JPH10169524A - 圧電式燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電式燃料噴射弁において、圧電アクチュエ
ータに付加される圧縮荷重のバラツキを抑える。 【解決手段】 加圧された燃料が導かれる噴口１ｂと、
噴口１ｂを開閉するニードル弁２と、印加される電圧に
より伸長してニードル弁２を駆動する圧電アクチュエー
タ１０と、噴口１ｂに導かれる燃料圧力により圧電アク
チュエータ１０を圧縮荷重を付加する与圧ピストン１１
と、与圧ピストン１１に加わる燃料圧力を検出する圧電
素子１５と、与圧ピストン１１に加わる燃料圧力が所定
値を超えて上昇する条件で圧電アクチュエータ１０に電
圧を印加するコントローラ３３とを備えるものとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの燃料噴
射弁等に適用される、圧電素子をアクチュエータとする
弁構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車用エンジンに備えられる燃料噴射
弁等に、印加電圧に応じて伸張する圧電素子（ピエゾ素
子）を積層した圧電アクチュエータを備え、圧電アクチ
ュエータを介してニードル弁を開弁作動させるものがあ
る。ニードル弁を圧電アクチュエータにより駆動するこ
とにより、燃料噴射弁の高速応答性が高まり、高出力化
に対応して噴射可能範囲を拡大できる。また、少量の燃
料を安定して噴射することが可能となり、燃費の低減が
はかれる。

【０００３】従来、この種の圧電アクチュエータとし
て、例えば図４に示すようなものがある(特開平７−１
９３２９５号公報、参照)。

【０００４】これについて説明すると、積層型の圧電ア
クチュエータ７１は、その両端に端板７２，７３が取付
けられ、各端板７２，７３を介して圧電アクチュエータ
７１に圧縮荷重を付加する円筒状をした与圧スプリング
７４が設けられる。圧電アクチュエータ７１は与圧スプ
リング７４を介して通常の動作力の２〜３割の圧縮荷重
が付加されることにより、安定した作動性が確保され
る。

【０００５】圧電アクチュエータ７１の製造時、与圧ス
プリング７４は所定温度に加熱された状態で各端板７
２，７３に溶接により結合される。溶接後に与圧スプリ
ング７４が常温まで低下すると、熱膨張差により所定の
圧縮荷重が圧電アクチュエータ７１に付加与されるよう
になっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の与圧スプリング７４は、熱膨張差を利用して
圧縮荷重を発生させる構造のため、圧縮荷重にバラツキ
が生じやすいという問題点があった。

【０００７】また、圧電アクチュエータ７１の温度変化
によって与圧スプリング７４の付与する圧縮荷重が大き
く変化するため、温度変化が著しいエンジンの燃料噴射
弁に適用した場合、圧電アクチュエータ７１の作動特性
が安定しないという問題点があった。また、高温時にお
いては、このような圧縮荷重を発生させる構造では必要
な圧縮荷重を確保できないという問題もある。

【０００８】本発明は上記の問題点を鑑みてなされたも
のであり、圧電式燃料噴射弁において、圧電アクチュエ
ータに付加される圧縮荷重のバラツキを抑えることを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の圧電式
燃料噴射弁は、加圧された燃料が導かれる噴口と、噴口
を開閉するニードル弁と、印加される電圧により伸長し
てニードル弁を駆動する圧電アクチュエータと、噴口に
導かれる燃料圧力により圧電アクチュエータに圧縮荷重
を付加する与圧ピストンと、与圧ピストンに加わる燃料
圧力を検出する燃圧センサと、与圧ピストンに加わる燃
料圧力が所定値を超えて上昇する条件で圧電アクチュエ
ータに電圧を印加する手段と、を備えるものとした。

【００１０】請求項２に記載の圧電式燃料噴射弁は、請
求項１に記載の発明において、前記圧電アクチュエータ
を与圧ピストンに加わる燃料圧力を検出する燃圧センサ
として構成するものとした。

