DE10158547A1 - Brennkraftmaschinen-Kraftstoffeinspritzsystem - Google Patents
Brennkraftmaschinen-KraftstoffeinspritzsystemInfo
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Abstract
In einer Einspritzvorrichtung gemäß der Erfindung öffnet ein Dreiwegeventil (8), das durch ein Piezobetätigungsglied (2) angetrieben wird, Kommunikationen zwischen einer Steuerungskammer (15) zum Öffnen und Schließen einer Düsennadel (13) und einem Common-Rail (3) und einem Rückkehrflussweg (43). Eine ECU (5) verlangsamt die Anstiegsgeschwindigkeit einer an das Piezobetätigungsglied (2) angelegten Spannung gegenüber der während einer normalen Einspritzansteuerung, wenn anhand der Betriebsbedingungen einer Brennkraftmaschine bestimmt wird, dass Druckverringerungsbedingungen des Common-Rail (3) erfüllt sind, so dass eine ineffektive Einspritzperiode, innerhalb der die Düsennadel (13) geöffnet wird, länger als während einer normalen Einspritzansteuerung ist, um eine Leerlaufeinspritzansteuerung auszuführen, in der das Ventil zum Öffnen innerhalb einer Zeitdauer angesteuert wird, die kürzer als die verlängerte ineffektive Einspritzperiode ist, um zu ermöglichen, dass Hochdruckkraftstoff zu dem Rückkehrflussweg (43) zurückkehrt, wodurch die Druckverringerungssteuerung des Common-Rail (3) ausgeführt wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem der Common-
Rail-Bauart für eine Brennkraftmaschine und genauer einen
Druckverringerungsmechanismus für ein Kraftstoffein
spritzsystem, das eine piezoelektrische Einspritzvorrich
tung anwendet.
In einem Kraftstoffeinspritzsystem der Common-Rail-Bauart
für eine Dieselbrennkraftmaschine ist ein Akkumulator
(ein Common-Rail) für die jeweiligen Zylinder der Brenn
kraftmaschine gemeinsam zur Akkumulierung von Kraftstoff
mit hohem Druck vorgesehen, der diesen unter Druck aus
einer Hochdruckpumpe zugeführt wird. In diesem System
wird die Menge des zu dem Common-Rail unter Druck von der
Hochdruckpumpe zuzuführenden Kraftstoffs entsprechend den
Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine geregelt, die
durch den Kraftstoffdruck in dem Common-Rail, der Kühl
mitteltemperatur, Brennkraftmaschinendrehzahlen und der
gleichen definiert sind, und der Kraftstoffdruck in dem
Common-Rail wird auf einen Solldruck geregelt. Zusätzlich
wird eine einzuspritzende Kraftstoffmenge auf der Grund
lage der Betriebsbedingung der Brennkraftmaschinen be
rechnet, so dass Kraftstoff in die jeweiligen Zylinder
der Brennkraftmaschine aus Einspritzvorrichtungen zu vor
bestimmten Zeitverläufen eingespritzt wird. Falls dies
ohne genauen Kraftstoffeinspritzdruck (Druck des Kraft
stoffs in dem Common-Rail) auftritt, werden die Kraft
stoffersparnis und das Abgasreinigungsleistungsvermögen
verschlechtert, und Dieselklopfen, Geräusche und derglei
chen werden erzeugt. Um dies zu vermeiden, wurde ein Ein
spritzsystem vorgeschlagen, das mit einer Einrichtung zum
Regeln des Kraftstoffeinspritzdrucks versehen ist, wie
das in der Japanischen Offenlegungsschrift (Kokai) Nr.
2-191865 offenbarte.
Beim Regeln des Common-Rail-Drucks wird normalerweise zur
Erhöhung des Drucks die zu dem Common-Rail unter Druck
zuzuführende Kraftstoffmenge erhöht, wohingegen zum Ver
ringern des Drucks die zu dem Common-Rail unter Druck zu
zuführende Kraftstoffmenge verringert wird, oder das Zu
führen von Kraftstoff zu dem Common-Rail unter Druck ge
stoppt wird. Jedoch wird in dem Fall, wenn beispielsweise
das Beschleunigungspedal erneut betätigt wird, nachdem
die Fahrzeuggeschwindigkeit drastisch verringert worden
ist, oder in einem Fall, wenn die Brennkraftmaschine er
neut gestartet wird, unmittelbar nachdem sie gestoppt
hat, der Druck in dem Common-Rail nicht auf den Solldruck
verringert, da das Einspritzen von Kraftstoff aufgehört
hat und kein Kraftstoff verbraucht wird, weshalb Kraft
stoff zu einem Druck eingespritzt wird, der höher als der
Solldruck ist, wenn das Beschleunigungspedal betätigt
wird oder wenn die Brennkraftmaschine erneut gestartet
wird. Da dies die vorstehend beschriebenen Probleme ver
ursacht, wird bei dem in der japanischen Offenlegungs
schrift (Kokai) Nr. 2-191865 offenbarten Einspritzsystem
der Druck durch Implementierung eines
"Leerlaufeinspritzens" (idle injection) verringert, bei
dem ein elektromagnetisches Ventil zum Öffnen und Schlie
ßen einer Einspritzvorrichtung für eine Zeitdauer ange
trieben wird, die kürzer als eine Verzögerungszeit (eine
ineffektive Einspritzperiode) von dem Öffnen des elektro
magnetischen Ventils bis zu dem Öffnen einer Einspritz
öffnung durch eine Düsennadel ist. Da Kraftstoff mit ho
hem Druck in dem Common-Rail zu einer Niedrigdruckseite
zurückkehrt, wenn das elektromagnetische Ventil geöffnet
wird, kann der Druck in dem Common-Rail schnell verrin
gert werden, ohne dass ein Kraftstoffeinspritzen durchge
führt wird.
Demgegenüber werden durch Solenoide angetriebene Ein
spritzvorrichtungen wie eine Einspritzvorrichtung, die in
dem in der Japanischen Offenlegungsschrift (Kokai) Nr.
2-191865 offenbarten Einspritzsystem verwendet wird, als
Einspritzvorrichtungen verwendet, jedoch wurde in den
letzten Jahren versucht, die durch Solenoide angetriebene
Einspritzvorrichtungen durch piezoangetriebene Einspritz
vorrichtungen zu ersetzen, die im Ansprechverhalten über
legen sind. Bei der piezoangetriebenen Einspritzvorrich
tung wird das Öffnen und Schließen der Einspritzvorrich
tung durch ein Piezoventil durchgeführt, das eine piezo
elektrische Vorrichtung anwendet, die sich bei Anlegen
einer Spannung ausdehnt (expandiert) und zusammenzieht
(kontrahiert), und dementsprechend wird eine Verbesserung
der Steuerbarkeit des Kraftstoffeinspritzens erwartet, da
ein Ventilelement durch schnelles Erzeugen einer Expansi
ons- oder Kontraktionsgröße entsprechend einer derartig
angelegten Spannung angetrieben werden kann.
Bei der piezoangetriebenen Einspritzvorrichtung war es
jedoch schwierig, die Druckverringerungssteuerung durch
die "Leerlaufeinspritzung" durchzuführen, wie es in dem
vorstehend beschriebenen herkömmlichen Einspritzsystem
durchgeführt wurde. Bei der solenoidangetriebenen Ein
spritzvorrichtung ist nämlich die ineffektive Einspritz
periode etwa 400 µs, was lang ist, und das Solenoidventil
wurde lediglich zum Öffnen oder Schließen innerhalb einer
Zeitperiode von beispielsweise 300 µs angetrieben, wohin
gegen bei der piezoangetriebenen Einspritzvorrichtung
aufgrund des schnellen Ansprechens, das eine ihrer Eigen
schaften ist, die ineffektive Einspritzperiode bei weitem
kürzer als die der solenoidangetriebenen Einspritzvor
richtung ist. Daher war es mit der piezoangetriebenen
Einspritzvorrichtung schwierig, die
"Leerlaufeinspritzung" zu verwirklichen, in der das Pie
zoventil innerhalb einer Zeitperiode angetrieben wird,
die kürzer als die ineffektive Einspritzperiode ist.
Folglich ist es in dem piezoangetriebenen Kraftstoffein
spritzsystem bekannt, dass die Kraftstoffverringerungs
steuerung mit einem Kraftstoffverringerungsventil durch
geführt wird, das in dem Common-Rail ausschließlich für
diesen Zweck vorgesehen ist, wodurch vermieden wird, dass
der Druck in dem Common-Rail einen Sollwert überschrei
tet, indem das Druckverringerungsventil wie erforderlich
geöffnet oder geschlossen wird. Bei diesem Verfahren sind
jedoch das ausschließliche Druckverringerungsventil und
eine Steuerungsschaltung zur Steuerung des Ventils erfor
derlich, was zu einer Erhöhung der Anzahl der involvier
ten Komponenten führt. Dies führt wiederum zu Problemen
hinsichtlich einer Vergrößerung des Systems und einem An
stieg der Herstellungskosten des Systems.
