JP2003269280A - 燃料噴射装置 - Google Patents

燃料噴射装置

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JP2003269280A JP2002075582A JP2002075582A JP2003269280A JP 2003269280 A JP2003269280 A JP 2003269280A JP 2002075582 A JP2002075582 A JP 2002075582A JP 2002075582 A JP2002075582 A JP 2002075582A JP 2003269280 A JP2003269280 A JP 2003269280A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 変位を圧力変換するアクチュエータと、その
圧力に応じて制御される切替弁を備え、その切替弁の圧
力室にエア発生なく燃料充填可能な燃料噴射装置を提供
する。 【解決手段】 通電により伸縮する駆動部材6と、駆動
部材6の伸縮に伴ってシリンダ内を摺動するピストン部
材52と、このピストン部材52の一端側に設けられ、
ピストン部材52とともにポンプ室53を区画する作動
ピストン54を有する切替弁5と、駆動部材5の伸縮に
よる変位量を制御する制御手段80とを備え、この制御
手段80によって駆動された駆動部材6の変位をポンプ
室53の圧力変化に変換することで燃料噴射を行なう燃
料噴射装置1において、制御手段80は、燃料噴射を終
了させるために、駆動部材6を収縮させた後に、次回燃
料噴射の開始までの間、噴射を行なわない程度に駆動部
材6の伸縮を繰返させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料噴射装置に関
し、特に変位を圧力変換するアクチュエータを備え、こ
のアクチュエータを用いて弁部材を駆動する燃料噴射装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料噴射装置としては、例えばディーゼ
ル機関用燃料噴射システムとしてのコモンレール式燃料
噴射装置において、ピエゾアクチュエータ等を用いてピ
ストン部材を変位させることによって、弁部の開閉を行
なう弁部材としてのノズルニードルを駆動させ、噴孔か
ら燃料をエンジン100へ噴射供給するものが知られて
いる。
【0003】この種の燃料噴射装置は、例えば3方弁を
用い、ピストン部材の変位を、ピストン部材の下部側に
設けられ、ピストン部材と3方弁の作動ピストンとで区
画された変位拡大室(以下、ポンプ室と呼ぶ)の圧力を
増減するようにするものがある。このポンプ室の圧力を
増減させることで、3方弁の作動ピストンを変位させ、
3方弁を駆動させる。この3方弁は、高圧燃料通路とド
レーン通路との連通を切替えるもので、この切替えによ
って、作動ピストンの下流側に設けたノズルニードルの
背圧室を制御することで、ノズルニードルのリフトを制
御している。
【0004】なお、ピエゾアクチュエータの収縮時に
は、作動ピストンは、ピストン部材側の所定の上方位置
にあって、3方弁が高圧燃料通路と連通する背圧室へ高
圧燃料を導入することで、ノズルニードルは閉弁側へ押
圧され、従って閉弁している。一方、ピエゾアクチュエ
ータの伸長時には、ピストン部材の下方移動(ピエゾア
クチュエータの微小変位による微小移動)により、ポン
プ室の圧力が上昇する。このとき、ピストン部材より小
径の作動ピストンが所定量(上記変位が拡大された所定
作動量)下降することで、高圧燃料通路との連通が閉鎖
され、ドレーン通路との連通に切替えられる。よって、
ノズルニードルがリフトして燃料噴射が行なわれる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の構成では、エン
ジン100の運転中、燃料噴射が繰返し行なわれる際、
ピエゾアクチュエータの伸縮が繰返されるが、作動ピス
トンの移動、およびポンプ室内の圧力変化がこの伸縮に
追従しないおそれがある。特に、燃料噴射終了の際、通
電停止することでピエゾアクチュエータが収縮すると
き、高応答性のピエゾアクチュエータの収縮に対して、
ポンプ室に所定容積を確保するため設けたピストン部材
と作動ピストンとで区画される軸方向離間距離へオーバ
ーシュートしてしまう等により、次の噴射開始つまり、
ピエゾアクチュエータの伸長が行なわれるまでの期間
に、作動ピストンが正規の収縮時停止位置へ戻らない場
合がある。
【0006】この対策として、高応答性のピエゾアクチ
ュエータの移動速度と、作動ピストンの移動速度との中
間速度となる部材を挿入することで緩和する方法が考え
られる。例えば、軽量のチェックプレートと、このチェ
ックプレートと作動ピストンとの間に付勢スプリングを
