JPH0415980Y2

JPH0415980Y2 -

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Publication number: JPH0415980Y2
Application number: JP1985110439U
Authority: JP
Priority date: 1985-07-20
Filing date: 1985-07-20
Publication date: 1992-04-09
Also published as: JPS6220165U

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本考案は燃料噴射弁に関し、特に燃料噴射弁の
開閉を行う電歪式アクチユエータの構造とその駆
動回路に関するものである。

〔従来の技術〕

電歪式アクチユエータを用いて燃料噴射弁の開
閉を行う方式は既に知られている（例えば、特開
昭60−1369号公報）。この場合、電歪式アクチユ
エータとして厚み0.5〜１mmの薄い円盤状（ペレ
ツト状）の電歪素子を約50枚積層して円柱状とな
したものである。電歪素子はチタン酸ジルコン酸
鉛（PZT）を主成分とするセラミツクであり、
その厚み方向に500Vの電圧を印加すると約1μｍ
伸長する。この電歪素子を50枚積層して各ペレツ
トの厚み方向に500V印加すると全体として50μｍ
の伸長が得られる。この電圧を解除するか又は若
干の負電圧を印加すれば50μｍの縮小を生じて元
の厚さに戻る。

かかる電歪素子の性質を利用して、燃料の噴射
を停止すべき時期には電歪式アクチユエータに
500Vの電圧を印加して伸長させる。これにより
アキユムレータに蓄積された圧力に抗してピスト
ンが下降し油圧室内の燃料が圧縮され高圧となり
ノズルニードルの上端面に作用してこれを下降さ
せノズルニードルの下端を弁座に押しつけて閉塞
し噴口への燃料供給を遮断する。

一方、燃料の噴射を開始すべき時期には電歪式
アクチユエータに停止とは逆に若干の負電圧を印
加し、上記の500Vを解除してやると電歪式アク
チユエータは約50μｍ収縮し上記とは逆の動作に
よつてノズルニードルは上昇し噴口が開放して燃
料を噴射する。

〔考案が解決しようとする問題点〕

上記の構成にあつては、ノズルニードルのリフ
ト量が大きくかつ応答性に優れ、しかもアクチユ
エータに作用する負荷を軽減することによつて小
型化された燃料噴射弁を得ることは可能である。
しかしながら、燃料噴射弁は電歪式アクチユエー
タによるノズルニードルの一義的なリフト量によ
つて開放されるか閉塞されるかであり、この各動
作における燃料噴射率パターンは機関の或る状態
の範囲内で一定である。特に期間の一つの状態と
してアイドル回転時に必要とされる燃料の噴射率
パターン、即ち、一回の燃料噴射当りの時間的な
噴射量の変化までも制御することは困難である。
従つて、このような制御が行われない為に生ずる
騒音、振動が大きく結果的に出力燃費をも向上さ
せることが難しい。

〔問題点を解決するための手段〕

本考案は上述の問題点を解消した燃料噴射弁で
あつて、燃料噴射弁の開閉を行う電歪式アクチユ
エータの構造を改良しその駆動回路を制御するこ
とによつて、ノズルニードルのリフト量を時間的
に段階的に変化せしめ、噴射率パターンを制御す
るもので、これにより機関の噴射系統をより微細
に制御することができ、機関の発する騒音、振動
を低減し結果的に出力の燃費をも向上させること
が可能な燃料噴射弁を提供することにある。本考
案の燃料噴射弁は、燃料を噴射する噴口を有する
ノズルボデイと、該ノズルボデイ内に往復動自在
に収容され、該噴口を開閉するノズルニードル
と、該ノズルニードルの該噴口とは反対側の端面
に対向して設けられ、往復動可能なピストンと、
該ピストンの該ノズルニードルとは反対側の端面
に係合して該ピストンを駆動する電歪式アクチユ
エータと、該ピストンと該ノズルニードルとの間
に設けられた油圧室と、該噴口に接続され、かつ
高圧に維持された燃料を蓄積するアキユムレータ
に接続された燃料入口とを備え、該電歪式アクチユエータを複数個の積層された
電歪式アクチユエータユニツトにより構成し、か
つ各電歪式アクチユエータユニツトは各々電歪式
アクチユエータユニツトを充放電して所定量の変
位を与えるように駆動する駆動回路に接続され、
該ノズルニードルのリフト量を該油圧室を介して
該電歪式アクチユエータの変位量により制御する
に際し、一回の噴射中において該複数の電歪式ア
クチユエータユニツトの充放電タイミングを該駆
動回路によりずらすことにより、該ノズルニード
ルのリフト量を変更せしめ、これにより該アキユ
ムレータから供給される燃料の１回の噴射中にお
ける噴射率を段階的に制御するようにしたことを
特徴とする。

