JPS62248851A - 燃料噴射弁用電歪式アクチユエ−タの駆動回路 - Google Patents

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６０−１．７２５０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
ピ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６０−１７２５
０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６０−１３
６９号公報に記載された燃料噴射弁ではノズル孔と反対
側の二−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
用するうちにばらっ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６０−１５
６０３８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
弁の噴射制御用電歪式アクチュエータを駆動するための
駆動回路において、電歪式アクチュエータを充電する側
に各電歪式アクチュエータに対して夫々充電制御用スイ
ッチング素子を設けると共に各電歪式アクチュエータに
対して共通の充電用コイルを設け、電歪式アクチュエー
タを放電する側に各電歪式アクチュエータに対して共通
の放電制御用スイッチング素子と共通の放電用コイルを
設け、充電時にはいずれか一つの充電制御用スイッチン
グ素子を介していずれか一つの電歪式アクチュエータを
充電すると共に放電時には共通の放電用スイッチング素
子を介して電歪式アクチュエータを放電させるようにし
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
関本株、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の入口部は過酷機
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に蓮結される。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ｉ２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１
２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、２′５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
２２、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３
２を介して燃料室２９に連結され、他方ではニードル２
８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
ビン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
するための駆動袋Ｗ４０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５０μｍ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
すればピエゾ用型素子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３８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４４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
りも若干太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８０μ
ｓｅｃ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３６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４
２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
ｌ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８９　、９０の歯付外周面に対向して一対のクラン
ク角センサ９１　、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９
２の出力パルスから機関回転数を計算することかできる
。これらのクランク角センサ９１　、９２は駆動回路７
９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に接続されるン第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７
９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、
Ｓ０□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、、Ｓｔ、Ｓｓ、３４は充電制御用スイッチン
グ素子を形成するサイリスク、Ｌ、は放電用コイル、Ｌ
２は充電用コイル、Ｄ　＋　、　Ｄ　ｇ、’　Ｄ　ａ。

Ｄ４はダイオード、Ｃはコンデンサ、ＶＤＣは直流電源
である。第１図に示きれるように直流電源ＶＤＣ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ｖＤＣのプラス側端子は充電用コ
イルＬ２および各サイリスタＳ１．Ｓ２＋　　Ｇ３．Ｇ
４を介して電歪式アクチュエータ４２ａ、４２ｂ、４２
ｃ、４２ｄのプラス側端子に接続され、直流電源Ｖｔ１
Ｃのマイナス側端子は一方ではサイリスクＳ０、放電用
コイルＬ１および各ダイオードＤ１□、Ｄｚ　、Ｄ３　
、Ｄａ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、４２
ｄ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＋　、Ｓｔ　、Ｓｓ　。

Ｇ４のゲートＧ＋　、’Ｇ２　、Ｇｓ　、Ｇ４　、例え
ばす４リスタＳＩのゲートＧ１にトリガ信号を入力させ
るとサイリスタＳ１はターンオンする。このメき□が第
２図のｔ、で示される。このとき直流電源Ｖｏｃにより
充電されてい名コンデンサＣの両端電圧は充電用コイル
Ｌ２により昇圧され、次いでサイリスタＳ１を介して電
歪式アクチュエータ４２２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２６が上昇せしめられるために燃料噴射弁が
開始される。次いでサイリスタＳ６のゲートＧ（１にト
リガ信号を入力させるとサイリスタＳ０がターンオンし
、電歪式アクチュエータ４２ａはダイオードＤ１、放電
用コイルＬ１およびサイリスタＳ０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２６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、においてサイリスタ
Ｓ２がターンオンし、次いでｔ４においてサイリスクＳ
０がターンオンする。次いでｔ、においてサイリスタＳ
、がターンオンし、次いで【６においてサイリスクＳ０
がターンオンする。これらの時刻ｊｌ＋　　ｔ２＋　　
ｉｌ＋１、．１５，１６．−−−−−−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図かられ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Ｌ２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Ｌ１および共通
のサイリスタＳ０を介して放電される。

その結果、コイルＬ、、Ｌｔ、サイリスタＳ０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、ｓｏ、　３１．　Ｓｔ＋　Ｓａ、　Ｓ４　・・
・サイＩＪ　スタ、Ｌｌ・・・放電用コイル、　Ｌｍ・
・・充電用コイル、Ｄ　ｔ　、　Ｄ　ｚ、Ｄｘ、Ｄａ　
・・・ダイオード。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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において、上記電歪式アクチュエ
   ータを充電する側に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を設けると共に各電歪式
   アクチュエータに対して共通の充電用コイルを設け、電
   歪式アクチュエータを放電する側に各電歪式アクチュエ
   ータに対して共通の放電制御用スイッチング素子と共通
   の放電用コイルを設け、充電時にはいずれか一つの充電
   制御用スイッチング素子を介していずれか一つの電歪式
   アクチュエータを充電すると共に放電時には共通の放電
   用スイッチング素子を介して電歪式アクチュエータを放
   電させるようにした燃料噴射弁用電歪式アクチュエータ
   の駆動回路。