DE4011782A1 - Steuerschaltung fuer eine brennstoffeinspritzvorrichtung - Google Patents
Steuerschaltung fuer eine brennstoffeinspritzvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für eine
Brennstoffeinspritzanlage.
Es ist eine Einspritzeinheit bekannt, die einen von der
Maschine angetriebenen Druckkolben, eine mit dem Brennstoff
gefüllte und durch den Druckkolben mit Druck beaufschlagte
Brennstoffdruckkammer, eine entsprechend dem Brennstoffdruck
in der Druckkammer wirkende Nadel, die die Düsenöffnung
öffnet, wenn der Brennstoffdruck einen vorbestimmten Druck
übersteigt, einen Brennstoffüberströmkanal, der den Brenn
stoff aus der Druckkammer ausströmen läßt, und ein Über
strömventil aufweist, das von einem Stellglied geschaltet
wird und in dem Überströmkanal angeordnet ist, wobei der
Brennstoff eingespritzt wird, wenn das Überströmventil den
Überströmkanal schließt (ungeprüfte japanische Patentanmel
dung Nr. 63-65 167). In einer solchen Brennstoffeinspritzein
heit, die zum Steuern des Einspritzens durch das Stellglied
ausgelegt ist, sind das Volumen der Druckkammer und das
Volumen des Brennstoffdurchlasses von der Druckkammer zur
Düsenöffnung klein, so daß dann, wenn das Überströmventil
öffnet und der Brennstoff aus der Druckkammer auszuströmen
beginnt, der Brennstoffdruck in der Druckkammer und in dem
Brennstoffdurchlaß von der Druckkammer zur Düsenöffnung
schnell abfällt. Wenn im einzelnen wie bei dieser Einspritz
einheit als Stellglied ein piezoelektrisches Element mit
guten Ansprecheigenschaften verwendet wird, öffnet das
Überströmventil mit hoher Geschwindigkeit, so daß der Brenn
stoffdruck in der Druckkammer sehr schnell abfällt.
In einer solchen Einspritzeinheit wird jedoch üblicherweise
die Nadel durch Federkraft in der Ventilschließstellung
gehalten. Das Einspritzen erfolgt dadurch, daß eine an der
Außenumfangsfläche der Nadel ausgebildete konische Druckauf
nahmefläche mit hohem Brennstoffdruck beaufschlagt wird und
auf diese Weise die Nadel angehoben wird. Wenn dann das
Überströmventil öffnet und der Brennstoffdruck in der Druck
kammer schnell abgesenkt wird, fällt zugleich damit der an
der Druckaufnahmefläche der Nadel wirkende Brennstoffdruck
schnell ab, so daß die Nadel durch die Federkraft in
Schließrichtung bewegt wird und die Düsenöffnung schließt.
Falls jedoch auf diese Weise der Brennstoffdruck in der
Druckkammer schnell gesenkt wird, strömt der ganze um die
Nadel herum von der Druckaufnahmefläche bis zur Düsenöffnung
eingefüllte Hochdruckbrennstoff zu der Druckkammer hin, was
zur Folge hat, daß der Druck um die Nadel herum nahe der
Düsenöffnung vorübergehend ein sehr niedriger Druck wird,
nämlich beispielsweise unter den Atmosphärendruck abfällt.
Falls jedoch auf diese Weise der Druck um die Nadel herum
nahe der Düsenöffnung zu einem solchen sehr niedrigen Druck
wird, entstehen um die Nadel nahe der Düsenöffnung herum
viele kleine Luftbläschen. Wenn dann die Nadel die Düsenöff
nung das nächste Mal öffnet, wird zuerst diese Luftbläschen
enthaltender Brennstoff eingespritzt, so daß das Problem
einer Verschlechterung des Anstiegs der Brennstoffeinspritz
rate entsteht.
Ferner hat die Nadel aufgrund ihrer eigenen Trägheit und der
Reibung mit ihrer Umgebung nicht ein derart gutes Ansprech
vermögen, daß sie selbst bei einem schnellen Abfallen des an
der Druckaufnahmefläche wirkenden Brennstoffdrucks die
Düsenöffnung sofort schließt, d.h., die Nadel schließt die
Düsenöffnung nach einer kurzen Verzögerungszeit. Falls daher
der an der Druckaufnahmefläche wirkende Brennstoffdruck
schnell abfällt und sogar niedriger als der Druck in der
Druckkammer wird, entsteht das Problem, daß der Brennstoff
bzw. das Brennstoffgas aus der Brennstoffkammer um die Nadel
herum durch die Düsenöffnung in der Zeit bis zum Schließen
der Düsenöffnung durch die Nadel ausströmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Brenn
stoffeinspritzvorrichtung eine Steuerschaltung zu schaffen,
die ein Einströmen von Brennstoffgas in den Brennstoffdurch
laß um die Nadel herum unterbindet und das Entstehen von
kleinen Luftbläschen in diesem Brennstoffdurchlaß verhin
dert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Mitteln gelöst.
Da bei dem Einsatz dieser Steuerschaltung bei dem Abführen
der Ladung von dem piezoelektrischen Element die elektrische
Ladung nur zum Teil abgeführt wird, nimmt das Überströmven
til einen Halböffnungszustand ein, wobei der Brennstoffdruck
in der Druckkammer und der Brennstoffdruck um die Nadel
herum auf konstanten Drücken gehalten werden, nachdem sie
auf diese konstanten Drücke abgefallen sind. Daher fällt der
Brennstoffdruck um die Nadel herum nicht schnell auf einen
derart niedrigen Druck ab, daß um die Nadel herum Luftbläs
chen entstehen und in die Brennstoffkammer um die Nadel
herum Brennstoffgas einströmt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Schaltbild der Steuerschaltung
für eine Einspritzeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Schnitts
durch die Einspritzeinheit entlang einer Linie III-III in
Fig. 6.
Fig. 4 ist eine vergrößerte Teilansicht des
Schnitts nach Fig. 3.
Fig. 5 ist eine Seitenansicht eines Schnitts
entlang einer Linie V-V in Fig. 6.
Fig. 6 ist eine Schnittansicht der Einspritz
einheit.
Fig. 7 ist eine Seitenansicht eines Schnitts
entlang einer Linie VII-VII in Fig. 3 und Fig. 8.
Fig. 8 ist eine Draufsicht auf einen Schnitt
entlang einer Linie VIII-VIII in Fig. 3.
Fig. 9 ist ein Schaltbild der Steuerschaltung
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Fig. 10 ist ein Zeitdiagramm der Funktion der
Steuerschaltung nach Fig. 9.
Fig. 11 ist eine grafische Darstellung des
Zusammenhang zwischen der Einschaltzeit tG eines Schaltele
ments und der Maschinendrehzahl NE.
Fig. 12 ist ein Schaltbild der Steuerschal
tung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Fig. 13 ist ein Zeitdiagramm der Funktion der
Steuerschaltung nach Fig. 12.
Fig. 14 ist ein Schaltbild der Steuerschal
tung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Fig. 15 ist ein Zeitdiagramm der Funktion der
Steuerschaltung nach Fig. 14.
Fig. 16 ist ein Schaltbild der Steuerschal
tung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
Fig. 17 ist ein Zeitdiagramm der Funktion der
Steuerschaltung nach Fig. 16.
Die Fig. 1 bis 8 veranschaulichen die Anwendung der
Steuerschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel an
einer Einspritzeinheit. Zuerst wird anhand der Fig. 3 bis 8
der Aufbau der Einspritzeinheit erläutert.
Die Fig. 3 bis 6 zeigen einen Gehäusekörper 1, eine Düse 2
mit einer Düsenöffnung 3 an ihrem Stirnende, einen
Abstandshalter 4, eine Feder 5 und einen Düsenhalter 6 für
das Festlegen der Düse 2, des Abstandshalters 4 und der
Feder 5 an dem Gehäusekörper 1. In die Düse 2 ist verschieb
bar eine Nadel 7 eingesetzt, die das Öffnen und Schließen
der Düsenöffnung 3 steuert, wobei der obere Teil der Nadel 7
über einen Andruckstift 8 mit einem Federhalter 9 in Verbin
dung steht. Dieser Federhalter 9 wird durch eine Druckfeder
10 ständig nach unten gedrückt, wobei die Andruckkraft über
den Andruckstift 8 zu der Nadel 7 übertragen wird. Daher ist
die Nadel 7 durch die Druckfeder 10 ständig in Schließrich
tung vorgespannt.
Andererseits ist in dem Gehäusekörper 1 koaxial zu der Nadel
7 eine Kolbenbohrung 11 ausgebildet, in die verschiebbar ein
Druckkolben 12 eingesetzt ist. Das obere Ende des Druckkol
bens 12 ist mit einem Stößel 13 verbunden, der durch eine
Druckfeder 14 ständig nach oben vorgespannt ist. Der Stößel
13 wird durch einen von der Maschine angetriebenen (nicht
gezeigten) Nocken vertikal bewegt, wodurch der Druckkolben
12 vertikal in der Kolbenbohrung 11 bewegt wird. In der
Kolbenbohrung 11 ist unterhalb des Druckkolbens 12 eine
Druckkammer 15 gebildet, die durch das untere Ende 12 a des
Druckkolbens 12 begrenzt ist. Diese Druckkammer 15 steht
über einen stabförmigen Filter 16 und einen Durchlaß 17 mit
einer Nadeldruckkammer 18 in Verbindung (Fig. 6), welche
über einen Ringkanal 19 um die Nadel 7 herum mit der Düse
nöffnung 3 in Verbindung steht. Ferner ist gemäß Fig. 5 an
der Innenwandfläche der Kolbenbohrung 11 eine Brennstoffzu
führöffnung 20 gebildet, die in die Druckkammer 15 mündet,
wenn der Druckkolben 12 in der oberen Stellung steht, und
aus der der Druckkammer 15 Brennstoff mit einem Druck von
ungefähr 2 bis 3 kg/cm2 zugeführt wird. Diese Zuführöffnung
20 ist beispielsweise über einen Brennstoffauslaßkanal 20 a,
der sich senkrecht von der Zuführöffnung 20 weg erstreckt,
und ein (nicht gezeigtes) Überdruckventil mit einem Ventil
öffnungsdruck von 2 bis3 kg/cm2 oder dergleichen an einen
(nicht gezeigten) Brennstoffbehälter angeschlossen. Ferner
ist gemäß Fig. 5 an der der Zuführöffnung 20 gegenüberlie
genden Seite der Kolbenbohrung 11 eine Öffnung 21 gebildet, die
unvermeidbar bei dem Formen der Zuführöffnung 20 geformt
wird und die am äußeren Ende mit einem Blindstopfen 22
verschlossen wird. Diese Öffnung 21 erstreckt koaxial zu der
Zuführöffnung 20 und mündet in der Kolbenbohrung 11. An der
Innenwandfläche der Kolbenbohrung 11 ist eine Umfangsnut 23
gebildet, die sich von der Zuführöffnung 20 bis zu der
Öffnung 21 erstreckt. Wenn der Druckkolben 12 abgesenkt wird
und die Zuführöffnung 20 und die Öffnung 21 schließt, stehen
diese miteinander über die Umfangsnut 23 in Verbindung, so
daß daher der Brennstoff in der Öffnung 21 auf dem gleichen
Druck wie in der Zuführöffnung 20 gehalten wird. Eine Feder
kammer 24, die die Druckfeder 10 für das Herunterdrücken der
Nadel 7 aufnimmt, steht mit der Zuführöffnung 20 über einen
Rücklaufkanal 25 in Verbindung, über den der in die Feder
kammer 24 eindringende Brennstoff zu der Zuführöffnung 20
zurückgeführt wird. Andererseits ist an der Außenumfangsflä
che des Druckkolbens 12 etwas oberhalb der unteren Stirnflä
che 12 a des Druckkolbens eine Umfangsnut 26 gebildet, die
über eine in dem Druckkolben 12 ausgebildete Abflußöffnung
27 mit dem Inneren der Druckkammer 15 in Verbindung steht.