Die Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend be
schriebene Situation ausgeführt, und eine Aufgabe besteht
darin, ein eine Piezoeinspritzvorrichtung anwendendes
Kraftstoffeinspritzsystem bereitzustellen, bei dem eine
Kompatibilität des schnellen Ansprechens zu dem Zeitpunkt
eines normalen Einspritzens und die Steuerbarkeit zu dem
Zeitpunkt der Verringerung des Drucks verwirklicht wer
den kann, ohne dass eine Vergrößerung des Systems und ein
Anstieg bei den Herstellungskosten davon verursacht wird.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird ein
Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine ge
schaffen mit einem Akkumulator zum Akkumulieren von Hoch
druckkraftstoff, das unter Druck aus einer Hochdruckpumpe
zugeführt wird, piezoangetriebenen Einspritzvorrichtungen
zum Einspritzen des Hochdruckkraftstoffs in dem Akkumula
tor in Zylinder der Brennkraftmaschine und einer Steue
rungseinheit zur Steuerung der Ansteuerung der Hochdruck
pumpe und der Einspritzvorrichtungen entsprechend den Be
triebsbedingungen der Brennkraftmaschine.
Die Einspritzvorrichtung weist eine Düsennadel zum Öffnen
einer Einspritzöffnung, eine Steuerungskammer zum Beauf
schlagen des Drucks des aus dem Akkumulator zugeführten
Kraftstoffs auf die Düsennadel, ein Steuerungsventil zur
Erhöhung oder Verringerung des Drucks in der Steuerungs
kammer durch Öffnen oder Schließen einer Kommunikation
zwischen der Steuerungskammer und einem Rückkehrflussweg
sowie einen Piezoantriebsabschnitt auf, der angepasst
ist, zu expandieren, um das Steuerungsventil zum Öffnen
anzutreiben, wenn eine vorbestimmte Spannung daran ange
legt wird, und zu kontrahieren, um das Steuerungsventil
zum Schließen anzutreiben, wenn die auf diese Weise auf
geladene Spannung daraus entladen wird, wodurch die Dü
sennadel öffnet, um den aus dem Akkumulator zugeführten
Kraftstoff einzuspritzen, wenn das Steuerungsventil ange
trieben wird.
Die Steuerungseinheit weist eine Druckverringerungsbe
stimmungseinrichtung zur Bestimmung auf der Grundlage der
Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, ob Druckver
ringerungsbedingungen zur Verringerung des Kraftstoff
drucks in dem Akkumulator erfüllt sind oder nicht, eine
Ineffektiveinspritzperioden-Variierungseinrichtung zur
Verlängerung einer von der Ansteuerung des Steuerungsven
tils bis zu dem Öffnen der Düsennadel andauernden inef
fektiven Einspritzperiode auf eine längere Zeit als die
während der normalen Einspritzansteuerung, wenn die
Druckverringerungsbestimmungseinrichtung bestimmt, dass
die Druckverringerungsbedingungen erfüllt sind, indem die
Anstiegsgeschwindigkeit der an den Piezoantriebsabschnitt
angelegten Spannung gegenüber der während einer normalen
Einspritzansteuerung verlangsamt wird oder indem sowohl
die Anstiegsgeschwindigkeit der angelegten Spannung als
auch die Abfallgeschwindigkeit verlangsamt wird, und eine
Druckverringerungseinrichtung auf, die zum Öffnen des
Steuerungsventils innerhalb einer Zeitperiode ansteuert,
die kürzer als die verlängerte ineffektive Einspritzperi
ode ist, wenn die Einspritzperiodenvariierungseinrichtung
betätigt wird, um zu ermöglichen, dass der Hochdruck
kraftstoff in dem Akkumulator zu dem Rückkehrflussweg zu
rückkehrt, indem eine Leerlaufeinspritzansteuerung derart
ausgeführt wird, dass der Kraftstoffdruck in dem Akkumu
lator verringert wird.
Bei dem Aufbau gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfin
dung kann, selbst falls die piezoangetriebene Einspritz
vorrichtung mit überlegenem Ansprechen angewandt wird,
das Steuerungsventil zum Öffnen innerhalb der ineffekti
ven Einspritzperiode angesteuert werden, indem einge
stellt wird, dass die ineffektive Einspritzperiode ledig
lich während der Leerlaufeinspritzansteuerung verlängert
wird. Genauer verringert die Ineffektiveinspritzperioden-
Variierungseinrichtung (Einrichtung zur Variation der in
effektiven Einspritzperiode) bei Anlegen Spannung an den
Piezoantriebsabschnitt die Spannungsanstiegsgeschwindig
keit derart, dass die Zeitdauer, wenn das Steuerungsven
til tatsächlich geöffnet wird, kürzer als während der
normalen Einspritzansteuerung ist, wodurch vermieden
wird, dass der Druck in der Steuerungskammer auf einen
Druck verringert wird, bei dem die Einspritzung initiiert
wird. In ähnlicher Weise kann die ineffektive Einspritz
periode ebenfalls in einem Fall verlängert werden, indem
sowohl die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung, wenn die
Spannung geladen wird, und die Abfallgeschwindigkeit der
Spannung, wenn die Spannung entladen wird, verringert
werden. Somit zeigt sich ein überlegenes Ansprechen mit
der kurzen ineffektiven Einspritzperiode während der nor
malen Einspritzansteuerung, wohingegen, wenn eine Verrin
gerung in dem Druck erforderlich ist, die ineffektive
Einspritzperiode verlängert wird, um eine Druckverringe
rungssteuerung durch eine Leerlaufeinspritzansteuerung
durchzuführen, um die Erzeugung von Störungen oder der
gleichen zu vermeiden. Zusätzlich kann die Notwendigkeit
für das Druckverringerungsventil, bei dem es sich um ein
getrenntes Teil handelt, beseitigt werden, wodurch die
Vergrößerung des Systems als auch ein Anstieg bei den
Produktionskosten davon verringert werden kann.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird ein
Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine wie
in der ersten Ausgestaltung der Erfindung dargelegt ge
schaffen, wobei die Ineffektiveinspritzperioden-
Variierungseinrichtung die Anstiegsgeschwindigkeit oder
die Abfallgeschwindigkeit der an dem Piezoantriebsab
schnitt angelegten Spannung durch Variieren derart ver
ringert, dass die Größe des dem Piezoantriebsabschnitt
zugeführten Stroms gegenüber dem während der normalen
Einspritzansteuerung verkleinert wird, und derart, dass
Intervalle, zu denen der Piezoantriebsabschnitt erregt
wird, gegenüber denen während der normalen Einspritzan
steuerung verlängert werden.
Beispielsweise wird in dem Mehrfachschaltverfahren
(plural switching method) die Expansionsgeschwindigkeit
oder Kontraktionsgeschwindigkeit des Piezoantriebsab
schnitts verringert, falls die gleichzeitig geführte
Stromgröße gegenüber der während der normalen Einspritz
ansteuerung gemacht wird, wodurch die Anstiegsgeschwin
digkeit oder die Abfallgeschwindigkeit der Spannung ver
ringert wird. In ähnlicher Weise kann die Anstiegsge
schwindigkeit oder Abfallgeschwindigkeit der Spannung
verringert werden, selbst in einem Fall, wenn die gleich
zeitig zugeführte Stromgröße gleich der während der nor
malen Einspritzansteuerung eingestellt ist, so dass die
Intervalle der Erregung des Piezoantriebsabschnitts ver
größert werden, da die Expansionsgeschwindigkeit oder die
Kontraktionsgeschwindigkeit des Piezoantriebsabschnitts
verringert ist.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung wird ein
Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine wie
in der ersten oder der zweiten Ausgestaltung der Erfin
dung dargelegt geschaffen, wobei die Düsennadel in der
Einspritzvorrichtung einem Druck in eine Richtung zum
Öffnen des Ventils durch aus dem Akkumulator zugeführten
Kraftstoff als auch einem Druck in eine Richtung zum
Schließen des Ventils durch Kraftstoff in der Steuerungs
kammer unterzogen wird, wodurch, wenn eine Kommunikation
zwischen der Steuerungskammer und dem Rückkehrflussweg
durch Ansteuerung zum Öffnen des Steuerungsventils die
Düsennadel geöffnet wird, wenn der Druck in der Steue
rungskammer verringert wird.
