JP3767199B2

JP3767199B2 - 差圧式燃料噴射弁及びその制御方法

Info

Publication number: JP3767199B2
Application number: JP26074398A
Authority: JP
Inventors: 明宏榊田; 孝之荒井; 正美根岸
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-09-16
Filing date: 1998-09-16
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2018-09-16
Also published as: JP2000087822A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ニードル弁前後の差圧によりニードル弁を進退させて燃料噴孔を開閉する差圧式燃料噴射弁及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の差圧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、燃料噴孔を開閉するニードル弁の前後に燃料が封入された燃圧室及び差圧室が設けられており、差圧室に臨んだピストンを、印加電圧に応じて伸縮する電歪アクチュエータで進退させることにより、ニードル弁の前後に差圧を発生させ、この差圧によって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】
このような差圧式燃料噴射弁は、アクチュエータの駆動制御による高精度の燃料噴射時期制御と、ニードル弁の前後に作用する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、このような差圧式燃料噴射弁では、開弁時や閉弁時におけるニードル弁のフルストローク前後に生じる差圧室内の圧力脈動やニードル弁のバウンシングに起因して、燃料噴射率（流量特性）の直線性の低下を招聘するという特有の問題点がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、抵抗を用いてアクチュエータへ印加される電圧の立ち上がり，立ち下がりを滑らかにすることで、差圧室内の圧力脈動やニードル弁のバウンシングを効果的に低減し、流量特性の直線性を向上させている。
【０００６】
すなわち、請求項１の発明は、燃料噴孔を開閉するニードル弁と、内部に燃料が封入され、上記ニードル弁の開弁時に上記燃料噴孔に連通する燃圧室と、内部に作動流体が封入される差圧室と、上記差圧室に一端が臨んだピストンと、印加電圧により伸縮し、上記ピストンを進退させる圧電式のアクチュエータと、を備え、上記ピストンの進退によって、上記ニードル弁の前後に設けられた上記燃圧室と差圧室とに差圧を生じさせ、この差圧によって上記ニードル弁を進退させる差圧式燃料噴射弁において、上記アクチュエータに電荷を注入する注入回路及び上記アクチュエータの電荷を放出する放出回路に、電圧の立ち上がり及び立ち下がりを緩やかにする抵抗を設けたことを特徴としている。
【０００７】
内燃機関の運転中、ニードル弁が閉弁している状態では、アクチュエータ内には所定の印加電圧により電荷が保持されており、このアクチュエータは伸長した状態にある。
【０００８】
燃料噴射の開始時には、放出回路を介してアクチュエータの電荷が放出されて電圧が立ち下げられる。これにより、アクチュエータが速やかに収縮し、これに伴うピストンの後退により、差圧室内の圧力が速やかに低下する。この結果、ニードル弁前後に差圧が生じ、ニードル弁が開弁方向へ移動する。
【０００９】
燃料噴射の停止時には、注入回路を介してアクチュエータへ電圧が印加され、所定の電荷が注入される。これによりアクチュエータが伸長し、これに伴うピストンの前進により、差圧室内の圧力が速やかに上昇する。この結果、ニードル弁前後に差圧が生じ、ニードル弁が閉弁方向へ移動する。
【００１０】
ここで本発明では、上記の注入回路並びに放出回路に対し、電圧の立ち上がり，立ち下がりを滑らかにする抵抗を設けているので、ニードル弁のフルストローク前後の移動速度が効果的に減衰される。この結果、ニードル弁の移動に伴う差圧室内の圧力脈動及びニードル弁のバウンシングが効果的に抑制され、ひいては燃料噴射率の直線性が向上する。
