JPH0781537B2

JPH0781537B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置

Info

Publication number: JPH0781537B2
Application number: JP23751587A
Authority: JP
Inventors: 正記光安
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1987-09-24
Filing date: 1987-09-24
Publication date: 1995-08-30
Anticipated expiration: 2010-08-30
Also published as: JPS6480751A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

〔従来の技術〕加圧室と、加圧室内の圧力変化によって開閉制御される
ニードルと、加圧室内の加圧制御をするピエゾ圧電素子
の積層体とを有する燃料噴射弁を用いた燃料噴射制御装
置が公知である（特開昭62−645号公報参照）。

しかしながらニードルに加わる燃料噴射圧が変化すると
ニードルを開弁するのに必要な加圧室内の圧力が変化
し、ニードルを開弁するのに必要なピエゾ圧電素子の駆
動電圧も変化する。従って燃料噴射圧が変化した場合に
おいてピエゾ圧電素子に印加される駆動電圧が低すぎる
場合にはニードルを開弁させることができず、ピエゾ圧
電素子に印加される駆動電圧が高すぎる場合には消費電
力が増大するという問題を生ずる。

そこで燃料噴射圧に応じて変化するニードルを開弁する
のに必要な加圧室内の圧力を正確に制御するために加圧
室内に圧力センサを配置し、この圧力センサの出力信号
に基いてピエゾ圧電素子の駆動電圧を制御するようにし
た燃料噴射制御装置が公知である（特開昭62−7969号公
報参照）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながらこのような圧力センサを用いると部品個数
が増大するばかりでなく、また小容積の加圧室内に圧力
センサを取付けるのは実際には困難であるという問題が
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために本発明によれば、加圧室
と、加圧室内の圧力変化によって開閉制御されるニード
ルと、加圧室内の加圧制御をするピエゾ圧電素子の積層
体とを有する燃料噴射弁を具備し、加圧室内の圧力を検
出して加圧室内の圧力が燃料噴射圧に応じた予め定めら
れた圧力となるようにピエゾ圧電素子の積層体に印加す
べき駆動電圧を制御するようにした燃料噴射制御装置に
おいて、ピエゾ圧電素子の積層体の一部を圧力センサと
して用い、圧力センサによって加圧室内の圧力を検出す
るようにしている。

〔実施例〕

第１図および第２図を参照すると、１はディーゼル機関
本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４
はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は排気弁、８
は燃焼室５内に配置された燃料噴射弁、９は吸気マニホ
ルドを夫々示す。燃料噴射弁８は燃料供給管10を介して
各気筒に共通の燃料蓄圧管11に連結される。燃料蓄圧管
11はその内部に容積一定の蓄圧室12を有し、この蓄圧室
12内の燃料が燃料供給管10を介して燃料噴射弁８に供給
される。一方、蓄圧室12は燃料供給管13を介して吐出圧
制御可能な燃料供給ポンプ14の吐出口に連結される。燃
料供給ポンプ14の吸込口は燃料ポンプ15の吐出口に連結
され、この燃料ポンプ15の吸込口は燃料リザーバタンク
16に連結される。燃料ポンプ15は燃料リザーバタンク16
内の燃料を燃料供給ポンプ14内に送り込むために設けら
れており、燃料ポンプ15がなくても燃料供給ポンプ14内
に燃料を吸込むことが可能な場合には燃料ポンプ15を特
に設ける必要はない。これに対して燃料供給ポンプ14は
高圧の燃料を吐出するために設けられており、燃料供給
ポンプ14から吐出された高圧の燃料は蓄圧室12内に蓄積
される。

第３図に燃料噴射弁８の側面断面図を示す。第３図を参
照すると、20は燃料噴射弁本体、21はノズル、22はスペ
ーサ、23はノズル21およびスペーサ22を燃料噴射弁本体
20に固定するためのノズルホルダ、24は燃料流入口、25
はノズル21の先端部に形成されたノズル孔を夫々示す。
燃料噴射弁本体20、スペーサ22、ノズル21内には互いに
直列に配置された制御ロッド26、加圧ピン27およびニー
ドル28が摺動可能に挿入される。制御ロッド26の上方に
は燃料室29が形成され、この燃料室29は燃料流入口24お
よび燃料供給管10を介して蓄圧室12（第２図）に連結さ
れる、従って燃料室29内には蓄圧室12内の燃料圧が加わ
っており、燃料室29内の燃料圧が制御ロッド26の上面に
作用する。ニードル28は円錐状をなす受圧面30を有し、
この受圧面30の周りにニードル加圧室31が形成される。
ニードル加圧室31は一方では燃料通路32を介して燃料室
29に連結され、他方ではニードル28の周りに形成された
環状の燃料通路33を介してノズル孔25に連結される。燃
料噴射弁本体20内には加圧ピン27を下方に向けて付勢す
る圧縮ばね34が挿入され、ニードル28はこの圧縮ばね34
によって下方に押圧される。制御ロッド26はその中間部
に円錐状をなす受圧面35を有し、この受圧面35の周りに
制御ロッド加圧室36が形成される。加圧室36は燃料噴射
弁本体20内に形成されたシリンダ37内に連通せしめら
れ、このシリンダ37内には油圧ピストン38が摺動可能に
挿入される。この油圧ピストン38にはＯリング39が取付
けられている。

