JPH09310655A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】圧電素子，磁歪素子を動弁機構の駆動力として
用いた燃料噴射器において、素子にかかる衝撃力を緩和
し、装置の耐久性，信頼性を向上する。 【解決手段】燃料噴射装置の弁を駆動する素子またはそ
の素子に磁場をかけるために印加する電圧を、該素子ま
たは素子に磁場をかけるためのコイルに流れる電流値に
基づいて制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車載用の燃料噴射
器およびそのシステムに係わり、特に信頼性，耐久性を
向上できる燃料噴射システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関等に用いられる燃料噴射装置
は、燃料を噴射しない場合はコイルバネによりニードル
バルブを噴射孔に押しつけ、燃料噴射時に電磁石を用い
てニードルバルブを吸引して、噴射孔を開けることによ
り燃料噴射，停止を行う電磁石式燃料噴射装置が一般的
である。しかし、電磁石式燃料噴射装置では、噴射孔を
開けるために電磁石に電流を流してから、実際に噴射孔
が開くまでの時間遅れが大きいという問題がある。高速
動作可能なニードルバルブのアクチュエータとして、近
年、圧電素子を用いたものが注目されている。しかし、
圧電素子はセラミック焼結体からなり、もろいため信頼
性および耐久性に問題がある。そのため、圧電素子の信
頼性，耐久性を向上させる方法について、多くの発明が
なされている。例えば、特開平7−189853 号公報には燃
料噴射弁の中に衝撃センサを配置し、弁を駆動する圧電
素子に大きな衝撃が及ばないシステム構成にするものが
開示されている。

【０００３】これは、圧電素子にかかる衝撃を別のセン
サで常にモニターしておき、過大な衝撃がかかった場合
は、駆動電圧を下げるというものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】特開平7−189853 号公
報記載の燃料噴射弁は別にセンサを付けることにより、
コストが増加する。さらにセンサと信号取り出し部を設
置したことにより噴射器の直径が増大する問題も生じ
る。燃焼室に燃料を直接噴射するシステムでは、シリン
ダーヘッドの部分に、点火プラグ，燃料噴射器等を近接
して配置することから、細型の燃料噴射器が強く望まれ
ている。また、リード線取り出し部は耐久性の問題もあ
ることから、取り出し部は可能な限り少なくすることが
望ましい。

【０００５】また、圧電素子の素子駆動力は変位量に関
係し、何らかの理由によって変位の基準点が動くと、弁
の開閉に時間がかかる。例えば、弁を閉じる際にプラン
ジャーをハウジングに強く押しつけ過ぎると、プランジ
ャーがバウンドするため、弁が完全に閉じるまでには時
間がかかる。また、変位を拡大する機構を有する燃料噴
射器においては、熱膨張係数の差から生じる応力を緩和
するために、駆動系を完全に連結するのではなく不連続
部を設けることがある。このタイプの噴射器において
は、プランジャーの動作に時間遅れが生じることがあ
り、対策が求められている。

【０００６】更に、燃料が所定の燃焼をしているかどう
かを判断するためには、燃焼圧力の検出が有効な手段で
ある。従来の圧力センサを燃焼室上端に配置して燃焼圧
力を検知する方法ではスペース的に問題がある。

【０００７】本発明の目的は、単純な構成で圧電素子に
かかる衝撃を緩和でき、圧電素子の信頼性及び耐久性の
高い燃焼噴射装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の第１の発明によれば、磁歪素子と、該磁歪
素子に磁場をかけるためのコイルと、磁歪素子の歪動作
に伴って往復動する弁体を有し、該弁体の動作により燃
料噴射を行う燃料噴射装置において、前記コイルに印加
する電圧を、該コイルに流れる電流値に基づいて制御す
る燃料噴射装置が提供される。

【０００９】磁歪素子としては、ジスプロシウムＤｙ，
鉄を主成分とするものなどの一般的な物が使用できる。
磁場をかけるためのコイルは、棒状の磁歪素子を取り囲
むように配置するのが一般的であるが、磁歪素子に磁場
がかかるような構成であれば良い。弁体は磁歪素子と同
一直線上に配置され、磁歪素子の歪み動作により直接往
復動するような構成であっても良いし、てこを用いて磁
歪動作が拡大されるような構成であっても良い。コイル
にはコイルに流れる電流を測定する回路と、コイルに印
加する電圧値を制御する回路が直列又は並列に接続さ
れ、測定された電流の大きさにより、コイルに印加する
電圧値を制御する回路をフィードバック制御する。弁体
は、燃料を噴射しないときは、コイルバネ等の弾性体で
噴射孔に押しつけられ、噴射孔が閉じており、磁歪素子
の歪み動作により弁体を噴射孔からはなれる力が与えら
れて、噴射孔が開くような構成が好ましい。

