JP3767082B2

JP3767082B2 - 燃料噴射弁の製造装置及び製造方法

Info

Publication number: JP3767082B2
Application number: JP11952797A
Authority: JP
Inventors: 雅彦飯泉; 雅彦勝; 孝之荒井; 隆福田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1997-05-09
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2017-05-09
Also published as: JPH10306762A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ピエゾアクチュエータを用いた燃料噴射弁の製造装置及び製造方法に関する。
【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ピエゾ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針弁の開閉を制御するようにしたものが知られている（例えば実開平５−７９５７号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ピエゾ素子は、その製造時に材質等に応じた分極電圧を印加することで特有の圧電特性を示すようになるが、この特性には経時的変化や製造上の誤差要因によりバラツキを有する。この特性のバラツキに部品精度または組立精度上の誤差が加わって、ピエゾアクチュエータを用いた燃料噴射弁では燃料噴射特性に個体差を生じる。
【０００４】
【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変位を圧力に変換し、該圧力変化に基づいて針弁を開閉作動させるようにした燃料噴射弁の製造装置であって、
前記燃料噴射弁に予め定めた圧力を導入した状態で密封する密封手段と、密封された燃料噴射弁の内部圧力を測定する圧力測定手段と、ピエゾアクチュエータに分極電圧を印加する分極電圧印加手段と、測定した内部圧力が予め定めた基準値となるように前記分極電圧を制御する制御手段とを備える。
【０００５】
請求項２の発明は、請求項１の燃料噴射弁を、先端部に開口した噴孔を開閉する針弁と、噴射弁内にてこの針弁に連接し前後に燃料室と圧力室とをそれぞれ画成するピストン部と、針弁の背後に位置して印加電圧に応じて圧力室を拡縮するピエゾアクチュエータとを備え、燃料室には外部の燃料供給系統からの燃料を供給する燃料供給口が設けられると共にこの燃料室と圧力室とを連通するオリフィス部が形成されてなるものとし、かつ圧力測定手段は前記燃料室の圧力を測定するように構成したものとする。
【０００６】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明の制御手段を、分極電圧の調整過程で内部圧力の測定値が基準値に達する以前に分極電圧が予め定めた許容値を超えたときに燃料噴射弁を不良と判定する手段を備えたものとする。
【０００７】
請求項４の発明は、請求項２の密封手段を、燃料噴射弁の噴孔を外部から閉塞する栓体と、燃料供給口に接続する燃料通路の途中に介装される遮断弁とを備えたものとする。
【０００８】
請求項５の発明は、請求項１から請求項４の発明において、内部圧力の基準値を、燃料噴射弁の使用圧力値よりも少なくとも２％大きく設定したものとする。
【０００９】
請求項６の発明は、請求項１から請求項４の発明において、内部圧力の基準値を、燃料噴射弁の使用圧力値よりも７％以上大きく設定したものとする。
【００１０】
請求項７の発明は、ピエゾアクチュエータの変位を圧力に変換し、該圧力変化に基づいて針弁を開閉作動させるようにした燃料噴射弁の製造方法であって、燃料噴射弁内に予め定めた圧力を導入して密封したうえで内部の圧力を測定しながらピエゾアクチュエータに分極電圧を印加し、前記内部圧力が予め定めた基準値に達するように分極電圧を調整するようにした。
【００１１】
【作用・効果】
上記各発明によれば、燃料噴射弁の内部に実際の使用状態で生じる圧力に基づいてピエゾアクチュエータに分極電圧を印加する。すなわちアクチュエータはその変位量ではなく使用条件下での圧力を基準として特性が補償される。このため素子製造時の誤差や経時変化等に原因するピエゾアクチュエータの個々の特性上のバラツキや燃料噴射弁の部品・組立精度に原因する誤差要因にかかわらず、所期の噴射特性を有する燃料噴射弁が得られる。
