JPS61160563A

JPS61160563A - 電歪式流体噴射制御装置

Info

Publication number: JPS61160563A
Application number: JP60002769A
Authority: JP
Inventors: Toru Yoshinaga; 融吉永; Toshihiko Ito; 猪頭　敏彦; Yasuyuki Sakakibara; 榊原　康行; Masayuki Abe; 誠幸阿部; Yukihiro Natsuyama; 夏山　幸弘
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1985-01-10
Filing date: 1985-01-10
Publication date: 1986-07-21

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、例えば内燃機関の燃料供給装置に用いられる
電歪式流体噴射制御装置に関し、特にディーゼルエンジ
ンの燃料噴射ノズルへの燃料供給開始、及び停止を行う
為のスピル機構を有した制御装置に好適なものである。

〔従来の技術〕

内ｆｉｆｆｌ関、特にディーゼルエンジンの燃料噴射シ
ステムにおいて、噴射量の高精度化を行う為に電子制御
化が望まれている。噴射ポンプのスピル制御に関しても
、機械式のスピルリングに変わるスピル（溢流）用燃料
制御弁が提案されている（たとえば特公昭５１−３４９
３６号公報）。又、騒音、エミッシロン改善の為に、噴
射率制御（パイロット噴射）の可能な燃料制御弁が望ま
れている。しかし、これらの制御を可能にする為には高
速応答に極めて優れた燃料制御弁を使用する必要がある
。ところが、ディーゼルエンジンにおいては、燃料圧が
高圧である為、従来の制御弁は大型となり、従って応答
性に一定の限界があった。従って、パイロット噴射も満
足な性能を得られなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は以上の点に鑑み、制御弁の形状を小型化すると
ともに応答性を向上させ、かつ流体の噴射開始、終了を
制御可能にすると共に、噴射率制御（パイロット噴射）
も可能にすることを目的とし、また、制御弁を駆動する
に際して、外部電源を用いずに駆動することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、高圧流体を低圧側に溢流させる流体通路（１
３１，１３２）と、この高圧流体を外部噴射する噴射通
路と、前記流体通路を連通もしくは遮断する弁体と、こ
の弁体の位ＩＲを制御すると共に上記流体通路の流体圧
を受けて電荷を発生する電歪素子（１４）と、この電歪
素子（１４）を駆動する駆動手段（２５’）とを備え、
この駆動手段（２５’）は、上記電歪素子（１４）に発
生する電荷を第１のスイッチング手段＜２５０）により
所定の時期に放出させることによって、上記電歪素子（
１４）を縮小させ上記弁体（１９）を開弁位置に制御し
、また、第２のスイッチング手段（２４６，２４７＞に
より、上記電歪素子（１４）に発生した電荷を所定の時
期に移動させ電歪素子を縮小し上記弁体を開弁位置に制
御すると共に蓄電手段（２４Ｂ）に電荷を蓄電し、所定
の時期に再び上記蓄電手段に蓄電された電荷を電歪素子
（１４）に供給することで電歪素子（１４）を伸長させ
、上記弁体（１９）を閉弁位置に制御するようにしてい
る。

〔実施例〕

以下図示実施例により本発明を説明する。第１図は、ボ
ッシュＶＥ型として公知の分配型燃料噴射ポンプに本発
明の第１実施例に係る構成を示す。

まず公知の部分について説明する。ポンプケーシング１
１のシリンダポア１１３内に摺動自在に支持されたプラ
ンジャ１は、エンジン回転数のｌ／２に同期して回転往
復運動を行う。すなわち、エンジン回転はギヤまたはタ
イミングベルトを介して駆動軸２に伝達され、プランジ
ャ１は、この駆動軸２により同軸的に回転駆動されると
ともに、フェイスカム３がローラ４に係合することによ
り往復運動をする。フェイスカム３は、連結部材１１４
を介してばね５により常時図の左方に付勢されてローラ
４に係合しており、プランジャ１の往復運動は、軸心周
りに回転してフェイスカム３のカム面の形状に従うこと
により行われる。