【００１０】上記構成により、磁歪素子にかかる過大な
応力を抑制することができる。

【００１１】本発明の第２の発明によれば、圧電素子の
歪動作に伴って往復動する弁体を有し、該弁体の動作に
より燃料噴射を行う燃料噴射装置において、前記圧電素
子への印加電圧を、該圧電素子に流れる電流値に基づい
て制御する燃料噴射装置が提供される。素子に流れる電
流を検知し、フィードバック制御するのは第１の発明の
構成と同じである。

【００１２】本発明の第３の発明によれば、第２の発明
において、圧電素子を、複数の領域に分割し、前記弁体
を駆動する部分と、該圧電素子にかかる電圧または該圧
電素子に流れる電流を検出する部分に機能を分ける燃料
噴射装置が提供される。

【００１３】例えば、圧電素子は一つ一つの歪み動作は
小さいため、積層構造として歪み動作を大きくすること
が行われる。棒形状の積層構造の圧電素子の一部を圧電
素子にかかる応力の測定専用とし、他の部分を弁体の往
復動のための部分というように専用化する。この構成に
より、圧電素子制御回路の構成が簡単になる。

【００１４】本発明の第４の発明によれば、第１または
第２の発明において、弁体の燃料噴射ノズルの開孔部が
弁体の往復動ストロークよりも小さい長さのすり合わせ
部を有する燃料噴射装置が提供される。図１１の噴射孔
拡大図に、すり合わせ部の一例を示す。燃料を燃焼シリ
ンダー内に直接噴射する形式の燃料噴射装置では、燃焼
圧力の増加に伴い、弁体（この図ではプランジャーと記
している）が、噴射孔が開く方向に押されることにな
る。そのため、燃焼ガスが燃料取り入れ口から燃料供給
装置等に逆流して何らかの問題を生じる可能性がある。
これは、燃料供給系統に何らかの対策を施せば解決する
が、最も簡単な解決方法として、上記すり合わせ部を噴
射孔に設けることが好ましい。プランジャーが燃焼圧力
により押し戻されても、噴射孔が開かない程度の長さの
すり合わせ部により、噴射孔が開かない。

【００１５】上記構成により、燃料燃焼時においても、
燃料噴射時装置に問題が生じることなく、燃焼圧力が測
定できるような燃料噴射装置が提供される。

【００１６】本発明の第５の発明によれば、第１または
第２記載の発明において、前記圧電素子を、圧電素子へ
該圧電素子の駆動電圧を印加する回路と、該圧電素子に
流れる電流値を測定する回路とに、交互に接続するため
のスイッチング回路を設ける燃料噴射装置が提供され
る。スイッチング回路は、弁体を開けた状態では、圧電
素子へ該圧電素子の駆動電圧を印加する回路に接続し、
弁を閉じた状態では燃焼圧力を測定するために、該圧電
素子に流れる電流値を測定する回路に接続するようにス
イッチングを行う。スイッチング回路を設けない場合
は、圧電素子に流れる電流の変化の情報に、圧電素子に
かかる応力の情報とともに、圧電素子を駆動する回路等
から発生するノイズが重畳される。従って、正確な応力
情報を検出するためには、これらのノイズを取り除く工
夫が必要となる。第５の発明の構成によれば、圧電素子
にかかる応力の情報を直接検出できるので、圧電素子に
流れる電流値を測定する回路の構成が簡単になるという
効果がある。

【００１７】本発明の第６の発明によれば、圧電素子に
電圧を印加してその伸縮を制御する駆動装置において、
前記圧電素子の印加電圧を、該圧電素子に流れる電流値
に基づいて制御する圧電素子の駆動装置が提供される。
第１〜第５の発明に用いる圧電素子の駆動制御装置は、
燃料噴射装置のみでなく、一般的な用途例えば、微細な
霧の噴霧器の噴出弁の制御等にも用いることができる。
このような噴霧器では、微細な霧を発生するため、高速
度で弁を上下動させるものであるので、弁を駆動する素
子への衝撃が大きい。その衝撃を緩和するために弁の駆
動を制御することは装置の寿命をのばすことに大きな効
果がある。また、発生する霧の状態を微妙に制御するこ
とも可能となる。

