JPH1162768A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピエゾアクチュエータの伸縮を弁体の進退動
作に変換してノズルを開閉する機構を有する燃料噴射弁
において、針弁開閉時の衝撃による二次噴射や異音の発
生を回避する。 【解決手段】 ピエゾアクチュエータ１２を互いに軸方
向に直列に結合した複数のアクチュエータ部１２ａ、１
２ｂで構成し、一方のアクチュエータ部を針弁１３の全
開直前に閉弁方向に駆動し、または全閉直前に開弁方向
に一時的に駆動することにより開閉時の針弁１３のリフ
トおよび速度を抑制して衝撃を緩和する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ピエゾ素子をア
クチュエータとして使用した内燃機関の燃料噴射装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】筒内燃料噴射方式の火花点火式内燃機関
に適用する燃料噴射弁には高度の応答性及び開閉精度が
求められる。このような要求に応える燃料噴射弁とし
て、多数のピエゾ素子を積層した構成のアクチュエータ
に信号電流を供給して伸縮させることにより弁体の開閉
を制御するようにしたものが知られている（例えば特開
平７−２２９４５７号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この種
のピエゾアクチュエータを用いた燃料噴射装置では、ア
クチュエータの作動が高速であるがゆえに弁体が開き切
るときのストッパとの衝突または閉じ切るときのノズル
との衝突により弁体がジャンプして流量特性が不安定に
なったり、二次噴射を起こしたりするという問題を生じ
る。またこれらの衝撃により異音が発生するという問題
もある。

【０００４】本発明はこのような問題点に着目してなさ
れたもので、複数のアクチュエータにより弁体のリフト
を段階的に制御することにより針弁開閉時の衝撃を緩和
できるようにした燃料噴射装置を提供することを目的と
している。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、ピエ
ゾアクチュエータの伸縮を弁体の進退動作に変換してノ
ズルを開閉する機構を有する燃料噴射弁において、前記
ピエゾアクチュエータを互いに軸方向に直列に結合した
複数のアクチュエータ部で構成するとともに、前記各ア
クチュエータ部をそれぞれ独立して駆動する駆動手段を
備えたものとする。

【０００６】請求項２の発明は、上記請求項１の発明の
燃料噴射弁を、ピエゾアクチュエータを収装した本体と
その先端部に接続し弁体としての針弁を収装したノズル
とを備え、本体には該本体内に形成されたシリンダ部と
ピエゾアクチュエータ端部に設けられ前記シリンダ部に
摺動自由に嵌合するピストン部とで差圧室を画成し、ノ
ズルには該ノズル内に形成されたシリンダ部と針弁後端
部に設けられ前記ノズルシリンダ部に摺動自由に嵌合す
るピストン部とで背圧室を画成するとともに針弁を閉弁
方向に付勢する弾性体を設け、前記差圧室と背圧室とは
通路を介して相互に連通するとともに燃料を導入し、ピ
エゾアクチュエータの伸縮に伴う差圧室および背圧室の
燃料圧力変化に基づき針弁を開閉駆動するように構成し
たものとする。

【０００７】請求項３の発明は、上記請求項２の発明の
ピエゾアクチュエータを、長さＬ１の第１アクチュエー
タ部と、長さＬ２の第２アクチュエータ部から構成し、
かつ各アクチュエータ部の長さＬ１、Ｌ２は、背圧室の
ピストン部受圧面積をａ１、差圧室のピストン部受圧面
積をａ２、針弁の必要リフト量をｓ、該アクチュエータ
部のピエゾ変位率をδ（ただし、δ＝ピエゾアクチュエ
ータの全長／変位量）とするとき、 Ｌ１＞（ａ１／ａ２）ｓ・δ の条件を満足するように設定したものとする。

【０００８】請求項４の発明は、上記請求項３の発明の
駆動手段を、開弁開始時に各アクチュエータ部に開弁方
向の駆動信号を供給するとともに、針弁が全開となる直
前に第２アクチュエータ部に一時的に閉弁方向の駆動信
号を供給するように構成したものとする。

【０００９】請求項５の発明は、上記請求項３の発明の
駆動手段を、開弁開始時に各アクチュエータ部に開弁方
向の駆動信号を供給するとともに、針弁が全開となる直
前に第２アクチュエータ部に閉弁方向の駆動信号を供給
し、かつ該閉弁方向の駆動状態を少なくとも閉弁直前ま
で維持するように構成したものとする。

【００１０】請求項６の発明は、上記請求項４または請
求項５の発明の駆動手段を、閉弁開始後、針弁が全閉と
なる直前に何れかのアクチュエータ部に一時的に開弁方
向の駆動信号を供給するように構成したものとする。