Andererseits ist in dem Gehäusekörper 1 eine Gleitbohrung 30
gebildet, die sich in Querrichtung nahe der Seite der Kol
benbohrung 11 erstreckt. Diese Gleitbohrung 30 ist daher
derart geformt, daß sie eine Axiallinie hat, welche unter
Abstand parallel zu einer geraden Linie ist, die im wesent
lichen senkrecht zu der gemeinsamen Achsenlinie des Druck
kolbens 12 und der Nadel 7 steht. In die Gleitbohrung 30 ist
verschiebbar ein Überströmventil 31 eingesetzt. Gemäß Fig. 3
und 4 besteht die Gleitbohrung 30 aus einer Bohrung 32
kleinen Durchmessers und einer Bohrung 33 großen Durchmes
sers, die koaxial zueinander ausgebildet sind und zwischen
denen ein Stufenabschnitt 34 gebildet ist. In dem Gehäuse
körper 1 ist an der der Bohrung 33 mit dem großen Durchmes
ser gegenüberliegenden Seite koaxial zu der Bohrung 32
kleinen Durchmessers eine konische Bohrung 35 ausgebildet,
in die ein Ventilsitz 36 mit konischer Außenumfangsfläche
eingesetzt ist. Dieser Ventilsitz 36 ist in der konischen
Bohrung 35 mittels einer in den Gehäusekörper 1 einge
schraubten Schraube 37 festgelegt. An der der Bohrung 32
kleinen Durchmessers zugewandten Stirnfläche 38 des Ventil
sitzes 36 ist eine konkave Ausnehmung 39 gebildet, deren
Innenumfangsfläche zu einem Ventilaufnahmeabschnitt 40 mit
im wesentlichen konischer Form gestaltet ist. Andererseits
ist ein Endabschnitt des Überströmventils 31 konisch ge
formt. Der Spitzenwinkel des Konus des Ventilaufnahmeab
schnitts 40 ist kleiner als der Spitzenwinkel des Konus
eines konusförmigen Außenumfangsabschnitts 41 des Überström
ventils 31, so daß daher der Außenumfangsrand des Außenum
fangsabschnitts 41 des Überströmventils 31 an dem konusför
migen Ventilaufnahmeabschnitt 40 anliegt. Dabei kommt in
folgedessen das Überströmventil 31 in Linienberührung mit
dem Ventilaufnahmeabschnitt 40.
Wenn das Überströmventil 31 an dem Ventilsitz 36 anliegt,
ist zwischen der Außenumfangsfläche des Überströmventils 31,
der Innenwandfläche der Ausnehmung 39 und dem Gehäusekörper
1 eine ringförmige Druckbrennstoff-Einführkammer 42 gebil
det, während zwischen der vorderen Stirnfläche des Über
strömventils 31 und der Innenumfangsfläche der Ausnehmung 39
eine erste Überströmkammer 43 gebildet ist. Andererseits ist
in der Bohrung 33 großen Durchmessers in der Gleitbohrung 30
eine zweite Überströmkammer 44 gebildet, die mit der ersten
Überströmkammer 43 über einen in dem Überströmventil 31
ausgebildeten Durchlaß 45 in Verbindung steht. In die zweite
Überströmkammer 44 ist zwischen einem verstärkten Endab
schnitt 31 a des Überströmventils 31 und den Stufenabschnitt
34 eine Druckfeder 46 eingesetzt, die das Überströmventil 31
nach rechts vorspannt. Die zweite Überströmkammer 44 ist
gemäß Fig. 8 über einen Ablaßkanal 47 beispielsweise mit
einem (nicht gezeigten) Brennstoffbehälter verbunden.
Gemäß Fig. 6 ist in dem Gehäusekörper 1 ein Überströmkanal
48 gebildet, der sich von dem Durchlaß 17 weg nach oben
erstreckt und der ständig zu der Einführkammer 42 hin geöff
net ist. Dieser Überströmkanal 48 steht ständig mit der
Druckkammer 15 in Verbindung, so daß daher auch die Einführ
kammer 42 ständig mit der Druckkammer 15 in Verbindung ist.
Gemäß Fig. 3 und 4 ist in den äußeren Endabschnitt der
Bohrung 33 großen Durchmessers der Gleitbohrung 30 eine
Stangenführung 51 eingesetzt, die eine Stange 50 führt und
trägt. Diese Stangenführung 51 ist innen mit einer Stangen
bohrung 52 versehen. Die Stange 50 hat einen hohlzylindri
schen Abschnitt 53 kleinen Durchmessers, der verschiebbar in
die Stangenbohrung 52 eingesetzt ist, und einen in die
Bohrung 33 großen Durchmessers eingesetzten Abschnitt 54
großen Durchmessers, der gegen die Stirnfläche des Über
strömventils 31 stößt. An dem Endabschnitt der Stange 50 an
der dem Abschnitt 54 großen Durchmessers gegenüberliegenden
Seite ist eine Druckregelkammer 55 geformt, die durch die
Stirnfläche des Abschnitts 53 mit dem kleinen Durchmesser
begrenzt ist. Oberhalb der Druckregelkammer 55 ist eine
Stellvorrichtung 60 angeordnet. Gemäß Fig. 3 und 4 ist die
Stange 50 als Hohlzylinder geformt, so daß daher ihre Masse
sehr klein ist.
Gemäß Fig. 3 und 7 hat die Stellvorrichtung 60 ein einstüc
kig mit dem Gehäusekörper 1 ausgebildetes Stellvorrichtungs
gehäuse 62, in dem eine Kolbenbohrung 61 geformt ist, einen
gleitend in die Kolbenbohrung 61 eingeführten Kolben 63,
eine Stirnplatte 64, die das Gehäuse 62 oben abdeckt, einen
Stirnplattenhalter 65 zum Festlegen der Stirnplatte 64 an
dem oberen Teil des Gehäuses 62 und eine den oberen Endbe
reich der Stirnplatte 64 abdeckende Kunststoffkappe 66.
Zwischen den Kolben 63 und die Stirnplatte 64 ist ein piezo
elektrisches Element 67 eingesetzt, das durch Übereinander
schichten einer Vielzahl von piezoelektrischen Platten
angefertigt ist. Innerhalb der Kolbenbohrung 61 ist unter
dem Kolben 63 eine Volumenänderungskammer 68 gebildet, die
durch die untere Stirnfläche des Kolbens 63 begrenzt ist.
Diese Volumenänderungskammer 68 steht über einen Durchlaß 69
mit der Druckregelkammer 55 in Verbindung. Zwischen dem
Kolben 63 und dem Stellvorrichtungsgehäuse 63 ist eine
ringförmige Kühlkammer 70 gebildet, in die eine Druckfeder
71 eingesetzt ist, welche den Kolben 63 ständig nach oben
vorspannt. Wenn das piezoelektrische Element 67 unter Span
nung gesetzt wird bzw. dem Element Ladung zugeführt wird,
dehnt es sich in der axialen Richtung aus, so daß das Volu
men der Volumenänderungskammer 68 verkleinert wird. Wenn
andererseits die dem piezoelektrischen Element 67 zugeführte
Ladung abgeführt wird, zieht es sich in der axialen Richtung
zusammen, so daß das Volumen der Volumenänderungskammer 68
vergrößert wird.
Gemäß Fig. 7 ist in den Gehäusekörper 1 ein Rückschlagventil
72 eingesetzt. Dieses Rückschlagventil 72 hat eine Kugel 74
zum Steuern des Öffnens und Schließens einer Ventilöffnung
73, eine Stange 75 zum Begrenzen des Ausmaßes des Anhebens
der Kugel 74 und eine Druckfeder 76, die die Kugel 74 und
die Stange 75 ständig nach unten drückt. Daher ist die
Ventilöffnung 73 normalerweise durch die Kugel 74 verschlos
sen. Die Ventilöffnung 73 des Rückschlagventils 72 ist
beispielsweise mit einer (nicht gezeigten) Niederdruck-
Brennstoffpumpe über einen Einlaßkanal 77 verbunden, über
den Brennstoff unter niedrigem Druck von 2 bis 3 kg/cm2
zugeführt wird. Das Rückschlagventil 72 erlaubt nur das
Einströmen von Brennstoff in die Volumenänderungskammer 68,
so daß daher über das Rückschlagventil 72 in die Volumenän
derungskammer 68 Brennstoff nachgefüllt wird, wenn der
Brennstoffdruck in der Volumenänderungskammer 68 unter 2 bis
3 kg/cm2 abfällt. Daher ist die Volumenänderungskammer 68
ständig mit Brennstoff gefüllt. Andererseits ist gemäß Fig.
7 der untere Endabschnitt der Kühlkammer 70 beispielsweise
mit der Niederdruck-Brennstoffpumpe über einen Einlaßkanal
78 verbunden, über den der Kühlkammer 70 Brennstoff unter
niedrigem Druck von 2 bis 3 kg/cm2 zugeführt wird. Durch
diesen Brennstoff wird das piezoelektrische Element 67
gekühlt. Ferner ist gemäß Fig. 5 der untere Endabschnitt der
Kühlkammer 70 mit der Zuführöffnung 20 über einen Auslaßka
nal 79 verbunden, in dem ein Rückschlagventil 80 angeordnet
ist, welches nur die Verbindung von der Kühlkammer 70 zur
Zuführöffnung 20 zuläßt. Dieses Rückschlagventil 80 hat eine
Kugel 82 zum Steuern des Öffnens und Schließens einer Ven
tilöffnung 81, eine Stange 83 zum Begrenzen des Ausmaßes des
Anhebens der Kugel 82 und eine Druckfeder 84, die die Kugel
82 und die Stange 83 ständig nach oben drückt. Der Brenn
stoff in der Kühlkammer 70 kühlt das piezoelektrische Ele
ment 67 und wird dann durch den Auslaßkanal 79 der Zuführ
öffnung 20 zugeführt.
Als nächstes wird anhand der Fig. 1 die Steuerschaltung für
das piezoelektrische Element 67 erläutert.
Gemäß Fig. 1 besteht die Steuerschaltung aus einer Treiber
schaltung 100 für das piezoelektrische Element 67 und einer
elektronischen Steuereinheit 200, die diese Treiberschaltung
100 steuert.
Gemäß Fig. 1 enthält die Treiberschaltung 100 eine erste
Hochspannungsgeneratorschaltung 101, die eine verhältnis
mäßig niedrige Spannung erzeugt, eine zweite Hochspannungs
generatorschaltung 102, die eine verhältnismäßig hohe Span
nung erzeugt, eine dritte Hochspannungsgeneratorschaltung
103, die eine verhältnismäßig niedrige Spannung erzeugt, und
eine vierte Hochspannungsgeneratorschaltung 104, die eine
verhältnismäßig hohe Spannung erzeugt. Zwischen die Aus
gangsanschlüsse der ersten Hochspannungsgeneratorschaltung
101 ist ein erster Kondensator 105 geschaltet, der durch die
Ausgangsspannung der ersten Hochspannungsgeneratorschaltung
101 geladen wird. Zwischen die Ausgangsanschlüsse der zwei
ten Hochspannungsgeneratorschaltung 102 ist ein zweiter
Kondensator 106 geschaltet, der durch die Ausgangsspannung
der zweiten Hochspannungsgeneratorschaltung 102 geladen
wird. Zwischen die Ausgangsanschlüsse der dritten Hochspan
nungsgeneratorschaltung 103 ist ein dritter Kondensator 107
geschaltet, der durch die Ausgangsspannung der dritten
Hochspannungsgeneratorschaltung 103 geladen wird. Zwischen
die Ausgangsanschlüsse der vierten Hochspannungsgenerator
schaltung 104 ist ein vierter Kondensator 108 geschaltet,
der durch die Ausgangsspannung der vierten Hochspannungsge
neratorschaltung 104 geladen wird. Zu dem dritten Kondensa
tor ist eine Zenerdiode 109 parallel geschaltet, welche mit
einer Diode 110 und einem Widerstand 111 zum Verhindern von
Rückstrom in Reihe geschaltet ist. Der dritte Kondensator
107 und die Zenerdiode 109 bilden eine Spannungskonstanthal
teschaltung.
