JP4154857B2 - 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。ピエゾアクチュエータの作動切り換えは、ピエゾスタックの充電と放電とを行う通電手段をマイクロコンピュータ等の制御手段が制御することでなされる。
【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流出する必要がある。
【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】
また、減圧が進むにつれて弁体に着座方向に作用する付勢力が弱まるから、噴射開始充電量も低下する。
【0011】
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、ピエゾスタックの充電量を設定するのは必ずしも容易ではない。
【0012】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、ピエゾスタックの充電量を適正値に設定して、弁体のハーフリフトによりコモンレールの減圧を良好に行う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。
【0013】
【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し該ピエゾスタックの充電と放電とを行う通電手段と、
コモンレール内の燃料圧力を検出する圧力検出手段と、
前記通電手段による通電を制御し、燃料の噴射指令に対しては、前記弁体を着座状態とフルリフト状態との間で切り換えて前記ニードルを開閉し、前記コモンレール内の燃料圧力の減圧指令に対しては、検出された燃料圧力に応じて目標充電量を設定し前記ニードルが着座状態のままで前記弁体をリフト状態とする制御手段とを有する燃料噴射装置であって、
前記制御手段を、所定の周期で、検出された燃料圧力に応じて設定された目標充電量にてピエゾスタックが充電状態に立ち上がるように、かつ、前記減圧指令に対する通電制御において、検出された燃料圧力が高いほど前記ピエゾスタックが充電状態にある期間の長さが短くなるように設定する。
【0014】
コモンレール内の燃料圧力が低下すると、弁体に着座方向に作用する力が減じられて弁体のリフト量が増大する。したがって、前記燃料圧力が高く減圧速度が高いときには噴射開始充電量が低下するのも早い。本発明では前記燃料圧力が高いほど、ピエゾスタックが充電状態にある期間の長さが短くなり、噴射開始充電量が実際のピエゾスタックの充電量を下回ってしまうのを回避することができる。
【0015】
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通電し該ピエゾスタックの充電と放電とを行う通電手段と、
コモンレール内の燃料圧力を検出する圧力検出手段と、
前記通電手段による通電を制御し、燃料の噴射指令に対しては、前記弁体を着座状態とフルリフト状態との間で切り換えて前記ニードルを開閉し、前記コモンレール内の燃料圧力の減圧指令に対しては、検出された燃料圧力に応じて目標充電量を設定し前記ニードルが着座状態のままで前記弁体をリフト状態とする制御手段とを有する燃料噴射装置であって、
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、所定の周期で、検出された燃料圧力に応じて設定された目標充電量にてピエゾスタックが充電状態に立ち上がるように、かつ、ピエゾスタックが充電状態にある期間の充電量が目標充電量を初期値として漸減するように設定する。
【0016】
コモンレール圧力の低下とともにピエゾスタックの充電量が漸減することで、噴射開始充電量までの余裕ができる。なお、弁体に閉弁方向に作用する力が弱まることでリーク開始充電量も低下するから、このリーク開始充電量に対する余裕は確保される。
【0017】
請求項3記載の発明では、請求項1または2の発明の構成において、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、前記コモンレール内の燃料圧力の減圧速度が大きいほど前記目標充電量が低くなるように設定する。
【0018】
燃料性状等の変動やインジェクタの個体差等の要因でコモンレール内の燃料圧力の減圧速度がばらつくと、コモンレール内の燃料圧力が同じでも噴射開始充電量がピエゾスタックの充電量を下回るまでの時間的な余裕が小さいことになる。本発明では、コモンレール内の燃料圧力の減圧速度が大きいほど目標充電量が小さく設定されるから、ハーフリフト可能な充電量とコモンレール圧力の対応関係が変動しても、噴射開始充電量がピエゾスタックの充電量を下回るまでの時間的な余裕を確保することができる。
【0019】
請求項4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し該ピエゾスタックの充電と放電とを行う通電手段と、
コモンレール内の燃料圧力を検出する圧力検出手段と、
前記通電手段による通電を制御することにより前記ピエゾスタックの充電量を調整し、燃料の噴射指令に対しては、前記弁体を着座状態とフルリフト状態との間で切り換えて前記ニードルを開閉し、前記コモンレール内の燃料圧力の減圧指令に対しては、検出された燃料圧力に応じて目標充電量を設定し前記ニードルが着座状態のままで前記弁体をリフト状態とする制御手段とを有する燃料噴射装置であって、
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、検出された燃料圧力に基づいて前記ニードルが着座状態のままで前記弁体をリフト状態(ハーフリフト)とし得るピエゾスタックの充電量を推定し、推定された充電量よりも低い充電量を初期値として、検出された燃料圧力が低下を開始するまで目標充電量が漸次上昇するように設定する。
【0020】
目標充電量をハーフリフトとし得る推定された充電量よりも低い充電量から漸次上昇せしめることで、燃料性状等の変動やインジェクタの個体差等の要因で噴射開始充電量が変動しても、誤噴射を回避しつつハーフリフト可能な充電量に設定することができる。
【0021】
請求項5記載の発明では、請求項4の発明の構成において、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、前記コモンレール内の燃料圧力が高いほど前記充電状態にある期間の長さが短くなるように設定する。
【0022】
減圧を開始する時のコモンレール内の燃料圧力が高いほど、減圧開始時における減圧速度が高く噴射開始充電量が低下するのも早い。本発明では前記燃料圧力が高いほど、ピエゾスタックが充電状態にある期間の長さが短くなり、噴射開始充電量が実際のピエゾスタックの充電量を下回ってしまうのを回避することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図2に本発明を適用した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。
【0024】
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。
【0025】
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、これに応じた噴射指令である噴射信号を各インジェクタ1に搭載されたピエゾアクチュエータを駆動するためのピエゾアクチュエータ駆動回路2に出力する。噴射信号は「H」と「L」からなる二値信号で、インジェクタ1から所定の期間、燃料を噴射せしめる。
【0026】
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。圧力検出手段である圧力センサ4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AD変換器32でデジタル化されて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。
【0027】
図1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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
図3にピエゾスタック127の充電と放電とを行う通電手段である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は一般的な降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。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。
【0040】
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第1のスイッチング素子24aが介設されている。第1のスイッチング素子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と第1のスイッチング素子24aの接続中点に接続される第2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および第2のスイッチング素子24bを含む閉回路を形成している。第2のスイッチング素子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。
【0041】
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が接続されており、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、噴射気筒のインジェクタのピエゾスタック127A〜127Dに対応する選択スイッチング素子25A〜25Dがオンされる。
【0042】
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がピエゾスタック127Aとピエゾスタック127Bとに共通に、また、選択スイッチング素子25Fがピエゾスタック127Cとピエゾスタック127Dとに共通に接続される。第2の種類の選択スイッチング素子25E,25Fは、ピエゾスタック127A〜127Dのいずれかにおいて選択スイッチング素子25A〜25Dにより制御不能な状態が出来しても当該ピエゾスタック127A〜127Dを含む2つのピエゾスタック127A,127Bまたはピエゾスタック127C,127Dをピエゾアクチュエータ駆動回路2から切り離して残りの2つのピエゾスタック127C,127Dまたはピエゾスタック127A,127Bの作動を確保するためのものである(リンプフォーム)。
【0043】
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。
【0044】
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29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、スイッチング素子24a,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。
【0045】
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29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。
【0046】
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28が設けてある。その両端間電圧はコントローラ29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。