プランジャ１はその外周に、１個の分配ポート１０１と
エンジン気筒数と同数の吸入ポート１０２とが形成され
、このプランジャｌの先端面とシリンダボア１１３との
間にはポンプ室６が形成される。ケーシング１１には、
低圧室１１１と、この低圧室１１１をシリンダボア１１
３に連通ずる吸入通路８と、外部の各噴射弁１０をシリ
ンダボア１１３に導通可能な分配通路７が形成される。

分配通路７はエンジン気筒数と同数設けられるとともに
、その途中にはそれぞれデリバリ弁９が設けられる。デ
リバリ弁９はばね９１に抗して開放可能であり、逆止弁
としての機能および吸戻し弁としての機能を有する。

しかしてプランジャ１が左行してポンプ室６が膨張する
時、いずれかの吸入ポート１０２が吸入通路８に導通し
て低圧室１１１内の燃料がポンプ室６に吸入され、これ
とは逆に、プランジャ１が右行してポンプ室６が圧縮さ
れる時、分配ポート１０１がいずれかの分配通路７に導
通してポンプ室６内の燃料が外部に吐出される。

さて本実施例においては、ポンプ室６内の燃料圧を制御
するために、制御弁１２が設けられている。

制御弁１２は、ポンプケーシング１１に設けられ、ポン
プ室６と低圧室１１１との通路を開閉する。制御弁１２
はバルブハウジング１３と、電歪素子積層体１４と、ピ
ストン１５と、皿ばね１６と、アッパーピース１７と、
シリンダ１８と、弁体１９と、ロアピース２０とナツト
２１を具備する。

ナツト２１及びロアピース２０には、ポンプ室６と高圧
燃料通路１３１を介して導通する高圧通路１３２が形成
される。又バルブハウジング１３にはポンプケーシング
１１に穿設された通路１１２を介して低圧室１１１と導
通する低圧燃料通路１３３．１３３’と、これら低圧燃
料通路１３３゜１３３′が開口するシリンダポアとが形
成される。

このシリンダボアは、小径の第１シリンダボア１３４と
大径のシリンダボア１３５とから成る。小径のシリンダ
ボア１３４内に電歪素子積層体１４、ピストン１５、皿
バネ１６が装入される。前記低圧燃料通路１３３の一端
はこの電歪素子積層体１４の装入されている小径のシリ
ンダボア１３４のピストン１５の近傍に開口している。

他端は大径のシリンダポア１３５の環状溝１３６に開口
している。もう一方の低圧燃料通路１３３′の一端は小
径のシリンダポア１３４の上方に開口しており、他端は
バルブハウジング１３の外部に開口し、低圧室１１１と
導通する。

大径のシリンダボア１３５内にアッパーピース１７、シ
リンダ１８、ロアピース２０が挿入されナツト２１で固
定される。

シリンダ１８には環状溝１８１、環状溝１８１からシリ
ンダ１日外周面へ導通する４ケの放射状通路１８２が設
けてあり、この放射状通路１８２は、前記シリンダポア
１３５の環状？Ｒ１３６と導通する。

弁体１９は、シリンダ１８の内に摺動自在に挿入される
。弁体１９の中心軸上には小孔１９１があり小孔１９１
の一部に小孔の絞り１９２が形成されている。小孔１９
１の下端は高圧通路１３２に開口し、小孔１９１の上端
は、アッパーピース１７の中心を貫通じた制御通路１７
１に開口している。

弁体１９の上端面１９３、下端面１９４はそれぞれアッ
パーピース１７の下端面１７２、ロアピース２０の上端
面２０１に弁体１９の着座位置で密着可能となる。通常
弁体１９は第１図に示す如（スプリング２３でロアピー
ス２０に付勢されている。なお、密着させる為に、弁体
１９の上端面１９３、下端面１７２、ロアピース２０の
上端面２０１は鏡面仕上としである。

電歪素子積層体１４は、薄い（約０．５ｍ）円盤状の素
子を約８０枚積層して円柱状としたものである。電歪素
子はＰＺＴと呼ばれるセラミックであり、チタン酸ジル
コン酸鉛を主成分としている。

