(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加電圧により伸縮する圧電式のアクチュエータと、このアクチュエータと一体に進退するアクチュエータ側ピストンと、このアクチュエータ側ピストンの一端が臨んだ差圧室と、燃料噴孔を開閉するニードル弁と、燃料通路を介して燃料が導入され、上記ニードル弁の開弁時に燃料噴孔と連通する燃圧室と、上記差圧室と燃圧室との圧力差に応じて上記ニードル弁と一体に進退するニードル弁側ピストンと、上記アクチュエータを伸縮させて上記差圧室内の圧力を制御する制御手段と、を備え、
この制御手段は、内燃機関の始動に先がけて、上記アクチュエータを伸張させることにより、上記差圧室内の圧力を、少なくとも燃圧室内の燃圧よりも高い所定の初期設定圧まで速やかに上昇させ、上記差圧室内の圧力が上記初期設定圧に達するまで、内燃機関の始動を禁止することを特徴とする圧電式燃料噴射弁。
【請求項２】
上記差圧室内に、少なくとも燃料より大きな体積弾性率を有する作動流体を予め密封し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】
上記アクチュエータ側ピストンと、このアクチュエータ側ピストンが嵌合するシリンダとの間に、上記差圧室をシールする第１のシール部材を設けるとともに、
上記ニードル弁側ピストンと、このピストンが嵌合するシリンダとの間に、上記燃圧室と差圧室とを液密に隔成する第２のシール部材を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電式燃料噴射弁。
【請求項４】
上記作動流体がシリコン油であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電式燃料噴射弁。
【請求項５】
上記アクチュエータの一部を、上記差圧室内の圧力を検出する圧力センサとして利用し、
上記制御手段は、この圧力センサからの検出信号に基づいて、上記差圧室内の圧力をフィードバック制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電式燃料噴射弁。
【請求項６】
内燃機関の始動時には、上記圧電式燃料噴射弁とは異なる始動用燃料噴射弁により燃料噴射を行い、上記燃圧室内の圧力が少なくとも上記初期設定圧以下の所定の設定圧に達した時点で、上記始動用燃料噴射弁を停止するとともに、上記圧電式燃料噴射弁による燃料噴射を開始することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車等の内燃機関に用いられる燃料噴射装置に関し、特に、圧電式アクチュエータの伸縮に応じて高圧燃料噴射を実現する圧電式燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧電式燃料噴射弁として、特開平６−２８０７１１号公報に記載されたものが公知である。この燃料噴射弁は、印加電圧に応じて伸縮する圧電式のアクチュエータと、このアクチュエータと一体に進退するピストンと、このピストンの一端が臨んだ差圧室と、燃料噴孔を開閉するニードル弁と、燃料通路を介して燃料が導入され、ニードル弁の開弁時に燃料噴孔と連通する燃圧室と、を備え、上記差圧室と燃圧室との圧力差によりニードル弁を進退させて燃料噴孔を開閉するように構成されている。
【０００３】
このような圧電式燃料噴射弁は、アクチュエータの駆動制御による高精度の噴射制御と、ニードル弁の前後に作用する燃圧室及び差圧室の圧力を利用した高い燃料噴射圧の確保とを両立できるため、高圧噴射が要求される筒内直接噴射式の内燃機関に特に適している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような圧電式燃料噴射弁は、燃圧室と差圧室とがオリフィスを介して互いに連通しており、差圧室内の作動流体が燃料となるために、以下のような課題を有している。
【０００５】
