JP4389411B2 - Injection control device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のコモンレール式燃料噴射装置に関し、詳しくは、ピエゾインジェクタを用いた燃料噴射装置の減圧機構に関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼル機関のコモンレール式燃料噴射装置では、各気筒に共通の蓄圧室(コモンレール)を設けて、高圧ポンプから圧送される高圧燃料を蓄圧している。この装置では、コモンレール圧、水温、エンジン回転数といった機関の運転状態に応じて、高圧ポンプからコモンレールへの圧送量を調整し、コモンレールの燃料圧を目標圧力に制御するとともに、上記運転状態に基づいて燃料噴射量を算出し、所定のタイミングでインジェクタから各気筒に噴射供給している。この時、燃料噴射圧力(コモンレールの燃料圧)が適正でないと、燃費や排気浄化性能が低下したり、騒音等が発生する。これを防止するため、例えば、特開平2−191865号に記載されるような、燃料噴射圧力の調整手段を備えた装置が提案されている。
【0003】
コモンレール圧の調整は、通常、昇圧時にはコモンレールへの圧送量を燃料噴射量より増量し、減圧時には燃料噴射量より減量ないし圧送を停止することによって行われる。ところが、例えば、急減速した後、再びアクセルを操作したり、機関の停止直後に再始動した場合には、燃料噴射が休止されて燃料が消費されないために、コモンレール圧が目標圧力まで低下せず、次の操作時に目標圧力より高い圧力の燃料が噴射されてしまう。これが上記不具合の原因になることから、特開平2−191865号の装置では、インジェクタを開閉する電磁弁を、電磁弁の開弁からノズルニードルが実際に噴孔を開放するまでの遅延時間(無効噴射期間)より短い時間幅で駆動する「空打ち」を行って減圧する。電磁弁の開弁により、コモンレール内の高圧燃料が低圧側へ溢流するので、燃料噴射を行うことなく、コモンレール圧を速やかに降下させることができる。
【0004】
一方、インジェクタには、従来より特開平2−191865号の装置で使用しているようなソレノイド駆動式のインジェクタが使用されているが、近年、これに代えて、より応答性に優れるピエゾ駆動式のインジェクタを用いることが検討されている。ピエゾ駆動式のインジェクタは、インジェクタの開閉を、電圧の印加により伸縮する圧電素子を利用したピエゾ弁で行うもので、印加電圧に応じた伸縮量を速やかに発生して弁体を駆動させることができるため、燃料噴射の制御性を向上させることが期待される。
【0005】
ところが、ピエゾ駆動式のインジェクタは、その特徴である高応答性のため、無効噴射期間がソレノイド駆動式のインジェクタに比べてはるかに短い。このため、無効噴射期間よりも短い時間幅でピエゾ弁を開閉動作させる「空打ち」駆動は実現困難であった。また、「空打ち」駆動では、大量のリークが難しいことから、コモンレール等の高圧部に燃料逃がし弁を設置する技術も知られるが、燃料逃がし弁を新設する必要があり、搭載性およびコスト面で不利であった。
【0006】
そこで、ピエゾ駆動式のインジェクタを用いて、コモンレール圧の減圧調整を行う手段として、ピエゾアクチュエータへ注入する電気エネルギーを通常噴射時より低く設定し、ピエゾアクチュエータの伸長に伴い変位する弁体の開度を半開位置に調整することにより、噴射を発生させずに燃料のリークを発生させる方法が検討されている。この方法によれば、燃料逃がし弁を設置することなく、十分な減圧を得ることが期待できる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記方法では、弁体を所定の開度に調整するために、ピエゾアクチュエータの伸長量を数μmの単位で調整することが要求される。しかも、弁体の位置は、ピエゾアクチュエータの発生力と弁体に作用する油圧、つまり、コモンレール圧のバランスで決まるため、燃料のリークに伴いコモンレール圧が低下すると、弁体に作用する力のバランスが変化して誤噴射を生じる等のおそれがあった。
【0008】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、ピエゾインジェクタを用いた燃料噴射装置において、コモンレール圧の減圧要求時に、弁体の開度を適切に調整して必要なリーク量を確保することができ、また、コモンレール圧の変化等により誤噴射等を生じることがなく、精度よい減圧を実施可能な燃料噴射装置を提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1の内燃機関の燃料噴射装置は、高圧ポンプから圧送される高圧燃料を蓄える蓄圧室と、該蓄圧室内の高圧燃料を内燃機関の気筒に噴射するピエゾ駆動式のインジェクタと、機関の運転状態に応じて上記高圧ポンプと上記インジェクタの駆動を制御する制御部を備えている。
上記インジェクタは、噴孔を開放するノズルニードルと、上記蓄圧室から供給される燃料の圧力を上記ノズルニードルに作用させる制御室と、上記制御室とリーク流路の間を開閉することにより上記制御室の圧力を増減する制御弁と、所定電圧を印加することにより伸長して上記制御弁を開弁駆動し、充電された電圧を放電することにより収縮して上記制御弁を閉弁駆動するピエゾ駆動部とを有して、上記制御弁の駆動に伴い上記ノズルニードルが開弁して上記蓄圧室から供給される燃料を噴射する構成であり、
上記制御部は、内燃機関の運転状態に基づき、上記蓄圧室内の燃料圧力を低下させるべき減圧条件が成立しているか否かを判定する減圧判定手段と、
上記減圧判定手段により減圧条件が成立していると判定された時に、上記ピエゾ駆動部に通常噴射時より低い電圧を印加して上記制御弁を半開させ、上記蓄圧室から供給される燃料を上記リーク流路へ溢流させて上記蓄圧室内の燃料圧力を低下させる減圧手段と
上記減圧手段により上記ピエゾ駆動部に印加される電圧を、上記制御弁がシート位置を離れかつ上記ノズルニードルが閉弁を維持するように上記蓄圧室内の燃料圧力に基づいて設定し、この設定電圧を、上記蓄圧室内の燃料圧力変化に応じて設定変更する印加電圧調整手段とを備えている。
【0010】
