DE3525408C2

DE3525408C2 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Dieselbrennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3525408C2
Application number: DE3525408A
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Igashira; Yasuyuki Sakakibara; Seiko Abe; Kiyonori Sekiguchi; Akihiro Izawa; Hisasi Kawai
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1984-07-16
Filing date: 1985-07-16
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2005-07-17
Also published as: DE3525408A1; US4887569A; US4748954A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus JP 95-18 249 (A) bekannt, wobei ein piezo-elektrisches Stellglied in einer Kammer angeordnet ist, die mit der Pumpenkammer der Kraftstoffeinspritzpumpe über einen Kanal in Strömungsverbindung steht. Bei Anlegen einer Spannung entsprechend der Abweichung zwischen dem Ausgang eines Drucksensors, der den Druck in der Druckkammer feststellt, und einem Sollwert, der durch die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine bestimmt wird, verstellt das piezo-elektrische Stellglied einen federbeaufschlagten Kolben in der Kammer, die mit der Pumpenkammer in Strömungsverbindung steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß eine variable Unterteilung der Kraftstoffeinspritzung in eine Vor- und eine Haupteinspritzung und damit eine gute Geräuschminderung bei Dieselbrennkraftmaschinen erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt des Druckanstiegs in der Pumpenkammer das piezo-elektrische Stellglied kontrahiert und damit die Kraftstoffeinspritzung schnell beendet wird, kann in einer daran anschließenden Phase die beim Druckanstieg im piezo-elektrischen Stellglied gewonnene Ladung zur Wiederaufladung des Stellgliedes bzw. zur Spannungserhöhung am Stellglied wieder eingesetzt werden. Auf diese Weise kann durch Steuerung des piezo-elektrischen Stellgliedes eine variable Unterteilung der Einspritzung in eine Vor- und eine Haupteinspritzung und damit eine gute Geräuschminderung erreicht werden, ohne daß eine Hochspannungsquelle benötigt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird bspw. anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Steuerung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung,

Fig. 2 in einer Schnittansicht ein piezo-elektrisches Stellglied in Verbindung mit einer Kraftstoffeinspritzpumpe,

Fig. 3 und 4 Kennlinien des piezo-elektrischen Stellgliedes,

Fig. 5 den Verlauf des Drucks in der Kraftstoffeinspritzpumpe über der Zeit,

Fig. 6 eine Treiber- bzw. Steuerschaltung für das piezo- elektrische Stellglied,

Fig. 7 eine Schaltung zum Kurzschließen des Stellgliedes,

Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitscharakteristik des Stellgliedes,

Fig. 9 ein Schaltbild einer Steuer- bzw. Treiberschaltung des Stellgliedes,

Fig. 10 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitscharakteristik der in Fig. 9 wiedergegebenen Schaltung,

Fig. 11 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitscharakteristik der in Fig. 6 wiedergegebenen Schaltung,

Fig. 12 eine Geräuschpegelkennlinie der Brennkraftmaschine, und

Fig. 13 ein Diagramm zur Erläuterung einer modifizierten Arbeitsweise der Vorrichtung.

Nach Fig. 2 wird ein Kolben 606, der verschiebbar in einer Zylinderbohrung 605 eines Gehäuses 604 einer Kraftstoffeinspritzpumpe P gehalten ist, synchron mit einer halben Umdrehung der Maschine gedreht und hin und her bewegt. Wenn die Drehung der Maschine über ein Zahnrad oder einen Synchronriemen auf einer Antriebswelle übertragen wird, wird der Kolben 606 koaxial durch die Antriebswelle gedreht. Wenn eine Plankurvenscheibe 607 mit einer Rolle 608 in Eingriff steht, wird der Kolben 606 hin und her bewegt. Die Plankurvenscheibe 607 ist andauernd durch eine in Fig. 2 nicht dargestellte Feder nach links vorgespannt, so daß sie mit der Rolle 608 in Eingriff steht und der Kolben 606 hin und her bewegt wird, wenn die Rolle 608 längs der Kurvenfläche der Plankurvenscheibe 607 gedreht wird. Eine einzige Verteileröffnung 609 und Ansaugöffnungen 610a und 610b, deren Anzahl der Anzahl der Maschinenzylinder entspricht, sind im Außenumfang des Kolbens 606 ausgebildet. Eine Pumpenkammer 602 ist zwischen der Stirnfläche des Kolbens 606 und der Zylinderbohrung 605 gebildet.

Im Gehäuse 604 sind eine Niederdruckkammer 611, ein Ansaugweg 612, der die Niederdruckkammer 611 mit der Zylinderbohrung 605 verbindet, und Verteilerwege 614 ausgebildet, die Einspritzventile 69 mit der Zylinderbohrung 605 verbinden. Die Verteilerwege 614 entsprechen in ihrer Anzahl der Anzahl der Maschinenzylinder, und es sind Druckventile 615 in den jeweiligen Wegen bzw. Kanälen 614 vorgesehen. Jedes Druckventil 615 kann gegen die Vorspannkraft einer Feder 616 geöffnet werden, so daß es sowohl als Rückschlagventil als auch als Rückzugsventil arbeitet.