【0047】
また、コントローラ29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。
【0048】
コントローラ29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(多重スイッチング方式)。そして、ピエゾスタック電圧が予め設定した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。
【0049】
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。
【0050】
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とを接続する線路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1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。
【0051】
コントローラ29は、燃料噴射制御全体を司るCPU31からの種々の制御用の信号により、ピエゾスタック127A〜127Dを所定の時期に充電および放電せしめる。かかる制御用信号として充電時期と放電時期とを規定する充放電時期設定信号が入力している。充放電時期設定信号は、「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は噴射指令に対しては噴射期間を規定する。
【0052】
また、制御用信号として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おり、コントローラ29はピエゾスタック電圧が目標電圧に達するとスイッチング素子24aを前記のごとくオフに固定する。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。
【0053】
また、CPU31は、減圧指令に対しては、次のようにピエゾスタック127A〜127Dの充電時期および放電時期、目標電圧を決定し、該目標圧力までコモンレール圧力を減圧する。
【0054】
また、制御対象となる気筒を選択するための制御信号もCPU31から出力され、選択スイッチング素子25A〜25Fのうち、選択された気筒に対応するピエゾスタック127A〜127Dのものがオンする。
【0055】
図4はCPU31で実行される減圧制御時のフローチャートで、先ず、検出されたコモンレール圧力に基づいてハーフリフトとし得るピエゾスタック電圧を推定する(ステップS101)。これはCPU31のROMに予めコモンレール圧力とピエゾスタック電圧を対応させたハーフリフト可能電圧推定マップを記憶しておき、このマップに基づいて推定する。マップのデータは、予め実験等で各コモンレール圧力における、ボール123がリフトを開始しインジェクタ1から燃料が燃料タンク51に還流し始める時のピエゾスタック電圧(リーク開始電圧)と燃料の噴射が開始される時のピエゾスタック電圧(噴射開始電圧)とを求めて、この両電圧で挟まれた電圧範囲に、推定電圧が入るように作成する。この電圧範囲は、図5に示すように、右上がりの帯状の範囲となる。推定電圧は、マップに代えて、コモンレール圧力に対してピエゾスタック電圧が対応する関数式で与えてもよいのは勿論である。
【0056】
次いでピエゾスタック127A〜127Dの目標充電量としてのピエゾスタック電圧の目標電圧をこの推定されたピエゾスタック電圧(以下、ハーフリフト可能推定電圧という)から予め設定した下方修正値を減算して得る(ステップS102)。下方修正値は図例では20Vである。そして、前記スイッチング素子24aのオンオフによりピエゾスタック127A〜127Dを目標電圧になるまで充電する(ステップS103)。ここで、ピエゾスタック127A〜127Dが充電状態である期間(以下、ピエゾスタック充電状態期間という)はコモンレール圧力の取り込み周期(以下、制御周期という)よりも短く、一旦放電して非充電状態となり、前記制御周期で繰り返し充電状態に立ち上がるようになっている。また、その時のピエゾスタック電圧の目標電圧は後述するステップS106〜S109において演算され、更新される。また、ピエゾスタック充電状態期間の制御周期の長さに対する割合(以下、ONデューティという)は後述するデューティ設定マップに基づいて設定され、目標電圧が高いほど小さな値が与えられる。
【0057】
なお、制御周期は例えば4msであり、前記フェイルセーフ機構により前記ボール123がリフト状態を保持可能な時間よりも短く設定される。
【0058】
ステップS104ではコモンレール圧力が減圧したか否かを判定する。これは前回取り込まれたコモンレール圧力との差分に基づいて行う。減圧していなければ、前記目標電圧に所定のステップ値を加算して目標電圧を更新し(ステップS105)、ステップS103に戻る。
【0059】
前記のごとく目標電圧の初期値は推定電圧よりも低く設定されているから、リーク開始電圧よりも低いことは十分考えられるが、燃料性状等の条件によってハーフリフト可能な電圧範囲が上下にずれていても、噴射開始電圧を越えにくくなっている。このような条件になり得るか否かは、目標電圧を下げる下方修正値に依存するが、予め、燃料性状等の条件を変えてハーフリフト可能な電圧範囲の高低ずれ幅を求めておけば、かかる条件を成立させ得る前記下方修正値を求めることができる。
【0060】
そして、最初の充電(ステップS103)でピエゾスタック電圧がリーク開始電圧よりも低くとも、ステップS104,S105を1回もしくは複数回実行することで、ピエゾスタック電圧をハーフリフト可能な電圧範囲に入れることができ、燃料の誤噴射を回避しつつコモンレール圧力の減圧を開始せしめることができる。
【0061】
コモンレール圧力が減圧を開始していれば(ステップS104)、コモンレール圧力が目標圧力に到達したか否かを判定する(ステップS106)。ステップS106が否定判断されると、ピエゾスタック電圧を減圧に伴う噴射開始電圧の低下に見合う値とするのに適正な補正値としての、ピエゾスタック電圧の減少量を、1制御周期におけるコモンレール圧力の減圧量に基づいて推定する(ステップS107)。これはCPUのROMに予め減圧量とピエゾスタック電圧減少量とを対応させた電圧減少量推定マップを記憶しておき、このマップに基づいて推定する。マップのデータは、予め実験等でコモンレール圧力の減圧量に対するハーフリフト可能なピエゾスタック電圧の減少量を求めて作成する。このピエゾスタック電圧の減少量は、コモンレール圧力の減圧速度が速いほどピエゾスタック電圧が噴射開始電圧を早く下回るから、図6に示すように、右上がりの傾向を示す。
【0062】
続くステップS108では目標電圧から、推定された減少量を減算することで目標電圧を更新する。
【0063】
また、ONデューティを目標電圧に基づいて設定する(ステップS109)。これはCPU31のROMに予めONデューティと目標電圧とを対応させたONデューティ設定マップを記憶しておき、このマップに基づいて推定する。マップのデータは、予め実験等で各目標電圧においてピエゾスタック電圧をハーフリフト可能電圧に設定した時の、噴射開始電圧がピエゾスタック電圧を下回るまでの時間を求めておき、これに基づいて作成する。ONデューティは、コモンレール圧力が高く目標電圧が高いほど、ピエゾスタック電圧が噴射開始電圧を早く下回るから、図7に示すように、右下がりの傾向を示す。
【0064】
目標電圧およびONデューティを更新した(ステップS108,109)後、ステップS103に戻り、ピエゾスタック127A〜127Dの充電が行われる。
【0065】
CPU31はコントローラ29に、前記ONデューティに制御周期を乗じた長さで、前記制御周期に同期して、充放電時期設定信号を出力する。また、目標電圧に比例した大きさの目標電圧設定信号を出力することで、コモンレール圧力の減圧を実現する。
【0066】
これによりコモンレール圧力が減圧を開始した後、目標値に達するまで、ピエゾスタック127A〜127Dは4msごとに充電状態に立ち上がり、ONデューティで規定される時間、充電状態を持続する。ピエゾスタック電圧は、充電状態に立ち上がるごとにステップS107,S108が実行されて、階段状に漸減し、一方、ONデューティは漸増する。図8には、ピエゾスタック電圧の経時変化の一例を示す。前半が噴射指令に対する場合で、後半が減圧指令に対する場合である。
【0067】
本燃料噴射装置によれば次の効果を奏する。図9は減圧制御時におけるコモンレール圧力の経時変化を示すもので、図中には破線でONデューティ一定の場合を比較例として併せて示している。減圧するのはピエゾスタック127A〜127Dが充電状態にある期間だけであり、詳細には減圧する期間と一定圧力の期間とが交互に繰り返されることになるが、図は概略の傾向を示している。比較例では充電状態期間の長さが一定なので、コモンレール圧力の高い減圧初期においてはコモンレール圧力は急激に低下し、最後は緩やかになる。
【0068】
一方、本発明では、コモンレール圧力が高い減圧初期においてはONデューティが小さく設定されるから、コモンレール圧力の減圧速度は平均化する。
【0069】
なお前記減圧制御において、設定された目標電圧がリーク開始電圧よりも低かった場合はステップS104からステップS105に進むことになるから、あらためてハーフリフト可能な目標電圧が再設定されるので、減圧は滞りなく行われる。
【0070】
図10は減圧制御時にコモンレール圧力の減圧とともにピエゾスタック電圧が辿る経路を示すもので、本発明の場合と前記比較例とを併せて示している。ONデューティ一定の比較例では、前記のごとくコモンレール圧力が高くその低下速度が速いときに噴射開始電圧がピエゾスタック電圧を下回ってしまうおそれがあるのに対して、本発明ではコモンレール圧力が高ければONデューティが小さく抑えられるから、噴射開始電圧がピエゾスタック電圧を下回ってしまうことが回避され、ハーフリフト状態を安定して実現できる。
【0071】
なお、ONデューティ一定の比較例において、ONデューティを小さくすれば噴射開始電圧がピエゾスタック電圧を越えるのは回避することができるが、コモンレール圧力が目標圧力に近づいて減圧速度が低くなった時に1制御周期当たりの減圧量が十分とはいえず、減圧制御が長引くという問題がある。本発明ではコモンレール圧力が目標圧力に近づくほどONデューティが大きくなるので1制御周期の間に十分な減圧量を得ることができる。
【0072】
なお、ONデューティ設定マップは目標電圧ではなく、検出されたコモンレール圧力に対して与えられるようにしてもよい。
【0073】
(第2実施形態)
図11に本発明の第2実施形態になる燃料噴射装置のピエゾアクチュエータ駆動回路を中心とする構成図を示す。第1実施形態において、CPUで実行される制御プログラムを別の設定に代えたもので、図12にCPUで実行される制御内容を示す。図中、第1実施形態と実質的に同じ作動をする部分には第1実施形態と同じ番号を付して説明する。
【0074】
第1実施形態ではONデューティを可変としたが、本実施形態では固定であり、例えば、75%に設定される。そしてコントローラ29Aは、図13に示すように、ピエゾスタック充電状態期間において、各制御周期の初めに目標電圧まで立ち上がった後、噴射停止時のごとくスイッチング素子14bのオンオフを繰り返して低い放電電流で放電してピエゾスタック電圧を漸減せしめる。コントローラ29Aは、スイッチング素子14bのオンからオフに切り換えるタイミングを規定する放電電流の前記電流上限値が可変となっており、この電流上限値を下げることで放電電流が下がることになる。CPU31Aからは電流上限値に比例した電流上限値設定信号が入力する。