Die Treiberschaltung 100 enthält ferner eine Ladedrossel
112 a und eine Entladedrossel 112 b. Ein Anschluß jeder Dros
sel 112 a und 112 b ist mit dem piezoelektrischen Element 67
verbunden. Zwischen den anderen Anschluß der Ladedrossel
112 a und den ersten Kondensator 105 ist ein erster Thyristor
113 geschaltet, während zwischen den anderen Anschluß der
Ladedrossel 112 a und den zweiten Kondensator 106 ein zweiter
Thyristor 114 geschaltet ist. Ferner ist zwischen den ande
ren Anschluß der Ladedrossel 112 a und den dritten Kondensa
tor 107 ein dritter Thyristor 115 geschaltet, während zwi
schen den anderen Anschluß der Ladedrossel 112 a und den
vierten Kondensator 108 ein vierter Thyristor 116 geschaltet
ist. Andererseits ist zwischen den anderen Anschluß der
Entladedrossel 112 b und den dritten Kondensator 107 ein
fünfter Thyristor 117 geschaltet. Weiterhin ist der andere
Anschluß der Entladedrossel 112 b zwischen dem vierten
Kondensator 108 und dem vierten Thyristor 116 über einen
sechsten Thyristor 118 angeschlossen, zu dem ein siebenter
Thyristor 119 parallel geschaltet ist. Die Thyristoren 113
bis 119 sowie die vierte Hochspannungsgeneratorschaltung 104
werden durch Ausgangssignale der elektronischen Steuerein
heit 200 gesteuert.
Die elektronische Steuereinheit 200 besteht aus einem Digi
talrechner und enthält einen Festspeicher (ROM) 202, einen
Arbeitsspeicher (RAM) 203, eine Zentraleinheit bzw. einen
Mikroprozessor (CPU) 204, eine Eingabeeinheit 205 und eine
Ausgabeeinheit 206, die miteinander über eine Zweiwege
Sammelleitung 201 verbunden sind. An die Eingabeeinheit 205
sind ein OT-Sensor 207, der die obere Totpunktlage eines der
Maschinenkolben erfaßt, und ein Kurbelwellenwinkelsensor
208 angeschlossen, der bei jeder Drehung der (nicht gezeig
ten) Kurbelwelle um beispielsweise 30° einen Ausgangsimpuls
erzeugt. Ferner erzeugt ein Lastsensor 209 eine Ausgangs
spannung, die zu dem Ausmaß des Niederdrückens eines (nicht
gezeigten) Fahrpedals proportional ist und die in die Einga
beeinheit 205 über einen Analog/Digital- bzw. A/D-Wandler
210 eingegeben wird. Ferner ist die Ausgabeeinheit 206
jeweils über eine entsprechende Thyristortreiberschaltung
211 mit den Steuerelektroden der Thyristoren 113 bis 119
verbunden, welche durch Thyristorsteuersignale aus der
betreffenden Thyristortreiberschaltung 211 geschaltet wer
den. Weiterhin ist die Ausgabeeinheit 206 über eine Treiber
schaltung 212 mit der vierten Hochspannungsgeneratorschal
tung 104 verbunden. In der Steuereinheit 200 wird der momen
tane Kurbelwellenwinkel der Maschine aus den Ausgangssigna
len des OT-Sensors 207 und des Kurbelwellenwinkelsensors 208
ermittelt. Aus dem Ausgangssignal des Lastsensors 209 werden
eine Voreinspritzungszeit und eine Haupteinspritzungszeit
berechnet, manchmal nur die Haupteinspritzungszeit. An die
Ausgabeeinheit 206 werden Daten abgegeben, die gemäß den
Ergebnissen dieser Berechnungen den Zeitpunkt zum Beginn der
Brennstoffeinspritzung und den Zeitpunkt zum Beenden der
Brennstoffeinspritzung für die Voreinspritzung und die
Haupteinspritzung, manchmal für die Haupteinspritzung ange
ben. Von diesen Daten ausgehend werden die Thyristoren 113
bis 119 gesteuert.
Als nächstes wird anhand des Zeitdiagramms in Fig. 2 das
Verfahren zum Steuern der Einspritzeinheit erläutert.
Gemäß den vorangehenden Ausführungen wird der Brennstoff
über den Einlaßkanal 78 der Kühlkammer 70 zugeführt, in der
der Brennstoff das piezoelektrische Element 67 kühlt, wonach
der Brennstoff dann über den Auslaßkanal 79 und das Rück
schlagventil 80 der Zuführöffnung 20 zugeführt wird. Wenn
gemäß Fig. 5 der Druckkolben 12 in der oberen Stellung
steht, wird der Brennstoff aus der Zuführöffnung 20 der
Druckkammer 15 zugeführt, so daß daher zu diesem Zeitpunkt
in der Druckkammer 15 ein niedriger Druck von 2 bis 3 kg/cm2
herrscht. Andererseits ist zu diesem Zeitpunkt das piezo
elektrische Element 67 am stärksten zusammengezogen. Der
Brennstoffdruck in der Volumenänderungskammer 68 und der
Druckregelkammer 55 ist zu diesem Zeitpunkt der niedrige
Druck von 2 bis 3 kg/cm2. Daher ist zu dieser Zeit das
Überströmventil 31 durch die Federkraft der Druckfeder 46
nach rechts von dem Ventilaufnahmeabschnitt 40 nach Fig. 3
und 4 weg bewegt. D.h., das Überströmventil 31 öffnet.
Infolgedessen wird der Niederdruckbrennstoff aus der Druck
kammer 15 über den Durchlaß 45 im Überströmventil 31 dem
Überströmkanal 48, der Einführkammer 42, der ersten Über
strömkammer 43 und der zweiten Überströmkammer 44 zugeführt.
Der in die zweite Überströmkammer 44 eingeleitete Brennstoff
strömt aus dem Ablaßkanal 47 aus. Daher sind zu diesem
Zeitpunkt die Druckbrennstoff-Einführkammer 42, die erste
Überströmkammer 43 und die zweite Überströmkammer 44 mit dem
Brennstoff unter dem niedrigen Druck von 2 bis 3 kg/cm2
gefüllt.
Wenn als nächstes der Druckkolben 12 nach unten bewegt wird,
werden durch diesen die Zuführöffnung 20 und die Öffnung 21
geschlossen, jedoch ist das Überströmventil 31 geöffnet, so
daß der Brennstoff aus der Druckkammer 15 über den Über
strömkanal 48 und die Einführkammer 42 in die zweite Über
strömkammer 44 ausströmt. Daher ist zu diesem Zeitpunkt der
Brennstoffdruck in der Druckkammer 15 gleichfalls der nie
drige Druck von ungefähr 2 bis 3 kg/cm2.
Wenn dann gemäß Fig. 2 der erste Thyristor 113 eingeschaltet
wird, der die Voreinspritzung beginnt, wird dem piezoelek
trischen Element 67 über die Ladedrossel 112 a die Ladung des
ersten Kondensators 105 zugeführt. Wenn dem piezoelektri
schen Element 67 Ladung zugeführt wird, dehnt es sich in
axialer gerader Richtung aus, so daß infolgedessen der
Kolben 63 abgesenkt wird, wodurch der Brennstoffdruck in der
Volumenänderungskammer 68 und der Druckregelkammer 55
schnell ansteigt. Sobald der Brennstoffdruck in der Druckre
gelkammer 55 ansteigt, wird die Stange 50 nach links gemäß
Fig. 3 und 4 bewegt, wobei zugleich hiermit das Überström
ventil 31 nach links bewegt wird und mit seinem Ende gegen
den Ventilaufnahmeabschnitt 40 stößt, so daß das Überström
ventil 31 schließt. Es ist anzumerken, daß zu diesem Zeit
punkt die Ladungsmenge in dem piezoelektrischen Element 67
zu einer Menge wird, durch die das Überströmventil 31 ver
hältnismäßig leicht an den Ventilaufnahmeabschnitt 40 ange
drückt wird. Daher stößt zu diesem Zeitpunkt das Überström
ventil 31 mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit gegen
den Ventilaufnahmeabschnitt 40, so daß ein Zurückprallen des
Überströmventils 31 nach dem Anstoß gegen den Ventilaufnah
meabschnitt 40 und daher ein erneutes Öffnen verhindert ist.
Wenn als nächstes der zweite Thyristor 114 eingeschaltet
wird, wird dem piezoelektrischen Element 67 über die Lade
drossel 112 a die Ladung aus dem zweiten Kondensator 106
zugeführt, so daß sich das piezoelektrische Element 67
weiter ausdehnt. Infolgedessen wird nun das Überströmventil
31 stark an den Ventilaufnahmeabschnitt 40 angedrückt, so
daß das Überströmventil 31 kräftig in dem Ventilschließzu
stand festgehalten wird. Wenn das Überströmventil 31
schließt, steigt infolge der Abwärtsbewegung des Druckkol
bens 12 der Brennstoffdruck in der Druckkammer 15 schnell
an; wenn der Brennstoffdruck in der Druckkammer 15 einen
vorbestimmten Druck, beispielsweise einen Solldruck von über
300 kg/cm2 übersteigt, öffnet die Nadel 7 die Düsenöffnung
3, aus der dann der Brennstoff für die Voreinspritzung
abgestrahlt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird über den Über
strömkanal 48 auch die Einführkammer 42 mit hohem Druck
beaufschlagt, so daß durch diesen hohen Druck keine Antriebs
kraft an dem Überströmventil 31 wirkt.
Wenn als nächstes gemäß Fig. 2 der dritte Thyristor 117
eingeschaltet wird, wird die dem piezoelektrischen Element
67 zugeführte Ladung über die Entladedrossel 112 b zu der
Spannungskonstanthalteschaltung aus dem dritten Kondensator
107 und der Zenerdiode 109 abgeleitet. Die Zenerdiode 109
ist jedoch durchgeschaltet, wenn die Gegenspannung höher als
die Zenerspannung ist, und gesperrt, wenn die Gegenspannung
niedriger als die Zenerspannung ist. Daher wird dann, wenn
die Anschlußspannung des dritten Kondensators 107 die Zener
spannung übersteigt, ein Teil der dem dritten Kondensator
107 von der dritten Hochspannungsgeneratorschaltung 103
zugeführten Ladung über die Zenerdiode 109 abgeleitet, so
daß daher die Anschlußspannung des dritten Kondensators auf
einer durch die Zenerdiode 109 bestimmten konstanten Span
nung gehalten wird. Der Widerstand 111 dient dabei dazu, die
Entladungszeit des dritten Kondensators 107 einzustellen und
einen übermäßigen Strom über die Dioden 109 und 110 zu
verhindern, so daß daher der Widerstandswert des Widerstands
111 ziemlich klein ist.
Wenn der dritte Thyristor 117 eingeschaltet wird, wird die
dem piezoelektrischen Element 67 zugeführte Ladung schnell
über die Entladedrossel 112 b entladen, bis die Anschlußspan
nung V des piezoelektrischen Elements 67 gleich einer An
schlußspannung V 1 des dritten Kondensators 107 wird (Fig.
2), wonach dann die Anschlußspannung V des piezoelektrischen
Elements 67 auf der Anschlußspannung V 1 des dritten Konden
sators 107 gehalten wird. Wenn auf diese Weise die Ladung
von dem piezoelektrischen Element 67 abgeführt wird, zieht
es sich zusammen. Infolgedessen wird der Kolben 63 durch die
Federkraft der Druckfeder 71 angehoben, so daß der Brenn
stoffdruck der Volumenänderungskammer 68 und der Druckregel
kammer 55 abfällt. Gemäß den vorangehenden Ausführungen ist
die Masse der Stange 50 gering, so daß daher bei dem Abfal
len des Brennstoffdrucks in der Druckregelkammer 55 die
Stange 50 und das Überströmventil 31 durch die Federkraft
der Druckfeder 46 sofort nach rechts gemäß Fig. 3 und 4
bewegt werden, wodurch das Überströmventil 31 von dem Ven
tilaufnahmeabschnitt 40 weg bewegt wird und es sofort leicht
öffnet. Wenn das Überströmventil 31 leicht geöffnet hat,
wird der Hochdruckbrennstoff aus der Druckkammer 15 über den
Überlaufkanal 48 und die Einführkammer 42 in die zweite
Überströmkammer 44 gedrückt, so daß infolgedessen der Brenn
stoffdruck P in der Druckkammer 15 schnell absinkt. Dadurch
wird die Nadel 7 abgesenkt und die Voreinspritzung beendet.