【００１１】
上記注入回路と放出回路とで互いに異なる抵抗値をとり得るように、上記注入回路に電圧の立ち上がりを緩やかにする注入側の抵抗を設けるとともに、上記放出回路に電圧の立ち下がりを緩やかにする放出側の抵抗を設けるようにしても良い。
【００１２】
例えば、燃圧室に導入される燃料の圧力（燃圧）が比較的低い場合、開弁時におけるニードル弁前後の差圧は小さくても良いので、開弁側の抵抗、すなわち放出側抵抗を相対的に大きくして、差圧室内の脈動を積極的に低減させれば良い。一方、閉弁時には、燃圧による閉弁力が小さいため、閉弁側の抵抗、すなわち注入側抵抗をあまり大きくすると、電荷注入速度の低下に伴って開弁速度が遅くなり、ニードル弁の応答性が低下してしまう。従って、燃圧が比較的低い場合には、放出側抵抗を相対的に大きく、注入側抵抗を相対的に小さくすることが望ましい。
【００１３】
すなわち、燃圧室内の燃圧が小さくなるにしたがって、注入側の抵抗値を小さくするととともに、放出側の抵抗値を大きくすれば良い。
【００１４】
一方、燃圧が比較的高い場合には、上記の場合とは逆の理由により、放出側抵抗を相対的に小さくし、注入側抵抗を相対的に大きくすることが望ましい。
【００１５】
このように、最適な抵抗値は燃圧に応じて変化するため、上記抵抗の少なくとも１つを可変抵抗器とすることにより、燃圧に応じて抵抗値をより正確に調整することが可能となる。
【００１６】
また、１つの抵抗が注入側の抵抗と放出側の抵抗とを兼用するように、上記注入回路と放出回路とを切り換える切換手段を設けても良い。この場合、抵抗が１つで済むため、回路の簡素化を図ることができる。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１に記載された差圧式燃料噴射弁の制御方法であって、燃料噴射開始時期に対応してニードル弁が開弁するように、上記放出回路を介して上記アクチュエータの電荷を放出する放出ステップと、上記ニードル弁の開弁中に、上記ニードル弁が閉弁しない範囲で、上記注入回路を介して上記アクチュエータへ第１の所定電圧を印加して、上記アクチュエータへ電荷を注入する第１の注入ステップと、燃料噴射終了時期に対応してニードル弁が閉弁するように、少なくとも上記第１の所定電圧よりも大きな値の第２の所定電圧を上記アクチュエータへ印加して、上記アクチュエータへ更に電荷を注入する第２の注入ステップと、を有することを特徴としている。
【００１８】
このように、アクチュエータへの電圧の印加を２回に分けて行うことにより、閉弁時の電圧（第２の所定電圧）が小さくなるため、アクチュエータの収縮量が小さなものとなり、閉弁時における差圧室の圧力脈動及びニードル弁のバウンシングを更に低減することができる。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、注入回路及び放出回路の途中に抵抗を設けることで、アクチュエータへの印加電圧の立ち上がり，立ち下がりを滑らかにし、開弁時及び閉弁時の差圧室の圧力脈動並びにニードル弁のバウンシングを効果的に低減することができ、ひいては燃料噴射率の直線性を向上することができる。
【００２０】
更に、抵抗値を適宜に設定することで、差圧室の圧力脈動並びにニードル弁のバウンシングを更に効果的に低減することができる。
【００２１】
また、１つの抵抗で注入側抵抗と放出側抵抗とを兼用することにより、回路構成の簡素化を図ることができる。
【００２２】
請求項２の発明に係る差圧式燃料噴射弁の制御方法によれば、閉弁時におけるアクチュエータの収縮量が小さなものとなり、差圧室の圧力脈動及びニードル弁のバウンシングをより低減することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１実施例に係わる燃料噴射弁の構成を示す断面図である。
【００２４】
ノズルホルダ１０の先端側（図１で下側）凹部１０ａには、ノズルボディ１２がディスタンスピース１４を介してノズルナット１６により固定されている。ノズルボディ１２の外周には、ノズルホルダ１０の凹部１０ａ内周との間をシールするＯリング１８が設けられている。また、ノズルボディ１２内には、先端に形成された燃料噴孔２０を開閉するニードル弁２２が進退可能に収容されている。なお、符号２４は、ニードル弁２２を閉弁方向に付勢するリターンスプリングである。