Genauer ist bei dem Aufbau gemäß der dritten Ausgestal
tung der Erfindung die Steuerungskammer derart aufgebaut,
dass sie einen Gegendruck auf die Düsennadel ausübt. In
dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird in einem Zu
stand, in dem das Steuerungsventil geöffnet ist, die Kom
munikation zwischen dem Steuerungsventil und dem Rück
kehrflussweg abgeschnitten, und wird die Düsennadel mit
tels des Drucks in der Steuerungskammer geschlossen. Dann
wird, wenn das Steuerungsventil geöffnet wird, der Druck
in der Steuerungskammer verringert, und wenn der Steue
rungskammerdruck auf den oder niedriger als der Druck
verringert wird, bei dem die Einspritzung initiiert wird,
beginnt ein Anheben der Düsennadel, um Kraftstoff einzu
spritzen. Wenn dies auftritt, wird, wenn die Steuerungs
einheit eine Einstellung derart ausführt, dass die Expan
sionsgeschwindigkeit des Piezoantriebsabschnitts verrin
gert wird, die Zeitdauer, die von dem Öffnen des Steue
rungsventils bis zu der Verringerung des Drucks in der
Steuerungskammer auf oder unter dem Einspritzinitiie
rungsdruck andauert, verlängert, wodurch die ineffektive
Einspritzperiode verlängert werden kann.
Die Erfindung ist nachstehend ausführlicher anhand der
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Be
zugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1A eine Darstellung des Gesamtaufbaus eines Kraft
stoffeinspritzsystems gemäß einem ersten Ausführungsbei
spiel der Erfindung,
Fig. 1B eine Querschnittsansicht, die den schematischen
Aufbau der Einspritzvorrichtung darstellt,
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Steuerung durch eine ECU
(elektronische Steuerungseinheit),
Fig. 3 Zeitverläufe zur Beschreibung der Zeit, wenn die
Einspritzansteuerung ausgeführt wird, und der Zeit, wenn
die Leerlaufeinspritzungsansteuerung durchgeführt wird,
sowie der Betrieb der Einspritzvorrichtung,
Fig. 4 ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Ein
spritzimpulsbreite und einer Einspritzmenge darstellt,
Fig. 5 Zeitverläufe, die ein Beispiel der Steuerung durch
die ECU darstellen,
Fig. 6 ein Schaltbild zur Ansteuerung der Einspritzvor
richtung, und
Fig. 7 Zeitverläufe, die ein weiteres Beispiel für die
Steuerung durch die ECU darstellen.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel beschrieben, ge
mäß dem die Erfindung auf ein Kraftstoffeinspritzsystem
der Common-Rail-Bauart für eine Mehr-Zylinder-
Dieselbrennkraftmaschine (die nachstehend als Brennkraft
maschine bezeichnet wird) angewandt ist. Fig. 1A zeigt
eine Darstellung des Gesamtaufbaus des Kraftstoffein
spritzsystems der Common-Rail-Bauart mit einer Vielzahl
piezoangetriebener Einspritzvorrichtungen 1 (wobei ledig
lich eine von diesen in der Figur dargestellt ist) zum
Einspritzen von Kraftstoff in jeweilige Zylinder der
Brennkraftmaschine, einem Common-Rail 3 als ein Akkumula
tor zum Akkumulieren von Kraftstoff unter Druck, der den
jeweiligen Einspritzvorrichtungen 1 zugeführt wird, einer
Hochdruckpumpe 6 zum Zuführen von Hochdruckkraftstoff un
ter Druck zu dem Common-Rail 3 und eine elektronische
Steuerungseinheit (die nachstehend als ECU bezeichnet
ist) 5 als Steuerungseinheit zur Steuerung der Einspritz
vorrichtungen 1, des Common-Rails 3 und der Hochdruckpum
pe 6. Die Einspritzvorrichtung 1 ist mit dem Common-Rail
3 und einem Kraftstofftank 7 jeweils über eine Hochdruck
leitung 31 und eine Rückkehrleitung 41 verbunden. Zusätz
lich ist das Common-Rail 3 mit der Hochdruckpumpe 6 und
dem Kraftstofftank 7 jeweils über eine Hochdruckleitung
32 und die Rückkehrleitung 42 verbunden.
Fig. 1B zeigt den ausführlichen Aufbau der Einspritzvor
richtung 1. Eine Düsennadel 13 ist verschiebbar in einem
Zylinder 12 untergebracht, der in einer unteren Hälfte
eines Gehäuses 11 der Einspritzvorrichtung 1 vorgesehen
ist, und wenn sich die Düsennadel 13 aufwärts bewegt,
wird eine Einspritzöffnung 14 in einem unteren Ende des
Gehäuses 11 geöffnet, so dass ermöglicht wird, dass
Kraftstoff eingespritzt wird. Eine Steuerungskammer 15
ist in einem oberen Endabschnitt des Zylinders 17 ausge
bildet, um Druck auf die Düsennadel 13 in einer Richtung
zum Schließen des Ventils auszuüben, und die Düsennadel
13 steigt und fällt innerhalb des Zylinders 12, wenn der
Druck in der Steuerungskammer 15 ansteigt oder sich ver
ringert. Zusätzlich ist eine Feder 17 in der Steuerungs
kammer 15 zum Vorspannen der Düsennadel 13 in die Rich
tung zum Schließen des Ventils vorgesehen. Der Durchmes
ser der unteren Hälfte der Düsennadel 13 ist leicht ver
ringert, um einen ringförmigen Freiraum zwischen dem Zy
linder 12 und sich selbst auszubilden, der als Kraft
stoffreservoir 16 dient, und die Düsennadel 16 wird durch
Kraftstoff in dem Kraftstoffreservoir einem Druck in ei
ner Richtung zum Öffnen des Ventils ausgesetzt. Das
Kraftstoffreservoir 16 kommuniziert mit einem Hochdruck
durchlass 33, der mit der Hochdruckleitung 31 verbunden
ist, wodurch Kraftstoff der Einspritzöffnung 14 zugeführt
wird.
Ein Dreiwegeventil 8 ist in einem mittleren Abschnitt des
Gehäuses 11 zur Erhöhung und Verringerung des Öldrucks
innerhalb der Steuerungskammer 15 vorgesehen. In dem
Dreiwegeventil 8 ist ein kugelähnliches Ventilelement 84
in einer Ventilkammer 83 vorgesehen, die einen Niedrig
druckanschluss 81 in einem oberen Endabschnitt davon und
einen Hochdruckanschluss 82 in einem unteren Endabschnitt
davon aufweist, und die Ventilkammer 83 kommuniziert
stets mit der Steuerungskammer 15 über einen Kommunizie
rungspfad 85. Der Niedrigdruckanschluss 81 kommuniziert
mit einem Niedrigdruckdurchfluss 43, der mit der Rück
kehrleitung 41 verbunden ist, und der Hochdruckanschluss
82 kommuniziert mit dem Hochdruckdurchfluss 33, wodurch
ermöglicht wird, dass die Steuerungskammer 15 entweder
mit dem Niedrigdruckdurchfluss 43 oder dem Hochdruck
durchfluss 33 kommuniziert, indem Sitzpositionen des Ven
tilelements 84 umgeschaltet werden. Wenn nämlich das Ven
tilelement 84 auf einen oberen Niedrigdrucksitz 81a zum
Schließen des Niedrigdruckanschlusses 81 gesetzt wird,
wird der Druck in der Steuerungskammer 15 erhöht, indem
dorthinein Hochdruckkraftstoff aus dem Hochdruckdurch
fluss 33 über die Ventilkammer 83 fließt, wohingegen,
wenn das Ventilelement 84 auf einem unteren Niedrigdruck
sitz 82a zum Schließen des Hochdruckanschlusses 82 ge
setzt wird, Kraftstoff zu dem Niedrigdruckdurchlass 43
aus der Steuerungskammer 15 zurückkehrt, wodurch der
Druck in der Steuerungskammer 15 verringert wird.
Das Dreiwegeventil 8 wird durch ein Piezobetätigungsglied
2 angetrieben, das als Piezoantriebsabschnitt dient, der
in einer oberen Hälfte des Gehäuses 11 untergebracht ist.
Das Piezobetätigungsglied 2 weist einen Piezostapel 21,
der durch eine Anzahl geschichteter plattenähnlicher pie
zoelektrischer Körper aufgebaut ist, und einen Piezokol
ben 22 auf, der derart in eine Position gebracht ist,
dass er mit einer unteren Endoberfläche des Piezostapels
21 anstößt, um in einem Zylinder 25 zu gleiten. Der Pie
zostapel 21 ist angepasst, zu expandieren, wenn elektri
sche Ladung injiziert wird, und zu kontrahieren, wenn die
auf diese Weise eingespritzte elektrische Ladung entfernt
wird, und ist mit der ECU 5 über einen Leitungsdraht 26
verbunden, der von einem oberen Ende davon aus verläuft.