【００１１】

【作用・効果】請求項１以下の各発明によれば、ピエゾ
アクチュエータを２個以上の複数のアクチュエータ部か
ら構成するとともに、各アクチュエータ部の伸縮動作す
なわちノズルの開閉動作を個々独立に制御可能な駆動手
段を設けたことから、例えば請求項４以下の各発明に示
したように、針弁が全開となる直前の時期に一部のアク
チュエータ部を閉弁方向に駆動し、あるいは針弁が全閉
となる直前に一部のアクチュエータを一時的に開弁方向
に駆動することにより、それぞれ全開または全閉する直
前の針弁の変位および速度を減殺して、全開または全閉
時の衝撃を緩和することが可能となり、これにより流量
特性の不安定化、二次噴射、異音の発生という不具合を
回避することができる。

【００１２】また、特に請求項３の発明に示したように
第１のアクチュエータ部の長さＬ１を設定することによ
り、該アクチュエータ部の作動により所要の針弁リフト
量を確保しつつ、第２のアクチュエータ部を併用するこ
とで開弁時の応答性の向上を図ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につき図
面を示して説明する。図１において、１は燃料噴射弁、
２はその駆動回路である。

【００１４】燃料噴射弁１は、筒状の本体１１の内部に
アクチュエータ１２が収装されるとともに、この本体１
１の先端部には、内部に針弁１３を収装したノズル１４
が設けられている。

【００１５】アクチュエータ１２は、それぞれ薄板状の
ピエゾ素子を多数積層して円柱状に形成された第１アク
チュエータ部１２ａと第２アクチュエータ部１２ｂとが
直列に結合されている。このアクチュエータ１２の背後
側の端部に設けられた端板１５は、本体１１に嵌合した
キャップ１６に対してボール１７を介して位置決めされ
ている。

【００１６】アクチュエータ１２の先端側にはピストン
部１８が設けられており、このピストン部１８は本体内
に形成されたシリンダ部１９にシールリング２０を介し
て油密的にかつ摺動可能に嵌合している。ピストン部１
８の前方にはシリンダ部１９との間に差圧室２１が画成
されており、この差圧室２１に収装された皿ばね２２の
張力によりピストン部１８は背後方向に付勢されてい
る。

【００１７】ノズル１４にはその先端部に開口した噴孔
２３を開閉する針弁１３が収装されている。この針弁１
３は、基端部が太径のピストン部２４となっており、こ
のピストン部２４がノズル内周に形成されたシリンダ部
２５に沿って摺動可能に保持されている。ピストン部２
４の背後部に画成された背圧室２６には弾性体としてコ
イルスプリング２７が介装されており、このスプリング
２７の張力により針弁１３は閉弁方向に付勢されてい
る。また背圧室２６は通路３０を介してその背後の差圧
室２１と連通している。

【００１８】ピストン部２４よりも前方のノズル１４内
の空間は燃料室２８となっており、この燃料室２８には
燃料供給口２９を介して図示しない燃料系統から所定圧
力に調圧された燃料が供給される。

【００１９】駆動回路２は、図示しない運転状態検出手
段からの情報に基づき、例えば内燃機関の回転数及び吸
入空気量をパラメータとして燃料噴射量を決定し、該燃
料噴射量に相当するパルス幅を有する駆動信号を燃料噴
射弁のアクチュエータ１２に付与して燃料噴射を行わせ
る。ただし前記駆動信号は、詳細は後述するが、アクチ
ュエータ１２の第一アクチュエータ部１２ａと第２アク
チュエータ部１２ｂとで個々独立したタイミングで供給
される。

【００２０】ところで、本実施形態では上述のとおりア
クチュエータ１２を第１アクチュエータ１２ａと第２ア
クチュエータ１２ｂとから構成しているが、第１アクチ
ュエータ部１２ａの長さＬ１は第２アクチュエータ部１
２ｂの長さＬ２よりも大きく、またＬ１は次の式で示さ
れる条件を満たすように設定されている。

【００２１】Ｌ１＞（ａ１／ａ２）ｓ・δ … （ａ） ただし、ａ１は背圧室２６のピストン部受圧面積、ａ２
は差圧室２１のピストン部受圧面積、δは針弁１３の必
要リフト量、δはアクチュエータ１２のピエゾ変位率
（ピエゾアクチュエータの全長と変位量の比）である。

【００２２】次にアクチュエータ１２に駆動信号を供給
したときの燃料噴射弁１の基本的な作動につき説明す
る。この燃料噴射弁では、非噴射時にはアクチュエータ
１２に伸び方向の信号を供給している。このとき、アク
チュエータ１２は伸張して差圧室２１の容積を小さく保
っている。燃料室２８に供給されている燃料の圧力は、
この場合針弁ピストン部２４とシリンダ部２５との間の
摺動間隙を介して背圧室２６にも作用しているため、針
弁１３の前後圧力は平衡しており、したがって針弁１３
はスプリング２７の張力により閉弁保持されている。