配置する構成である。
【0007】しかしながら、ピエゾアクチュエータは、
運転状態に対応、すなわち低速から高速域にわたる使用
範囲に対応してその伸縮速度が変わるため、物理量(質
量、付勢力等)で決まってしまう上記構成では場合によ
って、ポンプ室にエア等が生じ、駆動エネルギーが過大
となるおそれがある。
【0008】本発明は、このような事情を考慮してなさ
れたものであり、したがってその目的は、変位を圧力変
換するアクチュエータと、その圧力に応じて制御される
切替弁を備えたものにおいて、その切替弁の圧力室に、
エア発生なく、燃料充填可能な燃料噴射装置を提供する
ことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1によれ
ば、通電により伸縮する駆動部材と、駆動部材の伸縮に
伴ってシリンダ内を摺動するピストン部材と、このピス
トン部材の一端側に設けられ、ピストン部材とともにポ
ンプ室を区画する作動ピストンを有する切替弁と、駆動
部材の伸縮による変位量を制御する制御手段とを備え、
この制御手段によって駆動された駆動部材の変位をポン
プ室の圧力変化に変換することで燃料噴射を行なう燃料
噴射装置において、制御手段は、燃料噴射を終了させる
ために、駆動部材を収縮させた後に、次回燃料噴射の開
始までの間、噴射を行なわない程度に駆動部材の伸縮を
繰返させる。
【0010】駆動部材の伸縮速度に対して、駆動部材に
係合もしくは当接によって移動速度が伝えられるもので
はなく、駆動部材の伸縮による変位を一旦圧力変換した
上でその圧力に応じて移動する作動ピストンの移動速度
は、一般に遅くなる傾向があり、追従性が劣る。特に、
燃料噴射終了の際、駆動部材を収縮させるとき、作動ピ
ストンのオーバーシュート現象等により正規停止位置に
戻るのが遅れる場合がある。
【0011】これに対して、本発明の燃料噴射装置で
は、駆動部材の伸縮による変位量を制御する制御手段を
用いて、次回燃料噴射の開始までの間、噴射を行なわな
い程度に駆動部材の伸縮を行なわせるので、オーバーシ
ュート等により正規停止位置からずれてしまった作動ピ
ストンを正規停止位置へ移動させることが可能である。
【0012】さらに、その正規停止位置への作動ピスト
ンの移動を、複数回に分けて駆動部材の伸縮を繰返すの
で、燃料噴射を生じてしまうような作動ピストンの移動
量、つまり切替弁の作動状態となってしまうことを防止
できる。
【0013】本発明の請求項2によれば、ポンプ室を形
成するピストン部材と作動ピストンとの間には、チェッ
クプレートが設けられている。
【0014】これにより、作動ピストンを正規停止位置
に戻すのに、チェックプレートと、チェックプレートと
作動ピストンとの間に設けた付勢スプリングとによる構
成による付勢スプリングによる付勢力を用いる必要がな
いので、付勢スプリングを無くすことで、ポンプ室内の
無駄容積の低減が図れるので、ポンプ室の容積を小さく
することができ、変位に対する圧力上昇、つまり圧力変
換効率の向上が図れる。
【0015】本発明の請求項3によれば、チェックプレ
ートは、ピストン部材から離間している間、チェックプ
レートと作動ピストンとで区画される側のポンプ室部分
へ流体が流入可能な逆止弁を備えている。
【0016】これにより、ピストン部材とチェックプレ
ートとの間で区画される容積に滞留する流体、すなわち
燃料を、ピストン部材から離間している間、チェックプ
レートと作動ピストンとで区画される側のポンプ室部分
へ移動させることが可能である。したがって、ポンプ室
への燃料充填を確実に行なうことが可能である。
【0017】さらに、上記比較構成のチェックプレート
等の質量と付勢スプリングの付勢力という物理量で決ま
るチェックプレートの移動速度では、運転状態の変化に
対応する駆動部材の伸縮速度の変化に対して対応でき
ず、ポンプ室にエア等を生じる場合がある。これに対し
て、本発明の燃料噴射装置では、制御手段によって、噴
射と噴射の間、つまり運転状態に応じて次回噴射を開始
するまでの期間に、駆動部材の伸縮を繰返し行なうの
で、ポンプ室にエア等が発生することを防止可能であ
る。
【0018】上記駆動部材は、本発明の請求項4に記載
のように、電気信号により伸縮する変位発生部材として
の圧電素子からなる。すなわち、変位を圧力変換するア
クチュエータとして、高応答性を有する圧電素子からな
るものに好適である。
【0019】本発明の請求項5によれば、切替弁は、ポ
ンプ室の圧力変化に応じて摺動自在に移動可能な作動ピ
ストンと、作動ピストンの移動位置に応じて、低圧燃料
通路または高圧燃料通路と、弁部材に加わる背圧を制御
する制御室とを選択的に導通させる弁本体とを備え、弁
部材は、制御室内の圧力が増減されることで噴孔を開閉
する。すなわち、切替弁が、作動ピストンと弁本体とか
らなり、ポンプ室の圧力変化に応じて摺動自在に移動可
