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Dokumentenidentifikation DE102004007391A1 30.09.2004
Titel Piezoaktuator-Ansteuerschaltung und Kraftstoffinjektor
Anmelder Denso Corp., Kariya, Aichi, JP;
Nippon Soken, Inc., Nishio, Aichi, JP
Erfinder Kojima, Akikazu, Kariya, Aichi, JP;
Naruse, Hideo, Kariya, Aichi, JP;
Fukagawa, Yasuhiro, Nishio, Aichi, JP
Vertreter Tiedtke, Bühling, Kinne & Partner GbR, 80336 München
DE-Anmeldedatum 16.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004007391
Offenlegungstag 30.09.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.09.2004
IPC-Hauptklasse H02N 2/06
IPC-Nebenklasse F04B 17/00   
Zusammenfassung Eine Piezoaktuator-Ansteuerschaltung, die den Betrieb eines durch einen Piezoaktuator angetriebenen mechanischen Elements stabilisiert, bestehend aus einer Zerhackerschaltung zum Laden und Entladen zwischen einem Piezostapel 4 und einem Kondensator 63, die in einen Piezoaktuator eingebaut sind, durch einen dreieckwellenförmigen Signalverlauf, wordurch ein Strom durch wiederholtes Ein- und Ausschalten von Schaltelementen 64a und 64b zwischen 0 und einem Spitzenstrom alterniert, wobei die Ein-Perioden der Schaltelemente 64a und 64b so festgelegt sind, daß der Spitzenstrom während einer Zeitspanne von dem Beginn des Ladens bis zu dem Ende des Ladens und während einer Zeitspanne von dem Beginn des Entladens bis zu dem Ende des Entladens monoton abnimmt, und so, daß der Spitzenstrom ausgehend von zumindest der Mitte des Ladens und des Entladens langsam abnimmt, und ein diese verwendender Kraftstoffinjektor. Da sich der Strom in nur der Abnahmerichtung kontinuierlich ändert, stabilisiert sich der Betrieb des mechanischen Elements. Ferner wird aufgrund des zusammen mit dem Fortschreiten des Ladens und des Entladens fallenden realisierbaren maximalen Stroms verhindert, daß ein Resonanzoszillationsstrom fließt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen Piezoaktuator und einen Kraftstoffinjektor.

Ein Piezoaktuator nutzt die piezoelektrische Wirkung von PZT oder eines anderen piezoelektrischen Materials. Zum Beispiel ist ein solcher bekannt, der auf einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine angewandt wird. Bei dem Injektor für die Kraftstoffeinspritzung wird die Betätigung der Nadel zum Umschalten zwischen der Einspritzung von Kraftstoff und dem Anhalten der Einspritzung unter Verwendung des Piezoaktuators gesteuert. Der Piezoaktuator hat ein kapazitives Element, das heißt einen Piezostapel, welcher sich ausdehnt, wenn er geladen wird, und sich aus dem ausgedehnten Zustand zusammenzieht, wenn er entladen wird.

Die Ansteuerschaltung eines Piezoaktuators hat eine Gleichspannungsversorgung, die aus einem Kondensator, der die Ladung zum Laden des Piezostapels speichert, und einem Leitungspfad zum Übertragen der Ladung über einen Induktor bzw. eine Induktivität zwischen der Gleichspannungsversorgung und dem Piezostapel unter Verwendung eines derselben als Versorgungsquelle besteht. Bei Anwendung auf einen Kraftstoffinjektor wird zum Beispiel der Piezostapel von der Gleichspannungsversorgung geladen, um die Einspritzung von Kraftstoff zu beginnen, und wird die Ladung durch die Gleichspannungsversorgung von dem Piezostapel zu einem vorbestimmten Zeitpunkt wiedergewonnen, um die Kraftstoffeinspritzung anzuhalten. Daher sind während der Kraftstoffeinspritzung der Piezostapel und die Gleichspannungsversorgung nicht verbunden. In der Vergangenheit wurde beispielsweise bei einem Solenoidsystem, das zum Steuern des Injektorbetriebs verwendet wurde, die Verbindung mit dem Solenoid fortgesetzt, um den erregten Zustand des Solenoids zu halten. Während dieser Zeit unterscheidet sich die Situation stark von der, in der die Einspritzung möglich wird.

Als Ansteuerschaltung für einen Piezoaktuator gibt es einen Zerhacker- bzw. Choppertyp, welcher die Ladung kleiner macht.

Dieser hat einen ersten Leitungspfad, der in der Lage ist, den Piezostapel und die Gleichspannungswelle über eine Induktivität zu verbinden, und einen zweiten Leitungspfad, der in der Lage ist, die Gleichspannungsversorgung kurzzuschließen und den Piezostapel und die Induktivität zu verbinden. Das Laden und das Entladen werden durch wiederholtes Einschalten und Ausschalten von Schaltelementen, die in der Mitte der Leitungspfade bereitgestellt sind, in feinen Schritten gesteuert.