【００１２】
ピエゾアクチュエータに欠陥がある場合や燃料噴射弁に組付け不良がある場合には、分極電圧の印加に対して内部圧力が十分に上昇しない。したがって、制御手段に不良判定手段を設けた構成によれば、内部圧力の測定値が基準値に達する以前に分極電圧が予め定めた許容値を超えたことに基づきアクチュエータまたは燃料噴射弁に不良箇所があることを判定することができる。
【００１３】
分極電圧を決定する基準となる圧力としては、使用圧力に対して少なくとも２％、好ましくは７％以上大きい値を設定する。これにより主として経時劣化に原因するピエゾアクチュエータの特性変動を有効に補償することができる。なお使用圧力とは、所期の特性を発揮するピエゾアクチュエータを燃料噴射弁に組み込み、これに予め定めた特定の分極電圧を印加したときに噴射弁内部に発生すべき圧力値である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一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は制御手段としての制御回路、３は分極電圧印加手段としての分極回路、４は圧力測定手段としての圧力センサである。
【００１５】
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１１の先端部には、内部に針弁１３を収装したノズルボディ１４が設けられている。
【００１６】
アクチュエータ１２は、薄板状のピエゾ素子を多数積層して円柱状に形成されている。そ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。先端側にはピストン１８が設けられており、このピストン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。
【００１７】
ピストン１８の前方にはシリンダ部１９との間に圧力室２１が画成されており、この圧力室２１に収装された皿ばね２２の張力によりピストン１８は背後方向に付勢されている。
【００１８】
ノズルボディ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１３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がホルダ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２４の背後部に画成された圧力室２６にはコイルスプリング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。
【００１９】
ピストン部２４よりも前方のノズルボディ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に接続した燃料通路３１を介して所定圧力に調圧された燃料が供給される。また背後の圧力室２６は通路３０を介してその背後の圧力室２１と連通している。
【００２０】
この燃料噴射弁では、図示しない燃料噴射制御回路により、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噴射信号をアクチュエータ１２に付与して燃料噴射を行わせる。
【００２１】
このような噴射信号が入力したときの燃料噴射弁１の作動の詳細は次のとおりである。まず、この燃料噴射弁１では、非噴射時にはアクチュエータ１２に例えば２００Ｖ程度の電圧が印加されている。このとき、アクチュエータ１２は伸張して圧力室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、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圧力室２６及び２１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。
【００２２】
この状態から電圧の印加を停止するとアクチュエータ１２及びピストン１９は速やかに初期位置にまで収縮するため、圧力室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を介して直ちに針弁背後の圧力室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３５がオリフィス部として作用するので、圧力室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リフト作動し、噴孔２３を開放して燃料噴射を行う。
