JPH11141429A - 燃料噴射装置およびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低負荷運転領域において圧電素子への供給電
圧を低くしたときに、圧電素子の伸長速度を低下させる
ことなく高い衝撃作用を保つ。 【解決手段】 直流電源５３１と、エンジンの運転状態
検出手段と、正負両電極間に挟持された圧電素子７０４
と、この圧電素子の正電極側と前記直流電源との間に設
けた第１スイッチ７０１と、この圧電素子の正電極側と
アースとの間に設けた第２スイッチ７０２と、前記圧電
素子の両電極間の充電電圧を検出するための電圧検出手
段７０３と、前記第１および第２スイッチを駆動するた
めの制御手段５００，７００とを具備し、前記第１スイ
ッチを駆動して前記直流電源の電圧を圧電素子に印加
し、前記圧電素子に充電を開始した後、前記電圧検出手
段による検出電圧が所定値に達すると、前記第２スイッ
チを駆動して該圧電素子から放電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、衝撃的高圧により
燃料を噴射する燃料噴射装置およびその駆動方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】衝撃的な高圧を液体に付与して液体を噴
射させる液体噴射装置が本願出願人により提案されてい
る（特願平８−２１９６７２号）。この液体噴射装置を
エンジンの燃料噴射装置として用いようとすれば、最も
実用的な構成として、圧電素子を用いてこれに直流電圧
を印加し、電圧の大小によって圧電素子の伸長量を調整
して衝撃的高圧を調整し、これにより噴射量を調整する
構成が考えられる。この場合、圧電素子は正負両電極間
に挟持され、電圧印加により両電極にそれぞれ正負の電
荷が供給されこれが帯電して充電状態になることにより
圧電素子が伸長する。充電により圧電素子を瞬時に伸長
させて衝撃的高圧を発生し、これにより燃料を噴射した
後、両電極の電荷を放電し電圧を非印加状態として圧電
素子を元の状態に戻し次の電圧印加に備える。

【０００３】エンジンの場合、燃焼サイクル毎に燃料噴
射を行うため、このような圧電素子への充電と、圧電素
子からの放電を交互に繰り返す構成になる。ここで噴射
量を制御するためには、電圧調整器等により直流電源か
らの正電荷供給側への出力電圧を調整して、低負荷時等
エンジンの要求噴射量が少ないときには出力電圧を小さ
くし、高負荷時等エンジンの要求噴射量が多いときには
出力電圧を大きくすることにより噴射量制御が可能にな
る。

【０００４】一方、エンジンの燃料噴射装置において
は、噴射量の制御をなるべく広い範囲で可能として最大
噴射量と最小噴射量との間の幅であるダイナミックレン
ジを拡大し、特に最小噴射量を適正に制御して低負荷時
の安定したエンジン出力および希薄燃焼による燃費の改
善を図ることが要求されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記衝
撃的高圧による燃料噴射装置において、噴射量制御のた
めに圧電素子への供給電圧を調整しても、電圧を印加し
て充電を開始した後電荷が飽和する充電完了までの時間
は電圧の大小にかかわらずほぼ一定である。このため、
充電速度（電荷が供給される速度）は電圧の大小に応じ
て変り、電圧が大きい程大きく、電圧が小さくなると小
さくなる。この充電速度に対応して圧電素子の伸長速度
が変るため、供給電圧を小さくすると、伸長速度が小さ
くなり過ぎて、必要とする衝撃的高圧が得られず噴射量
が極端に少なくなり、あるいは噴射勢いが弱まって噴射
による霧化状態が悪くなり、要求負荷に対応したエンジ
ン出力が得られなくなる場合が考えられる。このため、
特に低負荷運転領域において、適正な燃料噴射制御がで
きず、最小噴射量が制限され、ダイナミックレンジの拡
大が図られない。

【０００６】本発明は上記の点を考慮してなされたもの
であって、特に低負荷運転領域において圧電素子への供
給電圧を低くしたときに、圧電素子の伸長速度を低下さ
せることなく高い衝撃的圧力を保って高精度で噴射量を
制御し良好な霧化状態を維持して安定したエンジン出力
が得られる燃料噴射装置およびその駆動方法の提供を目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、直流電源と、エンジンの運転状態検出
手段と、正負両電極間に挟持された圧電素子と、この圧
電素子に連結され燃料に衝撃的圧力を付与するためのプ
ランジャと、この圧電素子の正電極側と前記直流電源と
の間に設けた第１スイッチと、この圧電素子の正電極側
とアースとの間に設けた第２スイッチと、前記圧電素子
の両電極間の充電電圧を検出するための電圧検出手段
と、前記運転状態検出手段および電圧検出手段に連結さ
れ、これらの検出信号に基づいて前記第１および第２ス
イッチを駆動するための制御手段とを具備したことを特
徴とする燃料噴射装置を提供する。

【０００８】このような構成の燃料噴射装置の駆動方法
において、前記第１スイッチを駆動して前記直流電源の
電圧を圧電素子に印加し、前記圧電素子に電圧印加を開
始した後、前記電圧検出手段による検出電圧が所定値に
達すると、前記第２スイッチを駆動して該圧電素子から
放電する。

【０００９】この方法によれば、低負荷運転時に噴射量
を小さくするために圧電素子への供給電圧を小さくする
場合に、印加電圧そのものを小さくするのではなく、一
定の高い電圧を印加してその電圧に達するまでの立上が
り過程で電圧供給を停止することにより、充電により圧
電素子の正負両電極間に発生する充電電圧を低くする。
すなわち、予め定まった電圧を有する直流電源から電圧
を印加し、その立上がり途中の電圧を検出してこの電圧
が所定値に達したら充電を停止して放電を開始する。こ
れにより、充電時の圧電素子の伸長速度を低下させるこ
となく大きな衝撃作用を保ったまま、低電圧を印加する
ことができ、小さい噴射量を大きな噴射速度で安定して
確実に供給することができる。したがって、特に低負荷
運転領域での燃料噴射制御の信頼性が高まりダイナミッ
クレンジを広げることができ、広い範囲にわたって霧化
状態が良好で高出力の燃焼が達成され、特に低噴射量状
態での霧化を促進し噴射量のばらつきを無くして安定し
た燃焼を達成し、出力向上および燃費の改善を図ること
ができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の燃料噴射装置に
ついて説明する。図１はこの発明に係る燃料噴射装置を
２サイクル内燃機関に適用した例を示す。このエンジン
１は、燃焼室４０の上部を構成するシリンダヘッド２、
燃焼室４０の筒体を構成するシリンダブロック３、クラ
ンク室を形成するクランクケース４等により構成され
る。クランク室内のクランク軸５は、クランクピン６及
びピストンピン７に連結されたコンロッド１００を介し
てピストン８に連結される。シリンダヘッド２の中央部
には点火プラグ１３が装着される。