Wenn der Kolben 606 sich nach links bewegt und die Pumpenkammer 602 ausgedehnt wird, kommt eine der Ansaugöffnungen 610 mit den Ansaugwegen 612 in Verbindung und es wird Kraftstoff aus der Niederdruckkammer 611 in die Pumpenkammer 602 geführt. Wenn sich im Gegensatz dazu der Kolben 606 nach rechts bewegt und die Pumpenkammer 602 komprimiert wird, kommt die Verteileröffnung 609 mit einem der Verteilerwege 614 in Verbindung und es wird der Kraftstoff in der Pumpenkammer 602 nach außen geliefert. Die Kraftstoffversorgung beginnt, wenn sich der Kolben 606 nach rechts zu bewegen beginnt, und endet, wenn sich der Kolben 606 weiter nach rechts bewegt und eine Absteuer- oder Überlaufbohrung 617 im Inneren der Niederdruckkammer 611 von einer rechten Stirnfläche eines Absteuerringes 618 freigegeben wird. Die Bohrung 617 ist eine Öffnung, die im Kolben 606 vorgesehen ist und die Pumpenkammer 602 mit der Niederdruckkammer 611 verbindet. Der Ring 618 hat eine kurze zylindrische Form, und der Kolben 606 ist in seine Innenbohrung geschoben. Die feste Lage des Ringes 618 kann durch einen Hebel 619 geändert werden, und die Abgabemenge der Pumpenkammer 602 kann nach Maßgabe der Lage des Ringes 618 variiert werden. Der Hebel 619 ist indirekt mit dem Gaspedal gekoppelt. Die oben beschriebene Anordnung ist an sich bekannt.

Eine Steuereinrichtung 7 für die Höhe der Kraftstoffeinspritzung oder die Kraftstoffeinspritzmenge ist dadurch gebildet, daß ein piezo-elektrisches Stellglied 200, ein Kolben 722, eine Tellerfeder 723 und ein Abstandsstück 624 in dieser Reihenfolge von rechts in Fig. 2 aus in einem Gehäuse 720 angeordnet sind. Das Gehäuse 720 hat eine zylindrische Form mit einem Boden und ist an der Kraftstoffeinspritzpumpe P über ein Außengewinde 729 befestigt.

Im Stellglied 200 sind etwa 50 dünne scheibenförmige piezo-elektrische Elemente, beispielsweise mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Stärke von 0,5 mm, übereinander in Form eines Zylinders gestapelt. Jedes piezo-elektrische Element besteht aus einem keramischen Material, dem sogenannten PZT-Material, und umfaßt als Hauptbestandteil Bleizirkonat/titanat. Wenn eine Spannung von etwa 500 V an einem Element angelegt wird, tritt eine Expansion von etwa 0,5 µm auf. Wenn 50 piezo-elektrische Elemente übereinander gestapelt sind, und eine Sannung von 500 V anliegt, kann eine Gesamtexpansion von etwa 25 µm erhalten werden. Wenn die anliegende Spannung abgeschaltet wird, oder wenn eine kleine negative Spannung anliegt, tritt eine Kontraktion von 25 µm auf und führt das Bauteil auf seine ursprüngliche Länge zurück.

Wenn eine Druckkraft an dem Stellglied 200 längs seiner Axialrichtung liegt, wird in jedem Element eine Spannung erzeugt, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. D. h., daß dann, wenn eine Druckkraft von 500 kp/∼5000 A anliegt, eine Spannung von 500 V erzeugt wird.

Wenn die Anschlüsse des piezo-elektrischen Stellgliedes 200 kurzgeschlossen sind, zeigt das Stellglied eine Kontraktion, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Wenn eine Druckkraft von 500 kp am Kolben 722 liegt und die Anschlüsse kurzgeschlossen sind, tritt eine Kontraktion von 25 µm auf.

Die Arbeitsvorgänge, wie Anlegen der Spannung, Kurzschließen und Öffnen des Schaltkreises zu bestimmten Zeitpunkten, werden von einer äußeren Steuerschaltung 4 über eine Leitung 725 gesteuert.

Die Kontraktion und Expansion des Stellgliedes 200 wird auf den Kolben 722 übertragen, so daß sich eine Kammer 726 mit variablem Volumen ausdehnt oder zusammenzieht, die durch den Kolben 722, das Abstandsstück 624 und das Gehäuse 720 begrenzt ist. Die Tellerfeder 723 ist in der Kammer 726 mit variablem Volumen angeordnet und spannt das Stellglied 200 in seine Kontraktionsrichtung vor.

Das Abstandstück 624 ist scheibenförmig ausgebildet und weist in seiner Mitte ein durchgehendes Loch 627 auf. Der Durchmesser des Abstandsstückes 624 ist größer als der des Kolbens 722, wobei dann, wenn das Außengewinde 729 des Gehäuses 720 gedreht wird, das Abstandsstück 624 in Sandwich- Anordnung zwischen dem Gehäuse 720 und dem Gehäuse 604 angeordnet wird, so daß sich eine Dichtung ergibt. Die Kammer 726 mit variablem Volumen steht mit der Pumpenkammer 602 über das durchgehende Loch 627 in Verbindung.

Ein O-Ring 728 ist am Kolben 722 angeordnet, so daß der Druck in der Kammer 726 mit variablem Volumen nicht über den Kolben 722 zur Seite des elektrostriktiven Stellgliedes 200 entweicht.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung beschrieben. Wenn keine äußere Spannung am Stellglied 200 liegt und dieses nicht kurzgeschlossen ist, d. h., wenn das Stellglied in einem offenen elektrischen Stromkreis liegt, wird der Druck in der Pumpenkammer 602 durch die obere Kurve A in Fig. 5 bezüglich des Versorgungsdruckes wiedergegeben. Ein vorstehender Teil der Kurve von Fig. 5 gibt eine Einspritzung wieder. D. h. mit anderen Worten, daß in diesem Zustand der Kolben 606 nach rechts bewegt wird und die Bohrung 617 durch den Ring 618 überdeckt ist. In Fig. 5 trägt der Teil, der über einem Ventilöffnungsdruck des Einspritzventiles 69 liegt, zur Einspritzung bei. D. h., daß während dieses Intervalls das Einspritzventil 69 geöffnet ist und sein Ventilöffnungshub proportional zum Ventilöffnungsdruck ist. Die Einspritzmenge ist daher gleichfalls annähernd proportional zum Ventilöffnungsdruck.