【００２５】
一方、ノズルホルダ１０の後端側凹部１０ｂには、圧電現象によって伸縮する圧電アクチュエータ２６と、この圧電アクチュエータ２６の先端側に設けられ、圧電アクチュエータ２６の伸縮に伴って進退するピストン２８と、このピストン２８を圧電アクチュエータ２６の収縮方向に予圧する皿バネ３０とが収容されており、かつ、後端側凹部１０ｂの開口部が端末キャップ３２で閉塞されている。圧電アクチュエータ２６は、例えばピエゾ素子を多数積層して構成される。ピストン２８の外周には、ノズルホルダ１０の凹部１０ｂ内周との間をシールするＯリング３４が設けられている。
【００２６】
上記ニードル弁２２は、筒状をなす後部３６が僅かなオリフィス通路３８を介してノズルボディ１２の内周に実質的に摺接している。そして、このニードル弁２２の後部３６を挟んで前後に、作動流体としての燃料が封入される燃圧室４０と差圧室４２とが隔成されている。
【００２７】
燃圧室４０には、ノズルホルダ１０に穿設された燃料導入通路４４と、ノズルホルダ１０内周とノズルボディ１２外周との間に隔成される環状溝４６と、ノズルボディ１２後部に形成された径方向通路４８と、を介して燃料が導入され、この燃料は、ニードル弁２２の開弁時に燃料噴孔２０を介して噴射されるように構成されている。この燃圧室４０にニードル弁２２の受圧面２２ａが臨んでおり、この受圧面２２ａに燃圧室４０内の圧力が開弁方向へ作用する。
【００２８】
差圧室４２は、ピストン２８の先端が臨んだ変圧室５０と、ニードル弁２２の後端面が臨んだ背圧室５２との間に、比較的小径な連通路５４が設けられており、ピストン２８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４２に臨んだニードル弁２２の後端面に、差圧室４２内の圧力が閉弁方向へ作用する。
【００２９】
上記の圧電アクチュエータ２６には、印加電圧により圧電アクチュエータ２６を駆動制御する制御回路５６が接続されている。この制御回路５６は、図外の制御電源に接続され、圧電アクチュエータ２６へ電圧を印加して、圧電アクチュエータ２６へ電荷を注入（充電）する注入回路５８と、圧電アクチュエータ２６内の電荷を放出（放電）する基準電位（０Ｖ）の放出回路６０と、を有している。これら注入回路５８，放出回路６０には、図外の制御部からの制御信号によりＯＮ，ＯＦＦが切換制御される制御スイッチ６２，６４が設けられている。
【００３０】
そして、注入回路５８には、印加電圧の立ち上がりを滑らかにする適宜な注入側抵抗６６が設けられているとともに、放出回路６０には、印加電圧の立ち下がりを緩やかにする適宜な放出側抵抗６８が設けられている。
【００３１】
図２の左段は、注入，放出回路５８，６０に抵抗６６，６８が設けられていない比較例を示し、図２の右段は、注入，放出回路５８，６０に抵抗６６，６８が設けられた本実施例を示している。同図を用いて、本実施例の作用，効果を比較例と比較しながら説明する。
【００３２】
内燃機関の運転中、燃料噴射に先だってニードル弁２２が閉弁している状態では、注入回路５８の制御スイッチ６２がＯＮ，放出回路６０の制御スイッチ６４がＯＦＦとなっている。従って、注入回路５８を介して圧電アクチュエータ２６に所定の電圧が印加されており、圧電アクチュエータ２６は所定の電荷を保持した伸長状態に維持されている。
【００３３】
そして、図２（ａ）に示すように、燃料噴射の開始時期に対応して噴射パルス信号が出力されると、注入回路５８の制御スイッチ６２がＯＦＦ，放出回路６０の制御スイッチ６４がＯＮに切換制御される。これにより、放出回路６０を介して圧電アクチュエータ２６内の電荷が放電され、図２（ｂ）に示すように電圧が基準電位（０Ｖ）まで立ち下がり、圧電アクチュエータ２６が収縮する。
【００３４】
このような圧電アクチュエータ２６の収縮に伴ってピストン２８が開弁方向へ後退する。この結果、差圧室４２内の圧力が急激に低下して、差圧室４２と燃圧室４０との間に差圧が生じ、この差圧によってニードル弁２２が開弁方向へリフトする。これにより、燃圧室４０が燃料噴孔２０に連通し、燃料噴孔２０から燃料が噴射される。
【００３５】