通常このＰＺＴをアクチュエータとして使用するには、
外部の電源からＰＺＴに電圧を印加し、その印加電圧に
応じて伸縮する性質を利用している。

しかし、本発明においては、ＰＺＴを駆動する為に外部
の電源を使用する必要はない。

このＰＺＴは、ＰＺＴに蓄えられた電荷の状態により材
料特性が変化するという性質を持っている。例えば、電
荷が多く蓄積された状態でのヤング率と、電荷がＭ積さ
れていない状態でのヤング率が異なるのである。後者が
ヤング率が大きく、同じＰＺＴでありながら軟らかくな
る。

本発明は、この性質を利用したものである。プランジャ
ｌが右行してポンプ室６の圧力が上昇する時、弁体１９
の絞り１９２を介して、電歪素子積層体１４には燃料圧
による力が作用する。この力に応じて電歪素子積層体１
４には電圧が発生、つまり電荷が発生する。

噴射停止時、発生した電荷をショート等により放出させ
ると、前述の如くヤング率が大となり、　　゛つまり、
急に柔らかくなり、その分、収縮をする。

この制御は、リード線２４１．２４２により、第２図に
示す駆動回路２５′を含む外部のコントローラ２５によ
って行われる。

電歪素子積層体１４が縮小した時、ピストン１５は皿バ
ネ１６で上昇し、制御室２２の容積が急激に拡大、同時
に、制御室２２の油圧は急激に低下し弁体１９を吸い上
げる。

弁体１９のストロークは、１５０μｍに規制されており
、弁体１９がアッパーピース１７に密着すると、弁体１
９の下端面の受圧力の方が上端面の受圧力より大となり
その位置を維持する。

又、電歪素子積層体１４に発生した電荷を放出する際、
他のコンデンサ等の蓄電装置に一時蓄電しておき、ある
タイミングで電歪素子積層体１４に戻すと、伸長する。

この為、制御室２２の圧力は上昇し、弁体１９と閉弁方
向に押し戻すことが可能となる。

本実施例では、電歪素子積層体１４の電荷を放出させ、
電歪素子を収縮させた直後、別の後述する蓄電装置（コ
ンデンサ）に蓄えられた電荷を電歪素子積層体１４に加
えると、電歪素子積層体１４が伸長する。即ち、弁体１
９は開弁方向へ移動開始した直後、再び閉弁方向へ戻る
。この為、ポンプ室６の圧力は上昇する途中で、一端低
下し、再び上昇する。このタイミングをうまくとると、
ノズル１０からの噴射を一時停止することが可能となり
、この方法によりパイロット噴射が可能となる。この時
の弁体１９のストロールは約１５μｍ程度である。

ここで注意しなければならないのは、加える電荷を放出
した電荷以上にしないと弁体１９をもとの位置まで戻す
ことができない。この為、放出した電荷以上を蓄電装置
から供給する。

また、噴射終了時には、ポンプ室６内の燃料は瞬時にス
ピルされなければならない。本実施例では、この条件を
満足させる為に１５０μｍのストロークを要し、この為
に電圧素子積層体１４の縮み量をなるべく多くする必要
がある。本実施例では、メイン噴射開始時に蓄電装置か
ら電荷を電歪素子積層体１４に加える為、その分電荷が
蓄電されていることになる。この状態からポンプ室６の
圧力がプランジャ１の右行と共にさらに上昇すると電歪
素子積層体１４の電荷はさらにＭ電される。

この状態で電歪素子積層体１４の電荷を蓄電装置に放出
させると、電歪素子８８体体、急激にかつ大量に収縮を
する。この為、弁体１９をアッパーピース１７に密着す
るまで吸引する。

ポンプ室６の燃料は弁体１９を介して低圧室１１１にス
ピルされ、ノズル１０からの噴射は完全に停止される。

この時、弁体１９の下端面の受圧力の方が上端面の受圧
力より大となりその位置を維持する。この時、ポンプ室
６の高圧燃料は、高圧燃料通路１３１、高圧通路１３２
、環状溝１８１、放射状通路１８２、環状溝１３６、低
圧燃料通路１３３を経て、電歪素子体積層１４を冷却し
、低圧燃料通路１３３′を経て、低圧室１１１内へと流
れる。