【００１１】また、エンジン１は、クランク室に連通す
る吸気通路９及びシリンダ内の燃焼室４０に連通する排
気通路１１を備えている。クランク室と燃焼室４０と
を、掃気通路６４２で連通している。吸気通路９内には
スロットル弁６４８及び吸気の逆流阻止のためのリード
弁６４７が設けられる。シリンダヘッド２には、燃焼室
４０に臨んで、燃料噴射ユニット４４が設けられる。

【００１２】この燃料噴射ユニット４４は、インジェク
タ１４と高圧発生装置１６を一体化したものである。高
圧発生装置１６は、後述の図２に示すように、圧電素子
を直列に連結した衝撃的伸長素子１７ａとプランジャー
１７ｂからなる衝撃的高圧発生源１７を有する。この衝
撃的高圧発生源１７は制御装置３０２に連結され所定の
タイミングで駆動制御される。

【００１３】この燃料噴射ユニット４４は、燃料供給パ
イプ２１を介して、燃料噴射ユニット４４より高い位置
に設けた上部に不図示のプリーザ穴を設けた気液分離フ
ロート室６４６に連通する。この気液分離フロート６４
６は、液面を一定するためのフロート式弁６４６ａ、燃
料ポンプ１９Ａ及びフィルタ６２０を介して、燃料タン
ク２２に連通する。燃料噴射ユニット４４は、制御装置
３０２により制御され、制御装置３０２は直流電源５３
１に連結される。この直流電源５３１は直流バッテリに
昇圧回路を接続したものでもよいし、あるいは図示した
ように交流電源及び交直変換回路からなる電源回路によ
り直流電源５３１として構成してもよい。制御装置３０
２は後述のようにＥＣＵ５００に組込まれたプログラム
に従って制御される。なお、この燃料噴射ユニット４４
は、図１の二点鎖線で示したように、シリンダブロック
３の側壁面あるいは吸気通路９に設けてもよい。さら
に、燃料噴射ユニット４４と気液分離フロート室６４６
の上部を連通する戻り燃料パイプ２３が設けられる。

【００１４】この構成により、燃料噴射ユニット４４内
の不図示の加圧室、噴射通路、弁手段の気泡は、エンジ
ン１停止中に戻り燃料パイプ２３へ入り、フロート室６
４６方向に浮力により移動する。燃料噴射ユニット４４
内で気泡が加圧室に入るのは、ユニット内の弁手段より
噴射通路が上位にあり、噴射通路より加圧室が上位にあ
るからである。また、気泡が加圧室から戻り燃料パイプ
２３へ入るのは、戻り燃料パイプ２３の加圧室側開口
が、加圧室の上部にあるからである。戻り燃料パイプ２
３の加圧室側開口が、燃料供給パイプ２１端部の不図示
の導入ポートより上位にあると、確実に戻り燃料パイプ
２３内へ気泡を導くことができる。一方、燃料供給パイ
プ２１中の気泡は、エンジン１停止中に浮力によりフロ
ート室６４６内に移動する。

【００１５】エンジン１の運転中は、燃料噴射ユニット
４４が作動し、衝撃的高圧波発生による噴射と、噴射に
より加圧室に発生する負圧とフロート室６４６の燃料油
面によるヘッド（正圧）とによる加圧室への燃料移動と
が交互に連続して発生する。加圧室への燃料移動時、戻
り燃料パイプ２３内の加圧室寄り部分に気泡があると、
気泡が再び加圧室内に戻ることになるので、戻り燃料パ
イプ２３内にフロート室６４６方向のみに流れを許容す
る逆止弁を配置すると、エンジン１運転中にも確実にエ
ア抜きができる。衝撃的高圧波は、発生面の法線方向に
強い指向性があるので、燃料噴射時の戻り燃料パイプ２
３内への燃料押し出し量（噴射洩れ量）は僅かである。
この僅かな戻り燃料パイプ２３内への燃料押し出し作用
により、戻り燃料パイプ２３内の気泡は確実にフロート
室６４６へ移動し分離される。なお、燃料噴射時の燃料
供給パイプ２１内への燃料押し出し量（噴射洩れ量）は
僅かであるが、燃料供給パイプ２１内に加圧室方向のみ
に流れを許容する逆止弁を配置すると、噴射洩れ量を少
なくできる。

【００１６】また、燃料供給パイプ２１に燃料ポンプ１
９Ｂを設けてもよく、また戻り燃料パイプ２３に調圧弁
１０１を設けてもよい。調圧弁１０１により燃料循環経
路Ｋは所定圧力に維持され、安定した余圧を付加するこ
とが可能であるため、燃料噴射ユニット４４の作動によ
り正確な噴射ができる。この場合には気液分離フロート
室６４６は、液面を一定とするためのフロート式弁６４
６ａが不要となるが、上限レベル検知センサＳ１１と下
限レベル検知センサＳ２１から構成される燃料レベルメ
ータを設けるようにする。気液分離フロート室４６の燃
料レベルが下限レベル検知センサＳ２１の位置より下る
と、燃料ポンプ１９Ａを駆動してフィルタ２０を介して
燃料を燃料タンク２２から供給し、上限レベル検知セン
サＳ１１が燃料を検知すると燃料の供給を停止する。