Es ist anzumerken, daß zu diesem Zeitpunkt wegen des
leichten Öffnens des Überströmventils 31 der Brennstoffdruck
P in der Druckkammer 15 zu Beginn bei dem Öffnen des Über
strömventils 31 schnell abfällt, aber mit geringer werdendem
Brennstoffdruck P das Absinken des Brennstoffdrucks P ver
ringert ist; wenn die Anschlußspannung V des piezoelektri
schen Elements 67 die Anschlußspannung V 1 des dritten Kon
densators 107 erreicht, bleibt der Brennstoffdruck P in der
Druckkammer 15 ein verhältnismäßig hoher Druck. Der "ver
hältnismäßig hohe Druck" ist ein Brennstoffdruck P, der so
weit abgesenkt ist, daß die Nadel 7 durch die Federkraft der
Druckfeder 10 die Düsenöffnung 3 schließt. D.h., die An
schlußspannung V 1 des dritten Kondensators 107 wird für
einen Brennstoffdruck P eingestellt, der verhältnismäßig
hoch, aber niedriger als der Brennstoffdruck ist, bei dem
die Nadel 7 die Düsenöffnung 3 schließen und die Brennstoff
einspritzung beenden würde. Da der Brennstoffdruck P in der
Druckkammer 15 auf diese Weise auf dem verhältnismäßig hohen
Druck gehalten wird, wird der Brennstoffdruck in der Nadel
druckkammer 18 und dem Ringkanal 19 gleichfalls auf dem
verhältnismäßig hohen Druck gehalten. Sobald jedoch der
Brennstoffdruck in der Nadeldruckkammer 18 in einem gewissen
Ausmaß abfällt, schließt die Nadel 7 die Düsenöffnung 3,
aber der Brennstoffdruck in der Nadeldruckkammer 18 und dem
Ringkanal 19 ist zu diesem Zeitpunkt verhältnismäßig hoch,
d.h., höher als der Druck in der (nicht gezeigten) Verbren
nungskammer, so daß daher das Einströmen von Verbrennungsgas
aus der Verbrennungskammer über die Düsenöffnung 3 in den
Ringkanal 19 verhindert ist, wenn die Voreinspritzung been
det wird. Ferner fällt bei dem Öffnen des Überströmventils
31 der Brennstoffdruck in der Druckkammer 15 schnell ab, so
daß der ganze Brennstoff aus dem Ringkanal 19 zu der Druck
kammer 15 strömt; der Brennstoffdruck in der Druckkammer 15
fällt aber nur bis zu dem verhältnismäßig hoch angesetzten
Druck ab, so daß der Druck in dem Ringkanal 19 nicht
allzusehr absinkt und daher das Entstehen von kleinen Luft
bläschen bei der Beendigung der Voreinspritzung verhindert
ist.
Wenn als nächstes gemäß Fig. 2 der vierte Thyristor 114
eingeschaltet wird, der die Haupteinspritzung einleitet,
wird dem piezoelektrischen Element 67 über die Ladedrossel
112 a die Ladung des vierten Kondensators 108 zugeführt. Wenn
dem piezoelektrischen Element 67 die Ladung zugeführt wird,
dehnt es sich in axialer gerader Richtung aus, was zur Folge
hat, daß der Endabschnitt des Überströmventils 31 gegen den
Ventilaufnahmeabschnitt 40 stößt und das Überströmventil 31
schließt. Gemäß den vorangehenden Ausführungen ist dann,
wenn die Voreinspritzung beendet ist, das Überströmventil 31
nur leicht geöffnet, so daß bei dem Ausdehnen des piezoelek
trischen Elements 67 der Endabschnitt des Überströmventils
31 mit verhältnismäßig niedriger Geschwindigkeit gegen den
Ventilaufnahmeabschnitt 40 stößt. Hierdurch ist das Zurück
prallen des Überströmventils 31 nach dem Anstoßen an den
Ventilaufnahmeabschnitt 40 und damit das Öffnen verhindert.
Wenn das Überströmventil 31 schließt, steigt der Brennstoff
druck in der Druckkammer 15 durch die Abwärtsbewegung des
Druckkolbens 12 schnell an. Wenn der Brennstoffdruck in der
Druckkammer 15 wieder den vorbestimmten Druck, wie bei
spielsweise den Solldruck von über 300 kg/cm2 übersteigt,
öffnet die Nadel 7 die Düsenöffnung 3, so daß aus dieser der
Brennstoff für die Haupteinspritzung abgestrahlt wird.
Wenn andererseits gemäß Fig. 2 die Ladung aus dem vierten
Kondensator 108 abgegeben und dem piezoelektrischen Element
67 zugeführt wird, sinkt die Anschlußspannung V 2 des vierten
Kondensators 108. Zu diesem Zeitpunkt wird das Laden des
vierten Kondensators 108 aus der vierten Hochspannungsgene
ratorschaltung 104 unterbrochen, so daß die Anschlußspannung
V 2 des vierten Kondensators 108 auf ihrem niedrigen Wert
gehalten wird.
Wenn als nächstes gemäß Fig. 2 der sechste Thyristor 118
eingeschaltet wird, wird die dem piezoelektrischen Element
67 zugeführte Ladung über die Entladedrossel 112 b abgelei
tet, wodurch die Anschlußspannung V 2 des vierten Kondensa
tors 108 ansteigt. Dabei wird die Anschlußspannung V des
piezoelektrischen Elements 67 schnell abgebaut, bis sie die
durch die statische Kapazität des vierten Kondensators 108
bestimmte Sollspannung V 2 erreicht (Fig. 2). Wenn die Ladung
von dem piezoelektrischen Element 67 abgeführt wird, zieht
es sich zusammen. Infolgedessen wird das Überströmventil 31
von dem Ventilaufnahmeabschnitt 40 bewegt, so daß das Über
strömventil 31 sofort leicht öffnet. Wenn das Überströmven
til 31 leicht geöffnet hat, strömt der Hochdruckbrennstoff
aus der Druckkammer 15 über den Überströmkanal 48 und die
Einführkammer 42 in die zweite Überströmkammer 44, was zur
Folge hat, daß die Nadel 7 abwärts bewegt wird und die
Haupteinspritzung beendet wird. Es ist anzumerken, daß zu
diesem Zeitpunkt wegen des leichten Öffnens des Überström
ventils 31 der Brennstoffdruck P in der Druckkammer 15
zuerst bei dem Öffnen des Überströmventils 31 schnell ab
fällt, aber mit geringer werdendem Brennstoffdruck P die
Verringerung des Brennstoffdrucks P geringer wird und daher
dann, wenn die Anschlußspannung V des piezoelektrischen
Elements 67 die durch die statische Kapazität des vierten
Kondensators 108 bestimmte Sollspannung V 2 erreicht, der
Brennstoffdruck P in der Druckkammer 15 noch ein verhältnis
mäßig hoher Druck ist. Der verhältnismäßig hohe Druck ist
ein Brennstoffdruck P, der dazu ausreichend abgesenkt ist,
daß die Nadel 7 durch die Federkraft der Druckfeder 10 die
Düsenöffnung 3 schließt. D.h., die durch die statische
Kapazität des vierten Kondensators 108 bestimmte Sollspan
nung V 2 wird derart festgelegt, daß der Druck zu einem Druck
P wird, welcher verhältnismäßig hoch, aber niedriger als der
Brennstoffdruck ist, bei dem die Nadel 7 die Düsenöffnung 3
schließt und die Brennstoffeinspritzung beendet. Da der
Brennstoffdruck P in der Druckkammer 15 auf dem verhältnis
mäßig hohen Druck gehalten wird, wird auch der Brennstoff
druck in der Nadeldruckkammer 18 und dem Ringkanal 19 auf
dem verhältnismäßig hohen Druck gehalten. Gemäß den vorange
henden Ausführungen schließt die Nadel 7 die Düsenöffnung 3,
wenn der Brennstoffdruck in der Nadeldruckkammer 18 in einem
gewissen Ausmaß absinkt, jedoch ist zu diesem Zeitpunkt der
Brennstoffdruck in der Nadeldruckkammer 18 und dem Ringkanal
19 verhältnismäßig hoch, nämlich höher als der Druck in der
Verbrennungskammer, so daß daher das Einströmen von Verbren
nungsgas aus der Verbrennungskammer über die Düsenöffnung 3
in den Ringkanal 19 nach dem Beenden der Haupteinspritzung
verhindert ist. Ferner fällt gemäß den vorangehenden Ausfüh
rungen dann, wenn das Überströmventil 31 öffnet, der Brenn
stoffdruck in der Druckkammer 15 schnell ab, so daß der
gesamte Brennstoff aus dem Ringkanal 19 zu der Druckkammer
15 hin strömt, wobei aber der Brennstoffdruck in der Druck
kammer 15 nur bis zu dem verhältnismäßig hoch angesetzten
Druck abfällt, so daß der Druck in dem Ringkanal 19 nicht
allzu stark absinkt und daher das Entstehen von kleinen
Luftbläschen nach dem Beenden der Haupteinspritzung verhin
dert ist.
Wenn als nächstes gemäß Fig. 2 der siebente Thyristor 119
eingeschaltet wird, wird die in dem piezoelektrischen Ele
ment 67 verbliebene Ladung entladen. Infolgedessen öffnet
das Überströmventil 31 vollständig, so daß der Brennstoff
druck in der Druckkammer 15 auf den Speisedruck absinkt. Da
andererseits das Überströmventil 31 öffnet, wenn sich das
piezoelektrische Element 67 zusammenzieht und der Brenn
stoffdruck in der Volumenänderungskammer 68 absinkt, wird
der Niederdruckbrennstoff in der Volumenänderungskammer 68
über das Rückschlagventil 72 ergänzt, sobald der Brenn
stoffdruck in der Volumenänderungskammer 68 niedriger als
der Brennstoffdruck in dem Einlaßkanal 77 wird (Fig. 7).
Wenn sich dann der Druckkolben 12 weiter nach unten bewegt,
kommt die an der Außenumfangsfläche des Druckkolbens 12
ausgebildete Umfangsnut 26 mit der Zuführöffnung 20 und der
Öffnung 21 in Verbindung. Wenn zu diesem Zeitpunkt der
Brennstoffdruck in der Druckkammer 15 höher als der Brenn
stoffdruck in der Zuführöffnung 20 und der Öffnung 21 ist,
wird der Brennstoff aus der Druckkammer 15 über die in dem
Druckkolben 12 ausgebildete Abflußöffnung bzw. Abflußbohrung
27 und die Umfangsnut 26 in die Zuführöffnung 20 und die
Öffnung 21 abgeleitet. Danach wird der Druckkolben 12 ange
hoben und in die obere Stellung zurückgeführt, wonach dann
wieder das Abwärtsbewegen beginnt.
Andererseits beginnt gemäß Fig. 2 eine bestimmte Zeit nach
dem Beenden der Haupteinspritzung das Laden des vierten
Kondensators 108 durch die Hochspannungsgeneratorschaltung
104, wodurch die Anschlußspannung des vierten Kondensators
108 allmählich angehoben wird. Wenn die Anschlußspannung des
vierten Kondensators 108 eine vorbestimmte Spannung er
reicht, wird dessen Laden aus der vierten Hochspannungsgene
ratorschaltung 104 abgebrochen. Es ist anzumerken, daß gemäß
den vorangehenden Ausführungen der vierte Kondensator 108
mit einem Teil der Ladung aus dem piezoelektrischen Element
67 geladen ist, so daß dadurch der Leistungsverbrauch ver
ringert ist.
