(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾアクチュエータの一端部側に液圧室を画成し、ピエゾアクチュエータに駆動電圧を印加したときの前記液圧室の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調整装置であって、
前記燃料噴射弁と同等寸法の液圧室を有する測定機構と、
前記液圧室に燃料噴射弁使用時相当の初期圧力を負荷する圧力負荷手段と、
ピエゾアクチュエータに駆動電圧を印加する電圧印加手段と、
前記初期圧力負荷状態で電圧印加時のピエゾアクチュエータの変位ΔＬを測定する変位測定手段と、
前記初期圧力負荷状態での液圧室の初期容積Ｖを演算する容積演算手段と、
前記変位ΔＬに基づいて液圧室の容積変化量ΔＶを演算する容積変化量演算手段と、
前記演算した液圧室容積Ｖと容積変化量ΔＶとの比が予め定めた基準値となるようなピエゾアクチュエータのシムによる長さ補正量を演算する調整長演算手段とを有することを特徴とする燃料噴射弁の調整装置。
【請求項２】
液圧室容積Ｖと容積変化量ΔＶとの比が予め定めた許容値を逸脱したときにアクチュエータ不良と判定する判定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁の調整装置。
【請求項３】
ピエゾアクチュエータの一端部側に液圧室を画成し、ピエゾアクチュエータに駆動電圧を印加したときの前記液圧室の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、
前記燃料噴射弁にピエゾアクチュエータを組み付けるにあたり、
少なくとも燃料噴射弁のアクチュエータ組付部の寸法Ｌ1、液圧室に燃料噴射弁使用時相当の初期圧力を負荷した状態でのピエゾアクチュエータの長さＬ0、前記圧力負荷状態にてピエゾアクチュエータに駆動電圧を印加した状態でのピエゾアクチュエータの変位ΔＬを測定する工程と、
前記組付部寸法Ｌ1、アクチュエータ長さＬ0、液圧室断面積Ｓから液圧室の初期容積Ｖを演算する工程と、
前記変位ΔＬと液圧室断面積Ｓからアクチュエータ変位時の液圧室の容積変化量ΔＶを演算する工程と、
前記初期容積Ｖと容積変化量ΔＶとの比が予め定めた基準値となるようなピエゾアクチュエータの目標長さＬを演算する工程と、
この目標長さＬと実際の長さＬ0との差からピエゾアクチュエータに介装するシムの厚さを演算する工程とを有することを特徴とする燃料噴射弁の製造方法。
【請求項４】
燃料噴射弁は、ピエゾアクチュエータを収装した本体とその先端部に接続され針弁を収装したノズルとからなり、本体には該本体内に形成されたシリンダ部とピエゾアクチュエータ端部に設けられ前記シリンダ部に摺動自由に嵌合するピストン部とで液圧室としての差圧室が画成され、ノズルには該ノズル内に形成されたシリンダ部と針弁後端部に設けられ前記ノズルシリンダ部に摺動自由に嵌合するピストン部とで背圧室が画成されるとともに針弁を閉弁方向に付勢する弾性体が設けられ、前記差圧室と背圧室とは通路を介して相互に連通されるとともに燃料が導入され、ピエゾアクチュエータの伸縮に伴う差圧室および背圧室の燃料圧力変化に基づき針弁を開閉駆動するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射弁の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【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調整方法及び調整装置に関する。
【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、この特性には製造上の誤差要因や素子に固有のヤング率の相違等によりバラツキを生じる。この特性のバラツキに燃料噴射弁の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】
第１の発明は、ピエゾアクチュエータの一端部側に液圧室を画成し、ピエゾアクチュエータに駆動電圧を印加したときの前記液圧室の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調整装置として、図１に示したように、
前記燃料噴射弁と同等寸法の液圧室ａを有する測定機構ｂと、
前記液圧室ａに燃料噴射弁使用時相当の初期圧力を負荷する圧力負荷手段ｃと、
ピエゾアクチュエータｄに駆動電圧を印加する電圧印加手段ｅと、
前記初期圧力負荷状態で電圧印加時のピエゾアクチュエータの変位ΔＬを測定する変位測定手段ｆと、
前記初期圧力負荷状態での液圧室の初期容積Ｖを演算する容積演算手段ｇと、
前記変位ΔＬに基づいて液圧室の容積変化量ΔＶを演算する容積変化量演算手段ｈと、