本発明では、上記印加電圧調整手段により、減圧要求時に上記ピエゾ駆動部に印加する電圧を上記蓄圧室内の燃料圧力を基に設定し、かつ圧力変化に応じて適時設定変更されるようにしたので、上記減圧手段の作動に伴い上記蓄圧室内の燃料圧力が低下しても、上記制御弁を常に所定の半開位置に保持することができる。従って、誤噴射等を生じることなく、必要なリーク量を確保し、高精度な減圧制御を実施することができる。
【0011】
請求項2の構成では、所定時期に上記蓄圧室内の燃料圧力を検出する圧力検出手段を設けるとともに、上記印加電圧調整手段による上記ピエゾ駆動部への印加電圧の設定変更を、上記圧力検出手段による燃料圧力の検出時期に同期して実施するものとする。
【0012】
例えば、内燃機関のクランク角信号等に基づく所定のタイミングで燃料圧力を検出し、これに同期させて上記ピエゾ駆動部への印加電圧の設定値を変更するようにすれば、上記制御弁を、常に、上記蓄圧室内の燃料圧力に応じた最適な位置に調整することができ、上記減圧手段による減圧を効果的に行うことができる。
【0013】
あるいは、請求項3のように、上記印加電圧調整手段による上記ピエゾ駆動部への印加電圧の設定変更を、所定時間毎に実施することもできる。このように、時間経過に伴い上記制御弁の位置が調整される場合には、減圧速度を内燃機関の回転数によらず一定にすることができる利点がある。
【0014】
請求項4の構成では、上記印加電圧調整手段が、上記ピエゾ駆動部に電圧を印加する際に上記ピエゾ駆動部へ流れる電流値を通常噴射時よりも低くする手段を有するものとする。
【0015】
例えば、複数スイッチング方式で上記ピエゾ駆動部に電圧を印加する場合、通電を数回に分けて行うが、所定の設定電圧に精度よく到達させるには、一回当たりの電圧上昇量が小さい方がよい。そこで、減圧要求時には、上記印加電圧調整手段によって、一回に通電される電流を通常噴射時よりも低く設定することで、より精度よく印加電圧を制御することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を多気筒ディーゼル機関(以下、エンジンと称する)のコモンレール式燃料噴射装置に適用した一実施の形態について説明する。図1(a)はコモンレール式燃料噴射装置の全体構成図で、エンジンの各気筒に燃料を噴射供給する複数のピエゾ駆動式のインジェクタ1(図にはその1つを示す)と、各インジェクタ1に供給される燃料を蓄圧する蓄圧室としてのコモンレール3と、コモンレール3に高圧燃料を圧送する高圧ポンプ6と、これらをエンジンの運転状態に応じて制御する制御部としての電子制御装置(以下、ECUと称する)5とを備えている。インジェクタ1は、高圧配管31によってコモンレール3に、リーク配管41によって燃料タンク7にそれぞれ連結している。また、コモンレール3は、高圧配管32によって高圧ポンプ6に、リーク配管42によって燃料タンク7にそれぞれ連結される。
【0017】
図1(b)は、インジェクタ1の詳細構成を示す図で、インジェクタ1のハウジング11は、下半部内にシリンダ12を設けてノズルニードル13を摺動自在に収容しており、ノズルニードル13が上方に移動するとハウジング11下端の噴孔14が開放されて燃料が噴射される。シリンダ12上端部には、ノズルニードル13に閉弁方向の圧力を与える制御室15が形成されており、この制御室15の圧力が増減するのに伴ってノズルニードル13がシリンダ12内を上下動する。また、制御室15内には、ノズルニードル13を閉弁方向に付勢するスプリング17が配設されている。ノズルニードル13は、下半部をやや小径としてシリンダ12との間に燃料溜まり16となる環状空間を形成しており、燃料溜まり16内の燃料によって開弁方向の圧力を受けている。燃料溜まり16は、高圧配管31に接続される高圧流路33に連通し、噴孔14に燃料を供給する。
【0018】
ハウジング11の中間部内には、制御室15の油圧を増減する制御弁としての3方弁8が設けられている。3方弁8は、上端部に低圧ポート81を、下端部に高圧ポート82を有する弁室83内に、ボール状の弁体84を配してなり、弁室83は連通路85を介して常時制御室15と連通している。低圧ポート81は、リーク配管41に接続される低圧流路43に、高圧ポート82は高圧流路33に連通しており、弁体84のシート位置を切り換えることによって、制御室15が低圧流路43または高圧流路33に連通する。すなわち、弁体84が上方の低圧シート81aに着座して低圧ポート81を閉鎖すると、高圧流路33から弁室83を介して流入する高圧燃料によって制御室15の圧力が上昇し、弁体84が下方の高圧シート82aに着座して高圧ポート82を閉鎖すると、制御室15から低圧流路43に燃料が溢流して圧力が低下する。
【0019】
3方弁8は、ハウジング11の上半部内に収容されるピエゾ駆動部としてのピエゾアクチュエータ2によって駆動される。ピエゾアクチュエータ2は、平板状の圧電体を多数積層してなるピエゾスタック21と、その下端面に当接してシリンダ25内を摺動するピエゾピストン22を備えている。ピエゾスタック21は電荷の注入により伸長し、電荷の除去により収縮するもので、上端から延びるリード線26を介してECU5に接続される。ピエゾピストン22は、下端面より突出するロッド23を有し、ピエゾスタック21の伸縮に伴いピエゾピストン22が一体に上下動すると、ロッド23が3方弁8の弁体84を駆動する。ピエゾスタック21の伸長量は印加電圧に比例するので、印加電圧を調整することによって弁体84の位置を調整することができる。
【0020】
図1(b)は、ピエゾスタック21が収縮し、ピエゾピストン22とともに弁体84が上昇して低圧ポート81を閉鎖している初期状態を示し、制御室15の圧力とスプリング16の付勢力でノズルニードル13が下降し、インジェクタ1は閉弁状態にある。なお、シリンダ25の下端部内には、ロッド23周りに皿ばね24が配設されてピエゾピストン22およびピエゾスタック21を上方(収縮方向)に付勢している。
【0021】
制御部であるECU5は、図1(a)に示すように、エンジンを制御するためのプログラムを実行するCPUと、CPUからの指令に応じて各インジェクタ1のピエゾアクチュエータ2や高圧ポンプ6等を駆動するコントローラ(制御回路)を有している。CPUには、クランク軸回転角度、エンジン回転数、アクセル開度、冷却水温等を検出する図略の各種センサ、およびコモンレール圧力を検出する圧力検出手段である圧力センサSからの信号が入力され、これらセンサからの信号に基づいてエンジンの運転状態を検出する。そして、エンジンが最適な燃焼状態となるようにコモンレール3の目標圧力を算出し、この目標値と実際のコモンレール圧力が一致するように、高圧ポンプ6に圧送指令信号を出力して、公知のコモンレール圧力のフィードバック制御を行う。