この後、燃料噴射の終了時期に応じて噴射パルス信号の出力が停止されると、注入回路５８の制御スイッチ６２がＯＮ，放出回路６０の制御スイッチ６４がＯＦＦに切換制御される。この結果、注入回路５８を介して圧電アクチュエータ２６に所定の電圧が印加され、圧電アクチュエータ２６に所定量の電荷が注入されて、この圧電アクチュエータ２６が伸長する。これにより、差圧室４２内の圧力が急激に上昇し、ニードル弁２２前後の差圧によってニードル弁２２が速やかに閉弁する。
【００３６】
ここで本実施例では、放出回路６０に放出側抵抗６８を設けているため、図２（ｂ）に示すように、抵抗を設けていない比較例に比して、電圧の立ち下がりが緩やかなものとなり、圧電アクチュエータ２６の収縮変形速度を適宜に遅くすることができる。同様に、注入回路５８に注入側抵抗６６を設けているため、図２（ｂ）に示すように、抵抗を設けていない比較例に比して、電圧の立ち上がりが緩やかなものとなり、圧電アクチュエータ２６の伸長変形速度を適宜に遅くすることができる。言い換えると、本実施例では、注入側抵抗６６及び放出側抵抗６８を設けることによって、注入回路５８及び放出回路６０の時定数を大きくしている。
【００３７】
この結果、本実施例では、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、ニードル弁２２のフルストローク前後に生じる差圧室４２内の圧力脈動及び圧電アクチュエータ２６のバウンシングが抑制され、燃料噴射率（流量特性）の直線性が向上する。
【００３８】
更に本実施例の構成によれば、注入側抵抗６６，放出側抵抗６８の抵抗値をそれぞれ適宜に設定することによって、流量特性の直線性をより向上させることができる。
【００３９】
例えば、開弁時にはニードル弁２２が開弁方向へフルストロークする直前に閉弁方向，直後に閉弁方向の力が作用し、閉弁時にはニードル弁２２が着座する直前に開弁方向，直後に閉弁方向の力が作用するように、圧力脈動の周期を調整することで、図２（ｃ）に示すように、ニードル弁２２の衝突力を抑制しつつ、圧力脈動を速やかに減衰させることができる。
【００４０】
より具体的には、燃圧室４０に導入される燃料の圧力（燃圧）が比較的低い場合、開弁時におけるニードル弁２２前後の差圧は小さくても良いので、開弁側の抵抗、すなわち放出側抵抗６８を相対的に大きくして、差圧室４２内の脈動を十分に低減させる。一方、閉弁時には、燃圧による閉弁力が小さいため、閉弁側の抵抗、すなわち注入側抵抗６６をあまり大きくすると、電荷注入速度の低下に伴って開弁速度が遅くなり、ニードル弁２２の応答性が低下してしまう。従って、燃圧が小さくなるにしたがって、放出側抵抗６８を相対的に大きく、注入側抵抗６６を相対的に小さくすることが望ましい。
【００４１】
言い換えると、燃圧が大きくなるにしたがって、放出側抵抗６８を相対的に小さくし、注入側抵抗６６を相対的に大きくすることが望ましい。
【００４２】
図３（ａ）は、図１に示す制御回路５６の構成を示しており、図３（ｂ），（ｃ）は、その他の制御回路の構成例を示している。
【００４３】
図３（ｂ）に示す制御回路では、１つの抵抗器７０が上述した注入側抵抗６６及び放出側抵抗６８の機能を兼用する形となっている。具体的には、制御スイッチ６２がＯＮ，制御スイッチ６４がＯＦＦのとき、注入回路５８が接続され、抵抗器７０が注入側の抵抗として機能する一方、制御スイッチ６２がＯＦＦ，制御スイッチ６４がＯＮのとき、放出回路６０が接続され、抵抗器７０が放出側の抵抗として機能する。このように切換制御される制御スイッチ６２，６４が、注入回路５８と放出回路６０とを切り換える切換手段を構成している。この場合、注入側と放出側とで異なる抵抗値に設定することはできないものの、抵抗器７０が１つで済み、回路構成が簡素化される。
【００４４】
図３（ｃ）に示す制御回路では、注入側抵抗７２及び放出側抵抗７４が、それぞれ可変抵抗器となっている。この場合、上記のように燃圧に応じた形でより効果的に抵抗値を設定することが可能となる。
【００４５】
図４，５は、本発明の第２実施例に係る差圧式燃料噴射弁の制御方法を示している。なお、差圧式燃料噴射弁の機械的な構成及び基本的な作動は上記第１実施例と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００４６】
この実施例では、圧電アクチュエータ２６への電荷の注入を２回に分けて行うことにより、ニードル弁２２が閉弁する際の差圧室４２の圧力脈動を抑制し、ニードル弁２２のバウンシングを更に低減させている。