Bei diesem System wird zur Zeit des Ladens ein langsam ansteigender Ladestrom während der Ein-Periode eines ersten Schaltelements des ersten Leitungspfads durch den ersten Leitungspfad geleitet. Während der Aus-Periode wird durch die Schwungradwirkung ein langsam abnehmender Ladestrom von der Induktivität geleitet. Der Strom wird zu einem dreieckwellenförmigen Signalverlauf, der sich im wesentlichen linear zwischen 0 und dem in der Ein-Periode am Ende erreichten Spitzenstrom wiederholt ändert. Andererseits wird zur Zeit des Entladens ein langsam abnehmender Entladestrom während der Ein-Periode eines zweiten Schaltelements des zweiten Leitungspfads über den zweiten Leitungspfad geleitet. Während der Aus-Periode wird aufgrund der Schwungradwirkung ein langsam abnehmender Entladestrom zu der Gleichspannungsversorgung geleitet. Der Strom wird zu einem dreieckwellenförmigen Signalverlauf, der sich im wesentlichen linear zwischen 0 und dem in der Ein-Periode am Ende erreichten Spitzenstrom wiederholt ändert. Während einer dreieckwellenförmigen Wellenform ist die Zeit ab dann, wenn das Schaltelement eingeschaltet wird, bis zu der nächsten Zeit, zu der es eingeschaltet wird, sehr kurz, so daß davon ausgegangen wird, daß in dieser sehr kurzen Zeit Strom hinsichtlich des mittleren Stroms kontinuierlich fließt.

Ein Schaltelement wird zum Beispiel durch Erfassen des Ladestroms und des Entladestroms gesteuert. Wenn der Strom einen vorbestimmten Stromgrenzwert in der Ein-Periode des Schaltelements erreicht, wird zu der Aus-Periode geschaltet. Wenn der Strom etwa 0 wird, wird zu der Ein-Periode geschaltet. Ferner wird das Laden durch Erfassen der Spannung an Anschlüssen des Piezostapels und Beenden des Ladens durch Anhalten des Ein-/Aus-Betriebs des Schaltelements dann, wenn der erfaßte Wert zu einem vorbestimmten Ladeendspannungswert wird, angehalten. Andererseits wird das Entladen durch Beenden des Entladens dann, wenn der erfaßte Wert der Spannung an den Anschlüssen des Piezostapels einen vorbestimmten, etwa auf 0 festgelegten Wert erreicht, angehalten.

Ein Piezostapel expandiert oder kontrahiert mit einem schnellen Ansprechen durch Laden oder Entladen, so daß die Gefahr besteht, daß der Betrieb des durch den Piezoaktuator angetriebenen mechanischen Elements instabil wird. Zum Beispiel besteht die Gefahr, daß das mechanische Element überschwingt und vibriert bzw. schwingt, oder besteht die Gefahr, daß ein ventilartiges mechanisches Element gegen den Ventilsitz schlägt und verschlissen wird. Daher gibt es ein System, bei dem zur Zeit des Ladens dann, wenn das Laden zu einem bestimmten Ausmaß fortschreitet und eine Annäherung an die Solllademenge stattfindet, der Ladevorgang einmal angehalten wird, das heißt eine Zeitspanne, in der der Stromwert des Ladens 0 ist, bereitgestellt wird, dann nach einer bestimmten Zeitspanne der Stromwert des Ladens kleiner gehalten wird als zur Zeit des Beginns des Ladens, um bis zu auf die Solllademenge aufzuladen (vergleiche die japanische nationale Veröffentlichung (Tokuhyo) Nr.2002-544424). Hiermit werden durch Bereitstellen einer Zeitspanne, in der der Stromwert des Ladens 0 ist, bevor das Laden zu einem Ausmaß fortschreitet, bei dem die Gefahr besteht, das Schwingungen usw. auftreten, und nachfolgendes Unterdrücken des Stromwerts Schwingungen und Verschleiß verhindert.

Das durch die Erfindung zu lösende Problem zusammenfassend wird bei dem vorstehenden verwandten Stand der Technik durch Anhalten und dann Neustarten des Ladens oder des Entladens des Piezostapels eine Schwingung auch dann verbleiben, während das Laden angehalten ist oder das Entladen angehalten ist, in Abhängigkeit von dem Temperaturzustand des Piezostapels usw., und wird, in Abhängigkeit von dem Zeitpunkt des Neustarts, der Piezostapel zu stark expandieren oder unzureichend kontrahieren und aufgrund der Phasenposition zwischen der Ansteuerfrequenz der Expansion/Kontraktion durch Laden/Entladen des Piezostapels und der Schwingung (die Phasenposition ändert sich zusammen mit der Temperatur des Piezostapels) instabil angesteuert werden. Die Technologie kann hinsichtlich der Zuverlässigkeit für etwas wie beispielsweise einen Kraftstoffinjektor, welcher enorm häufig wiederholt Kraftstoff einspritzt, nicht als praktisch bezeichnet werden. Ferner wird durch Anhalten des Ladens oder des Entladens Verlustzeit verursacht, und wird das Ansprechen verlangsamt. Daher kann von dem schnellen Ansprechen, einem inhärenten Merkmal eines Aktuators mit eingebautem Piezostapel, kein guter Gebrauch gemacht werden.