前記演算した液圧室容積Ｖと容積変化量ΔＶとの比が予め定めた基準値となるようなピエゾアクチュエータのシムによる長さ補正量を演算する調整長演算手段ｉとを設ける。
【０００５】
上記調整装置は、液圧室初期容積Ｖと容積変化量ΔＶとの比が予め定めた許容値を逸脱したときにアクチュエータ不良と判定する判定手段を備えたものとすることができる。
【０００６】
第２の発明は、ピエゾアクチュエータの一端部側に液圧室を画成し、ピエゾアクチュエータに駆動電圧を印加したときの前記液圧室の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、
前記燃料噴射弁にピエゾアクチュエータを組み付けるにあたり、
少なくとも燃料噴射弁のアクチュエータ組付部の寸法Ｌ1、液圧室に燃料噴射弁使用時相当の初期圧力を負荷した状態でのピエゾアクチュエータの長さＬ0、前記圧力負荷状態にてピエゾアクチュエータに駆動電圧を印加した状態でのピエゾアクチュエータの変位ΔＬを測定する工程と、
前記組付部寸法Ｌ1、アクチュエータ長さＬ0、液圧室断面積Ｓから液圧室の初期容積Ｖを演算する工程と、
前記変位ΔＬと液圧室断面積Ｓからアクチュエータ変位時の液圧室の容積変化量ΔＶを演算する工程と、
前記初期容積Ｖと容積変化量ΔＶとの比が予め定めた基準値となるようなピエゾアクチュエータの目標長さＬを演算する工程と、
この目標長さＬと実際の長さＬ0との差からピエゾアクチュエータに介装するシムの厚さを演算する工程とを有する。
【０００７】
上記燃料噴射弁としては、ピエゾアクチュエータを収装した本体とその先端部に接続され針弁を収装したノズルとからなり、本体には該本体内に形成されたシリンダ部とピエゾアクチュエータ端部に設けられ前記シリンダ部に摺動自由に嵌合するピストン部とで液圧室としての差圧室が画成され、ノズルには該ノズル内に形成されたシリンダ部と針弁後端部に設けられ前記ノズルシリンダ部に摺動自由に嵌合するピストン部とで背圧室が画成されるとともに針弁を閉弁方向に付勢する弾性体が設けられ、前記差圧室と背圧室とは通路を介して相互に連通されるとともに燃料が導入され、ピエゾアクチュエータの伸縮に伴う差圧室および背圧室の燃料圧力変化に基づき針弁を開閉駆動するように構成されているものを適用することができる。
【０００８】
【作用・効果】
ピエゾアクチュエータ伸縮時の液圧室の圧力変化に基づいて針弁を開閉駆動する構成の燃料噴射弁では、燃料噴射特性は前記圧力変化Δｐに依存し、Δｐが異なれば噴射特性も異なったものとなる。すなわち、Δｐが予め定めた規定値となるようにピエゾアクチュエータを調整することにより所期の燃料噴射特性を得ることができる。
【０００９】
液圧室の圧力変化Δｐは、使用状態でのピエゾアクチュエータ変位前の液圧室容積をＶ、アクチュエータ変位時の液圧室の容積変化量をΔＶとするとき、次式で示されるようにＶとΔＶとの比に比例する。
【００１０】
Δｐ＝ｋ・ΔＶ／Ｖ（ただしｋは定数）
したがって、上記各発明のように、ΔＶ／Ｖを求め、これが基準値となるように求めたアクチュエータ長さの補正をシムにより与えることにより確実に所期の燃料噴射特性が得られる。
【００１１】
また、液圧室容積Ｖと容積変化量ΔＶとの比が予め定めた許容値を逸脱したとき、これはたとえばアクチュエータの目標長さＬ0が実際の長さＬよりも短くなってしまうような結果となったとき、または調整のためのシムの厚さの限界を越えるような結果となった場合に相当し、このような条件のときにアクチュエータ不良と判定する判定手段を備えることにより、燃料噴射弁への組み込み前にアクチュエータの不良を知ることができる。
【００１２】
一方、第２の発明では実際に燃料噴射弁を組み立てる工程の中でピエゾアクチュエータの実際の長さのみならず燃料噴射弁側の組み付け部分の寸法をも測定して圧力室容積を算出するようにしているので、より精度の高い調整結果が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態につき図面を示して説明する。まず、本発明が適用可能な燃料噴射弁の一例につき図２に基づいて説明する。
【００１４】
図において、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。
【００１５】
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。
【００１６】
アクチュエータ１２とピストン１８との間には、適正な噴射特性が得られるようにアクチュエータ１２の取付長を調整するためのシム３２が介装されている。本発明の要点はこのシム３２の厚さ調整をいかに行うかという点にあるが、これについては後に詳述する。
【００１７】
