DE19954023A1 - Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung - Google Patents

Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung

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Abstract

Ein Ablaßventil (11b) zur Steuerung eines Einspritzzeitpunkts und Kraftstoffdrucks in einer gemeinsamen Leitung (12) ist in einem Kraftstoffinjektor (11) angeordnet. Das Ablaßventil ist durch einen piezoelektrischen Aktuator (11c) angetrieben, der sich entsprechend diesem zugeführter elektrischer Ladung ausdehnt oder schrumpft. In Kondensatoren (92, 93, 192) gespeicherte elektrische Ladung wird dem Aktuator (11c) auf gesteuerte Weise zugeführt. Das Ablaßventil (11b) öffnet vollständig, wenn eine große Ladungsmenge dem piezoelektrischen Aktuator zugeführt wird, während es teilweise öffnet, wenn eine kleine Menge an Ladung zugeführt wird. Beim vollständigen Öffnen des Ablaßventils wird ein Einspritzloch (21) geöffnet, um Kraftstoff von dem Injektor einzuspritzen. Bei der teilweisen Öffnung bleibt das Einspritzloch geschlossen, während der Druck in der gemeinsamen Leitung (12) vermindert wird, indem Kraftstoff durch das Ablaßventil (11b) abgelassen wird. Folglich kann der Druck in der gemeinsamen Leitung wirksam vermindert werden, wenn dies erforderlich ist, ohne eine komplexe Einrichtung zu verwenden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung, die verwendet wird, um Kraftstoff einer Brennkraftmaschine zuzuführen.
Ein Kraftstoffzuführsystem, welches Hochdruckkraftstoff, der in einer gemeinsamen Leitung (common rail) gespeichert ist, einer Brennkraftmaschine, wie einem Dieselmotor zuführt, wird verbreitet eingesetzt. Ein Beispiel eines Injektors, der in einem solchen Kraftstoffzuführsystem verwendet wird, ist in dem US Patent Nr. 5,694,903 beschrieben. Der Injektor umfaßt eine Düsennadel, welche verschiebbar in ein Injektorgehäuse eingesetzt ist, und die Düsennadel öffnet oder schließt entsprechend einem auf die Düsennadeln aufgebrachten Rückdruck ein Einspritzloch, welches an einer Spitze des Gehäuses ausgebildet ist. Hochdruckkraftstoff wird in eine Steuerkammer eingeführt, in welcher der Rückdruck erzeugt wird, und der Druck in der Steuerkammer wird durch Betätigung eines Ablaßventils gesteuert. Das Kraftstoffzuführsystem ist durch eine ECU (Elektronische Steuereinheit) insgesamt gesteuert. Die ECU steuert das Ablaßventil in seine geschlossene oder offene Stellung und steuert die in der gemeinsamen Leitung zu sammelnde Kraftstoffmenge entsprechend Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine. In diesem System ist es jedoch schwierig, den Druck in der gemeinsamen Leitung schnell zu vermindern, wenn dies durch eine plötzliche Änderung der Brennkraftmaschinenbetriebsbedingungen von einer hohen Last zu einer niedrigen Last erforderlich wird, weil lediglich die der gemeinsamen Leitung zuzuführende Menge gesteuert wird. Im Ergebnis können Geräusche erzeugt und es können schädliche Abgase von der Brennkraftmaschine abgegeben werden. Es ist erforderlich, den Kraftstoff in der gemeinsamen Leitung, zusätzlich zur Verminderung der dazu zugeführten Kraftstoffmenge, abzulassen.
Um eine solche Schwierigkeit zu bewältigen, schlägt das japanische Patent Nr. 2659718 vor, ein Drucksteuerventil in einem Durchlaß vorzusehen, der die gemeinsame Leitung und den Kraftstofftank miteinander verbindet. Das Drucksteuerventil umfaßt einen kugelförmigen Ventilkörper, der in einer Richtung zum Schließen des Ventils durch eine Schraubenfeder vorgespannt ist, und einen elektromagnetischen Aktuator. Ein Druckniveau zum Öffnen des Ventils wird gesteuert, indem ein dem elektromagnetischen Aktuator zugeführter Erregerstrom eingestellt wird. Indem das zusätzliche Drucksteuerventil in dem Durchlaß vorgesehen ist, wird jedoch die Rohrnetzstruktur in dem Kraftstoffzuführsystem komplex.
Eine andere Einrichtung zur Verminderung des Drucks in der gemeinsamen Leitung ist in der JP-A-2-191865 und in dem US Patent 5,711,274 beschrieben. In dieser Einrichtung wird ein elektromagnetisches Dreiwegeventil als ein Ablaßsteuerventil verwendet, das wahlweise die Steuerkammer mit der gemeinsamen Leitung oder der Niederdruckkraftstoffquelle verbindet. Das Dreiwegeventil verbindet zunächst die Steuerkammer mit der Niederdruckkraftstoffquelle, dann mit der Steuerkammer bevor die Düsennadel angehoben wird und erneut mit der Niederdruckkraftstoffquelle, wodurch Hochdruckkraftstoff der Niederdruckkraftstoffquelle zugeführt wird, während das Einspritzloch geschlossen wird. Jedoch ist die Menge an Hochdruckkraftstoff, der während eines Betriebszyklus des Dreiwegeventils abgelassen wird, klein, weil die Steuerkammer von der Niederdruckkraftstoffquelle getrennt werden muß, um darin Druck aufzubauen, bevor die Düsennadel angehoben wird. Entsprechend ist die zum Ablassen von Hochdruckkraftstoff verfügbare Zeit sehr kurz. Folglich muß das Dreiwegeventil häufig betätigt werden, um den Druck in der gemeinsamen Leitung auf ein erforderliches Niveau zu senken, und es ist eine große Strommenge erforderlich, um das Dreiwegeventil zu betätigen. Insbesondere ist ein Kondensator mit einer großen Kapazität erforderlich, um das Dreiwegeventil zu betätigen und ein Schaltkreis zum Antrieb des Dreiwegeventils wird sperrig. Zudem erfordert es eine lange Zeitspanne, um den Druck in der gemeinsamen Leitung auf ein gewünschtes Niveau zu reduzieren. Die Brennkraftmaschine kann während dieser Betätigung nicht ordnungsgemäß gesteuert werden. Zudem werden Geräusche durch die Hochgeschwindigkeitsbetätigung des Dreiwegeventils erzeugt und eine häufige Hochgeschwindigkeitsbetätigung steht der Haltbarkeit des Dreiwegeventils entgegen.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorgenannten Schwierigkeiten gemacht und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckkraftstoffeinspritzeinrichtung zu schaffen, die Kraftstoff von der Hochdruckkraftstoffquelle ablassen kann, wenn dies erforderlich ist, ohne ein zusätzliches Drucksteuerventil zu verwenden oder ohne ein Ablaßventil mit hoher Geschwindigkeit zu betätigen.