〔実施例〕

第１図は、本考案に係る燃料噴射弁の基本構造
を示す軸方向断面図である。第１図において、１
は電歪式アクチユエータであつて複数個の電歪式
アクチユエータユニツトにより構成され、本実施
例では例えば３個の電歪式アクチユエータユニツ
ト１ａ〜１ｃを図示の如くノズルニードル９の軸
上に３段に積層して構成される。端子２ａ〜２ｄ
はアクチユエータユニツト１ａ〜１ｃに電圧を印
加するための端子であり、これらの端子はシール
材３によつてケース１４から電気的に絶縁されて
いる。４はピストン５の上下動を案内するガイ
ド、６はノズルニードル９と油圧室１３とを連結
するバー、７は間〓用のデイスタンスピース、８
はリテイニングナツト、１０は燃料を噴射するノ
ズルボデイ、１１はアキユムレータ１５に連通す
る燃料注入口、１２はノズルボデイとケース１４
とを連結するボデイである。

各々の電歪式アクチユエータユニツト１ａ，１
ｂおよび１ｃは前述と同様にペレツト状の電歪素
子を所定の枚数だけ積層して円柱状をなしたもの
で、電歪素子は前述の如くチタン酸ジルコン酸鉛
（PZT）を主成分とするセラミツクであり、その
厚み方向に500Vを印加すると１ペレツト当り約
1μｍ伸長し、負電圧を印加すれば元に戻る性質
を有する。各々のアクチユエータユニツトは同様
な構造を有しこれらを図示の如く３段に密接して
積層する。アクチユエータユニツト１ｃの下端は
ピストン５に連結し、電歪式アクチユエータ１の
変位に応じて上下動する。

アクチユエータユニツト１ａは端子２ｄと端子
２ａ、アクチユエータユニツト１ｂは端子２ｄと
端子２ｂ、アクチユエータユニツト１ｃは端子２
ｄと端子ｃとによつて各々独立に電圧を印加でき
るようになつている。また、各端子２ａ〜２ｄは
それぞれシール材３によりケース１４と絶縁され
ており、各々の端子間は完全に絶縁されている。

このような構成において電歪式アクチユエータ
１による燃料噴射の断続は基本的に以下のように
行われる。即ち、燃料の噴射を停止すべき時期に
は電歪式アクチユエータ１に所定の電圧を印加し
て伸長させる。これによりアキユムレータ１５に
蓄積された油圧に抗してピストン５が下降し油圧
室１３内の圧力が上昇してバー６の上端面に作用
する。バー６はこの圧力により下降し連結するノ
ズルニードル９を下降させノズルニードル９の下
端を弁座に押しつけて閉塞し噴口１６への燃料供
給を遮断する。

一方、燃料の噴射を開始すべき時期には電歪式
アクチユエータ１に若干の負電圧を印加して収縮
させ、これにより油圧室１３内の圧力が減少する
ためにアキユムレータ１５からの油圧によりバー
６およびノズルニードル９が押し上げられて噴口
１６は開放し燃料を噴射する。

本考案は上述のノズルニードル９のリフト量を
一義的に動作させることなく、機関の状態に応じ
てリフト量を段階的に変化させることにあり、そ
のために電歪式アクチユエータユニツト１ａ，１
ｂおよび１ｃに順次に電圧を印加することによつ
て電歪式アクチユエータ１全体の変位を変化させ
るものである。

上述の如く電歪式アクチユエータを駆動させる
回路を第２図に示す。第２図において、１ａ〜１
ｃは第１図に示す各アクチユエータユニツトであ
り、２ａ〜２ｄは同様に第１図に示す端子であ
る。またS₁〜S₃は充電側のスイツチイグ素子、S₄
〜S₆は放電側のスイツチング素子であつて、これ
らは例えばサイリスタを用い、L₀は充電側のコ
イル、L₁〜L₃は放電側のコイルである。そして
V_Sは直流電源、C₀は電源用コンデンサである。