ポンププランジャ１が吸入行程に入ると、ポンプ室６の
圧力低下により弁体１９がポンプ室６側に吸引され、か
つスプリング２３の力も加わって弁体１９は閉弁する。

この時、電歪素子積層体１４は、受圧力低下に応じて伸
長する。

次に、燃料制御弁１２の駆動回路２５′の詳細を第２図
に示す。電歪素子積層体１４は、リード線２４１，２４
２により駆動回路２５′に接続され、駆動回路２５′は
コントローラ２５に接続されている。このコントローラ
２５の指令により駆動回路２５′を介して電歪素子積層
体１４に発生した電荷の放出や、蓄電装置としてのコン
デンサ２４８との電荷の授受を行う。コントローラ２５
は、アクセル開度およびポンプ回転数の各信号により、
適当な時期に電歪素子積層体１４に発生した電荷を放出
するサイリスタ２５０のトリガ信号（トリガ１）、コン
デンサ２４８へ移動あるいはコンデンサ２４８から電歪
素子積層体１４へ電荷を移動させるサイリスタ２４６，
２４７のトリガ信号（トリガ３あるいはトリガ２）を与
える。アクセル開度の信号はアクセルペダル２６の支軸
に設けられたポテンショメータ２６１から入力され、ポ
ンプ回転数の信号は、ポンプケーシング１１に設けられ
た２個の磁気抵抗素子（ＭＲＥ）センサ２７．２８から
入力される。センサ２７，２８は駆動軸２に一体的に固
定された円盤２９に形成された凹凸を検出するもので、
センサ２Ｂは円ｉ２９の外周面に５°間隔毎に形成され
た凹凸を検出し、センサ２７は円盤２９の外周近傍に設
けらさた１個の突起２９１を検出する。これらのセンサ
２７．２８の出力信号により、従来公知のように、エン
ジンの位相およびポンプ回転数がわかる。

しかして、電歪素子積層体１４はコントローラ２５及び
駆動回路２５′によって、バルブハウジング内で伸縮し
てピストン１５を往復動させ、弁体１９の進退を行い、
ポンプ室６内の燃料を遮断しノズル１０から噴射を行わ
せたり、ポンプ室６内の圧力を一時低下させノズル１０
からの噴射を中断つまりパイロット噴射を行ったり、低
圧室１１１と連通させ、ポンプ室６内の燃料をスピルし
、ノズル１０からの噴射を停止する。

なお、ポンプケーシング１１の低圧室１１１には、燃料
フィードポンプ３０により燃料タンク３１内の燃料が供
給される。

ここで、第２図において、１４は前記電歪素子積層体で
あり、２４３は電歪素子積層体１４に負電圧が表れない
様にする為のダイオード、２４４゜２４５．２４９は共
振用コイルで、２５０，２４６．２４７はサイリスタで
ある。２４８はコンデンサである。サイリスタ２５０，
２４６．２４７のトリガ１、トリガ２、トリガ３、コン
トローラ２５で演算したパイロット噴射停止時期、メイ
ン噴射開始時期、メイン噴射停止時期の信号を入れる。

本実施例装置は以上の構成を存し、次の様な作動を行う
。

通常、燃料制御弁１２の弁体１９はスプリング２３で閉
弁、ロアピース２０に当接、ノーマリクローズとなって
いる。

プランジャ１が圧送行程に入り、ポンプ室６の圧力が上
昇、電歪素子積層体１４は燃料圧で圧縮され電荷を発生
すると共にノズル１０からパイロット噴射が開始される
。パイロット噴射停止時期になった所で、コントローラ
２５は駆動回路２５のサイリスタ２５０にトリガ１の信
号を出す。サイリスタ２５０が導通し、電歪素子積層体
１４に発生した電荷が放出されると、電歪素子積層体１
４のヤング率が増大し、急激に収縮を行う。この為制御
室２２の圧力が低下、弁体１９は１５μｍ程度吸引され
、ポンプ室６の圧力が急激に低下し、ノズル１０からの
噴射が一時停止する。