【００１７】この実施例のエンジン１ではさらに、オイ
ル供給するためにオイル噴射ユニット６４９を用いてい
る。このオイル噴射ユニット６４９は、前述の高圧発生
装置１６を用いた燃料噴射ユニット４４と実質上同じ構
成であり、オイル配管６５３、６５４を介してインジェ
クタ６５５からクランク室及びシリンダ内にオイルが噴
射される。このオイル噴射ユニット６４９にはストレー
ナ６５２を介してオイルタンク６５１からオイルポンプ
６５０によりオイルが供給される。このオイル噴射ユニ
ット６４９は、前述を同様に、高圧発生源を有し、衝撃
的高圧によりインジェクタ６５５からオイルを噴射する
ものであり、その構成や衝撃的高圧波の発生原理や作用
及び噴射動作は燃料噴射ユニット４４と同様である。な
お、加圧室には１つの衝撃的高圧発生部に対向した位置
にオイル配管６５３，６５４の各々に連通する複数の潤
滑油吐出ポートが設けられる。このオイル噴射ユニット
６４９にも、上記エア抜き手段を設けることにより、簡
単にエア抜きが可能になる。

【００１８】以下、この発明の燃料噴射装置についてさ
らに説明する。図２は、燃料噴射装置の実施の形態の概
略構成図である。この実施の形態では、図１で示す気液
分離フロート室６４６は廃止され、燃料タンク２２から
直接燃料が燃料ポンプ１９により導かれて燃料噴射ユニ
ット４４に送られる。また、燃料噴射ユニット４４から
の戻し燃料パイプ２３は燃料タンク２２の上部に連結さ
れる。

【００１９】高圧発生装置１６とインジェクタ１４が一
つのユニットとして一体に形成されたこの燃料噴射ユニ
ット４４は、燃料噴射の応答性がよく、かつコンパクト
な構造になる。インジェクタ１４は、先端に噴射口４１
が形成されたノズル本体２４を有し、このノズル本体２
４内に噴射弁２５が装着される。噴射弁２５はスプリン
グ２６により常に閉方向に付勢される。このインジェク
タ１４は、ノズルカバー２００を介してケース本体３１
に接続されこれと一体構造となる。このインジェクタ１
４に衝撃的高圧波が伝播してくると、噴射弁２５先端の
内側面に衝突しさらに昇圧する。そして、そのエネルギ
ーにより、スプリング２６に抗して噴射弁２５が押し開
かれ、燃料が噴射される。

【００２０】ケース本体３１の内部に加圧室５０が形成
される。この加圧室５０の一方の端部側には、衝撃的伸
長素子１７ａ及びプランジャ１７ｂ等を含んで構成され
た衝撃的高圧発生源１７が、ケース４００及びケース本
体３１により形成される収納室４３内に配置される。こ
の高圧発生源１７により、加圧室５０内に衝撃的高圧を
発生させ、加圧室内の燃料に衝撃的圧力を付与する。

【００２１】プランジャ１７ｂは、衝撃的伸長素子１７
ａの断面より大きい衝撃的加圧面１７ｂ１を有し、プラ
ンジャ１７ｂは、衝撃的伸長素子１７ａと別部品であ
り、衝撃的伸長素子１７ａの燃料側端部に圧入固定して
設けられる。衝撃的伸長素子１７ａは、後述のように、
圧電素子とこれを挟持する電極（図示しない）で構成さ
れる。この電極に直流電源５３１が制御装置３０２を介
して接続される。

【００２２】また、プランジャ１７ｂの外周には環状の
凹部１７ｂ２が形成され、この凹部１７ｂ２に衝撃的伸
長素子１７ａ側の収納室４３と加圧室５０とを区画する
シール部材１０２を備えている。シール部材１０２はＯ
リング等で構成され、シール部材１０２の位置は、プラ
ンジャ１７ｂの途中部に設けられる。

【００２３】また、プランジャ１７ｂのストローク長
は、衝撃的伸長素子１７ａのストロークや変形量に対し
て充分の長さを有し、ストローク移動に対する反力は、
燃料圧と摩擦力によるもので余分な力はかからない。ま
た、筒状のケース本体３１が熱変形を起こした場合で
も、作動ストロークの変位量は衝撃的伸長素子１７ａの
変位だけであるため計量精度には影響しない。また、加
圧室５０の形状の自由度が高く、しかもエアが溜まりに
くい。なお、この実施の形態においては、加圧室内壁を
漏斗状にしている。

【００２４】この加圧室内燃料に対する衝撃的高圧波を
付与する衝撃的加圧面１７ｂ１に対向する側の加圧室内
壁５０ａの端部に加圧室５０に臨んで燃料吐出ポート３
３が開口する。この燃料吐出ポート３３は、インジェク
タ１４に連通する。

【００２５】衝撃的高圧発生源１７の衝撃的伸長素子１
７ａは、端部を締め上げるナット４０３によりケース４
００に固定されている。４０１はナット締め上げ時の衝
撃的伸長素子１７ａの回り止めである。衝撃的高圧発生
源１７は、ケース４００を介してケース本体３１に接続
され一体構造になる。この衝撃的高圧発生源１７の衝撃
的加圧面１７ｂ１に直交する筒状のケース本体３１の側
面、即ち、高圧波が伝播する進行方向に直角な側面に
は、燃料入口４６ａが加圧室５０に臨んで開口する。こ
の燃料入口４６ａには燃料供給パイプ２１に連通する第
１分岐供給側燃料通路２１ａが接続される。燃料入口４
６ａの近傍上流部にはスプリングでバックアップされた
逆止弁２１ａ１が配置されている。

【００２６】また、ケース本体３１の側面には、燃料出
口４７ａが加圧室５０に臨んで開口する。この燃料出口
４７ａには戻り燃料パイプ２３に連通する第１分岐戻り
側燃料通路２３ａが接続される。燃料出口４７ａの近傍
上流部にはスプリングでバックアップされた調圧弁２３
ａ１が配置されている。

【００２７】このような構成の燃料噴射装置において、
加圧室５０内に燃料を充填した状態で、衝撃的高圧発生
源１７の衝撃的伸長素子１７ａに駆動電圧を印加し始め
ると、衝撃的伸長素子１７ａが形状変化する瞬間に衝撃
的加圧面１７ｂ１直近の燃料に衝撃的高圧波が発生す
る。この衝撃的高圧波は、衝撃的加圧面１７ｂ１側から
その衝撃的加圧面１７ｂ１対し直角方向に、加圧室５０
の反対面側の対向する位置の燃料吐出ポート３３に向か
って瞬時に伝播する。