Im Stellglied 200 werden eine elektrische Ladung, die proportional zum Druck der Pumpenkammer 602 ist, und die in Fig. 3 dargestellte Spannung erzeugt. Dabei kann zur Umwandlung des Druckes in der Pumpenkammer 602 in eine Druckkraft gemäß Fig. 3 die Druckaufnahmefläche des Kolbens 722 mit dem Druck multipliziert werden. Wenn die Druckaufnahmefläche des Kolbens 722 in Fig. 2 etwa 4 cm² beträgt und der Ventilöffnungsdruck des Einspritzventiles 69 bei 100 kp/cm² (∼10⁷ Pa) liegt, beträgt die durch das Stellglied 200 zu Beginn einer Einspritzung erzeugte Spannung 400 V.

Die Steuerschaltung 4 schließt das Stellglied 200 kurz, wenn die vom Stellglied 200 erzeugte Spannung 500 V erreicht, d. h. zu einem bestimmten Zeitpunkt unmittelbar nachdem das Einspritzventil 69 einzuspritzen begonnen hat, um somit die Spannung auf 0 V herabzusetzen.

Da in diesem Fall eine Kontraktion von 25 µm im elektrostriktiven Stellglied 200 auftritt, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, wird die Kammer 726 mit variablem Volumen um 4 cm²×25 µm=10 mm³ ausgedehnt. Der Druck in der Pumpenkammer 602 sowie der Einspritzdruck von dem Einspritzventil 69 nehmen ab, bzw. der Druck in der Pumpenkammer 602 ändert sich in der Weise, wie es durch die Kurve B in Fig. 5 dargestellt ist. Im zuletzt genannten Fall wird die Einspritzung vom Einspritzventil 69 kurzzeitig unterbrochen, um dadurch eine Voreinspritzung zu bewirken.

Da die Abnahme des Druckes in der Pumpenkammer ein erhebliches Maß annimmt, wenn die Stärke der Kontraktion des Stellglieds 200 größer wird, wird die Voreinspritzung merklich. Da darüber hinaus das Zeitintervall zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung erweitert werden kann, können Geräusche und Schwingungen wirksam verringert werden. Wenn die in Fig. 6 dargestellte Treiber- oder Steuerschaltung 100 verwandt wird, wird die vom Stellglied 200 erzeugte elektrische Ladung an einem Kondensator 300 geladen und es kann dann, wenn die elektrische Ladung wieder benutzt wird, die Stärke der Kontraktion des elektrostriktiven Stellgliedes 200 erhöht werden, um dadurch die Wirkung der Voreinspritzung zu verbessern.

Im folgenden wird der Grundaufbau der Treiber- oder Steuerschaltung für das Stellglied beschrieben.

Die Arbeitsweise des Stellgliedes, das über die Treiber- oder Steuerschaltung 100 von Fig. 6 angesteuert wird, wird im folgenden beschrieben.

Fig. 7 zeigt eine Schaltung zum einfachen Kurzschließen des Stellgliedes. Ein Thyristor 151 ist parallel zum Stellglied 200 und in Reihe damit über einen Strombegrenzungswiderstand 152 geschaltet.

An der Kathodenseite einer Diode 153 liegt eine Hochspannung, während ihre Anodenseite an Masse liegt, so daß die Diode 153 in Sperrichtung geschaltet ist. Wenn die Druckkraft am Stellglied abnimmt, liefert die Diode 153 dem Stellglied 200 eine elektrische Ladung, so daß sich das Stellglied 200 auf seine ursprüngliche Länge ausdehnt. Wenn ein Auslösesignal an der Steuerklemme 154 des Thyristors 151 liegt, wird der Thyristor 151 durchgeschaltet, so daß das Stellglied 200 kurzgeschlossen und zum Kontrahieren gebracht wird.

Dieser Zustand wird im folgenden anhand der Zeitdiagramme von Fig. 8 beschrieben. In Fig. 8 gibt das Diagramm (1) ein Signal ATDC 60° (60° hinter dem oberen Totpunkt) wieder, das Diagramm (2) den Druck der Pumpenkammer, das Diagramm (3) das Auslösesignal für den Thyristor 151, das Diagramm (4) die Klemmenspannung des Stellgliedes und das Diagramm (5) die Druckhöhe der Einspritzung. Wenn das Stellglied 200 in einem offenen Stromkreis liegt, wird darin eine Spannung erzeugt, die proportional zum Druck der Pumpenkammer 602 ist, wie es in Fig. 8 (4) dargestellt ist. Wenn der Druck der Pumpenkammer 602 über dem Öffnungsdruck des Ventiles 69 liegt und die Spannung einen vorbestimmten Wert von beispielsweise 500 V erreicht, wird dieser Zustand wahrgenommen und es wird das Auslösesignal erzeugt, um den Thyristor 151 durchzuschalten. In dieser Weise wird eine Kontraktion des elektrostriktiven Stellgliedes 200 entsprechend der Spannung von 500 V erzielt.