Der Piezokolben 22 weist einen Stab 23 auf, der von einer
unteren Endoberfläche davon vorspringt, und der Stab 23
treibt das Ventilelement 84 des Dreiwegeventils 8 an,
wenn der Piezokolben 22 zusammen mit dem Piezostapel 21
sich hin- und herbewegt, wenn der Piezostapel 21 expan
diert oder kontrahiert. Fig. 1B zeigt einen anfänglichen
Zustand, in dem der Piezostapel 21 kontrahiert und das
Ventilelement 84 zusammen mit dem Piezokolben 22 an
steigt, um den Niedrigdruckanschluss 81 zu schließen, und
in dem anfänglichen Zustand sind die Düsennadel 13 auf
grund des Drucks in der Steuerungskammer 15 und der Vor
spannkraft der Feder 17, wodurch die Einspritzvorrichtung
1 in einen geschlossenen Zustand gebracht wird. Zusätz
lich ist eine konische Scheibenfeder 24 um den Stab 23
vorgesehen, um den Piezokolben 22 und den Piezostapel 21
aufwärts (in eine Kontraktionsrichtung) vorzuspannen.
Wie es in Fig. 1A gezeigt ist, weist die ECU 5, die eine
Steuerungseinheit ist, eine CPU (zentrale Verarbeitungs
einheit) zur Ausführung eines Programms zur Steuerung der
Brennkraftmaschine und eine Steuerungseinrichtung (einer
Steuerungsschaltung) zum Antrieb des Piezobetätigungs
glieds 2, der Hochdruckpumpe 6 und dergleichen entspre
chend einem Befehl aus der CPU auf. Signale werden der
CPU aus verschiedenen (nicht gezeigt) Sensoren zugeführt,
um einen Kurbelwellenrotationswinkel, eine Brennkraftma
schinendrehzahl, eine Beschleunigungspedalöffnung, Kühl
mitteltemperatur und einen Common-Rail-Druck zu erfassen,
und die CPU erfasst die Betriebsbedingungen der Brenn
kraftmaschine auf der Grundlage von Signalen aus diesen
Sensoren. Dann berechnet die CPU einen Solldruck für das
Common-Rail 3, der einen optimalen Verbrennungszustand
für die Brennkraftmaschine bereitstellen kann, und führt
eine Regelung durch Ausgabe eines Befehlsignals zu der
Hochdruckpumpe 6 aus, um Kraftstoff unter Druck zu sen
den.
Demgegenüber steuert die ECU 5 die Einspritzvorrichtung 1
zu einem vorbestimmten Zeitverlauf an, um die Einsprit
zung von Kraftstoff in die Brennkraftmaschine auf der
Grundlage der wie vorstehend beschriebenen erfassten Be
triebsbedingungen zu steuern, und führt die Druckverrin
gerungssteuerung des Common-Rail-Drucks durch Ansteuerung
der Einspritzvorrichtung 1 zur Durchführung einer Leer
laufeinspritzung durch. In Fig. 2 ist ein Steuerungs
blockschaltbild zur Ansteuerung der Einspritzvorrichtung
1 gezeigt. In der CPU sind eine Einspritzmengen- und
Zeitverlaufsberechnungsschaltung zur Berechnung der Soll
kraftstoffeinspritzgröße und des Einspritzzeitverlaufs
während der normalen Einspritzansteuerung sowie eine
Kraftstoffverringerungsbestimmungsschaltung vorgesehen,
die als Druckverringerungsbestimmungseinrichtung zur Be
stimmung, ob vorbestimmte Druckverringerungsbedingungen
zur Verringerung des Common-Rail-Drucks erfüllt sind oder
nicht, und zur Ausgabe eines Leerlaufeinspritzungssignals
dient, wenn die Druckverringerungsbedingungen erfüllt
sind. Die Bestimmung der Druckverringerung wird auf der
Grundlage der Sollkraftstoffeinspritzmenge und dem Ist-
Common-Rail-Druck bei beispielsweise einer abrupten Ver
langsamung durchgeführt, und es wird bestimmt, dass die
Druckverringerungsbedingungen erfüllt sind, wenn die
durch die Einspritzmengen- und Zeitverlaufsberechnungs
schaltung berechnete Sollkraftstoffeinspritzmenge Null
oder niedriger ist und der Ist-Common-Rail-Druck höher
als ein Soll-Common-Rail-Druck ist.
Wenn ein Einspritzsignal aus der CPU zu einem vorbestimm
ten Zeitverlauf ausgegeben wird, wird die vorbestimmte
Einspritzvorrichtung 1 durch eine Einspritzventilerre
gungsverarbeitungsschaltung der Steuerungseinrichtung er
regt, wodurch Kraftstoff in den entsprechenden Zylinder
der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Eine Kraft
stoffanstiegs-/Abfallzeitvariierungsschaltung der Steue
rungseinrichtung ist eingerichtet, eine erforderliche
Zeitdauer von dem Zeitpunkt, wenn das Piezobetätigungs
glied 2 der Einspritzvorrichtung 1 geladen wird, bis zu
dem Zeitpunkt einzustellen, wenn eine vorbestimmte Span
nung erreicht wird, sowie eine erforderliche Zeit von dem
Zeitpunkt, wenn die Entladung (das Absenken) der Spannung
von der auf diese Weise erreichten vorbestimmten Spannung
initiiert wird, bis zu dem Zeitpunkt, wenn die Entladung
(das Absenken) der Spannung abgeschlossen ist, einzustel
len. Während der normalen Einspritzansteuerung sind diese
Anstiegs-/Abfallzeiten so kurz wie möglich eingestellt,
so dass eine ineffektive Einspritzperiode von dem Antrieb
des Piezobetätigungsglieds 2 bis zu dem Öffnen der Düsen
nadel 13 verringert wird, um dadurch die Kraftstoffein
spritzung schnell durchzuführen. Die Einspritzventilerre
gungsverarbeitungsschaltung initiiert ein Aufladen oder
Entladen entsprechend dem Einspritzungssignal und steuert
die Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff
durch Steuerung der Erregung des Piezobetätigungsglieds 2
derart an, dass das Aufladen oder Entladen innerhalb der
durch die Spannungsanstiegs-/-ab
fallzeitvariierungsschaltung eingestellten Zeit abge
schlossen wird.
Wenn demgegenüber ein Leerlaufeinspritzsignal aus der
Druckverringerungsbestimmungseinrichtung ausgegeben wird,
macht die Spannungsanstiegs-/-ab
fallzeitvariierungsschaltung der Steuerungseinrichtung
die Zeit, die erforderlich ist, bis die aufgeladene Span
nung des Piezobetätigungsglieds 2 auf eine vorbestimmte
Spannung ansteigt, oder sowohl die Anstiegszeit der auf
geladenen Spannung als auch eine Abstiegszeit, die zum
Entladen der angelegten Spannung erforderlich ist, lang
samer als während einer normalen Einspritzansteuerung.
Dadurch wird die ineffektive Einspritzperiode von dem
Zeitpunkt der Ansteuerung des Piezobetätigungsglieds 2
bis zu dem Zeitpunkt des Öffnens der Düsennadel 13 länger
als während der normalen Einspritzansteuerung gemacht,
wodurch ermöglicht wird, eine Leerlaufeinspritzung durch
zuführen, bei der die Einspritzvorrichtung innerhalb ei
ner Zeitdauer erregt und angetrieben wird, die kürzer als
die ineffektive Einspritzperiode ist. Die Einspritzven
tilerregungsverarbeitungsschaltung initiiert ein Aufladen
oder Entladen entsprechend dem Leerlaufeinspritzsignal
und steuert die Einspritzvorrichtung 1 für die Leerlauf
einspritzung durch Steuerung der Erregung des Piezobetä
tigungsglieds 2 derart an, dass das Aufladen oder Entla
den innerhalb der variierten eingestellten Anstiegs-
/Abfallzeit abgeschlossen ist. Wenn dies auftritt, er
zeugt die Spannungsanstiegsabfallzeitvariierungsschaltung
die ineffektive Einspritzperiode zur Verlängerung der in
effektiven Einspritzperiode länger als während der norma
len Einspritzansteuerung, und die Einspritzventilerre
gungsverarbeitungsschaltung bildet die Druckverringe
rungseinrichtung zur Verringerung des Common-Rail-Drucks
durch Durchführung einer Leerlaufeinspritzung innerhalb
der Zeitperiode, die kürzer als die verlängerte ineffek
tive Einspritzperiode ist, so dass ermöglicht wird, dass
Hochdruckkraftstoff in dem Common-Rail 3 zu dem Rückkehr
flusspfad 43 fließen kann. Diese Steuerung ist nachste
hend ausführlicher beschrieben.
Zusätzlich soll eine Fehlererfassungsschaltung der Steue
rungseinrichtung die Anormalität des Piezobetätigungs
glieds 2 erfassen und ist aufgebaut, um die aufgeladene
Spannung des Piezobetätigungsglieds 2 zu erfassen und ein
Anormalitätssignal auszugeben, wenn die an das Piezobetä
tigungsglied 2 angelegte Spannung eine vorbestimmte Span
nung nicht erreicht, selbst nachdem eine gewisse Zeitdau
er seit Laden des Piezobetätigungsglieds 2 verstrichen
ist, oder wenn die angelegte Spannung nicht Null wird,
selbst nachdem eine gewisse Zeit nach dem Entladen ver
strichen ist.
