JP4306133B2 - Fuel injection device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料噴射装置のコモレール内燃料圧力の減圧制御に関する。
【0002】
【従来の技術】
コモンレール式の燃料噴射装置は、高圧サプライポンプにより昇圧した燃料をコモンレールに蓄え、該コモンレールから燃料噴射用のインジェクタに燃料を供給するものである。
【0003】
インジェクタの構成は種々あるが、ノズル部の噴孔を開閉するニードルをその背圧の増減により昇降して、噴射とその停止とを切り換え、前記背圧を前記コモンレールからの燃料により得る構成としたものがある。背圧の増減は次の手段でなされる。すなわち、コモンレールから燃料が導入されて背圧を発生せしめる背圧室と燃料タンク等の低圧源の間に弁室を介設するとともに、弁室内に、その低圧源側のポートを開閉する弁体を配設し、この弁体がリフトすることで背圧室と低圧源が連通し、背圧を低下させる。これにより、ニードルがリフトして燃料噴射が開始されることになる。この弁室および弁体を有する背圧増減手段としては二方弁や三方弁が用いられ得る。
【0004】
弁体を駆動するアクチュエータとしては、近年、PZT等の圧電材料の圧電作用を利用したピエゾアクチュエータが考えられている。ピエゾアクチュエータは充放電により伸縮するピエゾスタックが押圧力を発生するものであり、例えばピエゾスタックが充電で伸長して、前記ポートを閉鎖状態の弁体を押圧駆動して弁座からリフトせしめる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、コモンレール式の燃料噴射装置では、燃料噴射制御とともに、運転条件に応じた最適な噴射圧力が得られるようにコモンレールへの燃料の圧送量を調整してコモンレール内燃料圧力を制御する。しかし、運転条件が高圧の噴射圧力を要求する条件(高圧高負荷)から比較的低圧の噴射圧力を要求する条件(低圧低負荷)に急変した場合にはコモンレール内燃料圧力を下げることができないので、この圧力状態のままで燃料が噴射されると騒音が発生したり排気の悪化を招く恐れがある。したがって、コモンレールの前記圧送量を減らすだけではなく、コモンレール内から高圧燃料を積極的に排出する必要がある。
【0006】
前記のごとくインジェクタが前記コモンレールからの燃料を制御油として用いる構成において、コモンレール内燃料圧力を下げるべく、ニードルが着座したままで弁体をリフトし、背圧室の燃料を逃がすようにしたものがある(特開2000−161170)。閉弁状態のニードルの背圧はニードルが開弁可能な圧力よりも十分に高く、ある程度、背圧を減じても着座状態を維持する。一方、弁体をニードル開閉制御時のようにフルリフトに達しないリフト状態(ハーフリフト)にすれば背圧室の圧力の低下幅は小さい。したがって、ニードルの背圧がニードル開弁可能圧力を下回らない範囲で弁体をハーフリフトにすることで、コモンレール内の燃料がインジェクタを介して燃料タンクに還流し、コモンレール内燃料圧力が低下することになる。
【0007】
インジェクタが前記ピエゾアクチュエータを搭載したものにおいて、弁体のハーフリフトを実現するには、弁体を着座状態からリフトせしめるべくコモンレール内燃料圧力に等しい弁室内の燃料圧に抗し得る充電量まで充電する一方、ニードルがリフトし燃料の噴射が開始する充電量(噴射開始充電量)を越えないようにする必要がある。
【0008】
しかしながら、弁体は着座状態では弁室内の燃料圧力がリフト方向に作用する弁体の受圧面の面積が少なく、また弁室内の燃料圧力がコモンレール内燃料圧力に略等しいことから、着座方向に作用する力が圧倒的に優勢なアンバランスな圧力状態となっている。これに対し、弁体が一旦リフトすると、弁室内の燃料圧力が低下するとともに、燃料圧力がリフト方向に作用する弁体の受圧面が増大するから、着座方向に作用する力がリフト方向に作用する力に近づき、前記アンバランスな圧力状態が緩和される。
【0009】
この、アンバランスな圧力状態の緩和は、ピエゾスタックの伸長を促す方向に作用するから、弁体がリフトし背圧室から燃料が燃料タンクへの戻りを開始する充電量(リーク開始充電量)を僅かに越えただけで弁体のリフト量は比較的大きく、リーク開始充電量と噴射開始充電量の差はあまりない。
【0010】
このため、弁体のハーフリフトによりコモンレールの減圧を図る場合に、ピエゾスタックを目標充電量に対して高精度に充電する必要がある。
【0011】
ピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路の構成として、多重スイッチング方式のものがある。これは、ピエゾスタックにコンデンサからスイッチング素子およびインダクタを介して通電する第1の通電経路と、コンデンサおよびスイッチング素子をバイパスしてピエゾスタックに通電する第2の通電経路とを有し、第1の通電経路には、前記スイッチング素子のオン期間に漸増する充電電流が流れ、第2の通電経路には、前記スイッチング素子のオフ期間に漸減する充電電流がフライホイール作用で流れるようにしたものがある。このものではスイッチング素子の1回のオンオフに対応して充電電流が漸増と漸減する略三角形の波形をとる。そして、スイッチング素子のオンオフを繰り返すと、ピエゾスタックの充電量が目標充電量に向かって増加していく。例えば、1回のオンオフの期間の長さが5μsで充電電流のピーク値が20〜30Aの設定で行う。
【0012】
ここで、充電電流が大きいほど単位時間当たりにピエゾスタックに供給されるエネルギー量は大きく、充電量の誤差も生じやすい。特に、前記多重スイッチング方式の場合、スイッチング素子のオフ期間にも充電が行われ、この期間は充電制御が不能となっている。このオフ期間における供給エネルギーは充電電流のピーク値で規定されるから、ピーク値が大きいほど充電量の誤差が生じやすい。したがって、充電精度を高くしようとすれば、充電電流を小さく、前記多重スイッチング方式であればオン期間の長さを短くして充電電流のピーク値を抑え、スイッチング素子の1回のオンオフでピエゾスタックに供給されるエネルギーを少なくすればよい。
【0013】
しかし、充電電流のピーク値を例えば、5A程度にしようとすればオン期間の長さは1μs程度となって、約500kHzのスイッチングスピードが必要になり、回路の構成上、また、回路素子の発熱上、不利である。
【0014】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、コモンレール圧力の減圧制御において、ピエゾスタックを目標充電量に対して高精度に充電することのできる燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有し、コモンレールに蓄えられた高圧の燃料が供給されて該燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記コモンレールから燃料が導入され前記ニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体を前記低圧源側のポートを閉鎖可能に配設してなり該弁体のリフト量が大きくなるに応じて前記背圧室の圧力を低下せしめる背圧増減手段と、前記弁体を押圧駆動するピエゾスタックを有し該ピエゾスタックの充電量が多いほど前記弁体のリフト量を増大せしめるピエゾアクチュエータとを備えたインジェクタと、
前記ピエゾスタックに通電する通電経路を有しピエゾスタックの充電と放電とを行う通電手段と、
燃料の噴射指令に対しては、前記弁体がフルリフト可能な充電量を目標充電量として前記通電手段を作動せしめ、前記コモンレール内の燃料圧力の減圧指令に対しては、前記ニードルが着座状態のままで前記弁体がリフトする充電量を目標充電量として前記通電手段を作動せしめる制御手段とを有する燃料噴射装置において、
ピエゾスタックと並列に接続されて前記通電経路による充電および放電が可能な減圧用のコンデンサと、
該コンデンサとピエゾスタックとの接続と切断とを切り換える減圧用のスイッチ手段とを具備せしめ、
前記制御手段を、
前記通電手段とともに前記減圧用スイッチ手段を制御し、前記減圧指令に対する通電制御において、前記減圧用スイッチ手段をオンして充電電流が前記ピエゾスタックと前記コンデンサとに分散されるように設定する。
【0018】
減圧制御時には充電対象のピエゾスタックに減圧用のコンデンサが並列に接続されることになるから、充電電流は分散される。ピエゾスタックにおいては充電電流を抑制したのと同等であるから、ハーフリフト可能な目標充電量に高精度に充電することができる。
【0019】