能な作動ピストンを有するものに好適である。例えば弁
本体に設けられた開弁圧より小さいポンプ室内の圧力で
あれば、切替弁の作動、切替え状態となることはなく、
従って、開弁圧より小さいポンプ室内の圧力の範囲で、
上記制御手段による噴射と噴射の間における駆動部材の
伸縮の繰返しが容易に行なうことができる。
【0020】
【発明の実施の形態】本発明の蓄圧燃料噴射装置を、デ
ィーゼル機関に搭載されるコモンレール式燃料噴射装置
に適用して、具体化した実施形態を図面に従って説明す
る。図1は、本発明の実施形態の燃料噴射装置を、コモ
ンレール式燃料噴射装置のシステムに適用して、具体化
したシステム全体の概略構成を表す構成図である。図2
は、図1中の制御系を表わす概略構成図である。図3
は、図1中の本発明の実施形態の燃料噴射装置としての
インジェクタの構成を示す部分断面図である。図4は、
図3に示す本発明の要部であるピストン部材と作動ピス
トンの周りを表す断面図である。図5は、図1中のEC
Uにて実行される噴射と噴射との間での駆動部材駆動制
御を示すフローチャートである。なお、図6は、本発明
の一実施例の駆動部材駆動制御による燃料噴射装置の作
動を説明するタイムチャートである。
【0021】(コモンレール式燃料噴射装置に適用する
本実施形態の概略構成)図1に示すように、コモンレー
ル式燃料噴射装置は、燃料タンク104から燃料を汲み
上げる高圧ポンプ107と、高圧ポンプ107から吐出
された高圧燃料を蓄圧するサージタンクの一種であるコ
モンレール105と、多気筒(図1では4気筒)ディー
ゼル機関(以下、エンジンと呼ぶ)100の各気筒毎に
設けられ、コモンレール105に蓄圧された高圧燃料を
その気筒の燃焼室に噴射供給する燃料噴射弁(以下、イ
ンジェクタと呼ぶ)1a〜1dと、エンジン100の運
転状態を検出する運転状態検出手段170と、運転状態
検出手段170で検出された運転状態に応じてインジェ
クタ1a〜1dからエンジン100へ噴射供給される燃
料噴射を制御する制御手段80とを備えている。なお、
この制御手段80は、エンジン100を制御する制御装
置であって、複数のインジェクタ1(1a〜1d)の制
御に限らず、高圧ポンプ107等を電子制御する電子式
コントロールユニット(以下、ECUと呼ぶ)である。
【0022】ここで、エンジン100は、バッテリーの
電力で回転する図示しないスタータ(エンジン始動用モ
ータ)によってエンジン100のフライホイール(図示
せず)が、エンジン100を始動するのに必要な最低回
転速度以上で回されることで始動する。スタータは、車
両乗員がイグニッションスイッチをOFF位置からST
位置に回すことで、ECU80により通電が開始される
(スタータON信号がONされる)。
【0023】複数個(本実施形態では4個)のインジェ
クタ1は、エンジン100の各気筒(シリンダー)の燃
焼室に取り付けられて、エンジン100の各燃焼室内に
高圧燃料を噴射供給する。そして、各インジェクタ1か
らエンジン100への燃料噴射量および燃料噴射時期等
は、アクチュエータとしての、通電により伸縮する駆動
部材(以下、ピエゾアクチュエータと呼ぶ)(噴射期間
可変手段)6a〜6dへの通電および通電停止を、EC
U80で電子制御することにより決定される。
【0024】なお、このインジェクタ1は、本発明の実
施形態に係わる燃料噴射装置であって、このインジェク
タ1の詳細説明、および本発明の特徴である変位を圧力
変換するアクチュエータと、その圧力に応じて制御され
る切替弁を備えたものにおいて、その切替弁の圧力室
に、エア発生なく、燃料充填可能な構成については、後
述する。
【0025】コモンレール105は、比較的に高い(大
気圧の100倍から1000倍以上の範囲)圧力(以
下、コモンレール圧力と呼ぶ)の高圧燃料を蓄える一種
のサージタンクで、高圧パイプ108を介して各インジ
ェクタ1に接続されている。なお、各インジェクタ1、
コモンレール105および高圧ポンプ107から燃料タ
ンク104への燃料のリターン配管109は、コモンレ
ール105内のコモンレール圧力が、限界蓄圧圧力を超
えることがないようにプレッシャリミッタ115からも
圧力を逃がせるように構成されている。
【0026】高圧ポンプ107は、エンジン100のク
ランク軸(図示せず)の回転に伴って回転することで、
燃料タンク104内の燃料を燃料フィルター116を介
在した燃料配管117を経て汲み上げるフィードポンプ
(図示せず)を内蔵し、このフィードポンプにより吸い
出された燃料を加圧して高圧燃料を圧送するサプライポ
ンプよりなる。この高圧ポンプ107には、吐出量調整
用電磁弁としての流量制御電磁弁119が取り付けられ
ている。その流量制御電磁弁(以下、噴射圧力制御用電
磁弁と呼ぶ)119は、ECU80からの制御信号によ
り電子制御され、高圧ポンプ107から燃料配管118