Die Hochdruckkraftstoffzuführvorrichtung umfaßt einen Injektor und einen Schaltkreis zum Antrieb des Injektors auf gesteuerte Weise. Der Injektor besteht aus einem Injektorgehäuse, welches mit einer Hochdruckkraftstoffquelle, wie einer gemeinsamen Leitung, und einer Niederdruckkraftstoffquelle, wie einem Kraftstofftank, verbunden ist, und aus anderen Injektorkomponenten, die in dem Injektorgehäuse aufgenommen sind. Ein Einspritzloch ist an der Spitze des Injektorgehäuses ausgebildet und Kraftstoff wird von dem Einspritzloch eingespritzt, wenn es geöffnet ist. Eine Düsennadel zum Öffnen und Schließen des Einspritzlochs ist gleitend in dem Injektorgehäuse angeordnet. Eine Steuerkammer zur Steuerung der Bewegung der Düsennadel durch Kraftstoffdruck ist darin oberhalb der Düsennadel vorgesehen. Ein Ablaßventil, welches den Kraftstoffdruck in der Steuerkammer durch Ablassen von Kraftstoff davon steuert, ist in der Steuerkammer angeordnet. Der Öffnungsgrad des Ablaßventils wird durch einen piezoelektrischen Aktuator gesteuert, der sich entsprechend der dazu zugeführten Ladungsmenge ausdehnt oder zusammenzieht. Der piezoelektrische Aktuator ist ebenfalls in dem Injektorgehäuse aufgenommen.
Der Antriebsschaltkreis steuert den Hub des piezoelektrischen Aktuators durch Zuführen verschiedener elektrischer Ladungen dazu. Der Antriebsschaltkreis besteht aus einer Gleichstromquelle, Kondensatoren, die von der Gleichstromquelle geladen werden, und Schaltern, die die Ladungsmenge steuern, die von den Kondensatoren zu den piezoelektrischen Aktuatoren zugeführt wird. Die Ladungsmenge, die dem piezoelektrischen Aktuator zugeführt wird, wird auf zwei Pegel gesteuert, um den Öffnungsgrad des Ablaßventils auf zwei Pegel einzustellen.
Wenn eine große Ladungsmenge oder hohe Spannung dem piezoelektrischen Aktuator zugeführt wird, dehnt sich der piezoelektrische Aktuator vollständig aus, um das Ablaßventil vollständig zu öffnen, wodurch der Steuerkammerdruck durch Ablassen von Kraftstoff von der Steuerkammer vermindert wird. Beim vollständigen Öffnen des Ablaßventils wird die Düsennadel von ihrer Sitzstellung abgehoben, um das Einspritzloch zu öffnen, wodurch Kraftstoff aus dem Einspritzloch eingespritzt wird. Wenn eine geringe Ladungsmenge oder niedrige Spannung zu dem piezoelektrischen Aktuator zugeführt wird, dehnt sich der piezoelektrische Aktuator teilweise aus, um das Ablaßventil teilweise zu öffnen. In diesem Fall wird der Steuerkammerdruck ebenfalls teilweise vermindert und die Düsennadel verbleibt auf ihrem Sitz, ohne das Einspritzloch zu öffnen. Entsprechend wird keine Kraftstoffeinspritzung in diesem Zustand ausgeführt, während Kraftstoff in der Steuerkammer in die Niederdruckkraftstoffquelle abgelassen wird, wodurch der Druck in der Hochdruckkraftstoffquelle gesenkt wird.
Um die dem piezoelektrischen Aktuator zugeführte Ladungsmenge zwischen hohen und niedrigen Pegeln umzuschalten, können zwei Kondensatoren in dem Antriebsschaltkreis vorgesehen werden. In diesem Fall werden beide Kondensatoren verwendet, um den Aktuator auf einen hohen Pegel aufzuladen, während ein Kondensator verwendet wird, um den Aktuator auf einen niedrigen Pegel zu laden bzw. zu beaufschlagen. In einem Fall, in welchem eine Vielzahl von Injektoren, die jeweils einen entsprechenden piezoelektrischen Aktuator haben, in der Vorrichtung vorgesehen sind, kann die in einem Kondensator gespeicherte elektrische Ladung an jeden Aktuator durch einen entsprechenden Schalter verteilt werden, der mit jedem Aktuator verbunden ist. Um das Ablaßventil eines ausgewählten Injektors vollständig zu öffnen, wird die gespeicherte Ladung lediglich dem einen Aktuator zugeführt, der dem gewählten Injektor entspricht. Andererseits wird, um die Ablaßventile aller Injektoren teilweise zu öffnen, die gespeicherte Ladung gleichmäßig auf alle Aktuatoren verteilt. Auf diese Weise wird der Öffnungsgrad des Ablaßventils auf zwei Pegel gesteuert. Wenn es erforderlich ist, eine Voreinspritzung mit einer verminderten Kraftstoffmenge auszuführen, ist es möglich, den Öffnungsgrad des Ablaßventils zu wählen, so daß die Düsennadel teilweise angehoben wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Druck in der gemeinsamen Leitung rasch auf ein vorbestimmtes Niveau gesenkt werden, wenn dies erforderlich ist, wobei die Einspritzvorrichtung einen einfachen Aufbau hat. Schädliche Geräusche und Abgase infolge übermäßigen Drucks in der gemeinsamen Leitung können wirksam unterdrückt werden.