【００１１】請求項３に記載の圧電式燃料噴射弁は、請
求項１または２に記載の発明において、前記噴口に導か
れる燃料圧力を所定値以下に調節する燃料供給手段を備
えるものとした。

【００１２】請求項４に記載の圧電式燃料噴射弁は、請
求項１から３のいずれか一つに記載の発明において、前
記噴口に加圧燃料を導く燃圧室と、与圧ピストンによっ
て画成される背圧室と、ニードル弁に形成されて燃圧室
と背圧室を仕切るピストン部と、燃圧室と背圧室を連通
する絞り通路と、ニードル弁を閉弁方向に付勢するスプ
リングと、を備えるものとした。

【００１３】

【発明の作用および効果】請求項１に記載の発明におい
て、圧電アクチュエータに印加される電圧を制御するこ
とにより、圧電アクチュエータを伸縮させてニードル弁
を移動し、噴口を開閉する。

【００１４】与圧ピストンは噴口に導かれる燃料圧力に
より圧電アクチュエータに圧縮荷重を付加する。このた
め、従来装置のように圧電アクチュエータを圧縮する与
圧スプリングを設けることなく、構造の簡素化がはかれ
るとともに、組立時等に圧電アクチュエータの圧縮荷重
にバラツキが生じる心配がない。

【００１５】与圧ピストンに加わる燃料圧力が所定値を
超えて上昇する条件で圧電アクチュエータに電圧を印加
する構成のため、圧電アクチュエータの安定した作動性
が得られる。

【００１６】請求項２に記載の発明において、圧電アク
チュエータに発生する電圧から圧電アクチュエータに付
加される圧縮荷重を検出する。これにより、燃料圧力を
検出するセンサを燃料供給系に設ける必要がなく、構造
の簡素化がはかれる。

【００１７】請求項３に記載の発明において、燃料供給
手段は噴口に導かれる燃料圧力を所定値に調節するた
め、このとき与圧ピストンは圧電アクチュエータに付与
する圧縮荷重が所定の範囲に保たれ、圧電アクチュエー
タの安定した作動性が得られる。

【００１８】請求項４に記載の発明において、圧電アク
チュエータに電圧を印加して伸長させた状態ではニード
ル弁の前後に生じる燃圧室と背圧室の圧力は絞り通路に
より均等化されている。このときニードル弁はスプリン
グの弾性復元力により閉弁保持されている。

【００１９】燃料噴射弁の開弁作動時に、圧電アクチュ
エータは印加される電圧が遮断されて収縮する。圧電ア
クチュエータの収縮に伴って与圧ピストンが移動するこ
とにより、背圧室はその容積が拡大してその圧力が低下
する。燃圧室には絞り通路により圧力低下が遅れて伝わ
るので、背圧室と燃圧室に圧力差が直ちに発生する。こ
の圧力差によりニードル弁がスプリングに抗して噴口を
開き、噴口から燃料が噴射される。

【００２０】燃料噴射弁の閉弁作動時に、各圧電アクチ
ュエータは電圧を印加されることにより伸長する。圧電
アクチュエータの伸張に伴って与圧ピストンが移動する
ことにより背圧室の圧力が直ちに上昇し、背圧室と燃圧
室の圧力差とスプリングの付勢力によりニードル弁が噴
口を閉じ、噴口からの燃料噴射が停止される。

【００２１】燃料噴射弁は、圧電アクチュエータの変位
方向とニードル弁の変位方向が一致しているため、圧電
アクチュエータとニードル弁を直列に並べることが可能
となり、構造の簡素化がはかれる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を筒内噴射式火花点
火エンジンに備えられる燃料噴射弁に適用した実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００２３】図１に示すように、燃料噴射弁７はその先
端に設けられるノズルボディ１をエンジンの燃焼室に臨
ませる。ノズルボディ１はエンジンの燃焼室天井壁から
燃焼室に臨み、ノズルボディ１の先端に開口した噴口１
ｂから燃料噴霧をピストンの冠部に向けて噴出するよう
になっている。