請求項2記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有し、コモンレールに蓄えられた高圧の燃料が供給されて該燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記コモンレールから燃料が導入され前記ニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体を前記低圧源側のポートを閉鎖可能に配設してなり該弁体のリフト量が大きくなるに応じて前記背圧室の圧力を低下せしめる背圧増減手段と、前記弁体を押圧駆動するピエゾスタックを有し該ピエゾスタックの充電量が多いほど前記弁体のリフト量を増大せしめるピエゾアクチュエータとを備えたインジェクタと、
前記ピエゾスタックに供給する電荷を一時蓄えるバッファコンデンサと、
該バッファコンデンサを充電する給電源と、
ピエゾスタックの充電経路の開成と閉成とを切り換える充電用のスイッチ手段と、
ピエゾスタックの放電経路の開成と閉成とを切り換える放電用のスイッチ手段と、
給電源、充電用のスイッチ手段および放電用のスイッチ手段を制御する制御手段であって、燃料の噴射指令に対しては、前記弁体がフルリフト可能な充電量を目標充電量として前記充電用スイッチ手段を作動せしめ、前記コモンレール内の燃料圧力の減圧指令に対しては、前記ニードルが着座状態のままで前記弁体がリフトする充電量を目標充電量として前記充電用スイッチ手段を作動せしめる制御手段とを有する燃料噴射装置において、
前記制御手段を、
前記減圧指令に対する通電制御において、充電用スイッチ手段と放電用スイッチ手段とが交互にオンオフし、前記バッファコンデンサの両端間電圧が減圧指令に対する制御時の目標充電量に対応するピエゾスタック両端間電圧よりも低い電圧値になるまで放電し、
バッファコンデンサの両端間電圧が前記電圧値になると前記充電用スイッチ手段がオンに固定されて、給電源によりバッファコンデンサとともにピエゾスタックを前記目標充電量まで充電するように設定する。
【0020】
減圧制御時には給電源によるピエゾスタックの充電で弁体がリフトする。このとき、充電対象のピエゾスタックにはバッファコンデンサが並列に接続されるから、充電電流は分散される。ピエゾスタックにおいては充電電流を抑制したのと同等であるから、ハーフリフト可能な目標充電量に高精度に充電することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
(第1形態)
図2に本発明の基本となるディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射装置の構成を示す。ディーゼルエンジンの気筒数分のインジェクタ1が各気筒に対応して設けられ(図例ではインジェクタ1は1つのみ図示)、供給ライン55を介して連通する共通のコモンレール54から燃料の供給を受け、インジェクタ1から各気筒の燃焼室内に略コモンレール54内の燃料圧力(以下、コモンレール圧力という)に等しい噴射圧力で燃料を噴射するようになっている。コモンレール54には燃料タンク51の燃料が高圧サプライポンプ53により圧送されて高圧で蓄えられる。
【0022】
また、コモンレール54からインジェクタ1に供給された燃料は、上記燃焼室への噴射用の他、インジェクタ1の制御油圧等としても用いられ、インジェクタ1から低圧のドレーンライン56を経て燃料タンク51に還流するようになっている。
【0023】
CPU31はクランク角度等の検出信号に基づいて燃料の噴射時期と噴射量を演算し、インジェクタ1から所定の期間、燃料を噴射せしめる。
【0024】
また、CPU31は他のセンサ入力等により知られる運転条件に応じた適正な噴射圧となるように制御する。圧力センサ32がコモンレール54に設けられており、コモンレール圧力の検出信号がCPU31に入力している。CPU31はコモンレール圧力に基づいて調量弁52を制御してコモンレール54への燃料の圧送量を調整する。また、コモンレール圧力の急な減圧が必要になると、CPU31は内部で減圧指令を発生し、ピエゾアクチエータ駆動回路2に対し燃料噴射時とは異なる通電制御を行い、後述するようにインジェクタ1の制御油としての燃料を燃料タンク51に戻してコモンレール圧力を減圧させる。
【0025】
図3に前記インジェクタ1の構造を示す。インジェクタ1は棒状体で、図中下側部分がエンジンの図略の燃焼室壁を貫通して燃焼室内に突出するように取り付けられている。インジェクタ1は下側から順にノズル部1a、背圧制御部1b、ピエゾアクチュエータ1cとなっている。
【0026】
ノズル部1aのスリーブ状の本体104内にニードル121がその後端部にて摺動自在に保持されており、ニードル121はノズル本体104の先端部に形成された環状シート1041に着座または離座する。ニードル121の先端部の外周空間105には高圧通路101を介してコモンレール54から高圧燃料が導入され、ニードル121のリフト時に噴孔103から燃料が噴射される。ニードル121にはその環状段面1211に前記高圧通路101からの燃料圧がリフト方向(上向き)に作用している。
【0027】
ニードル121の後方には高圧通路101からインオリフィス107を介して制御油としての燃料が導入されており、ニードル121の背圧を発生する背圧室106が形成される。この背圧は、背圧室106に配設されたスプリング122とともにニードル121の後端面1212に着座方向(下向き)に作用する。
【0028】
前記背圧は背圧制御部1bで増減され、背圧制御部1bは前記ピエゾスタック127を備えたピエゾアクチュエータ1cにより駆動される。
【0029】
前記背圧室106はアウトオリフィス109を介して常時、背圧制御部1bの弁室110と連通している。弁室110は天井面1101が上向きの円錐状に形成されており、天井面1101の最上部に、低圧室111と連通する低圧ポート110aが開口しており、低圧室111はドレーンライン56に通じる低圧通路102と連通している。弁室110の底面には高圧制御通路108を介して高圧通路101と連通する高圧ポート110bが開口している。
【0030】
弁室110内には、下側部分を水平にカットしたボール123が配設されている。ボール123は上下動可能な弁体であり、下降時には、上記カット面で弁座としての弁室底面(以下、高圧側シートという)1102に着座して高圧ポート110bを閉鎖することにより弁室110を高圧制御通路108と遮断し、上昇時には弁座としての上記天井面(以下、低圧側シートという)1101に着座して低圧ポート110aを閉鎖することにより弁室110を前記低圧室111から遮断する。これにより、ボール123下降時には背圧室106がアウトオリフィス109、弁室110を経て低圧室111と連通し、ニードル121の背圧が低下してニードル121が離座する。一方、ボール123の上昇時には背圧室106が低圧室111と遮断されて高圧通路101のみと連通し、ニードル121の背圧が上昇してニードル121が着座する。
【0031】
ボール123はピエゾアクチュエータ1cにより押圧駆動される。ピエゾアクチュエータ1cは、低圧室111の上方に上下方向に形成された縦穴112に径の異なる2つのピストン124,125が摺動自在に保持され、上側の大径のピストン125の上方にピエゾスタック127が上下方向を伸縮方向として配設されている。
【0032】
大径ピストン125はその下方に設けられたスプリング126によりピエゾスタック127と当接状態を維持しており、ピエゾスタック127の伸縮量と同じだけ上下方向に変位するようになっている。
【0033】
ボール123と対向する下側の小径ピストン124と大径ピストン125と縦穴112とで画された空間には燃料が充填されて変位拡大室113が形成されており、ピエゾスタック127の伸長で大径ピストン125が下方変位して変位拡大室113の燃料を押圧すると、その押圧力が変位拡大室113の燃料を介して小径ピストン124に伝えられる。ここで、小径ピストン124は大径ピストン125よりも小径としているので、ピエゾスタック127の伸長量が拡大されて小径ピストン124の変位に変換される。
【0034】
燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック127が充電されてピエゾスタック127が伸長することにより、小径ピストン124が下降してボール123を押し下げる。これによりボール123が低圧側シート1101からリフトするとともに高圧側シート1102に着座して背圧室106が低圧通路102と連通するので、背圧室106の燃料圧が低下する。これにより、ニードル121に離座方向に作用する力の方が着座方向に作用する力よりも優勢となって、ニードル121が離座して燃料噴射が開始される。
【0035】