Wenn nur die Haupteinspritzung ausgeführt wird, werden der
ersten Thyristor 113 und der zweiten Thyristor 114 nicht
geschaltet. In diesem Fall wird zu Beginn der Brennstoffein
spritzung zuerst der dritte Thyristor 115 eingeschaltet,
wodurch eine erste Stufe der Ladungszufuhr zu dem piezoelek
trischen Element 67 ausgeführt wird, wonach dann der vierte
Thyristor 116 eingeschaltet wird und eine zweite Stufe der
Ladungszufuhr zum piezoelektrischen Element 67 ausgeführt
wird. Andererseits wird zum Beenden der Brennstoffeinsprit
zung zuerst der sechste Thyristor 118 eingeschaltet, wonach
dann nach einer bestimmten Zeit der siebente Thyristor 119
eingeschaltet wird.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 9 bis 11
veranschaulicht. Bei den nachstehend erläuterten verschiede
nen Ausführungsbeispielen sind die gleichen Elemente wie bei
dem in den Fig. 1 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Gemäß Fig. 9 enthält die Treiberschaltung 100 die erste
Hochspannungsgeneratorschaltung 101, die eine verhältnismä
ßig niedrige Spannung erzeugt, und die zweite Hochspannungs
generatorschaltung 102, die eine verhältnismäßig hohe Span
nung erzeugt. An die Ausgangsanschlüsse der ersten Hochspan
nungsgeneratorschaltung 101 ist der erste Kondensator 105
angeschlossen, der durch die Ausgangsspannung der ersten
Hochspannungsgeneratorschaltung 101 geladen wird. Anderer
seits ist an die Ausgangsanschlüsse der zweiten Hochspan
nungsgeneratorschaltung 102 der zweite Kondensator 106
angeschlossen, der durch die Ausgangsspannung der zweiten
Hochspannungsgeneratorschaltung 102 geladen wird. Ferner
enthält die Treiberschaltung 100 die Ladedrossel 112 a und
die Entladedrossel 112 b, die jeweils mit einem Anschluß mit
dem piezoelektrischen Element 67 verbunden sind. Zwischen
den anderen Anschluß der Ladedrossel 112 a und den ersten
Kondensator 105 ist der erste Thyristor 113 geschaltet,
während zwischen den anderen Anschluß der Ladedrossel 112 a
und den zweiten Kondensator 106 der zweite Thyristor 114
geschaltet ist. Andererseits ist der andere Anschluß der
Entladedrossel 112 b mit einem Schaltelement 120 beispiels
weise in Form eines Transistors verbunden, zu dem eine
Rückstromsperrdiode 121 in Reihe geschaltet ist. Zu der
Entladedrossel 112 b ist eine Rückstromsperrdiode 122 paral
lel geschaltet.
Die an die Ausgabeeinheit 206 der elektronischen Steuerein
heit 200 sind über die entsprechenden Treiberschaltungen 211
die Steuerelektroden der Thyristoren 113 und 114 und die
Steuerelektrode des Schaltelements 120 angeschlossen, so daß
diese durch die Steuersignale aus der betreffenden Treiber
schaltung 211 geschaltet werden. In der Steuereinheit 200
wird aus den Ausgangssignalen des OT-Sensors 207 und des
Kurbelwellenwinkelsensors 208 der momentane Kurbelwellenwin
kel der Maschine ermittelt. Aus dem Ausgangssignal des
Lastsensors 209 wird die Brennstoffeinspritzzeit berechnet.
Von den Ergebnissen dieser Berechnung ausgehend werden an
die Ausgabeeinheit 206 Daten abgegeben, die den Zeitpunkt
für den Beginn der Brennstoffeinspritzung und den Zeitpunkt
für das Beenden der Brennstoffeinspritzung anzeigen. Gemäß
diesen Daten werden die Thyristoren 113 und 114 und das
Schaltelement 120 gesteuert.
Als nächstes wird anhand des Ablaufdiagramms in Fig. 10 das
Verfahren zum Steuern der Einspritzeinheit erläutert.
Wenn gemäß Fig. 10 der erste Thyristor 113 eingeschaltet
wird, der die Voreinspritzung einleitet, wird die Ladung aus
dem ersten Kondensator 105 über die Ladedrossel 112 a dem
piezoelektrischen Element 67 zugeführt. Wenn dem piezoelek
trischen Element 67 Ladung zugeführt wird, dehnt es sich in
axialer linearer Richtung aus, wodurch der Kolben 63 herun
tergedrückt wird, so daß der Brennstoffdruck in der Volumen
änderungskammer 68 und der Druckregelkammer 55 schnell
ansteigt. Sobald der Brennstoffdruck in der Druckregelkammer
55 ansteigt, wird die Stange 50 nach links gemäß Fig. 3 und
4 bewegt, wobei zugleich damit das Überströmventil 31 nach
links bewegt wird und mit seinem Ende gegen den Ventilauf
nahmeabschnitt 40 stößt, so daß es schließt. Es ist anzumer
ken, daß zu diesem Zeitpunkt die Ladungsmenge in dem piezo
elektrischen Element 67 zu einer Ladungsmenge wird, durch
die das Überströmventil 31 verhältnismäßig leicht gegen den
Ventilaufnahmeabschnitt 40 gedrückt wird. Daher stößt das
Überströmventil 31 mit verhältnismäßig niedriger Geschwin
digkeit gegen den Ventilaufnahmeabschnitt 40, so daß ein
Zurückprallen des Überströmventils 31 nach dem Anstoß gegen
den Ventilaufnahmeabschnitt 40 und auf diese Weise ein
erneutes Öffnen verhindert ist. Wenn danach der zweite
Thyristor 114 eingeschaltet wird, wird dem piezoelektrischen
Element 67 über die Ladedrossel 112 a die Ladung aus dem
zweiten Kondensator 106 zugeführt, so daß sich das piezo
elektrische Element 67 weiter ausdehnt. Als Ergebnis wird
das Überströmventil 31 stark an den Ventilaufnahmeabschnitt
40 angedrückt, so daß das Überströmventil 31 fest geschlos
sen gehalten wird. Wenn das Überströmventil 31 schließt,
steigt infolge der Abwärtsbewegung des Druckkolbens 12 der
Brennstoffdruck in der Druckkammer 15 schnell an, wobei
dann, wenn der Brennstoffdruck in der Druckkammer 15 den
vorbestimmten Druck übersteigt, die Nadel 7 die Düsenöffnung
3 freigibt und der Brennstoff zur Voreinspritzung aus der
Düsenöffnung 3 gespritzt wird.
Wenn als nächstes gemäß Fig. 10 das Schaltelement 120 einge
schaltet wird, wird die dem piezoelektrischen Element 67
zugeführte Ladung über die Entladedrossel 112 b entladen.
Hierbei fällt die Anschlußspannung V des piezoelektrischen
Elements 67 während der Einschaltzeit des Schaltelements 120
allmählich mit einer festen Zeitkonstante ab, die durch die
statische Kapazität des piezoelektrischen Elements 67 und
die Reaktanz der Entladedrossel 112 b bestimmt ist. Wenn
danach das Schaltelement 120 abgeschaltet wird, endet der
Entladevorgang, so daß dann die Anschlußspannung V des
piezoelektrischen Elements 67 auf einer Sollspannung V 1
gehalten wird. Die Sollspannung V 1 an dem piezoelektrischen
Element 67 bei dem Beenden des Entladens kann daher durch
die Einschaltzeit tG des Schaltelements 120 gesteuert wer
den.
Wenn auf diese Weise die Ladung von dem piezoelektrischen
Element 67 abgeführt wird, zieht es sich zusammen. Infolg
edessen wird der Kolben 63 durch die Federkraft der Druckfe
der 71 angehoben, so daß der Brennstoffdruck in der Volumen
änderungskammer 68 und der Druckregelkammer 55 sinkt. Wenn
der Druck in der Druckregelkammer 55 abfällt, bewegen sich
durch die Federkraft der Druckfeder 46 die Stange 50 und das
Überströmventil 31 unverzüglich nach rechts gemäß Fig. 3 und
4, so daß sich das Überströmventil 31 von dem Ventilaufnah
meabschnitt 40 weg bewegt und es sofort etwas öffnet. Wenn
das Überströmventil 31 leicht geöffnet ist, wird der Hoch
druckbrennstoff in der Druckkammer 15 über den Überströmka
nal 48 und die Einführkammer 42 in die zweite Überströmkam
mer 44 gedrückt, so daß der Brennstoffdruck P in der Druck
kammer 15 schnell abfällt. Dadurch wird die Nadel 7 abge
senkt und die Voreinspritzung beendet. Es ist anzumerken,
daß zu diesem Zeitpunkt wegen des leichten Öffnens des
Überströmventils 31 der Brennstoffdruck P in der Druckkammer
15 zu Beginn des Öffnens des Überströmventils 31 schnell
abfällt, aber mit niedriger werdendem Brennstoffdruck P
dessen Verringerung vermindert ist und dann, wenn die An
schlußspannung V des piezoelektrischen Elements 67 die
Sollspannung V 1 erreicht, der Brennstoffdruck P in der
Druckkammer 15 ein verhältnismäßig hoher Druck bleibt. Der
verhältnismäßig hohe Druck ist ein Brennstoffdruck P, bei
dem die Nadel 7 durch die Federkraft der Druckfeder 10 die
Düsenöffnung 3 verschließt. D.h., die Einschaltzeit tG des
Schaltelements 120 wird derart gewählt, daß die Anschluß
spannung V des piezoelektrischen Elements 67 bis auf die
Sollspannung V 1 abfällt, bei der der Druck zwar verhältnis
mäßig hoch, aber niedriger als der Brennstoffdruck wird, bei
dem die Nadel 7 die Düsenöffnung 3 schließt und die Brenn
stoffeinspritzung endet.
Sobald jedoch die Maschinendrehzahl NE höher wird, wird die
Druckbeaufschlagungszeit des Druckkolbens 12 kürzer und
daher die aus der Druckkammer 15 herausgepreßte Brennstoff
menge geringer, so daß der Brennstoffdruck P in der Druck
kammer 15 umso höher wird, je höher die Maschinendrehzahl NE
ist. Damit der Brennstoffdruck P in der Druckkammer 15 bei
dem Abschalten des Schaltelements 120 unabhängig von der
Maschinendrehzahl NE konstant gehalten wird, muß daher die
Einschaltzeit tG des Schaltelements 120 umso länger sein, je
höher die Maschinendrehzahl NE ist. Es wird daher im voraus
experimentell ein Zusammenhang gemäß Fig. 11 zwischen der
Maschinendrehzahl NE und der Einschaltzeit tG des Schaltele
ments 120 ermittelt, die dafür erforderlich ist, in der
Druckkammer 15 dann, wenn das Schaltelement 120 zum Beibe
halten einer konstanten Spannung abgeschaltet wird, einen
Brennstoffdruck P zu erhalten, der verhältnismäßig hoch,
aber niedriger als der Brennstoffdruck ist, bei dem die
Nadel 7 die Düsenöffnung 3 schließt und die Brennstoffein
spritzung endet. Die in Fig. 11 dargestellten Beziehungen
werden im voraus in dem Festspeicher 202 gespeichert. Daher
wird die Einschaltzeit tG des Schaltelements 120 entspre
chend der Maschinendrehzahl NE aus den in dem Festspeicher
202 gespeicherten Beziehungen ermittelt.
Da der Brennstoffdruck P in der Druckkammer 15 auf dem
verhältnismäßig hohen Druck gehalten wird, wenn die Vorein
spritzung beendet ist, wird auch der Brennstoffdruck in der
Nadeldruckkammer 18 und dem Ringkanal 19 auf dem verhältnis
mäßig hohen Druck gehalten, so daß daher bei beendeter
Voreinspritzung das Einströmen von Verbrennungsgas aus der
Verbrennungskammer über die Düsenöffnung 3 in den Ringkanal
19 verhindert ist. Ferner fällt der Brennstoffdruck in der
Druckkammer 15 nur schnell auf den verhältnismäßig hohen
Solldruck ab, so daß der Druck in dem Ringkanal 19 nicht
allzu stark absinkt und daher das Entstehen von Luftbläschen
bei der Beendigung der Voreinspritzung verhindert ist.