【0075】
そして、ステップS109に代わるステップS110は、ピエゾスタック充電状態期間中にも漸減するコモンレール圧力に対して目標電圧をさらに適正化すべく、ピエゾスタック充電状態期間の最初と最後のピエゾスタック電圧の差(以下、放電量という)を目標電圧に基づいて設定する(ステップS109)。これはCPU31AのROMに予め放電量と目標電圧とを対応させた放電量設定マップを記憶しておき、このマップに基づいて設定するようになっている。マップのデータは、予め前記実験等から、ハーフリフト可能な電圧範囲がコモンレール圧力の低下とともに低電圧側にシフトする経時変化を求めておき、これに基づいて作成する。前記図9より知られるようにコモンレール圧力の減圧速度はコモンレール圧力が高いほど大きいから、前記電圧範囲の低電圧側へのシフト量も大きい。したがって、放電量は、図14に示すごとく右上がりの傾向を示す。
【0076】
ピエゾスタック127は容量性素子であるから、CPU31Aではこの放電量に基づいてピエゾスタック127の放電速度、したがって前記電流上限値を演算する。
【0077】
しかして、ピエゾスタック充電状態期間においてピエゾスタック電圧が前記放電量で規定される速度で漸減する。これにより、前記ピエゾスタック充電状態期間中に、コモンレール圧力の低下で噴射開始電圧が制御周期の初期に与えられるピエゾスタック電圧を下回っても噴射開始電圧までの余裕度が確保され、安定したハーフリフト状態が得られる。
【0078】
図15は本燃料噴射装置においてコモンレール圧力の減圧とともにピエゾスタック電圧の辿る経路を示すもので、ピエゾスタック電圧はピエゾスタック充電状態期間において漸次低下するので、ピエゾスタック電圧が噴射開始電圧との余裕度を保ちつつコモンレール圧力が低下していく。
【0079】
なお、本実施形態では、放電量をピエゾスタック目標電圧に基づいて設定しているが、検出されたコモンレール圧力に基づいて設定してもよい。この場合、コモンレール圧力が高いほど放電量が大きくなるように設定する。コモンレール圧力と放電量の対応関係は予め実験等で求めればよい。
【0080】
また、コモンレール圧力が高く噴射開始電圧の低下も速い減圧初期において放電量を大きくしてあるので、より、噴射開始電圧に対する余裕度を十分にとることができるが、放電量を固定とするのもよい。この場合、コモンレール圧力が高い側でピエゾスタック電圧が噴射開始電圧を越えないようにピエゾスタック充電状態期間を短めに設定するか、第1実施形態のごとく、ONデューティを漸減せしめるのがよい。なお、放電量を固定とするから、前記電流上限値は、噴射停止時の放電用と、このコモンレール圧力の減圧時の放電用の、2種類出力可能に構成すればよい。
【0081】
また、コモンレール圧力の減圧が開始されるまでのONデューティについても、ピエゾスタック目標電圧が高いほど小さくなるように設定し、減圧が開始された時の誤噴射を回避しているが、減圧が開始されたか否かが知られる程度にONデューティを固定とするのもよい。
【0082】
また、減圧制御開始時にはピエゾスタック目標電圧をハーフリフト可能と推定した電圧よりも低い電圧に設定して、減圧が開始されなければ徐々に上げていくことで、燃料性状等の変動による誤噴射を回避している(ステップS101〜S105)が、ハーフリフト可能なピエゾスタック電圧の電圧範囲の高低変動が小さいものであれば、ステップS102,S104,S105を省略し、マップ等からハーフリフト可能と推定したピエゾスタック電圧にて減圧制御を開始するのもよい。
【0083】
この場合、ピエゾスタック目標電圧をコモンレール圧力減圧量に基づいて設定するのではなく、ピエゾスタック目標電圧を前記ステップS101で示したマップにしたがってコモンレール圧力に基づいて設定してもよい。
【0084】
また、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。
【0085】
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】本発明を適用した燃料噴射装置の、インジェクタを中心とする構成図である。
【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4】前記燃料噴射装置を構成するCPUにおける制御を示すフローチャートである。
【図5】前記燃料噴射装置を構成するCPUにおける制御を示す第1のグラフである。
【図6】前記燃料噴射装置を構成するCPUにおける制御を示す第2のグラフである。
【図7】前記燃料噴射装置を構成するCPUにおける制御を示す第3のグラフである。
【図8】前記燃料噴射装置の作動を示すタイミングチャートである。
【図9】前記燃料噴射装置の作動を示す第1のグラフである。
【図10】前記燃料噴射装置の作動を示す第2のグラフである。
【図11】本発明を適用した別の燃料噴射装置の、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12】前記燃料噴射装置を構成するCPUにおける制御を示すフローチャートである。
【図13】前記燃料噴射装置の作動を示すタイミングチャートである。
【図14】前記燃料噴射装置を構成するCPUにおける制御を示すグラフである。
【図15】前記燃料噴射装置の作動を示すグラフである。
【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 ピエゾアクチュエータ駆動回路
31,31A CPU(制御手段)
4 圧力センサ(圧力検出手段)
[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. Switching of the operation of the piezo actuator is performed by a control means such as a microcomputer controlling energization means for charging and discharging the piezo stack.
[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 actively flow out 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) By slightly exceeding the value, the lift amount of the valve body is relatively large, and there is not much difference between the leakage start charge amount and the injection start charge amount.
[0010]
Further, since the urging force acting on the valve body in the seating direction is weakened as the pressure is reduced, the injection start charge amount is also reduced.
[0011]
For this reason, it is not always easy to set the charge amount of the piezo stack when the common rail is decompressed by the half lift of the valve body.
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a fuel injection device capable of satisfactorily depressurizing a common rail by a half lift of a valve body by setting a charge amount of a piezo stack to an appropriate value. And
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, the nozzle has a needle for opening and closing the nozzle hole, the high-pressure fuel stored in the common rail is supplied, and the fuel is introduced from the common rail. A back pressure chamber for generating back pressure of the needle; 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 body lift amount increases, and a piezo stack that presses and drives the valve body, the larger the charge amount of the piezo stack, An injector having a piezo actuator that increases the lift amount;
Energizing means for energizing the piezo stack to charge and discharge the piezo stack;
Pressure detecting means for detecting the fuel pressure in the common rail;
The energization means controls the energization, and in response to a fuel injection command, the valve body is switched between a seating state and a full lift state to open and close the needle, and in response to a fuel pressure reduction command in the common rail. And a control means for setting a target charge amount according to the detected fuel pressure, and for setting the valve body in a lift state while the needle is in a seated state,
In the energization control for the depressurization command, the detected fuel is detected so that the piezo stack rises to a charged state with a target charge amount set according to the detected fuel pressure at a predetermined cycle. It sets so that the length of the period when the said piezo stack is in a charge state may become short, so that a pressure is high.