噴射停止は反対にピエゾスタック127の放電によりピエゾスタック127を縮小してボール123への押し下げ力を解除する。この時、弁室110内は低圧となっており、またボール123の底面には高圧制御通路108から高圧の燃料圧力が作用しているから、ボール123には全体としては上向きの燃料圧が作用している。そして、前記ボール123への押し下げ力の解除により、ボール123が高圧側シート1102から離間するとともに再び低圧側シート1101に着座して弁室110の燃料圧力が上昇するため、ニードル121が着座し噴射が停止する。
【0036】
また、インジェクタ1は後述するようにニードル121を着座状態のままボール123をリフトして燃料を燃料タンク51に戻し、コモンレール圧力の急な減圧にも用いられる。
【0037】
なお、ピエゾスタック127A〜127Dとピエゾアクチュエータ駆動回路2とを接続する通電ケーブル4の断線等でピエゾスタック127A〜127Dが放電不能となると、インジェクタ1が噴射信号で規定される燃料噴射期間が終了しても燃料が噴射し続けることになるが、図3に示した前記インジェクタ1ではピエゾスタック127が充電状態にある時間が一定時間を越えると閉弁する機械的なフェイルセーフ機構を備えている。すなわち、インジェクタ1はピエゾスタック127の伸長で変位拡大室113内の燃料を圧縮して加圧し、ボール123を押圧する押圧力を発生しており、その燃料圧力はボール123がリフト状態のときはボール123に作用する上向きの付勢力に抗し得る圧力となっている。このため、変位拡大室113内の加圧した燃料はピストン124,125の摺動部から僅かずつ低圧室111等の低圧部にリークし、ボール123のリフト量が低下して背圧室106から低圧室111に抜ける燃料の流量が減少し、これにより背圧が漸次上昇し、終にはニードル121が着座して燃料の噴射が停止することになる。
【0038】
図1にピエゾスタック127の充電と放電とを行うピエゾアクチュエータ駆動回路2の構成を示す。なお、説明の便宜のため、適宜、ピエゾスタック127を4つの気筒に対応して、♯1気筒から順に、ピエゾスタック127A、ピエゾスタック127B、ピエゾスタック127C、ピエゾスタック127Dと表すものとする。ピエゾアクチュエータ駆動回路2は、通電手段である駆動回路本体部2aとその制御手段であるコントローラ28とを有している。
【0039】
駆動回路本体部2aは、車載バッテリの給電(+B)で数十〜数百Vの直流電圧を発生するDC−DCコンバータ211、およびその出力端に並列に接続されたバッファコンデンサ212により直流電源21を構成し、ピエゾスタック127A〜127Dの充電用の電圧を出力する。DC−DCコンバータ211は一般的な昇圧チョッパ型の回路で、スイッチング素子2112のオン時にインダクタ2111にエネルギーを蓄積して、スイッチング素子2112のオフ時に逆起電力を発生するインダクタ2111からダイオード2113を介してバッファコンデンサ212に充電される。スイッチング素子2112のオンオフは電流検出抵抗2114の両端間電圧に基づいてなされる。
【0040】
バッファコンデンサ212は十分静電容量の大きなもので構成され、ピエゾスタック127A〜127Dへの充電作動時にも略一定の電圧値を保つようになっている。
【0041】
直流電源21のバッファコンデンサ212からピエゾスタック127A〜127Dにインダクタ23を介して通電する第1の通電経路22aが設けてあり、通電経路22aには、バッファコンデンサ212とインダクタ23間にこれらと直列に充電用のスイッチング素子24aが介設されている。充電用スイッチング素子24aはMOSFETで構成され、その寄生ダイオード(以下、第1の寄生ダイオードという)241aがバッファコンデンサ212の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。また、インダクタ23とピエゾスタック127A〜127Dは第2の通電経路22bを形成している。この通電経路22bは、インダクタ23と充電用スイッチング素子24aの接続中点に接続される放電用のスイッチング素子24bを有し、インダクタ23、ピエゾスタック127A〜127Dおよび放電用スイッチング素子24bを含む閉回路を形成している。放電用スイッチング素子24bもMOSFETで構成され、その寄生ダイオード(以下、第2の寄生ダイオードという)241bがバッファコンデンサ212の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。
【0042】
通電経路22a,22bはピエゾスタック127A〜127Dのそれぞれに共通であり、また、次のように駆動対象としてのピエゾスタック127A〜127Dが選択できる。ピエゾスタック127A〜127Dのそれぞれには直列にスイッチング素子(以下、適宜、選択スイッチング素子という)25A,25B,25C,25D,25E,25Fが接続されている。このうち第1の種類の選択スイッチング素子25A〜25Dはそれぞれピエゾスタック127A〜127Dと1対1に対応して接続されて、オンした選択スイッチング素子25A〜25Dと接続されたピエゾスタック127A〜127Dが通電経路22a,22bと接続されることになる。
【0043】
また、第2の種類の選択スイッチング素子25E,25Fは、選択スイッチング素子25Eが♯1気筒のインジェクタのピエゾスタック127Aと♯2気筒のインジェクタ1のピエゾスタック127Bとに共通に接続されて、♯1、♯2気筒群(バンク)への通電の許容と禁止とを切り換え、また、選択スイッチング素子25Fが♯3気筒のインジェクタ1のピエゾスタック127Cと♯4気筒のインジェクタ1のピエゾスタック127Dとに共通に接続されて、♯3、♯4気筒群(バンク)への通電の許容と禁止とを切り換える。かかる第2の種類の選択スイッチング素子25E,25Fを設けることにより、例えばピエゾスタック127A〜127Dの正極と接続される通電ケーブルがグランドショートしても、グランドショートした方のバンクの選択スイッチング素子25E,25Fをオフにすることで、他方のバンクの作動を確保することができる(リンプフォーム)。
【0044】
各選択スイッチング素子25A〜25FはMOSFETが用いられており、その寄生ダイオード(以下、選択寄生ダイオードという)251A,251B,251C,251D,251E,251Fは、バッファコンデンサ212に対して逆バイアスとなるように接続されている。
【0045】
スイッチング素子24a,24b,25A〜25Fの各ゲートにはコントローラ28からそれぞれ制御信号が入力しており、前記のごとく選択スイッチング素子25A〜25Dのいずれかをオンして駆動対象のピエゾスタック127A〜127Dが選択されるとともに、充電用スイッチング素子24a、放電用スイッチング素子24bのゲートにはパルス状の制御信号が入力してスイッチング素子24a,24bをオンオフし、ピエゾスタック127A〜127Dの充電制御および放電制御を行うようになっている。
【0046】
また、ピエゾスタック127Aとピエゾスタック127Bとに共通に直列に比較的低抵抗の抵抗器27Eが、ピエゾスタック127Cとピエゾスタック127Dとに共通に直列に前記抵抗器27Eと同じ抵抗器27Fが設けてある。その両端間電圧はコントローラ28に入力し、ピエゾスタック127A〜127Dの充電電流が検出されるようになっている。
【0047】
また、第2のスイッチング素子24bには直列に比較的低抵抗の抵抗器27Gが設けてある。その両端間電圧はコントローラ28に入力し、ピエゾスタック127A〜127Dの放電電流が検出されるようになっている。
【0048】
また、コントローラ28には、充電量である各ピエゾスタック127A〜127Dの両端端電圧(以下、ピエゾスタック電圧という)が入力している。
【0049】
また、コントローラ28には、目標充電量である目標のピエゾスタック電圧(以下、目標電圧という)に比例した目標電圧設定信号が入力している。目標電圧設定信号は、噴射指令に対しては、ボール123がフルリフト可能な十分なピエゾスタック電圧が与えられるように設定される。減圧指令に対してはニードル121が着座したままでボール123がリフト可能なピエゾスタック電圧が与えられるように設定される。
【0050】
コントローラ28は、充電制御時には、第1のスイッチング素子24aのオン期間とオフ期間とを次のように設定し、第1のスイッチング素子24aの制御信号を出力する。すなわち、第1のスイッチング素子24aをオンして第1の通電経路22aに漸増する充電電流を流す。充電電流が予め設定した上限の電流値になるとスイッチング素子24aをオフしてオフ期間に入る。この時、インダクタ23に発生する逆起電力は第2のスイッチング素子24bの寄生ダイオード241bに対して順バイアスであるから、インダクタ23に蓄積されたエネルギーにより第2の通電経路22bに漸減するフライホイール電流が流れ、ピエゾスタック127A〜127Dの充電が進行する。充電電流が下限の電流値(略0)になると再び第1のスイッチング素子24aをオンしてオン期間に入り、これを繰り返す。そして、ピエゾスタック電圧が前記目標電圧に達するとスイッチング素子24aをオフに固定し、充電は完了となる。このようにピエゾスタック127A〜127Dを充電することで、ピエゾスタック127A〜127Dが伸長して変位拡大室113を介してボール123を押圧しリフトせしめる。