【００２４】ノズルボディ１の内部にニードル弁２が摺
動可能に収装される。ノズルボディ１の内部にはニード
ル弁２のまわりに燃圧室３が画成される。ノズルボディ
１の先端に噴口１ｂが開口し、噴口１ｂはニードル弁２
によって開閉される。

【００２５】燃料噴射ポンプから圧送される燃料は、燃
料入口６から燃圧室３に導入され、ニードル弁２のリフ
トに伴って噴口１ｂから噴射される。

【００２６】ニードル弁２はその基端側にピストン部２
ｃが環状に突出形成される。ノズルボディ５１およびケ
ーシング９とピストン部２ｃの間には背圧室８が画成さ
れる。燃圧室３と背圧室８はピストン部２ｃの外周に形
成された絞り通路５を介して連通する。

【００２７】ニードル弁２を閉弁方向に付勢するコイル
スプリング４が設けられる。コイルスプリング４はニー
ドル弁２のピストン部２ｃとケーシング９の間に圧縮さ
れた状態で介装され、ニードル弁２と同軸上に配置され
る。

【００２８】ケーシング９の内部には背圧室８を画成す
る与圧ピストン１１が摺動可能に介装される。与圧ピス
トン１１の外周にはＯリング１２が介装される。Ｏリン
グ１２がケーシング９の円筒状をした内壁面に摺接する
ことにより、背圧室８の密封がはかれる。

【００２９】与圧ピストン１１を介してニードル弁２を
開弁方向に駆動する圧電アクチュエータ１０が設けられ
る。圧電アクチュエータ１０は円盤状をした複数の圧電
素子１３が、同じく円盤状をした内部電極を挟んで積層
される。

【００３０】圧電アクチュエータ１０の固定端は端板１
４が結合される。端板１４はケーシング９に溶接により
結合される。

【００３１】圧電アクチュエータ１０は各圧電素子１３
にリード線１８，１９、外部電極２６，２７および内部
電極を介して電圧が印加される。圧電アクチュエータ１
０は各圧電素子１３に電圧が印加されることにより伸長
し、背圧室８の圧力を高めてニードル弁２を閉弁させ
る。圧電アクチュエータ１０は各圧電素子１３に印加さ
れる電圧が遮断されることにより収縮し、背圧室８の圧
力を低下させてコイルスプリング４を圧縮しながらニー
ドル弁２を開弁方向に駆動する。

【００３２】リード線１８，１９は圧電アクチュエータ
駆動用アンプ３１へと延びている。コントローラ３３で
は演算された燃料噴射量に対応するパルス信号がつくら
れ、このパルス信号に応じた電圧が駆動用アンプ３１を
介して圧電アクチュエータ１０に印加される。

【００３３】コントローラ３３はエンジン回転数、エン
ジンの吸入空気量を始めエンジンの運転条件を検出する
各種信号を入力し、これらのエンジン運転条件に応じて
燃料噴射量を演算する。

【００３４】図１はエンジン始動前の状態を示してお
り、圧電アクチュエータ１０の各圧電素子１３は電圧が
印加されて伸長しており、ピストン部２ｃの前後に生じ
る燃圧室３と背圧室８の圧力は絞り通路５を介して均等
化されている。このときニードル弁２はコイルスプリン
グ４の弾性復元力によりノズルボディ１のシート部に着
座している。この状態で図２にも示すように各燃料噴射
ポンプ５７，５８は電動モータによって駆動され、燃圧
室３および背圧室８の圧力が高められる。

【００３５】なお、エンジン停止時も、コイルスプリン
グ４の弾性復元力により、ニードル弁２のノズルボディ
１のシート部に着座させて、燃料の洩れを防止するよう
になっている。