[0014]
When the fuel pressure in the common rail decreases, the force acting on the valve body in the seating direction is reduced, and the lift amount of the valve body increases. Therefore, when the fuel pressure is high and the pressure reduction speed is high, the injection start charge amount is also quickly reduced. In the present invention, as the fuel pressure is higher, the length of the period in which the piezo stack is in the charged state is shortened, and it is possible to avoid the injection start charge amount being lower than the actual charge amount of the piezo stack.
[0015]
In a second aspect of the present 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. A back pressure chamber for generating back pressure of the needle; 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 body lift amount increases, and a piezo stack that presses and drives the valve body, the larger the charge amount of the piezo stack, An injector having a piezo actuator that increases the lift amount;
Energizing means for energizing the piezo stack to charge and discharge the piezo stack;
Pressure detecting means for detecting the fuel pressure in the common rail;
The energization means controls the energization, and in response to a fuel injection command, the valve body is switched between a seating state and a full lift state to open and close the needle, and in response to a fuel pressure reduction command in the common rail. And a control means for setting a target charge amount according to the detected fuel pressure, and for setting the valve body in a lift state while the needle is in a seated state,
In the energization control with respect to the decompression command, the control means is configured to charge the piezo stack in a charged state with a target charge amount set according to the detected fuel pressure in a predetermined cycle. The charging amount during the period in the state is set so as to gradually decrease with the target charging amount as an initial value.
[0016]
The charge amount of the piezo stack gradually decreases as the common rail pressure decreases, so that there is a margin up to the injection start charge amount. In addition, since the leak start charge amount also falls because the force acting on the valve body in the valve closing direction is weakened, a margin for the leak start charge amount is secured.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, in the configuration of the first or second aspect of the invention, in the energization control with respect to the pressure reduction command, the target charge amount decreases as the pressure reduction speed of the fuel pressure in the common rail increases. Set as follows.
[0018]
If the pressure reduction rate of the fuel pressure in the common rail varies due to factors such as fluctuations in fuel properties and individual differences among injectors, the time until the injection start charge falls below the charge of the piezo stack even if the fuel pressure in the common rail is the same. The margin is small. In the present invention, the target charge amount is set smaller as the pressure reduction speed of the fuel pressure in the common rail is larger. Therefore, even if the correspondence between the charge amount that can be half-lifted and the common rail pressure varies, the injection start charge amount is the piezo stack. It is possible to secure a time margin until the amount of charge falls below.
[0019]
According to a fourth aspect of the present invention, the nozzle has a needle that opens and closes the nozzle hole, the high-pressure fuel stored in the common rail is supplied and the nozzle is injected from the nozzle hole, and the fuel is introduced from the common rail. A back pressure chamber for generating back pressure of the needle; 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 body lift amount increases, and a piezo stack that presses and drives the valve body, the larger the charge amount of the piezo stack, An injector having a piezo actuator that increases the lift amount;
Energizing means for energizing the piezo stack to charge and discharge the piezo stack;
Pressure detecting means for detecting the fuel pressure in the common rail;
The amount of charge of the piezo stack is adjusted by controlling energization by the energization means, and in response to the fuel injection command, the valve body is switched between a seating state and a full lift state to open and close the needle, A fuel having a control means for setting a target charge amount according to the detected fuel pressure and setting the valve body in a lifted state while the needle is seated in response to a command to reduce the fuel pressure in the common rail An injection device,
In the energization control with respect to the pressure reducing command, the control means estimates a charge amount of the piezo stack that can bring the valve body into a lifted state (half lift) based on the detected fuel pressure while the needle is in a seated state, A charge amount lower than the estimated charge amount is set as an initial value so that the target charge amount gradually increases until the detected fuel pressure starts to decrease.
[0020]
By gradually increasing the target charge amount from a charge amount that is lower than the estimated charge amount that can be a half lift, even if the injection start charge amount fluctuates due to factors such as fluctuations in fuel properties or individual differences in the injector, an error will occur. It is possible to set the charge amount that can be half lifted while avoiding injection.
[0021]
According to a fifth aspect of the present invention, in the configuration of the fourth aspect of the present invention, in the energization control for the pressure reducing command, the control means is configured such that the period of the charging state is shorter as the fuel pressure in the common rail is higher. Set as follows.
[0022]
The higher the fuel pressure in the common rail when starting decompression, the higher the decompression speed at the start of decompression, and the faster the injection start charge amount decreases. In the present invention, as the fuel pressure is higher, the length of the period in which the piezo stack is in the charged state is shortened, and it is possible to avoid the injection start charge amount being lower than the actual charge amount of the piezo stack.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 2 shows the configuration of a common rail fuel injection device for a diesel engine to which the present invention is applied. The number of injectors 1 corresponding to the number of cylinders of the diesel engine is provided corresponding to each cylinder (only one injector 1 is shown in the figure), and fuel is supplied from a common common rail 54 communicated via a supply line 55. The fuel is injected from the injector 1 into the combustion chamber of each cylinder at an injection pressure substantially equal to the fuel pressure in the common rail 54 (hereinafter referred to as the common rail pressure). The fuel in the fuel tank 51 is pumped to the common rail 54 by the high-pressure supply pump 53 and stored at a high pressure.
[0024]
The fuel supplied from the common rail 54 to the injector 1 is used not only for injection into the combustion chamber, but also as control hydraulic pressure of the injector 1 and returns to the fuel tank 51 from the injector 1 via a low-pressure drain line 56. It is supposed to be.
[0025]
The CPU 31 calculates a fuel injection timing and an injection amount based on a detection signal such as a crank angle, and a piezo actuator drive for driving a piezo actuator mounted on each injector 1 according to an injection command corresponding to the fuel injection timing. Output to circuit 2. The injection signal is a binary signal composed of “H” and “L”, and fuel is injected from the injector 1 for a predetermined period.
[0026]
Further, the CPU 31 performs control so as to obtain an appropriate injection pressure according to the operating conditions known from other sensor inputs. A pressure sensor 4 as pressure detecting means is provided on the common rail 54, and a common rail pressure detection signal is digitized by the AD converter 32 and input to the CPU 31. The CPU 31 controls the metering valve 52 based on the common rail pressure to adjust the amount of fuel pumped to the common rail 54. In addition, when the common rail pressure needs to be suddenly reduced, the CPU 31 generates a pressure reduction command internally, performs energization control different from that at the time of fuel injection on the piezo actuator drive circuit 2, and controls the injector 1 as will be described later. The fuel as oil is returned to the fuel tank 51 to reduce the common rail pressure.
[0027]
FIG. 1 shows the structure of the injector 1. The injector 1 is a rod-like body, and is attached so that a lower portion in the drawing penetrates a combustion chamber wall (not shown) of the engine and protrudes into the combustion chamber. The injector 1 includes a nozzle portion 1a, a back pressure control portion 1b, and a piezo actuator 1c in order from the bottom.
[0028]
A needle 121 is slidably held at its rear end in a sleeve-like body 104 of the nozzle portion 1a, and the needle 121 is seated on or separated from an annular sheet 1041 formed at the tip of the nozzle body 104. . High pressure fuel is introduced from the common rail 54 into the outer peripheral space 105 at the tip of the needle 121 through the high pressure passage 101, and fuel is injected from the injection hole 103 when the needle 121 is lifted. Fuel pressure from the high-pressure passage 101 acts on the annular step surface 1211 of the needle 121 in the lift direction (upward).
[0029]
Fuel as control oil is introduced from the high-pressure passage 101 through the in-orifice 107 behind the needle 121, and a back pressure chamber 106 that generates the back pressure of the needle 121 is formed. This back pressure acts on the rear end surface 1212 of the needle 121 together with the spring 122 disposed in the back pressure chamber 106 in the seating direction (downward).
[0030]
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 piezo actuator 1 c including the piezo stack 127.