を経てコモンレール105への高圧燃料の圧送量を調整
することで、各インジェクタ1からエンジン100の燃
焼室内に燃料噴射する噴射圧力を変更等をする噴射圧力
可変手段である。
【0027】ECU80は、制御処理、演算処理を行う
CPU、各種の制御プログラムおよびデータを保存する
ROM、入力データを保存するRAM、入力回路、出力
回路、電源回路およびインジェクタ駆動回路(以下、E
DUと呼ぶ)90等より構成されている。このECU8
0は、後述の運転状態検出手段170で検出したエンジ
ン100の運転状態等に応じて高圧ポンプ107の噴射
圧力制御用電磁弁119およびインジェクタ1のピエゾ
アクチュエータ6(6a〜6d)を制御する。なお、E
DU90は、ECU80より出力される制御信号(例え
ば制御パルス信号)を受けて、ECU80で算出された
燃料噴射時期(開弁時期)、燃料噴射量(=噴射期間)
に応じて開弁、閉弁させるように、図示しないバッテリ
ーのバッテリ電圧を昇圧させ、各インジェクタ1のピエ
ゾアクチュエータ6へ供給(通電)または供給停止(通
電停止)を制御する。
【0028】ECU80にエンジン100の運転状態を
示す信号を入力する運転状態検出手段170としては、
図2に示すように、エンジン100の回転速度を検出す
る回転速度センサ171、アクセルペダルの踏み込み量
(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサ17
2、エンジン100が吸入する吸入空気の温度を検出す
る吸気温センサ173、エンジン100の冷却水温を検
出する冷却水温センサ175、エンジン100のクラン
ク軸の回転角度およびエンジン回転速度を検出するクラ
ンク角センサ177等がある。さらに、ECU80に入
力する基本センサとしては、コモンレール105内に蓄
圧された高圧燃料の燃料圧力(噴射圧力、コモンレール
圧力)を検出する燃料圧センサ(燃料圧力検出手段)1
81、およびリターン配管109内の燃料の温度を検出
する燃料温センサ(燃料温度検出手段)182等があ
る。
【0029】ここで、ECU80は、例えばエンジン1
00の定常運転の運転状態においては、クランク角セン
サ177からの例えばクランク軸回転パルス、カム軸回
転パルスの信号などの信号を基準にして、インジェクタ
1の燃料噴射時期(開弁時期)や、高圧ポンプ107の
吐出量(燃料圧送期間)を算出することで、コモンレー
ル圧力を最適な噴射圧力(=目標圧力)に保持するよう
に高圧ポンプ107の噴射圧力制御用電磁弁119への
通電タイミングを制御する。
【0030】そして、回転速度センサ171とアクセル
開度センサ172や、冷却水温センサ175または燃料
温センサ182で測定した値から燃料噴射量を算出し、
この算出した燃料噴射量を達成するために、運転状態毎
にコモンレール105内の燃料圧力から算出されたイン
ジェクタ通電時間指令(値)で各インジェクタ1のピエ
ゾアクチュエータ6をそれぞれ駆動することで、エンジ
ン100が運転される。
【0031】(本実施形態の要部およびその詳細説明)
以下、本実施形態に係わるインジェクタ1について、図
3および図4に従って説明する。図3は、図1中の本発
明の実施形態の燃料噴射装置としてのインジェクタの構
成を示す部分断面図である。図4は、図3に示す本発明
の要部であるピストン部材と作動ピストンの周りを表す
断面図である。
【0032】図3に示すように、インジェクタ1は、駆
動部であるピエゾアクチュエータ6が収容されている上
部ハウジング(以下、ホルダと呼ぶ)2と、その下端側
に固定され、切替弁としての3方弁5と噴射ノズル部4
とを形成する下部ハウジング3とを備えている。
【0033】ホルダ2は、略円柱状で、中心軸に対して
偏心する縦穴21内に、ピエゾアクチュエータ6が挿入
固定されている。この縦穴21の側方には、高圧燃料通
路22が略平行に設けられており、高圧燃料通路22の
上端側は、ホルダ2の側部に突出している燃料導入管2
3内を経て、外部のコモンレール105に高圧パイプ1
08を介して連通している(図1参照)。また、ホルダ
2の側部には、低圧燃料通路(以下、ドレーン通路と呼
ぶ)24に連通する燃料導出管25が突設されており、
この燃料導出管25から流出する燃料は、リターン配管
109を介して燃料タンク106へ戻される(図1参
照)。なお、このドレーン通路24は、縦穴21とピエ
ゾアクチュエータ6との隙間50を経由し、さらに、こ
の隙間50からホルダ2および下部ハウジング3内を下
方に延びる図示しない通路によって3方弁5に連通して
いる。
【0034】噴射ノズル部4は、ノズルボディ31内を
上下方向に摺動するノズルニードル41と、ノズルニー
ドル41の上下移動によって開閉され、高圧燃料通路2
2(詳しくは、その下流に設けられた燃料溜まり42)
から供給される高圧燃料をエンジン100の各気筒に噴