Andere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung deutlicher. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht, die einen Injektor gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ein Schaltkreisdiagramm, das einen Antriebsschaltkreis zeigt, der in einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet ist;
Fig. 3 ein Blockdiagramm, das ein gesamtes Einspritzsystem zeigt, auf welches die vorliegende Erfindung angewandt ist;
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm über die Zeit, in welchem der Betrieb des ersten Ausführungsbeispiels mit durchgezogenen Linien und der Betrieb eines zweiten Ausführungsbeispiels mit unterbrochenen Linien gezeigt ist;
Fig. 5 ein Schaltkreisdiagramm, das einen Antriebsschaltkreis zeigt, der in einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet ist; und
Fig. 6 ein Ablaufdiagramm über die Zeit, welches den Betrieb des dritten Ausführungsbeispiels zeigt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 4 beschrieben. Zunächst wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 ein gesamtes Kraftstoffeinspritzsystem 1 zum Zuführen von Kraftstoff zu einem Dieselmotor beschrieben, auf welches die vorliegende Erfindung angewandt ist. Es ist eine gemeinsame Leitung 12 (common rail) vorgesehen, die mit jedem Zylinder des Dieselmotors über einen entsprechenden Injektor 11 verbunden ist. Die Injektoren 11 sind mit der gemeinsamen Leitung 12 über eine Hochdruckkraftstoffleitung 16 verbunden. Hochdruckkraftstoff wird von einer Hochdruckpumpe 13 der gemeinsamen Leitung 12 zugeführt und darin gesammelt. Eine ECU 18 steuert die Injektoren 11, so daß eine passende Menge bedruckten Kraftstoffs rechtzeitig dem Dieselmotor (nicht gezeigt) entsprechend seinen Betriebsbedingungen zugeführt wird. Der Kraftstoffdruck des in den Motor eingespritzten Kraftstoffs ist im wesentlichen gleich dem Kraftstoffdruck in der gemeinsamen Leitung 12. Der Druck in der gemeinsamen Leitung 12 wird durch einen Drucksensor 19 erfaßt. Ein Steuerventil 14, welches die Hochdruckpumpe 13 und einen Kraftstofftank 15 verbindet, wird durch die ECU auf der Basis des durch den Drucksensor 19 erfaßten Drucks in der gemeinsamen Leitung gesteuert, um die der gemeinsamen Leitung 12 zugeführte Kraftstoffmenge einzustellen. Der Druck in der gemeinsamen Leitung wird entsprechend den Betriebszuständen des Motors, die durch andere Sensoren (nicht gezeigt) erfaßt werden, auf ein erforderliches Niveau geregelt. Die Injektoren 11 sind zusätzlich mit dem Kraftstofftank 15 über Ablaßleitungen 17 verbunden.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht des Injektors 11 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Injektor 11 besteht aus einem Injektorgehäuse 2, einer Düse 11a, einem Ablaßventil 11b und ein piezoelektrischen Aktuator 11c. Der Injektor ist an dem Motor angebracht, so daß sein unterer Abschnitt sich in eine Brennkammer des Motors erstreckt. Das Injektorgehäuse 2 ist allgemein zylinderförmig und umfaßt einen Hochdruckanschluß 26, der über die Hochdruckkraftstoffleitung 16 mit der gemeinsamen Leitung 12 verbunden ist, und einen Auslaßanschluß 27, der über die Ablaßleitung 17 mit dem Kraftstofftank 15 verbunden ist. Sowohl der Hochdruckanschluß 26 als auch der Auslaßanschluß 27 sind an einem oberen Ende des Injektorgehäuses 2 ausgebildet. Eine innere Bohrung 20, ein Hochdruckdurchlaß 23 und ein Ablaßdurchlaß 25 sind jeweils in dem Injektorgehäuse 2 ausgebildet, wie in der Zeichnung gezeigt ist. Ein Fortsatz oder Sack 22 und ein Einspritzloch 21, von dem Hochdruckkraftstoff eingespritzt wird, sind an dem unteren Ende des Injektorgehäuses 2 vorgesehen. Das Einspritzloch 21 ist über eine innere Bohrung 20 mit dem Hochdruckdurchlaß 23 verbunden, wenn die Düse 11a geöffnet ist.
Die Düse 11a ist folgendermaßen aufgebaut. Die Düsennadel 3 ist in dem Injektorgehäuse 2 angeordnet und ist gleitend in einem Nadelzylinder 203 gehalten, der in dem Injektorgehäuse 2 ausgebildet ist. Eine konusförmige Ventilfläche 31 ist an dem unteren Ende der Düsennadel 3 ausgebildet und auf einen konusförmigen Ventilsitz 201 aufgesetzt, der an der oberen Öffnung des Fortsatzes 22 ausgebildet ist. Ein Speicherraum 202 ist an einem unteren Ende des Nadelzylinders 203 ausgebildet, um die Düsennadel 3 zu umgeben. Der Speicherraum 202 ist mit dem Hochdruckdurchlaß 23 verbunden, so daß Hochdruckkraftstoff von dem Hochdruckanschluß 26 dem Speicherraum 202 zugeführt wird. Der Hochdruckkraftstoff in dem Speicherraum 202 wird durch eine innere Bohrung 20 und den Fortsatz 22 von dem Einspritzloch 21 eingespritzt, wenn die Düsennadel 3 von dem Ventilsitz 203 abgehoben ist. Der Druck des Hochdruckkraftstoffs wird auf den oberen Teil der Ventilfläche 31 aufgebracht, die den Ventilsitz 201 nicht berührt, und dadurch wird die Düsennadel 3 aufwärts gedrückt. Eine Feder 4 ist in einer Ausnehmung angeordnet, die an dem oberen Ende der Düsennadel 3 ausgebildet ist, so daß die Düsennadel 3 abwärts vorgespannt ist.
Eine Steuerkammer 204 ist oberhalb des oberen Endes der Düsennadel 3 ausgebildet und durch den Nadelzylinder 203 umgeben. Die Steuerkammer 204 ist mit dem Hochdruckdurchlaß 23 über eine Einlaßöffnung 24 verbunden, durch welche der Hochdruckkraftstoff der Steuerkammer 204 zugeführt wird. Der Hochdruckkraftstoff in der Steuerkammer 204 erzeugt einen Rückdruck, um die Düsennadel 3 abwärts zu drücken.
Das Ablaßventil 11b ist folgendermaßen aufgebaut. Ein Ventilteil 5, das aus einem Ventilkopf 51 und einer Ventilstange 52 besteht, ist oberhalb der Feder 4 in der Steuerkammer 204 angeordnet. Die Ventilstange 52 ist gleitend in dem Kolbenzylinder 208 gehalten, der in der Mitte des Injektorgehäuses 2 ausgebildet ist. Ein ringförmiger Durchlaß 207 ist unterhalb des Kolbenzylinders 208 ausgebildet und umgibt die Ventilstange 52. Der ringförmige Durchlaß 207 ist mit dem Ablaßdurchlaß 25 verbunden. Ein Auslaß 205, der einen schrägen Ventilsitz 206 hat, ist zwischen der Steuerkammer 204 und dem ringförmigen Durchlaß 207 ausgebildet. Eine schräge Ventilfläche 511 des Ventilkopfs 51 sitzt auf dem schrägen Ventilsitz 206 auf, weil er durch die Feder 4 aufwärts vorgespannt ist. Mit anderen Worten, das Ablaßventil 11b ist ein nach außen offenes Ventil, welches öffnet, wenn das Ventilteil 5 in Richtung auf die Steuerkammer 204 abwärts gedrückt wird. Wenn das Ablaßventil 11b öffnet, wird der Hochdruck in der Steuerkammer 204 durch den Auslaß 205 und den ringförmigen Durchlaß 207 in den Ablaßdurchlaß 25 abgelassen.
Nun wird der piezoelektrische Aktuator 11c beschrieben, der das Ventilteil 5 antreibt. Eine Aktuatorkammer 209 mit einem vergrößerten Durchmesser ist oberhalb des Kolbenzylinders 208 ausgebildet. Ein Kolben 6, der aus einer Kolbenstange 61 und einem Kolbenhalter 62 besteht, ist in der Aktuatorkammer 209 angeordnet. Die Kolbenstange 61 ist gleitend in dem Kolbenzylinder 208 gehalten und der Kolbenhalter 62 ist gleitend in der Aktuatorkammer 209 gehalten. Das untere Ende der Kolbenstange 61 liegt an dem oberen Ende der Ventilstange 52 an. Eine Tellerfeder 7 ist zwischen der unteren Wand der Aktuatorkammer 209 und dem unteren Ende des Kolbenhalters 62 angeordnet, so daß der Kolben 6 aufwärts vorgespannt ist. Eine piezoelektrische Säule 8 ist in der inneren Bohrung des Kolbenhalters 62 angeordnet und ist in Anlage mit der oberen Wand des Injektorgehäuses 2. Die piezoelektrische Säule 8 ist mit einem Antriebsschaltkreis 9 (später beschrieben), der durch eine ECU 18 gesteuert ist, über einen Leitungsdraht 81 verbunden. Die piezoelektrische Säule 8 expandiert oder schrumpft entsprechend ihr zugeführten elektrischen Ladungen, wodurch sie den Kolben 6 abwärts oder aufwärts antreibt, um das Ablaßventil 11b zu öffnen oder zu schließen.