Wenn der Druck der Pumpenkammer abnimmt und die Einspritzung unterbrochen wird, kann eine Voreinspritzung erfolgen, wie es oben beschrieben wurde und in Fig. 8 (5) dargestellt ist. Wenn die Stärke der Kontraktion des Stellgliedes 200 groß gewählt ist, kann eine wirksame Voreinspritzung erfolgen. Aus diesem Grunde ist die in Fig. 6 dargestellte Schaltung vorgesehen, die dazu dient, die elektrische Ladung wiederzuverwenden, die durch das Stellglied 200 erzeugt wird. Fig. 9 zeigt das Schaltbild des Hauptteils eines Beispiels der Treiber- oder Steuerschaltung. Eine Spule 163 und ein erster Thyristor 161 sind in Reihe auf der Hochspannungsseite des elektrostriktiven Stellgliedes 200 geschaltet und mit einem Kondensator 300 verbunden. Eine Reihenschaltung aus einer Spule 164 und einem zweiten Thyristor 162 ist parallel zur Spule 163 und dem ersten Thyristor 161 geschaltet. Fig. 10 zeigt die Arbeitscharakteristik. In Fig. 10 zeigt das Diagramm (1) den Druck der Pumpenkammer 602, das Diagramm (2) das Auslösesignal des Thyristors 161, das Diagramm (3) das Auslösesignal des Thyristors 162, das Diagramm (4) die Klemmenspannung des elektrostriktiven Stellgliedes 200, das Diagramm (5) die Druck-Stärke der Einspritzung und das Diagramm (6) die Spannung des Kondensators 300.

Wenn der Druck der Pumpenkammer 602 über dem Öffnungsdruck des Ventiles 69 liegt und die Spannung einen vorbestimmten Wert von beispielsweise 500 V erreicht, wird das erste Auslösesignal an den Steueranschluß 167 des ersten Thyistors 161 gelegt, wie es in Fig. 10 (2) dargestellt ist. In dieser Weise wird der Thyristor 161 durchgeschaltet. In diesem Schaltungszustand ist ein Reihenresonanzschaltkreis aus dem Stellglied 200, der Spule 163 und dem Kondensator 300 gebildet und es wird die im Stellglied 200 erzeugte elektrische Ladung auf den Kondensator 300 übertragen. Aus diesem Grund wird das Stellglied 200 kurzgeschlossen und zur Kontraktion gebracht.

Aufgrund der Kontraktion nimmt in diesem Fall der Druck der Pumpenkammer 602 ab, so daß sich der Zustand der Voreinspritzung ergibt, wie es oben beschrieben wurde und in Fig. 10 (5) dargestellt ist. Während des Zeitintervalls zwischen einem Kraftstoffversorgungsschritt und einem anderen Schritt wird der zweite Thyristor 162 getriggert, wie es in Fig. 10 (3) dargestellt ist. Der zweite Thyristor 162 wird somit durchgeschaltet und es wird ein Reihenresonanzschaltschaltkreis aus dem Kondensator 300, der Spule 164 und dem Stellglied 200 gebildet. Da die am Kondensator 300 gesammelte elektrische Ladung auf das Stellglied 200 übertragen wird, liegt eine Spannung von etwa 300 V am Stellglied 200. Danach wird mit dem nächsten Kraftstoffversorgungsschritt begonnen. Da in diesem Fall die Spannung des Stellgliedes 200 bereits etwa 300 V erreicht hat, nimmt die Spannung während der Zuführung des Kraftstoffes unter Druck weiter zu und erreicht die Spannung 300 V+500 V=800 V zu einem Zeitpunkt, an dem der erste Thyristor 161 das nächste Mal getriggert wird. Da der Thyristor 161 zu diesem Zeitpunkt durchgeschaltet wird, kann eine Stärke der Kontraktion erzielt werden, die einer Spannung von 800 V entspricht. Im Gegensatz zu der in Fig. 7 dargestellten Schaltung, die eine Kontraktion einfach durch einen Kurzschluß bewirkt, kann die Stärke der Kontraktion aufgrund der Zunahme der Spannung von 500 V auf 800 V um das 1,6fache gegenüber der in Fig. 7 dargestellten Schaltung erhöht werden. Wie es oben beschrieben wurde, kann die Wirkung der Voreinspritzung verbessert werden.

Im folgenden wird mehr im einzelnen anhand von Fig. 6 die Treiber- oder Steuerschaltung 100 für das Stellglied 200 beschrieben. An dem nicht invertierenden Eingang eines Komparators 101 in Fig. 6 liegt die Klemmenspannung des Stellgliedes 200 spannungsgeteilt durch die Widerstände 102 und 103. Eine Bezugsspannung V(REF) liegt am invertierenden Eingang 104 des Komparators 101. Wenn die Klemmenspannung des Stellgliedes 200 800 V überschreitet, kommt das Ausgangssignal des Komparators 101 auf den logischen Wert "1". Das Ausgangssignal vom Komparator 101 liegt am Triggereingang eines an der ansteigenden Flanke rücktriggerbaren ersten Univibrators 105.

Die Breite des Ausgangsimpulses des ersten Univibrators 105 ist durch einen Kondensator 106 und einen Widerstand 107 bestimmt. Bei der in Fig. 6 dargestellten Schaltung ist die Impulsbreite so festgelegt, daß sie etwas größer als das Pumpenkraftstoffversorgungsintervall im Leerlauf ist und beispielsweise etwa 15 ms beträgt.

Da in der in Fig. 11 dargestellten Weise bei dieser Anordnung im Hochlastbetrieb das Kraftstoffversorgungsintervall verlängert und der Kraftstoffversorgungsdruck erhöht wird, überschreitet die vom Stellglied 200 erzeugte Spannung die Bezugsspannung V(REF) selbst nach der Voreinspritzung und es wird eine Vielzahl von Kurzschlußschaltungen ausgeführt, wie es in Fig. 11 (4) dargestellt ist.