【００４７】
図５のフローチャートに基づいて詳述すると、燃料噴射の開始に対応した噴射パルス信号の出力が検出されると（ステップ１）、圧電アクチュエータ２６の電荷が放電される（ステップ２）。具体的には、上述したように、注入回路５８の制御スイッチ６２がＯＦＦ，放出回路６０の制御スイッチ６４がＯＮに切換制御される。これにより、圧電アクチュエータ２６の電圧が基準電位（０Ｖ）まで立ち下がり、圧電アクチュエータ２６が収縮する。この結果、差圧室４２の圧力が低下し、ニードル弁２２前後の差圧によりニードル弁２２が開弁して、燃料が噴射される。
【００４８】
そして、パルス信号が出力されてからの経過時間Ｔが、予め設定された所定時間Ｔ１を越えると、ステップ３からステップ４へ進み、圧電アクチュエータ２６へ第１の所定電圧Ｖ１が印加される。このとき、圧電アクチュエータ２６は所定量の電荷の注入により伸長し、差圧室４２の圧力はある程度上昇するものの、ニードル弁２２は開弁状態のまま保持される。すなわち、上記所定時間Ｔ１及び第１の所定電圧Ｖ１は、ニードル弁２２が閉弁することのない範囲で設定されている。
【００４９】
この後、燃料噴射の終了に応じたパルス信号の出力停止（ＯＦＦ）が検出されると（ステップ５）、圧電アクチュエータ２６へ第２の所定電圧Ｖ２が印加される（ステップ６）。これにより、圧電アクチュエータ２６に更に電荷が注入されて、圧電アクチュエータ２６が更に伸長し、ニードル弁２２前後に生じる差圧によってニードル弁２２が閉弁方向へ移動する。すなわち、第２の所定電圧Ｖ２は、ニードル弁２２が閉弁するように、少なくとも上記第１の所定電圧Ｖ１よりも大きな値に設定されている。
【００５０】
このように本実施例では、圧電アクチュエータ２６への電荷の注入を２回に分けて行うことによって、図４に示すように、ニードル弁２２が閉弁する際の差圧室４２の圧力変化ΔＶを小さくすることができる。この結果、差圧室４２の圧力脈動が更に小さなものとなり、ニードル弁２２のバウンシングを更に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例に係わ差圧式燃料噴射弁の構成を示す断面図。
【図２】第１実施例の動作を示すタイムチャート。
【図３】制御回路の例を示す回路図。
【図４】第２実施例に係る燃料噴射弁の制御方法を示すタイムチャート。
【図５】第２実施例の制御の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
２０…燃料噴孔
２２…ニードル弁
２６…圧電アクチュエータ
２８…ピストン
４０…燃圧室
４２…差圧室
５８…注入回路
６０…放出回路
６６…注入側抵抗
６８…放出側抵抗

Claims

燃料噴孔を開閉するニードル弁と、内部に燃料が封入され、上記ニードル弁の開弁時に上記燃料噴孔に連通する燃圧室と、内部に作動流体が封入される差圧室と、上記差圧室に一端が臨んだピストンと、印加電圧により伸縮し、上記ピストンを進退させる圧電式のアクチュエータと、を備え、上記ピストンの進退によって、上記ニードル弁の前後に設けられた上記燃圧室と差圧室とに差圧を生じさせ、この差圧によって上記ニードル弁を進退させる差圧式燃料噴射弁において、
上記アクチュエータに電荷を注入する注入回路及び上記アクチュエータの電荷を放出する放出回路に、電圧の立ち上がり及び立ち下がりを緩やかにし、かつ、上記燃圧室内の燃圧が小さくなるにしたがって、注入側の抵抗値を小さくするととともに、放出側の抵抗値を大きくする可変抵抗器を設けたことを特徴とする差圧式燃料噴射弁。
請求項１に記載された差圧式燃料噴射弁の制御方法であって、
燃料噴射開始時期に対応してニードル弁が開弁するように、上記放出回路を介して上記アクチュエータの電荷を放出する放出ステップと、
上記ニードル弁の開弁中に、上記ニードル弁が閉弁しない範囲で、上記注入回路を介して上記アクチュエータへ第１の所定電圧を印加して、上記アクチュエータへ電荷を注入する第１の注入ステップと、
燃料噴射終了時期に対応してニードル弁が閉弁するように、少なくとも上記第１の所定電圧よりも大きな値の第２の所定電圧を上記アクチュエータへ印加して、上記アクチュエータへ更に電荷を注入する第２の注入ステップと、
を有することを特徴とする差圧式燃料噴射弁の制御方法。