(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧された燃料が導かれる噴口と、
噴口を開閉するニードル弁と、
印加される電圧により伸長してニードル弁を駆動する圧電アクチュエータと、
噴口に導かれる燃料圧力により圧電アクチュエータに圧縮荷重を付加する与圧ピストンと、
与圧ピストンに加わる燃料圧力を前記圧電アクチュエータによって検出する燃圧センサと、
与圧ピストンに加わる燃料圧力が圧電アクチュエータの安定した作動性が得られる所定値を超えて上昇する条件で圧電アクチュエータに電圧を印加する手段と、
を備えたことを特徴とする圧電式燃料噴射弁。
【請求項２】
前記噴口に導かれる燃料圧力を所定値以下に調節する燃料供給手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の圧電式燃料噴射弁。
【請求項３】
前記噴口に加圧燃料を導く燃圧室と、
与圧ピストンによって画成される背圧室と、
ニードル弁に形成されて燃圧室と背圧室を仕切るピストン部と、
燃圧室と背圧室を連通する絞り通路と、
ニードル弁を閉弁方向に付勢するスプリングと、
を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電式燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの燃料噴射弁等に適用される、圧電素子をアクチュエータとする弁構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンに備えられる燃料噴射弁等に、印加電圧に応じて伸張する圧電素子（ピエゾ素子）を積層した圧電アクチュエータを備え、圧電アクチュエータを介してニードル弁を開弁作動させるものがある。ニードル弁を圧電アクチュエータにより駆動することにより、燃料噴射弁の高速応答性が高まり、高出力化に対応して噴射可能範囲を拡大できる。また、少量の燃料を安定して噴射することが可能となり、燃費の低減がはかれる。
【０００３】
従来、この種の圧電アクチュエータとして、例えば図４に示すようなものがある(特開平７−１９３２９５号公報、参照)。
【０００４】
これについて説明すると、積層型の圧電アクチュエータ７１は、その両端に端板７２，７３が取付けられ、各端板７２，７３を介して圧電アクチュエータ７１に圧縮荷重を付加する円筒状をした与圧スプリング７４が設けられる。圧電アクチュエータ７１は与圧スプリング７４を介して通常の動作力の２〜３割の圧縮荷重が付加されることにより、安定した作動性が確保される。
【０００５】
圧電アクチュエータ７１の製造時、与圧スプリング７４は所定温度に加熱された状態で各端板７２，７３に溶接により結合される。溶接後に与圧スプリング７４が常温まで低下すると、熱膨張差により所定の圧縮荷重が圧電アクチュエータ７１に付加与されるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の与圧スプリング７４は、熱膨張差を利用して圧縮荷重を発生させる構造のため、圧縮荷重にバラツキが生じやすいという問題点があった。
【０００７】
また、圧電アクチュエータ７１の温度変化によって与圧スプリング７４の付与する圧縮荷重が大きく変化するため、温度変化が著しいエンジンの燃料噴射弁に適用した場合、圧電アクチュエータ７１の作動特性が安定しないという問題点があった。また、高温時においては、このような圧縮荷重を発生させる構造では必要な圧縮荷重を確保できないという問題もある。
【０００８】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、圧電式燃料噴射弁において、圧電アクチュエータに付加される圧縮荷重のバラツキを抑えることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の圧電式燃料噴射弁は、加圧された燃料が導かれる噴口と、噴口を開閉するニードル弁と、印加される電圧により伸長してニードル弁を駆動する圧電アクチュエータと、噴口に導かれる燃料圧力により圧電アクチュエータに圧縮荷重を付加する与圧ピストンと、与圧ピストンに加わる燃料圧力を前記圧電アクチュエータによって検出する燃圧センサと、与圧ピストンに加わる燃料圧力が圧電アクチュエータの安定した作動性が得られる所定値を超えて上昇する条件で圧電アクチュエータに電圧を印加する手段と、を備えるものとした。