【0051】
また、放電制御時には、第2のスイッチング素子24bのオン期間とオフ期間とを次のように設定し、第2のスイッチング素子24bの制御信号を出力する。すなわち、第2のスイッチング素子24bをオンして第2の通電経路22bに漸増する放電電流を流す。放電電流が予め設定した電流値(以下、上限電流値という)になるとスイッチング素子24bをオフしてオフ期間に入る。この時、インダクタ23に大きな逆起電力が発生し、インダクタ23に蓄積されたエネルギーによりフライホイール電流を第1の通電経路22aに流しバッファコンデンサ212にエネルギーを回収する。放電電流が下限の電流値(略0)になると再び第2のスイッチング素子24bをオンして、これを繰り返す。そして、ピエゾスタック電圧が0に達するとスイッチング素子24bをオフに固定し、放電は完了となる。このようにピエゾスタック127A〜127Dを放電することで、ピエゾスタック127A〜127Dが縮小して変位拡大室113の燃料圧力によるボール123への押圧力が解除されてボール123が着座する。
【0052】
このように、通電経路22a,22bは充電用スイッチング素子24aの開閉作動でピエゾスタック127A〜127Dへの充電経路となり、放電用スイッチング素子24bの開閉作動でピエゾスタック127A〜127Dへの放電経路となる。
【0053】
コントローラ28には、ピエゾスタック127A〜127Dの充電時期と放電時期とを規定する充放電時期設定信号T1 ,T2 ,T3 ,T4 がCPU31から入力している。充放電時期設定信号T1 〜T4 は、「L」と「H」よりなる二値信号であり、その立ち上がりでピエゾスタック127A〜127Dの充電を開始し、立ち下がりでピエゾスタック127A〜127Dを放電する。充放電時期設定信号T1 〜T4 は噴射指令に対しては噴射期間を規定する(以下、充放電時期設定信号を噴射信号という)。噴射信号T1 〜T4 は、各気筒ごとにCPU31からコントローラ28に出力され、出力期間中、対応する選択スイッチング素子25A〜25Dがオンする。
【0054】
また、CPU31からはコントローラ28に制御用信号として減圧信号PDが入力しており、後述する減圧制御が実行される。減圧信号PDは、「L」と「H」よりなる二値信号である。
【0055】
かかるコントローラ28はコンパレータや種々の論理演算回路等により構成される。
【0056】
図4はCPU31で通常の噴射制御および減圧制御が実行されるときのピエゾアクチュエータ駆動回路2の各部の作動を示すタイミングチャートで、これにより、コントローラ28およびCPU31の設定とともに本燃料噴射装置の作動について説明する。タイミングチャートの前半は通常噴射制御時のもので、後半は減圧制御時のものである。
【0057】
タイミングチャートの前半では減圧信号PDが非入力であり、コントローラ28は通常噴射制御を実行する。図例では♯1気筒の噴射制御を行う。♯1気筒の噴射信号T1 が入力すると、その立ち上がりにおいて♯1気筒に対応した選択スイッチング素子25Aがオンし、♯1気筒のピエゾスタック127Aが通電経路22a,22bと接続され、充放電可能な状態となる。この状態は前記噴射信号T1 が立ち下がるまで継続する。
【0058】
そして、噴射信号T1 の立ち上がりをトリガーとしてピエゾスタック127Aの充電が開始される。すなわち、充電用スイッチング素子24aが繰り返しオンオフして充電電流が流れ、ピエゾスタック電圧が上昇し、ボール123がフルリフト可能な目標電圧に達すると充電は完了となる。そして、噴射信号T1 の立ち下がりをトリガーとして放電用スイッチング素子24bが繰り返しオンオフして放電電流が流れ、ピエゾスタック電圧が低下して元の状態に復する。
【0059】
次に減圧制御について説明する。減圧信号PDが「H」であれば、♯1気筒用の噴射信号T1 の立ち上がりで、当該気筒用の選択スイッチング素子25Aとともに、同一バンクの♯2気筒用の選択スイッチング素子25Bをオンする。また、この減圧信号PDにより、目標電圧は通常噴射制御時よりも低い、ニードル121が着座状態のままボール123がハーフリフト可能な電圧(減圧時目標電圧)に切り換えられる。そして、噴射信号T1 の立ち上がりをトリガーとして充電用スイッチング素子24aがオンオフして充電が進行する。なお、充電電流のピーク値の設定値は通常噴射制御時と同じである。
【0060】
しかして、ピエゾスタック127Aとピエゾスタック127Bとの両方が、共通の通電経路22a,22bにより充電されることになる。ここで、充電電流はピエゾスタック127Aとピエゾスタック127Bとに分散されることになるから、各ピエゾスタック127A,127Bの充電電流は通常噴射制御時に比べて半減する。
【0061】
これを充電用スイッチング素子24aの1回のオンオフで上昇するピエゾスタック電圧の上昇幅についてみると次のようになる。充電用スイッチング素子24aの1回のオンオフでピエゾスタックに供給されるエネルギーをen 、ピエゾスタックの静電容量をCPZT 、充電用スイッチング素子24aを1回オンオフする前後のピエゾスタック電圧を前がVPZT1、後がVPZT2とすると、式(1)となる。
en =(1/2)CPZT (VPZT22 −VPZT12 )・・・(1)
【0062】
複数(n個)のピエゾスタックを充電した場合は、式(2)となる。
en =n×(1/2)CPZT (VPZT22 −VPZT12 )・・・(2)
【0063】
ここで、en =20mJ、CPZT =10μF、VPZT1=100Vとすれば、ピエゾスタックを充電した場合の電圧上昇幅ΔVPZT (=VPZT2−VPZT1)は、ピエゾスタックが1個の場合がΔVPZT =18.3Vであるのに対し、ピエゾスタックが2個の場合、ΔVPZT =9.5Vとなる。このように、電圧上昇幅を抑えることが可能となり、高精度で充電を行い得る。
【0064】
これにより、充電電流のピーク値を低くして充電用スイッチング素子24aを高速でオンオフすることなく、高精度で、減圧時目標電圧に充電することができる。そして、噴射信号T1 が立ち下がると選択スイッチング素子25A,25Bがオフするとともに、放電制御が行われて両ピエゾスタック127A,127Bとも放電し元の状態に復する。
【0065】
しかも、♯1、♯2気筒のインジェクタ1の両方で、燃料を燃料タンク51に逃がすことができるから、減圧速度は速い。これにより、現在のコモンレール圧力から目標圧力までの減圧幅が大きくともコモンレール圧力の減圧を高応答で行い得る。
【0066】
なお、第3、第4気筒においても同様で、減圧信号が入力状態で、♯3気筒用の噴射信号T3 が入力すると、♯3、♯4気筒用のピエゾスタック127C,127Dに充電を行うことで、ピエゾスタック127C,127Dを高精度に減圧時目標電圧に充電することができる。
【0067】
減圧制御時に一つのピエゾスタックに対してのみ充電を行うものに比して、実質的に殆ど変わらない制御を実行するだけにもかかわらず、前記のごとく、高精度な充電が可能であり、さらに速やかに減圧を行うことが可能であるという格段の効果を発揮する。
【0068】
なお、より高精度な充電が必要な場合は、ハーフリフト状態とするインジェクタ1の数を増やせばよい。すなわち、減圧信号PDが入力状態であれば♯3、♯4気筒用の選択スイッチング素子25C,25Dをオンしてピエゾスタック127Cやピエゾスタック127Dにも充電電流が分配されるようにすればよい。また、コモンレール圧力が低い領域ではボール123に作用する圧力も低く、ハーフリフトとするには減圧制御時目標電圧も低いものとなる。ピエゾスタック電圧が低い領域では充電用スイッチング素子24aの1回のオンオフによるピエゾスタック電圧の上昇幅が大きくなるから、コモンレール圧力が低いほど、ハーフリフトとする気筒数を増やし、精度を高めるのもよい。
【0069】
(第2実施形態)
図5に本発明の第2実施形態になる燃料噴射装置を構成するピエゾアクチュエータ駆動回路を示す。図中、第1形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付し、第1形態との相違点を中心に説明する。図は♯1、♯2気筒のピエゾスタックや対応する選択スイッチング素子を省略している。