射する噴孔43とを備えている。なお、この燃料溜まり
42は、ノズルニードル41の中間部周りに設けられ高
圧燃料通路22の下端部が接続され、開口している。ノ
ズルニードル41は、燃料溜まり42から開弁方向の燃
料圧を受けるとともに、ノズルニードル41の上端面に
面して設けた背圧室(以下、制御室と呼ぶ)44内の燃
料圧が降下すると、ノズルニードル41がリフトして噴
孔43が開放され、燃料噴射がなされる。
【0035】この制御室44の圧力は、切替弁としての
3方弁5の作動によって増減される。なお、この3方弁
5は、高圧燃料通路22またはドレーン通路24と、制
御室44とを選択的に連通させるものであればよくいず
れ切替弁でもよい。
【0036】なお、この切替弁の詳細については後述す
る。
【0037】ピエゾアクチュエータ6は、電気信号によ
り伸縮する変位発生部材であって、図3に示すように、
薄肉の金属管よりなる筒状容器部材(以下、容器部材と
呼ぶ)11の上半部内には、電圧の印加または解除によ
り伸縮するいわゆる積層型圧電体素子(ピエゾスタッ
ク)61を、下半部内には、積層型圧電体素子61の下
端面に当接して容器部材11内を摺動する駆動ピストン
62を収容している。この積層型圧電体素子61は、両
面に電極を形成した円板状の圧電体を積層してなり、各
圧電体の正電極および負電極は、それぞれ積層体の側面
に塗布成形した側面電極(図示せず)を介して、外部接
続部としてのコネクタ部7のリード線72a、72bに
接続している。なお、積層型圧電体素子61の外周には
絶縁部材63が配設されて、容器部材11との間の絶縁
を確保している。
【0038】ピエゾアクチュエータ6を駆動するために
外部から外部信号を受ける外部接続部としてのコネクタ
部7は、容器部材11の上端開口内に溶接固定される円
柱状のコネクタボディ71を有している。なお、リード
線72a、72bは、コネクタボディ71内に設けた挿
入穴を通じて、コネクタボディ71に一体に設けたコネ
クタ73に接続される。このとき、コネクタボディ71
にリード線72a、72bが気密に封止されることによ
りシール性と絶縁性が確保される。なお、このコネクタ
ボディ71の外周には、ホルダ2に組付けるための固定
部材としてのリテーニングナット74とフランジ部75
が設けられている。
【0039】駆動ピストン62は、下端面より下方に突
出する小径のロッド64を有し、このロッド64周りに
配設したバネ部材としての予荷重スプリング65を、容
器部材11の下端開口内に配した筒状のシート部材12
との間で圧縮することにより、積層型圧電体素子61に
所定の予荷重を加える構成を有する。なお、ロッド64
の下端部は、シート部材12の筒内に摺動自在に挿通さ
れ、先端はシート部材12を貫通して、ダイヤフラム6
6に当接している。シート部材12は、上面が予荷重ス
プリング65を支持するスプリングシートとして機能
し、外周面は容器部材22の内周面に溶接固定されてい
る。ダイヤフラム66は、薄肉の金属板を略皿バネ状に
形成してなり、外周縁部はシート部材12の下面外周部
に設けた環状凸部に溶接固定される。これにより、容器
部材11の下端開口部のシールが確保される。また、ダ
イヤフラム66は、中央部がロッド64に常時当接し、
その変位に追従して変位するように構成されている。す
なわち、積層型圧電体素子61の駆動によるストローク
を、駆動ピストン62およびダイヤフラム66を介し
て、下方のピストン部材52に伝達することができる。
駆動ピストン62およびダイヤフラム66は、変位発生
部材である積層型圧電体素子61に対し、変位伝達部材
として機能する。
【0040】切替弁としての3方弁5は、ポンプ室53
の圧力変化に応じて摺動自在に移動可能な作動ピストン
54と、作動ピストン54の移動位置に応じて、高圧燃
料通路22またはドレーン通路24と、制御室44とを
選択的に連通させる弁本体51とを有している。この弁
本体51は、図3に示すように、高圧燃料通路22また
はドレーン通路24へ連通するポートを開閉するボール
状の弁体(以下、ボール弁と呼ぶ)51aを有してい
る。
【0041】なお、積層型圧電体素子61の変位に応じ
て圧力変化するポンプ室(以下、変位拡大室と呼ぶ)5
3は、作動ピストン(以下、小径ピストンと呼ぶ)54
の径より大きいピストン部材(以下、大径ピストンと呼
ぶ)52と作動ピストン54とで区画された圧力室とし
て構成する。すなわち、図3に示すように、大径ピスト
ン52は、ホルダ2内に縦穴21と同軸に形成されたシ
リンダ内に摺動自在に保持される。大径ピストン52の
変位は、ホルダ2と下部ハウジング3内に設けたノズル
ボディ31の衝合部に形成される変位拡大室53によっ
て油圧変換され、さらにノズルボディ31の上端部中
央、すなわち、燃料噴射装置の略中心軸上に設けたシリ
ンダ32内に摺動自在に保持される小径ピストン54に