【００１８】本発明の第７の発明によれば、磁歪素子
と、該磁歪素子に磁場をかけるためのコイルと、該コイ
ルに電圧を印加してその伸縮を制御する磁歪素子駆動回
路からなる磁歪素子駆動装置において、前記コイルへの
印加電圧を、該コイルに流れる電流値に基づいて制御す
る磁歪素子駆動装置が提供される。この構成により得ら
れる効果は第６の発明と同様である。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の第１実施例を図１に示
す。燃料噴射器は、燃料通路の開閉を行うプランジャー
１，プランジャー１を駆動する圧電素子２，プランジャ
ー１と圧電素子２を燃料噴射器先端に向けて押さえ付け
るバネ３，これらを連結する治具４，ダンパー２２およ
びハウジング５等から構成される。圧電素子２と電源回
路６はリード線７によって連結され、電源回路６から圧
電素子２に電圧を印加することによって圧電素子２を伸
縮させ、プランジャー１を駆動する。

【００２０】次に基本的な動作を説明する。まず起動時
に圧電素子２に電圧を印加し、約０.５ 秒かけて圧電素
子２を長手方向に伸ばす。その時バネ３は圧電素子２の
伸びによって圧縮される。次に素子の印加電圧を瞬時に
０Ｖにすると、１０^-4秒程度で圧電素子２は自然長に戻
る。バネ３のバネ定数を適当に選び、かつダンパー２２
を重たくしておけば、これらは圧電素子２のすばやい収
縮動作に追従できず、圧電素子２に対する壁（固定端）
として作用する。その結果、圧電素子２の収縮が比較的
軽量のプランジャー１を持ち上げ（図１においてプラン
ジャー１は上方向に変位）、燃料が噴射される。また、
プランジャー１を持ち上げている時間は１０^-3〜１０^-2
秒であるので、その間にダンパー２２はほとんど動かな
い。

【００２１】所定の燃料を噴射した後、圧電素子に電圧
を印加すると１０^-4秒程度で圧電素子２は伸長する。こ
の場合もダンパー２２は追従できないため、圧電素子２
が伸張したことによってプランジャー１が下がり、燃料
の噴射が止まる。

【００２２】図２は圧電素子の変位と駆動力の関係を示
す図である。例えば、５mm×５mm×７２mmの圧電素子に
電圧１００Ｖを印加すると、変位５０μｍのところで
は、１４.５kgｆ の力が発生する。例えば、燃料噴射時
にプランジャーが５０μｍの高さにあり、圧電素子に電
圧１００Ｖを印加したとすると、プランジャーを下ろし
て弁を閉じた状態になった時は、作用反作用の原理から
１４.５kgｆ の力を受ける。

【００２３】圧電素子の寿命は、応力（衝撃力），衝撃
を受ける回数，使用温度等によって決まる。車載用の燃
料噴射器は、より長時間，より苛酷な環境においても使
用可能なものが求められている。このニーズに沿った形
で圧電素子の長寿命化を図る手段としては、衝撃力を低
減することが最も有効と考えられる。

【００２４】図３は上述した圧電素子の駆動時の電流を
示す。電圧印加直後には圧電素子に電荷がチャージさ
れ、大きな電流が流れた。圧電素子に電荷がチャージさ
れると電流はほぼ０Ａになった。この状態では素子先端
は約６０μｍ変位しており、ここで圧電素子に衝撃を与
えると電流に変化が現れた。衝撃時に流れる電流の正の
部分あるいは負の部分の最大値，積分値は、ほぼ応力に
比例し、電流から衝撃力を判断できることを見出した。
従って、この値が所定の値よりも大きいと判断される場
合は、素子への印加電圧を小さくすることによって変位
を小さくし、圧電素子の受ける衝撃力を低減できる。

【００２５】プランジャーのバウンドの問題についても
同様の手法で解決できることがわかった。即ち、バウン
ドの原因は圧電素子が過剰な力でプランジャーを押すこ
とに起因するため、プランジャーを閉じる際の衝撃力を
検出し、それが所定の値以下になるように、圧電素子へ
の印加電圧を制御すれば、バウンドを防止できる。

【００２６】圧電素子の変位を拡大する機構を設けた燃
料噴射器における本発明の実施例を図４に示す。圧電素
子２の熱膨張とハウジング５の熱膨張に差があった場
合、変位を拡大するレバー９と圧電素子２の間に隙間が
生じ、そのため燃料の噴射に時間遅れが生じる。本発明
によれば、圧電素子２がレバー９に衝突したことは、圧
電素子２の電流から判定できるので、衝突時の電流値，
時間からレバー９の位置を判断し、その位置までの変位
に対応する電圧をベース電圧として圧電素子２に印加す
る。これにより、圧電素子２とレバー９の間には隙間が
無くなるため、プランジャー１を時間遅れなく駆動でき
る。

