターンオンする。次いでｔ_５に
おいてサイリスタＳ_３がターンオンし、次いでｔ_６にお
いてサイリスタＳ_０がターンオンする。これらの時刻ｔ
_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４，ｔ_５，ｔ_６，……は機関回転
数、機関負荷、機関冷却水温、過給圧、燃料圧に基いて
適切に制御される。このようにして各気筒の燃料噴射弁
８から順次燃料が噴射される。

第１図からわかるようにいずれの電歪式アクチュエータ
42ａ，42ｂ，42ｃ，42ｄを充電するときにも常に共通の
充電用コイルＬ_２を介して充電され、電歪式アクチュエ
ータ42ａ，42ｂ，42ｃ，42ｄを放電するときには常に共
通の放電用コイルＬ_１および共通のサイリスタＳ_０を介
して放電される。その結果、コイルＬ_１，Ｌ_２，サイリ
スタＳ_０にばらつきがあっても各燃料噴射弁の燃料噴射
時期および燃料噴射量がばらつくことがなく、斯くして
各気筒における燃焼がばらつくのを阻止することができ
る。

〔発明の効果〕

全電歪式アクチュエータに対して共通の充電用コイル、
放電用コイルおよび放電制御用スイッチング素子を使用
することにより部品個数を低減できるばかりでなくこれ
らコイルおよびスイッチング素子にばらつきがあっても
各気筒に対する燃料噴射時期および燃料噴射量がばらつ
くことがない。その結果、各気筒において均一の良好な
燃焼を確保できるのでトルク変動を防止できると共に排
気ガス中の有害成分を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電歪式アクチュエータの駆動回路図、第２図は
電歪式アクチュエータの充放電タイミングチャート、第
３図はディーゼル機関の側面断面図、第４図はディーゼ
ル機関を図解的に示す平面図、第５図は燃料噴射弁の側
面断面図、第６図は第５図の油圧ピストンの拡大平面断
面図である。 42a,42b,42c,42d ……電歪式アクチュエータ、 Ｓ₀,Ｓ₁,Ｓ₂,Ｓ₃,Ｓ_４……サイリスタ、 Ｌ_１……放電用コイル、Ｌ_２……充電用コイル、 Ｄ₁,Ｄ₂,Ｄ₃,Ｄ_４……ダイオード。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】各燃料噴射弁の噴射制御用電歪式アクチュ
   エータを駆動するための駆動回路であって、直流電源に
   並列に接続された充電用コンデンサと、一端が該充電用
   コンデンサのプラス側端子に接続された一個の充電用コ
   イルと、該充電用コイルの他端に並列接続された複数個
   の充電制御用スイッチング素子と、各充電制御用スイッ
   チング素子に夫々直列接続された電歪式アクチュエータ
   と、各充電制御用スイッチング素子と対応する各電歪式
   アクチュエータとの各接続点に夫々アノード端子が接続
   されたダイオードと、全ダイオードのカソード端子に接
   続された一個の放電用コイルと、該放電用コイルに直列
   に接続された一個の放電制御用スイッチング素子とを具
   備した燃料噴射弁用電歪式アクチュエータの駆動回路。