Ferner bildet ein Piezostapel oder eine Induktivität eine LC-Resonanzschaltung. Der maximale Strom, den der Ladestrom erreichen kann, ist durch die Differenz zwischen der Spannung an Anschlüssen der Gleichspannungsversorgung und der Spannung an Anschlüssen des Piezostapels definiert, während der maximale Strom, den der Entladestrom erreichen kann, durch die Spannung an Anschlüssen des Piezostapels definiert ist. Zusammen mit dem Fortschreiten des Ladens oder des Entladens nimmt der erreichbare maximale Strom ab. Daher wird der Ladestrom oder der Entladestrom den definierten Stromwert nicht erreichen und zu Schwingungen am Ende des Ladens oder des Entladens führen, so daß die Gefahr besteht, daß die Expansion oder die Kontraktion des Piezostapels instabil wird. Infolgedessen wird der Betrieb des durch den Piezostapel angesteuerten bzw. angetriebenen mechanischen Elements instabil werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige Piezoaktuator-Ansteuerschaltung und einen Kraftstoffinjektor zu schaffen, deren Ansprechen nicht verschlechtert ist.

In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Piezoaktuator-Ansteuerschaltung bereitgestellt, gekennzeichnet durch einen ersten Leitungspfad, der in der Lage ist, einen Piezostapel, der an einem Piezoaktuator bereitgestellt ist, und eine Gleichspannungsversorgung über eine Induktivität zu verbinden, einen zweiten Leitungspfad, der in der Lage ist, die Gleichspannungsversorgung kurzzuschließen und den Piezostapel und die Induktivität zu verbinden, ein erstes Schaltelement zum Öffnen und Schließen des ersten Leitungspfads, ein zweites Schaltelement zum Öffnen und Schließen des zweiten Leitungspfads, ein zweites Schaltelement zum Öffnen und Schließen des zweiten Leitungspfads, und eine Schaltelement-Steuereinrichtung zum Steuern des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements, und zum, zur Zeit des Ladens des Piezostapels, wiederholten Ein- und Ausschalten des ersten Schaltelements, um während der Ein-Periode einen langsam zunehmenden Ladestrom auf den ersten Leitungspfad zu leiten und während der Aus-Periode durch eine Schwungradwirkung einen ausgehend von dem in der Ein-Periode schließlich erreichten Spitzenstrom langsam abnehmenden Ladestrom auf den zweiten Leitungspfad zu leiten, und zur Zeit des Entladens des Piezostapels wiederholten Ein- und Ausschalten des zweiten Schaltelements, um während der Ein-Periode einen langsam zunehmenden Entladestrom auf den zweiten Leitungspfad zu leiten und während der Aus-Periode durch eine Schwungradwirkung einen ausgehend von dem in der Ein-Periode schließlich erreichten Spitzenstrom langsam abnehmenden Entladestrom auf den zweiten Leitungspfad zu leiten, wobei die Schaltelement-Steuereinrichtung als eine Steuereinrichtung zum Festlegen der Ein-Periode des ersten Schaltelements so, daß der Spitzenstrom über die Ladeperiode des Piezostapels konstant gehalten wird oder abnimmt und zumindest ausgehend von der Mitte der Ladeperiode abnimmt, und Festlegen der Ein-Periode des zweiten Schaltelements so, daß der Spitzenstrom über die Entladeperiode des Piezostapels konstant gehalten wird oder abnimmt und zumindest ausgehend von der Mitte der Entladeperiode abnimmt, ausgelegt ist.

Da der Spitzenstrom in Übereinstimmung mit dem Fortschreiten des Ladens des Piezostapels oder in Übereinstimmung mit dem Fortschreiten des Entladens langsam abnimmt, ist es möglich, Probleme des durch den vibrierenden Piezostapel angetriebenen mechanischen Elements usw. zu vermeiden. Hierbei wird das Laden oder das Entladen nicht vorübergehend angehalten. Das Laden und das Entladen des Piezostapels schreitet kontinuierlich fort. Daher ist die Antriebskraft auf das mechanische Element stabil, und kann verhindert werden, daß der Betrieb des mechanischen Elements instabil wird.

Ferner wird während des Fortschreitens des Ladens auch dann, wenn die Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Gleichspannungsversorgung und der Spannung an Anschlüssen des Piezostapels klein wird und der maximale Strom, welchen der Ladestrom in der Ein-Periode erreichen kann, fällt, da die Ein-Periode des ersten Schaltelements so festgelegt ist, daß der Spitzenstrom ausgehend von der Mitte der Ladeperiode abnimmt, der zusätzliche Spielraum in Bezug auf den erreichbaren maximalen Stromwert verbessert. Aufgrund dessen wird die Oszillation des Ladestroms verhindert und schreitet das Laden mit einem dreieckwellenförmigen Stromverlauf fort, bis der Ladevorgang beendet ist. Andererseits wird während des Fortschreitens des Entladens auch dann, wenn die Spannung an den Anschlüssen des Piezostapels kleiner wird und der maximale Stromwert, welchen der Entladestrom während der Ein-Periode erreichen kann, fällt, da die Ein-Periode des ersten Schaltelements so festgelegt ist, daß der Spitzenstrom ausgehend von der Mitte der Entladeperiode abnimmt, der zusätzliche Spielraum in Bezug auf den erreichbaren maximalen Stromwert verbessert. Aufgrund dessen wird die Oszillation des Entladestroms verhindert und schreitet das Entladen mit einem dreieckwellenförmigen Stromsignalverlauf fort, bis der Entladevorgang beendet ist.

In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wird der erste Aspekt der Erfindung bereitgestellt, in dem die Schaltelement-Steuereinrichtung so ausgelegt ist, daß eine Länge der Ein-Periode konstant gemacht wird.