[0031]
The back pressure chamber 106 is always in communication with the valve chamber 110 of the back pressure control unit 1b through an out orifice 109. The valve chamber 110 has a conical shape with the ceiling surface 1101 facing upward, and a low pressure port 110 a communicating with the low pressure chamber 111 is opened at the top of the ceiling surface 1101, and the low pressure chamber 111 communicates with the drain line 56. It communicates with the low pressure passage 102. A high-pressure port 110 b communicating with the high-pressure passage 101 through the high-pressure control passage 108 is opened at the bottom surface of the valve chamber 110.
[0032]
In the valve chamber 110, a ball 123 whose lower portion is cut horizontally is disposed. The ball 123 is a vertically movable valve body. When the ball 123 is lowered, the ball 123 is seated on a valve chamber bottom surface (hereinafter, referred to as a high pressure side seat) 1102 as a valve seat with the cut surface, thereby closing the high pressure port 110b. Is shut off from the low pressure chamber 111 by being seated on the ceiling surface (hereinafter referred to as a low pressure side seat) 1101 as a valve seat and closing the low pressure port 110a. . As a result, when the ball 123 is lowered, the back pressure chamber 106 communicates with the low pressure chamber 111 via the out orifice 109 and the valve chamber 110, the back pressure of the needle 121 decreases, and the needle 121 is separated. On the other hand, when the ball 123 is raised, the back pressure chamber 106 is cut off from the low pressure chamber 111 and communicates only with the high pressure passage 101, the back pressure of the needle 121 rises and the needle 121 is seated.
[0033]
The ball 123 is pressed and driven by the piezo actuator 1c. In the piezo actuator 1c, two pistons 124 and 125 having different diameters are slidably held in a vertical hole 112 formed in the vertical direction above the low pressure chamber 111, and the piezo stack 127 is disposed above the large-diameter piston 125 on the upper side. Are arranged with the up-down direction as the expansion / contraction direction.
[0034]
The large-diameter piston 125 is kept in contact with the piezo stack 127 by a spring 126 provided below the large-diameter piston 125 and is displaced in the vertical direction by the same amount as the amount of expansion and contraction of the piezo stack 127.
[0035]
A space defined by the lower small-diameter piston 124, the large-diameter piston 125, and the vertical hole 112 facing the ball 123 is filled with fuel to form a displacement expansion chamber 113. The expansion of the piezo stack 127 increases the diameter. When the piston 125 is displaced downward to press the fuel in the displacement expansion chamber 113, the pressing force is transmitted to the small diameter piston 124 through the fuel in the displacement expansion chamber 113. Here, since the small-diameter piston 124 has a smaller diameter than the large-diameter piston 125, the extension amount of the piezo stack 127 is expanded and converted into the displacement of the small-diameter piston 124.
[0036]
At the time of fuel injection, first, the piezo stack 127 is charged and the piezo stack 127 is extended, whereby the small-diameter piston 124 is lowered to push down the ball 123. As a result, the ball 123 lifts from the low pressure side seat 1101 and is seated on the high pressure side seat 1102 so that the back pressure chamber 106 communicates with the low pressure passage 102, so that the fuel pressure in the back pressure chamber 106 decreases. As a result, the force acting on the needle 121 in the seating direction becomes more dominant than the force acting on the seating direction, and the needle 121 is seated and fuel injection is started.
[0037]
On the contrary, when the injection is stopped, the piezo stack 127 is reduced by the discharge of the piezo stack 127 and the pushing force to the ball 123 is released. At this time, the inside of the valve chamber 110 is at a low pressure, and high pressure fuel pressure is applied to the bottom surface of the ball 123 from the high pressure control passage 108, so that upward fuel pressure is applied to the ball 123 as a whole. is doing. Then, by releasing the pushing force to the ball 123, the ball 123 is separated from the high pressure side seat 1102 and is seated again on the low pressure side seat 1101, and the fuel pressure in the valve chamber 110 is increased. Stops.
[0038]
Further, as will be described later, the injector 1 lifts the ball 123 while the needle 121 is seated to return the fuel to the fuel tank 51, and is also used for sudden pressure reduction of the common rail pressure.
[0039]
FIG. 3 shows the configuration of a piezo actuator drive circuit 2 that is an energizing means for charging and discharging the piezo stack 127. For convenience of explanation, the piezo stack 127 is appropriately represented as piezo stack 127A, piezo stack 127B, piezo stack 127C, and piezo stack 127D corresponding to the four cylinders. The piezo actuator drive circuit 2 supplies a DC power source 21 by a DC-DC converter 211 that generates a DC voltage of several tens to several hundreds V by power supply (+ B) of an in-vehicle battery, and a buffer capacitor 212 connected in parallel to the output terminal. And outputs a voltage for charging the piezo stacks 127A to 127D. The DC-DC converter 211 is a general step-down chopper type circuit, and stores energy in the inductor 2111 when the switching element 2112 is turned on, and generates a back electromotive force when the switching element 2112 is turned off via the diode 2113. Thus, the buffer capacitor 212 is charged. The buffer capacitor 212 has a sufficiently large capacitance, and maintains a substantially constant voltage value even when the piezo stacks 127A to 127D are charged.
[0040]
A first energization path 22a for energizing the piezo stacks 127A to 127D from the buffer capacitor 212 of the DC power supply 21 via the inductor 23 is provided. In the energization path 22a, these are connected in series between the buffer capacitor 212 and the inductor 23. A first switching element 24a is interposed. The first switching element 24 a is configured by a MOSFET, and the parasitic diode (hereinafter referred to as the first parasitic diode) 241 a is connected so as to be reverse-biased with respect to the voltage across the buffer capacitor 212. Further, the inductor 23 and the piezo stacks 127A to 127D form a second energization path 22b. The energization path 22b includes a second switching element 24b connected to a midpoint of connection between the inductor 23 and the first switching element 24a, and includes the inductor 23, the piezo stacks 127A to 127D, and the second switching element 24b. A closed circuit is formed. The second switching element 24b is also composed of a MOSFET, and the parasitic diode (hereinafter referred to as second parasitic diode) 241b is connected so as to be reverse-biased with respect to the voltage across the buffer capacitor 212.
[0041]
The energization paths 22a and 22b are common to each of the piezo stacks 127A to 127D, and the piezo stacks 127A to 127D as driving objects can be selected as follows. Each of the piezo stacks 127A to 127D is connected in series with switching elements (hereinafter referred to as selective switching elements as appropriate) 25A, 25B, 25C, 25D, 25E, and 25F, of which the first type of selective switching elements. 25A to 25D are connected to the piezo stacks 127A to 127D in a one-to-one correspondence, and the selection switching elements 25A to 25D corresponding to the piezo stacks 127A to 127D of the injectors of the injection cylinders are turned on.
[0042]
In the second type of selective switching elements 25E and 25F, the selective switching element 25E is commonly connected to the piezo stack 127A and the piezo stack 127B, and the selective switching element 25F is commonly connected to the piezo stack 127C and the piezo stack 127D. Is done. The second type of selective switching elements 25E and 25F have two piezo stacks including the piezo stacks 127A to 127D even if any of the piezo stacks 127A to 127D can be controlled by the selective switching elements 25A to 25D. 127A, 127B or piezo stacks 127C, 127D are separated from the piezo actuator drive circuit 2 to ensure the operation of the remaining two piezo stacks 127C, 127D or piezo stacks 127A, 127B (Limp form).
[0043]
MOSFETs are used for the selection switching elements 25A to 25F, and the parasitic diodes (hereinafter referred to as selection parasitic diodes) 251A, 251B, 251C, 251D, 251E, and 251F are reversely biased with respect to the buffer capacitor 212. It is connected to the.
[0044]
Control signals are input from the controller 29 to the gates of the switching elements 24a, 24b, and 25A to 25F. As described above, any of the selective switching elements 25A to 25D is turned on to drive the piezo stacks 127A to 127D to be driven. Is selected, and a pulsed control signal is input to the gates of the switching elements 24a and 24b to turn on and off the switching elements 24a and 24b, thereby performing charge control and discharge control of the piezo stacks 127A to 127D. Yes.