Der Betrieb während der normalen Einspritzsteuerung der
Einspritzvorrichtung gemäß Fig. 1 ist nachstehend unter
Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben (abwechselnd lang- und
kurzgestrichelte Linie). Gemäß Fig. 1A fließt der aus dem
Common-Rail 3 über die Hochdruckleitung 31 der Piezoein
spritzvorrichtung 1 zugeführte Hochdruckkraftstoff in das
Kraftstoffreservoir 16 über den Hochdruckflusspfad 33. Zu
dem Zeitpunkt, wenn dies auftritt, fließt der Hochdruck
kraftstoff in den Hochdruckanschluss 82 des Dreiwegeven
tils 8, das mit dem Hochdruckflusspfad 33 kommuniziert.
Wenn keine Spannung an das Piezobetätigungsglied 2 ange
legt ist (beispielsweise vor einem Zeitpunkt A gemäß Fig.
3), stößt das Ventilelement 84 des Dreiwegeventils 8 ge
gen den Niederdrucksitz 81a, und der Hochdruckanschluss
82 ist geöffnet (ein in Fig. 1B gezeigter Zustand), wo
durch der Hochdruckkraftstoff in die Steuerungskammer 15
aus dem Hochdruckanschluss 82 über die Ventilkammer 83
und den Kommunizierungspfad 85 fließt, wobei der Druck in
der Steuerungskammer 15 hoch wird. In diesem Zustand hebt
sich die Düsennadel nicht ab und ist die Einspritzöffnung
14 geschlossen, um in dem geschlossenen Zustand zu
verbleiben, da die auf die Düsennadel 13 in Richtung zum
Schließen des Ventils ausgeübte Kraft (der Druck in der
Steuerungskammer 15 und der Vorspannkraft der Feder 17)
größer als die auf die Düsennadel 13 in Richtung zum Öff
nen des Ventils ausgeübte Kraft (der Kraftstoffdruck in
dem Kraftstoffreservoir 16) größer ist. Deshalb wird kein
Kraftstoff in den Zylinder der Brennkraftmaschine einge
spritzt.
Wenn das Anlegen der Spannung an das Piezobetätigungs
glied 2 durch ein Einspritzsignal (beispielsweise ein
rechteckförmiges Impulssignal) aus der ECU 5 initiiert
wird (ein Zeitpunkt A gemäß Fig. 3), expandiert der Pie
zostapel 21 mit Anstieg der Piezospannung, und der Piezo
kolben 22 senkt sich ab, um das Ventilelement 84 des
Dreiwegeventils 8 nach unten zu bewegen. Wenn dies auf
tritt, bewegt sich, wie es durch die abwechselnd lang-
und kurzgestrichelte Linie in Fig. 3 dargestellt ist, das
Ventilelement 84 zunächst weg von dem oberen Unterdruck
sitz 81a, um den Niederdruckanschluss 81 zu öffnen, und
dann wird das Ventilelement 84 auf den unteren Hochdruck
anschluss 82a gesetzt, um den Hochdruckanschluss 82 zu
schließen. Dann, wenn der Hochdruckkraftstoff aus dem
Niederdruckanschluss 81 zu dem Niederdruckdurchfluss 83
fließt, verringert sich der Druck in dem Steuerungsventil
15 allmählich, und wenn der Kraftstoffdruck in Richtung
zum Öffnen des Ventils in dem Kraftstoffreservoir 16 die
Kraft in Richtung zum Schließen des Ventils durch die
Steuerungskammer 15 und die Feder 17 überschreitet, be
ginnt die Düsennadel 13 sich abzuheben (Zeitpunkt B in
Fig. 3). Die Einspritzvorrichtung 1 wird nämlich in den
Ventilöffnungszustand gebracht, wodurch Kraftstoff in den
Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, indem
eine Kommunikation zwischen dem Kraftstoffreservoir 6 und
der Einspritzöffnung 14 hergestellt wird.
Danach, wenn die an das Piezobetätigungsglied 2 durch die
ECU 5 angelegte Spannung entladen wird, kontrahiert der
Piezostapel 21 zu dem Zeitpunkt D gemäß Fig. 3, und der
Piezokolben 22 und das Ventilelement 84 des Dreiwegeven
tils steigen an. Dann bewegt sich das Ventilelement 84
von dem unteren Niederdrucksitz 81a weg, um den Hoch
druckanschluss 81 zu öffnen, wodurch der Hochdruckkraft
stoff beginnt, erneut in die Steuerungskammer 15 zu flie
ßen, wobei der Druck in der Steuerungskammer 15 allmäh
lich ansteigt. Dann, wenn die Kraft in Richtung zum
Schließen des Ventils durch die Steuerungskammer 15 und
die Feder 17 den Kraftstoffdruck in Richtung zum Öffnen
des Ventils in dem Kraftstoffreservoir 16 überschreitet,
beginnt die Düsennadel 13 sich zu senken, um die Ein
spritzöffnung 14 zu schließen, wodurch die Einspritzvor
richtung 1 zu dem Zustand mit geschlossenem Ventil zu
rückkehrt.
Somit ist bei der wie vorstehend beschrieben aufgebauten
Einspritzvorrichtung 1 eine vorbestimmte ineffektive Ein
spritzperiode (t) von dem Zeitpunkt, wenn die Spannung
beginnt, angelegt zu werden, bis zu dem Zeitpunkt erfor
derlich, wenn die Düsennadel 13 tatsächlich sich abzuhe
ben beginnt. Folglich kann, falls eine Leerlaufeinsprit
zung durchgeführt wird, bei der das Ventilelement 84 in
nerhalb einer Zeitperiode angesteuert wird, die kürzer
als die ineffektive Einspritzperiode (t) ist, der Common-
Rail-Druck verringert werden, ohne dass Kraftstoff einge
spritzt wird, indem ermöglicht wird, dass der Hochdruck
kraftstoff aus dem Common-Rail 3 über die Steuerungskam
mer 15 zurückkehrt. Jedoch ist die ineffektive Einspritz
periode (t) kürzer als die der herkömmlich elektromagne
tisch angetriebenen Einspritzvorrichtung unter den norma
len Einspritzansteuerungssteuerungsbedingungen, wie es
durch die abwechselnd lang- und kurzgestrichelte Linien
in Fig. 4 gezeigt ist, da die piezoangetriebene Ein
spritzvorrichtung 1 ein gutes Ansprechen aufweist, wes
halb es schwierig ist, eine Leerlaufeinspritzung inner
halb des Bereichs der ineffektiven Einspritzperiode (t)
durchzuführen, indem das Ventilelement 84 derart ange
steuert wird, das es sich zwischen den zwei Positionen
hin- und herbewegt.
Um dies zu behandeln, werden erfindungsgemäß durch Steue
rung der Erregung des Piezobetätigungsglieds 2 durch die
ECU 5 die Einspritzeigenschaften der Einspritzvorrichtung
1 zwischen der Zeit einer normalen Einspritzansteuerung
und der Zeit einer Leerlaufeinspritzansteuerung derart
variiert, dass eine ineffektive Einspritzperiode (tk)
während einer Leerlaufeinspritzansteuerung länger als ei
ne ineffektive Einspritzperiode (tf) während einer norma
len Einspritzansteuerung wird. Genauer kann die ineffek
tive Einspritzperiode (t) durch Einstellung der Span
nungsanstiegsgeschwindigkeit beim Laden des Piezobetäti
gungsglieds 2 und der Spannungsabfallgeschwindigkeit beim
Entladen der Spannung aus dem Piezobetätigungsglied 2 un
ter Verwendung der Spannungsanstiegs-/-ab
fallzeitvariierungsschaltung und der Einspritzventiler
regungsverarbeitungsschaltung der ECU 5 eingestellt wer
den. Dies ist nachstehend ausführlich beschrieben.