【００３６】エンジン始動時および始動後における燃料
噴射弁７の開弁作動時に、各圧電素子１３はエンジン回
転に同期して印加される電圧が遮断されることにより収
縮する。各圧電素子１３の収縮に伴って与圧ピストン１
１が移動することにより、背圧室８はその容積が拡大し
てその圧力が低下する。燃圧室３は絞り通路５を介して
圧力低下が遅れて伝わるので、背圧室８と燃圧室３に圧
力差が直ちに発生する。この圧力差によりニードル弁２
がコイルスプリング４に抗して噴口１ｂを開き、燃圧室
３に導かれる高圧燃料が噴口１ｂを通ってエンジンの燃
焼室に噴射される。

【００３７】燃料噴射弁７の閉弁作動時に、各圧電素子
１３はエンジン回転に同期して電圧が印加されることに
より伸長し、与圧ピストン１１が移動することにより背
圧室８の圧力が直ちに上昇し、背圧室８と燃圧室３の圧
力差およびコイルスプリング４の付勢力によりニードル
弁２が移動してノズルボディ１のシート部に着座する。
ニードル弁２がシート部に着座することにより、噴口１
ｂが閉塞され、燃料の噴射が停止される。

【００３８】燃料噴射弁７は、圧電アクチュエータ１０
の変位方向とニードル弁２の変位方向が一致しているた
め、圧電アクチュエータ１０とニードル弁２を直列に並
べることが可能となり、構造の簡素化がはかれる。

【００３９】ところで、圧電アクチュエータ１０の作動
を安定させるため、圧電アクチュエータ１０に所定の与
圧（圧縮荷重）を付与する必要がある。

【００４０】しかし、従来装置のように圧電アクチュエ
ータに圧縮荷重を付加する与圧スプリングを設けると、
組立時等に圧縮荷重にバラツキが生じやすいという問題
点があった。

【００４１】本発明はこれに対処して、背圧室８に導か
れる燃料圧力によって与圧ピストン１１を介して圧電ア
クチュエータ１０に与圧を付与する構成とし、従来装置
に設けられていた与圧スプリングを廃止するものとし
た。

【００４２】図２に示すように、フューエルタンク５９
に貯溜された燃料は、低圧燃料ポンプ５８を介して吸い
上げられ、高圧燃料ポンプ５７に送られる。高圧燃料ポ
ンプ５７は、加圧した燃料を蓄圧室５６へと送り、蓄圧
室５６から各気筒の燃料噴射弁７に燃料を圧送する。高
圧燃料ポンプ５７から蓄圧室５６に送られる余剰燃料は
燃料戻し通路５２を通ってフューエルタンク５９へと戻
される。

【００４３】そして、燃料噴射弁７に導かれる燃料圧力
はプレッシャレギュレータ５５を介して所定値になるよ
うに調節される。

【００４４】コントローラ３３は、エンジンの始動前に
燃料噴射弁７に導かれる燃料圧力を検出し、検出された
燃料圧力が所定値を超えたことを判定してから、圧電ア
クチュエータ１０を作動させて燃料噴射弁７を開閉し、
エンジンの始動を行う。

【００４５】燃料噴射弁７に導かれる燃料圧力を検出す
る燃圧センサとして、圧電アクチュエータ１０において
与圧ピストン１１に隣接して設けられる１枚の圧電素子
１５に付加される圧縮荷重を検出する構成とする。

【００４６】圧電素子１５を挟持する円盤状をした一対
の内部電極は、これに接続した一対の外部電極３６，３
７、リード線３８，３９を介して燃圧測定用アンプ４０
に接続される。圧電素子１５に付加される圧縮荷重が増
減することにより圧電素子１５に発生する電圧を燃圧測
定用アンプ４０が増幅し、コントローラ３３はこの発生
電圧を燃圧荷重Ｆｎとして入力する。