【0070】
ピエゾアクチュエータ駆動回路2Aは、減圧用のコンデンサ29が設けられて、通電経路22a,22bにより充電および放電が可能としてある。減圧用のコンデンサ29には直列に、減圧用のスイッチ手段であるスイッチング素子26が接続され、コントローラ28Aからの制御信号によりオンとオフとが切り換えられる。制御信号は、減圧信号PDが入力状態で噴射信号T1 が入力すると、その出力期間、♯1気筒用の選択スイッチング素子25Aへの制御信号ととともに出力されるようになっている。
【0071】
また、減圧用スイッチング素子26は寄生ダイオード261がバッファコンデンサ電圧に対して逆バイアスとなる向きに接続される。減圧用スイッチング素子26のオン時には、減圧用コンデンサ29は、選択されたピエゾスタック127A〜127Dと並列接続となる。
【0072】
コントローラ28Aは、第1実施形態では減圧信号に対してその出力期間中に同じバンクの気筒用のピエゾスタックの選択スイッチング素子がオンされるのに対し、本実施形態では前記のごとくスイッチング素子26がオンされる点を除き、基本的に第1実施形態のものと同じである。
【0073】
これにより、第1形態と同様に、減圧制御時には、充電電流が、選択されたピエゾスタック127Aと減圧用コンデンサ29とに分散されて、ピエゾスタック127Aにおいては充電電流が抑制されるので、高精度に減圧時目標電圧に充電することができる。
【0074】
また、前記のごとくコモンレール圧力が低い領域では減圧制御時目標電圧も低いものとなることから、減圧用コンデンサを複数設けるとともに各減圧用コンデンサに1対1に対応して減圧用スイッチング素子を設け、コモンレール圧力が低い領域ほど、多くの減圧用スイッチング素子がオンされるようにして、減圧制御時におけるピエゾスタック以外の容量を増やし、精度を高めるのもよい。
【0075】
(第3実施形態)
図6に本発明の第3実施形態になる燃料噴射装置を構成するピエゾアクチュエータ駆動回路を示す。第1形態において、減圧制御時にコントローラで実行されるスイッチング素子等の制御の設定を変えたもので、図中、第1形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付し、第1実施形態との相違点を中心に説明する。
【0076】
図7は減圧制御時の各部の状態を示すタイミングチャートである。減圧信号PDが入力した状態で噴射信号T1 が立ち上がると、先ず、前記のごとく♯1気筒用の選択スイッチング素子25Aがオンするとともに、充電用スイッチング素子24aと放電用スイッチング素子24bとが交互にオンオフする。それぞれのオン時期等は次のように設定されている。すなわち、オン期間はそれぞれ予め設定した所定の長さに設定される。また、先ず、充電用スイッチング素子24aのオン期間およびオフ期間において、通常噴射制御時と同様に三角波形の充電電流I#1が流れてピエゾスタック127Aが充電される。そして、充電電流I#1が略0になると、放電用スイッチング素子127Bのオン期間に入る。放電用スイッチング素子24bのオン期間およびオフ期間は、通常噴射制御時と同様に三角波形の放電電流I#1が流れてピエゾスタック127Aが放電されることになる。そして放電電流I#1が略0になると、再び充電用スイッチング素子24aがオンされてオン期間に入り、これが繰り返される。
【0077】
この間、ピエゾスタック電圧V#1は上昇と低下を繰り返し、ボール123がリフト可能な電圧(図中、減圧時VPZT )には達しない。バッファコンデンサ212は、かかるピエゾスタック127Aの充電と放電の繰り返しによりジュール熱でエネルギーを消耗し、バッファコンデンサ電圧VDC-DC が漸次、低下していく。
【0078】
このバッファコンデンサ電圧VDC-DC が予め設定した所定のしきい電圧V1 に達すると、スイッチング素子24a,24bのオンオフは停止され、充電用スイッチング素子24aのみがオンに固定される。
【0079】
さて、バッファコンデンサ電圧VDC-DC がしきい電圧V1 に達した後は充電用スイッチング素子24aのみがオンに固定されることになるので、バッファコンデンサ212からピエゾスタック127Aに電荷が移動し、バッファコンデンサ電圧VDC-DC およびピエゾスタック電圧V#1が同じ電圧になる。なお、バッファコンデンサ212の静電容量の方がピエゾスタック127Aの静電容量よりも十分に大きいので、同じ電圧値になったこれらの電圧はしきい電圧V1 と余り変わらない。ここで、しきい電圧V1 を前記減圧制御時目標電圧VPZT よりも低い値に設定することで、充電用スイッチング素子24aオン固定後のバッファコンデンサ電圧VDC-DC およびピエゾスタック電圧V#1も減圧制御時目標電圧VPZT よりも低い値となる。なお、図例ではV1 >0であるが、0Vでもよい。
【0080】
バッファコンデンサ電圧VDC-DC とピエゾスタック電圧V#1とが同じ電圧になると、DC−DCコンバータ211のスイッチング素子2112のオンオフを開始し、バッファコンデンサ212およびピエゾスタック127Aが充電される。ピエゾスタック電圧V#1が減圧制御時目標電圧VPZT に達したら、充電用スイッチング素子24aをオフに固定し、ピエゾスタック127Aの充電を完了する。並列接続されたピエゾスタック127Aおよびバッファコンデンサ212にDC−DCコンバータ211から充電されるので、充電電流はピエゾスタック127Aとバッファコンデンサ212とに分散され、ピエゾスタック127Aにおける充電電流I#1が抑制され、ピエゾスタック127Aを高精度に減圧制御時目標電圧に充電することができる。なお、DC−DCコンバータ211はその後も作動を継続してバッファコンデンサ212のみを充電し、次回の通常の燃料噴射制御に備える。
【0081】
そして、ピエゾスタック127Aの放電は前記各実施形態と同様に、噴射信号の立ち下がりで、選択スイッチング素子25Aがオフするとともに、放電用スイッチング素子24bがオンオフしてピエゾスタック127Aが放電する。
【0082】
なお、ピエゾスタックの充電量はピエゾスタック電圧ではなく、ピエゾスタックに供給された電力量を指標としてもよい。
【0083】
また、インジェクタはピエゾスタックが発生した駆動力が変位拡大室の燃料圧力を介してボールに伝達される構成としているが、本発明は、変位拡大室がなくピエゾスタックが押圧する単一のピストンが直接にボールを押圧駆動する構成のインジェクタを備えた燃料噴射装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の燃料噴射装置を構成し、燃料噴射用のインジェクタに搭載されたピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図2】 前記燃料噴射装置の全体構成図である。
【図3】 前記インジェクタの断面図である。
【図4】 前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すタイミングチャートである。
【図5】 本発明の第2の燃料噴射装置を構成するピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図6】 本発明の第3の燃料噴射装置を構成するピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図7】 前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
1 インジェクタ
1a ノズル部
1b 背圧制御部(背圧増減手段)
1c ピエゾアクチュエータ
110 弁室
110a 低圧ポート
123 ボール(弁体)
127,127A,127B,127C,127D ピエゾスタック
2,2A,2B ピエゾアクチュエータ駆動回路
2a 駆動回路本体部(通電手段)
211 DC−DCコンバータ(給電源)
212 バッファコンデンサ
22a,22b 通電経路(充電経路、放電経路)
23 インダクタ
24a 充電用のスイッチング素子(充電用のスイッチ手段)
24b 放電用のスイッチング素子(放電用のスイッチ手段)
25A,25B,25C,25D,25E,25F 選択スイッチング素子(選択用のスイッチ手段)
26 減圧用のスイッチング素子(減圧用のスイッチ手段)
28,28A,28B コントローラ(制御手段)
29 減圧用のコンデンサ
31 CPU[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to pressure reduction control of fuel pressure in a como rail of a fuel injection device.