In Fig. 11 zeigt das Diagramm (1) den Druck der Druckkammer bei niedriger Last, das Diagramm (2) die Klemmenspannung des Stellgliedes bei niedriger Last, das Diagramm (3) den Druck der Druckkammer bei hoher Last, das Diagramm (4) die Klemmenspannung des Stellgliedes bei hoher Last und das Diagramm (5) das Ausgangssignal des ersten Univibrators.

Während eines Zeitintervalls, in dem das Signal vom ersten Univibrators 105 erzeugt wird, werden nicht notwendige Signale ausgeblendet. Das Ausgangssignal des ersten Univibrators 105 liegt an einem Triggereingang eines an der ansteigenden Flanke getriggerten zweiten Univibrators 108. Die Breite des Ausgangsimpulses des zweiten Univibrators 108 ist durch einen Kondensator 109 und einen Widerstand 110 bestimmt. Da diese Impulsbreite der Breite des Triggersignals des ersten Thyristors 161 entspricht, kann sie kurz gewählt werden und beispielsweise etwa 30 µs betragen.

Das Ausgangssignal des zweiten Univibrators 108 liegt an der Basis eines Transistors 113. Wenn das Ausgangssignal des zweiten Univibrators 108 den logischen Wert "1" hat, wird der Transistor 113 durchgeschaltet. Der Kollektor des Transistors 113 liegt an einem Impulsübertrager 114. Wenn der Transistor 113 durchgeschaltet ist, fließt ein Strom in der Primärwicklung des Impulsübertragers 114 und wird das Triggersignal in seiner Sekundärwicklung induziert.

Das Triggersignal liegt an der Steuerklemme 167 des ersten Thyristors 161, so daß der erste Thyristor 161 getriggert wird. Eine Diode 115 ist zum Absorbieren eines Rückimpulses vorgesehen. Das Ausgangssignal des ersten Univibrators 105 liegt auch an einem Triggereingang eines an der ansteigenden Flanke getriggerten dritten Univibrators 120. Die Ausgangsimpulsbreite des dritten Univibrators ist durch einen Kondensator 121 und einen Widerstand 122 bestimmt. Diese Impulsbreite bestimmt den Zeitpunkt, an dem der zweite Thyristor 162 getriggert wird. Da die Impulsbreite einem Intervall zwischen dem Abschluß eines Pumpenkraftstoffversorgungsschrittes und dem Beginn des nächsten Kraftstoffversorgungsschrittes entspricht, kann sie auf etwa 20 ms gewählt werden.

Das Ausgangssignal des dritten Univibrators 120 liegt an einem Triggereingang eines an der abfallenden Flanke getriggerten vierten Univibrators 123. Die Ausgangsimpulsbreite des vierten Univibrators 123 ist durch einen Kondensator 124 und einen Widerstand 125 bestimmt und liegt bei etwa 30 µs. Das Ausgangssignal des vierten Univibrators 123 liegt an der Basis eines Transistors 128. Wenn das Ausgangssignal des Multivibrators 123 den logischen Wert "1" hat, wird der Transistor 128 durchgeschaltet. Der Kollektor des Transistors 128 liegt an einem Impulsübertrager 129 und auch an der Steuerklemme 168 des Thyristors 162. Eine Diode 130 ist dazu vorgesehen, einen Rückimpuls zu absorbieren.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Treiber- oder Steuerschaltung 100 mit dem oben beschriebenen Aufbau unter der Annahme einer niedrigen Drehzahl und niedrigen Last beschrieben. Durch die Kurvenscheibe wird der Druck der Pumpenkammer 602 erhöht. Somit wird das Stellglied 200 zusammengedrückt und es wird eine Spannung erzeugt. Die Spannung nimmt von einem Anfangswert von 300 V an zu, da die vorher im Kondensator 300 gesammelte elektrische Ladung zugeführt wird. Die vom Stellglied erzeugte Spannung wird durch die Widerstände 102 und 103 geteilt, und die geteilte Spannung wird mit der Bezugsspannung V(REF) durch den Komparator 101 verglichen. Wenn die Klemmenspannung des Stellgliedes 800 V überschreitet (Fig. 10 (4)), kommt das Ausgangssignal des Komparators 101 auf den logischen Wert 1, so daß der Univibrator 105 getriggert wird. Auf ein Ansteigen des Ausgangssignals vom ersten Univibrator 105 ansprechend wird der zweite Univibrator 108 getriggert und wird der Transistor 113 über die Widerstände 111 und 112 durchgeschaltet. Somit wird der erste Thyristor 161 über den Impulsübertrager 114 getriggert und durchgeschaltet (Fig. 10 (2), um somit die elektrische Ladung vom Stellglied auf den Kondensator 300 zu übertragen. Die Klemmenspannung des Stellgliedes 200 nimmt dementsprechend auf 0 V ab (Fig. 10 (4)), und das Stellglied 200 kontrahiert um etwa 40 µm. Wie es oben beschrieben wurde, nimmt der Druck der Pumpenkammer 602 ab (Fig. 10 (1)) und es wird die Einspritzung unterbrochen (Fig. 10 (5)).