【００２３】
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駆動電圧を印加すると、アクチュエータ１２が再度伸張して圧力室２１及び２６の圧力を上昇させるため針弁１３が閉弁方向に移動して燃料噴射は終了する。非噴射時の針弁１３の閉弁状態は上述のようにピストン２４前後の圧力平衡状態により保持される。
【００２４】
ところで、この種のピエゾ素子を使用したアクチュエータ１２は、素子の製造段階でのバラツキにより同一の駆動電圧を印加した場合でも素子の変位量が異なり、圧力室２６の圧力変化量がばらついて燃料噴射量に誤差を生じる。また、燃料噴射弁１やアクチュエータ１２、端板１５、キャップ１６、ピストン１８の部品・組立精度による誤差によっても、同一の素子変位量の場合でも圧力室２６の圧力変化量がばらつき、燃料噴射量に誤差を生じることとなる。
【００２５】
さらに、この種のピエゾ素子を使用したアクチュエータ１２は、図３に示したように製造段階で分極された後の放置時間が経過するにしたがって静電容量が減少し、特性としては印加電圧に対する歪量（伸縮量）が減少する方向に劣化する。このため、上記燃料噴射弁の構成においては、噴射開始時のアクチュエータ１２の収縮量及び圧力室２１の圧力低下量が不足して、燃料噴射量が減少方向に誤差を生じることになる。
【００２６】
本発明では、このような不具合を解決するために、燃料噴射弁１にピエゾアクチュエータ１２を組み込んだ後、燃料噴射弁１に所定圧力を密封した状態でその内部圧力を測定しながらアクチュエータ１２に分極電圧を印加することにより誤差を補償するものである。
【００２７】
このための実施の形態としては、上述した圧力センサ４、分極回路３、制御回路２に加えて、図１に示したように密封手段としてノズルボディ１４に嵌合固定する栓体３２を設けると共に、燃料通路３１の途中に制御回路２からの信号により開閉作動する電磁遮断弁３３を介装する。
【００２８】
栓体３２はシールリング３４を介してノズルボディ１４に油密的に嵌合するとともに、この嵌合固定状態でノズルボディ１４の噴孔２３部分にシール３５を密着させて噴孔２３からの圧力漏れを阻止する。一方、遮断弁３３は圧力計測時に燃料供給口２９側を密封するためのものであり、図示しない供給手段により測定用の初期設定圧力に調圧された燃料もしくはオイルが燃料供給口２９を介して燃料噴射弁１内部の燃料室２８及び圧力室２１、２６に満たされたのち閉弁される。
【００２９】
図２は、このような密封手段を用いて校正を行う燃料噴射弁の製造過程を示した流れ図であり、以下これについて説明する。まず、アクチュエータ１２を本体１１に組み込んで燃料噴射弁１の組立を完了したのち、上述した密封手段の接続を行う（ステップ２０１、２０２）。すなわち、ノズルボディ１４に栓体３２を嵌装すると共に燃料供給口２９に燃料通路３１を接続し、噴射弁内に所定圧を供給したのち遮断弁３３を閉弁させる。また、圧力センサ４の検出部を燃料通路３１に接続して圧力測定の準備をする。
【００３０】
次に、分極電圧Ｖの初期値を設定しこれをアクチュエータ１２に印加する（ステップ２０３、２０４）。分極電圧Ｖの初期値としては、アクチュエータ１２の製造時における分極電圧より若干低めの、例えば２ＫＶ程度に設定する。
【００３１】
この分極電圧Ｖを印加した状態で圧力センサにより燃料室圧力Ｐを測定する（ステップ２０５）。分極電圧の印加に応じてアクチュエータ１２が伸長することにより燃料室２８の圧力Ｐが上昇するので、この圧力Ｐを測定して基準値Ｐｏと比較するのである（ステップ２０６）。圧力基準値Ｐｏは、使用圧力つまりアクチュエータ１２に劣化や誤差がない場合に本来到達すべき圧力値に対して若干大きめに設定しておく。これは、図３に示したようにアクチュエータ１２はその最初に分極処理された製造時からの劣化度合いを示す静電容量が時間経過と共に減少するので、これを補うように高めの分極電圧を印加するのである。具体的には、図示したように静電容量は最初の１０時間までに−２％程度まで急速に低下し、その後−７％程度まで低下すると時間経過に対する劣化の進み具合は漸減するので、基準値Ｐｏとしては少なくとも使用圧力よりも２％大きな電圧値とし、好ましくは７％以上大とすれば、それだけ静電容量を大きく設定できるので、時関経過と共に実際の噴射量が要求噴射量よりも大幅に少なくなるような不具合を防止できる。
【００３２】