[0002]
[Prior art]
A common rail type fuel injection device stores fuel boosted by a high pressure supply pump in a common rail and supplies the fuel from the common rail to an injector for fuel injection.
[0003]
Although there are various configurations of the injector, the needle that opens and closes the nozzle hole of the nozzle portion is raised and lowered by increasing or decreasing the back pressure to switch between injection and stop, and the back pressure is obtained from the fuel from the common rail There is something. The back pressure is increased or decreased by the following means. That is, a valve body is provided between a back pressure chamber in which fuel is introduced from a common rail and generates a back pressure and a low pressure source such as a fuel tank, and a valve body for opening and closing a port on the low pressure source side in the valve chamber When the valve body is lifted, the back pressure chamber communicates with the low pressure source to reduce the back pressure. As a result, the needle is lifted and fuel injection is started. As the back pressure increasing / decreasing means having the valve chamber and the valve body, a two-way valve or a three-way valve can be used.
[0004]
As an actuator for driving a valve body, a piezo actuator using a piezoelectric action of a piezoelectric material such as PZT has recently been considered. In the piezo actuator, a piezo stack that expands and contracts due to charging and discharging generates a pressing force. For example, the piezo stack extends by charging, and the port is closed to drive the valve body to lift it from the valve seat.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the common rail type fuel injection device, the fuel pressure in the common rail is controlled by adjusting the pumping amount of the fuel to the common rail so as to obtain the optimal injection pressure corresponding to the operation condition together with the fuel injection control. However, if the operating condition suddenly changes from a condition requiring high injection pressure (high pressure and high load) to a condition requiring relatively low pressure injection pressure (low pressure and low load), the fuel pressure in the common rail cannot be reduced. If fuel is injected in this pressure state, noise may be generated or exhaust may be deteriorated. Therefore, it is necessary not only to reduce the pumping amount of the common rail, but also to positively discharge high-pressure fuel from the common rail.
[0006]
As described above, in the configuration in which the injector uses the fuel from the common rail as the control oil, the valve body is lifted with the needle seated to reduce the fuel pressure in the common rail, and the fuel in the back pressure chamber is released. (JP 2000-161170 A). The back pressure of the needle in the closed state is sufficiently higher than the pressure at which the needle can be opened, and the seating state is maintained even if the back pressure is reduced to some extent. On the other hand, if the valve body is brought into a lift state (half lift) that does not reach the full lift as in the needle opening / closing control, the amount of decrease in the pressure in the back pressure chamber is small. Therefore, the fuel in the common rail is returned to the fuel tank through the injector and the fuel pressure in the common rail is reduced by setting the valve body to a half lift within the range where the back pressure of the needle does not fall below the needle openable pressure. become.
[0007]
In order to realize the half lift of the valve body when the injector is mounted with the piezo actuator, it is charged to a charge level that can withstand the fuel pressure in the valve chamber equal to the fuel pressure in the common rail in order to lift the valve body from the seated state. On the other hand, it is necessary not to exceed a charge amount (injection start charge amount) at which the needle lifts and fuel injection starts.
[0008]
However, when the valve body is in the seated state, the area of the pressure receiving surface of the valve body where the fuel pressure in the valve chamber acts in the lift direction is small, and the fuel pressure in the valve chamber is approximately equal to the fuel pressure in the common rail, so it acts in the seating direction. The unbalanced pressure is overwhelmingly dominant. On the other hand, once the valve body is lifted, the fuel pressure in the valve chamber decreases and the pressure receiving surface of the valve body where the fuel pressure acts in the lift direction increases, so that the force acting in the seating direction acts in the lift direction. The unbalanced pressure state is relieved.
[0009]
This relaxation of the unbalanced pressure state acts in a direction that promotes the extension of the piezo stack, so the charge amount that the valve body lifts and the fuel starts to return from the back pressure chamber to the fuel tank (leak start charge amount) The lift amount of the valve body is relatively large only by slightly exceeding, and there is not much difference between the leakage start charge amount and the injection start charge amount.
[0010]
For this reason, when depressurizing the common rail by half lift of the valve body, it is necessary to charge the piezo stack with high accuracy with respect to the target charge amount.
[0011]
As a configuration of a piezo actuator driving circuit for driving a piezo actuator, there is a multiple switching type configuration. This includes a first energization path for energizing the piezo stack from the capacitor via the switching element and the inductor, and a second energization path for energizing the piezo stack by bypassing the capacitor and the switching element. In the energization path, a charging current that gradually increases during the ON period of the switching element flows, and in the second energization path, a charging current that gradually decreases during the OFF period of the switching element flows by a flywheel action. . This takes a substantially triangular waveform in which the charging current gradually increases and decreases in response to one on / off of the switching element. When the switching element is repeatedly turned on and off, the charge amount of the piezo stack increases toward the target charge amount. For example, the length of one ON / OFF period is 5 μs and the peak value of the charging current is 20 to 30 A.
[0012]
Here, the larger the charging current, the larger the amount of energy supplied to the piezo stack per unit time, and the more likely the charging amount error is. In particular, in the case of the multiple switching method, charging is performed even during the off period of the switching element, and charging control is disabled during this period. Since the supply energy in this off period is defined by the peak value of the charging current, the larger the peak value, the more likely the charge amount error will occur. Therefore, if the charging accuracy is to be increased, the charging current is reduced. If the multiple switching method is used, the length of the ON period is shortened to suppress the peak value of the charging current. It is sufficient to reduce the energy supplied to the battery.
[0013]
However, if the peak value of the charging current is set to about 5 A, for example, the length of the ON period becomes about 1 μs, and a switching speed of about 500 kHz is required. It is disadvantageous.
[0014]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel injection device capable of charging a piezo stack with high accuracy with respect to a target charge amount in pressure reduction control of common rail pressure.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
Claim1In the described invention, the nozzle has a needle for opening and closing the nozzle hole, and a high-pressure fuel stored in the common rail is supplied to inject the fuel from the nozzle hole, and the fuel is introduced from the common rail and the needle is A back pressure chamber for generating back pressure; a valve body disposed in a valve chamber interposed between the back pressure chamber and the low pressure source so that the port on the low pressure source side can be closed; Back pressure increasing / decreasing means for lowering the pressure of the back pressure chamber as the amount increases, and a piezo stack that presses and drives the valve body, and the amount of lift of the valve body increases as the amount of charge of the piezo stack increases. An injector with an increasing piezo actuator;
An energization means having an energization path for energizing the piezo stack and charging and discharging the piezo stack;
In response to a fuel injection command, the energization means is operated with a charge amount that the valve body can be fully lifted as a target charge amount, and in response to a fuel pressure reduction command in the common rail, the needle is seated. A fuel injection device having control means for operating the energization means with a charge amount that the valve body lifts as a target charge amount;
Connected in parallel with the piezo stackFor depressurization that can be charged and discharged through the energization path.A capacitor,
A pressure reducing switch means for switching between connection and disconnection of the capacitor and the piezo stack,
The control means;
The depressurization switch unit is controlled together with the energization unit, and the depressurization switch unit is turned on in the energization control for the depressurization command.The charging current is distributed to the piezo stack and the capacitorSet as follows.