【0022】
一方、ECU5は、上記検出した運転状態に基づき、所定のタイミングでインジェクタ1を駆動してエンジンへの燃料噴射を制御する。図2は、インジェクタ1を駆動するための制御ブロック図で、CPUには、通常の噴射駆動時における目標の燃料噴射量と噴射時期を算出して噴射信号を出力する噴射量・時期演算回路が設けられている。CPUから噴射信号が所定の時期に出力されると、コントローラの噴射弁通電処理回路を経由して所定のインジェクタ1が通電駆動され、エンジンの気筒に燃料を噴射する。この際、コントローラの充電電圧・充電電流可変回路は、インジェクタ1のピエゾアクチュエータ2へ充電される電圧値を設定し、さらに、設定電圧値に達するまでの時間を調整するために、一回の充電動作時に駆動回路からピエゾアクチュエータ2へ流れる電流値を設定する。
【0023】
通常の噴射駆動時には、ピエゾアクチュエータ2の駆動からノズルニードル13が開弁するに至るまでの無効噴射期間をできるだけ短くして速やかに燃料噴射が行われ、かつ噴射安定性が確保されるように、充電電圧値は十分に高く、かつ充電電流値は回路発熱による不具合を伴わない程度に高く設定される。噴射弁通電処理回路は、噴射信号に従ってピエゾアクチュエータ2への充電を開始し、充電電圧・充電電流可変回路で設定された電流で充電するとともに、設定された電圧で充電が完了するように通電を制御して、インジェクタ1を噴射駆動する。
【0024】
さらに、ECU5は、上記検出した運転状態に基づき、インジェクタ1の3方弁8を介して燃料を溢流させてコモンレール圧力の減圧制御を行う。コモンレール圧力の減圧制御では、ピエゾアクチュエータ2への印加電圧を調整してピエゾスタック21の伸長量を、弁体84が低圧ポート81を半開する位置、すなわち低圧シート81aと高圧シート82aの中間位置となるように調整する。この時、低圧ポート81と高圧ポート82の両方が開放され、高圧流路33と低圧流路43が連通してコモンレール3の燃料が低圧流路43に溢流するために、コモンレール3の圧力を低下させることが可能となる。
【0025】
図2の制御ブロック図において、CPUには、コモンレール圧力を低下させるべき所定の減圧条件が成立しているか否かを判定し、減圧条件が成立している時にピエゾアクチュエータ2への印加電圧を調整して減圧を実行するために減圧信号を出力する減圧判定手段たる減圧判定回路が設けられている。減圧判定は、例えば、急減速時であれば、目標の燃料噴射量と実際のコモンレール圧力を基になされ、噴射量・時期演算回路で算出された目標の燃料噴射量がゼロ以下であり、かつ実際のコモンレール圧力が目標とするコモンレール圧力より高い時に、減圧条件が成立していると判定する。
【0026】
減圧判定回路から減圧信号が出力されると、印加電圧調整手段となるコントローラの充電電圧、充電電流可変回路は、3方弁8の弁体84が中間位置となるように、ピエゾアクチュエータ2へ充電される電圧と、駆動回路からピエゾアクチュエータ2へ流れる電流を設定する。ピエゾアクチュエータ2の充電電圧を0から徐々に上げていくと、ある電圧で3方弁8の弁体84が低圧シート81aを離れて燃料リークが発生し、次いで、高圧シート82aに着座して制御室15の圧力が十分低下すると、噴射が開始される。従って、減圧制御時には、3方弁8が低圧シート81aを離れかつノズルニードル1が閉弁を維持して、燃料リークのみが発生するように、充電電圧を通常噴射時より低く設定する。この電圧はコモンレール圧力を基に設定され、また、コモンレール圧力変化に応じて適時設定変更される。
【0027】
減圧手段となる噴射弁通電処理回路は、減圧信号に従ってピエゾアクチュエータ2への充電を開始し、充電電圧・充電電流可変回路で設定された電流で充電するとともに、設定された電圧で充電が完了するように、通電を制御する。これにより、ピエゾスタック21の伸長量が調整されて3方弁8を中間位置に保持し、コモンレール3の高圧燃料がリーク流路43へ溢流して、コモンレール圧力が低下する。この制御の詳細は後述する。
【0028】
図1の構成のインジェクタ1の作動を、図3のタイミングチャートを参照して説明する。図3の一点鎖線は通常の噴射駆動時、実線は減圧要求時の作動を示すものである。図1(a)において、コモンレール3から高圧配管31を介してピエゾインジェクタ1に供給される高圧燃料は、高圧流路33を経て燃料溜まり16に流入する。同時に、高圧流路33に連通する3方弁8の高圧ポート82にも高圧燃料が流入する。ピエゾアクチュエータ2に電圧が印加されていない時(図3のAの時点以前)、3方弁8の弁体84は低圧シート81aに当接して、高圧ポート82が開放されており(図1(b)に示す状態)、高圧ポート82から弁室83および連通路85を経て制御室15に高圧燃料が流入して、制御室15は高圧となっている。この状態では、ノズルニードル13に加わる開弁方向の力(燃料溜まり16の燃料圧力)より、閉弁方向の力(制御室15の圧力とスプリング16の付勢力)の方が大きいため、ノズルニードル13はリフトせず、噴孔14が閉鎖されて閉弁状態となるため、エンジンの気筒に燃料が噴射されることはない。
【0029】
次に、ECU5からの噴射信号(例えば矩形のパルス信号)により、ピエゾアクチュエータ2に電圧の印加が開始されると(図3のAの時点)、ピエゾ電圧の上昇とともにピエゾスタック21が伸長し、ピエゾピストン22が下降して3方弁8の弁体84を下方に移動させる。この際、図3に一点鎖線で示すように、ピエゾ電圧が上昇するのに伴い、まず弁体84が上方の低圧シート81aから離れて低圧ポート81を開放し、次いで、下方の高圧シート82aに着座して高圧ポート82を閉鎖する。そして、制御室15の高圧燃料が低圧ポート81から低圧流路43へ溢流するのに伴い、制御室15の圧力が徐々に低下し、燃料溜まり16の開弁方向の燃料圧力が、制御室15とスプリング16による閉弁方向の力を上回ると、ノズルニードル13がリフトを開始する(図3のCの時点)。すなわち、インジェクタ1は開弁状態となり、燃料溜まり16と噴孔14が連通してエンジンの気筒に燃料が噴射される。