次にコントローラ２５は駆動回路２５′のサイリスタ２
４６にトリガ２の信号を出す。サイリスタ２４６が導通
し、コンデンサ２４８に蓄えられた多量の電荷が電歪素
子積層体１４に移動し、電歪素子積層体１４の両端に電
荷が発生し、電歪素子積層体１４が伸長する。この為ピ
ストン１５を押下げ、制御室２２の油圧が上昇、弁体１
９をロアピース２０に密着するまで押下げる。ポンプ圧
力室６の圧力が上昇し、ノズル１０からメイン噴射が開
始される。この時、弁体１９の上下の圧力は、絞り１９
２がある為やがて同じになるが、弁体１９がロアピース
２０に密着している為、上端面１９３の受圧面積が、下
端面１９４により大となり、閉弁状態が維持できる。

この状態で、プランジャ１がさらに右行すると、ノズル
ｌＯから噴射が続行されると共にポンプ室６の圧力がさ
らに上昇し、圧電素子積層体１４には、引続き電荷が蓄
積される。

メイン噴射終了時期にコントローラ２５で駆動回路２５
′のサイリスタ２４７にトリガ３の信号を入れると、サ
イリスタ２４７が導通し、電歪素子積層体１４に蓄電さ
れた多量の電荷がコンデンサ２４８に一気に移動する。

この時、電歪素子積層体１４のヤング率は急激に大きく
なり、ピストン１５は皿バネ１６で上昇し、制御室２２
内の燃料圧が急激に低下して弁体１９を１５０ＩＩｍ吸
引開始Ｌ、アッパーピース１７に密着する。この為、ポ
ンプ室６内の燃料は低圧室１１１に電歪素子積層体１４
を冷却した後、還流され、ポンプ室６の圧力は低下する
為、ノズル１ｏからの噴射が停止する。

次に上記の電歪素子積層体１４の電荷の量に応じて発生
する電圧、ポンプ室６の圧力、噴射率について述べる。

電歪素子積層体１４に圧力を加えると電荷が蓄積されそ
れに応じて、電圧が発生する。又コンデンサ２４８の電
荷を電歪素子積層体１４に移動させた場合も電歪素子積
層体１４には電圧が発生する。逆に、電歪素子積層体１
４に蓄電した電荷をサイリスタ２５０で放出した際、又
はサイリスタ２４７でコンデンサ２４８は電荷を移動さ
せると電歪素子積層体１４の電圧は低下する。

この電歪素子積層体１４の両端に発生する電圧を第３図
に示す。第３図（ａｌは、電歪素子積層体１４の電極に
発生する電圧、第３図（ｂｌはポンプ室６の圧力、第３
図（Ｃ１は噴射率を示す。トリガ２で、電荷をコンデン
サ２４８から電歪素子積層体１４に移動させる際の電荷
の量は、トリガ１でサイリスタ２４６を導通させ放出し
た電荷の量より多い。

この為、電歪素子１４は、トリガ１で収縮した量より大
きい量伸長する。この為弁体１９を再び閉弁させるこさ
とが出来、メイン噴射を開始できる。

理論的には、トリガ３でサイリスタ２４７を導通し、電
歪素子積層体１４に電荷を移動させる際５００ｖ分の電
荷が移動し、次のサイクルでトリガ２により、コンデン
サ２４８の電荷を電歪素子積層体１４に戻すと全量が移
動し、電圧は、５゜Ｏ■に再び上昇するはずであるが、
実際には損失があり３００ｖ程度までしか上昇しない。

しかし、トリガ１で発生していた２００ｖより高くなる
為に、弁体１９を閉弁させることが可能となる。以上の
作動を繰り返すことにより、外部電源を使用せずとも、
パイロット噴射が可能となる。

なお、上記実施例において、運転期間中常時パイロット
噴射を行う必要はなく、低速低負荷時、特にアイドル運
転中にパイロット噴射を行い、高速高負荷時にはメイン
噴射のみを行うようにしても良い。