Fig. 2 zeigt den Antriebsschaltkreis 9, welcher die piezoelektrische Säule 8 unter Steuerung der ECU 18 antreibt. Der Antriebsschaltkreis 9 umfaßt einen Gleichstrom- Gleichstromwandler 91 (nachfolgend als Gleichstromwandler bezeichnet), der eine Batteriespannung in eine vorbestimmte Gleichspannung umwandelt, einen ersten Kondensator 92 und einen zweiten Kondensator 93. Beide Kondensatoren 92, 93 werden von dem Gleichstromwandler 91 geladen. Ein Anschluß jedes Kondensators ist geerdet und eine Diode 94 ist zwischen den anderen Anschlüssen beider Kondensatoren 92, 93 verbunden, wobei eine Anode der Diode mit dem ersten Kondensator verbunden ist. Eine Verbindung der Diode 94 und des ersten Kondensators 92 ist mit dem Gleichstromwandler 91 über einen Ladeschalter 96 verbunden, so daß beide Kondensatoren 92, 93 von dem Gleichstromwandler 91 geladen werden, indem der Ladeschalter 96 geschlossen wird. Eine Verbindung der Diode 94 mit dem zweiten Kondensator 93 ist mit einem Plusanschluß der piezoelektrischen Säule 8 (auch piezoelektrischer Stapel) über einen ersten Schalter 97 und einen Induktionsspule 95 verbunden, so daß die piezoelektrische Säule 8 von beiden Kondensatoren 92, 93 geladen wird, indem der erste Schalter 97 auf pulsierende Weise geschlossen wird. Zudem ist der erste Kondensator 92 mit der piezoelektrischen Säule 8 über einen zweiten Schalter 98 und die Induktionsspule 95 verbunden, so daß die piezoelektrische Säule 8 lediglich von dem ersten Kondensator 92 geladen wird, indem der zweite Schalter 98 auf pulsierende Weise geschlossen wird.
Die Kapazität beider Kondensatoren 92, 93 ist im wesentlichen gleich gewählt. Die Induktionsspule 95 dient zur Einstellung der Anschlußspannung der piezoelektrischen Säule 8 im wesentlichen proportional zu der Ladungsmenge, die von den Kondensatoren zugeführt wird. Folglich beträgt die Anschlußspannung der piezoelektrischen Säule 8 etwa die Hälfte, wenn der zweite Schalter 98 geschlossen ist, verglichen damit, wenn der erste Schalter 97 geschlossen ist. Eine Verbindung des ersten und zweiten Schalters und der Induktionsspule 95 ist über einen Entladeschalter 99 geerdet, so daß die piezoelektrische Säule 8 durch die Induktionsspule 95 entladen wird, wenn der Entladeschalter 99 geschlossen ist. Der Betrieb aller Schalter ist durch einen Mikrocomputer gesteuert, der die ECU 18 bildet.
Der Betrieb des Injektors 11 wird nachfolgend beschrieben. Beim Schließen des Ladeschalters 96 auf pulsierende Weise werden beide Kondensatoren 92, 93 durch die vorbestimmte Gleichspannung des Gleichspannungswandlers 91 geladen. Beim Schließen des ersten Schalters 97 auf pulsierende Weise, nachdem beide Kondensatoren 92, 93 geladen wurden, wird die piezoelektrische Säule 8 von beiden Kondensatoren 92, 93 durch die Induktionsspule 95 geladen. Im Ergebnis dehnt sich die piezoelektrische Säule 8 aus und drückt den Kolben 6 herunter, um das Ablaßventil 11b zu öffnen. Beim Schließen des zweiten Schalters 98 auf pulsierende Weise anstelle des ersten Schalters 97 wird die piezoelektrische Säule 8 lediglich von dem ersten Kondensator 92 durch die Induktionsspule 95 geladen. In diesem Fall ist die piezoelektrische Säule 8 zur Hälfte geladen. Im Ergebnis expandiert die piezoelektrische Säule 8 zur Hälfte, um das Ablaßventil 11b halb zu öffnen. Dies bedeutet, daß der Öffnungsgrad des Ablaßventils auf zwei Pegel gesetzt werden kann, indem die Kondensatoren zum Laden der piezoelektrischen Säule 8 ausgewählt werden.
Unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm über die Zeit von Fig. 4 wird der Betrieb des Antriebsschaltkreises 9 und des Injektors 11 erläutert. Durchgezogene Linien im Ablaufdiagramm zeigen den Betrieb des ersten Ausführungsbeispiels, während unterbrochene Linien den Betrieb eines zweiten Ausführungsbeispiels zeigen, welches später beschrieben wird. Die linke Hälfte des Ablaufdiagramms zeigt den Betrieb, wenn die Einspritzung ausgeführt wird, und die rechte Hälfte zeigt den Betrieb, wenn der Druck in der gemeinsamen Leitung abgesenkt wird und keine Einspritzung ausgeführt wird.
Wenn der erste Schalter 97 auf pulsierende Weise geschlossen wird, wie in dem ersten Diagramm von Fig. 4 gezeigt ist, die piezoelektrische Säule 8 durch beide Kondensatoren 92, 93 auf einen vorbestimmten Maximalpegel geladen, wie in dem vierten Diagramm gezeigt ist. Folglich dehnt sich die piezoelektrische Säule 8 vollständig aus und drückt den Kolben 6 herab, um das Ablaßventil 11b vollständig zu öffnen. Der Öffnungsgrad des Ablaßventils ist proportional zur Ausdehnung der piezoelektrischen Säule 8. Im Ergebnis nimmt der Druck in der Steuerkammer 204 rasch und tief ab, wie in dem fünften Diagramm gezeigt ist. Der Rückdruck, der auf das obere Ende der Düsennadel 3 einwirkt, nimmt ab und der auf die Ventilfläche 31 aufgebrachte Druck übertrifft den Rückdruck, wodurch sich die Düsennadel 3 rasch aufwärts bewegt, um das Einspritzloch 21 zu öffnen, wie in dem sechsten Diagramm gezeigt ist. Folglich wird Hochdruckkraftstoff von dem Einspritzloch 21 eingespritzt, wie in dem siebtem Diagramm gezeigt ist.