【００２８】この圧力波は、加圧室５０内を進行中に加
圧室の側面に開口する燃料入口４６ａを通過するが、こ
の燃料入口４６ａの開口方向は、高圧波の進行方向に対
し直角方向であるため、これを瞬時に通過し、高圧波の
圧力は、燃料入口４６ａ内の燃料および調圧弁２３ａ１
に対し実質上何等作用せず、高圧波のエネルギーはほと
んど消費されない。衝撃的高圧発生源１７の衝撃的加圧
面１７ｂ１から発せられ、漏斗状の加圧室内壁５０ａに
より集められ、さらに昇圧した衝撃的高圧波は、この面
に唯一形成された燃料吐出ポート３３内に進入し、噴射
通路３３ａに到達する。噴射通路３３ａに到達した衝撃
的高圧波は、スプリング２６に抗して噴射弁２５を開き
噴射口４１から高圧燃料を噴射させる。

【００２９】ケース４００の下端側（加圧室側）には、
燃料入口４６ｂが形成され、この燃料入口４６ｂには燃
料供給パイプ２１に連通する第２分岐供給側燃料通路２
１ｂが接続される。また、ケース４００の上端側には、
燃料出口４７ｂが形成され、この燃料出口４７ｂには戻
り燃料パイプ２３に連通する第２分岐戻り側燃料通路２
３ｂが接続される。ケース４００には、燃料出口４７ｂ
より上側の位置にシール部材１９０が設けられ、収納室
４３内の燃料が外部に漏れないようにしている。

【００３０】このように、この実施の形態では、燃料循
環路Ｋの供給側を、第１分岐供給側燃料通路２１ａと第
２分岐供給燃料通路２１ｂに分岐し、第１分岐供給側燃
料通路２１ａは逆止弁２１ａ１及び燃料入口４６ａを介
して加圧室５０に連通させ、第２分岐供給側燃料通路２
１ｂは燃料入口４６ｂを介して収納室４３に連通させて
いる。

【００３１】一方、燃料循環路Ｋの戻り側を第１分岐戻
り側燃料通路２３ａと第２分岐戻り側燃料通路２３ｂに
分岐し、第１分岐戻り側燃料通路２３ａは調圧弁２３ａ
１及び燃料出口４７ａを介して加圧室５０に連通させ、
第２分岐戻り側燃料通路２３ｂは、燃料出口４７ｂを介
して収納室４３に連通させている。

【００３２】このように、燃料循環路Ｋを、加圧室５０
に燃料を供給する経路と、収納室４３に燃料を供給する
経路に分岐したから、特別な冷却装置を備えることな
く、簡単な構造で衝撃的伸長素子１７ａを冷却すること
ができ、しかも、調圧弁２３ａ１により加圧室５０内の
予圧を一定にでき、且つ加圧室５０内の燃料を衝撃的に
加圧するときに収納室４３に燃料が逆流することを防止
でき、より燃料の噴射精度が向上する。

【００３３】図３は、燃料噴射装置の実施の形態に係る
衝撃的高圧発生源１７回りの詳細構成図である。この実
施の形態の燃料噴射ユニット４４は、高圧発生装置１６
とインジェクタ１４が一体化され、高圧発生装置１６の
密閉ケース７１には収納室４３が設けられ、この収納室
４３に衝撃的高圧発生源１７が収納されている。

【００３４】密閉ケース７１には、燃料入口４６および
燃料出口４７が設けられ、燃料供給パイプ２１からの燃
料が燃料入口４６から収納室４３に供給され、収納室４
３からの燃料が燃料出口４７から戻り燃料パイプ２３へ
戻される。このように、燃料循環路Ｋの途中に衝撃的高
圧発生源１７を収納する収納室４３を設け、この収納室
４３に燃料を循環させるように構成されている。

【００３５】衝撃的高圧発生源１７を収納する収納室４
３へ燃料を循環させることにより、特別な冷却装置を備
えることなく、簡単な構造で衝撃的高圧発生源１７を冷
却することができる。したがって、衝撃的高圧発生源１
７を長時間使用しても温度が上昇しないため、衝撃的高
圧発生源１７の変位特性が変化することがなく、燃料の
噴射精度が向上する。

【００３６】衝撃的高圧発生源１７は、密閉ケース７１
内に設けた複数枚の圧電素子７３を有し、各圧電素子７
３間には、例えば正極側の第１極板１５１ａと負極側の
第２極板１５１ｂが交互に配設される。これらの圧電素
子７３、第１極板１５１ａおよび第２極板１５１ｂは、
積層された状態で、保持具７４およびプランジャ１５２
間に挟持され、ボルト７２により相互に固定保持され
る。

【００３７】このようにボルト７２で一体的に固定保持
された圧電素子７３は、その保持具７４を介して、ねじ
部材７５により、密閉ケース７１内に取付けられる。各
第１極板１５１ａ同士および第２極板１５１ｂ同士は、
それぞれ導電板７６で連結され、正電荷を供給する第１
電荷供給線３０３及び負電荷を供給する第２電荷供給線
３０４を介して制御装置３０２に接続される。密閉ケー
ス７１からの各電荷供給線３０３，３０４の取り出し部
には、シール用グロメット７７が装着され、ケース内の
密封性が保持される。シール用グロメット７７はさらに
燃料漏れ防止に寄与する。制御装置３０２はＥＣＵ５０
０に接続され、後述のように駆動制御される。制御装置
３０２は、交流電源３００を交直変換回路３０１で直流
に変換した直流電源５３１に接続される。

【００３８】ここで圧電素子とは、いわゆる圧電効果を
有する素子からなる公知の圧電アクチュエータである。
なお、圧電効果を有する材料には、水晶から高分子まで
各種のものがあるが、圧電アクチュエータの材料として
は圧電セラミックスの一種であるジルコン酸チタン酸鉛
（ＰＺＴ）が代表的である。

【００３９】プランジャ１５２は、衝撃的伸長素子を構
成する圧電素子７３の断面より大きい衝撃的加圧面１５
２ａを有する。このプランジャ１５２は、圧電素子７３
と別部品であり、圧電素子７３の燃料側端部に設けられ
る。圧電素子７３の断面より大きい衝撃的加圧面１５２
ａを有するプランジャ１５２を用いることにより、簡単
な構成で大きな衝撃的圧力を得て効率よく燃料を供給す
ることができる。