In Übereinstimmung mit dem Fortschreiten des Ladens des Piezostapels nimmt die Differenz zwischen der Spannung der Gleichspannungsversorgung, die die Anstiegsrate des Ladestroms in der Ein-Periode bestimmt, und der Spannung an Anschlüssen des Piezostapels ab. Ferner nimmt in Übereinstimmung mit dem Fortschreiten des Entladens die Spannung an Anschlüssen des Piezostapels, die die Anstiegsrate des Entladestroms in der Ein-Periode bestimmt, ab. Daher nimmt durch Festlegen der Länge der Ein-Periode auf konstant der schließlich in der Ein-Periode erreichte Strom, das heißt der Spitzenstrom, in Übereinstimmung mit dem Fortschreiten des Ladens des Piezostapels oder in Übereinstimmung mit dem Fortschreiten des Entladens desselben langsam ab.

Da der Zeitpunkt des Umschaltens der Aus-Periode durch einen Zeitgeber festgelegt werden kann, besteht keine Notwendigkeit, den in der Ein-Periode schließlich erreichten Strom zu überwachen, und wird die Konfiguration einfacher.

In Übereinstimmung mit einem dritten Aspekt der Erfindung wird der zweite Aspekt der Erfindung bereitgestellt, wobei die Schaltelement-Steuereinrichtung so festgelegt wird, daß eine Länge der Aus-Periode konstant gemacht wird.

Da der Zeitpunkt des Umschaltens der Ein-Periode durch einen Zeitgeber festgelegt werden kann, besteht keine Notwendigkeit zum Überwachen des schließlich in der Ein-Periode erreichten Stroms, und wird die Konfiguration einfacher.

In Übereinstimmung mit einem vierten Aspekt der Erfindung wird der erste Aspekt der Erfindung bereitgestellt, wobei die Schaltung mit einer Stromerfassungseinrichtung versehen ist zum Erfassen des Ladestroms und des Entladestroms, und wird die Schaltelement-Steuereinrichtung so festgelegt, daß die Ein-Periode zu der Aus-Periode umgeschaltet wird, wenn ein erfaßter Wert des Stroms einen vorbestimmten Stromgrenzwert erreicht und der Stromgrenzwert zusammen mit dem Fortschreiten des Ladens und des Entladens des Piezostapels abnimmt.

Es ist möglich, ein beliebiges Änderungsmuster des Spitzenstroms durch Festlegen des Stromgrenzwerts festzulegen. Es ist ebenfalls möglich, das Laden und das Entladen in Übereinstimmung mit den Spezifikationen des durch den Piezoaktuator angetriebenen mechanischen Elements usw. leicht zu optimieren.

In diesem Fall ist es, wie in dem ersten Aspekt der Erfindung erklärt wurde, möglich, den Stromgrenzwert in Übereinstimmung mit einer Funktion abnehmen zu lassen, die in Bezug auf verstrichene Zeit nach dem Beginn des Ladens des Piezostapels und verstrichene Zeit nach dem Beginn des Entladens monoton abnimmt. Ferner ist es, wie in dem sechsten Aspekt der Erfindung, möglich, den Stromgrenzwert in Bezug auf verstrichene Zeit nach dem Beginn des Ladens des Piezostapels und verstrichene Zeit nach dem Beginn des Entladens schrittweise abnehmen zu lassen.

In Übereinstimmung mit einem siebten Aspekt der Erfindung werden die ersten bis sechsten Aspekte der Erfindung bereitgestellt, wobei die Schaltung mit einer Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen des Ladestroms und des Entladestroms versehen ist, und die Schaltelement-Steuereinrichtung so festgelegt wird, daß der Spitzenwert für eine bestimmte Zeitspanne nach dem Beginn des Ladens des Piezostapels und eine bestimmte Periode nach dem Beginn des Entladens konstant wird, und dann der Spitzenstrom abnimmt.

Durch Bereitstellen einer Zeitspanne, in der der Spitzenstrom konstant wird, in der Zeitspanne genau nach dem Beginn des Ladens und der Zeitspanne genau nach dem Beginn des Entladens kann das Laden und das Entladen effizient durchgeführt werden, und kann das Anspreche des Piezoaktuators verbessert werden.

In Übereinstimmung mit einem achten Aspekt der Erfindung wird ein Kraftstoffinjektor bereitgestellt, gekennzeichnet durch eine injektorsteuernde Betätigung einer Nadel zum Umschalten zwischen dem Einspritzen von Kraftstoff und Anhalten der Einspritzung, und eine Piezoaktuator-Ansteuerschaltung zum Ansteuern des Piezoaktuators, und dadurch; daß er mit einer Piezoaktuator-Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Piezoaktuator-Ansteuerschaltung versehen ist.

Da die Betätigung der Nadel oder eines anderen mechanischen Elements, das durch den Piezoaktuator angetrieben wird, stabil wird, wird die Steuerung der Einspritzrate bei der Kraftstoffeinspritzung oder die Genauigkeit der Einstellung verbessert.