[0045]
Also, a relatively low resistance resistor 27E is provided in series with the piezo stack 127A and the piezo stack 127B, and a resistor 27F that is the same as the resistor 27E is provided in series with the piezo stack 127C and the piezo stack 127D. is there. The voltage between both ends is input to the controller 29, and the charging currents of the piezo stacks 127A to 127D are detected.
[0046]
The second switching element 24b is provided with a resistor 28 having a relatively low resistance in series. The voltage between both ends is input to the controller 29, and the discharge currents of the piezo stacks 127A to 127D are detected.
[0047]
The controller 29 is input with voltages at both ends of each of the piezo stacks 127A to 127D (hereinafter referred to as piezo stack voltage), which is a charge amount.
[0048]
At the time of charge control, the controller 29 sets the ON period and the OFF period of the first switching element 24a as follows, and outputs a control signal for the first switching element 24a. That is, the first switching element 24a is turned on and a gradually increasing charging current is caused to flow through the first energization path 22a. When the charging current reaches the preset upper limit current value, the switching element 24a is turned off and the off period starts. At this time, since the back electromotive force generated in the inductor 23 is forward biased with respect to the parasitic diode 241b of the second switching element 24b, the flywheel gradually decreases to the second energization path 22b by the energy accumulated in the inductor 23. Current flows and charging of the piezo stacks 127A to 127D proceeds. When the charging current reaches the lower limit current value (approximately 0), the first switching element 24a is turned on again to enter the on period, and this is repeated (multiple switching method). When the piezo stack voltage reaches a preset voltage, the switching element 24a is fixed off, and charging is completed. By charging the piezo stacks 127 </ b> A to 127 </ b> D in this way, the piezo stacks 127 </ b> A to 127 </ b> D are extended to press and lift the ball 123 through the displacement expansion chamber 113.
[0049]
In the discharge control, the ON period and the OFF period of the second switching element 24b are set as follows, and a control signal for the second switching element 24b is output. That is, the second switching element 24b is turned on to allow a gradually increasing discharge current to flow through the second energization path 22b. When the discharge current reaches a preset current value (hereinafter referred to as an upper limit current value), the switching element 24b is turned off and an off period starts. At this time, a large back electromotive force is generated in the inductor 23, and the flywheel current is caused to flow through the first energization path 22 a by the energy accumulated in the inductor 23 and the energy is recovered in the buffer capacitor 212. When the discharge current reaches the lower limit current value (approximately 0), the second switching element 24b is turned on again, and this is repeated. When the piezo stack voltage reaches 0, the switching element 24b is fixed off, and the discharge is completed. By discharging the piezo stacks 127A to 127D in this way, the piezo stacks 127A to 127D are contracted, the pressing force to the ball 123 by the fuel pressure in the displacement expansion chamber 113 is released, and the ball 123 is seated.
[0050]
If the piezo stacks 127A to 127D are unable to discharge due to disconnection of a line connecting the piezo stacks 127A to 127D and the piezo actuator driving circuit 2, the fuel injection period specified by the injection signal of the injector 1 is ended. Although the fuel continues to be injected, the injector 1 shown in FIG. 1 includes a mechanical fail-safe mechanism that closes the valve when the piezo stack 127 is in a charged state for a certain time. That is, the injector 1 compresses and pressurizes the fuel in the displacement expansion chamber 113 by the extension of the piezo stack 127, and generates a pressing force that presses the ball 123. When the ball 123 is in the lifted state, the fuel pressure is The pressure can resist the upward biasing force acting on the ball 123. For this reason, the pressurized fuel in the displacement expansion chamber 113 leaks little by little from the sliding portions of the pistons 124 and 125 to the low pressure portion such as the low pressure chamber 111 and the lift amount of the ball 123 decreases, and the back pressure chamber 106 The flow rate of the fuel that flows into the low pressure chamber 111 decreases, and as a result, the back pressure gradually increases. Finally, the needle 121 is seated and the fuel injection stops.
[0051]
The controller 29 charges and discharges the piezo stacks 127 </ b> A to 127 </ b> D at a predetermined time according to various control signals from the CPU 31 that controls the entire fuel injection control. As such a control signal, a charge / discharge timing setting signal for defining a charging timing and a discharging timing is input. The charge / discharge timing setting signal is a binary signal composed of “L” and “H”, and charging of the piezo stacks 127A to 127D is started at the rising edge, and the piezo stacks 127A to 127D are discharged at the falling edge. The charge / discharge timing setting signal defines the injection period for the injection command.
[0052]
Further, a target voltage setting signal proportional to a target piezo stack voltage (hereinafter referred to as target voltage) that is a target charge amount is input as a control signal, and the controller 29 switches the switching element when the piezo stack voltage reaches the target voltage. 24a is fixed off as described above. The target voltage setting signal is set so that a sufficient piezo stack voltage that allows the ball 123 to be fully lifted is applied to the injection command.
[0053]
In response to the pressure reduction command, the CPU 31 determines the charging timing and discharging timing of the piezo stacks 127A to 127D and the target voltage as follows, and reduces the common rail pressure to the target pressure.
[0054]
A control signal for selecting a cylinder to be controlled is also output from the CPU 31, and among the selection switching elements 25A to 25F, the piezo stacks 127A to 127D corresponding to the selected cylinder are turned on.
[0055]
FIG. 4 is a flowchart at the time of pressure reduction control executed by the CPU 31. First, a piezo stack voltage that can be a half lift is estimated based on the detected common rail pressure (step S101). The CPU 31 stores in advance a half-liftable voltage estimation map in which the common rail pressure and the piezo stack voltage are associated with each other, and estimates based on this map. The map data shows that the piezo stack voltage (leak start voltage) and fuel injection are started when the ball 123 starts to lift and the fuel starts to return from the injector 1 to the fuel tank 51 at each common rail pressure in advance through experiments or the like. The piezo stack voltage (injection start voltage) is calculated and the estimated voltage falls within the voltage range between the two voltages. As shown in FIG. 5, this voltage range is a band-like range that rises to the right. Needless to say, the estimated voltage may be given by a function expression corresponding to the piezo stack voltage with respect to the common rail pressure, instead of the map.
[0056]
Next, a target voltage of the piezo stack voltage as a target charge amount of the piezo stacks 127A to 127D is obtained by subtracting a preset downward correction value from the estimated piezo stack voltage (hereinafter referred to as a half-liftable estimated voltage) (step). S102). The downward correction value is 20V in the illustrated example. The piezo stacks 127A to 127D are charged until the target voltage is reached by turning on / off the switching element 24a (step S103). Here, a period during which the piezo stacks 127A to 127D are in a charged state (hereinafter referred to as a piezo stack charged state period) is shorter than a common rail pressure take-in period (hereinafter referred to as a control period), and is once discharged to be in a non-charged state. The battery is repeatedly charged in the control cycle. The target voltage of the piezo stack voltage at that time is calculated and updated in steps S106 to S109 described later. Further, the ratio of the piezo stack charging state period to the length of the control cycle (hereinafter referred to as ON duty) is set based on a duty setting map described later, and a smaller value is given as the target voltage is higher.
[0057]
The control cycle is, for example, 4 ms, and is set shorter than the time during which the ball 123 can maintain the lifted state by the fail-safe mechanism.
[0058]
In step S104, it is determined whether or not the common rail pressure has been reduced. This is done based on the difference from the previously acquired common rail pressure. If the pressure is not reduced, the target voltage is updated by adding a predetermined step value to the target voltage (step S105), and the process returns to step S103.
[0059]
As described above, since the initial value of the target voltage is set lower than the estimated voltage, it can be considered that the target voltage is lower than the leakage start voltage. However, the voltage range in which half lift is possible is shifted up and down depending on conditions such as fuel properties. However, it is difficult to exceed the injection start voltage. Whether or not such a condition can be satisfied depends on a downward correction value for lowering the target voltage, but if the height deviation width of the voltage range in which half lift is possible is obtained in advance by changing the conditions such as fuel properties, The downward correction value that can satisfy this condition can be obtained.
[0060]
Even if the piezo stack voltage is lower than the leak start voltage in the first charge (step S103), the piezo stack voltage is placed in a voltage range that can be half-lifted by executing steps S104 and S105 once or a plurality of times. Thus, the common rail pressure can be reduced while avoiding erroneous fuel injection.