一方、燃料噴射弁本体20には油圧ピストン38を駆動する
ための駆動装置40が取付けられる。この駆動装置40は燃
料噴射弁本体20に固締されたケーシング41と、ピストン
38およびケーシング41間に挿入されたピエゾ圧電素子42
からなり、このピエゾ圧電素子42は薄板状の圧電素子を
多数枚積層した積層体から構成される。ピストン38から
最も離れた方のピエゾ圧電素子42の積層体の端部近傍に
はセラミックからなる絶縁板42aが挿入されており、従
ってピエゾ圧電素子42の積層体はこの絶縁板42aによっ
て絶縁板42aの右側に位置するピエゾ圧電素子群42bと、
絶縁板42bの左側に位置するピエゾ圧電素子群42cに分割
される。第３図からわかるようにピエゾ圧電素子群42b
は数枚のピエゾ圧電素子からなり、これに対してピエゾ
圧電素子群42cは多数枚のピエゾ圧電素子からなる。ピ
エゾ圧電素子群42bは圧力センサとして使用され、ピエ
ゾ圧電素子群42cはピストン38の駆動手段として用いら
れる。ピエゾ圧電素子群42cに電圧を印加するとピエゾ
圧電素子群42cは電歪効果によって長手方向の歪を生ず
る、即ち長手方向に伸びる。この伸び量は例えば50μｍ
程度の少量であるが応答性が極めて良好であり、電圧を
印加してから伸びるまでの応答時間は80μsec程度であ
る。電圧の印加を停止すればピエゾ圧電素子群42cはた
だちに縮む。第３図に示されるように油圧ピストン38と
燃料噴射弁本体20間には皿ばね43が挿入され、この皿ば
ね43のばね力によって油圧ピストン38はピエゾ圧電素子
42に向けて押圧される。

制御ロッド加圧室36およびシリンダ37内は燃料で満たさ
れている。

制御ロッド加圧室36内の燃料が加圧されていない場合に
はニードル28には制御ロッド26の上面に作用する下向き
の力と、圧縮ばね34による下向きの力と、ニードル28の
受圧面30に作用する上向きの力が加わる。このとき下向
きの力の総和が上向きの力よりも若干大きくなるように
制御ロッド26の径、圧縮ばね34のばね力およびニードル
28の受圧面30の面積が設定されている。従って通常ニー
ドル28には下向きの力が作用しており、斯して通常ニー
ドル28はノズル孔25を閉鎖している。次いでピエゾ圧電
素子群42cに電圧が印加されるとピエゾ圧電素子群42cが
伸びるために油圧ピストン38が左方に移動し、その結果
制御ロッド加圧室36内の圧力が上昇する。このとき制御
ロッド26の受圧面35に上向きの力が作用するために制御
ロッド26が上昇し、斯してニードル28が上昇するために
ノズル孔25から燃料が噴射される。一方、ピエゾ圧電素
子群42cにチャージされた電荷が除去せしめられるとピ
エゾ圧電素子群42cは縮み、その結果制御ロッド加圧室3
6内の燃料圧が低下するために制御ロッド26およびニー
ドル28が下降して燃料噴射が停止せしめられる。制御ロ
ッド加圧室36内の圧力はピストン38およびピエゾ圧電素
子群42cを介してピエゾ圧電素子群42b、即ち圧力センサ
42bに伝達され、従って圧力センサ42bによって制御ロッ
ド加圧室36内の圧力を検出することができる。

再び第１図を参照すると、燃料噴射弁８を制御するため
の電子制御ユニット50が設けられる。この電子制御ユニ
ット50はディジタルコンピュータからなり、双方向性バ
ス51によって相互に接続されたROM（リードオンリメモ
リ）52、RAM（ランダムアクセスメモリ）53、CPU（マイ
クロプロセッサ）54、入力ポート55および出力ポート56
を具備する。