Diese und andere Ziele und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen klarer ersichtlich. Es zeigen:

1 eine Ansicht eines Querschnitts hauptsächlich eines Injektors eines Kraftstoffinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, auf welches die Erfindung angewandt ist;

2 eine Ansicht der Konfiguration einer Piezoaktuator-Ansteuerschaltung, die Teil des Kraftstoffinjektors bildet und einen Piezoaktuator des Injektors ansteuert;

3 ein Zeitverlaufsdiagramm, das Betriebszustände verschiedener Teile zur Zeit des Ladens und des Entladens eines in den Piezoaktuator eingebauten Piezostapels in der Piezoaktuator-Ansteuerschaltung zeigt;

4 ein Zeitverlaufsdiagramm, das Betriebszustände verschiedener Teile zur Zeit des Ladens und des Entladens eines in den Piezoaktuator eingebauten Piezostapels in einer Teil eines Kraftstoffinjektors bildenden und einen Piezoaktuator des Injektors ansteuernden Piezoaktuator-Ansteuerschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, auf welches die Erfindung angewandt ist, zeigt;

5 ein Zeitverlaufsdiagramm, das Betriebszustände verschiedener Teile zur Zeit des Ladens und des Entladens eines in den Piezoaktuator eingebauten Piezostapels in einer Teil eines Kraftstoffinjektors bildenden und einen Piezoaktuator des Injektors ansteuernden Piezoaktuator-Ansteuerschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, auf welches die Erfindung angewandt ist, zeigt;

6 ein Zeitverlaufsdiagramm, das Betriebszustände verschiedener Teile zur Zeit des Ladens und des Entladens eines in den Piezoaktuator eingebauten Piezostapels in einer Teil eines Kraftstoffinjektors bildenden und einen Piezoaktuator des Injektors ansteuernden Piezoaktuator-Ansteuerschaltung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, auf welches die Erfindung angewandt ist, zeigt;

7 ein Zeitverlaufsdiagramm, das Betriebszustände verschiedener Teile zur Zeit des Ladens und des Entladens eines in den Piezoaktuator eingebauten Piezostapels in einer Teil eines Kraftstoffinjektors bildenden und einen Piezoaktuator des Injektors ansteuernden Piezoaktuator-Ansteuerschaltung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, auf welches die Erfindung angewandt ist, zeigt;

8 eine Ansicht eines Querschnitts von hauptsächlich einem Injektor nach einer Modifikation des Kraftstoffinjektors, auf welchen die Erfindung angewandt ist; und

9 ein Zeitverlaufsdiagramm zum Erklären des Problems des Standes der Technik.

Erstes Ausführungsbeispiel

Nachstehend wird ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt. 1 zeigt die Konfiguration von Hauptteilen eines Kraftstoffinjektors, zentriert auf den Querschnitt des Injektors. Sie zeigt eine Piezoaktuator-Ansteuerschaltung, die einen in einem Injektor eingebauten Piezoaktuator ansteuert.

Der Injektor 1 hat einen stabförmigen Körper 10, mit welchem eine Vielzahl von Elementen verbunden sind. Bei Anbringung an einem Motor ist er zum Beispiel so befestigt, daß er durch eine nicht dargestellte Wand einer Verbrennungskammer hindurch verläuft und an seinem unteren Ende in 1 in die Verbrennungskammer ragt. Der Injektor 1 besteht, ausgehend von dem unteren Ende, aus einem Injektor 1a, einer Gegendruck-Steuereinrichtung 1b, und einem Piezoaktuator 1c.

Der Injektor 1a weist eine Düsennadel 21 auf, die in einer Düse 104 angeordnet ist, die an ihrem vorderen Ende mit einem Einspritzport 103 ausgestaltet ist. Ein Basisende 211 der Nadeldüse 21 wird verschieblich in einer in der Wandung der Düse 104 ausgebildeten Führungsbohrung 121 gehalten. Die Düsennadel 21 bewegt sich in der Bohrungsrichtung der Führungsbohrung 121 axial so, daß das vordere Ende 212 der Düsennadel 21 auf einem ringförmigen Sitz 1041 sitzt oder sich von diesem löst. Der äußere Umgebungsraum 105 an dem vorderen Ende 212 der Düsennadel wird über einen Hochdruckkanal 101 mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt. Kraftstoff wird aus dem Einspritzport 103 eingespritzt, wenn die Düsennadel 21 angehoben wird. Die Düsennadel 21 wird an ihrer ringförmigen Stufenfläche 21a durch den Kraftstoffdruck aus dem Hochdruckkanal 101 in die Abheberichtung (in der Figur die Richtung nach oben) betätigt. Der Hochdruckkanal 101 ist zum Beispiel mit einer gemeinsamen Kraftstoffleitung (common rail) verbunden und wird gleichbleibend mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt.

Hinter der Düsennadel 21 ist eine Gegendruckkammer 106 ausgebildet, in welcher Kraftstoff, der als Steuerflüssigkeit dient, aus den Hochdruckkanal 101 über die Öffnung 10 eingeleitet wird, und welche einen Gegendruck der Düsennadel 21 erzeugt. Der Gegendruck wirkt in Verbindung mit einer in der Gegendruckkammer 106 angeordneten Feder 31 auf eine rückseitige Fläche 21b der Düsennadel 21 in einer Sitzrichtung (in der Figur nach unten). Die rückseitige Fläche 21b der Düsennadel steht ferner elastisch in Kontakt mit der Feder 31 in der Gegendruckkammer 106 und wird durch die Federkraft in der Sitzrichtung der Düsennadel 21 beaufschlagt.