【0030】
その後、ECU5によりピエゾアクチュエータ2に印加されていた電圧を放出すると(図3のDの時点)、ピエゾスタック21が収縮し、ピエゾピストン22および3方弁8の弁体84が上昇する。そして、弁体84が下方の高圧シート82aから離れて高圧ポート81を開放し、次いで、上方の低圧シート81aに着座して低圧ポート81を閉鎖することにより、制御室15に再び高圧燃料が流入し、圧力が徐々に上昇する。そして、制御室15とスプリング16による閉弁方向の力が、燃料溜まり16の開弁方向の燃料圧力を上回ると、ノズルニードル13が下降を開始し、噴孔14が閉鎖されてインジェクタ1は閉弁状態に戻る。
【0031】
ここで、上記インジェクタ1構成では、弁体84がリフトを開始することによって(図3のBの時点)、制御室15の圧力が低下し始めるが、ノズルニードル37がリフトを開始する圧力に到達させるには(図3のCの時点)、さらにピエゾ電圧を上昇させる必要がある。言い換えれば、ピエゾ電圧を調整することによって、弁体84のリフト位置を調整し、制御室15をノズルニードル37がリフトを開始する圧力、すなわち噴射開始圧より高く保持することが可能となる。
【0032】
そこで、本発明では、図3に実線で示すように、ECU5の充電電圧、充電電流可変回路で設定されるピエゾアクチュエータ2への充電電圧(ピエゾ電圧の最高値)を、通常噴射時より低く設定する。ECU5からの減圧信号により、電圧印加が開始されると(図3のAの時点)、ピエゾ電圧の上昇とともにピエゾスタック21が伸長するが、ピエゾスタック21の伸長量すなわちピエゾピストン22の下降量が、通常噴射時より小さくなるために、3方弁8の弁体84は上方の低圧シート81aと下方の高圧シート82aの中間位置に保持される。
【0033】
この時、高圧ポート82から弁室83に流入する高圧燃料が、直接、低圧ポート81を経て低圧流路43へ溢流するために、コモンレール3の圧力を低下させることができる。一方、3方弁8の弁体84と低圧シート81aの間隔が、通常噴射時より狭くなり、制御室15からの高圧燃料の溢流が制限される。従って、制御室15の圧力は噴射開始圧まで低下せず、ノズルニードル37がリフトしないために、噴射が生じることはない。
【0034】
ここで、図1(b)において、3方弁8の弁体84は、ピエゾスタック21からピエゾピストン22を介して下向きの力を、弁室83内の高圧燃料から上向きの力を受けており、これらの力のバランスによって、その位置が決定される。弁室83に流入する高圧燃料の圧力は、コモンレール3の圧力に等しいため、弁体84に上向きに作用する力はコモンレール圧力によって変化し、これに伴い弁体84を中間位置に保持するためのピエゾアクチュエータ2の充電電圧も変化することになる。この関係を図4に示す。
【0035】
図4は、弁体84が低圧シート81aを離れるのに必要な充電電圧(リーク開始電圧)と、ノズルニードル37が閉弁を保持可能な最大電圧(無噴射限界電圧)を示しており、いずれもコモンレール圧力とほぼ比例して上昇する。従って、減圧要求時には、まず、圧力センサSでコモンレール圧力を検出し、検出されたコモンレール圧力におけるリーク開始電圧と無噴射限界電圧の間となるように、ピエゾアクチュエータ2の充電電圧を設定する。さらに、コモンレール圧力の低下とともに、リーク開始電圧と無噴射限界電圧も低下することから、ピエゾアクチュエータ2の設定電圧を一定としたままでは、弁体84に上向きに作用する力が低減していくために、力のバランスが変化する。このため、弁体84が下方に移動し、最終的には高圧シート82aに当接して誤って噴射が生じてしまうことになる。
【0036】
そこで、本発明では、コモンレール圧力を適時検出し、検出結果に応じて、図4に△で示すように、ピエゾアクチュエータ2の設定電圧を変更することを繰り返す。これにより、常に、弁体84を低圧シート81aと高圧シート82aの間に位置させ、誤噴射を生じることなく、コモンレール圧力の減圧制御を可能にする。
【0037】
図5は、ECU5の充電電圧・充電電流可変回路にて実施される充電電圧の設定変更方法の一例を示すタイミングチャートで、減圧制御開始前後のコモンレール圧力と充電電圧の関係を示している。通常の噴射制御時においては、ピエゾアクチュエータ2への充電電圧は、弁体84が高圧シート82aを確実に密着させるに十分な電圧V0 に設定される。噴射弁通電処理回路は、噴射量・時期演算回路から所定の時期に出力される噴射信号に従って、ピエゾスタック21に充電・放電を実施する。これを噴射毎に繰り返す。その間、コモンレール3には、高圧ポンプ6から必要な量の高圧燃料が圧送され、コモンレール圧力(図中実線)は所定の目標圧力(図中二点鎖線)に維持される。
【0038】
次に、減圧判定手段により減圧信号が出力されると(図中、矢印)、まず、圧力センサSによりコモンレール圧力が検出され、その検出値から、予め決められたコモンレール圧力と充電電圧の関係(例えば図4の特性図)を基に、減圧に最適なピエゾアクチュエータ2の充電電圧を決定する。噴射弁通電処理回路は、これに従って、ピエゾスタック21の充電・放電を実施する。減圧制御は、例えば、通常の噴射間隔と同様にエンジンの回転に同期して実施される。そして、次の減圧信号が出力されると、再度コモンレール圧力が検出され、この検出値に基づいてピエゾアクチュエータ2の充電電圧が設定変更されて、ピエゾスタック21の充電/放電を実施する。これをコモンレール圧力が目標圧力となるまで繰り返す。
【0039】
なお、ここでは、減圧制御の間隔を、通常の噴射間隔と同様にエンジンの回転に同期したものとして説明したが、一定時間間隔で実施してももちろんよい。この場合には、コモンレール3の減圧速度を、エンジンの運転状態によらず一定にできるという特徴がある。
【0040】
また、圧力センサSにより実際のコモンレール3の圧力を検出し、これを基にピエゾアクチュエータ2の充電電圧を設定しているが、実際には、インジェクタ1の摺動部等から静的リークが生じるため、減圧制御時の燃料リーク量から計算によって求めた減圧量によって、圧力を補正することもできる。これによって、弁体84へ上向きに加わる高圧燃料の作用力をより精度よく推定し、誤噴射を確実に防止して、制御性を向上させることができる。