このような構成において、例えばアクチユエー
タユニツト１ａの動作は次のようになる。即ち、
サイリスタS₁のゲートG₁に後述する制御手段か
らトリガ信号を入力するとサイリスタS₁はターン
オンする。電源V_Sによつて充電されているコン
デンサC₀の両端の電圧はコイルL₀により昇圧さ
れて端子２ａと２ｄの間に生じ、これによりアク
チユエータユニツト１ａは充電され所定の量だけ
変位（この場合は伸長）する。次に、サイリスタ
S₁をターンオフし、サイリスタS₄のゲートG₄に
トリガ信号を加えてターンオンすると、アクチユ
エータユニツト１ａはコイルL₁およびサイリス
タS₄を介して放電するので端子２ａと２ｄの間に
負電圧を印加したことになりアクチユエータユニ
ツト１ａは収縮する。このようにしてサイリスタ
S₁およびS₄のゲートG₁およびG₄を制御すること
によつてアクチユエータユニツト１ａは伸長ある
いは収縮させることができる。同様にしてアクチ
ユエータユニツト１ｂおよび１ｃについてもそれ
ぞれのサイリスタのゲートを制御することによつ
て同様に伸長あるいは収縮させることができる。
本考案ではこれらのアクチユエータユニツトの伸
長あるいは収縮のタイミングを個々に制御するこ
とによつてノズルニードルのリフト量を変化させ
所定の噴射率パターンを得ることができる。

第３図ａ〜ｅはアクチユエータユニツト１ａ，
１ｂおよび１ｃの電圧印加タイミングとノズルニ
ードルのリフト量および噴射率との関係を示すタ
イミングチヤートである。ａ〜ｃは各々アクチユ
エータユニツト１ａ〜１ｃの電圧印加タイミン
グ、ｄはノズルニードルのリフト量、ｅはｄに示
すリフト量に対応する燃料噴射率のパターンであ
る。タイミングチヤートの前半は機関の低速回転
時であり後半は高速回転時を示す。低速回転時に
おいて、最初にアクチユエータユニツト１ａに時
刻t₁にて電圧を印加しアクチユエータユニツト１
ｂ，１ｃには印加しないものとすると、アクチユ
エータユニツト１ａの伸長によりｄに示すように
ノズルニードルのリフト量はd₁だけ変位し、これ
によりｅに示すようにt₁からt₂まで所定の噴射率
により燃料噴射される。アクチユエータユニツト
１ａへの電圧印加は継続しておき、次に時刻t₂に
おいてアクチユエータユニツト１ｂに電圧を印加
する。アクチユエータユニツト１ｂの伸長により
ノズルニードルのリフト量はd₂まで変位する。即
ち、アクチユエータユニツト１ａと１ｂの変位量
を加算したリフト量が得られ、このときの噴射率
はさらに上昇し燃料噴射量は多くなる。さらに、
アクチユエータユニツト１ａおよび１ｂへの電圧
印加を継続し、時刻t₃においてアクチユエータユ
ニツト１ｃに電圧を印加する。同様にしてアクチ
ユエータユニツト１ｃの伸長によりノズルニード
ルのリフト量はd₃まで変位する。即ち、アクチユ
エータユニツト１ａ，１ｂおよび１ｃの変位を合
計したリフト量が得られ、燃料噴射量はさらに増
大する。そして時刻t₄においてアクチユエータユ
ニツト１ａ，１ｂおよび１ｃの電圧印加を同時に
遮断することによつてすべてのアクチユエータユ
ニツトは収縮しノズルニードルが変位して燃料噴
射を停止する。

後半の高速時における電圧印加タイミングでは
アクチユエータユニツト１ａ，１ｂおよび１ｃへ
の印加タイミングt₅，t₆，t₇に対して印加を遮断
するタイミングは図示の如くt₈，t₉，t₁₀のように
行われるので、ｄおよびｅに示すような波形とな
る。