第１図に示されるように燃料蓄圧管11の端部には蓄圧室
12内の燃料圧を検出する燃料圧センサ60が取付けられ
る。燃料圧センサ60は蓄圧室12内の燃料圧に比例した出
力電圧を発生し、この燃料圧センサ60はAD変換器57を介
して入力ポート55に接続される。一方、アクセルペダル
61にはアクセルペダル61の踏込み量に比例した出力電圧
を発生する負荷センサ62が取付けられる。この負荷セン
サ62はAD変換器58を介して入力ポート55に接続される。
また、入力ポート55には機関回転数を表わす出力信号を
発生する回転数センサ63が接続される。一方、各燃料噴
射弁８のピエゾ圧電素子群42b、即ち圧力センサ42bは夫
々対応するピークホールド回路64を介してマルチプレク
サ機能を有するAD変換器59に接続され、このAD変換器59
は入力ポート55に接続される。

一方、出力ポート56は駆動回路65を介して各燃料噴射弁
８のピエゾ圧電素子群42cに接続される。また、駆動回
路65は電圧制御回路66に接続されており、この電圧制御
回路66は出力ポート56に出力される信号に基いて制御さ
れる。また、出力ポート56は各ピークホールド回路64に
接続され、各ピークホールド回路64は出力ポート56に出
力されるリセット信号によってリセットされる。また、
出力ポート56はAD変換器59に接続され、各ピークホール
ド回路64の出力電圧は出力ポート56に出力されるAD変換
信号によって順次AD変換される。

第４図は駆動回路65および電圧制御回路66からなるピエ
ゾ圧電素子駆動制御回路を示す。駆動回路65は一対のコ
ンデンサC₁,C₂と、一対のコイルL₁,L₂と、一対のサイリ
スタS₁,S₂とを具備する。各駆動回路65に対して共通の
電圧制御回路66は電源ＥとDC−DCコンバータ67とを具備
し、電圧制御回路66は各燃料噴射弁８のピエゾ圧電素子
群42cに対して夫々設けられた駆動回路65の入力端子に
接続される。DC−DCコンバータ67の出力電圧は電子制御
ユニット50により制御され、従って電圧制御回路66は電
子制御ユニット50の出力信号によって定まる電圧を出力
する。両サイリスタS₁,S₂が非導通状態にあるときには
コンデンサC₁に電圧制御回路66の出力電圧に比例した電
荷がチャージされる。次いでサイリスタS₁が導通状態に
なるとコンデンサC₁にチャージされた電荷に比例した電
圧がピエゾ圧電素子群42cに印加されてピエゾ圧電素子
群42cがチャージされ、次いでサイリスタS₁が非導通状
態になるとピエゾ圧電素子群42cに電荷がチャージされ
続ける。ピエゾ圧電素子群42cの伸び量はピエゾ圧電素
子群42cにチャージされた電荷の量に比例しており、ピ
エゾ圧電素子群42cにチャージされる電荷の量はピエゾ
圧電素子群42cに印加される電圧が比例する。一方、サ
イリスタS₂が一時的に導通状態になるとピエゾ圧電素子
群42cにチャージされた電荷がディスチャージされ、ピ
エゾ圧電素子群42cはただちに縮む。

本発明ではDC−DCコンバータ67はピエゾ圧電素子群42
b、即ち圧力センサ42bの出力信号に基いて制御される。
なお、各駆動回路65のサイリスタS₁,S₂は負荷センサ62
および回転数センサ63の出力信号に基いて制御される。

蓄圧室12内の燃料圧、即ち燃料噴射圧が上昇すると制御
ロッド26を下向きに押圧する力の増大量がニードル28を
上向きに押圧する力の増大量よりも大きくなり、従って
ニードル28の開弁せしめるのに必要な制御ロッド加圧室
36の燃料圧は燃料噴射圧が高くなるにつれて高くなる。
ところで前述したようにピエゾ圧電素子群42cに印加さ
れる電圧が高くなるほどピエゾ圧電素子群42cにチャー
ジされる電荷量が増大し、ピエゾ圧電素子群42cの伸び
量が増大する。ピエゾ圧電素子群42cの伸び量が増大す
ると制御ロッド加圧室36内の圧力上昇が増大する。とこ
ろで燃料噴射圧が変化した場合において制御ロッド加圧
室36内の圧力上昇が小さすぎるとニードル28が開弁せ
ず、圧力上昇が大きすぎるとニードル28が開弁するが必
要以上の大きな電力を消費することになる。従って制御
ロッド加圧室36内の圧力上昇は燃料噴射圧に応じて制御
することが好ましい。そこで本発明では制御ロッド加圧
室36内の加圧時の燃料圧が燃料噴射圧に応じた最適な燃
料圧となるようにピエゾ圧電素子群42cに印加される電
圧が制御される。

第５図はピエゾ圧電素子群42cに印加される駆動電圧を
制御するためのタイムチャートを示している。第５図に
示されるように燃料噴射信号が発生するとピエゾ圧電素
子群42cに駆動電圧が印加され、その結果制御ロッド加
圧室36内の燃料圧が上昇してニードル28が開弁する。こ
のときピエゾ圧電素子群42b、即ち圧力センサ42bの出力
電圧は第５図に示すように上昇し、ピークホールド回路
64の出力電圧は圧力センサ42bの出力電圧の最大値V_max
にホールドされる。この最大値V_maxは制御ロッド加圧室
36内の最大圧に対応する。燃料噴射信号の立下りによっ
てピークホールド回路64の出力電圧がAD変換されて入力
ポート55に入力され、次いでピークホールド回路64がリ
セットされる。