[0061]
If the common rail pressure has started to be reduced (step S104), it is determined whether or not the common rail pressure has reached the target pressure (step S106). If a negative determination is made in step S106, the amount of decrease in the piezo stack voltage, which is an appropriate correction value for setting the piezo stack voltage to a value commensurate with the decrease in the injection start voltage due to pressure reduction, is set to the common rail pressure in one control cycle. Estimate based on the amount of decompression (step S107). In this case, a voltage reduction amount estimation map in which the decompression amount and the piezo stack voltage reduction amount are associated in advance is stored in the ROM of the CPU, and estimation is performed based on this map. The map data is created in advance by determining the amount of decrease in the piezo stack voltage that can be half lifted with respect to the amount of decrease in the common rail pressure through experiments or the like. The amount of decrease in the piezo stack voltage tends to increase to the right as shown in FIG. 6 because the piezo stack voltage soon falls below the injection start voltage as the pressure reduction speed of the common rail pressure increases.
[0062]
In subsequent step S108, the target voltage is updated by subtracting the estimated decrease amount from the target voltage.
[0063]
Further, the ON duty is set based on the target voltage (step S109). This is presumed on the basis of the ON duty setting map in which the ON duty and the target voltage are previously associated with each other in the ROM of the CPU 31. Map data is created based on the time required for the injection start voltage to fall below the piezo stack voltage when the piezo stack voltage is set to a half-liftable voltage at each target voltage in advance by experiments. . As the common rail pressure is higher and the target voltage is higher, the ON duty shows a tendency of lowering to the right as shown in FIG. 7 because the piezo stack voltage soon falls below the injection start voltage.
[0064]
After updating the target voltage and the ON duty (steps S108 and 109), the process returns to step S103, and the piezo stacks 127A to 127D are charged.
[0065]
The CPU 31 outputs a charge / discharge timing setting signal to the controller 29 in a length obtained by multiplying the ON duty by a control cycle in synchronization with the control cycle. Further, the common rail pressure is reduced by outputting a target voltage setting signal having a magnitude proportional to the target voltage.
[0066]
Thus, after the common rail pressure starts to be reduced, the piezo stacks 127A to 127D rise to the charged state every 4 ms until the target value is reached, and maintain the charged state for the time specified by the ON duty. Each time the piezo stack voltage rises to the charged state, steps S107 and S108 are executed and gradually decrease stepwise, while the ON duty gradually increases. FIG. 8 shows an example of the change over time of the piezo stack voltage. The first half is for the injection command, and the second half is for the pressure reduction command.
[0067]
According to this fuel injection device, the following effects are produced. FIG. 9 shows the change over time of the common rail pressure during the pressure reduction control. In the figure, the case where the ON duty is constant is indicated by a broken line as a comparative example. The pressure is reduced only during the period in which the piezo stacks 127A to 127D are in the charged state. Specifically, the pressure reduction period and the constant pressure period are alternately repeated, but the figure shows a general tendency. . In the comparative example, since the length of the charging state period is constant, the common rail pressure rapidly decreases at the beginning of the reduced pressure when the common rail pressure is high, and finally becomes gentle.
[0068]
On the other hand, in the present invention, since the ON duty is set to be small at the beginning of pressure reduction when the common rail pressure is high, the pressure reduction speed of the common rail pressure is averaged.
[0069]
In the pressure reduction control, if the set target voltage is lower than the leakage start voltage, the process proceeds from step S104 to step S105. Therefore, the target voltage that can be half-lifted is reset again, so that the pressure reduction is delayed. Done without.
[0070]
FIG. 10 shows a path followed by the piezo stack voltage as the common rail pressure is reduced during the pressure reduction control, and shows the case of the present invention and the comparative example together. In the comparative example in which the ON duty is constant, the injection start voltage may fall below the piezo stack voltage when the common rail pressure is high and the rate of decrease is high as described above. Since the duty is kept small, it is avoided that the injection start voltage falls below the piezo stack voltage, and the half lift state can be realized stably.
[0071]
In the comparative example in which the ON duty is constant, if the ON duty is reduced, it is possible to avoid the injection start voltage exceeding the piezo stack voltage. However, when the common rail pressure approaches the target pressure and the pressure reduction speed becomes low, it is 1 There is a problem that the pressure reduction amount per control cycle is not sufficient, and the pressure reduction control is prolonged. In the present invention, the ON duty increases as the common rail pressure approaches the target pressure, so that a sufficient amount of pressure reduction can be obtained during one control cycle.
[0072]
It should be noted that the ON duty setting map may be applied to the detected common rail pressure instead of the target voltage.
[0073]
(Second Embodiment)
FIG. 11 shows a configuration diagram centering on a piezoelectric actuator drive circuit of a fuel injection device according to a second embodiment of the present invention. In the first embodiment, the control program executed by the CPU is replaced with another setting, and FIG. 12 shows the control contents executed by the CPU. In the figure, parts that operate substantially the same as in the first embodiment will be described with the same numbers as in the first embodiment.
[0074]
Although the ON duty is variable in the first embodiment, it is fixed in this embodiment, and is set to 75%, for example. Then, as shown in FIG. 13, in the piezo stack charging state period, the controller 29A rises to the target voltage at the beginning of each control cycle, and then repeatedly turns on and off the switching element 14b at the time of injection stop to discharge with a low discharge current. Thus, the piezo stack voltage is gradually reduced. In the controller 29A, the current upper limit value of the discharge current that defines the timing of switching the switching element 14b from on to off is variable, and the discharge current is lowered by lowering the current upper limit value. A current upper limit setting signal proportional to the current upper limit value is input from the CPU 31A.
[0075]
In step S110 instead of step S109, in order to further optimize the target voltage with respect to the common rail pressure that gradually decreases even during the piezo stack charging state period, the difference between the first and last piezo stack voltage in the piezo stack charging state period (hereinafter referred to as the piezo stack charging state period). , Discharge amount) is set based on the target voltage (step S109). In this case, a discharge amount setting map in which the discharge amount and the target voltage are associated with each other is stored in advance in the ROM of the CPU 31A, and is set based on this map. The map data is created based on the change over time in which the voltage range in which half lift is possible shifts to the low voltage side as the common rail pressure decreases, based on the above-described experiment. As can be seen from FIG. 9, the higher the common rail pressure, the larger the common rail pressure reduction speed. Therefore, the amount of shift of the voltage range to the low voltage side is also large. Therefore, the discharge amount tends to rise to the right as shown in FIG.
[0076]
Since the piezo stack 127 is a capacitive element, the CPU 31A calculates the discharge rate of the piezo stack 127, and thus the current upper limit value, based on this discharge amount.
[0077]
Thus, the piezo stack voltage gradually decreases at a rate defined by the discharge amount during the piezo stack charge state period. As a result, during the piezo stack charging state period, even if the injection start voltage falls below the piezo stack voltage given at the beginning of the control cycle due to a decrease in common rail pressure, a margin to the injection start voltage is ensured, and stable half lift A state is obtained.
[0078]
FIG. 15 shows a path followed by the piezo stack voltage as the common rail pressure is reduced in this fuel injection device. Since the piezo stack voltage gradually decreases during the piezo stack charging state, the margin of the piezo stack voltage with the injection start voltage is shown. The common rail pressure decreases while maintaining
[0079]
In the present embodiment, the discharge amount is set based on the piezo stack target voltage, but may be set based on the detected common rail pressure. In this case, the discharge amount is set to increase as the common rail pressure increases. The correspondence between the common rail pressure and the discharge amount may be obtained in advance through experiments or the like.
[0080]
In addition, since the discharge amount is increased in the early stage of pressure reduction where the common rail pressure is high and the injection start voltage is rapidly reduced, a sufficient margin for the injection start voltage can be obtained, but the discharge amount can be fixed. Good. In this case, it is preferable that the piezo stack charging state period is set to be short so that the piezo stack voltage does not exceed the injection start voltage on the side where the common rail pressure is high, or the ON duty is gradually decreased as in the first embodiment. Since the discharge amount is fixed, the current upper limit value may be configured so that two types of output can be output, one for discharging when the injection is stopped and one for discharging when the common rail pressure is reduced.