ピストン１８の前方にはシリンダ部１９との間に液圧室としての差圧室２１が画成されており、この差圧室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背圧室２６には弾性体としてコイルスプリング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を介して図示しない燃料系統から所定圧力に調圧された燃料が供給される。また背後の背圧室２６は通路３０を介してその背後の差圧室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】
次にアクチュエータ１２に駆動信号を供給したときの燃料噴射弁１の作動につき説明する。この燃料噴射弁では、非噴射時にはアクチュエータ１２に伸び方向の信号（例えば４００Ｖ程度の信号電圧）を供給している。このとき、アクチュエータ１２は伸張して差圧室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、この場合針弁ピストン部２４とシリンダ部２５との間の摺動間隙を介して背圧室２６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】
この状態から収縮方向の信号（例えば０Ｖの信号電圧）を供給するとアクチュエータ１２及びピストン部１８は速やかに初期位置にまで収縮するため、差圧室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を介して直ちに背圧室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との間の摺動間隙がオリフィスとして作用するので、背圧室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変位し、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伸び方向の信号を供給すると、アクチュエータ１２が再度伸張して室２１及び２６の圧力を上昇させるため針弁１３が閉弁方向に変位して燃料噴射は終了する。非噴射時の針弁１３の閉弁状態はピストン２４前後の圧力平衡状態およびスプリング２７の張力により保持される。
【００２４】
ところで、このような燃料噴射弁では、差圧室２１に燃料圧が作用した状態でのピエゾアクチュエータ１２の長さ、駆動時のアクチュエータ変位量、燃料噴射弁各部の寸法誤差等に原因してアクチュエータ伸縮時に差圧室２１に生じる差圧が異なったものとなり、これが個々の燃料噴射弁の特性のバラツキを生じる原因となっていることはすでに述べたとおりである。
【００２５】
そこで本発明では、前記差圧（Δｐ）が一定となるように、燃料噴射弁への組み込み時または組み込み前にピエゾアクチュエータに調整を施す。次にこのような調整を施すための構成について説明する。
【００２６】
図３において、１２は測定の対象となるピエゾアクチュエータ、４０は測定機構を示している。測定機構４０は、ピエゾアクチュエータ１２の一端部を支持する基台部４１と、ピエゾアクチュエータ１２の他端部に設けられる測定ピストン４２と、前記基台部４１に対して対向的に設けられる測定シリンダ４３等からなる。
【００２７】
詳しくは図３の（ａ）に示すように、測定シリンダ４３には測定ピストン４２が嵌合する円筒状のシリンダ部４５が形成されており、このシリンダ部４５にはシールリング４６を介して測定ピストン４２が油密的にかつ摺動自由に嵌合する。このシリンダ部４５の内径または測定ピストン４２の外径は燃料噴射弁の差圧室２１と同一の寸法に形成されており、これらの間に液圧室４７を画成している。なお、この場合図２の燃料噴射弁と条件を同一とするために液圧室４７には皿ばね２２が介装されている。
【００２８】
測定シリンダ４３には液圧室４７に連通する圧力測定孔４８が形成されるとともに、この測定孔４８の途中に圧力センサ４９が油密的に嵌合されている。さらに、測定シリンダ４３には、測定ピストン４２の外周部に形成されたフランジ部４２ａに対向するように下向きに変位測定手段として変位センサ５０が設けられている。
【００２９】
この測定機構では、液圧室４７に燃料噴射弁の使用時圧力を負荷した状態で各部の寸法を測定するのであるが、この場合前記圧力負荷手段として上述のとおり液圧室４７を密封構造としたうえで、圧力センサ４９により液圧室４７の圧力を測定しながら該圧力が使用時圧力となるまで測定シリンダ４３を図示しない圧縮機構を介して基台部４１に向かって押圧するようにしている。ただし、このようにする代わりに、ポンプ等により可変的に液圧を調整する手段を液圧室４７に連結して、測定シリンダ４３を固定したまま液圧を使用時圧力に調節できるようにしたものを適用しても良い。
【００３０】
なお、使用時圧力とは、図２の燃料噴射弁ではピエゾアクチュエータ１２を伸張させて針弁１３を閉弁させているときの差圧室２１の圧力（設計燃圧）から、アクチュエータ１２を収縮させて針弁１３を開弁させたときに差圧室２１に生じる差圧（設計差圧＝Δｐ）を差し引いた値である。