Beim Schließen des Entladeschalters 99 zu einem gesteuerten Zeitpunkt, wie in dem dritten Diagramm gezeigt ist, wird die piezoelektrische Säule 8 auf den Anfangspegel entladen, wie in dem vierten Diagramm gezeigt ist. Die piezoelektrische Säule 8 schrumpft auf ihre anfängliche Länge und dadurch wird die Ventilstange 5 durch eine kombinierte Kraft der Tellerfeder 7, der Feder 4 und dem Druck in der Steuerkammer 204 hochgedrückt. Somit wird das Ablaßventil 11b geschlossen und die Steuerkammer 204 ist von dem Ablaßdurchlaß 25 getrennt. Im Ergebnis erholt sich der Druck in der Steuerkammer 204 auf das anfängliche Niveau, wie in dem fünften Diagramm gezeigt ist, weil der Hochdruckkraftstoff durch den Hochdruckdurchlaß 23 zugeführt wird. Entsprechend wird der Druck in der Steuerkammer 204 höher als die auf die Düsennadel 3 aufgebrachte Hebekraft und die Düsennadel 3 sitzt erneut auf dem Ventilsitz 203 auf, wie in dem sechsten Diagramm gezeigt ist, um die Kraftstoffeinspritzung aus dem Einspritzloch 21 zu beenden, wie in dem siebten Diagramm gezeigt ist. Wie zuvor beschrieben wurde, wird die Kraftstoffeinspritzung durch Schließen des ersten Schalters 97 begonnen und durch Schließen des Entladeschalters 99 beendet. Weil die Betätigung beider Schalter durch die ECU 18 gesteuert ist, wird eine gewünschte Kraftstoffmenge rechtzeitig in die Brennkammer des Motors eingespritzt.
Der Vorgang der Verminderung des Drucks in der gemeinsamen Leitung 12 wird unter Bezugnahme auf die rechte Hälfte des Ablaufdiagramms über die Zeit, der mit durchgezogenen Linien in Fig. 4 gezeigt ist, beschrieben. Beim Schließen des zweiten Schalters 98 auf pulsierende Weise, wie in dem zweiten Diagramm gezeigt ist, wird lediglich die in dem ersten Kondensator 92 gespeicherte Ladung der piezoelektrischen Säule 8 zugeführt.
Die Anschlußspannung der piezoelektrischen Säule 8 steigt auf einen Pegel an, der etwa die Hälfte des Pegels beträgt, der durch Zuführen der in beiden Kondensatoren 92, 93 gespeicherten Ladung erhalten wird, wie in dem vierten Diagramm gezeigt ist. Folglich dehnt sich die piezoelektrische Säule 8 lediglich um die Hälfte aus und das Ablaßventil 11b wird zur Hälfte geöffnet. Der Druck in der Steuerkammer 204 konvergiert zu einem Niveau, bei dem die Menge an durch die Einlaßöffnung 24 zugeführtem Hochdruckkraftstoff gleich der Kraftstoffmenge wird, die durch das halb geöffnete Ablaßventil 11b in den Ablaßdurchlaß 25 abgelassen wird. Der Druck in der Steuerkammer 204 nimmt langsam ab und der Grad der Druckabnahme ist kleiner als jener, der erhalten wird, wenn die piezoelektrische Säule 8 vollständig geladen ist, wie in dem fünften Diagramm gezeigt ist, weil die durch das Ablaßventil 11b abgelassene Kraftstoffmenge kleiner ist. Mit anderen Worten, der Druck in der Steuerkammer 204 nimmt nicht ausreichend ab, um die Düsennadel 3 anzuheben. Folglich bleibt das Einspritzloch 21 geschlossen, wenn das Ablaßventil 11b halb geöffnet ist. Hochdruckkraftstoff in der gemeinsamen Leitung 12 fließt durch den Hochdruckdurchlaß 22, die Steuerkammer 204 und den Ablaßdurchlaß 25 in den Kraftstofftank 15 ab. Eine wirksame Zeitspanne, während der der Hochdruckkraftstoff abgelassen wird, ist ausreichend lang, weil es nicht erforderlich ist, das Ablaßventil 11b und den piezoelektrischen Aktuator 11c alternierend zu schalten. Folglich kann der Druck in der gemeinsamen Leitung 12 schnell vermindert werden.
Wenn der Druck in der gemeinsamen Leitung 12 auf ein vorbestimmtes Niveau abgenommen hat, wird der Entladeschalter 99 auf pulsierende Weise geschlossen, wie in dem dritten Diagramm gezeigt ist. Die piezoelektrische Säule 8 wird entladen und ihre Spannung fällt auf den ursprünglichen Pegel, wie in dem vierten Diagramm gezeigt ist, wodurch das Ablaßventil 11b geschlossen wird. Somit erholt sich der Druck in der Steuerkammer 204 auf das ursprüngliche Niveau, wie in dem fünften Diagramm gezeigt ist. Nachdem der Druck in der Steuerkammer 204 sich auf das ursprüngliche Niveau erholt hat, wird der normale Einspritzbetrieb ausgeführt, der in der linken Hälfte von Fig. 4 gezeigt ist.
Nun wird ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. Im dem zweiten Ausführungsbeispiel wird ein erster Kondensator 92 verwendet, der eine etwas größere Kapazität hat als der zweite Kondensator 93, im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel, in welchem die beiden verwendeten Kondensatoren 92, 93 die gleiche Kapazität haben. Die normale Einspritzung wird auf die gleiche Weise ausgeführt, wie in der linken Hälfte von Fig. 4 gezeigt ist, während eine Voreinspritzung mit einer verminderten Einspritzrate auf eine Weise ausgeführt wird, die mit unterbrochenen Linien in der rechten Hälfte von Fig. 4 gezeigt ist.
Um die Voreinspritzung oder den Einspritzungsbeginn mit einer verminderten Einspritzrate auszuführen, wird der zweite Schalter 98 auf pulsierende Weise zu einer Zeit geschlossen, wenn die Einspritzung begonnen werden soll, wie mit der unterbrochenen Linie in dem dritten Diagramm von Fig. 4 gezeigt ist. Die piezoelektrische Säule 8 wird lediglich von dem ersten Kondensator 92 geladen. Die Spannung der piezoelektrischen Säule 8 erreicht den mit der unterbrochenen Linie in dem vierten Diagramm gezeigten Pegel, welcher niedriger ist, als der bei der normalen Einspritzung, jedoch höher als der beim Druckablaßvorgang des ersten Ausführungsbeispiels. Dies liegt daran, daß die Kapazität des ersten Kondensators 92, der in dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet wird, höher ist, als der des Druckablaßvorgangs in dem ersten Ausführungsbeispiel. Folglich ist die Druckabnahme in der Steuerkammer 204 niedriger als bei der normalen Einspritzung, jedoch höher als bei dem Druckablaßvorgang des ersten Ausführungsbeispiels, wie mit der unterbrochenen Linie in dem fünften Diagramm gezeigt ist. Der Öffnungsgrad des Ablaßventils 11b ist proportional zu der Druckabnahme in der Steuerkammer 204. In Folge der Druckabnahme in der Steuerkammer 204 wird die Düsennadel 3 angehoben, um das Einspritzloch 21 zu öffnen, wie mit der unterbrochenen Linie in dem sechsten Diagramm gezeigt ist. Dies liegt daran, daß die Kapazität des ersten Kondensators 92 in dem zweiten Ausführungsbeispiel so gewählt ist, daß die auf die Düsennadel 3 aufgebrachte Hebekraft etwas größer wird als der verminderte Druck in der Steuerkammer 204. Somit wird Kraftstoff mit einer verminderten Rate aus dem Einspritzloch 21 eingespritzt, wie mit der unterbrochenen Linie in dem siebten Diagramm gezeigt ist.