このように電圧印加タイミングを制御すること
によつて、機関の低速および高速回転時の燃料噴
射率パターンをｅのように設定することができる
ので、低速回転時においては、燃料が徐々に噴射
するために、急激な噴射により生ずるタイミング
のずれた過大な燃焼、いわゆる「後もえ」を防止
することができ、騒音、振動を低減することがで
きる。即ち、従来のように、噴射率が一定のとき
にはクランク角の上死点前に一気に燃焼してしま
い不要な負荷となつて騒音、振動を生ずる要因と
なつていたが、本考案によれば徐々に燃料噴射を
増大させるような噴射パターンが可能となるため
タイミングのよい燃焼を行うことができる。一
方、高速回転時においては低速時とは異なる噴射
率パターンに設定し、急激に燃料噴射するような
形態にノズルニードルのリフト量を制御すればよ
く、図に示したような噴射率パターンになるよう
にアクチユエータユニツト１ａ，１ｂおよび１ｃ
への電圧印加タイミングを設定すればよい。尚、
横軸は時間軸である。

第４図は電歪式アクチユエータ１の各々のアク
チユエータユニツト１ａ，１ｂおよび１ｃを制御
する制御手段のブロツク図を示す。各種のセン
サ、即ち、水温センサWT、エンジン回転数セン
サＦ、クランク角度センサＡ、アクセル開度セン
サAC、および過給圧センサOP等からの検出信号
はマイクロコンピユータから成るコントローラ４
２内の演算手段４２１に取り込まれ、記憶装置４
２２に予めストアされたデータに基づいて演算処
理、即ち、噴射圧力を算出する。算出結果は駆動
回路４０に送出され噴射パターンに従つて所定の
サイリスタのゲートにトリガ信号を送出してサイ
リスタをターンオン若しくはターンオフする。サ
イリスタのターンオンに基づいて高電圧電源４１
からアクチユエータに電圧印加される。

尚、本実施例では、電歪式アクチユエータをノ
ズルニードルの軸上に配置した例を説明したが、
ノズルニードル軸と垂直に交差する方向に横向き
に配置することもできる。この場合には、電歪式
アクチユエータは燃料通路を段階的に開放又は閉
塞するように機能し、噴射に必要な噴射圧は別個
の手段、例えばプランジヤーによつて行われる。

〔考案の効果〕

本考案によれば、簡単な構成により１回の噴射
における燃料の噴射率パターンを任意に変化させ
ることができるので、運転状態に応じた最適な噴
射率パターンを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案に係る燃料噴射弁の基本構造
を示す軸方向断面図、第２図は、第１図に示す電
歪式アクチユエータの駆動回路図、第３図ａ〜ｅ
は印加電圧、リフト量および噴射率を示すタイミ
ングチヤート、および第４図は第１図に示す電歪
式アクチユエータの制御ブロツク図である。符号の説明、１……電歪式アクチユエータ、１
ａ〜１ｃ……電歪式アクチユエータユニツト、２
ａ〜２ｄ……端子、３……シール材、４……ガイ
ド、５……ピストン、６……バー、７……デイス
タンスピース、８……リテイニングナツト、９…
…ノズルニードル、１０……ノズルボデイ、１１
……燃料入口、１２……ボデイ、１３……油圧
室、１４……ケース、１５……アキユムレータ、
４０……駆動回路、４１，V_S……高圧直流電源、
４２……コントローラ、L₀〜L₃……コイル、S₁
〜S₆……サイリスタ、C₀……コンデンサ。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】燃料を噴射する噴口１６を有するノズルボデイ
１０と、該ノズルボデイ内に往復動自在に収容さ
れ、該噴口を開閉するノズルニードル９と、該ノ
ズルニードルの該噴口とは反対側の端面に対向し
て設けられ、往復動可能なピストン５と、該ピス
トンの該ノズルニードルとは反対側の端面に係合
して該ピストンを駆動する電歪式アクチユエータ
と、該ピストンと該ノズルニードルとの間に設け
られた油圧室１３と、該噴口に接続され、かつ高
圧に維持された燃料を蓄積するアキユムレータ１
５に接続された燃料入口１１と、該油圧室内の圧
力を制御してノズルニードルを開閉するよう該電
歪式アクチユエータを駆動せしめる駆動回路とを
備えた燃料噴射弁において、該電歪式アクチユエータを複数個の積層された
電歪式アクチユエータユニツト１ａ−１ｃにより
構成するとともに、前記駆動回路は該複数の電歪
式アクチユエータユニツトのそれぞれと接続さ
れ、１回の噴射中において該複数の電歪式アクチ
ユエータユニツトの充放電タイミングをずらすこ
とにより、１回の噴射中におけるノズルニードル
のリフト量を段階的に制御することを特徴とする
燃料噴射弁。