【0041】
図6はECU5の充電電圧・充電電流可変回路における充電電流の設定方法を説明するもので、実線は通常噴射時の噴射パルスと、ピエゾアクチュエータ2の充電電圧、電圧を印加するための充電電流の関係を示す。ピエゾアクチュエータ2への通電は、通常、電圧昇圧回路(DC−DC)と、充電用スイッチング素子、放電用スイッチング素子を備える駆動回路によって、充放電を複数回のスイッチングで段階的に行う複数スイッチング方式で実施される。電圧昇圧回路(DC−DC)は、バッテリの電圧を所定の電圧に昇圧させるもので、電圧昇圧回路によって高電圧に変換されたエネルギーはコンデンサに蓄えられる。そして、充電用スイッチング素子をオンオフを所定回数繰り返すことによって、コンデンサから充電用スイッチング素子を介してピエゾスタック21への充電が行われる。
【0042】
この時、充電用スイッチング素子をオンオフする度に、所定の充電電流が流れ、ピエゾアクチュエータ2の充電電圧が段階的に上昇して、所定の設定電圧に到達する。ここで、ピエゾアクチュエータ2の充電電圧は、1回当たりの充電量と充電回数の積であり、充電電圧の分解能は、一回当たりの充電量で決まる。充電電圧を精度よく制御するためには、充電電圧の分解能が高い方がよく、これを達成するには、充電電流を下げて一回当たりの充電量を下げればよい。特に、減圧制御時においては、図4で示した通り、通常噴射時に比べて充電電圧の設定可能領域が狭いため、この分解能を上げる必要がある。ところが、通常噴射時には、充電量を下げることにより充電回数が増え、設定電圧に達するのに要する時間が延びるため、噴射パルスの立ち上がりと、実際にピエゾスタック21が噴射可能な伸長量に達する時期との差(無効噴射期間)が大きくなって、噴射性能(応答性)を損なう不具合がある。
【0043】
これを避けるため、本発明では、図6に示すように、減圧制御時にのみ、充電電流を低くして一回当たりの充電量を下げ、充電電圧の分解能を上げる。通常噴射時には、無効噴射期間が短くなるように充電電流を高くして一回当たりの充電量を大きくする。これにより、通常噴射時の噴射性能を確保しつつ、減圧制御時の分解能を高くして、誤噴射等を防止し、コモンレール圧の制御性をより向上させることができる。
【0044】
上記実施の形態では、減圧判定条件を、例えば急減速により、燃料噴射量<0でかつ実際のコモンレール圧力>目標コモンレール圧力となった場合としたが、高負荷運転後にエンジンを再始動させたり、スタータスイッチのオン・オフを繰り返すことにより、コモンレール3内の圧力が必要以上に高くなった場合に、本発明を適用してももちろんよい。この場合には、コモンレール3内の燃料圧力を低下させるべき減圧条件として、例えば、イグニッションスイッチやスタータスイッチがオン状態からオフ状態となったことを確認すればよく、同様にして減圧制御を行うことでコモンレール3内の圧力を効率よく低減することができる。
【0045】
また、上記実施の形態では、制御弁として3方弁を用いたが、2方弁としてももちろんよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は第1の実施の形態の燃料噴射装置の全体構成図、(b)はインジェクタの概略構成を示す断面図である。
【図2】ECUによる制御のブロック図である。
【図3】噴射駆動時と減圧制御時とインジェクタの作動を説明するためのタイミングチャートである。
【図4】コモンレール圧と充電電圧の関係を示す図である。
【図5】ECUによる充電電圧の制御の一例を示すタイミングチャートである。
【図6】充電電流と充電電圧の関係を示す図である。
【符号の説明】
1 インジェクタ
13 ノズルニードル
14 噴孔
15 制御室
2 ピエゾアクチュエータ(ピエゾ駆動部)
3 コモンレール(蓄圧室)
33 高圧流路
43 低圧流路(リーク流路)
5 ECU(制御部)
6 高圧ポンプ
7 燃料タンク
8 3方弁(制御弁)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a common rail fuel injection device for an internal combustion engine, and more particularly to a pressure reducing mechanism for a fuel injection device using a piezo injector.
[0002]
[Prior art]
In a common rail fuel injection device of a diesel engine, a common pressure accumulating chamber (common rail) is provided in each cylinder to accumulate high pressure fuel pumped from a high pressure pump. In this device, the pumping amount from the high-pressure pump to the common rail is adjusted according to the operating state of the engine such as the common rail pressure, water temperature, and engine speed, and the fuel pressure of the common rail is controlled to the target pressure. Thus, the fuel injection amount is calculated, and the fuel is injected and supplied from the injector to each cylinder at a predetermined timing. At this time, if the fuel injection pressure (the fuel pressure of the common rail) is not appropriate, the fuel consumption and the exhaust purification performance will be reduced, and noise will be generated. In order to prevent this, for example, an apparatus provided with a fuel injection pressure adjusting means as described in JP-A-2-191865 has been proposed.