第１に、差圧室内に存在する作動流体としての燃料の体積弾性率は一般的な作動流体の中でも相対的に小さいため、ニードル弁を高応答で開閉させるためには、ニードル弁前後（差圧室）の圧力変動を大きくする必要があり、そのためには、アクチュエータの変位量を大きくする必要がある。この結果、アクチュエータの変位量が大きくなり、あるいはアクチュエータの駆動電圧が高くなり、サイズ，コスト，消費電力等の点で課題を残している。
【０００６】
第２に、内燃機関の始動時には、燃圧室内に供給される燃料の圧力上昇に伴って、燃圧室内の圧力が速やかに上昇する一方、オリフィスを介して燃圧室に連通する差圧室内の圧力上昇は相対的に遅れる形となる。この結果、一時的に燃圧室内の圧力が差圧室に対して高くなって、ニードル弁が不用意に開弁して燃料が噴射されてしまう虞があり、信頼性の点で課題を残している。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧電式燃料噴射弁は、印加電圧により伸縮する圧電式のアクチュエータと、このアクチュエータと一体に進退するアクチュエータ側ピストンと、このアクチュエータ側ピストンの一端が臨んだ差圧室と、燃料噴孔を開閉するニードル弁と、燃料通路を介して燃料が導入され、上記ニードル弁の開弁時に燃料噴孔と連通する燃圧室と、上記差圧室と燃圧室との圧力差に応じて上記ニードル弁と一体に進退するニードル弁側ピストンと、を備えている。
【０００８】
上記の構成により、アクチュエータを収縮させると、差圧室内の圧力が速やかに上昇し、差圧室と燃圧室との圧力差に応じてニードル弁が開弁し、燃料が噴射される。一方、アクチュエータを伸長させると、差圧室内の圧力が速やかに下降し、差圧室と燃圧室との圧力差に応じてニードル弁が閉弁し、燃料噴射が停止される。
【０００９】
そして、請求項２の発明は、上記第１の課題に鑑みてなされたもので、上記差圧室内に、少なくとも燃料より大きな体積弾性率を有する作動流体を予め密封したことを特徴としている。
【００１０】
この請求項２の発明によれば、差圧室内の作動流体が燃料の場合に比して、ニードル弁の高応答性を維持するために必要十分な圧力差を維持しつつ、アクチュエータの変位量又は駆動電圧を効果的に抑制することができる。
【００１１】
請求項２の発明をより具体化した請求項３の発明は、上記アクチュエータ側ピストンと、このアクチュエータ側ピストンが嵌合するシリンダとの間に、上記差圧室をシールする第１のシール部材を設けるとともに、上記ニードル弁側ピストンと、このピストンが嵌合するシリンダとの間に、上記燃圧室と差圧室とを液密に隔成する第２のシール部材を設けたことを特徴としている。
【００１２】
請求項１の発明は、上記第２の課題に鑑みてなされたもので、上記アクチュエータを伸縮させて上記差圧室内の圧力を制御する制御手段を備え、この制御手段は、内燃機関の始動に先がけて、上記差圧室内の圧力を、少なくとも燃圧室内の燃圧よりも高い所定の初期設定圧まで速やかに上昇させることを特徴としている。
【００１３】
このように、内燃機関の始動前には差圧室内の圧力が燃圧室内の燃圧よりも高く維持されるため、両者の圧力差によりニードル弁が開弁方向へ移動することはなく、始動直後における不用意な燃料噴射を確実に抑制することができる。
【００１４】
ここで、アクチュエータを伸長させることにより、差圧室内の圧力を所定の初期設定圧まで上昇させているため、何ら機械的な構成を追加する必要はない。
【００１５】
請求項１の発明を具体化した請求項５の発明は、上記アクチュエータの一部を、上記差圧室内の圧力を検出する圧力センサとして利用し、上記制御手段は、この圧力センサからの検出信号に基づいて、上記差圧室内の圧力をフィードバック制御することを特徴としている。
【００１６】
この場合、アクチュエータの一部を圧力センサとして利用することによって、構成が簡素化されているとともに、この圧力センサからの検出信号に基づいて、差圧室内の圧力をフィードバック制御しているため、より高精度な圧力制御が可能となる。
【００１７】
また、請求項６の発明に係る燃料噴射装置は、内燃機関の始動時には、上記圧電式燃料噴射弁とは異なる始動用燃料噴射弁により燃料噴射を行い、上記燃圧室内の圧力が少なくとも上記初期設定圧以下の所定の設定圧に達した時点で、上記始動用燃料噴射弁を停止するとともに、上記圧電式燃料噴射弁による燃料噴射を開始することを特徴としている。