Wenn als nächstes gemäß Fig. 10 erneut der zweite Thyristor
114 zum Einleiten der Haupteinspritzung eingeschaltet wird,
wird dem piezoelektrischen Element 67 über die Ladedrossel
112 a die Ladung aus dem zweiten Kondensator 106 zugeführt.
Wenn das piezoelektrische Element 67 geladen wird, dehnt es
sich in axialer linearer Richtung aus, was zur Folge hat,
daß der Stirnabschnitt des Überströmventils 31 gegen den
Ventilaufnahmeabschnitt 40 stößt und das Überströmventil 31
schließt. Gemäß den vorstehenden Ausführungen öffnet nach
beendeter Voreinspritzung das Überströmventil 31 nur ge
ringfügig, so daß bei der Ausdehnung des piezoelektrischen
Elements 67 das Ende des Überströmventils 31 mit verhältnis
mäßig geringer Geschwindigkeit gegen den Ventilaufnahmeab
schnitt 40 stößt. Infolgedessen ist ein Zurückprallen des
Überströmventils 31 nach dem Anstoß an den Ventilaufnahmeab
schnitt 40 und damit ein erneutes Öffnen verhindert. Wenn
das Überströmventil 31 geschlossen hat, wird durch die
Abwärtsbewegung des Druckkolbens 12 der Brennstoffdruck in
der Druckkammer 15 schnell erhöht. Sobald der Brennstoff
druck in der Druckkammer 15 wieder den vorbestimmten Druck
übersteigt, gibt die Nadel 7 die Düsenöffnung 3 frei, so daß
aus dieser der Brennstoff für die Haupteinspritzung abge
strahlt wird.
Als nächstes wird gemäß Fig. 10 das Schaltelement 120 wieder
für genau die Zeit tG eingeschaltet. Dadurch wird die Ladung
von dem piezoelektrischen Element 67 über die Entladedrossel
112 b abgeführt, wobei die Anschlußspannung V des piezoelek
trischen Elements 67 auf die Sollspannung V 2 abfällt. Diese
Sollspannung V 2 ist im wesentlichen gleich der Sollspannung
V 1. Wenn die dem piezoelektrischen Element 67 zugeführte
Ladung entladen wird, zieht es sich zusammen. Als Ergebnis
hiervon wird das Überströmventil 31 von dem Ventilaufnahme
abschnitt 40 weg bewegt, so daß es unverzüglich leicht
öffnet. Wenn das Überströmventil 31 leicht geöffnet hat,
wird der Hochdruckbrennstoff aus der Druckkammer 15 über den
Überströmkanal 48 und die Einführkammer 42 in die zweite
Überströmkammer 44 gepreßt, wodurch der Brennstoffdruck P in
der Druckkammer 15 schnell absinkt. Infolgedessen wird die
Nadel 7 gesenkt und die Haupteinspritzung beendet. Es ist
anzumerken, daß zu diesem Zeitpunkt wegen des leichten
Öffnens des Überströmventils 31 der Brennstoffdruck P in der
Druckkammer 15 zuerst schnell absinkt, aber mit niedriger
werdendem Brennstoffdruck P dessen Absenkung vermindert ist,
so daß daher dann, wenn die Anschlußspannung V des piezo
elektrischen Elements 67 die Sollspannung V 2 erreicht, in
der Druckkammer 15 ein verhältnismäßig hoher Druck ver
bleibt. Dadurch wird verhindert, daß bei dem Beenden der
Haupteinspritzung Verbrennungsgas aus der Verbrennungskammer
über die Düsenöffnung 3 in den Ringkanal 19 strömt und daß
nach beendeter Haupteinspritzung kleine Luftbläschen gebil
det werden.
Als nächstes wird nach einer bestimmten Zeit das Schaltele
ment 120 wieder eingeschaltet, wodurch die restliche Ladung
an dem piezoelektrischen Element 67 entladen wird. Dadurch
wird das Überströmventil 31 voll geöffnet, so daß der Brenn
stoffdruck in der Druckkammer 15 auf den Speisedruck ab
fällt.
Ein weiteres bzw. drittes Ausführungsbeispiel ist in den
Fig. 12 und 13 dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält gemäß Fig. 12 die
Treiberschaltung 100 die erste Hochspannungsgeneratorschal
tung 101, die eine verhältnismäßig niedrige Spannung er
zeugt, und die zweite Hochspannungsgeneratorschaltung 102,
die eine verhältnismäßig hohe Spannung erzeugt. Zwischen die
Ausgangsanschlüsse der ersten Hochspannungsgeneratorschal
tung 101 ist der erste Kondensator 105 geschaltet, der mit
der Ausgangsspannung der Generatorschaltung geladen wird.
Zwischen die Ausgangsanschlüsse der zweiten Hochspannungsge
neratorschaltung 102 ist der zweite Kondensator 106 geschal
tet, der mit der Ausgangsspannung der Generatorschaltung
geladen wird. Ferner enthält die Treiberschaltung 100 die
Ladedrossel 112 a und die Entladedrossel 112 b. Jede Drossel
112 a und 112 b ist an einem Anschluß mit dem piezoelektri
schen Element 67 verbunden. Zwischen den anderen Anschluß
der Ladedrossel 112 a und den ersten Kondensator 105 ist der
erste Thyristor 113 geschaltet, während zwischen den anderen
Anschluß der Ladedrossel 112 a und den zweiten Kondensator
106 der zweite Thyristor 114 geschaltet ist. Der andere
Anschluß der Entladedrossel 112 b ist über einen dritten
Thyristor 130 mit einer Spannungskonstanthalteschaltung 131
sowie parallel zu dem dritten Thyristor 130 mit einem vier
ten Thyristor 132 verbunden. Die Spannungskonstanthalte
schaltung 131 enthält einen mit dem dritten Thyristor 130 in
Reihe geschalteten dritten Kondensator 133, eine dritte
Hochspannungsgeneratorschaltung 134 zum Laden des dritten
Kondensators 133 und eine zu dem Kondensator 133 parallel
geschaltete Zenerdiode 136, zu der eine Rückstromsperrdiode
137 und ein Widerstand 138 in Reihe geschaltet sind.
Die Ausgabeeinheit 206 der elektronischen Steuereinheit 200
ist über die jeweils entsprechende Thyristortreiberschaltung
211 mit den Steueranschlüssen der Thyristoren 113, 114, 130
und 132 verbunden, die auf diese Weise durch Thyristor
steuersignale aus der betreffenden Thyristortreiberschaltung
211 geschaltet werden. In der elektronischen Steuereinheit
200 wird aus den Ausgangssignalen des OT-Sensors 207 und des
Kurbelwellenwinkelsensors 208 der momentane Kurbelwellenwin
kel der Maschine ermittelt. Aus dem Ausgangssignal des
Lastsensors 209 wird die Brennstoffeinspritzzeit berechnet.
An die Ausgabeeinheit 206 werden Daten abgegeben, die den
Zeitpunkt für den Beginn der Brennstoffeinspritzung und den
Zeitpunkt für das Beenden der Brennstoffeinspritzung ent
sprechend den Berechnungsergebnissen bestimmen. Von diesen
Daten ausgehend werden die Thyristoren 113, 114, 130 und 132
gesteuert.
Als nächstes wird anhand des in Fig. 13 dargestellten Zeit
diagramms das Verfahren zur Steuerung der Einspritzeinheit
erläutert.
Wenn gemäß Fig. 13 der erste Thyristor 113 zum Einleiten der
Brennstoffeinspritzung eingeschaltet wird, wird dem piezo
elektrischen Element 67 über die Ladedrossel 112 a die Ladung
aus dem ersten Kondensator 105 zugeführt. Wenn das piezo
elektrische Element 67 geladen bzw. mit Ladung beaufschlagt
wird, dehnt es sich in axialer linearer Richtung aus, wo
durch der Kolben 63 abgesenkt wird, so daß der Brennstoff
druck in der Volumenänderungskammer 68 und der Druckregel
kammer 55 schnell ansteigt. Sobald der Brennstoffdruck in
der Druckregelkammer 55 ansteigt, wird die Stange 50 nach
links gemäß Fig. 3 und 4 bewegt, wobei zugleich damit das
Überströmventil 31 nach links bewegt wird und mit seinem
Ende gegen den Ventilaufnahmeabschnitt 40 stößt, so daß es
schließt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Ladungsmenge an dem
piezoelektrischen Element 67 zu einer Menge, bei der das
Überströmventil 31 verhältnismäßig schwach an den Ventilauf
nahmeabschnitt 40 angedrückt wird. Daher stößt das Über
strömventil 31 mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit
gegen den Ventilaufnahmeabschnitt 40, so daß ein Zurückpral
len des Überströmventils 31 nach dessen Auftreffen auf den
Ventilaufnahmeabschnitt 40 und damit ein erneutes Öffnen
verhindert ist. Wenn dann der zweite Thyristor 114 einge
schaltet wird, wird dem piezoelektrischen Element 67 über
die Ladedrossel 112 a die Ladung aus dem zweiten Kondensator
106 zugeführt, wodurch sich das piezoelektrische Element 67
weiter ausdehnt. Als Folge davon wird das Überströmventil 31
stark an den Ventilaufnahmeabschnitt 40 angepreßt, so daß es
fest geschlossen gehalten wird. Wenn das Überströmventil 31
geschlossen ist, steigt der Brennstoffdruck in der Druckkam
mer 15 durch die Abwärtsbewegung des Druckkolbens 12 schnell
an, wobei dann, wenn der Brennstoffdruck in der Druckkammer
15 einen vorbestimmten Druck übersteigt, die Nadel 7 die
Düsenöffnung 3 freigibt und aus dieser Brennstoff abge
spritzt wird.
Wenn als nächstes gemäß Fig. 13 der dritte Thyristor 130
eingeschaltet wird, wird die Ladung von dem piezoelektri
schen Element 67 über die Entladedrossel 112 b und die Span
nungskonstanthalteschaltung 131 abgeleitet. Dabei ist die
Zenerdiode 136 durchgeschaltet, wenn die Gegenspannung höher
als die Zenerspannung ist, und gesperrt, wenn die Gegenspan
nung niedriger als die Zenerspannung ist. Daher wird dann,
wenn die Anschlußspannung des dritten Kondensators 133 die
Zenerspannung übersteigt, ein Teil der dem dritten Kondensa
tor 133 von der dritten Hochspannungsgeneratorschaltung 134
zugeführten Ladung über die Zenerdiode 136 abgeleitet, so
daß dadurch die Anschlußspannung des dritten Kondensators
133 auf einer durch die Zenerdiode 136 bestimmten konstanten
Spannung gehalten wird. Der Widerstand 138 dient dazu, die
Entladezeit des dritten Kondensators 133 zu bestimmen und
einen übermäßig hohen Stromfluß über die Dioden 136 und 137
zu verhindern, so daß daher der Widerstand 138 einen ziem
lich kleinen Widerstandswert erhält.