Wie es durch durchgezogene Linien in Fig. 3 dargestellt
ist, wird, wenn die Spannungsanstiegszeit derart verlän
gert wird, dass die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit beim
Laden des Piezobetätigungsglieds 2 verzögert wird, wenn
die Leerlaufeinspritzsignalimpulsbreite dieselbe wie die
Impulsbreite während der Einspritzansteuerung ist, der
Zeitverlauf verzögert, zu dem sich das Ventilelement 84
des Dreiwegeventils 8 von dem Niederdrucksitz 81a wegbe
wegt, da die Expansionsgeschwindigkeit des Piezostapels
21, d. h. 1 die Abfallgeschwindigkeit des Piezokolbens 22
verzögert ist. Daher ist der Zeitpunkt, zu dem der Druck
in der Steuerungskammer 15 zu fallen beginnt, verzögert
(zu einem Zeitpunkt C gemäß Fig. 3), und weiterhin wird
der Abfall in dem Druck ebenfalls moderat. Folglich wird
das Ventilelement 84 auf dem unteren Hochdrucksitz 82a
fast mit demselben Zeitverlauf wie bei Initiieren des
Entladens gesetzt (zu einem Zeitpunkt D gemäß Fig. 3),
und da das Ventilelement 84 erneut ansteigt und der Hoch
druckkraftstoff aus dem Hochdruckanschluss 82 herein
fließt, besteht keine Gefahr, dass der Druck in der Steu
erungskammer 15 unterhalb eines Drucks (eines Einspritz
initiierungsdrucks) Po fällt, bei dem die Düsennadel 13
sich zu heben beginnt, weshalb kein Kraftstoff einge
spritzt wird. Während dies auftritt, wird der Druck in
dem Common-Rail 3 verringert, da der Kraftstoff aus dem
Hochdruckanschluss 82 zu dem Niederdruckanschluss 81 zu
rückkehrt.
Somit wird, selbst falls die Impulsbreite des Leerlauf
einspritzsignals im Wesentlichen so lang wie die Impuls
breite während der Einspritzansteuerung ist, die Zeit Tk,
wenn das Ventilelement tatsächlich geöffnet wird (die
Zeit, wenn der Niedrigdruckanschluss 82a geöffnet ist)
kürzer als die Zeit Tf, wenn das Ventilelement 84 während
einer Einspritzansteuerung geöffnet ist, in dem eine
Zeitdauer verlängert wird, die erforderlich ist, bis die
vorbestimmte Spannung erreicht ist (eine Aufladezeitdau
er), wodurch eine Leerlaufeinspritzansteuerung durchge
führt werden kann. Das Verhältnis zwischen der Impuls
breite zur Ansteuerung der Einspritzvorrichtung 1 und der
Einspritzmenge ist in Fig. 4 dargestellt. Bei der Ein
spritzvorrichtung 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Er
findung beträgt in einem Fall, in dem eine normale Ein
spritzansteuerung ausgeführt wird, wie es durch (1) in
der Figur dargestellt ist, eine Einspritzimpulsbreite
(gleich die ineffektive Einspritzperiode (tf)), in der
eine Einspritzung initiiert wird, etwa 100 µs, wohingegen
in einem Fall, indem die Aufladezeitdauer verlängert
wird, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wor
den ist, wie es durch (2) in der Figur dargestellt ist,
wird die ineffektive Einspritzperiode (tk1) etwa 330 µs
und nähert sich etwa 400 µs, die die ineffektive Ein
spritzperiode (t) der herkömmlichen solenoidangetriebenen
Einspritzvorrichtung beträgt, wie es durch (4) in der Fi
gur dargestellt ist. Folglich kann in dem Fall, dass das
Ventilelement 84 des Dreiwegeventils 8 derart angesteuert
wird, dass es zwischen den zwei Positionen sich hin- und
herbewegt, die Leerlaufeinspritzansteuerung ausgeführt
werden, bei der der Druck in dem Common-Rail 3 ohne Ein
spritzung von Kraftstoff verringert werden kann.
Zusätzlich kann die Spannungsabfallgeschwindigkeit wäh
rend des Entladens zusammen mit der Spannungsanstiegsge
schwindigkeit während des Aufladens verzögert werden, und
in diesem Fall kann die ineffektive Einspritzperiode
(tk2) verlängert werden. Jedoch wird in diesem Fall die
Abfallgeschwindigkeit der Piezospannung von der Initiie
rung des Entladens (des Zeitpunkts D gemäß Fig. 3) verzö
gert und wird die Spannungsabfallzeit verlängert. Daher
ist eine gewisse Zeitdauer erforderlich, bis das Ventil
element 84 sich von dem Hochdruckanschluss 82 wegbewegt,
um dadurch den Niedrigdruckanschluss 81 zu schließen.
Während dieser Zeit wird die ineffektive Einspritzperiode
(tk2), wenn sowohl die Aufladezeitdauer als auch die Ent
ladezeitdauer wie durch (3) in der Figur gezeigt kürzer
(etwa 220 µs) als die ineffektive Einspritzperiode wer
den, wenn lediglich die Aufladezeit verlängert wird, wie
es durch (2) in der Figur dargestellt ist, da es verzögert
ist, dass der Druck in der Steuerungskammer 15 nach sei
ner Verringerung erneut erhöht wird.
Nachstehend ist unter Verwendung von Zeitverläufen gemäß,
Fig. 5 ein Beispiel beschrieben, bei dem die Erfindung
auf eine Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine angewandt ist.
Fig. 6 zeigt eine Darstellung des Aufbaus einer Schaltung
zur Ansteuerung der Einspritzvorrichtung 1, und ein Mehr
schaltverfahren wird zum Schalten verwendet, bei dem ein
Auflade- oder Entladeschalten stufenförmig für das Aufla
den oder Entladen ausgeführt wird. INJ1 bis INJ4 bezeich
nen Piezobetätigungsglieder 2, die in vier Einspritzvor
richtungen (#1 bis #4) untergebracht sind, die in jewei
ligen Zylindern der Brennkraftmaschine vorgesehen sind,
und die vorbestimmten Einspritzvorrichtungen INJ1 bis
INJ4 können aufgeladen oder entladen werden, indem ent
sprechende Zylindersteuerungsschaltvorrichtungen T111 bis
T114 ausgewählt werden und die Steuerungsschaltvorrich
tungen T112, T113 abgetrennt werden (hier ist ein Bei
spiel beschrieben, bei dem INJ1 entsprechend der Ein
spritzvorrichtung #1 angesteuert wird). Eine Spule 151,
eine Schaltvorrichtung T151 und eine Diode D151 bilden
eine Spannungsanhebeschaltung (DC-DC) zum Anheben der
Spannung einer Batterie auf eine vorbestimmte Spannung.
C151 bezeichnet einen Kondensator zur Akkumulierung von
Energie, die in eine hohe Spannung durch die Spannungsan
hebeschaltung umgewandelt wird, T151 bezeichnet eine Auf
ladeschaltvorrichtung, T153 eine Entladungsschaltvorrich
tung, L152 eine Entladespule und R111, R112 Erfassungswi
derstände zur Erfassung von Aufladestrom.
Gemäß Fig. 5 schaltet zunächst, wenn ein Einspritzsignal
zu einem vorbestimmten Zeitverlauf auf der Grundlage der
Ergebnisse der Berechnungen in der Einspritzmenge- und
Zeitverlaufsberechnungsschaltung der CPU während der Ein
spritzansteuerung ausgegeben wird, die Einspritzventiler
regungsverarbeitungsschaltung der Steuerungseinrichtung
die Zylindersteuerungsschaltungsvorrichtung T111 und das
Entkopplungs-/Steuerungsschaltelement T112 ein, die der
ersten Einspritzvorrichtung 1 entsprechen. Ausreichende
in das Piezobetätigungsglied 2 zu ladende Energie in der
Spannungsanhebeschaltung (DC-DC), die aus L151, T151 und
D151 gebildet ist, wird in den Kondensator C151 geladen.
Weiterhin wird, wenn ein Gatesignal (Steuerungssignal)
zur Ansteuerung der Aufladeschaltvorrichtung T152 aus der
CPU über die Steuerungseinrichtung ausgegeben wird, die
Aufladeschaltvorrichtung T152 entsprechend dem auf diese
Weise ausgegebenen Signal eingeschaltet, wodurch das Auf
laden von INJ1 initiiert wird.
Wenn dies auftritt, fließt ein Aufladestrom I11
(beispielsweise 10 A) aus dem Kondensator C151 durch ei
nen Pfad, der die Aufladeschaltung T152, die Auflade- und
Entladespule L152, die Entkopplungssteuerungsschaltvor
richtung T112, COMA, INJ1, #1, die Zylindersteuerungs
schaltvorrichtung T112, den Erfassungswiderstand R111 und
GND in dieser Reihenfolge aufweist, und die Piezospannung
von INJ1 wird erhöht. Eine Wiederholung dieses Vorgangs
kann die Piezospannung auf eine vorbestimmte Sollspannung
(beispielsweise 150 V) erhöhen. Gemäß diesem Ausführungs
beispiel wird das Aufladen durch vier Impulse wie I22,
I12, I13 und I14 in dieser Reihenfolge durchgeführt, und
die Spannungsanstiegs-/-abfallzeitvariierungsschaltung
steuert die Einspritzvorrichtung 1 derart an, dass die
vorstehend beschriebene vorbestimmte Spannung, die zum
Öffnen der Einspritzvorrichtung 1 erforderlich ist, in
nerhalb einer vorab eingestellten Aufladezeitdauer T1 er
reicht wird.