【００４７】図３のフローチャートはエンジンの始動時
における制御ルーチンを示しており、コントローラ３３
において一定周期毎に実行される。

【００４８】まず、ステップ１では、図示しないスター
タスイッチがＯＮとなるのに伴って、低圧燃料ポンプ５
８と高圧燃料ポンプ５７を駆動し、燃料を各気筒の燃料
噴射弁７に圧送する。

【００４９】続いてステップ２に進んで、圧電素子１５
に付加される燃圧荷重Ｆｎを読込む。

【００５０】続いてステップ３に進んで、検出された燃
圧荷重Ｆｎが所定値Ｆ０を超えたかどうかを判定する。

【００５１】燃圧荷重Ｆｎが所定値Ｆ０を超えない場
合、ステップ５に進んで、圧電アクチュエータ１０の作
動を待機する。

【００５２】燃圧荷重Ｆｎが所定値Ｆ０を超えたことが
判定されると、ステップ４に進んで、圧電アクチュエー
タ１０を作動させて燃料噴射弁７を開閉し、エンジンの
始動を行う。

【００５３】こうして、背圧室８に導かれる燃料圧力が
プレッシャレギュレータ５５を介して大気圧との差圧が
所定値以上になってから、圧電アクチュエータ１０を作
動させる構成により、与圧ピストン１１を介して圧電ア
クチュエータ１０に所定値以上の圧縮荷重が付加された
状態で圧電アクチュエータ１０が作動し、圧電アクチュ
エータ１０の安定した作動性が得られる。

【００５４】従来装置のように圧電アクチュエータを圧
縮荷重を付加する与圧スプリングを設けることなく、構
造の簡素化がはかれるとともに、組立時等に圧電アクチ
ュエータ１０の圧縮荷重にバラツキが生じる心配もな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す燃料噴射弁の断面図。

【図２】同じく燃料供給系のシステム図。

【図３】同じく制御内容を示すフローチャート。

【図４】従来例を示す圧電アクチュエータの斜視図。

【符号の説明】

１ ノズルボディ １ｂ 噴口 ２ ニードル弁 ２ｃ ピストン部 ３ 燃圧室 ４ コイルスプリング ５ 絞り通路 ６ 燃料入口 ７ 燃料噴射弁 ８ 背圧室 ９ ケーシング １０ 圧電アクチュエータ １１ 与圧ピストン １３ 圧電素子 １５ 圧電素子 １８ リード線 １９ リード線 ２６ 外部電極 ２７ 外部電極 ３１ 圧電アクチュエータ駆動用アンプ ３３ コントローラ ３６ 外部電極 ３７ 外部電極 ３８ リード線 ３９ リード線 ４０ 燃圧測定用アンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｃ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加圧された燃料が導かれる噴口と、 噴口を開閉するニードル弁と、 印加される電圧により伸長してニードル弁を駆動する圧
   電アクチュエータと、 噴口に導かれる燃料圧力により圧電アクチュエータに圧
   縮荷重を付加する与圧ピストンと、 与圧ピストンに加わる燃料圧力を検出する燃圧センサ
   と、 与圧ピストンに加わる燃料圧力が所定値を超えて上昇す
   る条件で圧電アクチュエータに電圧を印加する手段と、 を備えたことを特徴とする圧電式燃料噴射弁。
2. 【請求項２】前記圧電アクチュエータを与圧ピストンに
   加わる燃料圧力を検出する燃圧センサとして構成したこ
   とを特徴とする請求項１に記載の圧電式燃料噴射弁。
3. 【請求項３】前記噴口に導かれる燃料圧力を所定値以下
   に調節する燃料供給手段を備えたことを特徴とする請求
   項１または２に記載の圧電式燃料噴射弁。
4. 【請求項４】前記噴口に加圧燃料を導く燃圧室と、 与圧ピストンによって画成される背圧室と、 ニードル弁に形成されて燃圧室と背圧室を仕切るピスト
   ン部と、 燃圧室と背圧室を連通する絞り通路と、 ニードル弁を閉弁方向に付勢するスプリングと、 を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一
   つに記載の圧電式燃料噴射弁。