Wenn der dritte Thyristor 130 eingeschaltet wird, wird die
Ladung von dem piezoelektrischen Element 67 über die Entla
dedrossel 112 a schnell abgeführt, bis die Anschlußspannung V
des piezoelektrischen Elements 67 zu der Anschlußspannung Vo
des dritten Kondensators 133 wird (Fig. 13), wonach dann die
Anschlußspannung V des piezoelektrischen Elements 67 auf der
Anschlußspannung Vo des dritten Kondensators 133 gehalten
wird. Wenn auf diese Weise die Ladung des piezoelektrischen
Elements 67 entladen wird, zieht sich dieses zusammen. Als
Folge davon wird der Kolben 63 durch die Federkraft der
Druckfeder 71 angehoben, so daß der Brennstoffdruck in der
Volumenänderungskammer 68 und der Druckregelkammer 57 ab
sinkt. Sobald der Brennstoffdruck in der Druckregelkammer 55
abfällt, werden die Stange 50 und das Überströmventil 31
durch die Federkraft der Druckfeder 46 unverzüglich nach
rechts gemäß Fig. 3 und 4 bewegt, so daß das Überströmventil
31 von dem Ventilaufnahmeabschnitt 40 weg bewegt wird und
sofort geringfügig öffnet. Sobald das Überströmventil 31 ein
wenig öffnet, wird der Hochdruckbrennstoff in der Druckkam
mer 15 über den Überströmkanal 48 und die Einführkammer 42
in die zweite Überströmkammer 44 gepreßt, was zur Folge hat,
daß der Brennstoffdruck P in der Druckkammer 15 schnell
abfällt. Dadurch wird die Nadel 7 gesenkt und die Ein
spritzung beendet. Da zu diesem Zeitpunkt das Überströmven
til 31 nur leicht öffnet, fällt der Brennstoffdruck P in der
Druckkammer 15 zu Beginn beim Öffnen des Überströmventils 31
schnell ab, jedoch ist mit niedriger werdendem Brennstoff
druck P dessen Abnahme vermindert und es verbleibt dann,
wenn die Anschlußspannung V des piezoelektrischen Elements
67 die Anschlußspannung Vo des dritten Kondensators 133
erreicht, ein verhältnismäßig hoher Druck in der Druckkammer
15. Dadurch wird verhindert, daß Verbrennungsgas aus der
Verbrennungskammer über die Düsenöffnung 3 in den Ringkanal
19 strömt, wenn die Einspritzung beendet ist, und daß
ferner in dem Ringkanal 19 kleine Luftbläschen entstehen.
Wenn dann gemäß Fig. 13 der vierte Thyristor 132 zum Ab
schließen der Brennstoffeinspritzung eingeschaltet wird,
wird schnell die Restladung von dem piezoelektrischen Ele
ment 67 abgeführt. Dadurch wird das Überströmventil 31 voll
geöffnet und der Brennstoffdruck in der Druckkammer 15 auf
den Zuführdruck abgesenkt.
Die Fig. 14 und 15 zeigen eine Abwandlungsform des in Fig.
12 und 13 gezeigten Ausführungsbeispiels. Bei diesem abge
wandelten Ausführungsbeispiel sind an den anderen Anschluß
der Entladedrossel 112 b gleichfalls der dritte Thyristor 130
und der vierte Thyristor 132 angeschlossen, jedoch ist der
dritte Thyristor 130 zwischen dem zweiten Kondensator 160
und dem zweiten Thyristor 114 angeschlossen. Ferner sind bei
diesem Ausführungsbeispiel die erste Hochspannungsgenerator
schaltung 101 und die zweite Hochspannungsgeneratorschaltung
102 an die Ausgabeeinheit 206 über eine entsprechende Trei
berschaltung 212 angeschlossen, welche die Generatorschal
tungen zum Beginnen des Ladens der Kondensatoren 105 bzw.
106 nach dem Beenden der Brennstoffeinspritzung entsprechend
Ausgangssignalen der elektronischen Steuereinheit 200
steuern.
Im folgenden wird anhand des Zeitdiagramms in Fig. 15 das
Verfahren zur Steuerung der Einspritzeinheit erläutert.
Wenn die Brennstoffeinspritzung begonnen werden soll, wird
zuerst der ersten Thyristor 113 eingeschaltet, wonach dann
der zweite Thyristor 114 eingeschaltet wird. Dadurch werden
auf gleiche Weise wie bei dem in Fig. 13 gezeigten Ausfüh
rungsbeispiel dem piezoelektrischen Element 67 die Ladungen
in zwei Stufen zugeführt. Wenn der erste Thyristor 113 und
der zweite Thyristor 114 eingeschaltet werden, fallen gemäß
Fig. 15 die Anschlußspannungen des ersten Kondensators 105
und des zweiten Kondensators 106 ab, jedoch wird zu diesem
Zeitpunkt das Laden der Kondensatoren 105 und 106 aus den
Hochspannungsgeneratorschaltungen 101 und 102 unterbrochen,
so daß die verringerten Anschlußspannungen des ersten Kon
densators 105 und des zweiten Kondensators 106 aufrecht
erhalten werden.
Wenn dann der dritte Thyristor 130 für das Beenden der
Brennstoffeinspritzung eingeschaltet wird, beginnt das
Abführen der dem piezoelektrischen Element 67 zugeführten
Ladung. Dabei fällt die Anschlußspannung V des piezoelektri
schen Elements 67 schnell auf eine durch die Kapazität des
zweiten Kondensators 106 bestimmte Sollspannung Vo ab und
wird dann auf dieser Sollspannung Vo gehalten. Diese Soll
spannung Vo ist die gleiche wie die in Fig. 13 gezeigte
Spannung Vo. Daher hat bei diesem abgewandelten Ausführungs
beispiel der zweite Kondensator die Funktion einer Span
nungskonstanthalteschaltung. Wenn danach der vierte Thyri
stor 132 eingeschaltet wird, wird schnell die an dem piezo
elektrischen Element 67 verbliebene Ladung abgeführt. Danach
beginnt das Laden des ersten Kondensators 105 und des zwei
ten Kondensators 106 aus den Hochspannungsgeneratorschaltun
gen 101 und 102, wodurch die Anschlußspannungen der Konden
satoren 105 und 106 allmählich ansteigen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Teil der aus dem
piezoelektrischen Element 67 abgeführten Ladung in den
zweiten Kondensator 106 geleitet und die Ladung aus diesem
zweiten Kondensator 106 während der nächsten Brennstoffein
spritzung dem piezoelektrischen Element 67 zugeführt, so daß
dadurch nicht nur der Leistungsverbrauch gesenkt werden
kann, sondern auch der Schaltungsaufbau der Entladeschaltung
der Treiberschaltung 100 einfach wird. Da ferner die dem
zweiten Kondensator 106 zugeführte Ladung während der näch
sten Brennstoffeinspritzung entladen wird, ist kein Über
spannungs-Ableitkreis mit einer Zenerdiode gemäß Fig. 12
erforderlich.
Die Fig. 16 und 17 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel.
Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält gemäß Fig. 16 die
Treiberschaltung 100 die erste Hochspannungsgeneratorschal
tung 101 zum Erzeugen der verhältnismäßig niedrigen Spannung
und die zweite Hochspannungsgeneratorschaltung 102 zum
Erzeugen der verhältnismäßig hohen Spannung. Zwischen die
Ausgangsanschlüsse der ersten Hochspannungsgeneratorschal
tung 101 ist der erste Kondensator 105 geschaltet, der mit
der Ausgangsspannung der Generatorschaltung geladen wird.
Zwischen die Ausgangsanschlüsse der zweiten Hochspannungsge
neratorschaltung 102 ist der zweite Kondensator 106 geschal
tet, der mit der Ausgangsspannung dieser Generatorschaltung
geladen wird. Ferner enthält die Treiberschaltung 100 die
Ladedrossel 112 a und die Entladedrossel 112 b. Die Drosseln
112 a und 112 b sind an jeweils einem Anschluß mit dem piezo
elektrischen Element 67 verbunden. Zwischen den anderen
Anschluß der Ladedrossel 112 a und den ersten Kondensator 105
ist der erste Thyristor 113 geschaltet, während zwischen den
anderen Anschluß der Ladedrossel 112 a und den zweiten Kon
densator 106 der zweite Thyristor 114 geschaltet ist. Der
andere Anschluß der Entladedrossel 112 b ist über einen
dritten Thyristor 140 mit einer Entladezeitkonstanten-
Steuerschaltung 141 verbunden. Diese Entladezeitkonstanten-
Steuerschaltung 141 enthält eine Parallelschaltung aus einer
Drossel 142 und einer Zenerdiode 143, zu der eine Rückstrom
sperrdiode 144 in Reihe geschaltet ist.
Die Ausgabeeinheit 206 der elektronischen Steuereinheit 200
ist jeweils über die entsprechende Thyristortreiberschaltung
211 mit den Steueranschlüssen der Thyristoren 113, 114 und
140 verbunden, welche auf diese Weise durch Thyristorsteuer
signale aus der betreffenden Thyristortreiberschaltung 211
geschaltet werden. In der elektronischen Steuereinheit 200
wird aus den Ausgangssignalen des OT-Sensors 207 und des
Kurbelwellenwinkelsensors 208 der momentane Kurbelwellenwin
kel der Maschine ermittelt. Aus dem Ausgangssignal des
Lastsensors 209 wird die Brennstoffeinspritzzeit berechnet.
Entsprechend diesen Rechenergebnissen werden an die Ausgabe
einheit 206 Daten abgegeben, die den Zeitpunkt für das
Beginnen der Brennstoffeinspritzung und den Zeitpunkt für
das Beenden der Brennstoffeinspritzung angeben. Gemäß diesen
Daten werden die Thyristoren 113, 114 und 140 gesteuert.
Im folgenden wird anhand des Zeitdiagramms in Fig. 17 der
Ablauf der Steuerung der Einspritzeinheit erläutert.
Wenn gemäß Fig. 17 der erste Thyristor 113 zum Einleiten der
Brennstoffeinspritzung eingeschaltet wird, wird dem piezo
elektrischen Element 67 über die Ladedrossel 112 a die Ladung
aus dem ersten Kondensator 105 zugeführt. Wenn das piezo
elektrische Element 67 geladen wird, dehnt es sich in axia
ler linearer Richtung aus, wodurch der Kolben 63 abgesenkt
wird, so daß der Brennstoffdruck in der Volumenänderungskam
mer 68 und der Druckregelkammer 55 schnell ansteigt. Sobald
der Brennstoffdruck in der Druckregelkammer 55 ansteigt,
wird die Stange 50 nach links gemäß Fig. 3 und 4 bewegt, so
daß zugleich damit das Überströmventil 31 nach links bewegt
wird und mit seinem Ende gegen den Ventilaufnahmeabschnitt
40 stößt, wodurch das Überströmventil 31 schließt. Dabei
wird dem piezoelektrischen Element 67 eine Ladungsmenge
zugeführt, bei der das Überströmventil 31 verhältnismäßig
schwach an den Ventilaufnahmeabschnitt 40 angepreßt wird.
Daher trifft das Überströmventil 31 mit verhältnismäßig
geringer Geschwindigkeit auf den Ventilaufnahmeabschnitt 40
auf, so daß ein Zurückprallen des Überströmventils 31 nach
dem Anschlag an den Ventilaufnahmeabschnitt 40 und damit ein
erneutes Öffnen verhindert ist. Wenn dann der zweite Thyri
stor 114 eingeschaltet wird, wird über die Ladedrossel 112 a
die Ladung aus dem zweiten Kondensator 106 dem piezoelektri
schen Element 67 zugeführt, wodurch sich dieses weiter
ausdehnt. Infolgedessen wird das Überströmventil 31 stark an
den Ventilaufnahmeabschnitt 40 angepreßt, so daß es fest
geschlossen gehalten wird. Sobald das Überströmventil 31
schließt, steigt durch die Abwärtsbewegung des Druckkolbens
der Brennstoffdruck in der Druckkammer 15 schnell an; wenn
der Brennstoffdruck in der Druckkammer 15 einen vorbestimm
ten Druck übersteigt, gibt die Nadel 7 die Düsenöffnung 3
frei, so daß aus dieser Brennstoff abgespritzt wird.