Der Gegendruck der Düsennadel 21 wird durch die Gegendruck-Steuereinrichtung 1b langsam verringert. Die Gegendruck-Steuereinrichtung 1b wird durch den Piezoaktuator 1c gesteuert.

Die Gegendruck-Steuereinrichtung 1b hat den folgenden Aufbau. Die Gegendruckkammer 106 steht über eine Außenöffnung 108 ständig mit einer Ventilkammer 110 in Verbindung. Die Ventilkammer 110 besteht teilweise aus einer vertikalen Bohrung mit einer Vielzahl von im Inneren des Injektors 1 in der Längenrichtung ausgebildeten Stufen. Die vertikale Bohrung ist zusätzlich zu der Ventilkammer 110 mit einem Hochdruckport 1101, einer Führungsbohrung 122 und einer Federkammer 109 unterhalb der Ventilkammer 110 in dieser Reihenfolge versehen, und ist mit einem Niederdruckport 1102, einer Führungsbohrung 123 und einer Piezostapelkammer 112 oberhalb der Ventilkammer 110 in dieser Reihenfolge versehen.

Der Hochdruckport 1101 öffnet an der Unterseite der Ventilkammer 110 und steht mit dem Hochdruckkanal 101 in Verbindung. Der Hochdruckport 1101 befindet sich am oberen Ende der später erklärten Führungsbohrung 122. Der Niederdruckport 1102 öffnet an der Decke der Ventilkammer 110 und steht mit dem Niederdruckkanal 102 in Verbindung. Ferner steht die Federkammer 109 mit dem Niederdruckkanal 102 in Verbindung.

Die Ventilkammer 110 weist einen in ihr angeordneten, im wesentlichen kreisförmigen Körper 231 des Ventils 23 auf. Der Ventilkörper 231 kann sich in der Ventilkammer 110 nach oben und nach unten bewegen, wobei der untere Kolben 232 verschieblich in der Führungsbohrung 122 gehalten wird. Das Ventil 23 ist ferner mit einer Verengung 233 zwischen dem Körper 231 und dem Kolben 232, positioniert an dem Hochdruckport 1101, ausgebildet. Kraftstoff aus dem Hochdruckkanal 101 wird in den Hochdruckport 1101 eingeleitet. Wenn das Ventil 23 absteigt, wird das untere Ende des Körpers 231 auf den hochdruckseitigen Sitz 110a gesetzt, um den Hochdruckport 1101 zu schließen, wodurch die Ventilkammer 110 von dem Hochdruckkanal 101 getrennt wird. Ferner steht die Gegendruckkammer 106 über die Außenöffnung 108 und die Ventilkammer 110 mit dem Niederdruckkanal 102 in Verbindung. Augrund dessen fällt der Gegendruck der Düsennadel 21, und löst sich die Düsennadel 21 von dem Sitz. Andererseits sitzt dann, wenn sich das Ventil 23 hebt, das obere Ende des Körpers 231 auf den niederdruckseitigen Sitz 110b und schließt den Niederdruckport 1102, wodurch die Ventilkammer 110 gegenüber dem Niederdruckkanal 102 geschlossen wird. Die Gegendruckkammer 106 steht mit nur dem Hochdruckkanal 101 in Verbindung. Aufgrund dessen steigt der Gegendruck der Düsennadel 21 an, und sitzt die Düsennadel 21 auf dem Sitz auf.

Das Ventil 23 wird von der Feder 32, die in der Federkammer 109 angeordnet ist, elastisch kontaktiert, welches das Ventil 23 nach oben vorspannt. Die Federkraft der Feder 32 ist so festgelegt, daß es dem Ventil 23 möglich wird, den Niederdruckport 1102 auch dann zu schließen, wenn der Druck der gemeinsamen Kraftstoffleitung nicht ausreichend ansteigt. Dies dient dazu, zu verhindern, daß Kraftstoff irrtümlich in einem Zustand eingespritzt wird, in dem der Hochdruckkanal 101 noch nicht ausreichend mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt wird.

Das Ventil 23 wird durch den Piezoaktuator 1c über den später erklärten Kolben 24 mit kleinem Durchmesser, die Verschiebungsexpansionskammer 111 und den Kolben 25 mit großem Durchmesser verschoben.

Der Piezoaktuator 1c ist eine Struktur, die in einer Piezostapelkammer 112 untergebracht ist und aus einem Piezostapel 4 besteht, der durch Halteelemente an den beiden Seiten in der Stapelrichtung gehalten wird.

Der Piezostapel 4 hat allgemein eine Kondensatorstruktur, bestehend aus PZT oder anderen piezoelektrischen Keramikschichten und Elektrodenschichten, die abwechselnd gestapelt sind, und ist in der Piezostapelkammer 122 so untergebracht, daß seine Stapelrichtung, das heißt seine Expansions-/Kontraktions-Richtung, zu der vertikalen Richtung wird.