【００４０】また、プランジャ１５２の外周には、環状
の凹部１５２ｂが形成され、この凹部１５２ｂに密閉ケ
ース７１に対するプランジャ１５２の摺動を円滑にし、
摩耗を防止する摺動部材１５３を備えている。摺動部材
１５３の位置は、プランジャ１５２の途中部に設けられ
る。プランジャ１５２のストローク長は、圧電素子７３
のストロークや変形量に対して十分確保するようにする
とともに、摺動部材１５３によりプランジャ１５２の移
動を円滑にして衝撃的高圧を発生しやすくする。

【００４１】プランジャ１５２には、燃料循環路Ｋの一
部を構成する収納室４３と加圧室５０とを連通させる連
通路１６０が設けられ、この連通路１６０は、加圧室５
０が負圧となる燃料供給時に燃料循環路Ｋの一部を構成
する収納室４３から燃料を加圧室５０に供給可能にし、
加圧室５０内の燃料を衝撃的に加圧するときには絞りと
なり、加圧室５０内から収納室４３への燃料の逆流を軽
減するように機能する。

【００４２】複数枚（この例では７枚）の圧電素子（圧
電セラミックス）７３及びこれらを挟み込むように配置
され、一体化された第１極板１５１ａと第２極板１５１
ｂとにより電歪素子が形成される。交流電源３００から
の交流電源は交直変換回路３０１を経て直流電圧に変換
され、電圧調整のための制御装置３０２に入力される。
電圧調整用制御装置３０２は、ＥＣＵ５００により制御
され、電圧を印加する充電時（圧力発生時）に第１電荷
供給線３０３あるいは第２電荷供給線３０４とそれぞれ
接続される２つのアウトプットの内、第１電荷供給線３
０３を所定の電圧の正電圧に調整する一方、第２電荷供
給線３０４側をアースする。また、圧力付与が終了した
時点での放電時には第１電荷供給線３０３側及び第２電
荷供給線３０４側の両側をアースする。

【００４３】このように、燃料噴射ユニット４４は、液
体燃料供給源と燃料入口により連通する加圧室５０と、
少なくとも一つの圧電体の両側の一方に第１の電極と他
方に第２の電極を配置した圧電素子７３からなり、この
圧電素子７３は複数配置されるが、第１電荷供給線３０
３側の端子ＴＡ１と第２電荷供給線３０４側の端子ＴＡ
２に、端子ＴＡ１が所定の正電圧値になり、端子ＴＡ２
がアースするように電圧印加すると、第１極板１５１ａ
から第２極板１５１ｂの方向すなわち実線矢印方向に電
界が発生し、第１電板１５１ａと第２電板１５１ｂの間
の圧電セラミックスは、電界の大きさに略比例して伸長
する。一方第１電荷供給線３０３側をアースし、第２電
荷供給線３０４側を所定の正電圧にすると、第２極板１
５１ｂから第１極板１５１ａの方向すなわち破線矢印方
向に電界が発生し、第１極板１５１ａと第２極板１５１
ｂの間の圧電セラミックスは、電界の大きさに略比例し
て収縮する。

【００４４】図３において、第１極板１５１ａと第２極
板１５１ｂは交互に配置されるため、各圧電セラミック
スに作用する電界の方向は、圧電セラミックスの配列の
順に１８０度ずつ反転する。このため、この実施の形態
においては、同一板状の圧電セラミックスを配列の順に
表裏を１８０度ずつ反転して配置しており、第１電荷供
給線３０３側及び第２電荷供給線３０４側への電圧の負
荷に応じて全ての圧電セラミックスを同時に伸長あるい
は同時に収縮されることが可能となる。各圧電セラミッ
クスの変位は集積されて（図３のものでは７つの変位が
集積されて）大きな変位となる。

【００４５】なお、誤った組み立てを防ぐため、同一の
圧電素子７３の側面外周に２種類の色を塗布し、且つ一
方の色の圧電素子７３に伸長する時の電界の方向と同じ
方向の矢印を側面外周に付け、他方の色の圧電素子７３
に収縮する時の電界の方向と同じ矢印を側面外周に付
け、これらを端部の第１極板１５１ａにまず指定色のも
のを配置し、その後は順に色の違うものを交互に並べ、
且つ矢印が所定の位置方向を向くように組み立てること
により、確実に各圧電素子７３を配列順に１８０度ずつ
反転させて並べることが可能となる。

【００４６】図４は電力供給装置の実施の形態を示す概
略構成図である。ＥＣＵ５００には、パルサーコイルあ
るいはクランク角センサ５０１からクランク角情報が、
スロットル開度センサ５０２からスロットル開度情報
が、エンジン回転センサ５０３からエンジン回転情報が
それぞれ入力される。なお、スロットル開度センサは空
気量センサとしてもよい。またエンジン回転数はクラン
ク角センサのデータから演算してもよい。これらの情報
に基づきＥＣＵ５００は、メモリ５１０に予め記憶され
ている点火制御マップにより点火制御回路５２０に制御
指令を送り、エンジンの運転状態に応じた点火タイミン
グで点火プラグをスパークさせる。

【００４７】また、ＥＣＵ５００は、予め記憶されてい
る衝撃的伸長素子制御マップにより衝撃的伸長素子の端
子電圧を制御する制御装置３０２に制御指令を送る。こ
の制御装置３０２には、直流電源５３１から所定の電源
電圧が与えられている。制御装置３０２は、後述のよう
に、制御指令に基づき衝撃的伸長素子１７ａの端子ＴＡ
１及び端子ＴＡ２の電圧を制御して所定のタイミングで
衝撃的伸長素子１７ａを伸長させて噴射口４１からエン
ジン１の燃焼室４０に燃料を噴射させる。

【００４８】次に図５〜図８を参照して本発明の燃料噴
射装置の駆動電圧制御についてさらに説明する。図５は
本実施例の燃料噴射装置の具体的な回路図、図６は図５
の回路構成による駆動動作の説明図、図７は図５の回路
構成による制御動作のフローチャート、図８はスロット
ル開度に対する圧電素子への供給電圧のグラフである。