[0018]
During decompression control, a decompression capacitor is connected in parallel to the piezo stack to be charged, so that the charging current is dispersed. Since the piezo stack is equivalent to suppressing the charging current, it is possible to charge the target charge amount that can be half lifted with high accuracy.
[0019]
Claim2In the described invention, the nozzle has a needle for opening and closing the nozzle hole, and a high-pressure fuel stored in the common rail is supplied to inject the fuel from the nozzle hole, and the fuel is introduced from the common rail and the needle is A back pressure chamber for generating back pressure; a valve body disposed in a valve chamber interposed between the back pressure chamber and the low pressure source so that the port on the low pressure source side can be closed; Back pressure increasing / decreasing means for lowering the pressure of the back pressure chamber as the amount increases, and a piezo stack that presses and drives the valve body, and the amount of lift of the valve body increases as the amount of charge of the piezo stack increases. An injector with an increasing piezo actuator;
A buffer capacitor for temporarily storing electric charge to be supplied to the piezo stack;
A power supply for charging the buffer capacitor;
A charging switch means for switching between opening and closing a charging path of the piezo stack,
A switch means for discharging that switches between opening and closing a discharge path of the piezo stack,
Control means for controlling a power supply, a switch means for charging and a switch means for discharging, and for the fuel injection command, the charge switch with the charge amount that the valve body can be fully lifted as a target charge amount Control means for operating the charging switch means with a charge amount that the valve body is lifted while the needle is seated as a target charge amount in response to a command to reduce the fuel pressure in the common rail. In a fuel injection device having
The control means;
In the energization control with respect to the pressure reduction command, the charging switch means and the discharging switch means are alternately turned on and off, and the voltage across the buffer capacitor is more than the voltage across the piezo stack corresponding to the target charge amount at the time of control against the pressure reduction command. Discharge until low voltage value,
When the voltage across the buffer capacitor reaches the voltage value, the charging switch means is fixed to ON, and the piezo stack is set to be charged to the target charge amount together with the buffer capacitor by the power supply.
[0020]
During decompression control, the valve element is lifted by charging the piezo stack with the power supply. At this time, since the buffer capacitor is connected in parallel to the piezo stack to be charged, the charging current is dispersed. Since the piezo stack is equivalent to suppressing the charging current, it is possible to charge the target charge amount that can be half lifted with high accuracy.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First form)
FIG. 2 shows the present invention.The basis of1 shows a configuration of a common rail fuel injection device of a diesel engine. The number of
[0022]
The fuel supplied from the
[0023]
The
[0024]
Further, the
[0025]
FIG. 3 shows the structure of the
[0026]
A
[0027]
Fuel as control oil is introduced from the high-
[0028]
The back pressure is increased or decreased by a back pressure control unit 1 b, and the back pressure control unit 1 b is driven by a
[0029]
The
[0030]
In the
[0031]
The
[0032]
The large-
[0033]
A space defined by the lower small-
[0034]
At the time of fuel injection, first, the
[0035]
On the contrary, when the injection is stopped, the
[0036]
Further, as will be described later, the
[0037]
When the
[0038]
FIG. 1 shows the configuration of a piezo
[0039]
The drive circuit
[0040]
The
[0041]
A
[0042]
The
[0043]
The second type
[0044]
MOSFETs are used for the
[0045]
Control signals are input from the
[0046]
Also, a relatively
[0047]
The
[0048]
The
[0049]
Further, a target voltage setting signal proportional to a target piezo stack voltage (hereinafter referred to as a target voltage) that is a target charge amount is input to the
[0050]
At the time of charge control, the
[0051]
In the discharge control, the ON period and the OFF period of the
[0052]
In this way, the
[0053]
Charge / discharge timing setting signals T1, T2, T3, and T4 for defining the charging timing and discharging timing of the
[0054]
Further, a decompression signal PD is inputted as a control signal from the
[0055]
The
[0056]
FIG. 4 is a timing chart showing the operation of each part of the piezo
[0057]
In the first half of the timing chart, the decompression signal PD is not input, and the
[0058]
Then, the charging of the
[0059]
Next, decompression control will be described. If the decompression signal PD is “H”, the
[0060]
Accordingly, both the
[0061]
The rise of the piezo stack voltage that rises once when the charging
en = (1/2) CPZT (VPZT22−VPZT12) ... (1)
[0062]
When charging a plurality (n) of piezo stacks, equation (2) is obtained.
en = n * (1/2) CPZT (VPZT22−VPZT12) ... (2)
[0063]
Here, if en = 20 mJ, CPZT = 10 μF, and VPZT1 = 100 V, the voltage rise width ΔVPZT (= VPZT2−VPZT1) when the piezo stack is charged is ΔVPZT = 18.3 V when there is one piezo stack. On the other hand, when there are two piezo stacks, ΔVPZT = 9.5V. In this way, it is possible to suppress the voltage rise width, and charging can be performed with high accuracy.
[0064]
Thereby, it is possible to charge the target voltage during decompression with high accuracy without lowering the peak value of the charging current and turning on and off the
[0065]
In addition, since the fuel can be released to the
[0066]
The same applies to the third and fourth cylinders. When the decompression signal is input and the injection signal T3 for the # 3 cylinder is input, the
[0067]
Compared to the case where only one piezo stack is charged at the time of pressure reduction control, it is possible to charge with high accuracy as described above, despite performing control that is substantially unchanged. The remarkable effect is that the pressure can be reduced quickly.
[0068]
In addition, what is necessary is just to increase the number of the
[0069]
(Second Embodiment)
FIG. 5 shows a piezo actuator drive circuit constituting the fuel injection device according to the second embodiment of the present invention. In the figure,First formThe same number is attached to the parts that operate substantially the same asFirst formThe difference will be mainly described. In the figure, the piezo stack of # 1 and # 2 cylinders and the corresponding selective switching elements are omitted.
[0070]
The piezo
[0071]
The
[0072]
In the first embodiment, in the first embodiment, the selection switching element of the piezo stack for the cylinders in the same bank is turned on during the output period of the decompression signal in the first embodiment, whereas in the present embodiment, the switching
[0073]
ThisFirst formSimilarly, at the time of decompression control, the charging current is distributed to the selected
[0074]
In addition, since the target voltage at the time of pressure reduction control is low in the region where the common rail pressure is low as described above, a plurality of pressure reduction capacitors are provided, and a pressure reduction switching element is provided corresponding to each pressure reduction capacitor, It is also possible to increase the capacity other than the piezo stack at the time of pressure reduction control and increase the accuracy by turning on more pressure reduction switching elements in the region where the common rail pressure is lower.
[0075]
(Third embodiment)
FIG. 6 shows a piezo actuator drive circuit constituting a fuel injection device according to the third embodiment of the present invention.First formIn the figure, the control setting of the switching element or the like executed by the controller at the time of pressure reduction control is changed.First formThe same number is attached | subjected to the part which carries out substantially the same operation | movement, and it demonstrates centering on difference with 1st Embodiment.