伝達される。このとき、これらピストン52、54の径
差によって駆動ストロークが増幅される。積層型圧電体
素子61の変位量は、一般に、積層する圧電体の数を増
やせば増加できるが高価となる。これに対して、ピスト
ン52、54の径差を変えることで駆動ストロークを増
幅することが可能であるので、ピエゾアクチュエータ6
で発生する変位が微小であっても、切替弁5の作動ピス
トンの駆動ストロークを効果的に増幅させて安価に提供
可能となる。
【0042】上記で説明した構成を有する燃料噴射装置
1の作動を説明する。ピエゾアクチュエータ6の積層型
圧電体素子61にコネクタ部7を通じて電圧を印加する
と、積層型圧電体素子61が伸長し、駆動ピストン6
2、ダイヤフラム66とともに大径ピストン52が下降
してポンプ室53の容積が縮小し圧力上昇する。これに
伴い小径ピストンである作動ピストン54が下降して、
3方弁5の弁本体51のボール弁51aを押し下げる
と、制御室44内の燃料が3方弁を介してドレーン通路
24に排出される。これにより、制御室44つまりノズ
ルニードル41に加わる背圧が低下するので、ノズルニ
ードル41をリフトさせ、燃料が噴射される。一方、噴
射を停止させる際には、積層型圧電体素子61の印加電
圧を低下させてこれを収縮させる。すると、駆動ピスト
ンがスプリング65の付勢力によって上昇し、これに追
従してダイヤフラム66と大径ピストン52が上昇す
る。これに伴うポンプ室53内の圧力の低下により小径
ピストン54が上昇し、ピエゾアクチュエータ6の積層
型圧電体素子61から3方弁5のボール弁51aを経て
再び制御室44に高圧燃料22が流入して、ノズルニー
ドル44が噴孔43を閉鎖する。
【0043】これにより、電圧を印加、解除することで
伸縮するピエゾアクチュエータ6の積層型圧電体素子6
1の変位に応じてポンプ室53の圧力変化に変換され、
制御室44をドレーン通路24または高圧燃料通路22
に選択的に連通させ、それぞれ制御室44の圧力の排
出、回復を行なうことで、燃料の噴射、噴射停止が可能
である。
【0044】しかしながら、エンジン100の運転中、
燃料噴射が繰返し行なわれる際、高応答性の積層型圧電
体素子61の変位に対して、ポンプ室53の圧力変換を
介して移動する作動ピストン54の動作が追従しないお
それがある。例えばポンプ室53は、ピエゾアクチュエ
ータ6の伸縮による変位を確実に圧力変換させるため、
その容積は零では成立せず、ポンプ室53の容積は少な
くとも噴射停止時において、所定の最小容積、すなわち
ピストン部材52と作動ピストン54との最小離間距離
が必要となる(図4参照)。このため、高応答性の、ピ
エゾアクチュエータ6の収縮に対して、作動ピストン5
4がその最小離間距離を越えてオーバーシュートしてし
まい、場合によっては次の噴射開始までに作動ピストン
54が収縮時の正規停止位置へ戻らない場合がある。
【0045】そこで、本発明の実施形態では、以下の特
徴を有する構成を具備するようにする。
【0046】まず、ポンプ室53を形成するピストン部
材52と作動ピストン54との間に、図4に示すよう
に、チェックプレート55を設ける。このチェックプレ
ート55は、ピストン部材52から離間している間、チ
ェックプレート55と作動ピストン54とで区画される
側のポンプ室53部分へ流体すなわち燃料が流入可能な
逆止弁55aを備えている。なお、この逆止弁55aの
弁リフト量は所定量として小さくする方がその弁の応答
性向上が図れるので望ましい。
【0047】これにより、作動ピストンの質量に比べて
軽量なチェックプレート55を配置することで、高応答
性のピエゾアクチュエータ6の収縮速度と、作動ピスト
ン54の移動速度との中間移動速度となる部材として、
チェックプレート55を配置することができるので、移
動速度差の緩和が可能で、オーバーシュートによる影響
の低下が可能である。
【0048】さらに、噴射と噴射の間、すなわち噴射停
止がなされている間において、ピエゾアクチュエータ6
を所定の噴射がおこなわれない程度の伸縮を繰返す駆動
制御を行なう(図5および図6参照)。なお、図5は、
図1中のECUにて実行される噴射と噴射との間での駆
動部材駆動制御を示すフローチャートである。図6は、
本発明の一実施例の駆動部材駆動制御による燃料噴射装
置の作動を説明するタイムチャートであって、図6
(a)〜図6(g)は、それぞれ、積層型圧電体素子6
1の変位すなわちピエゾアクチュエータ6の変位、ピス
トン部材(大径ピストン)の変位、チェックプレート5
5の変位、ポンプ室(変位拡大室)の圧力、作動ピスト
ン(小径ピストン)の変位、制御室44の圧力、ノズル
ニードル41のリフト量の特性を表すグラフである。
【0049】これにより、アンダーシュート等により正
規停止位置からずれてしまった作動ピストン54を正規