【００４９】図５に示すように、制御装置３０２は、Ｅ
ＣＵ５００により駆動される駆動回路７００と、抵抗Ｒ
１を介して直流電源５３１と圧電素子７０４の正極側と
の間に介装された第１スイッチ７０１と、抵抗Ｒ２を介
して圧電素子７０４の正極側とアース間に介装される第
２スイッチ７０２と、圧電素子７０４の正極側に接続さ
れた電圧検出器７０３とにより構成される。第１および
第２スイッチ７０１，７０２はトランジスタからなり、
後述のように駆動回路７００によりオンオフ制御され
る。圧電素子７０４は、前述のように、正負の両電極板
間に挟持され、プランジャに連結された構成であり、前
記図２または図３の衝撃的高圧発生源１７と同じ構成で
ある。

【００５０】直流電源５３１は、一定電圧のバッテリー
に昇圧回路を接続したものでもよい（例えば１２Ｖのバ
ッテリー電圧を３００〜５００に昇圧して直流電源５３
１とする）。あるいは前述のように、交流電源と交直変
換器からなる直流一定電圧（例えば３００〜５００Ｖ）
を付与する電源回路であってもよい。この直流電源５３
１の正側が第１スイッチ７０１を介して圧電素子７０４
の正極側に接続される。直流電源５３１の負側はアース
に接続される。

【００５１】第１スイッチ７０１は、圧電素子７０４の
充電スイッチとして機能するものであり、直流電源５３
１からの電圧を圧電素子７０４に印加して圧電素子７０
４を充電しこれを伸長させることにより衝撃的高圧を発
生させる。

【００５２】第２スイッチ７０２は、圧電素子７０４の
放電スイッチとして機能するものであり、充電により伸
長した圧電素子７０４を放電して電圧印加を停止し高圧
発生を解除して圧電素子７０４を元の非駆動状態に戻
す。

【００５３】電圧検出器７０３は、圧電素子７０４にチ
ャージされた電圧を検出するためのものであり、圧電素
子７０４の両極端子（ＴＡ１，ＴＡ２）間の電圧あるい
は、アースされた負極に対する正極電荷の電位を測定す
る。

【００５４】ＥＣＵ５００には、前述のように、クラン
ク角データ、スロットル開度データおよびエンジン回転
数データ等の運転状態を示すデータが入力され、これら
に応じて、メモリ５１０に格納されたマップデータ等に
基づいて点火時期や燃料噴射タイミング等について最適
な運転制御データを演算して求める。このような演算値
は制御装置３０２の駆動回路７００に送られる。

【００５５】駆動回路７００は、ＥＣＵ５００からの指
令値および電圧検出器７０３の検出電圧に基づき、後述
のように第１および第２のスイッチ７０１および７０２
をオンオフ制御して圧電素子７０４を駆動し最適状態で
燃料を噴射する。

【００５６】次に、上記構成の燃料噴射装置を構成する
回路の動作について図６を参照して説明する。図６にお
いて、（Ａ）は第１スイッチ７０１の駆動動作による圧
電素子（高圧発生源１７）に対する充電信号を表わし、
（Ｂ）は高圧発生源１７に電圧を印加したときに高圧発
生源１７に充電される電圧の立ち上がり状態のグラフで
あり、（Ｃ）は第２スイッチ７０２の駆動動作による高
圧発生源１７に対する放電信号を表わし、（Ｄ）は高圧
発生源１７の駆動により発生する燃料に対する圧力波形
を表わすグラフである。

【００５７】図６に示すように、２サイクルエンジンの
ピストンが下死点（ＢＤＣ）から上死点（ＴＤＣ）へ移
行する間の排気ポートおよび掃気ポートのいずれもが閉
じた状態で、同図（Ａ）のように、所定のクランク角α
１に対応する時点ｔ１で第１スイッチ７０１をオンにす
る。これにより、同図（Ｂ）に示すように、この時点ｔ
１から高圧発生源１７に対する電圧印加が開始され、圧
電素子を挟持する正負の両電極板に電荷がチャージされ
これに対応して充電電圧が立ち上がる。

【００５８】この場合、高圧発生源１７を構成する圧電
素子や電極板の形状や特性等に応じて、その高圧発生源
における電荷が飽和するまでの時間ＴＳが定まり、この
時間ＴＳは印加する電圧にかかわらずほぼ一定である。
すなわち、図６（Ｂ）に示すように、Ｖ１の電圧を印加
した場合（点線）の充電完了時点およびこれより低いＶ
０の電圧を印加した場合（一点鎖線）の充電完了時点は
ともにｔ４で変らない。したがって、印加電圧が高い程
充電速度は大きくなり、これに対応して圧電素子の伸長
速度が大きくなって大きな衝撃的圧力が得られる。逆
に、印加電圧を低下させると、短に圧力が低下するだけ
でなく、圧電素子の伸長速度の低下によりその衝撃作用
が低下する。したがって、衝撃的高圧による燃料噴射が
安定して行われなくなる。

【００５９】本発明では、エンジン高負荷時の最大噴射
量を充分カバーできる電圧Ｖ１を常に印加する。噴射量
を小さくする場合には、印加電圧Ｖ１の立ち上がり中に
電圧印加を停止する。これにより、充電速度を低下させ
ることなく、低電圧の付与が可能になる。したがって、
圧電素子の伸長速度は最大噴射量の場合と同様に大きく
保って衝撃作用を充分に大きくしたまま、その圧力を下
げて噴射量を少なくすることができる。

【００６０】このように、電圧Ｖ１の立ち上がり中に電
圧印加を停止するために、本発明では、電圧検出器を用
いて立ち上がり中の圧電素子への充電電圧を検出し、必
要な噴射量に対応する所定の電圧Ｖ０に達したら、その
時点ｔ２で第１スイッチ７０１をオフにするとともに、
第２スイッチ７０２をオンにして放電を開始する（図６
（Ｃ）参照）。放電が充分に行われた時点ｔ３で第２ス
イッチ７０２をオフにする。この放電終了時間は、電圧
印加停止後放電が完了するまでの充分な時間を予め見込
んでタイマー設定により第２スイッチをオフにしてもよ
いし、あるいは前述の電圧検出器により充電電圧をさら
にモニターし続け、充電電圧がゼロになった時点で第２
スイッチをオフにしてもよい。