また、上記実施例においては、パイロット噴射時に、弁
体１９が１５μｍリフトした際、環状溝１８１が高圧通
路１３２と導通しない様にロアピース２０の上端面２０
１より上方に構成し、ポンプ室６の燃料がスピルされな
い様に工夫した。これは、スピルをすると圧力室６内の
圧力が低圧室１１１の圧力まで低下し、次のメイン噴射
が開始されるまでに圧力が上昇するのに時間がかかって
しまうことに着目し、メイン噴射開始時期の応答性を向
上させる為である。しかしながら、弁体１９の開弁と同
時にスピルが開始される構造であっても、パイロット噴
射、メイン噴射の制御は可能である為、弁体１９とシリ
ンダ１８の構造は、弁体１９の開弁と同時にポンプ室６
と低圧室１１１が連通ずる構造でも良い。

また、上記実施例では分配型ポンプのポンプ室の油圧制
御に本発明を通用したが、エンジンに直接燃料の噴射を
行う電歪式の燃料噴射装置に通用しても良い。

〔発明の効果〕

以上の様に本発明は、電歪素子の伸縮に応動して弁体を
駆動し、これにより流体圧力室の流体圧を制御し、少な
くとも噴射開始、終了を制御する電歪式流体噴射制御装
置であって、流体の圧力を電歪素子に加え、その時発生
する電荷を放出すると共に、蓄電装置に蓄電あるいはこ
の蓄電装置から電歪素子に戻すことにより前記弁体を進
退させ流体通路を開閉しているので、従来必要とされて
いた電歪素子駆動用外部電源を使用せずとも、積度良く
噴射開始、噴射終了、噴射率制御（パイロット噴射）が
可能になるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面構成図、第２図は
第１図におけるコントローラ中の駆動回路の電気回路図
、第３図は本実施例の作動説明に供する波形図である。６・・・ポンプ室、７・・・分配通路、１０・・・噴射
弁、１２・・・制御弁、１４・・・電歪素子積層体、１
５・・・ピストン、１９・・・弁体、２２・・・制御室
、２５・・・コントローラ、２５′・・・駆動回路、１
３１・・・高圧燃料通路、１３２・・・高圧通路、２４
６，２４７，２５０・・・サイリスタ、２４８・・・コ
ンデンサ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）高圧流体を低圧側に溢流させる流体通路と、前記
高圧流体を外部に噴射する噴射通路と、前記流体通路を
連通もしくは遮断する弁体と、印加電圧に応じて前記弁
体を進退動するとともに前記流体通路の流体圧を受けて
電荷を発生する電歪素子と、この電歪素子を駆動する駆動手段とを備え、この駆動手
段は、第１のスイッチング手段により上記電歪素子に発
生する電荷を放出させることによって、前記電歪素子を
縮小させ前記弁体を開弁位置に制御し、第２のスイッチング手段により前記電歪素子に発生した
電荷を移動させ蓄電手段に蓄電すると共に前記電歪素子
を縮小させ前記弁体を開弁位置に制御し、かつこの蓄電
手段に蓄電された電荷を前記電歪素子に供給して電歪素
子を伸長させ、前記弁体を閉弁位置に制御するようにし
たことを特徴とした電歪式流体噴射制御装置。
（２）前記流体は内燃機関に供給する燃料であり、前記
電歪素子の電荷を放出させる第１のスイッチング手段に
より燃料圧を低下させ燃料の噴射を一旦停止し、前記第
２のスイッチング手段により前記蓄電手段に蓄えられた
電荷を電歪素子に供給することで噴射を再開すると共に
前記電歪素子に発生した電荷を蓄電装置に移動させるこ
とで噴射を終了させ、パイロット噴射及び主噴射を行う
ようにしたことを特徴とした特許請求の範囲第１項に記
載の電歪式流体噴射制御装置。
（３）前記第１および第２のスイッチング手段としてサ
イリスタを用いることを特徴とする特許請求の範囲第１
項または第２項に記載の電歪式流体噴射制御装置。
（４）前記電荷を蓄電する蓄電装置としてコンデンサを
用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３
項のいずれかに記載の電歪式流体噴射制御装置。
（５）前記パイロット噴射終了時に電歪素子から放出さ
れる電荷の量に比べ、前記主噴射開始時期に前記蓄電手
段から電歪素子に供給される電荷の量が大であることを
特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の電歪式流体噴
射制御装置。