Obwohl die Voreinspritzung mit der verminderten Einspritzrate durch Wählen der Kapazität des ersten Kondensators 92 auf eine Größe realisiert ist, die etwas höher ist, als die des zweiten Kondensators 93 in dem zweiten Ausführungsbeispiel, kann sie auch auf anderen Wegen verwirklicht werden. Beispielsweise kann der erste Kondensator 92 auf einen höheren Pegel geladen werden, indem eine Schließperiode (Pulsbreite) des Ladeschalters 96 geändert wird oder indem die Spannung des Gleichspannungswandlers 91 geändert wird. Insbesondere kann die Schließperiode des Ladeschalters 96 entsprechend den erforderlichen Regelungen gewählt werden. Wenn es erforderlich ist, den Druck in der gemeinsamen Leitung zu senken, wird der Ladeschalter 96 für eine kürzere Zeitspanne geschlossen, während er für eine längere Zeitspanne geschlossen wird, wenn die Einspritzung mit einer verminderten Einspritzrate erforderlich ist.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 beschrieben. Der mechanische Aufbau des Injektors des dritten Ausführungsbeispiels ist gleich dem des ersten Ausführungsbeispiels. Der Schaltkreis zum Antrieb des Injektors unterscheidet sich von dem des ersten Ausführungsbeispiels. Der Antriebsschaltkreis 100 des dritten Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 gezeigt und treibt vier Injektoren, die an einem Vierzylindermotor angebracht sind.
Ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 191 (nachfolgend als Gleichstromwandler bezeichnet) wandelt eine Batteriespannung in eine vorbestimmte Gleichspannung um und lädt einen Kondensator 192, wenn ein Ladeschalter 194 geschlossen ist. Der Kondensator 192 ist über einen Hauptschalter 195 und eine Induktionsspule 193 mit einem Plusanschluß jeder piezoelektrischen Säule 8 verbunden, die das Ablaßventil 11b jedes Injektors 11 antreiben. Ein Minusanschluß jeder piezoelektrischen Säule 8 ist über einen jeweiligen Hilfsschalter 196a bis 196d geerdet. Die piezoelektrische Säule 8 wird von dem Kondensator 192 geladen, wenn sowohl der Hauptschalter 195 als auch der zugehörige Hilfsschalter 196a bis 196d geschlossen sind. Die Induktionsspule 193 wird verwendet, so daß die Anschlußspannung der piezoelektrischen Säule 8 proportional zu der in dem Kondensator 192 gespeicherten Ladungsmenge wird, wenn die piezoelektrische Säule 8 geladen wird. Eine Diode 198 ist parallel mit jedem Hilfsschalter 196a bis 196d verbunden. Eine Verbindung des Hauptschalters 195 mit der Induktionsspule 193 ist über einen Entladeschalter 197 geerdet, so daß die piezoelektrische Säule 8 durch die Induktionsspule 193 und die Diode 198 entladen wird, wenn der Entladeschalter 197 geschlossen ist. Alle Schalter 194, 195, 196a bis 196d und 197 sind durch die ECU 18 gesteuert.
Das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung arbeitet folgendermaßen. Beim Schließen des Entladeschalters 194 wird der Kondensator 192 von dem Gleichstromwandler 191 geladen. Nachdem der Kondensator 192 geladen ist, werden der Hauptschalter 195 und einer der Hilfsschalter 196a bis 196d, der ausgewählt ist, gleichzeitig geschlossen, um eine der piezoelektrische Säulen 8 zu laden. Die ausgewählte piezoelektrische Säule 8 expandiert und drückt das Ventilteil 5 nach unten. Somit wird das dem gewählten Hilfsschalter 196a bis 196d entsprechende Ablaßventil 11b geöffnet.
Andererseits wird, wenn alle Hilfsschalter 196a bis 196d zur gleichen Zeit geschlossen sind, die in dem Kondensator 192 gespeicherte Ladung gleichmäßig auf jede der piezoelektrischen Säulen 8 verteilt, um alle gleichzeitig zu laden. Die Anschlußspannung aller piezoelektrischen Säulen 8 wird ein Viertel der Anschlußspannung, die erhalten wird, wenn lediglich einer der Hilfsschalter 196a bis 196d geschlossen ist. Folglich expandiert die piezoelektrische Säule 8 lediglich um ein Viertel der vollen Ausdehnung und das Ablaßventil 11b öffnet nur um ein Viertel der vollen Öffnung. Dies bedeutet, daß der Öffnungsgrad des Ablaßventils 11b auf zwei Pegel gesetzt werden kann, indem die Betätigungsweise der Hilfsschalter 196a bis 196d ausgewählt wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird der Betrieb des Injektors 11 genauer erläutert. Die linke Hälfte von Fig. 6 zeigt eine normale Einspritzsteuerung, während die rechte Hälfte eine Steuerung zur Verminderung des Drucks in der gemeinsamen Leitung 12 zeigt, auf die gleiche Weise wie Fig. 4. Zunächst wird die normale Einspritzsteuerung erläutert. Nachdem der Kondensator 192 geladen ist, werden der Hauptschalter 195 und einer der Hilfsschalter 196a bis 196d, der zum Einspritzen von Kraftstoff aus dem entsprechenden Injektor ausgewählt ist (in dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel ist der Hilfsschalter 196a ausgewählt) gleichzeitig geschlossen, wie in dem ersten Diagramm von Fig. 6 gezeigt ist. Alle anderen Hilfsschalter 196b bis 196d bleiben offen, wie in dem zweiten, dritten und vierten Diagramm gezeigt ist. Die piezoelektrische Säule 8, die dem geschlossenen Hilfsschalter 196 entspricht, ist vollständig geladen und ihre Anschlußspannung steigt auf den maximalen Pegel an, wie in dem sechsten Diagramm gezeigt ist. Die piezoelektrische Säule 8 expandiert vollständig, um das Ablaßventil 11b vollständig zu öffnen. Die Ausdehnung der piezoelektrischen Säule 8, die Verlagerung des Kolbens 6, die Abwärtsbewegung des Ventilteils 5 und der Öffnungsgrad des Ablaßventils 11b sind alle proportional zur Wellenform der Anschlußspannung der piezoelektrischen Säule 8. Wenn das Ablaßventil 11b vollständig öffnet, wird Kraftstoff in der Steuerkammer 204 rasch in den Ablaßdurchlaß 25 abgegeben, wodurch der Druck in der Steuerkammer 204 tief abgesenkt wird, wie in dem siebten Diagramm gezeigt ist. Weil die Hebekraft, die auf die Düsennadel 3 aufgebracht wird, den Druck in der Steuerkammer 204 übersteigt, wird die Düsennadel 3 angehoben, um das Einspritzloch 21 zu öffnen, wie in dem achten Diagramm gezeigt ist. Somit wird der Kraftstoff von dem Injektor 11 in Übereinstimmung mit dem gewünschten Hilfsschalter 196a eingespritzt, wie in dem neunten Diagramm gezeigt ist.