Die Führungsbohrung 123 hat einen untern Teil 1231, welcher einen kleinen Durchmesser hat, und einen oberen Teil 1232, welcher einen großen Durchmesser hat. Zwei Kolben 24 und 25 mit verschiedenen Durchmessern werden in diesen verschieblich gehalten. Der in dem Teil 1231 mit kleinem Durchmesser der Führungsbohrung gehaltene Kolben 24 (nachstehend geeignet als "Kleindurchmesserkolben" bezeichnet) kann an einem nach unten gerichteten Stift 252 aus dem Körper 241 heraustreten, aus dem Niederdruckport 1102 in die Ventilkammer 110 eintreten, und das Ventil 23 nach unten schieben. Die Seitenfläche des Kleindurchmesserkolbens 24 ist mit einem flanschförmigen Federsitz 243 versehen und wird durch eine Feder 33, die um die Außenseite des Kleindurchmesserkolbens 24 über dem Federsitz 243 bereitgestellt ist, nach unten vorgespannt. Aufgrund dessen wird der Kontakt mit dem Ventil 23 verbessert.

Der an dem Teil 1232 mir großem Durchmesser der Führungsbohrung 123 gehaltene Kolben 25 (nachstehend geeignet als der "Großdurchmesserkolben" bezeichnet) wird in seinem Kontakt mit dem Piezostapel 4 durch die Federkraft einer Feder 34 verbessert, die elastisch die untere Endfläche kontaktiert und den Piezostapel 4 mit einer gleichbleibenden Anfangslast beaufschlagt.

Der durch den Großdurchmesserkolben 25 und den Kleindurchmesserkolben 24, die sich in der vertikalen Richtung um exakt dieselben Ausmaße wie die Expansion/Kontraktion des Piezostapels 4 verschieben, definierte Raum und die Führungsbohrung 123 sind mit Kraftstoff gefüllt und bilden eine Hydraulikkammer 111. Wenn der Piezostapel 4 expandiert und gegen den Großdurchmesserkolben 25 drückt, wird die Druckkraft über den Kraftstoff der Hydraulikkammer 111 auf den Kleindurchmesserkolben 24 übertragen. Hierbei ist der das Ventil 23 kontaktierende Kleindurchmesserkolben 24 in seinem Durchmesser kleiner als der Großdurchmesserkolben 25, so daß das Ausmaß der Expansion des Piezostapels 4 erhöht und in eine Verschiebung des Kleindurchmesserkolbens 24 umgewandelt wird (nachstehend geeignet als "Verschiebungsvergrößerungskammer" bezeichnet). Die Verschiebungsvergrößerungskammer 111 ist über ein nicht gezeigtes Prüfventil mit dem Niederdruckkanal 102 verbunden, so daß sie zu allen Zeiten mit ausreichend Kraftstoff gefüllt ist. Das Prüfventil ist mit der Richtung von dem Niederdruckkanal 102 hin zu der Verschiebungsvergrößerungskammer 111 als der Vorwärtsrichtung bereitgestellt. Wenn der Großdurchmesserkolben 25 durch die Ausdehnung des Piezostapels 4 verschoben wird, wird das Ventil geschlossen, und wird Kraftstoff in der Verschiebungsvergrößerungskammer 111 eingeschlossen.

Der Injektor 1 ist auf diese Art und Weise konfiguriert. Zur Zeit des Beginns einer Kraftstoffeinspritzung wird zunächst der Piezostapel 4 auf die vorbestimmte Ladung aufgeladen, und dehnt sich der Piezostapel 4 aus, wodurch der Druckstift 242 des Kleindurchmesserkolbens 24 absteigt und das Ventil 23 nach unten drückt. Aufgrund dessen löst sich das Ventil 23 von dem niederdruckseitigen Sitz 110 und sitzt auf den hochdruckseitigem Sitz 110a auf. Infolgedessen fällt der Kraftstoffdruck der Ventilkammer 110, und fällt auch der Druck in der Gegendruckkammer 106, wodurch sich die Düsennadel 21 von dem Sitz löst und die Kraftstoffeinspritzung begonnen wird.

Die Einspritzung wird durch demgegenüber Entladen des Piezostapels 4, um zu bewirken, daß sich der Piezostapel 4 zusammenzieht und die gegen das Ventil 23 drückende Kraft zurücknimmt, angehalten. Aufgrund dessen werden die Wirkung des Drucks des Kraftstoff hohen Drucks des Hochdruckports 1101, der nach oben auf das Ventil 23 wirkt, und die Federkraft der Feder 32 dominant, woraufhin sich das Ventil 23 von dem hochdruckseitigem Sitz 110a löst und erneut auf den niederdruckseitigen Sitz 110b aufsitzt. Infolgedessen steigt der Kraftstoffdruck der Ventilkammer 110 an, steigt auch der Druck in der Gegendruckkammer 106 an, und setzt sich die Düsennadel 21, woraufhin die Einspritzung angehalten wird. Daher wird durch Festlegen der Ladedauer des Piezostapels 4 Kraftstoff aus dem Injektor 1 für eine gewisse Zeitspanne entsprechend der Ladedauer eingespritzt.

Als Nächstes wird die Piezoaktuator-Ansteuerschaltung 5 zum Laden und Entladen des Piezostapels 4 unter Bezugnahme auf 2 erklärt. Die Piezoaktuator-Ansteuerschaltung 5 weist einen Gleichsignal-Gleichsignal-Konverter 62, der eine Gleichspannung von mehreren 10 bis mehreren 100 Volt durch Speisung aus einer Batterie 61 des Autos erzeugt, und einen Kondensator 63, der parallel zu dem Ausgangsende verschaltet ist und die Spannung zum Laden und Entladen des Piezostapels 4 ausgibt, auf. Der Gleichsignal-Gleichsignal-Konverter 62 kann zum Beispiel eine nach dem allgemeinen Booster-Chopper-Prinzip arbeitende Schaltung verwenden. Der Kondensator 23 besteht aus einem solchen mit einer ausreichend großen elektrostatischen Kapazität (mehrere 100&mgr;F) und hält eine im wesentlichen konstante Spannung während des Ladens und Entladens des Piezostapels 4.