Der Thyristor 161 wird automatisch durch die Resonanz der Spule 163 kommutiert und gesperrt. Da sich der Steuerkurvenhub zu diesem Zeitpunkt an einer mittleren Stelle befindet, wird weiter Kraftstoff unter Druck zugeführt und es wird der Druck der Pumpenkammer 602 weiter erhöht, um somit die Einspritzung wieder aufzunehmen. Bevor der Steuerkurvenhub den oberen Totpunkt erreicht, wird die Öffnung 617 geöffnet und es wird der Druck der Pumpenkammer 602 abgesenkt, um damit die Einspritzung zu beenden. In diesem Fall neigt die Klemmenspannung des Stellgliedes dazu, auf eine negative Spannung abzunehmen, wie es durch eine unterbrochene Linie in Fig. 10 (4) dargestellt ist. Wenn die Klemmenspannung des Stellgliedes einen hohen negativen Wert bekommt, kann der Polarisationszustand des Stellgliedes 200 zerstört werden. Es wird daher eine Gegenspannung durch eine Diode 166 kurzgeschlossen, so daß das Stellglied 200 geschützt ist. Zum gleichen Zeitpunkt wird von der Diode 166 eine elektrische Ladung dem Stellglied 200 geliefert, wodurch das Stellglied 200 auf seine ursprüngliche Länge expandiert. Auf die vordere Flanke des Ausgangssignals vom ersten Univibrator 105 ansprechend wird auch der dritte Univibrator 120 getriggert. Wenn das Ausgangssignal vom dritten Univibrator 120 abfällt, wird der vierte Univibrator 123 getriggert. Nach dem Ablauf von 20 ms ab dem Zeitpunkt, an dem der erste Thyristor 161 getriggert wurde, erzeugt der vierte Univibrator 123 ein Signal, so daß der zweite Thyristor 162 getriggert wird (Fig. 10 (3)). Zu diesem Zeitpunkt hat die Pumpe bereits den Kraftstoffversorgungsschritt beendet und es bereitet sich die Pumpe für den nächsten Schritt vor, wobei der Druck in der Pumpenkammer 602 niedrig ist. Wenn der zweite Thyristor 162 durchgeschaltet wird, wird die Ladung im Konensator 300 zum Stellglied 200 zurückgeführt, und es nimmt dessen Klemmenspannung auf etwa 300 V zu.

Im obigen wurden der Grundaufbau und die Grundarbeitsweise der in Fig. 6 dargestellten und in Fig. 1 vorgesehenen Treiberschaltung beschrieben. Dazu die folgenden zwei Anmerkungen. Gleichgültig ob die Voreinspritzung nach Maßgabe der Arbeitsverhältnisse der Maschine zu steuern ist oder nicht, so kann zunächst davon keine Wirkung erhalten werden, wenn die Zeitpunkte der Voreinspritzungen nicht häufig kontrolliert werden. Die zweite Bemerkung bezieht sich darauf, wie der in Fig. 10 (4) dargestellte Grundspannungsanteil erhalten wird.

Hauptzweck einer Steuervorrichtung für die Höhe der Kraftstoffeinspritzung unter Verwendung des Stellglieds besteht in der Verringerung der Geräusche und Schwingungen im Leerlauf in der Weise, daß eine Voreinspritzung erfolgt oder die anfängliche Höhe der Einspritzung herabgesetzt wird. Wenn Voreinspritzungen bei hoher Last und hoher Drehzahl erfolgen, kann die Stärke der Einspritzung verbessert werden, die Probleme der Geräusche und Schwingungen können jedoch nicht beseitigt werden. Da darüber hinaus das Problem der niedrigen Maschinenleistung aufgrund einer geringen Höhe der Einspritzung noch nicht gelöst werden kann, erfolgt bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung die Voreinspritzung nur im Leerlauf.

Versuche haben gezeigt, daß selbst im Leerlauf sich der optimale Voreinspritzzeitpunkt mit den Wasser- und Öltemperaturen der Maschine und dem ein- und ausgeschalteten Zustand einer Klimaanlage sowie bei einem Fahrzeug mit Drehmomentwandler in Abhängigkeit davon ändert, ob der Schalthebel sich in der neutralen Stellung oder in der Antriebsstellung befindet. Fig. 12 zeigt eine graphische Darstellung, bei der auf der Abszisse die Wassertemperatur und auf der Ordinate der Geräuschpegel aufgetragen sind. In Fig. 12 sind der Geräuschpegel bezüglich der Wassertemperatur unter vier Bedingungen, d. h. für den Fall, daß eine Steuervorrichtung für die Höhe der Einspritzung nicht benutzt wird (Kurve D), für den Fall, daß der Voreinspritzzeitpunkt so gesteuert wird, daß er optimal ist (Kurve E), für den Fall, daß der Zeitpunkt so gesteuert wird, daß er nur bei niedrigen Temperaturen optimal ist (Kurve F), und für den Fall dargestellt, daß der Zeitpunkt so gesteuert wird, daß er nur bei hohen Temperaturen optimal ist (Kurve G).