【００６１】このような駆動電圧制御により、（Ｄ）に
示すように、電圧印加開始時点ｔ１から数μｓの時間遅
れＴ０後に燃料に圧力が発生し、電圧印加時間経過後に
最大衝撃圧力が得られる。この圧力ピークに達するまで
の時間Ｔ２は、第１スイッチオン時点ｔ１から第２スイ
ッチオン時点ｔ２までの電圧印加時間Ｔ１の数倍（例え
ば数１００μｓ程度）である。

【００６２】次に上記構成の制御回路による燃料噴射制
御のフローについて図７を参照して説明する。まずＥＣ
Ｕ５００が、スロットル開度θおよびエンジン回転数Ｒ
ＰＭのデータを測定または演算により求め制御用データ
の演算ベースとして取入れる（ステップＳ１）。

【００６３】次にこれらのデータに基づいて、そのとき
のエンジン運転状態に応じた最適の噴射時期α１および
点火時期α２を演算により求めるとともに、噴射量に対
応した圧電素子への制御電圧Ｖ０を演算する（ステップ
Ｓ２）。この電圧Ｖ０は、前述の図６で説明したよう
に、電源電圧Ｖ１の立ち上がり中に放電を開始する電圧
である。この場合、必要な噴射量を得るための放電開始
電圧Ｖ０は、エンジン負荷に対応している。したがっ
て、図８に示すように、スロットル開度θにほぼ比例す
る。即ち、スロットル開度θが小さいとき（あるいは吸
入空気量が少ないとき）は、噴射量を少なくしこれに対
応して放電開始電圧Ｖ０を低く設定する。なお、この放
電開始電圧Ｖ０は、エンジンの要求負荷に対応するスロ
ットル開度θのみでなく、エンジン回転数や温度その他
の運転状態の検出データに対応して定めてもよい。この
ようなＶ０を求める場合、予めスロットル開度等のパラ
メータに対する最適Ｖ０のマップを作成してメモリ５１
０（図５）に格納し、ＥＣＵ５００が演算処理により求
める。

【００６４】噴射時期α１は、スロットル開度およびエ
ンジン回転数のデータから予め定めたマップを用いて演
算する。この場合、負荷が小さい程噴射量が小さくな
り、燃焼時間も短くなるため、α１は排気ポートおよび
掃気ポート閉後のＴＤＣ前の進角側に設定される。負荷
が大きくなる時には、α１は排気ポート及び掃気ポート
閉前に設定される。

【００６５】点火時期α２についても、ＥＣＵ５００に
より、スロットル開度およびエンジン回転数のデータか
ら予め定めたマップを用いて演算する。この場合、さら
に他の運転状態データを考慮して点火時期α２を設定し
てもよい。

【００６６】次に、ステップＳ３に進み、演算したタイ
ミングで制御を実行するために、パルサー信号またはク
ランク角信号のデータを取込む。続いて、このクランク
角信号に基づいて、α１の時点ｔ１（図６参照）で第１
スイッチ７０１（図５）をオンにする（ステップＳ
４）。これにより、前述のように、直流電源５３１から
一定電圧Ｖ１が印加され充電が開始される。

【００６７】この充電開始後、電圧検出器７０３（図
５）により検出した高圧発生源１７の充電電圧、即ち印
加電圧Ｖ１の立ち上がり電圧Ｖのデータを読み取り（ス
テップＳ５）、この立ち上がり電圧Ｖが前述の放電開始
電圧Ｖ０に達したかどうかを判別する（ステップＳ
６）。

【００６８】立ち上がり電圧がＶ０に達したらステップ
Ｓ７に進み、その時点ｔ２（図６参照）で第１スイッチ
７０１をオフにするとともに第２スイッチ７０２をオン
にして放電を開始する。これにより、前述のように、必
要な噴射量に対応した衝撃的高圧が燃料に付与され、噴
射口から燃料が噴射される。

【００６９】続いてステップＳ８において、前記ステッ
プＳ２で演算した点火時期α２のクランク角となる時点
で点火プラグをスパークさせる。このようなステップＳ
１〜Ｓ８までの処理をサイクル毎にエンジン停止まで繰
り返す（ステップＳ９）。

【００７０】なお、より多くの燃料を噴射し、より大き
なエンジン出力を発揮させる場合には、クランク角α２
における点火前に複数回の燃料噴射を実施させればよ
い。例えば、図７のステップＳ２で、第２噴射のための
クランク角α１’（α１より遅角した角度）も算出させ
るようにし、ステップＳ７とステップＳ８の間に、ステ
ップＳ３からステップＳ７相当を再度実施させるように
してもよい。この場合、ステップＳ４相当部において
は、α１’で第１スイッチＯＮとして充電を開始する。

【００７１】図９は、本発明の燃料噴射装置を４サイク
ルエンジンに適用した場合の構成図である。エンジン１
は、燃焼室４０の上部を構成するシリンダヘッド２と、
燃焼室４０の筒体を構成するシリンダブロック３と、ク
ランク室を形成するクランクケース４とにより構成され
る。クランク室内のクランク軸５は、クランクピン６及
びピストンピン７に連結されたコンロッド１００を介し
てピストン８に連結される。シリンダヘッド２には吸気
通路９が設けられ、その端部に燃焼室４０に臨んで吸気
弁１０が装着され、吸気通路９の開口部を開閉する。ま
た、シリンダヘッド２には、排気通路１１が設けられ、
その端部に燃焼室４０に臨んで排気弁１２が装着され、
排気通路１１の開口部を開閉する。シリンダヘッド２の
中央部には点火プラグ１３が装着される。

【００７２】この実施の形態では、燃焼室４０内に直接
燃料を噴射するための燃料噴射ユニット４４がシリンダ
ヘッド２の上面から燃焼室４０内に臨んで設けられる
が、燃料噴射ユニット４４を吸気通路９に燃料を噴射す
るように設けてもよく、あるいはシリンダブロック３か
ら気筒内に燃料を噴射するように設けてもよい。