このようにして予め設定した基準値Ｐｏと測定圧力Ｐとを比較し、Ｐ≧Ｐｏであればアクチュエータ１２が本来の性能を発揮しうる状態にあるので処理を終了する。これに対して、もしＰ≧Ｐｏでなかった場合には、分極電圧Ｖに所定の増分ΔＶを加えたものを新たな分極電圧Ｖとしてアクチュエータ１２に印加し、再び圧力Ｐを測定する（ステップ２０７〜２０４）。このような処理をＰ≧Ｐｏとなるまで繰り返して、アクチュエータ１２の製造バラツキ、噴射弁の部品・組立精度による誤差、アクチュエータの劣化分を補償して本来の性能を発揮させることが可能となる。
【００３３】
ただし、分極電圧Ｖが増分ΔＶを加算した結果として許容値Ｖｍａｘを超過した場合にはアクチュエータ１２や燃料噴射弁の組み付けに不良があると判断して交換等の処理を図るものとする（ステップ２０９）。許容値Ｖｍａｘは実験的に定められるが、一例としては初期値にその１０％程度を加算したものとする。これは、アクチュエータ１２の劣化度合いを示す静電容量は、図３に示したように製造後１０００時間以上が経過しても−１０％を超えて減少することは通常はないので、分極電圧Ｖが１０％増大しても基準圧力Ｐｏに達しない場合には単なる劣化ではなく何らかの異常があると判定することができるからである。
【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】実施形態に係る燃料噴射弁の製造方法を示す流れ図。
【図３】ピエゾアクチュエータの静電容量の変化特性を片対数表示した特性線図。
【符号の説明】
１燃料噴射弁
２制御回路
３分極回路
４圧力センサ
１１燃料噴射弁の本体
１２アクチュエータ
１３針弁
１４ノズルボディ
１５端板
１６キャップ
１７ボール
１８ピストン
１９シリンダ部
２０シールリング
２１圧力室
２２皿ばね
２３噴孔
２４ピストン部
２５シリンダ部
２６圧力室
２７コイルスプリング
２８燃料室
２９燃料供給口
３０通路
３１燃料通路
３２栓体
３３電磁遮断弁
３５シール

Claims

ピエゾアクチュエータの変位を圧力に変換し、該圧力変化に基づいて針弁を開閉作動させるようにした燃料噴射弁の製造装置であって、
前記燃料噴射弁に予め定めた圧力を導入した状態で密封する密封手段と、密封された燃料噴射弁の内部圧力を測定する圧力測定手段と、ピエゾアクチュエータに分極電圧を印加する分極電圧印加手段と、測定した内部圧力が予め定めた基準値となるように前記分極電圧を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料噴射弁の製造装置。
燃料噴射弁は、先端部に開口した噴孔を開閉する針弁と、噴射弁内にてこの針弁に連接し前後に燃料室と圧力室とをそれぞれ画成するピストン部と、針弁の背後に位置して印加電圧に応じて圧力室を拡縮するピエゾアクチュエータとを備え、燃料室には外部の燃料供給系統からの燃料を供給する燃料供給口が設けられると共にこの燃料室と圧力室とを連通するオリフィス部が形成されてなり、かつ圧力測定手段は前記燃料室の圧力を測定するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁の製造装置。
制御手段は、分極電圧の調整過程で内部圧力の測定値が基準値に達する以前に分極電圧が予め定めた許容値を超えたときに燃料噴射弁を不良と判定する手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料噴射弁の製造装置。
密封手段は、燃料噴射弁の噴孔を外部から閉塞する栓体と、燃料供給口に接続する燃料通路の途中に介装される遮断弁とを備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁の製造装置。
内部圧力の基準値は、燃料噴射弁の使用圧力値よりも少なくとも２％大きく設定されることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の燃料噴射弁の製造装置。
内部圧力の基準値は、燃料噴射弁の使用圧力値よりも７％以上大きく設定されることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の燃料噴射弁の製造装置。
ピエゾアクチュエータの変位を圧力に変換し、該圧力変化に基づいて針弁を開閉作動させるようにした燃料噴射弁の製造方法であって、燃料噴射弁内に予め定めた圧力を導入して密封したうえで内部の圧力を測定しながらピエゾアクチュエータに分極電圧を印加し、前記内部圧力が予め定めた基準値に達するように分極電圧を調整するようにしたことを特徴とする燃料噴射弁の製造方法。