【００１１】
請求項２に記載の圧電式燃料噴射弁は、請求項１に記載の発明において、前記噴口に導かれる燃料圧力を所定値以下に調節する燃料供給手段を備えるものとした。
【００１２】
請求項３に記載の圧電式燃料噴射弁は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記噴口に加圧燃料を導く燃圧室と、与圧ピストンによって画成される背圧室と、ニードル弁に形成されて燃圧室と背圧室を仕切るピストン部と、燃圧室と背圧室を連通する絞り通路と、ニードル弁を閉弁方向に付勢するスプリングと、を備えるものとした。
【００１３】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の発明において、圧電アクチュエータに印加される電圧を制御することにより、圧電アクチュエータを伸縮させてニードル弁を移動し、噴口を開閉する。
【００１４】
与圧ピストンは噴口に導かれる燃料圧力により圧電アクチュエータに圧縮荷重を付加する。このため、従来装置のように圧電アクチュエータを圧縮する与圧スプリングを設けることなく、構造の簡素化がはかれるとともに、組立時等に圧電アクチュエータの圧縮荷重にバラツキが生じる心配がない。
【００１５】
与圧ピストンに加わる燃料圧力が所定値を超えて上昇する条件で圧電アクチュエータに電圧を印加する構成のため、圧電アクチュエータの安定した作動性が得られる。
【００１６】
圧電アクチュエータに発生する電圧から圧電アクチュエータに付加される圧縮荷重を検出する。これにより、燃料圧力を検出するセンサを燃料供給系に設ける必要がなく、構造の簡素化がはかれる。
【００１７】
請求項２に記載の発明において、燃料供給手段は噴口に導かれる燃料圧力を所定値に調節するため、このとき与圧ピストンは圧電アクチュエータに付与する圧縮荷重が所定の範囲に保たれ、圧電アクチュエータの安定した作動性が得られる。
【００１８】
請求項３に記載の発明において、圧電アクチュエータに電圧を印加して伸長させた状態ではニードル弁の前後に生じる燃圧室と背圧室の圧力は絞り通路により均等化されている。このときニードル弁はスプリングの弾性復元力により閉弁保持されている。
【００１９】
燃料噴射弁の開弁作動時に、圧電アクチュエータは印加される電圧が遮断されて収縮する。圧電アクチュエータの収縮に伴って与圧ピストンが移動することにより、背圧室はその容積が拡大してその圧力が低下する。燃圧室には絞り通路により圧力低下が遅れて伝わるので、背圧室と燃圧室に圧力差が直ちに発生する。この圧力差によりニードル弁がスプリングに抗して噴口を開き、噴口から燃料が噴射される。
【００２０】
燃料噴射弁の閉弁作動時に、各圧電アクチュエータは電圧を印加されることにより伸長する。圧電アクチュエータの伸張に伴って与圧ピストンが移動することにより背圧室の圧力が直ちに上昇し、背圧室と燃圧室の圧力差とスプリングの付勢力によりニードル弁が噴口を閉じ、噴口からの燃料噴射が停止される。
【００２１】
燃料噴射弁は、圧電アクチュエータの変位方向とニードル弁の変位方向が一致しているため、圧電アクチュエータとニードル弁を直列に並べることが可能となり、構造の簡素化がはかれる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を筒内噴射式火花点火エンジンに備えられる燃料噴射弁に適用した実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１に示すように、燃料噴射弁７はその先端に設けられるノズルボディ１をエンジンの燃焼室に臨ませる。ノズルボディ１はエンジンの燃焼室天井壁から燃焼室に臨み、ノズルボディ１の先端に開口した噴口１ｂから燃料噴霧をピストンの冠部に向けて噴出するようになっている。
【００２４】
ノズルボディ１の内部にニードル弁２が摺動可能に収装される。ノズルボディ１の内部にはニードル弁２のまわりに燃圧室３が画成される。ノズルボディ１の先端に噴口１ｂが開口し、噴口１ｂはニードル弁２によって開閉される。
【００２５】
燃料噴射ポンプから圧送される燃料は、燃料入口６から燃圧室３に導入され、ニードル弁２のリフトに伴って噴口１ｂから噴射される。
【００２６】