【００３１】
次に、この測定機構を用いて所定の噴射特性つまり差圧Δｐが得られるようなシム３２（図２参照）の厚さを決定する手順について説明する。
【００３２】
図３において（ａ）は液圧室４７に圧力を作用させない自由状態を示しており、このときのアクチュエータ１２は無負荷長さＬfとなっている。この状態から上述のようにして測定シリンダ４３を押圧して液圧室４７に使用時圧力を負荷する。アクチュエータ１２は測定ピストン４２を介してこの圧力の作用を受け圧縮され、その長さはＬ0となる（図３の（ｂ）を参照）。
【００３３】
この圧縮状態で、まずアクチュエータ１２に駆動電圧を印加しないとき（初期状態）の液圧室４７の初期容積Ｖを、測定シリンダ４３の位置、アクチュエータ１２の初期長さＬ0、既知の液圧室断面積Ｓ等からから算出しておく。
【００３４】
次いで、測定シリンダ４３の位置を固定したまま、アクチュエータ１２に駆動電圧（４００Ｖ）を印加する。この駆動電圧の印加によりアクチュエータ１２は伸張し、長さＬ400となる（図３の（ｃ）を参照）。長さＬ400とＬ0との差が変位ΔＬとなるが、この場合、変位ΔＬは変位センサ５０により直接的に検出するようにしている。
【００３５】
このようにして検出したΔＬに既知の液圧室断面積Ｓを乗じることで液圧室４７の容積変化量ΔＶを算出し、これと上記初期容積Ｖとの比ΔＶ／Ｖを求める。この比ΔＶ／Ｖは既述したように燃料噴射弁の液圧室（差圧室２１）に生じる差圧Δｐに相関するので、この比ΔＶ／ＶとΔｐの設計値に基づいて定めた基準値とを比較し、基準値とのあいだで偏差がある場合にはこれを補償する方向に液圧室容積Ｖが変化するような長さ補正をアクチュエータ１２に施すことで適正な噴射特性が得られる。すなわち、この補正長さがアクチュエータ１２に適用すべきシム３２の厚さとなる。
【００３６】
仮にこのようにして求めた補正量（シムの厚さ）がマイナスになってしまう場合や、シムによる調整限度を越えるような条件も比ΔＶ／Ｖの値から判断することが可能であり、これにより実際にアクチュエータ１２を燃料噴射弁に組み込む前にその不良を発見することができる。
【００３７】
次に、上記と同様の手法に基づき、組立過程で適切にピエゾアクチュエータ１２の噴射特性を設定するようにした燃料噴射弁の製造方法につき、図４に示した流れ図を参照しながら説明する。
【００３８】
この製造方法では、まず燃料噴射弁のアクチュエータ組付部の寸法Ｌ1（図２参照）を測定する。なおピストン部１８の外径（液圧室断面積）と厚さ、端板１５の厚さなど噴射弁各部の寸法は既知であるが、これらを測定することでより精度の高い調整を行える。
【００３９】
次いで、アクチュエータ１２に使用時圧力を負荷した状態での長さＬ0と駆動電圧印加時の長さＬ400または変位ΔＬを測定する。これは上記図３に示したような測定装置を用いて事前に測定するか、もしくは噴射弁本体１１にアクチュエータ１２を組み込んだ状態で前記装置による場合と同様の要領にて測定する。
【００４０】
次に、前記組付部寸法Ｌ1、アクチュエータ長さＬ0、液圧室断面積Ｓから液圧室の初期容積Ｖを、さらに前記変位ΔＬと液圧室断面積Ｓからアクチュエータ変位時の液圧室の容積変化量ΔＶを演算する。
【００４１】
以後は図３について説明したのと同様であり、上記初期容積Ｖと容積変化量ΔＶとの比ΔＶ／Ｖが予め定めた基準値となるようなピエゾアクチュエータの長さ補正量つまりシムの厚さを求め、当該厚さのシム３２をアクチュエータ１２とピストン部１８との間に介装することで適正な噴射特性を発揮する燃料噴射弁が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明の構成図。
【図２】本発明が適用可能な燃料噴射弁の一実施形態を示す断面図。
【図３】本発明の調整機構の一実施形態を示す概略構成図。
【図４】第２の発明の実施形態を示す流れ図。
【符号の説明】
１    燃料噴射弁
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  差圧室
２２  皿ばね
２３  噴孔
２４  ピストン部
２５  シリンダ部
２６  背圧室
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  シム
４０  測定機構
４１  基台部
４２  測定ピストン
４３  測定シリンダ
４５  シリンダ部
４６  シールリング
４７  液圧室
４８  圧力測定孔
４９  圧力センサ
５０  変位センサ
【図１】
0003758325.tif 000002
【図２】
0003758325.tif 000003
【図３】
0003758325.tif 000004
【図４】
0003758325.tif 000005