【００２７】図５に第２の発明の実施例を示す。図の下
方の圧電素子３１と上方の圧電素子３２は電気的には絶
縁されているが、機械的には連結され、圧電素子３１に
加わる圧力と圧電素子３２に加わる圧力は等しい。図の
様に圧電素子３１を電源回路６，圧電素子３２を電圧計
測回路１２に連結すると、圧電素子３１によってプラン
ジャー１を駆動した際に圧電素子３１に加わる圧力を圧
電素子３２によって検出できる。従って、この値を基に
上述した方法と同様に、圧電素子３１の動作を最適化で
きる。

【００２８】圧電素子は通常複数のチップを積層し、そ
れらに電極を装着して作るが、電極を装着する際に一部
を絶縁するだけで図５の素子を形成できる。この場合、
駆動素子以外の素子をインジェクターに装着する場合に
比べ、素子自体のコストも有利で、インジェクター構造
も簡略化できる。

【００２９】第３の発明の実施例を図６に示す。プラン
ジャー１を駆動する素子としては、磁歪素子１０を用
い、その周囲に磁歪素子１０を駆動するコイル１１を配
置する。磁歪素子１０が衝撃を受けると磁束密度が変化
し、コイル１１を流れる電流に変化が生じる。磁束密度
の変化は衝撃力に比例することから、この変化を検出し
て、磁歪素子１０への印加電圧を制御することにより衝
撃力を低減できる。

【００３０】プランジャーのバウンドの問題について
も、検出電流から衝撃力を判断し、バウンド防止が可能
である。また、磁歪素子の変位を拡大する機構を設けた
燃料噴射器においては、適当なベース電流を流せば、プ
ランジャー駆動の時間遅れを小さくできる。

【００３１】また、コイル１１に別系統のコイルを巻
き、そのコイルから出てくる電圧もしくは電流からも衝
撃力を検出できる。この場合は、図７の様に、電源回路
と電流（電圧）計測回路が分離される。

【００３２】変位拡大機構を有する燃料噴射器において
は、熱膨張の差に起因する応力を緩和することは重要な
課題である。この課題を解決するために熱膨張緩和材を
用いた実施例を示す。図８は圧電素子２の長尺方向の長
さをＬ、熱膨張率をａとした時に、長尺方向の長さと熱
膨張率の積が概略Ｌ×ａとなる部材２１を用いた例であ
る。部材２１は、その一端がハウジング５に固定され、
圧電素子２の一端と連結される。そして、連結部から見
て同一の方向に圧電素子２と部材２１とを配置する。こ
の場合、圧電素子２と部材２１の伸びが概略等しけれ
ば、駆動素子とレバー位置の連結位置を一定の位置に保
つことができ、圧電素子２へ加わる応力を緩和できる。
また、部材２１の温度依存性等も考慮して、使用温度域
全体に応力緩和を図る方法として、部材を複数種の材料
を積層したものを用いても良い。

【００３３】次に素子非駆動時（弁閉時）において、素
子の電圧もしくは電流を検出し、その信号に基づいて燃
焼圧力を検出する実施例について説明する。

【００３４】燃料噴射器を図９の様にレバー９を介して
圧電素子２と連結する。プランジャー１の先端がある程
度の変位をしても燃料が漏れない構成になっていれば、
燃料が燃焼した際の圧力をプランジャー１を通して圧電
素子２へ伝えられる。燃焼圧力はプランジャー１を押し
上げる力に比例することから、圧電素子２の電流変化を
検出することによって、燃焼圧力を検出できる。

【００３５】圧電素子２で発生する電圧も衝撃力と比例
することから、図１０の様に、スイッチング回路によっ
て電源回路６と圧電素子２とを電気的に遮断し、圧電素
子２と電圧計測回路１２を接続すれば、圧電素子２の電
圧から燃焼圧力を検出できる。

【００３６】燃焼圧力を検出するタイプの燃料噴射器に
おいては、図１１の様に燃料噴射器先端にプランジャー
１とハウジング５のすり合わせ部を設けることにより、
燃焼によって生じる圧力を受けてプランジャー１が変位
しても燃料が漏れることがない。例えば、２０μｍ程度
のすり合わせ部を設ければ、燃焼圧力は十分に検出でき
る。この場合、プランジャーがある程度の変位をする必
要があることから、レバー９によって、プランジャーを
１５０μｍ〜２００μｍ駆動できる構成とする。これに
より、燃料噴射器に燃焼圧力の検出機能を付与できる。