【００１８】
請求項６の発明によれば、差圧室内の圧力が所定の設定圧に達する前に、始動用燃料噴射弁により燃料噴射を行い、内燃機関を始動させることができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、請求項２，３の発明によれば、差圧室内の作動流体が燃料の場合に比して、ニードル弁の高応答性を維持するために必要十分な圧力差を維持しつつ、アクチュエータの変位量又は駆動電圧を効果的に抑制することができ、サイズの小型化，低コスト化，低電力化を図ることができる。
【００２０】
請求項１の発明によれば、簡素な構造で、始動直後における不用意な燃料噴射を確実に抑制することができ、信頼性が向上する。
【００２１】
請求項５の発明によれば、アクチュエータの一部を圧力センサとして利用しているため、簡素な構造で、差圧室内の圧力をより高精度に制御することが可能となり、信頼性が更に向上する。
【００２２】
請求項６の発明によれば、始動用燃料噴射弁を用いることにより、差圧室内の圧力が所定の設定圧に達する前に、内燃機関を始動させることができ、機関始動の即応性が向上する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施例に係る圧電式燃料噴射弁１の構成を示す断面図である。
【００２４】
ノズルホルダ１０内には、制御部１２より印加される電圧に応じて伸縮する圧電式のアクチュエータ１４と、このアクチュエータ１４と一体に進退するアクチュエータ側ピストン１６と、アクチュエータ１４を収縮方向に予圧する皿バネ１８とが収容されている。なお、符号２０はノズルホルダ１０の開口部を閉塞する端末キャップ，２２はアクチュエータ１４の後端と端末キャップ２０との間に介装される補助ピストンである。
【００２５】
また、ノズルホルダ１０の先端に固定されるノズルボディ２４内には、ノズルボディ２４先端に形成された燃料噴孔２６を開閉するニードル弁２８と、このニードル弁２８の後端に固定され、ニードル弁２８と一体に進退するニードル弁側ピストン３０と、このニードル弁側ピストン３０をニードル弁２８の閉弁方向へ付勢するリターンスプリング３２とが収容されている。
【００２６】
そして、アクチュエータ１４の伸縮によりアクチュエータ側ピストン１６の一端が臨んだ差圧室３４（５０，５２，５４）内の圧力を変化させ、この差圧室３４と、ニードル弁２８の開弁時に燃料噴孔２６と連通する燃圧室３６との差圧によって、ニードル弁２８を進退させて、燃料噴射を行うように構成されている。
【００２７】
制御部１２は、駆動線３８を介してアクチュエータ１４に電圧を印加する駆動回路４０と、この駆動回路４０に接続されたＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）４２とを有している。このＥＣＵ４２は、エンジン回転数，吸入空気量，コモンレール圧力等の運転状態を示す制御因子等に基づいて、アクチュエータ１４の変位量を制御して、燃料噴射時期及び噴射量を統括的に制御している。
【００２８】
アクチュエータ１４は、例えばピエゾ素子を多数積層して構成されている。そして、このアクチュエータ１４の一部が、差圧室３４内の圧力を検出する圧力センサ４４として利用されている。すなわち、圧力センサ４４以外のアクチュエータ１４は、印加電圧に応じて電荷を充電して変位を得るように構成されているのに対し、圧力センサ４４は、荷重（圧力）が作用したときに起電力が生じる圧電効果を利用して、差圧室３４内の圧力を間接的に検出するように構成されている。
【００２９】
そして、ＥＣＵ４２は、圧力センサ４４から信号線４６を介して出力される検出信号に基づいて、差圧室３４内の圧力をフィードバック制御している。
【００３０】
燃圧室３６には、ノズルボディ２４に穿設された燃料通路４８を介して燃料が導入され、この燃料は、ニードル弁２８の開弁時に燃料噴孔２６を介して噴射される。そして、燃圧室３６に臨んだニードル弁側ピストン３０の先端面３０ａに、燃圧室３６内の燃圧が開弁方向へ作用する。