[0003]
The adjustment of the common rail pressure is normally performed by increasing the pumping amount to the common rail from the fuel injection amount when increasing the pressure, and decreasing the fuel injection amount or stopping the pumping when decreasing the pressure. However, for example, when the accelerator is operated again after a sudden deceleration or restarted immediately after the engine is stopped, the fuel injection is stopped and the fuel is not consumed, so the common rail pressure does not decrease to the target pressure. In the next operation, fuel having a pressure higher than the target pressure is injected. Since this causes the above problem, in the device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-191865, the electromagnetic valve that opens and closes the injector is set to a delay time from the opening of the electromagnetic valve until the nozzle needle actually opens the nozzle hole (invalid The pressure is reduced by performing “empty driving” that is driven in a shorter time width than the injection period). Since the high-pressure fuel in the common rail overflows to the low-pressure side by opening the solenoid valve, the common rail pressure can be quickly reduced without performing fuel injection.
[0004]
On the other hand, as the injector, a solenoid-driven injector as used in the apparatus of Japanese Patent Laid-Open No. 2-191865 has been used, but in recent years, instead of this, a piezo-driven type that is more responsive. The use of this type of injector is under consideration. A piezo-driven injector is a piezo valve that uses a piezoelectric element that expands and contracts when a voltage is applied. The piezo-driven injector can quickly generate an expansion / contraction amount corresponding to the applied voltage to drive the valve element. Therefore, it is expected to improve the controllability of fuel injection.
[0005]
However, due to the high response characteristic of the piezoelectric drive injector, the invalid injection period is much shorter than that of the solenoid drive injector. For this reason, it has been difficult to realize “blank driving” driving that opens and closes the piezo valve in a time width shorter than the invalid injection period. In addition, because it is difficult to perform a large amount of leakage with the “blank drive” drive, it is also known to install a fuel relief valve in the high-pressure part such as a common rail. However, it is necessary to install a new fuel relief valve. It was disadvantageous.