【００３７】

【発明の効果】本発明の第１の発明によれば、磁歪素子
にかかる過大な応力を抑制することができる。

【００３８】本発明の第２の発明によれば、圧電素子に
かかる過大な応力を抑制することができる。

【００３９】本発明の第３の発明によれば、圧電素子制
御回路の構成が簡単になる。

【００４０】本発明の第４の発明によれば、燃料燃焼時
においても、燃料噴射時装置に問題が生じることなく、
燃焼圧力が測定できるような燃料噴射装置が提供され
る。

【００４１】本発明の第５の発明によれば、圧電素子に
かかる応力の情報を直接検出できるので、圧電素子に流
れる電流値を測定する回路の構成が簡単になるという効
果がある。

【００４２】本発明の第６，第７の発明によれば、圧電
素子，磁歪素子を用いた装置の寿命をのばすことに大き
な効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電素子を用いた燃焼噴射装置の構成
図。

【図２】圧電素子の変位と駆動力の関係を示す図。

【図３】駆動時の電流測定結果の一例。

【図４】本発明の圧電素子の変位を拡大する機構を設け
た燃料噴射装置の構成図。

【図５】圧電素子を２つの領域にわけた燃料噴射装置の
構成図。

【図６】本発明の磁歪素子を用いた燃料噴射装置の構成
図。

【図７】本発明の磁歪素子を用いた燃料噴射装置の構成
図。

【図８】熱膨張に起因する応力緩和防止手段を用いた燃
料噴射装置の構成図。

【図９】レバーを連結した燃料噴射装置の構成図。

【図１０】スイッチング回路を用いた燃料噴射装置の構
成図。

【図１１】すり合わせ部を設けた燃料噴射装置。

【符号の説明】

１…プランジャー、２，３１，３２…圧電素子、３…バ
ネ、４…治具、５…ハウジング、６…電源回路、７，８
ｄ…リード線、８…電流計測回路、９…レバー、１０…
磁歪素子、１１…コイル、１２…電圧計測回路、２１…
部材、２２…ダンパー、２３…制御回路、２４…燃料取
り入れ口、２５…スイッチング回路。

フロントページの続き (72)発明者 金田 潤也 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁歪素子と、該磁歪素子に磁場をかけるた
   めのコイルと、磁歪素子の歪動作に伴って往復動する弁
   体を有し、該弁体の動作により燃料噴射を行う燃料噴射
   装置において、 前記コイルに印加する電圧を、該コイルに流れる電流値
   に基づいて制御することを特徴とする燃料噴射装置。
2. 【請求項２】圧電素子の歪動作に伴って往復動する弁体
   を有し、該弁体の動作により燃料噴射を行う燃料噴射装
   置において、 前記圧電素子への印加電圧を、該圧電素子に流れる電流
   値に基づいて制御することを特徴とする燃料噴射装置。
3. 【請求項３】請求項２記載の圧電素子を、複数の領域に
   分割し、前記弁体を駆動する部分と、該圧電素子にかか
   る電圧または該圧電素子に流れる電流を検出する部分に
   機能を分けることを特徴とする燃料噴射装置。
4. 【請求項４】請求項１または２記載の弁体の燃料噴射ノ
   ズルの開孔部が弁体の往復動ストロークよりも小さい長
   さのすり合わせ部を有することを特徴とする燃料噴射装
   置。
5. 【請求項５】請求項１または２記載の燃料噴射装置にお
   いて、 前記圧電素子を、 圧電素子へ該圧電素子の駆動電圧を印加する回路と、 該圧電素子に流れる電流値を測定する回路とに、 交互に接続するためのスイッチング回路を設けることを
   特徴とする燃料噴射装置。
6. 【請求項６】圧電素子に電圧を印加してその伸縮を制御
   する駆動装置において、 前記圧電素子の印加電圧を、該圧電素子に流れる電流値
   に基づいて制御することを特徴とする圧電素子の駆動装
   置。
7. 【請求項７】磁歪素子と、該磁歪素子に磁場をかけるた
   めのコイルと、該コイルに電圧を印加してその伸縮を制
   御する磁歪素子駆動回路からなる磁歪素子駆動装置にお
   いて、 前記コイルへの印加電圧を、該コイルに流れる電流値に
   基づいて制御することを特徴とする磁歪素子駆動装置。