ニードル弁２はその基端側にピストン部２ｃが環状に突出形成される。ノズルボディ５１およびケーシング９とピストン部２ｃの間には背圧室８が画成される。燃圧室３と背圧室８はピストン部２ｃの外周に形成された絞り通路５を介して連通する。
【００２７】
ニードル弁２を閉弁方向に付勢するコイルスプリング４が設けられる。コイルスプリング４はニードル弁２のピストン部２ｃとケーシング９の間に圧縮された状態で介装され、ニードル弁２と同軸上に配置される。
【００２８】
ケーシング９の内部には背圧室８を画成する与圧ピストン１１が摺動可能に介装される。与圧ピストン１１の外周にはＯリング１２が介装される。Ｏリング１２がケーシング９の円筒状をした内壁面に摺接することにより、背圧室８の密封がはかれる。
【００２９】
与圧ピストン１１を介してニードル弁２を開弁方向に駆動する圧電アクチュエータ１０が設けられる。圧電アクチュエータ１０は円盤状をした複数の圧電素子１３が、同じく円盤状をした内部電極を挟んで積層される。
【００３０】
圧電アクチュエータ１０の固定端は端板１４が結合される。端板１４はケーシング９に溶接により結合される。
【００３１】
圧電アクチュエータ１０は各圧電素子１３にリード線１８，１９、外部電極２６，２７および内部電極を介して電圧が印加される。圧電アクチュエータ１０は各圧電素子１３に電圧が印加されることにより伸長し、背圧室８の圧力を高めてニードル弁２を閉弁させる。圧電アクチュエータ１０は各圧電素子１３に印加される電圧が遮断されることにより収縮し、背圧室８の圧力を低下させてコイルスプリング４を圧縮しながらニードル弁２を開弁方向に駆動する。
【００３２】
リード線１８，１９は圧電アクチュエータ駆動用アンプ３１へと延びている。コントローラ３３では演算された燃料噴射量に対応するパルス信号がつくられ、このパルス信号に応じた電圧が駆動用アンプ３１を介して圧電アクチュエータ１０に印加される。
【００３３】
コントローラ３３はエンジン回転数、エンジンの吸入空気量を始めエンジンの運転条件を検出する各種信号を入力し、これらのエンジン運転条件に応じて燃料噴射量を演算する。
【００３４】
図１はエンジン始動前の状態を示しており、圧電アクチュエータ１０の各圧電素子１３は電圧が印加されて伸長しており、ピストン部２ｃの前後に生じる燃圧室３と背圧室８の圧力は絞り通路５を介して均等化されている。このときニードル弁２はコイルスプリング４の弾性復元力によりノズルボディ１のシート部に着座している。この状態で図２にも示すように各燃料噴射ポンプ５７，５８は電動モータによって駆動され、燃圧室３および背圧室８の圧力が高められる。
【００３５】
なお、エンジン停止時も、コイルスプリング４の弾性復元力により、ニードル弁２のノズルボディ１のシート部に着座させて、燃料の洩れを防止するようになっている。
【００３６】
エンジン始動時および始動後における燃料噴射弁７の開弁作動時に、各圧電素子１３はエンジン回転に同期して印加される電圧が遮断されることにより収縮する。各圧電素子１３の収縮に伴って与圧ピストン１１が移動することにより、背圧室８はその容積が拡大してその圧力が低下する。燃圧室３は絞り通路５を介して圧力低下が遅れて伝わるので、背圧室８と燃圧室３に圧力差が直ちに発生する。この圧力差によりニードル弁２がコイルスプリング４に抗して噴口１ｂを開き、燃圧室３に導かれる高圧燃料が噴口１ｂを通ってエンジンの燃焼室に噴射される。
【００３７】
燃料噴射弁７の閉弁作動時に、各圧電素子１３はエンジン回転に同期して電圧が印加されることにより伸長し、与圧ピストン１１が移動することにより背圧室８の圧力が直ちに上昇し、背圧室８と燃圧室３の圧力差およびコイルスプリング４の付勢力によりニードル弁２が移動してノズルボディ１のシート部に着座する。ニードル弁２がシート部に着座することにより、噴口１ｂが閉塞され、燃料の噴射が停止される。
【００３８】
燃料噴射弁７は、圧電アクチュエータ１０の変位方向とニードル弁２の変位方向が一致しているため、圧電アクチュエータ１０とニードル弁２を直列に並べることが可能となり、構造の簡素化がはかれる。
【００３９】
ところで、圧電アクチュエータ１０の作動を安定させるため、圧電アクチュエータ１０に所定の与圧（圧縮荷重）を付与する必要がある。
【００４０】
しかし、従来装置のように圧電アクチュエータに圧縮荷重を付加する与圧スプリングを設けると、組立時等に圧縮荷重にバラツキが生じやすいという問題点があった。
【００４１】