[0076]
FIG. 7 is a timing chart showing the state of each part during pressure reduction control. When the injection signal T1 rises while the pressure reducing signal PD is input, first, as described above, the
[0077]
During this time, the piezo stack voltage V# 1Repeatedly rises and falls, and does not reach a voltage at which the
[0078]
This buffer capacitor voltage VDC-DCReaches a predetermined threshold voltage V1 set in advance, the
[0079]
Now, the buffer capacitor voltage VDC-DCAfter reaching the threshold voltage V1, only the charging
[0080]
Buffer capacitor voltage VDC-DCAnd piezo stack voltage V# 1, The
[0081]
Similarly to the above embodiments, the discharge of the
[0082]
Note that the amount of charge of the piezo stack may be an index that is not the piezo stack voltage but the amount of power supplied to the piezo stack.
[0083]
The injector is configured such that the driving force generated by the piezo stack is transmitted to the ball via the fuel pressure in the displacement expansion chamber. However, the present invention has a single piston that is pressed by the piezo stack without the displacement expansion chamber. The present invention can also be applied to a fuel injection device including an injector configured to directly press and drive a ball.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]First1 is a circuit diagram of a piezo actuator driving circuit that constitutes a fuel injection device and drives a piezo actuator mounted on an injector for fuel injection. FIG.
FIG. 2 is an overall configuration diagram of the fuel injection device.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the injector.
FIG. 4 is a timing chart showing the operation of the piezo actuator drive circuit.
FIG. 5 is a circuit diagram of a piezo actuator driving circuit constituting the second fuel injection device of the present invention.
FIG. 6 is a circuit diagram of a piezo actuator drive circuit constituting a third fuel injection device of the present invention.
FIG. 7 is a timing chart showing the operation of the piezo actuator drive circuit.
[Explanation of symbols]
1 Injector
1a Nozzle part
1b Back pressure control unit (back pressure increasing / decreasing means)
1c Piezo actuator
110 Valve chamber
110a Low pressure port
123 Ball (valve)
127, 127A, 127B, 127C, 127D Piezo stack
2,2A, 2B Piezo actuator drive circuit
2a Drive circuit body (energization means)
211 DC-DC converter (power supply)
212 Buffer capacitor
22a, 22b energization path (charge path, discharge path)
23 Inductor
24a Switching element for charging (switching means for charging)
24b Switching element for discharging (switching means for discharging)
25A, 25B, 25C, 25D, 25E, 25F Selection switching element (switching means for selection)
26 Switching element for pressure reduction (switching means for pressure reduction)
28, 28A, 28B Controller (control means)
29 Depressurizing capacitor
31 CPU
Claims (2)
前記ピエゾスタックに通電する通電経路を有しピエゾスタックの充電と放電とを行う通電手段と、
燃料の噴射指令に対しては、前記弁体がフルリフト可能な充電量を目標充電量として前記通電手段を作動せしめ、前記コモンレール内の燃料圧力の減圧指令に対しては、前記ニードルが着座状態のままで前記弁体がリフトする充電量を目標充電量として前記通電手段を作動せしめる制御手段とを有する燃料噴射装置において、
ピエゾスタックと並列に接続されて前記通電経路による充電および放電が可能な減圧用のコンデンサと、
該コンデンサとピエゾスタックとの接続と切断とを切り換える減圧用のスイッチ手段とを具備せしめ、
前記制御手段を、
前記通電手段とともに前記減圧用スイッチ手段を制御し、前記減圧指令に対する通電制御において、前記減圧用スイッチ手段をオンして充電電流が前記ピエゾスタックと前記コンデンサとに分散されるように設定したことを特徴とする燃料噴射装置。A nozzle having a needle that opens and closes the nozzle hole, is supplied with high-pressure fuel stored in a common rail, and injects the fuel from the nozzle hole, and fuel is introduced from the common rail to generate a back pressure of the needle The valve body is disposed in a back pressure chamber and a valve chamber interposed between the back pressure chamber and the low pressure source so that the port on the low pressure source side can be closed, and the lift amount of the valve body is increased. And a back pressure increasing / decreasing means for decreasing the pressure of the back pressure chamber according to the present invention, and a piezo actuator having a piezo stack that presses and drives the valve body and increasing the lift amount of the valve body as the charge amount of the piezo stack increases. An injector with
An energization means having an energization path for energizing the piezo stack and charging and discharging the piezo stack;
In response to a fuel injection command, the energization means is operated with a charge amount that the valve body can be fully lifted as a target charge amount, and in response to a fuel pressure reduction command in the common rail, the needle is seated. A fuel injection device having control means for operating the energization means with a charge amount that the valve body lifts as a target charge amount;
A pressure reducing capacitor connected in parallel with the piezo stack and capable of being charged and discharged by the energization path;
A pressure reducing switch means for switching between connection and disconnection of the capacitor and the piezo stack,
The control means;
The depressurization switch means is controlled together with the energization means, and in the energization control with respect to the depressurization command, the depressurization switch means is turned on and the charging current is set to be distributed to the piezo stack and the capacitor. A fuel injection device.
前記ピエゾスタックに供給する電荷を一時蓄えるバッファコンデンサと、
該バッファコンデンサを充電する給電源と、
ピエゾスタックの充電経路の開成と閉成とを切り換える充電用のスイッチ手段と、
ピエゾスタックの放電経路の開成と閉成とを切り換える放電用のスイッチ手段と、
給電源、充電用のスイッチ手段および放電用のスイッチ手段を制御する制御手段であって、燃料の噴射指令に対しては、前記弁体がフルリフト可能な充電量を目標充電量として前記充電用スイッチ手段を作動せしめ、前記コモンレール内の燃料圧力の減圧指令に対しては、前記ニードルが着座状態のままで前記弁体がリフトする充電量を目標充電量として前記充電用スイッチ手段を作動せしめる制御手段とを有する燃料噴射装置において、
前記制御手段を、
前記減圧指令に対する通電制御において、充電用スイッチ手段と放電用スイッチ手段とが交互にオンオフし、前記バッファコンデンサの両端間電圧が減圧指令に対する制御時の目標充電量に対応するピエゾスタック両端間電圧よりも低い電圧値になるまで放電し、
バッファコンデンサの両端間電圧が前記電圧値になると前記充電用スイッチ手段がオンに固定されて、給電源によりバッファコンデンサとともにピエゾスタックを前記目標充電量まで充電するように設定したことを特徴とする燃料噴射装置。A nozzle having a needle that opens and closes the nozzle hole, is supplied with high-pressure fuel stored in a common rail, and injects the fuel from the nozzle hole, and fuel is introduced from the common rail to generate a back pressure of the needle The valve body is disposed in a back pressure chamber and a valve chamber interposed between the back pressure chamber and the low pressure source so that the port on the low pressure source side can be closed, and the lift amount of the valve body is increased. And a back pressure increasing / decreasing means for decreasing the pressure of the back pressure chamber according to the present invention, and a piezo actuator having a piezo stack that presses and drives the valve body and increasing the lift amount of the valve body as the charge amount of the piezo stack increases. An injector with
A buffer capacitor for temporarily storing electric charge to be supplied to the piezo stack;
A power supply for charging the buffer capacitor;
A charging switch means for switching between opening and closing a charging path of the piezo stack,
A switch means for discharging that switches between opening and closing a discharge path of the piezo stack,
Control means for controlling a power supply, a switch means for charging and a switch means for discharging, and for the fuel injection command, the charge switch with the charge amount that the valve body can be fully lifted as a target charge amount Control means for operating the charging switch means with a charge amount that the valve body is lifted while the needle is seated as a target charge amount in response to a command to reduce the fuel pressure in the common rail. In a fuel injection device having
The control means;
In the energization control with respect to the pressure reduction command, the charging switch means and the discharging switch means are alternately turned on and off, and the voltage across the buffer capacitor is more than the voltage across the piezo stack corresponding to the target charge amount at the time of control against the pressure reduction command. Discharge until low voltage value,
The fuel is characterized in that when the voltage across the buffer capacitor reaches the voltage value, the charging switch means is fixed to ON and the piezo stack is charged to the target charge amount together with the buffer capacitor by a power supply. Injection device.
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