【００２３】この状態から収縮方向の信号を供給すると
アクチュエータ１２及びピストン部１８は速やかに初期
位置にまで収縮するため、差圧室２１はその容積を拡大
して圧力を低下させる。この圧力低下は通路３０を介し
て直ちに背圧室２６に伝えられるが、このとき針弁ピス
トン部２４とシリンダ部２５との間の摺動間隙がオリフ
ィスとして作用するので、背圧室２６の圧力低下に対し
て燃料室２８の圧力変化に遅れを生じ、燃料室２８は相
対的に高圧になる。このピストン部２４の前後圧力差に
基づき、針弁１３はスプリング２７に抗して背後方向に
通路３０周囲の壁面に当接する位置まで変位し、噴孔２
３を開放して燃料噴射を行う。

【００２４】そのときの要求燃料噴射量に応じて定めら
れた時間が経過した後に再び伸び方向の信号を供給する
と、アクチュエータ１２が再度伸張して室２１及び２６
の圧力を上昇させるため針弁１３が閉弁方向にノズル内
面に着座する位置まで変位して燃料噴射は終了する。非
噴射時の針弁１３の閉弁状態はピストン２４前後の圧力
平衡状態およびスプリング２７の張力により保持され
る。

【００２５】ところで、このようにアクチュエータ１２
が単一構造のものとしてこれにオン・オフ状の信号を付
与して開閉制御した場合、これは従来例に相当する構成
であり、図２に示したように針弁変位が開弁方向または
閉弁方向の最大量に達したとき（図の時間tfまたはte）
に大きな変位速度の状態から急激に針弁が停止させられ
るため大きな衝撃が発生し、これが二次噴射やジャンプ
などの不都合の原因となっていることはすでに述べたと
おりである。

【００２６】これに対して本発明では、上述の通りアク
チュエータ１２を二つのアクチュエータ部１２ａ、１２
ｂに分割した構成とし、これらに付与する駆動信号を適
切なタイミングで制御することにより針弁１３が最大変
位しようとするときの衝撃を緩和しようとするものであ
る。次にこの点を、図３または図４に示した実施形態に
基づいて説明する。なお、図３、図４および以下の説明
においては、表記を簡略化するために第１アクチュエー
タ１２ａは１段目、第２アクチュエータ１２ｂは２段目
と表し、それぞれの変位は図中に破線、一転鎖線で示
す。また、駆動信号はアクチュエータに開弁方向の変位
を与える場合をＯＮ、閉弁方向の変位を与える場合をＯ
ＦＦで示す。

【００２７】まず図３に示した例について説明する。こ
れは、図示したように開弁開始時t0にて１段目と２段目
の双方にＯＮ信号を付与し、その後針弁が最大変位（全
開位置）に達する直前の時期t1に達したときに２段目の
みＯＦＦ信号を付与する。これにより、針弁が最大変位
に達する時期t2より前に実線で示したアクチュエータ１
２の合成変位が減少するため、針弁の速度が低減して最
大変位時の衝撃が緩和される。

【００２８】開弁後は１段目のみが変位した状態である
が、上記（ａ）式で示したようにこの場合１段目のアク
チュエータ部１２ａのみで所要の針弁変位が得られるよ
うにその長さＬ１が設定してあるので、確実に所期の燃
料噴射を行わせることができる。また、必要な針弁変位
を１段目のみで確保しつつ、開弁開始時に２段目を併用
することで開弁応答性を高めることができる。

【００２９】その後、閉弁開始時期t3が到来すると、こ
んどは１段目にもＯＦＦ信号を付与し、これにより針弁
は閉弁方向へと変位することになる。この閉弁方向の変
位の途中、完全に閉弁する直前の時期t4からt5の間、一
時的に２段目のみにＯＮ信号を付与する。このように、
長さの比較的短い２段目のアクチュエータ部１２ｂに一
時的にＯＮ信号を付与することで、閉弁直前の針弁の変
位速度が減殺されるため、閉弁時の衝撃も十分に緩和さ
れる。

【００３０】ところで、図１に示した燃料噴射弁では第
１アクチュエータ部１２ａのみで所要の針弁リフトが得
られるようにしてあるが、これに限らず、各アクチュエ
ータ部１２ａ，１２ｂの合成変位により所要の針弁変位
を得るような設定とすることも可能である。図４はこの
ような場合の制御を示したもので、この場合１段目は開
弁開始時t0から閉弁開始時t3にわたりＯＮ信号を付与す
る点で図３のものと同様であるが、開弁直弁t2の前後で
一時的に２段目にＯＦＦ信号を付与している点で異な
る。この制御により、必要な針弁変位を確保しつつ最大
変位時の衝撃を図３のものと同様にして緩和することが
できる。