Aus Fig. 12 ist ersichtlich, daß dann, wenn der Zeitpunkt so festgelegt wird, daß er nur bei hohen oder niedrigen Temperaturen optimal ist, die Geräuschentwicklung nicht vermindert werden kann, wenn sich die Wassertemperatur ändert. Der optimale Voreinspritzzeitpunkt muß daher nach Maßgabe einer Änderung in der Wassertemperatur gesteuert werden. Um den optimalen Voreinspritzzeitpunkt zu ändern, wird die Bezugsspannung V (REF) des Komparators 101 in Fig. 6 geändert. Da die durch das Stellglied 200 erzeugte Spannung der Kraftstoffversorgung der Pumpe entspricht, wird der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt zur Vorstellwinkelseite verschoben, wenn die Bezugsspannung V (REF) auf einen niedrigeren Wert gesetzt wird. Wenn im Gegensatz dazu die Bezugsspannung V (REF) auf einen höheren Wert gesetzt wird, wird der Voreinspritzzeitpunkt zur Nachlaufwinkelseite verschoben. Da sich der Voreinspritzzeitpunkt mit der Wassertemperatur teilweise aufgrund der Tatsache ändert, daß die vom Stellglied 200 erzeugte Spannung sich mit einer Änderung in der Temperatur des Stellgliedes 200 ändert, kann die wahrzunehmende Temperatur die Kraftstofftemperatur in der Steuereinrichtung für die Höhe der Kraftstoffeinspritzung sein. Im folgenden wird auf die obige zweite Anmerkung näher eingegangen. Wie es in Fig. 10 (4) dargestellt ist, wird nur dann, wenn der Grundspannungsanteil der Klemmenspannung des Stellgliedes 200 800 V erreicht, der erste Thyristor 161 durchgeschaltet und das Stellglied 200 kontrahiert, um dadurch eine Voreinspritzung auszuführen. In diesem Fall wird die elektrische Ladung des Stellgliedes 200 dem Kondensator 300 geliefert, wobei dann, wenn der zweite Thyristor 162 durchschaltet, die Ladung des Kondensators 300 zum Stellglied 200 zurückgeführt wird und gleich dem Grundspannungsanteil wird. Wenn daher der oben beschriebene Arbeitsvorgang normal und fortlaufend ausgeführt wird, kann der Grundspannungsanteil erzeugt werden und es erreicht die Spannung vom Stellglied 200 800 V, so daß eine Voreinspritzung erfolgt. Wenn jedoch im Kondensator keine elektrische Ladung gespeichert ist, oder wenn der obige Arbeitsvorgang aus irgendeinem Grund nicht normal ausgeführt werden kann, da der Grundspannungsanteil zu klein wird oder gleich 0 ist, kann die Klemmenspannung des Stellgliedes 200 800 V nicht erreichen. Daher kann der erste Thyristor 161 nicht durchschalten und kann der Kondensator 300 nicht aufgeladen werden. Aus diesem Grunde kann eine Voreinspritzung dann nicht erfolgen. Im obigen Fall muß die Bezugsspannung V (REF) des Komparators 101 nicht sofort auf 800 V angehoben, sondern nur allmählich von 0 V an erhöht werden. Der Grundspannungsanteil wird somit allmählich von 0 V an erhöht, so daß dann ein normaler Zustand erhalten werden kann.

In Fig. 1 ist eine Eingangsschnittstelle 401 dargestellt. Die Eingangsschnittstelle 401 überträgt die verschiedenen Eingangssignale auf eine Sammelleitung 405 über eine Verarbeitung, wie beispielsweise eine Analog/Digital-Umwandlung, eine Wellenformung, ein Zählen oder ähnliches. Ein Beschleunigungssensor 301 verwendet ein Potentiometer, das mit dem Gaspedal der Maschine gekoppelt ist. Der Beschleunigungssensor 301 erzeugt eine Spannung nach Maßgabe des Hubs des Gaspedals. Das Spannungssignal vom Sensor 301 wird durch die Eingangsschnittstelle 401 einer Analog/Digital-Umwandlung unterworfen.

Ein Temperatursensor 302 nimmt die Kühlwassertemperatur auf und erzeugt eine Spannung, die der aufgenommenen Temperatur entspricht und durch die Eingangsschnittstelle 401 einer Analog/Digital-Umwandlung unterworfen wird. Der Temperatursensor 302 kann eine Öltemperatur, eine Kraftstofftemperatur oder die Temperatur des elektrostriktiven Stellgliedes 200 statt der Wassertemperatur aufnehmen. Ein Drehsensor 304 verwendet beispielsweise einen magnetischen Abnehmer. Der Drehsensor 304 ist an der Antriebswelle der Pumpe so angebracht, daß er einer scheibenförmigen Platte 303 mit Vorsprüngen zugewandt ist, deren Anzahl der Anzahl der Maschinenzylinder entspricht. Der Drehsensor 304 erzeugt ein Signal mit einer Frequenz, die der Maschinendrehzahl entspricht. Das Signal vom Sensor 304 wird durch die Eingangsschnittstelle 401 als Information N(E) für die Drehzahl der Maschine gezählt und auf die Sammelleitung 405 übertragen. Darüber hinaus dient das Signal vom Sensor 304 als Unterbrechungssignal für eine Zentraleinheit CPU 402. Das Starterschaltsignal eines Starterschalters 305 erreicht den logischen Pegel 1, wenn die Maschine angelassen wird. Ein Klimaanlagenschalter 306 liefert ein Signal mit einem logischen Pegel 1, wenn die Klimaanlage arbeitet. Ein Schalter 307 liefert ein Signal, das den logischen Wert 1 nur dann erreicht, wenn der Schalthebel sich in der neutralen Stellung oder in der Parkstellung bei einem Fahrzeug mit Drehmomentwandler befindet. Die Signale vom Starterschalter 305, vom Klimaanlagenschalter 306 und vom Schalter 307 für die neutrale Stellung des Schalthebels liegen an der Eingangsschnittstelle 401, um dort einer Wellenformung unterworfen zu werden, und werden anschließend auf die Sammelleitung 405 übertragen. Es ist weiterhin eine Zentraleinheit CPU 402 vorgesehen. Die CPU 402 führt die später beschriebene Rechensteuerung bezüglich der Daten der Arbeitsverhältnisse der Maschine von der Eingangsschnittstelle 401 aus, um im Leerlauf die Geräusche zu verringern. Ein Festspeicher ROM 403 speichert verschiedene Daten und ein Programm für die Zentraleinheit CPU 402. Ein Speicher mit direktem Zugriff RAM 404 zum Speichern von Daten, eine Sammlleitung 405 für die Datenübertragung zwischen den jeweiligen Einrichtungen und ein Digital/Analog- Wandler 406 zum Umwandeln der optimalen Bezugsspannungsdaten, die von der Zentraleinheit CPU 402 berechnet werden, in eine analoge Spannung V (REF) sind gleichfalls vorgesehen. Die Ausgangsspannung vom Digital/Analog-Wandler 406 liegt am invertierenden Eingang 104 des Komparators 101 in der Treiber- oder Steuerschaltung 100. Es ist weiterhin eine Verriegelungsschaltung 407 vorgesehen. Wenn die Zentraleinheit CPU 402 aus den Maschinenarbeitsverhältnissen bestimmt, ob eine Voreinspritzsteuerung auszuführen ist, erzeugt sie Daten, die das Vorliegen oder Fehlen der Vorsteuerung angeben. Wenn die Vorsteuerung durchgeführt wird, erreicht das Ausgangssignal von der Verriegelungsschaltung 407 den logischen Wert 0 während im anderen Fall ihr Ausgangssignal den logischen Wert 1 erreicht. Das Ausgangssignal von der Verriegelungsschaltung 407 liegt an den Rücksetzeingängen des zweiten und vierten Univibrators 108 und 123. Wenn das Ausgangssignal von der Verrieglungsschaltung 407 den logischen Wert 1 hat und somit der zweite und der vierte Univibrator 108 und 123 rückgesetzt sind, werden keine Triggersignale für den ersten und zweiten Thyristor 161 und 162 erzeugt, und kann eine Vorsteuerung nicht durchgeführt werden. In Fig. 1 ist weiterhin die Steuer- oder Treiberschaltung 100 für das elektrostriktive Stellglied 200 dargestellt. Ein Prüfsignal CHECK vom dritten Univibrator 120 liegt an der Eingangsschnittstelle 401. Das Signal CHECK dient zur Prüfung, ob die Vorrichtung normal im Vorsteuerungszustand arbeitet. Wenn der Grundspannungsanteil aus irgendeinem Grunde nicht erhalten werden kann, wie es oben beschrieben wurde, da das Ausgangssignal vom dritten Univibrator 120 nicht erzeugt werden kann, wird das von der Zentraleinheit CPU 402 wahrgenommen, so daß diese so arbeitet, daß die Vorrichtung in den normalen Zustand zurückkommt.