Zu einem Zeitpunkt, der entsprechend den Motorbetriebsbedingungen berechnet ist, wird der Entladeschalter 194 geschlossen, wie in dem fünften Diagramm gezeigt ist. Die Ladung in der piezoelektrischen Säule 8 wird entladen und ihre Anschlußspannung fällt auf den Ursprungspegel ab, wie in dem sechsten Diagramm gezeigt ist. Die piezoelektrische Säule 8 schrumpft auf die ursprüngliche Länge, wodurch sie das Ablaßventil 11b schließt. Im Ergebnis ist die Verbindung zwischen der Steuerkammer 204 und dem Ablaßdurchlaß 25 unterbrochen und der Druck in der Steuerkammer baut sich erneut durch dahinein durch den Hochdruckdurchlaß 23 fließenden Hochdruckkraftstoff auf, wie in dem siebten Diagramm gezeigt ist. Entsprechend wird die Düsennadel 3 herabgedrückt, um das Einspritzloch 21 zu schließen, wie in dem achten Diagramm gezeigt ist. Somit ist die Kraftstoffeinspritzung beendet, wie in dem neunten Diagramm gezeigt ist. Jeder der Injektoren entsprechend der gewählten Hilfsschalter 196a bis 196d arbeitet auf die gleiche Weise, wie sie oben beschrieben ist.
Die Steuerung zur Verminderung des Drucks in der gemeinsamen Leitung 12 wird unter Bezugnahme auf die rechte Hälfte von Fig. 6 erläutert. Diese Steuerung kann ausgeführt werden, ohne mit der Motordrehung synchronisiert zu sein, weil diese Steuerung ausgeführt wird, wenn keine Einspritzung erforderlich ist. Nachdem der Kondensator 192 geladen ist, werden der Hauptschalter 195 und alle Hilfsschalter 196a bis 196d gleichzeitig auf pulsierende Weise geschlossen, wie in dem ersten bis vierten Diagramm von Fig. 6 gezeigt ist. Die in dem Kondensator 192 gespeicherte Ladung wird gleichmäßig auf jede piezoelektrische Säule 8 verteilt. Diese verteilte Ladung reicht nicht aus, um jede piezoelektrische Säule 8 vollständig zu laden, sondern erfüllt lediglich ein Viertel der vollen Ladung.
Die Anschlußspannung der piezoelektrischen Säule 8 steigt an, wie in dem sechsten Diagramm gezeigt ist. Entsprechend expandiert die piezoelektrische Säule 8 lediglich um ein Viertel ihrer gesamten Expansion und das Ablaßventil 11b öffnet lediglich zu einem Viertel seiner vollständigen Öffnung. Der Druck in der Steuerkammer 204 nimmt auf ein Niveau ab, welches durch ein Gleichgewicht zwischen der durch die Einlaßöffnung 24 zugeführten Menge an Hochdruckkraftstoff und der in den Ablaßdurchlaß 25 abgegebenen Kraftstoffmenge bestimmt ist, wie in dem siebten Diagramm gezeigt ist. Weil der Öffnungsgrad des Ablaßventils 11b klein ist, nimmt der Druck in der Steuerkammer 204 allmählich ab und der Betrag der Druckabnahme ist klein. Dies bedeutet, daß der Druck in der Steuerkammer 204 weiterhin zu hoch ist, um die Düsennadel 3 anzuheben, um das Einspritzloch 21 zu öffnen. Folglich bleibt die Düsennadel 3 aufgesetzt, auch wenn das Ablaßventil 11b bis zu einem bestimmten Grad geöffnet ist, wie in dem achten Diagramm gezeigt ist, und es wird keine Einspritzung ausgeführt, wie in dem neunten Diagramm gezeigt ist. Somit kann der Kraftstoffdruck in der gemeinsamen Leitung 12 vermindert werden, indem Kraftstoff durch das Ablaßventil 11b abgelassen wird, während das Einspritzloch 21 geschlossen ist. Es ist eine ausreichende Zeitspanne zum Ablassen des Kraftstoffs verfügbar, weil kein Schaltvorgang des Ablaßventils 11b und des piezoelektrischen Aktuators 11c erforderlich ist, und entsprechend kann der Druck in der gemeinsamen Leitung rasch vermindert werden.
Nachdem der Druck in der gemeinsamen Leitung 12 auf ein vorbestimmtes Niveau abgesenkt ist, wird der Entladeschalter 197 geschlossen, wie in dem fünften Diagramm gezeigt ist. Alle piezoelektrischen Säulen 8 werden entladen, wodurch ihre Anschlußspannung auf den Ursprungspegel gesenkt wird, wie in dem sechsten Diagramm gezeigt ist. Im Ergebnis erholt sich der Druck in der Steuerkammer 204 auf ein ursprüngliches Niveau, wie in dem siebten Diagramm gezeigt ist. Nachdem der Steuerkammerdruck sich auf das ursprüngliche Niveau erholt hat, wird die normale Einspritzsteuerung ausgeführt.
Das oben beschriebene dritte Ausführungsbeispiel kann auf verschiedene Weise modifiziert werden. Beispielsweise kann in der Steuerung zur Veränderung des Drucks in der gemeinsamen Leitung anstelle der Verteilung der in dem Kondensator 192 gespeicherten Ladung auf vier piezoelektrische Säulen 8 die gespeicherte Ladung lediglich auf zwei oder drei piezoelektrischen Säulen 8 verteilt werden. Auf diese Weise kann das Ablaßventil 11b auch teilweise geöffnet werden, während das Einspritzloch 11 geschlossen gehalten wird, so daß der Kraftstoff in den Ablaßdurchlaß 25 abgelassen wird, um den Druck in der gemeinsamen Leitung zu senken. Ferner ist der Motor, für den das dritte Ausführungsbeispiel verwendet ist, nicht auf einen Vierzylindermotor beschränkt, sondern es kann jeder Motor sein, der zwei oder mehr Zylinder hat.
Der in Fig. 1 gezeigte Injektoraufbau kann modifiziert werden. Beispielsweise kann, obwohl der Kolben 6 in dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau unmittelbar in Anlage gegen das Ventilteil 5 ist, ein bestimmter Raum dazwischen vorgesehen werden und Kraftstoff kann in den Raum gefüllt sein, so daß die Druckkraft des Kolbens 6 indirekt auf das Ventilteil 5 übertragen wird und ein thermischer Ausdehnungsunterschied zwischen der piezoelektrischen Säule 8 und dem Injektorgehäuse 2 absorbiert wird. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, den Kolben 6 koaxial mit dem Ventilteil 5 anzuordnen und die piezoelektrische Säule 8 kann so angeordnet werden, daß ihre Ausdehnungsrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ventilteils 5 ist. Obwohl das Ablaßventil 11b als ein nach außen öffnendes Ventil beschrieben ist, kann es ein Ventil sein, das nach innen öffnet.
Es ist in dem Entladevorgang der piezoelektrischen Säule 8 zudem möglich, einen Teil der der piezoelektrischen Säule 8 zugeführten Ladungen in den ersten und zweiten Kondensator 92, 93 (Fig. 2) zurückzugewinnen, indem der zweite Schalter 98 für eine kurze Zeit geschlossen wird, bevor der Entladeschalter 99 geschlossen wird. Auf diese Weise kann Leistung zum Betrieb des Antriebsschaltkreises 9 eingespart werden. Obwohl die vorliegende Erfindung auf die Einspritzvorrichtung zur Verwendung in einem Einspritzsystem mit gemeinsamer Leitung (common rail) in der vorhergehenden Beschreibung angewandt wurde, kann sie auf die Vorrichtung zur Verwendung in anderen Systemen angewandt werden.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die vorhergehenden bevorzugten Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, daß Änderungen in der Form und in Einzelheiten daran vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.