[0081]
In addition, the ON duty until the pressure reduction of the common rail pressure is also set to be smaller as the piezo stack target voltage is higher to avoid erroneous injection when the pressure reduction is started, but the pressure reduction starts. The ON duty may be fixed to such an extent that it is known whether or not it has been done.
[0082]
Also, at the start of decompression control, the piezo stack target voltage is set to a voltage lower than the voltage that is estimated to be capable of half-lift, and if the decompression is not started, it is gradually increased to prevent erroneous injection due to fluctuations in fuel properties, etc. If it is avoided (steps S101 to S105) that the fluctuation in the voltage range of the piezo stack voltage that can be half-lifted is small, steps S102, S104, and S105 are omitted, and it is estimated that half-lifting is possible from a map or the like. The decompression control may be started with the piezo stack voltage.
[0083]
In this case, instead of setting the piezo stack target voltage based on the common rail pressure reduction amount, the piezo stack target voltage may be set based on the common rail pressure according to the map shown in step S101.
[0084]
Further, the charge amount of the piezo stack may be determined by using not the piezo stack voltage but the amount of power supplied to the piezo stack as an index.
[0085]
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]
FIG. 1 is a configuration diagram centering on an injector of a fuel injection device to which the present invention is applied;
FIG. 2 is an overall configuration diagram of the fuel injection device.
FIG. 3 is a circuit diagram of a piezo actuator drive circuit that drives a piezo actuator mounted on the injector.
FIG. 4 is a flowchart showing control in a CPU constituting the fuel injection device.
FIG. 5 is a first graph showing control in a CPU constituting the fuel injection device.
FIG. 6 is a second graph showing control in a CPU constituting the fuel injection device.
FIG. 7 is a third graph showing control in a CPU constituting the fuel injection device.
FIG. 8 is a timing chart showing the operation of the fuel injection device.
FIG. 9 is a first graph showing the operation of the fuel injection device.
FIG. 10 is a second graph showing the operation of the fuel injection device.
FIG. 11 is a circuit diagram of a piezo actuator driving circuit for driving a piezo actuator mounted on an injector of another fuel injection device to which the present invention is applied.
FIG. 12 is a flowchart showing control in a CPU constituting the fuel injection device.
FIG. 13 is a timing chart showing the operation of the fuel injection device.
FIG. 14 is a graph showing control in a CPU constituting the fuel injection device.
FIG. 15 is a graph showing the operation of the fuel injection device.
[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 Piezo actuator drive circuit
31, 31A CPU (control means)
4 Pressure sensor (pressure detection means)

Claims (5)

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し該ピエゾスタックの充電と放電とを行う通電手段と、
コモンレール内の燃料圧力を検出する圧力検出手段と、
前記通電手段による通電を制御し、燃料の噴射指令に対しては、前記弁体を着座状態とフルリフト状態との間で切り換えて前記ニードルを開閉し、前記コモンレール内の燃料圧力の減圧指令に対しては、検出された燃料圧力に応じて目標充電量を設定し前記ニードルが着座状態のままで前記弁体をリフト状態とする制御手段とを有する燃料噴射装置であって、
前記制御手段を、所定の周期で、検出された燃料圧力に応じて設定された目標充電量にてピエゾスタックが充電状態に立ち上がるように、かつ、前記減圧指令に対する通電制御において、検出された燃料圧力が高いほど前記ピエゾスタックが充電状態にある期間の長さが短くな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
Energizing means for energizing the piezo stack to charge and discharge the piezo stack;
Pressure detecting means for detecting the fuel pressure in the common rail;
The energization means controls the energization, and in response to a fuel injection command, the valve body is switched between a seating state and a full lift state to open and close the needle, and in response to a fuel pressure reduction command in the common rail. And a control means for setting a target charge amount according to the detected fuel pressure, and for setting the valve body in a lift state while the needle is in a seated state,
In the energization control for the depressurization command, the detected fuel is detected so that the piezo stack rises to a charged state with a target charge amount set according to the detected fuel pressure at a predetermined cycle. The fuel injection device, wherein the length of the period in which the piezo stack is in a charged state is shortened as the pressure is increased.
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し該ピエゾスタックの充電と放電とを行う通電手段と、
コモンレール内の燃料圧力を検出する圧力検出手段と、
前記通電手段による通電を制御し、燃料の噴射指令に対しては、前記弁体を着座状態とフルリフト状態との間で切り換えて前記ニードルを開閉し、前記コモンレール内の燃料圧力の減圧指令に対しては、検出された燃料圧力に応じて目標充電量を設定し前記ニードルが着座状態のままで前記弁体をリフト状態とする制御手段とを有する燃料噴射装置であって、
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、所定の周期で、検出された燃料圧力に応じて設定された目標充電量にてピエゾスタックが充電状態に立ち上がるように、かつ、ピエゾスタックが充電状態にある期間の充電量が目標充電量を初期値として漸減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
Energizing means for energizing the piezo stack to charge and discharge the piezo stack;
Pressure detecting means for detecting the fuel pressure in the common rail;
The energization means controls the energization, and in response to a fuel injection command, the valve body is switched between a seating state and a full lift state to open and close the needle, and in response to a fuel pressure reduction command in the common rail. And a control means for setting a target charge amount according to the detected fuel pressure, and for setting the valve body in a lift state while the needle is in a seated state,
In the energization control with respect to the decompression command, the control means is configured to charge the piezo stack in a charged state with a target charge amount set according to the detected fuel pressure in a predetermined cycle. A fuel injection device characterized in that a charge amount during a period in a state is set to gradually decrease with a target charge amount as an initial value.
請求項1または2いずれか記載の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、前記コモンレール内の燃料圧力の減圧速度が大きいほど前記目標充電量が低くなるように設定した燃料噴射装置。3. The fuel injection device according to claim 1, wherein, in the energization control with respect to the pressure reduction command, the control means is set so that the target charge amount decreases as the pressure reduction speed of the fuel pressure in the common rail increases. Fuel injection device. 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し該ピエゾスタックの充電と放電とを行う通電手段と、
コモンレール内の燃料圧力を検出する圧力検出手段と、
前記通電手段による通電を制御することにより前記ピエゾスタックの充電量を調整し、燃料の噴射指令に対しては、前記弁体を着座状態とフルリフト状態との間で切り換えて前記ニードルを開閉し、前記コモンレール内の燃料圧力の減圧指令に対しては、検出された燃料圧力に応じて目標充電量を設定し前記ニードルが着座状態のままで前記弁体をリフト状態とする制御手段とを有する燃料噴射装置であって、
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、検出された燃料圧力に基づいて前記ニードルが着座状態のままで前記弁体をリフト状態とし得るピエゾスタックの充電量を推定し、推定された充電量よりも低い充電量を初期値として、検出された燃料圧力が低下を開始するまで目標充電量が漸次上昇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
Energizing means for energizing the piezo stack to charge and discharge the piezo stack;
Pressure detecting means for detecting the fuel pressure in the common rail;
The amount of charge of the piezo stack is adjusted by controlling energization by the energization means, and in response to the fuel injection command, the valve body is switched between a seating state and a full lift state to open and close the needle, A fuel having a control means for setting a target charge amount according to the detected fuel pressure and setting the valve body in a lifted state while the needle is seated in response to a command to reduce the fuel pressure in the common rail An injection device,
In the energization control with respect to the depressurization command, the control means estimates the amount of charge of the piezo stack that can bring the valve body into a lift state while the needle is seated based on the detected fuel pressure, and the estimated charge A fuel injection device characterized in that a target charge amount is set to gradually increase until a detected fuel pressure starts to decrease, with a charge amount lower than the amount being an initial value.
請求項4記載の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、前記コモンレール内の燃料圧力が高いほど前記充電状態にある期間の長さが短くなるように設定した燃料噴射装置。5. The fuel injection device according to claim 4, wherein in the energization control with respect to the pressure reduction command, the control means sets the length of the period in the charged state to be shorter as the fuel pressure in the common rail is higher. apparatus.
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