第８図は蓄圧室12内の燃料圧Ｐと制御ロッド加圧室36内
の最適な最大圧、即ち圧力センサ42bの最適な目標最大
電圧V_oとの関係を示している。制御ロッド加圧室36内の
実際の最大燃料圧が最適な最大圧に対してずれている場
合には制御ロッド加圧室36内の最大燃料圧が最適な燃料
圧となるようにピエゾ圧電素子群12cの駆動電圧が制御
される。例えば制御ロッド加圧室36内の実際の最大燃料
圧が最適な最大圧よりも低いとき、即ち圧力センサ42b
の最大出力電圧V_maxが目標最大電圧V_oよりも低いときは
DC−DCコンバータ67に印加される制御電圧V_cが上昇せし
められる。電圧制御回路66の出力電圧は第９図に示され
るようにDC−DCコンバータ67に印加される制御電圧V_cに
比例するので制御電圧V_cが上昇せしめられると電圧制御
回路66の出力電圧が高くなる。電圧制御回路66の出力電
圧が高くなるとコンデンサC₁にチャージされる電荷量が
増大し、その結果サイリスタS₁が導通状態になったとき
にピエゾ圧電素子群42cに印加される電圧が増大する。
斯くしてピエゾ圧電素子群42cの伸び量が増大し、従っ
て制御ロッド加圧室36内の最大圧が上昇せしめられる。

第６図はDC−DCコンバータ67に印加される制御電圧V_cを
制御するためのフローチャートを示している。なお、第
６図に示すルーチンは燃料噴射信号の立下りによって割
込み実行される。

第６図を参照するとまず初めにステップ70においてピー
クホールド回路64の出力電圧V_maxを読込み、次いでステ
ップ71において蓄圧室12内の燃料圧Ｐを表わす燃料圧セ
ンサ60の出力信号を読込む。次いでステップ72では第８
図に示す関係から目標最大電圧V_oが求められる。

なお、第８図に示す関係は予めROM 52内に記憶されてい
る。次いでステップ73では最大出力電圧V_maxと目標最大
電圧V_oとが比較される。V_max＞V_oであればステップ74に
進んでDC−DCコンバータ67の制御電圧V_cがΔＶだけ減少
せしめられる。一方、V_maxV_oであればステップ75に進
み、V_max＜V_oであればステップ76に進んで制御電圧V_cが
ΔＶだけ増大せしめられる。ステップ77ではピークホー
ルド回路64がリセットされる。この制御電圧V_cは各燃料
噴射弁８毎に計算される。

第７図は燃料噴射制御ルーチンを示しており、このルー
チンは所定のクランク角における割込みによって実行さ
れる。第７図を参照するとまず初めにステップ80におい
て制御電圧V_cを出力ポート56に出力する（第５図）。次
いでステップ81では負荷センサ12および回転数センサ63
の出力信号から燃料噴射期間を計算し、ステップ82にお
いて燃料噴射信号を出力ポート56に出力する。

〔発明の効果〕

燃料噴射弁を大型化することがなくピエゾ圧電素子の駆
動電力の消費量を低減しつつ良好な燃料噴射制御を確保
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はディーゼル機関を図解的に示した平面図、第２
図はディーゼル機関の側面断面図、第３図は燃料噴射弁
の側面断面図、第４図はピエゾ圧電素子の駆動制御回路
図、第５図はDC−DCコンバータの出力電圧制御を示すタ
イムチャート、第６図はDC−DCコンバータの出力電圧を
制御するためのフローチャート、第７図は燃料噴射制御
のためのフローチャート、第８図は蓄圧室内の燃料圧と
目標最大電圧との関係を示す線図、第９図はDC−DCコン
バータの制御電圧と電圧制御回路の出力電圧との関係を
示す線図である。８……燃料噴射弁、65……駆動回路、 66……電圧制御回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加圧室と、加圧室内の圧力変化によって開
閉制御されるニードルと、加圧室内の加圧制御をするピ
エゾ圧電素子の積層体とを有する燃料噴射弁を具備し、
加圧室内の圧力を検出して加圧室内の圧力が燃料噴射圧
に応じた予め定められた圧力となるようにピエゾ圧電素
子の積層体に印加すべき駆動電圧を制御するようにした
燃料噴射制御装置において、ピエゾ圧電素子の積層体の
一部を圧力センサとして用い、該圧力センサによって加
圧室内の圧力を検出するようにした内燃機関の燃料噴射
制御装置。