Ein Ablaßventil 11b zur Steuerung eines Einspritzzeitpunkts und Kraftstoffdrucks in einer gemeinsamen Leitung 12 ist in einem Kraftstoffinjektor 11 angeordnet. Das Ablaßventil ist durch eine piezoelektrischen Aktuator 11c angetrieben, der sich entsprechend diesem zugeführter elektrischer Ladung ausdehnt oder schrumpft. In Kondensatoren 92, 93, 192 gespeicherte elektrische Ladung wird dem Aktuator 11c auf gesteuerte Weise zugeführt. Das Ablaßventil 11b öffnet vollständig, wenn eine große Ladungsmenge dem piezoelektrischen Aktuator zugeführt wird, während es teilweise öffnet, wenn eine kleine Menge an Ladung zugeführt wird. Beim vollständigen Öffnen des Ablaßventils wird ein Einspritzloch 21 geöffnet, um Kraftstoff von dem Injektor einzuspritzen. Bei der teilweisen Öffnung bleibt das Einspritzloch geschlossen, während der Druck in der gemeinsamen Leitung 12 vermindert wird, indem Kraftstoff durch das Ablaßventil 11b abgelassen wird. Folglich kann der Druck in der gemeinsamen Leitung wirksam vermindert werden, wenn dies erforderlich ist, ohne eine komplexe Einrichtung zu verwenden.

Claims (7)

1. Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung, mit:
einem Injektor (11) mit einem Injektorgehäuse (2), das mit einer Hochdruckkraftstoffquelle (12) und einem Niederdruckkraftstoffspeicher (15) verbunden ist, einem Injektionsloch (21), das an der Spitze des Injektorgehäuses ausgebildet ist, um Kraftstoff davon einzuspritzen, einer Düsennadel (3), die gleitend in dem Injektorgehäuse aufgenommen ist, um das Einspritzloch zu öffnen und zu schließen, einer Steuerkammer (204), die oberhalb der Düsennadel angeordnet ist und in die Hochdruckkraftstoff von der Hochdruckkraftstoffquelle eingeführt wird, einem Ablaßventil (11b) mit einem variablen Öffnungsgrad, das in der Steuerkammer angeordnet ist, um Kraftstoff in den Niederdruckkraftstoffspeicher abzulassen, und einem piezoelektrischen Aktuator (11c) mit einem veränderlichen Hub, um den Öffnungsgrad des Ablaßventils zu steuern, und
einer Einrichtung (9) zur stufenweisen Steuerung des Hubs des piezoelektrischen Aktuators, um den Öffnungsgrad des Ablaßventils (11b) zu ändern.
2. Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei:
die Steuereinrichtung (9) eine Kondensatoreinrichtung (92, 93, 192) zum Speichern elektrischer Ladung darin und zum Zuführen der gespeicherten elektrischen Ladung zu dem piezoelektrischen Aktuator (8) und eine Einrichtung zum Einstellen der zu dem piezoelektrischen Aktuator zuzuführenden Menge an elektrischer Ladung umfaßt, um den Hub davon zu steuern.
3. Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 2, wobei:
die Kondensatoreinrichtung eine Vielzahl von Kondensatoren (92, 93) umfaßt, und
die Einstelleinrichtung Schalter (97, 98) umfaßt, um wahlweise die elektrische Ladung zu dem piezoelektrischen Aktuator von allen Kondensatoren oder von einem Teil der Kondensatoren zuzuführen.
4. Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei:
der Öffnungsgrad des Ablaßventils (11b) so gesteuert ist, daß die Düsennadel (3) eine Stellung zum Öffnen des Einspritzlochs (21) oder eine andere Stellung zum Schließen des Einspritzlochs einnimmt.
5. Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei:
der Injektor (11) an einem Dieselmotor zum Zuführen von Kraftstoff dazu angebracht ist, und
die Hochdruckkraftstoffquelle. (12) eine gemeinsame Leitung ist, in welcher bedruckter Kraftstoff gesammelt ist.
6. Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung, mit:
einer Vielzahl von Injektoren, wobei jeder Injektor (11) aufweist: ein Injektorgehäuse (2), das mit einer Hochdruckkraftstoffquelle (12) und einem Niederdruckkraftstoffspeicher (15) verbunden ist, ein Einspritzloch (21), das an der Spitze des Injektorgehäuses ausgebildet ist, um Kraftstoff davon einzuspritzen, eine Düsennadel (3), die gleitend in dem Injektorgehäuse aufgenommen ist, um das Injektorloch zu öffnen und zu schließen, eine Steuerkammer (204), die oberhalb der Düsennadel angeordnet ist und in die Hochdruckkraftstoff von der Hochdruckkraftstoffquelle zugeführt wird, ein Ablaßventil (11b) mit einem veränderlichen Öffnungsgrad, das in der Steuerkammer angeordnet ist, um Kraftstoff in den Niederdruckkraftstoffspeicher abzulassen, und einen piezoelektrischen Aktuator (11c) mit einem variablen Hub, um den Öffnungsgrad des Ablaßventils zu steuern; und
einer Einrichtung (100) zur stufenweisen Steuerung des Hubs des piezoelektrischen Aktuators (8), wobei die Steuereinrichtung einen Kondensator (192) zum Speichern elektrischer Energie darin und eine Vielzahl von Schaltern (196a bis 196d) umfaßt, wobei jeder mit jedem piezoelektrischen Aktuator jedes Injektors verbunden ist, wobei:
wenn ein Schalter (196a, 196b, 196c oder 196d) aus der Vielzahl von Schaltern ausgewählt und geschlossen ist, um die in dem Kondensator (192) gespeicherte elektrische Ladung zu dem piezoelektrischen Aktuator (8) zuzuführen, der mit dem gewählten Schalter verbunden ist, der Hub des piezoelektrischen Aktuators einen hohen Pegel annimmt, um das Ablaßventil (11b) vollständig zu öffnen, wodurch die Düsennadel (3) angehoben wird, um das Einspritzloch (21) zu öffnen; und
wenn eine Vielzahl der Schalter (196a bis 196d) gleichzeitig geschlossen sind, um die in dem Kondensator (192) gespeicherte elektrische Ladung gleichmäßig auf eine Vielzahl der piezoelektrischen Aktuatoren zu verteilen, die mit den geschlossenen Schaltern verbunden sind, der Hub dieser piezoelektrischen Aktuatoren (8) einen niedrigen Pegel annimmt, um das Ablaßventil (11b) teilweise zu öffnen, wodurch die Düsennadel (3) aufgesetzt gehalten ist, um das Einspritzloch (21) nicht zu öffnen.
7. Hochdruckkraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 6, wobei:
die Vielzahl von Injektoren (11) an einem mehrzylindrigem Dieselmotor zur Kraftstoffzuführung dazu angebracht sind, und
die Hochdruckkraftstoffquelle eine gemeinsame Leitung (12) ist, in welcher bedruckter Kraftstoff gesammelt ist.
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