【００３１】
差圧室３４は、アクチュエータ側ピストン１６の先端が臨んだ変圧室５０と、ニードル弁側ピストン３０の後端３０ｂが臨んだ背圧室５２との間に、比較的小径な連通路５４が設けられており、アクチュエータ側ピストン１６の進退により生じる圧力脈動を、上記の連通路５４で適宜に減衰させる構造となっている。そして、差圧室３４に臨んだニードル弁側ピストン３０の後端３０ｂに、差圧室３４内の圧力が閉弁方向へ作用する。
【００３２】
ここで、差圧室３４内には、少なくとも燃料（体積弾性率が約６００〜７００ＭＰａ）よりも体積弾性率の大きい所定量の作動流体、例えば体積弾性率が燃料の約２〜２．５倍の１５００ＭＰａであるシリコン油が噴射弁１の組立時に予め密封されている。
【００３３】
より具体的には、差圧室３４内を液密にシールするために、アクチュエータ側ピストン１６の外周に形成された周方向溝５６には、このピストン１６が進退可能に嵌合するアクチュエータ側シリンダ５８との間をシールするＯリング６０が配設されているとともに、ニードル弁側ピストン３０の外周に形成された周方向溝６２には、このピストン３０が進退可能に嵌合するニードル側シリンダ６４との間をシールするニードル弁側Ｏリング６６が設けられている。このニードル弁側Ｏリング６６によって、差圧室３４と燃圧室３６とが液密に隔成されている。
【００３４】
また、各周方向溝５６，６２には、Ｏリング６０，６６の差圧室３４側へのはみ出しを抑制するバックアップリング６８，７０がそれぞれ配設されている。
【００３５】
更に、差圧室３４内の圧力がＯリング６０，６６に直接的に作用することのないように、差圧室３４と各Ｏリング６０，６６との間には、僅かな隙間のオリフィス通路７２，７４が設定されている。
【００３６】
なお、ここでは図示していないが、この圧電式燃料噴射弁１が適用される内燃機関の燃料噴射装置には、例えば吸気ポート内に燃料を噴射する始動時用燃料噴射弁が別途設けられている。
【００３７】
次に本実施例の制御の流れを図２に示すフローチャートを参照して説明する。
【００３８】
イグニッションのＯＮが検出されると（ステップ１）、内燃機関の始動に先がけて、差圧室３４内の圧力を、予め設定された所定の初期設定圧Ｐ１となるまで上昇させる（ステップ２，３）。すなわち、駆動回路４０からの印加電圧によりアクチュエータ１４を段階的に伸長させ、差圧室３４内の圧力を徐々に上昇させる。このとき、圧力センサ４４には、差圧室３４内の圧力に比例した荷重（差圧室３４内の圧力×アクチュエータ側ピストン１６の圧力作用面積）が作用し、この荷重に応じた起電力が検出信号として信号線４６を介してＥＣＵ４２へ出力される。ＥＣＵ４２には、予め起電力と荷重（圧力）との相関を示すマップが記憶されており、このマップに基づいて、差圧室３４内の圧力が推定される。この推定された圧力値を用いて、差圧室３４内の圧力が初期設定圧Ｐ１となるようにフィードバック制御される。
【００３９】
そして、差圧室３４の圧力が初期設定圧Ｐ１になった時点で、アクチュエータ１４の伸長をストップさせるとともに、予め設定された設定燃圧Ｐ２が読み込まれる（ステップ４）。
【００４０】
続くステップ５でスタータを回して内燃機関の始動が行われるが、ここでの燃料噴射（供給）は、上記の始動用燃料噴射弁により行われる（ステップ６）。このような機関の始動に伴って、機関回転数が上昇し、かつ、燃圧室３６に燃料を供給するコモンレール内の圧力を上昇させる。
【００４１】
そして、ステップ７，８では、コモンレール用圧力センサからの検出信号に基づいて、コモンレール内の圧力、すなわち燃圧室３６に供給される燃圧が、ステップ４で読み込まれた所定の設定圧Ｐ２となるようにフィードバック制御される。
【００４２】
ここで、設定圧Ｐ２は、少なくとも上記の初期設定圧Ｐ１以下に設定されている。従って、燃圧室３６内の燃圧が差圧室３４内の圧力よりも高くなることはなく、不用意な燃料噴射が確実に防止されている。
【００４３】
続くステップ９〜１４では、差圧室３４内の圧力も設定燃圧Ｐ２となるように、圧力センサ４４からの検出信号に基づいて差圧室３４内の圧力をフィードバック制御する。