Wenn als nächstes gemäß Fig. 17 der dritte Thyristor 140
eingeschaltet wird, wird die Ladung an dem piezoelektrischen
Element 67 über die Entladedrossel 112 b abgeführt. Dabei ist
die Zenerdiode 143 durchgeschaltet, wenn die Gegenspannung
höher als die Zenerspannung ist, bzw. gesperrt, wenn die
Gegenspannung niedriger als die Zenerspannung ist. Daher
wird bei dem Einschalten des dritten Thyristors 140 die
Ladung von dem piezoelektrischen Element 67 schnell über die
Zenerdiode 143 mit einer durch die Entladedrossel 112 a
bestimmten Entladezeitkonstante abgeführt, bis die Anschluß
spannung V des piezoelektrischen Elements 67 gleich der
Zenerspannung Vo wird (Fig. 17). Sobald Ladung von dem
piezoelektrischen Element 67 abgeleitet wird, zieht es sich
zusammen. Infolgedessen wird der Kolben 63 durch die Feder
kraft der Druckfeder 71 angehoben, so daß der Brennstoff
druck in der Volumenänderungskammer 68 und der Druckregel
kammer 55 absinkt. Durch das Absinken des Brennstoffdrucks
in der Druckregelkammer 55 werden die Stange 50 und das
Überströmventil 31 durch die Federkraft der Druckfeder 46
unverzüglich nach rechts gemäß Fig. 3 und 4 bewegt, so daß
das Überströmventil 31 von dem Ventilaufnahmeabschnitt 40
abgerückt wird und sofort ein wenig öffnet. Bei dem leichten
Öffnen des Überströmventils 31 wird der Hochdruckbrennstoff
in der Druckkammer 15 über den Überströmkanal 48 und die
Einführkammer 42 in die zweite Überströmkammer 44 gepreßt,
wobei der Brennstoffdruck P in der Druckkammer 15 schnell
absinkt. Dadurch wird die Nadel 7 nach unten bewegt und die
Einspritzung beendet. Da zu diesem Zeitpunkt das Überström
ventil 31 nur leicht öffnet, fällt zu Beginn des Öffnens des
Überströmventils 31 der Brennstoffdruck P in der Druckkammer
15 schnell ab, aber danach mit niedriger werdendem Brenn
stoffdruck P in geringerem Ausmaß; sobald die Anschlußspan
nung V des piezoelektrischen Elements 67 die Zenerspannung
Vo erreicht, verbleibt in der Druckkammer 15 ein verhältnis
mäßig hoher Druck.
Wenn die Anschlußspannung V des piezoelektrischen Elements
67 auf die Zenerspannung Vo verringert ist, sperrt die
Zenerdiode 143, so daß die Ladung aus dem piezoelektrischen
Element 67 über die Drossel 142 mit einer zweiten Entlade
zeitkonstante abgeführt wird, die durch die Entladedrossel
112 b und die Drossel 142 bestimmt ist. Diese zweite Entlade
zeitkonstante ist größer als die nur durch die Entladedros
sel 112 b bestimmte erste Entladezeitkonstante, so daß daher
die Anschlußspannung V des piezoelektrischen Elements 67
verhältnismäßig langsam abnimmt. Infolgedessen wird der
Öffnungsgrad des Überströmventils 31 langsam größer und
daher der Brennstoffdruck P in der Druckkammer 15 langsam
gesenkt.
Auf diese Weise wird bei diesem Ausführungsbeispiel dann,
wenn das Überströmventil 31 zum Beenden der Brennstoffein
spritzung öffnet, der Brennstoffdruck P in der Druckkammer
15 zuerst schnell gesenkt, wonach er dann aber nach dem
Erreichen eines Solldrucks allmählich abfällt. D.h., der
Brennstoffdruck P in der Druckkammer 15 fällt schnell ab und
wird dann vorübergehend auf einem verhältnismäßig hohen
Druck gehalten, so daß auch in der Nadeldruckkammer 18 und
dem Ringkanal 19 der verhältnismäßig hohe Druck aufrecht
erhalten wird. Dadurch wird verhindert, daß Gas aus der
Verbrennungskammer über die Düsenöffnung in den Ringkanal 19
strömt und daß in dem Ringkanal 19 kleine Luftbläschen
entstehen.
In der vorstehenden Beschreibung wurde die Anwendung der
Steuerschaltung an einer Einspritzeinheit erläutert, jedoch
kann die Steuerschaltung gleichermaßen für eine Verteiler-
Einspritzpumpe eingesetzt werden.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird dann, wenn das
Überströmventil öffnet, der Brennstoffdruck in der Druckkam
mer nur bis zu einem bestimmten Solldruck gesenkt, so daß
das Eindringen von Verbrennungsgas in den Brennstoffdurchlaß
um die Nadel herum verhindert ist. Ferner ist dadurch das
Entstehen von kleinen Luftbläschen in dem Brennstoffdurchlaß
um die Nadel herum verhindert.
In einer Brennstoffeinspritzvorrichtung, die einen von der
Maschine angetriebenen Druckkolben, eine mit Brennstoff
gefüllte und durch den Druckkolben mit Druck beaufschlagte
Druckkammer, eine entsprechend dem Brennstoffdruck in der
Druckkammer betätigte Nadel, die eine Düsenöffnung freigibt,
wenn der Brennstoffdruck einen vorbestimmten Druck über
steigt, einen Überströmkanal zum Ablassen des Brennstoffs
aus der Druckkammer und ein mittels eines piezoelektrischen
Elements verstellbares und in dem Überströmkanal angeordne
tes Überströmventil aufweist, welches bei der Ladungszufuhr
zu dem piezoelektrischen Element in Schließrichtung für das
Beginnen der Brennstoffeinspritzung bzw. bei dem Entladen
des piezoelektrischen Elements in Öffnungsrichtung zum
Beenden der Brennstoffeinspritzung verstellt wird, wird
während des Abführens der Ladung des piezoelektrischen
Elements die elektrische Ladung nur in der für das Beenden
der Brennstoffeinspritzung erforderlichen Menge abgeführt.
Claims (22)
1. Steuerschaltung für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung,
die einen von der Maschine angetriebenen Druckkolben, eine
mit dem Brennstoff gefüllte und durch den Druckkolben mit
Druck beaufschlagte Druckkammer, eine entsprechend dem
Brennstoffdruck in der Druckkammer betätigte Nadel, die die
Düsenöffnung öffnet, wenn der Brennstoffdruck einen vorbe
stimmten Druck übersteigt, einen Überströmkanal für das
Abströmen des Brennstoffs aus der Druckkammer und ein von
einem piezoelektrischen Element angetriebenes und in dem
Überströmkanal angeordnetes Überströmventil aufweist, wobei
das Überströmventil in Schließrichtung angetrieben und das
Einspritzen begonnen wird, wenn dem piezoelektrischen Ele
ment Ladung zugeführt wird, und das Überströmventil in
Öffnungsrichtung angetrieben und das Einspritzen beendet
wird, wenn die Ladung von dem piezoelektrischen Element
abgeführt wird, gekennzeichnet durch eine Entladeschaltung,
die während des Abführens der Ladung von dem piezoelektri
schen Element (67) die elektrische Ladung nur in einer für
das Beenden des Einspritzens erforderlichen Teilmenge ab
führt.
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß bei dem Abführen der Ladung von dem piezoelektrischen
Element (67) dessen Anschlußspannung (V) auf eine vorbe
stimmte Sollspannung (V 1, V 2) abgesenkt wird, wodurch nur
der für das Beenden des Einspritzens erforderliche Teil der
Ladung von dem piezoelektrischen Element abgeführt wird.
3. Steuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Entladeschaltung eine Spannungskonstanthalteschal
tung (107, 109; 108; 120) enthält, die nach dem Beginn des
Abführens der Ladung von dem piezoelektrischen Element (67)
dessen Anschlußspannung (V) auf der Sollspannung (V 1, V 2)
hält.
4. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungskonstanthalteschaltung einen Kondensator
(108) enthält, der mit der von dem piezoelektrischen Element
(67) abgeführten Ladung geladen wird, wobei die Sollspannung
(V 2) durch die Kapazität des Kondensators bestimmt ist.
5. Steuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die in den Kondensator (108) abgeführte Ladung zum
Zuführen der Ladung zu dem piezoelektrischen Element (67)
genutzt wird.
6. Steuerschaltung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch
eine Hochspannungsgeneratorschaltung (104) zum Laden des
Kondensators (108), deren Ladefunktion an dem Kondensator
nach dem Zuführen der in den Kondensator abgeführten Ladung
zu dem piezoelektrischen Element (67) bis zum Abführen der
Ladung von dem piezoelektrischen Element in den Kondensator
unterbrochen wird.
7. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungskonstanthalteschaltung eine Parallelschal
tung aus einem Kondensator (107) und einem Konstantspan
nungselement (109) aufweist, dessen Konstantspannung die
Sollspannung (V 1) bestimmt.
8. Steuerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungskonstanthalteschaltung (107, 109) an eine
Hochspannungsgeneratorschaltung (103) zum ständigen Laden
des Kondensators (107) angeschlossen ist.
9. Steuerschaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Konstantspannungselement (109) eine Zener
diode ist.
10. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungskonstanthalteschaltung ein Schaltelement
(120) aufweist, das das Abführen der Ladung von dem piezo
elektrischen Element (67) steuert, wobei die Sollspannung
durch die Einschaltzeit (tG) des Schaltelements bestimmt
ist.
11. Steuerschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich
net, daß zu dem Schaltelement (120) eine Drosselspule (112 b)
in Reihe geschaltet ist.
12. Steuerschaltung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Einschaltzeit (tG) des Schaltelements
(120) mit ansteigender Maschinendrehzahl länger wird.
13. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Entladeschaltung ein Schalt
element (119) zum Abführen der dem piezoelektrischen Element
(67) zugeführten Ladung enthält, die nach dem vorübergehen
den Festhalten der Anschlußspannung (V) des piezoelektri
schen Elements auf der Sollspannung (V 1, V 2) zurückgeblieben
ist.
14. Steuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Entladeschaltung eine Entladezeitkonstanten-Ände
rungsschaltung (142, 143) enthält, die die Anschlußspannung
des piezoelektrischen Elements (67) im Vergleich zu dem
Absenken der Anschlußspannung auf die Sollspannung langsam
verringert, nachdem die Anschlußspannung auf die Sollspan
nung abgesenkt ist.
15. Steuerschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich
net, daß die Entladezeitkonstanten-Änderungsschaltung eine
Parallelschaltung aus einer Drosselspule (142) und einem
Konstantspannungselement (143) aufweist, dessen Konstant
spannung die Sollspannung bestimmt, wobei die Entladezeit
konstante durch die Drosselspule geändert wird.
16. Steuerschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich
net, daß das Konstantspannungselement (143) eine Zenerdiode
ist.
17. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
gekennzeichnet durch eine Ladeschaltung (101, 102, 105, 106,
113, 114) für ein zweistufiges Laden bei dem Zuführen von
Ladung zu dem piezoelektrischen Element (67).
18. Steuerschaltung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich
net, daß die Ladeschaltung eine erste Ladeschaltung (101,
105, 113) für eine erste Ladestufe und eine zweite Lade
schaltung (102, 106, 114) für eine zweite Ladestufe aufweist
und daß die erste und die zweite Ladeschaltung jeweils einen
Kondensator (105, 106) und eine Hochspannungsgeneratorschal
tung (101, 102) zum Laden des Kondensators enthalten.
19. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffeinspritzung aus
einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung besteht
und daß die Entladeschaltung zum Beenden der Voreinspritzung
von dem piezoelektrischen Element nur den für das Beenden
der Voreinspritzung erforderlichen Teil der Ladung abführt
und zum Beenden der Haupteinspritzung von dem piezoelektri
schen Element nur den für das Beenden der Haupteinspritzung
erforderlichen Teil der Ladung abführt.
20. Steuerschaltung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich
net, daß bei dem Beenden der Voreinspritzung die Anschluß
spannung (V) des piezoelektrischen Elements (67) auf eine im
voraus festgelegte erste Sollspannung (V 1) abgesenkt wird,
wodurch von dem piezoelektrischen Element die Ladung nur zu
dem für das Beenden der Voreinspritzung erforderlichen Teil
abgeführt wird, und daß bei dem Beenden der Haupteinsprit
zung die Anschlußspannung des piezoelektrischen Elements auf
eine im voraus festgelegte zweite Sollspannung (V 2) abge
senkt wird, wodurch von dem piezoelektrischen Element die
Ladung nur zu dem für das Beenden der Haupteinspritzung
erforderlichen Teil abgeführt wird.
21. Steuerschaltung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich
net, daß die erste und die zweite Sollspannung (V 1, V 2) im
wesentlichen gleich sind.
22. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 21,
gekennzeichnet durch eine Ladeschaltung, die bei dem Zufüh
ren von Ladung zu dem piezoelektrischen Element (67) für die
Voreinspritzung ein zweistufiges Laden und bei dem Zuführen
von Ladung zu dem piezoelektrischen Element für die Haupt
einspritzung ein einstufiges Laden ausführt.
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