Die Arbeitsweise einer nicht dargestellten Steuerschaltung, durch die eine zusätzliche Spannung angelegt wird, ist in Fig. 13 dargestellt. Wenn der Druck der Pumpenkammer etwas unter dem Ventilöffnungsdruck liegt, d. h. 80 kp/cm²[∼10⁵ h] erreicht, kann dieser Zustand wahrgenommen werden, wie es in Fig. 13 dargestellt ist, da die Spannung vom Stellglied 200 320 V erreicht hat. Eine hohe Spannung von 820 V liegt am Stellglied 200 für ein Zeitintervall von 104 µs. Das Stellglied 200 zieht sich um 50 µm zusammen, und die Kammer 726 mit variablem Volumen wird um 4 cm² · 50 µm=20 mm³ zusammengezogen. Wenn danach die Steuerschaltung das Stellglied 200 kurzschließt, dehnt sich dieses um eine Gesamtlänge von 82 µm, und zwar um 50 µm durch die Abnahme der hohen Spannung und um 32 µm durch den Kurzschluß aus, so daß die Kammer 26 mit variablem Volumen um 4 cm² · 82 µm=32,8 mm³ ausgedehnt wird. In dieser Weise ergibt sich ein Druckverlauf in der Pumpenkammer 602, wie er durch die Kurve D in Fig. 13 (1) dargestellt ist. In diesem Fall kann, verglichen mit den obigen Ausführungsbeispielen, die Voreinspritzung noch wirksamer erfolgen. Da die Voreinspritzung einen hohen Einspritzdruck mit sich bringt, kann der Kraftstoff besser als beim obigen Ausführungsbeispiel verdampft werden.

Claims

1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Dieselbrennkraftmaschinen mit einer Kraftstoffeinspritzpumpe, in deren Pumpenkammer der Kraftstoffdruck durch die Bewegung eines Kolbens in zeitlicher Abhängigkeit von der Motor-Drehzahl erhöht und verringert wird, mit Einspritzventilen, die mit der Pumpenkammer in Verbindung stehen, und mit einem die Kraftstoffeinspritzung steuernden piezo-elektrischen Stellglied, das mittels einer elektrischen Steuervorrichtung betätigbar ist, wobei das piezo-elektrische Stellglied in einer Kammer angeordnet ist, die mit der Pumpenkammer in Strömungsverbindung steht, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Druckanstieg in der Pumpenkammer (602) im piezo- elektrischen Stellglied (200) eine elektrische Spannung erzeugt wird, die zu einem bestimmten Zeitpunkt des Druckanstiegs durch die elektrische Steuereinrichtung (4) derart reduziert wird, daß das piezo-elektrische Stellglied (200) kontrahiert und somit die Kraftstoffeinspritzung schnell beendet wird, und
daß sich während der Phase sich verringernden Druckes in der Pumpenkammer (602) nach Beendigung der Kraftstoffeinspritzung das piezo-elektrische Stellglied (200) mit Spannung versorgt und damit expandiert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltkreis vorgesehen ist, der dem piezo-elektrischen Stellglied (200) zusätzlich zu der durch Druckbeaufschlagung erzeugten Spannung eine weitere Spannung zuführt.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (300) vorgesehen ist, der mit der während der Druckbeaufschlagung des piezo-elektrischen Stellglieds (200) erzeugten Ladung aufgeladen wird, und daß die im Kondensator gespeicherte Ladung dem piezo-elektrischen Stellglied wieder zugeführt wird.