停止位置へ移動させることが可能である。さらに、その
正規停止位置への作動ピストン54の移動を、複数回に
分けてピエゾアクチュエータ6の駆動制御を行なうの
で、燃料噴射が生じてしまうような作動ピストン54の
移動を起こしてしまう危険を低減でき、従って切替弁5
が燃料噴射させる状態への切替わってしまうことを防止
できる。
【0050】詳しくは、上記駆動制御の一実施例とし
て、図5に示すように、S501(Sはステップを表
す)では、運転状態検出手段170によって検出した検
出信号からECU80が、エンジン100の運転状態を
検知する。詳しくは、回転速度センサ171とアクセル
開度センサ172や冷却水温センサ175等で測定した
値からエンジン負荷としての燃料噴射量(要求燃料噴射
量)をECU80が算出する。
【0051】S502では、S501で求めた運転状態
としてのエンジン負荷(要求噴射量)とエンジン回転数
から、その運転状態に適した目標噴射期間(詳しくは、
目標噴射開始時期および終了時期)を、例えば要求噴射
量とエンジン回転数の2次元マップから演算によって求
める。
【0052】S503では、S502で求めた目標噴射
期間(詳しくは、目標噴射開始時期および終了時期)の
範囲で、ピエゾアクチュエータ6に電圧を印加、解除す
る操作を、複数回(本実施例では、3回)、噴射が生じ
ない程度の伸縮を繰返えす(図6(a)参照)。
【0053】これにより、図6ように、ピエゾアクチュ
エータ6に電圧を印加、解除する操作を、噴射が生じな
い程度の伸縮の範囲で、3回繰返すことで、ポンプ室5
3への燃料充填が、電圧の印加、解除する操作のごと
に、行なうことが可能である(図6(c)参照)。よっ
て、繰返し回数に応じて燃料充填向上が図れる。
【0054】また、ピエゾアクチュエータ6に電圧の印
加、解除の繰返し操作において、印加時には、例え噴射
が生じない程度の伸長であっても、ポンプ室53内に確
実に正圧を加えることが可能である(図6(d)参
照)。したがって、作動ピストン54の自重だけ、ある
いは作動ピストン54に付勢スプリング54aを設けて
付勢力で戻す構成(図7に示す比較例を参照)に比べ
て、正規停止位置へ戻す時間の短縮化が図れる(図6
(e)参照)。なお、ここで、図6において、破線で示
す特性は本実施形態の特性、実線で示す特性は図7の比
較例の特性、一点鎖線示す特性は従来の構成での特性を
示すものである。
【0055】なお、上記チェックプレート55に設けた
逆止弁55aの作用によって、ピストン部材52とチェ
ックプレート55とが離れている間、チェックプレート
55と作動ピストン54とで区画される側のポンプ室5
3部分へ燃料を移動させることが可能である。したがっ
て、ポンプ室53への燃料充填を確実に行なうことが可
能である。
【0056】さらにまた、作動ピストン54を正規停止
位置に戻すのに、チェックプレート55と、チェックプ
レートと作動ピストンとの間に設けた付勢スプリング5
4aとによる構成(図7参照)のように、付勢スプリン
グ54aによる付勢力を用いる必要がないので、付勢ス
プリング54aを無くすことで、ポンプ室内の無駄容積
の低減が図れるので、ポンプ室の容積を小さくすること
ができ、変位に対する圧力上昇、つまり圧力変換効率の
向上が図れる。さらにまた、図7に示す比較例のよう
に、付勢スプリング54aを有する構成で無駄容積を減
らすため設けたスプリングガイド(詳しくは、付勢スプ
リング54aの内周部に立設するガイド部)54bを設
ける必要がないので、製造コストの低減が図れる。
【0057】さらにまた、比較例(図7参照)の構成で
はチェックプレート55等の質量と付勢スプリング54
aの付勢力という物理量で決まるチェックプレート55
の移動速度では、運転状態の変化に対応するピエゾアク
チュエータ6の伸縮速度の変化に対して対応できず、ポ
ンプ室53にエア等を生じる場合がある。これに対し
て、本発明の燃料噴射装置1では、ECU80によっ
て、噴射と噴射の間、つまり運転状態に応じて次回噴射
を開始するまでの期間に、ピエゾアクチュエータ6の伸
縮を繰返し行なうので、ポンプ室53にエア等が発生す
ることを防止可能である。
【0058】なお、本実施形態で説明した3方弁の切替
弁5に限らず、切替弁5が、作動ピストン54と弁本体
51とからなり、ポンプ室53の圧力変化に応じて摺動
自在に移動可能な作動ピストン54を有するものであれ
ば、いずれの弁であってもよい。例えば弁本体51に設
けられた開弁圧より小さいポンプ室53内の圧力であれ
ば、切替弁5の作動、切替え状態となることはなく、従
って、開弁圧より小さいポンプ室53内の圧力の範囲
で、ECU80による噴射と噴射の間における駆動制
御、すなわち噴射と噴射の間でのピエゾアクチュエータ
6の伸縮の繰返しが容易に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の燃料噴射装置を、コモンレ