[0006]
Therefore, as a means to adjust the common rail pressure by using a piezo-driven injector, the electric energy injected into the piezo actuator is set lower than that during normal injection, and the opening of the valve body that displaces as the piezo actuator expands A method of generating a fuel leak without generating an injection by adjusting to a half-open position has been studied. According to this method, it can be expected that sufficient pressure reduction is obtained without installing a fuel relief valve.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above method, in order to adjust the valve body to a predetermined opening, it is required to adjust the extension amount of the piezoelectric actuator in units of several μm. In addition, the position of the valve body is determined by the balance between the generated force of the piezo actuator and the hydraulic pressure acting on the valve body, that is, the common rail pressure, so if the common rail pressure decreases due to fuel leakage, the balance of the force acting on the valve body There was a risk of mis-injection due to a change in.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and in a fuel injection device using a piezo injector, when the common rail pressure is required to be reduced, the opening degree of the valve body can be appropriately adjusted to ensure a necessary amount of leakage. Further, it is an object of the present invention to provide a fuel injection device that can perform accurate pressure reduction without causing erroneous injection due to a change in common rail pressure or the like.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A fuel injection device for an internal combustion engine according to claim 1 is a pressure accumulator that stores high-pressure fuel pumped from a high-pressure pump, a piezo-drive injector that injects high-pressure fuel in the accumulator into a cylinder of the internal combustion engine, and operation of the engine. A control unit for controlling the driving of the high-pressure pump and the injector according to the state is provided.
The injector includes a nozzle needle that opens a nozzle hole, a control chamber that causes the pressure of fuel supplied from the pressure accumulating chamber to act on the nozzle needle, and the control that is performed by opening and closing between the control chamber and the leak channel. A control valve for increasing / decreasing the pressure in the chamber, and a piezo that extends by applying a predetermined voltage to open the control valve, and contracts by discharging the charged voltage to close the control valve. A drive unit, the nozzle needle is opened as the control valve is driven, and fuel supplied from the pressure accumulating chamber is injected,
The controller is configured to determine whether or not a decompression condition for reducing the fuel pressure in the pressure accumulating chamber is satisfied based on an operating state of the internal combustion engine;
When the decompression determination means determines that the decompression condition is satisfied, the control valve is half-opened by applying a voltage lower than that during normal injection to the piezoelectric drive unit, and the fuel supplied from the pressure accumulating chamber is A pressure reducing means for reducing the fuel pressure in the pressure accumulating chamber by overflowing to the leak flow path, and a voltage applied to the piezo drive by the pressure reducing means, the control valve leaves the seat position and the nozzle needle is closed. Is set based on the fuel pressure in the pressure accumulating chamber, and an applied voltage adjusting means for changing the setting voltage according to a change in the fuel pressure in the pressure accumulating chamber is provided.
[0010]
In the present invention, the applied voltage adjusting means sets the voltage applied to the piezo drive unit at the time of a pressure reduction request based on the fuel pressure in the pressure accumulating chamber, and the timely setting is changed according to the pressure change. Even if the fuel pressure in the pressure accumulating chamber decreases with the operation of the pressure reducing means, the control valve can always be held at a predetermined half-open position. Therefore, it is possible to secure a necessary leak amount and perform highly accurate decompression control without causing erroneous injection or the like.
[0011]
According to a second aspect of the present invention, pressure detecting means for detecting the fuel pressure in the pressure accumulating chamber is provided at a predetermined time, and the setting change of the applied voltage to the piezo drive unit by the applied voltage adjusting means is performed by the pressure detecting means. It shall be implemented in synchronization with the detection time of the fuel pressure.
[0012]
For example, if the fuel pressure is detected at a predetermined timing based on a crank angle signal of the internal combustion engine, and the setting value of the voltage applied to the piezo drive unit is changed in synchronization with this, the control valve is It can always be adjusted to an optimum position according to the fuel pressure in the pressure accumulating chamber, and the pressure reduction by the pressure reducing means can be effectively performed.
[0013]
Alternatively, as described in
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, the applied voltage adjusting means has means for lowering the value of the current flowing to the piezo drive section when applying a voltage to the piezo drive section than during normal injection.
[0015]
For example, when a voltage is applied to the piezo drive unit by a multiple switching method, energization is performed in several times, but in order to reach a predetermined set voltage with high accuracy, the voltage increase amount per time is smaller. Good. Therefore, when a pressure reduction is required, the applied voltage can be controlled with higher accuracy by setting the current energized at a time lower than that during normal injection by the applied voltage adjusting means.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a common rail fuel injection device of a multi-cylinder diesel engine (hereinafter referred to as an engine) will be described. FIG. 1A is an overall configuration diagram of a common rail fuel injection device. A plurality of piezo drive injectors 1 (one of which is shown in the figure) for supplying fuel to each cylinder of an engine, and each injector 1 A
[0017]
FIG. 1B is a diagram showing a detailed configuration of the injector 1. A
[0018]
A three-
[0019]
The three-
[0020]
FIG. 1B shows an initial state in which the
[0021]
As shown in FIG. 1A, the
[0022]
On the other hand, the
[0023]
At the time of normal injection driving, the ineffective injection period from the driving of the
[0024]
Furthermore, the
[0025]
In the control block diagram of FIG. 2, the CPU determines whether or not a predetermined pressure reduction condition for reducing the common rail pressure is satisfied, and adjusts the voltage applied to the
[0026]
When a decompression signal is output from the decompression determination circuit, the charging voltage and charging current variable circuit of the controller serving as the applied voltage adjusting means charges the
[0027]
The injection valve energization processing circuit serving as the pressure reducing means starts charging the
[0028]
The operation of the injector 1 having the configuration of FIG. 1 will be described with reference to the timing chart of FIG. A one-dot chain line in FIG. 3 indicates an operation at the time of normal injection driving, and a solid line indicates an operation at the time of a pressure reduction request. In FIG. 1A, the high-pressure fuel supplied from the
[0029]
Next, when application of voltage to the
[0030]
Thereafter, when the voltage applied to the
[0031]
Here, in the injector 1 configuration, when the
[0032]
Therefore, in the present invention, as indicated by a solid line in FIG. 3, the charging voltage of the
[0033]
At this time, the high-pressure fuel flowing into the
[0034]
Here, in FIG. 1B, the
[0035]
FIG. 4 shows the charging voltage (leak start voltage) necessary for the
[0036]
Therefore, in the present invention, the common rail pressure is detected in a timely manner, and the setting voltage of the
[0037]
FIG. 5 is a timing chart showing an example of a method for changing the setting of the charging voltage implemented by the charging voltage / charging current variable circuit of the
[0038]
Next, when a decompression signal is output by the decompression determination means (arrow in the figure), first, the common rail pressure is detected by the pressure sensor S, and the relationship between the common rail pressure and the charging voltage determined in advance from the detected value ( For example, based on the characteristic diagram of FIG. 4, the charging voltage of the
[0039]
Here, the interval of the pressure reduction control has been described as being synchronized with the rotation of the engine in the same manner as the normal injection interval, but it may of course be performed at regular time intervals. In this case, the pressure reduction speed of the
[0040]
Further, the actual pressure of the
[0041]
FIG. 6 illustrates a method for setting the charging current in the charging voltage / charging current variable circuit of the
[0042]
At this time, each time the charging switching element is turned on / off, a predetermined charging current flows, and the charging voltage of the
[0043]
In order to avoid this, in the present invention, as shown in FIG. 6, only during the decompression control, the charging current is lowered to lower the charge amount per time, and the resolution of the charging voltage is increased. At the time of normal injection, the charging current is increased to increase the amount of charge per time so that the invalid injection period is shortened. Thereby, while ensuring the injection performance at the time of normal injection, the resolution at the time of pressure reduction control can be increased to prevent erroneous injection and the like, and the controllability of the common rail pressure can be further improved.