【００３１】なお、針弁が全開または全閉するタイミン
グは噴射弁、アクチュエータ、駆動回路等の仕様が定ま
れば実験的に確認することができるので、この実験結果
に基づいて駆動信号を付与するタイミングを決定すれば
よい。もちろん針弁の変位を検出するリフトセンサーを
設け、そのリフト信号に基づいて制御するように構成す
ることも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の概略構成図。

【図２】アクチュエータへの通電制御に関する一実施形
態を示すタイミング図。

【図３】アクチュエータへの通電制御方法に関する他の
実施形態を示すタイミング図。

【図４】従来の燃料噴射弁の作動特性を示す特性線図。

【符号の説明】

１ 燃料噴射弁 ２ 駆動回路 １１ 燃料噴射弁の本体 １２ ピエゾアクチュエータ １２ａ 第１アクチュエータ部 １２ｂ 第２アクチュエータ部 １３ 針弁 １４ ノズル １５ 端板 １６ キャップ １７ ボール １８ ピストン部 １９ シリンダ部 ２０ シールリング ２１ 差圧室 ２２ 皿ばね ２３ 噴孔 ２４ ピストン部 ２５ シリンダ部 ２６ 背圧室 ２７ コイルスプリング ２８ 燃料室 ２９ 燃料供給口 ３０ 通路

フロントページの続き (72)発明者 福田 隆 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピエゾアクチュエータの伸縮を弁体の進
   退動作に変換してノズルを開閉する機構を有する燃料噴
   射弁において、前記ピエゾアクチュエータを互いに軸方
   向に直列に結合した複数のアクチュエータ部で構成する
   とともに、前記各アクチュエータ部をそれぞれ独立して
   駆動する駆動手段を備えたことを特徴とする燃料噴射装
   置。
2. 【請求項２】 燃料噴射弁は、ピエゾアクチュエータを
   収装した本体とその先端部に接続され弁体としての針弁
   を収装したノズルとからなり、本体には該本体内に形成
   されたシリンダ部とピエゾアクチュエータ端部に設けら
   れ前記シリンダ部に摺動自由に嵌合するピストン部とで
   差圧室が画成され、ノズルには該ノズル内に形成された
   シリンダ部と針弁後端部に設けられ前記ノズルシリンダ
   部に摺動自由に嵌合するピストン部とで背圧室が画成さ
   れるとともに針弁を閉弁方向に付勢する弾性体が設けら
   れ、前記差圧室と背圧室とは通路を介して相互に連通さ
   れるとともに燃料が導入され、ピエゾアクチュエータの
   伸縮に伴う差圧室および背圧室の燃料圧力変化に基づき
   針弁を開閉駆動するように構成されていることを特徴と
   する請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 【請求項３】 ピエゾアクチュエータは、長さＬ１の第
   １アクチュエータ部と、長さＬ２の第２アクチュエータ
   部からなり、かつ各アクチュエータ部の長さＬ１、Ｌ２
   は、背圧室のピストン部受圧面積をａ１、差圧室のピス
   トン部受圧面積をａ２、針弁の必要リフト量をｓ、該ア
   クチュエータ部のピエゾ変位率をδ（ただし、δ＝ピエ
   ゾアクチュエータの全長／変位量）とするとき、 Ｌ１＞（ａ１／ａ２）ｓ・δ の条件を満足するように設定されることを特徴とする請
   求項２に記載の燃料噴射装置。
4. 【請求項４】 駆動手段は、開弁開始時に各アクチュエ
   ータ部に開弁方向の駆動信号を供給するとともに、針弁
   が全開となる直前に第２アクチュエータ部に一時的に閉
   弁方向の駆動信号を供給するように構成されていること
   を特徴とする請求項３に記載の燃料噴射装置。
5. 【請求項５】 駆動手段は、開弁開始時に各アクチュエ
   ータ部に開弁方向の駆動信号を供給するとともに、針弁
   が全開となる直前に第２アクチュエータ部に閉弁方向の
   駆動信号を供給し、かつ該閉弁方向の駆動状態を少なく
   とも閉弁直前まで維持するように構成されていることを
   特徴とする請求項３に記載の燃料噴射装置。
6. 【請求項６】 駆動手段は、閉弁開始後、針弁が全閉と
   なる直前に何れかのアクチュエータ部に一時的に開弁方
   向の駆動信号を供給するように構成されていることを特
   徴とする請求項４または請求項５の何れかに記載の燃料
   噴射装置。