【００４４】
具体的には、ステップ９で検出される差圧室３４内の圧力が設定燃圧Ｐ２を越えている場合、ステップ１１からステップ１２へ進み、アクチュエータ１４を収縮させて、差圧室３４内の圧力を低下させる。一方、差圧室３４内の圧力が設定燃圧Ｐ２よりも低い場合には、ステップ１３からステップ１４へ進み、アクチュエータ１４を伸長させて、差圧室３４内の圧力を上昇させる。そして、差圧室３４内の圧力が設定燃圧Ｐ２と等しくなった時点で、ステップ１０からステップ１５へ進み、圧電式燃料噴射弁１による高圧燃料噴射の準備が完了し、始動用燃料噴射弁を停止するとともに（ステップ１６）、圧電式燃料噴射弁１による燃料噴射を開始する。
【００４５】
このように、内燃機関の始動時、詳しくは圧電式燃料噴射弁１による燃料噴射が行われるまでは、燃圧室３６内の燃圧が差圧室３４内の圧力以下に維持される。従って、ニードル弁が開弁方向へ移動することはなく、機関始動時における不用意な燃料噴射を確実に防止することができる。
【００４６】
この後の高圧燃料噴射は、周知の噴射ルーチンに基づいて実行される。簡単に説明すると、アクチュエータ１４の収縮（電荷放電）により、差圧室３４内の圧力を速やかに下降させ、この差圧室３４と燃圧室３６との差圧によりニードル弁２８が開弁し、燃料が噴射される。燃料噴射の停止は、アクチュエータ１４の伸長（電荷充電）により、差圧室３４内の圧力を燃圧室３６の燃圧よりも所定値αだけ高い値まで上昇させ、リターンスプリング３２の閉弁方向荷重との合力で、ニードル弁２８を閉弁させることにより行われる。
【００４７】
このような燃料噴射期間を除いて、通常運転時における圧電式燃料噴射弁１の制御は、図２の破線で囲んだ範囲Ｒに示したステップ７〜１５に従って行われる。すなわち、差圧室３４内の圧力は、常にコモンレール内の圧力、すなわち燃圧室３６内の圧力と等しくなるように、圧力センサ４４の検出信号を用いてフィードバック制御されている。
【００４８】
以上のように本実施例によれば、第１に、噴射弁１の組立時に差圧室３４内に作動流体を密封できる構造とし、その作動流体が少なくとも燃料よりも大きな体積弾性率を有しているため、ニードル弁２８の高応答性を維持するために必要十分な差圧を維持しつつ、作動流体に燃料を用いた場合に比して、差圧室３４内の圧力変動代が大きなものとなる。この結果、アクチュエータ１４の変位量あるいはアクチュエータ１４の長さに比例する印加電圧を効果的に低減することができ、ひいては、サイズの小型化，低電力化を図ることができる。
【００４９】
第２に、内燃機関の始動に先がけて、差圧室３４内の圧力を、少なくとも燃圧室３６内の燃圧よりも高い所定の初期設定圧Ｐ１まで速やかに上昇させているため、機関始動時における不用意な燃料噴射を確実に抑制することができ、信頼性が向上する。ここで、アクチュエータ１４を伸長させることにより、差圧室３４内の圧力を上昇させているため、何ら機械的な構成を追加する必要はない。
【００５０】
第３に、アクチュエータ１４の一部を差圧室３４用の圧力センサ４４として利用しているため、構成が簡素化されるとともに、この圧力センサ４４からの検出信号に基づいて、差圧室３４内の圧力をフィードバック制御しているため、圧力制御をより高精度に行うことができ、信頼性が更に向上する。
【００５１】
第４に、差圧室３４内の圧力が所定の設定圧Ｐ２に達する前に、始動用燃料噴射弁により燃料噴射を行うことで、内燃機関を始動させることができ、機関始動の即応性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係る圧電式燃料噴射弁の構成を示す構成図。
【図２】この実施例の制御の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
１…圧電式燃料噴射弁
１２…制御部
１４…アクチュエータ
１６…アクチュエータ側ピストン
２６…燃料噴孔
２８…ニードル弁
３０…ニードル弁側ピストン
３４…差圧室
３６…燃圧室
６０，６６…Ｏリング（シール部材）
【図１】
0004019519.tif 000002
【図２】
0004019519.tif 000003