【００７３】この燃料噴射ユニット４４は、インジェク
タ１４と高圧発生装置１６が一体化されており、高圧発
生装置１６は、後述の衝撃的伸長素子１７ａの圧電素子
を直列に連結したもの及びプランジャを含むもので構成
される衝撃的高圧発生源１７を有する。この衝撃的高圧
発生源１７は制御装置１８に連結され所定のタイミング
で、例えば燃焼室４０内に直接燃料を噴射するもので
は、爆発膨張、排気、吸気、圧縮の４行程の内、吸気行
程あるいは圧縮行程において噴射すべく、駆動制御され
る。

【００７４】燃料噴射ユニット４４には、燃料供給パイ
プ２１を介して燃料ポンプ１９により、燃料タンク２２
から燃料が導入される。燃料タンク２２内の燃料供給パ
イプ２１の吸入口には、フィルター２０が設けられてい
る。燃料噴射ユニット４４には、戻り燃料パイプ２３が
接続され、戻り燃料パイプ２３には圧力を調整する調圧
弁１０１が設けられている。

【００７５】燃料噴射ユニット４４が閉となる間中、燃
料ポンプ１９により常時燃料供給され、戻り燃料パイプ
２３に配置した調圧弁１０１の上流側の圧力が所定以上
の場合に調圧弁１０１が開となり、燃料供給パイプ２１
及び燃料噴射ユニット４４内部の空気及び気化燃料等の
気泡は燃料とともに、調圧弁１０１を通過して不図示の
エアベント孔を上部に持つ燃料タンク側の上部に戻され
循環し、燃料を供給する燃料循環Ｋが形成される。

【００７６】気液分離手段を兼ねる燃料タンク２２で気
泡が分離され、再び燃料供給パイプ２１へ気泡が流れる
ことはない。このように、燃料循環Ｋに空気が混入して
もあるいは圧力低下により空気泡あるいは蒸気の気泡が
発生しても、早期に空気あるいは蒸気の気泡を排出する
ことができる。これにより、空気が混入してもあるいは
気泡が発生しても、燃料供給パイプ２１及び燃料噴射ユ
ニット４４内部は燃料で満たされ、しかも、戻り燃料パ
イプ２３からの循環に拘らず調圧弁１０１により燃料循
環路Ｋは所定圧力に維持され、安定した余圧を付加する
ことが可能であるため、燃料噴射ユニット４４の作動に
よる衝撃的高圧波が確実に伝播するとともに、衝撃的高
圧波が燃料噴射ユニット４４内の噴射口直前部に衝突し
てさらに圧力上昇することを可能とし、正確な噴射がで
きる。なお、衝撃的高圧波の一部が調圧弁１０１に到達
するときにも気泡は、調圧弁１０１を通過する。

【００７７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、低負荷運転時に噴射量を小さくするために圧電素子
への供給電圧を小さくする場合に、印加電圧そのものを
小さくするのではなく、一定の高い電圧を印加してその
電圧に達するまでの立上がり過程で電圧供給を停止する
ことにより、充電電圧を低くするため、充電時の圧電素
子の伸長速度を低下させることなく、したがって衝撃作
用を低下させることなく、低電圧を付与することがで
き、小さい噴射量を大きな噴射速度で安定して確実に供
給することができる。これにより、特に低負荷運転領域
での燃料噴射制御の信頼性が高まりダイナミックレンジ
を広げることができ、広い範囲にわたって霧化状態が良
好で高出力の燃焼が達成され、特に低噴射量状態での霧
化を促進し噴射量のばらつきを無くして安定した燃焼を
達成し、出力向上および燃費の改善を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を２サイクルエンジンに適用した場合
の構成図。

【図２】 本発明の燃料噴射装置の断面図。

【図３】 本発明の燃料噴射装置の別の例の断面図。

【図４】 本発明の燃料噴射装置の制御構成を示すブロ
ック図。

【図５】 本発明の燃料噴射装置の制御回路図。

【図６】 図５の回路の動作を説明するためのタイムチ
ャート。

【図７】 図５の回路による制御動作のフローチャー
ト。

【図８】 スロットル開度に対する放電開始電圧のグラ
フ。

【図９】 本発明を４サイクルエンジンに適用した場合
の構成図。

【符号の説明】

１：エンジン、１４：インジェクタ、１６：高圧発生装
置、１７：衝撃的高圧発生源、１７ａ：衝撃的伸長素子
（圧電素子）、１７ｂ：プランジャ、４０：燃焼室、４
１：噴射口、４４：燃料噴射ユニット、５０：加圧室、
７３：圧電素子、１５１ａ：第１極板（正極）、１５１
ｂ：第２極板（負極）、３００：交流電源、３０１：交
直変換器、３０２：制御装置、３０３：第１電荷供給
線、３０４：第２電荷供給線、５００：ＥＣＵ ５３１：直流電源、７００：駆動回路、７０１：第１ス
イッチ、７０２：第２スイッチ、７０３：電圧検出器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電源と、 エンジンの運転状態検出手段と、 正負両電極間に挟持された圧電素子と、 この圧電素子に連結され燃料に衝撃的圧力を付与するた
   めのプランジャと、 この圧電素子の正電極側と前記直流電源との間に設けた
   第１スイッチと、 この圧電素子の正電極側とアースとの間に設けた第２ス
   イッチと、 前記圧電素子の両電極間の充電電圧を検出するための電
   圧検出手段と、 前記運転状態検出手段および電圧検出手段に連結され、
   これらの検出信号に基づいて前記第１および第２スイッ
   チを駆動するための制御手段とを具備したことを特徴と
   する燃料噴射装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の燃料噴射装置の駆動方法に
   おいて、 前記第１スイッチを駆動して前記直流電源の電圧を圧電
   素子に印加し、 前記圧電素子に電圧印加を開始した後、前記電圧検出手
   段による検出電圧が所定値に達すると、前記第２スイッ
   チを駆動して該圧電素子から放電することを特徴とする
   燃料噴射装置の駆動方法。
3. 【請求項３】前記検出電圧の所定値は、前記直流電源の
   電圧の範囲内で、前記運転状態検出手段により検出され
   た運転状態データに基づいて前記制御手段により設定さ
   れることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射装置の
   駆動方法。
4. 【請求項４】前記検出電圧の所定値は、エンジンの要求
   負荷が大きい程大きく設定されることを特徴とする請求
   項２または３に記載の燃料噴射装置の駆動方法。