Wenn das Einstiegssignal ansteigt, wird eine Entladesteu
erung initiiert. Beim Entladen wird im Gegensatz zum Auf
laden die Aufladeschaltvorrichtung T152 ausgeschaltet,
und ein Gatesignal zur Ansteuerung der Entladeschaltvor
richtung T153 wird ausgegeben, wodurch ein Entladestrom
I21 durch einen Pfad fließt, der GND, den Erfassungswi
derstand R111, die Zylindersteuerungsschaltvorrichtung
T111, #1, INJ1, COMA, die Entkopplungssteuerungsschalt
vorrichtung T112, die Auflade- und Entladespule L152 und
die Entladeschaltvorrichtung T153 in dieser Reihenfolge
aufweist, und die in INJ1 aufgeladene Energie wird entla
den, um die Piezospannung um eine vorbestimmte Spannung
zu verringern. Dieser Vorgang wird wiederholt, so dass
die Piezospannung auf 0 V entladen wird. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel wird das Entladen durch vier Impulse
wie I21, I22, I23 und I24 in dieser Reihenfolge durchge
führt, und die Spannungsanstiegs-/-ab
fallzeitvariierungsschaltung steuert die Einspritzvor
richtung 1 derart, dass die vorstehend beschriebene vor
bestimmte Spannung, die zur Ansteuerung zum Schließen der
Einspritzvorrichtung 1 erforderlich ist, innerhalb einer
vorab eingestellten Ladezeitdauer T2 erreicht wird.
Wenn demgegenüber die Druckverringerungsbestimmungsein
richtung eine Druckverringerung bestimmt, wird ein Leer
laufeinspritzsignal ausgegeben, so dass eine Leerlaufein
spritzansteuerung ausgeführt wird. Während der Leerlauf
einspritzansteuerung kann ebenfalls die Ansteuerung der
Einspritzvorrichtung 1 in derselben Ansteuerungssequenz
wie die ausgeführt werden, die angewandt wird, wenn die
vorstehend beschriebene Einspritzansteuerung ausgeführt
wird. Jedoch wird eine Aufladezeit T1' gegenüber der Ein
spritzsteuerungszeitdauer durch die Spannungsanstiegs-/-ab
fallzeitvariierungsschaltung verlängert, um dadurch die
ineffektive Einspritzperiode zu verlängern, und die Ein
spritzvorrichtung 1 wird zur Durchführung einer Leerlauf
einspritzung innerhalb einer Zeitdauer angesteuert, die
kürzer als die verlängerte ineffektive Einspritzperiode
ist. Genauer wird der Piezoaufladestrom I31 für eine ein
zelne Einspritzung durch die Einspritzventilerregungsver
arbeitungsschaltung auf etwa die Hälfte (beispielsweise
5 A) des Aufladestroms I11 während der Einspritzungsan
steuerung eingestellt, und die Anzahl der Aufladungsvor
gänge wird auf acht, von I31 bis I38, eingestellt. Da der
Aufladestrom für eine einzelne Einspritzung die Hälfte
beträgt, wird die Aufladezeit T1' doppelt so groß wie die
Aufladezeit T1 während der Einspritzansteuerung, wodurch
ermöglicht wird, dass die Aufladeanstiegsgeschwindigkeit
geringer wird. Die Aufladezeitdauer T1' während der Leer
laufeinspritzung in Bezug auf die Aufladezeitdauer T1
während der Einspritzung wird in Abhängigkeit von einem
erforderlichen Wert des Systems bestimmt.
In ähnlicher Weise wie bei dem Fall des Aufladens wird
bei der Entladung der Piezoentladestrom I41 für eine ein
zelne Einspritzung auf etwa die Hälfte (beispielsweise
5 A) des Entladestroms während der Einspritzansteuerung
I21 eingestellt, und die Einspritzvorrichtung wird mit
einer Anzahl von Entladungsvorgängen, die acht, von I41
bis I48, beträgt, und einer Entladezeitdauer T2' ange
steuert. Da der Entladestrom für eine einzelne Einsprit
zung die Hälfte beträgt, wird folglich die Entladezeit
dauer T2' doppelt so lang wie die Entladezeitdauer T2 wäh
rend der Einspritzungssteuerung, wodurch ermöglicht wird,
die Entladeabfallgeschwindigkeit zu verringern. Die Ent
ladezeitdauer T2' während der Leerlaufeinspritzung in Be
zug auf die Entladezeitdauer T2 während der Einspritzung
wird in Abhängigkeit von einem Wert bestimmt, der von dem
System benötigt wird.
Somit kann die ineffektive Einspritzperiode (t) wie vor
stehend beschrieben eingestellt werden, indem die Aufla
dezeitdauern T2, T1' und die Entladezeitdauern T2, T2'
eingestellt werden. Daher wird die ineffektive Einspritz
periode (t) verkürzt, um ein hohes Ansprechen während der
normalen Einspritzansteuerung zu gewährleisten, wohinge
gen während der Leerlaufeinspritzung die ineffektive Ein
spritzperiode (t) verlängert wird, so dass eine Leerlauf
einspritzung innerhalb des Bereichs der verlängerten in
effektiven Einspritzperiode (t) ausgeführt wird, wodurch
die Verringerung des Drucks in dem Common-Rail 3 gesteu
ert wird.
Fig. 7 zeigt Zeitverläufe eines weiteren Beispiels für
die Steuerung der Einspritzvorrichtung. Während in dem in
Fig. 1 gezeigten Beispiel die Aufladezeitdauer und die
Entladezeitdauer durch Einstellung des Aufladestromwerts
und des Entladestromwerts sowohl für eine einzelne Ein
spritzung zur Erhöhung der Anzahl der Erregungsvorgänge
eingestellt werden, werden in dem in Fig. 7 gezeigten
Beispiel Intervalle zwischen den Aufladevorgängen (I31
bis I34) und den Entladevorgängen (I41 bis I44) verlän
gert, während die Anzahl der Erregungsvorgänge und die
Stromwerte dieselben wie diejenigen während der normalen
Einspritzansteuerung verbleiben. Die Aufladezeitdauer T1'
und die Entladezeitdauer T2' können durch die vorstehend
beschriebene Einstellung eingestellt werden, anstelle
dass die Stromwerte eingestellt werden.
Es sei bemerkt, dass, obwohl in den in Fig. 5 und 7 ge
zeigten Beispielen die Zeitdauern für sowohl das Entladen
als auch das Aufladen eingestellt werden, wie es in Fig.
3 vorstehend gezeigt worden ist, die Zeitdauer lediglich
während des Aufladens eingestellt werden kann. Zusätzlich
kann, obwohl in den vorstehend beschriebenen Beispielen
die Leerlaufeinspritzansteuerung derart beschrieben ist,
dass sie lediglich in einem der mehreren Zylindern auf
tritt, die Leerlaufeinspritzung in der Hälfte oder allen
der mehrfachen Zylinder gleichförmig ausgeführt werden.
Dies ermöglicht die Ausführung einer genaueren Druckver
ringerungssteuerung, wodurch eine optimale Common-Rail-
Drucksteuerung erzielt werden kann.
Zusätzlich wird die Leerlaufeinspritzansteuerung vor je
der Einspritzung der mehrstufigen Einspritzungen pro Zy
linder, lediglich vor der Haupteinspritzung, oder vor und
nach der Haupteinspritzung ausgeführt. Somit kann die
Steuerbarkeit des Common-Rail weiter durch optimales Ein
stellen der Anzahl der Zylinder und Zeitverläufe verbes
sert werden, wenn die Leerlaufeinspritzung ausgeführt
wird.
Obwohl gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbei
spiel der Fall angewandt wird, bei dem aufgrund bei
spielsweise einer abrupten Verlangsamung die Kraftstoff
einspritzmenge kleiner als Null und der Common-Rail-Druck
größer als der Soll-Common-Rail-Druck ist, als Druckver
ringerungsbedingungen angewandt wird, kann die Erfindung
auf einen Fall angewandt werden, bei dem die Brennkraft
maschine erneut gestartet wird, nachdem die Brennkraftma
schine unter hoher Last betrieben worden ist, oder der
Druck in dem Common-Rail 3 höher als erforderlich wird,
indem der Starterschalter wiederholt ein- und ausgeschal
tet wird. In diesem Fall kann als die Druckverringerungs
bedingungen zur Verringerung des Kraftstoffdrucks inner
halb des Common-Rails 3 beispielsweise bestätigt werden,
dass der Zündschalter oder der Starterschalter von dem
eingeschalteten Zustand zu dem ausgeschalteten Zustand
geschaltet worden ist, und der Druck innerhalb des Com
mon-Rails 3 kann wirksam durch Ausführung der Leerlauf
einspritzansteuerung in ähnlicher Weise verringert wer
den.