ール式燃料噴射装置のシステムに適用して、具体化した
システム全体の概略構成を表す構成図である。
【図2】図1中の制御系を表わす概略構成図である。
【図3】図1中の本発明の実施形態の燃料噴射装置とし
てのインジェクタの構成を示す部分断面図である。
【図4】図3に示す本発明の要部であるピストン部材と
作動ピストンの周りを表す断面図である。
【図5】図1中のECUにて実行される噴射と噴射との
間での駆動部材駆動制御を示すフローチャートである。
【図6】本発明の一実施例の駆動部材駆動制御による燃
料噴射装置の作動を説明するタイムチャートである。
【図7】比較例の燃料装置のうち、ピストン部材と作動
ピストンの周りを表す断面図である。
【符号の説明】
1(1a〜1d) インジェクタ(燃料噴射弁) 2 上部ハウジング(ホルダ) 21 縦穴 22 高圧燃料通路 24 ドレーン通路(低圧燃料通路9 3 下部ハウジング 31 ノズルボディ 4 噴射ノズル部 41 ノズルニードル 42 燃料溜まり 43 噴孔 44 制御室(背圧室) 5 切替弁(3方弁) 51 弁本体 51a ボール弁(弁体) 52 ピストン部材(大径ピストン) 53 ポンプ室(変位拡大室) 54 作動ピストン(小径ピストン) 55 チェックプレート 55a 逆止弁 6(6a〜6d) ピエゾアクチュエータ(駆動部材、
噴射期間可変手段) 61 積層型圧体素子 62 駆動ピストン 63 絶縁部材 64 ロッド 65 予荷重スプリング 66 ダイヤフラム 7 コネクタ部 80 ECU(制御手段、制御装置) 100 エンジン 104 燃料タンク 105 コモンレール 6(6a〜6d) ピエゾアクチュエータ(噴射期間可
変手段) 107 高圧ポンプ 119 噴射圧力制御用電磁弁(噴射圧可変手段、流量
制御弁) 170 運転状態検出手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F02M 51/06 F02M 51/06 N Fターム(参考) 3G066 AA07 AC09 AD07 BA19 BA37 BA51 CC01 CC06T CC08T CC08U CC14 CC64T CC69 CE27 CE34 CE35 3G301 HA02 HA04 JA03 JA07 JA12 LB11 LC05

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 通電により伸縮する駆動部材と、 前記駆動部材の伸縮に伴ってシリンダ内を摺動するピス
    トン部材と、 前記ピストン部材の一端側に設けられ、前記ピストン部
    材とともにポンプ室を区画する作動ピストンを有する切
    替弁と、 前記駆動部材の伸縮による変位量を制御する制御手段と
    を備え、前記制御手段によって駆動された前記駆動部材
    の変位を前記ポンプ室の圧力変化に変換することで燃料
    噴射を行なう燃料噴射装置において、 前記制御手段は、燃料噴射を終了させるために、前記駆
    動部材を収縮させた後に、次回燃料噴射の開始までの
    間、噴射を行なわない程度に前記駆動部材の伸縮を繰返
    させることを特徴とする燃料噴射装置。
  2. 【請求項2】 前記ポンプ室を形成する前記ピストン部
    材と前記作動ピストンとの間には、チェックプレートが
    設けら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】 前記チェックプレートは、前記ピストン
    部材から離間している間、前記チェックプレートと前記
    作動ピストンとで区画される側の前記ポンプ室部分へ流
    体が流入可能な逆止弁を備えてい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】 前記駆動部材は、電気信号により伸縮す
    る圧電素子からなることを特徴とすることを特徴とする
    請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の蓄圧式燃
    料噴射装置。
  5. 【請求項5】 前記切替弁は、前記ポンプ室の圧力変化
    に応じて摺動自在に移動可能な前記作動ピストンと、前
    記作動ピストンの移動位置に応じて、低圧燃料通路また
    は高圧燃料通路と、弁部材に加わる背圧を制御する制御
    室とを選択的に導通させる弁本体とを備え、 前記弁部材は、前記制御室内の圧力が増減されることで
    噴孔を開閉することを特徴とする請求項1から請求項4
    のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
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