[0044]
In the above-described embodiment, the decompression determination condition is, for example, the case where the fuel injection amount is <0 and the actual common rail pressure> the target common rail pressure due to rapid deceleration, but the engine is restarted after high load operation, Of course, the present invention may be applied when the pressure in the
[0045]
In the above embodiment, a three-way valve is used as a control valve.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is an overall configuration diagram of a fuel injection device according to a first embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an injector.
FIG. 2 is a block diagram of control by an ECU.
FIG. 3 is a timing chart for explaining the operation of the injector during injection driving, during pressure reduction control, and injector operation.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between common rail pressure and charging voltage.
FIG. 5 is a timing chart showing an example of charging voltage control by an ECU.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a charging current and a charging voltage.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
3 Common rail (pressure accumulation chamber)
33 High-pressure channel 43 Low-pressure channel (leakage channel)
5 ECU (control unit)
6
Claims (4)
上記インジェクタが、噴孔を開閉するノズルニードルと、上記蓄圧室から供給される燃料の圧力を上記ノズルニードルに作用させる制御室と、上記制御室とリーク流路の間を開閉することにより上記制御室の圧力を増減する制御弁と、電圧を印加することにより伸長して上記制御弁を開弁駆動し、充電された電圧を放電することにより収縮して上記制御弁を閉弁駆動するピエゾ駆動部とを有して、上記制御弁の駆動に伴い上記ノズルニードルが開弁して上記蓄圧室から供給される燃料を噴射する構成であり、
上記制御部が、内燃機関の運転状態に基づき、上記蓄圧室内の燃料圧力を低下させるべき減圧条件が成立しているか否かを判定する減圧判定手段と、
上記減圧判定手段により減圧条件が成立していると判定された時に、上記ピエゾ駆動部に通常噴射時より低い電圧を印加して上記制御弁を半開させ、上記蓄圧室から供給される燃料を上記リーク流路へ溢流させて上記蓄圧室内の燃料圧力を低下させる減圧手段と、
上記減圧手段により上記ピエゾ駆動部に印加される電圧を、上記制御弁がシート位置を離れかつ上記ノズルニードルが閉弁を維持するように上記蓄圧室内の燃料圧力に基づいて設定し、この設定電圧を、上記蓄圧室内の燃料圧力変化に応じて設定変更する印加電圧調整手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の噴射制御装置。An accumulator that stores high-pressure fuel pumped from a high-pressure pump, a piezo-drive injector that injects high-pressure fuel in the accumulator into a cylinder of the internal combustion engine, and driving of the high-pressure pump and the injector according to the operating state of the engine A control unit for controlling
The injector controls the control by opening and closing a nozzle needle for opening and closing the nozzle hole, a control chamber for causing the pressure of fuel supplied from the pressure accumulating chamber to act on the nozzle needle, and opening and closing between the control chamber and the leak passage. A control valve that increases or decreases the pressure in the chamber, and a piezo drive that expands by applying a voltage and opens the control valve, and contracts and discharges the charged voltage to close and drive the control valve And the nozzle needle is opened as the control valve is driven to inject fuel supplied from the pressure accumulating chamber,
A depressurization determining means for determining whether or not a depressurization condition for lowering the fuel pressure in the pressure accumulating chamber is satisfied based on the operating state of the internal combustion engine;
When the decompression determination means determines that the decompression condition is satisfied, the control valve is half-opened by applying a voltage lower than that during normal injection to the piezoelectric drive unit, and the fuel supplied from the pressure accumulating chamber is Pressure reducing means for reducing the fuel pressure in the pressure accumulating chamber by overflowing to the leak flow path;
The voltage applied to the piezo drive unit by the pressure reducing means is set based on the fuel pressure in the pressure accumulating chamber so that the control valve leaves the seat position and the nozzle needle remains closed, and this set voltage An injection control device for an internal combustion engine, comprising: an applied voltage adjusting means for changing the setting according to a change in fuel pressure in the pressure accumulating chamber.
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