Außerdem kann ein Zweiwegventil anstelle des Dreiwegeven
tils als Steuerungsventil verwendet werden.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf die besonderen
Ausführungsbeispiele, die zur Veranschaulichung ausge
wählt worden sind, beschrieben worden ist, ist es ver
ständlich, dass verschiedene Modifikationen durch den
Fachmann ausgeführt werden können, ohne dass das grundle
gende Konzept unter der Umfang der Erfindung verlassen
wird.
In einer Einspritzvorrichtung gemäß der Erfindung öffnet
ein Dreiwegeventil 8, das durch ein Piezobetätigungsglied
2 angetrieben wird, Kommunikationen zwischen einer Steue
rungskammer 15 zum Öffnen und Schließen einer Düsennadel
13 und einem Common-Rail 3 und einem Rückkehrflussweg 43.
Eine ECU 5 verlangsamt die Anstiegsgeschwindigkeit einer
an das Piezobetätigungsglied 2 angelegten Spannung gegen
über der während einer normalen Einspritzansteuerung,
wenn anhand der Betriebsbedingungen einer Brennkraftma
schine bestimmt wird, dass Druckverringerungsbedingungen
des Common-Rail 3 erfüllt sind, so dass eine ineffektive
Einspritzperiode, innerhalb der die Düsennadel 13 geöff
net wird, länger als während einer normalen Einspritzan
steuerung ist, um eine Leerlaufeinspritzansteuerung aus
zuführen, in der das Ventil zum Öffnen innerhalb einer
Zeitdauer angesteuert wird, die kürzer als die verlänger
te ineffektive Einspritzperiode ist, um zu ermöglichen,
dass Hochdruckkraftstoff zu dem Rückkehrflussweg 43 zu
rückkehrt, wodurch die Druckverringerungssteuerung des
Common-Rail 3 ausgeführt wird.
Claims (3)
1. Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschi
ne mit einem Akkumulator zum Akkumulieren von Hochdruck
kraftstoff, das unter Druck aus einer Hochdruckpumpe zu
geführt wird, piezoangetriebenen Einspritzvorrichtungen
zum Einspritzen des Hochdruckkraftstoffs in dem Akkumula
tor in Zylinder der Brennkraftmaschine und einer Steue
rungseinheit zur Steuerung der Ansteuerung der Hochdruck
pumpe und der Einspritzvorrichtungen entsprechend den Be
triebsbedingungen der Brennkraftmaschine,
wobei die Einspritzvorrichtung eine Düsennadel zum Öffnen einer Einspritzöffnung, eine Steuerungskammer zum Beaufschlagen des Drucks des aus dem Akkumulator zuge führten Kraftstoffs auf die Düsennadel, ein Steuerungs ventil zur Erhöhung oder Verringerung des Drucks in der Steuerungskammer durch Öffnen oder Schließen einer Kommu nikation zwischen der Steuerungskammer und einem Rück kehrflussweg sowie einen Piezoantriebsabschnitt aufweist, der angepasst ist, zu expandieren, um das Steuerungsven til zum Öffnen anzutreiben, wenn eine vorbestimmte Span nung daran angelegt wird, und zu kontrahieren, um das Steuerungsventil zum Schließen anzutreiben, wenn die auf diese Weise aufgeladene Spannung daraus entladen wird,
wodurch die Düsennadel öffnet, um den aus dem Akkumulator zugeführten Kraftstoff einzuspritzen, wenn das Steue rungsventil angetrieben wird,
wobei die Steuerungseinheit
eine Druckverringerungsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung auf der Grundlage der Betriebsbedin gungen der Brennkraftmaschine, ob Druckverringe rungsbedingungen zur Verringerung des Kraftstoff drucks in dem Akkumulator erfüllt sind oder nicht,
eine Ineffektiveinspritzperioden- Variierungseinrichtung zur Verlängerung einer von der Ansteuerung des Steuerungsventils bis zu dem Öffnen der Düsennadel andauernden ineffektiven Ein spritzperiode auf eine längere Zeit als die während der normalen Einspritzansteuerung, wenn die Druck verringerungsbestimmungseinrichtung bestimmt, dass die Druckverringerungsbedingungen erfüllt sind, in dem die Anstiegsgeschwindigkeit der an den Piezoan triebsabschnitt angelegten Spannung gegenüber der während einer normalen Einspritzansteuerung verlang samt wird oder indem sowohl die Anstiegsgeschwindig keit der angelegten Spannung als auch die Abfallge schwindigkeit verlangsamt wird, und
eine Druckverringerungseinrichtung aufweist, die zum Öffnen des Steuerungsventils innerhalb einer Zeitperiode ansteuert, die kürzer als die verlänger te ineffektive Einspritzperiode ist, wenn die Inef fektiveinspritzperioden-Variierungseinrichtung betä tigt wird, um zu ermöglichen, dass der Hochdruck kraftstoff in dem Akkumulator zu dem Rückkehrfluss weg zurückkehrt, indem eine Leerlaufeinspritzansteu erung derart ausgeführt wird, dass der Kraftstoff druck in dem Akkumulator verringert wird.
wobei die Einspritzvorrichtung eine Düsennadel zum Öffnen einer Einspritzöffnung, eine Steuerungskammer zum Beaufschlagen des Drucks des aus dem Akkumulator zuge führten Kraftstoffs auf die Düsennadel, ein Steuerungs ventil zur Erhöhung oder Verringerung des Drucks in der Steuerungskammer durch Öffnen oder Schließen einer Kommu nikation zwischen der Steuerungskammer und einem Rück kehrflussweg sowie einen Piezoantriebsabschnitt aufweist, der angepasst ist, zu expandieren, um das Steuerungsven til zum Öffnen anzutreiben, wenn eine vorbestimmte Span nung daran angelegt wird, und zu kontrahieren, um das Steuerungsventil zum Schließen anzutreiben, wenn die auf diese Weise aufgeladene Spannung daraus entladen wird,
wodurch die Düsennadel öffnet, um den aus dem Akkumulator zugeführten Kraftstoff einzuspritzen, wenn das Steue rungsventil angetrieben wird,
wobei die Steuerungseinheit
eine Druckverringerungsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung auf der Grundlage der Betriebsbedin gungen der Brennkraftmaschine, ob Druckverringe rungsbedingungen zur Verringerung des Kraftstoff drucks in dem Akkumulator erfüllt sind oder nicht,
eine Ineffektiveinspritzperioden- Variierungseinrichtung zur Verlängerung einer von der Ansteuerung des Steuerungsventils bis zu dem Öffnen der Düsennadel andauernden ineffektiven Ein spritzperiode auf eine längere Zeit als die während der normalen Einspritzansteuerung, wenn die Druck verringerungsbestimmungseinrichtung bestimmt, dass die Druckverringerungsbedingungen erfüllt sind, in dem die Anstiegsgeschwindigkeit der an den Piezoan triebsabschnitt angelegten Spannung gegenüber der während einer normalen Einspritzansteuerung verlang samt wird oder indem sowohl die Anstiegsgeschwindig keit der angelegten Spannung als auch die Abfallge schwindigkeit verlangsamt wird, und
eine Druckverringerungseinrichtung aufweist, die zum Öffnen des Steuerungsventils innerhalb einer Zeitperiode ansteuert, die kürzer als die verlänger te ineffektive Einspritzperiode ist, wenn die Inef fektiveinspritzperioden-Variierungseinrichtung betä tigt wird, um zu ermöglichen, dass der Hochdruck kraftstoff in dem Akkumulator zu dem Rückkehrfluss weg zurückkehrt, indem eine Leerlaufeinspritzansteu erung derart ausgeführt wird, dass der Kraftstoff druck in dem Akkumulator verringert wird.
2. Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschi
ne nach Anspruch 1, wobei die Ineffektiveinspritzperio
den-Variierungseinrichtung die Anstiegsgeschwindigkeit
oder die Abfallgeschwindigkeit der an dem Piezoantriebs
abschnitt angelegten Spannung durch Variieren derart ver
ringert, dass die Größe des dem Piezoantriebsabschnitt
zugeführten Stroms gegenüber dem während der normalen
Einspritzansteuerung verkleinert wird, und derart, dass
Intervalle, zu denen der Piezoantriebsabschnitt erregt
wird, gegenüber denen während der normalen Einspritzan
steuerung verlängert werden.
3. Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschi
ne nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Düsennadel in der
Einspritzvorrichtung einem Druck in eine Richtung zum
Öffnen des Ventils durch aus dem Akkumulator zugeführten
Kraftstoff als auch einem Druck in eine Richtung zum
Schließen des Ventils durch Kraftstoff in der Steuerungs
kammer unterzogen wird, wodurch, wenn eine Kommunikation
zwischen der Steuerungskammer und dem Rückkehrflussweg
durch Ansteuerung zum Öffnen des Steuerungsventils die
Düsennadel geöffnet wird, wenn der Druck in der Steue
rungskammer verringert wird.
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