本発明はこれに対処して、背圧室８に導かれる燃料圧力によって与圧ピストン１１を介して圧電アクチュエータ１０に与圧を付与する構成とし、従来装置に設けられていた与圧スプリングを廃止するものとした。
【００４２】
図２に示すように、フューエルタンク５９に貯溜された燃料は、低圧燃料ポンプ５８を介して吸い上げられ、高圧燃料ポンプ５７に送られる。高圧燃料ポンプ５７は、加圧した燃料を蓄圧室５６へと送り、蓄圧室５６から各気筒の燃料噴射弁７に燃料を圧送する。高圧燃料ポンプ５７から蓄圧室５６に送られる余剰燃料は燃料戻し通路５２を通ってフューエルタンク５９へと戻される。
【００４３】
そして、燃料噴射弁７に導かれる燃料圧力はプレッシャレギュレータ５５を介して所定値になるように調節される。
【００４４】
コントローラ３３は、エンジンの始動前に燃料噴射弁７に導かれる燃料圧力を検出し、検出された燃料圧力が所定値を超えたことを判定してから、圧電アクチュエータ１０を作動させて燃料噴射弁７を開閉し、エンジンの始動を行う。
【００４５】
燃料噴射弁７に導かれる燃料圧力を検出する燃圧センサとして、圧電アクチュエータ１０において与圧ピストン１１に隣接して設けられる１枚の圧電素子１５に付加される圧縮荷重を検出する構成とする。
【００４６】
圧電素子１５を挟持する円盤状をした一対の内部電極は、これに接続した一対の外部電極３６，３７、リード線３８，３９を介して燃圧測定用アンプ４０に接続される。圧電素子１５に付加される圧縮荷重が増減することにより圧電素子１５に発生する電圧を燃圧測定用アンプ４０が増幅し、コントローラ３３はこの発生電圧を燃圧荷重Ｆｎとして入力する。
【００４７】
図３のフローチャートはエンジンの始動時における制御ルーチンを示しており、コントローラ３３において一定周期毎に実行される。
【００４８】
まず、ステップ１では、図示しないスタータスイッチがＯＮとなるのに伴って、低圧燃料ポンプ５８と高圧燃料ポンプ５７を駆動し、燃料を各気筒の燃料噴射弁７に圧送する。
【００４９】
続いてステップ２に進んで、圧電素子１５に付加される燃圧荷重Ｆｎを読込む。
【００５０】
続いてステップ３に進んで、検出された燃圧荷重Ｆｎが所定値Ｆ０を超えたかどうかを判定する。
【００５１】
燃圧荷重Ｆｎが所定値Ｆ０を超えない場合、ステップ５に進んで、圧電アクチュエータ１０の作動を待機する。
【００５２】
燃圧荷重Ｆｎが所定値Ｆ０を超えたことが判定されると、ステップ４に進んで、圧電アクチュエータ１０を作動させて燃料噴射弁７を開閉し、エンジンの始動を行う。
【００５３】
こうして、背圧室８に導かれる燃料圧力がプレッシャレギュレータ５５を介して大気圧との差圧が所定値以上になってから、圧電アクチュエータ１０を作動させる構成により、与圧ピストン１１を介して圧電アクチュエータ１０に所定値以上の圧縮荷重が付加された状態で圧電アクチュエータ１０が作動し、圧電アクチュエータ１０の安定した作動性が得られる。
【００５４】
従来装置のように圧電アクチュエータを圧縮荷重を付加する与圧スプリングを設けることなく、構造の簡素化がはかれるとともに、組立時等に圧電アクチュエータ１０の圧縮荷重にバラツキが生じる心配もない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す燃料噴射弁の断面図。
【図２】同じく燃料供給系のシステム図。
【図３】同じく制御内容を示すフローチャート。
【図４】従来例を示す圧電アクチュエータの斜視図。
【符号の説明】
１    ノズルボディ
１ｂ  噴口
２    ニードル弁
２ｃ  ピストン部
３    燃圧室
４    コイルスプリング
５    絞り通路
６    燃料入口
７    燃料噴射弁
８    背圧室
９    ケーシング
１０    圧電アクチュエータ
１１    与圧ピストン
１３    圧電素子
１５    圧電素子
１８    リード線
１９    リード線
２６    外部電極
２７    外部電極
３１    圧電アクチュエータ駆動用アンプ
３３    コントローラ
３６    外部電極
３７    外部電極
３８    リード線
３９    リード線
４０    燃圧測定用アンプ
【図１】
0003692669.tif 000002
【図２】
0003692669.tif 000003
【図３】
0003692669.tif 000004
【図４】
0003692669.tif 000005