Ein erster Leitungspfad 5a zum Verbinden des Kondensators 63 und des Piezostapels 4 über eine Induktivität 65 ist bereitgestellt. In der Mitte des Leitungspfads 5a ist eine erstes Schaltelement 64a seriell zwischen dem Kondensator 63 und der Induktivität 65 bereitgestellt. Das Schaltelement 64a besteht zum Beispiel aus einem MOSFET und ist so verschaltet, daß die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 63 (nachstehend geeignet als die "Kondensatorspannung" bezeichnet) zu einer inversen Vorspannung in Bezug auf seine parasitäre Diode (nachstehend geeignet als die "erste parasitäre Diode" bezeichnet) 641a wird.

Ein zweiter Leitungspfad 5b zum Verbinden der Induktivität 65 und des Piezostapels 4 durch Kurzschließen des Kondensators 63 ist bereitgestellt. In der Mitte des Leitungspfads 5b ist ein zweites Schaltelement 64b bereitgestellt. Das Schaltelement 64b besteht zum Beispiel aus einem MOSFET und ist so verschaltet, daß die Spannung an dem Kondensator zu einer inversen Vorspannung in Bezug auf seine parasitäre Diode (nachstehend geeignet als die "zweite parasitäre Diode" bezeichnet) 641b wird.

Die Schaltelemente 64a und 64b sind so ausgestaltet, das sie durch Steuersignale, die von der als die Schaltelement-Steuereinrichtung dienenden Steuerschaltung 71 ausgegebenen Steuersignale einschalten und ausschalten und den Piezostapel 4 laden und entladen.

In der Mitte der Leitungspfade 5a und 5b ist ein Widerstand 66 seriell mit dem Piezostapel 4 bereitgestellt. Dieser verursacht einen Spannungsabfall entsprechend dem in den und aus dem Piezostapel 4 fließenden Strom. Das Ergebnis wird als das Stromerfassungssignal der Steuerschaltung 71 zugeführt.

Ferner wird die Spannung an den Anschlüssen des Piezostapels 4 (nachstehend geeignet als die "Piezostapelspannung" bezeichnet) an einer Spannungsüberwachungsschaltung 72 geteilt und dann der Steuerschaltung 71 über eine Signalverlauf-Verarbeitungsschaltung 73 zugeführt. Die Piezostapelspannung wird von der Steuerschaltung 71 mitgeteilt.

Die Steuerschaltung 71 besteht aus einer Logikverarbeitungsschaltung usw. und gibt Steuersignale an die Schaltelemente 64a und 64b auf der Grundlage des Ansteuersignals von einer nicht gezeigten elektronischen Steuereinheit (ECU), des erfaßten Werts des durch die Leitungspfade 5a und 5b fließenden Stroms oder des erfaßten Werts der Piezostapelspannung aus.

Die Ansteuersignale definieren den Zeitpunkt des Ladebeginns und den Zeitpunkt des Entladebeginns des Piezostapels 4 und sind binäre Signale, die aus dem L-Pegel "0" und dem H-Pegel "1" bestehen. Der Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge werden im wesentlichen durch den Ausgabezeitpunkt des Ansteuersignals und die Länge der Ausgabezeit definiert.

3 zeigt den Betriebszustand der Piezoaktuator-Ansteuerschaltung 5. Die Einstellungen der Steuerschaltung 71 und der Betriebsablauf des Kraftstoffinjektors einschließlich der Piezoaktuator-Ansteuerschaltung 5 werden unter Verwendung derselben erklärt. Wenn das Ansteuersignal "1" wird, legt die Steuerschaltung 71 die Ein-Periode und die Aus-Periode des ersten Schaltelements 64a wie folgt fest und gibt das Steuersignal an das erste Schaltelement 64a aus. Das heißt, sie schaltet das erste Schaltelement 64a ein und leitet unter Verwendung des Kondensators 63 als Versorgungsquelle einen langsam ansteigenden Ladestrom auf den ersten Leitungspfad 5a. Wenn der erfaßte Wert den voreingestellten Stromgrenzwert erreicht, schaltet sie das erste Schaltelement 64a aus und schaltet auf die Aus-Periode um. Zu dieser Zeit wird der zweite Leitungspfad 5b, der durch die zweite parasitäre Diode 641b verläuft, aufgrund der in der Induktivität 65 gespeicherten elektromagnetischen Energie mit einem Ladestrom versorgt, der ausgehend von dem in der Ein-Periode schließlich erreichten Spitzenstrom langsam abnimmt. Wenn der erfaßte Wert den im voraus auf etwa 0 festgelegten Schwellenwert erreicht, schaltet sie das erste Schaltelement 64a ein und schaltet auf die Ein-Periode um. Dies wird wiederholt. Der Ladestrom ist der Strom, der durch die LC-Resonanzschaltung mit einschließlich der Induktivität 65 und dem Piezostapel 4 fließt, aber die Länge der Ein-Periode ist kürzer als die Zeitkonstante der LC-Resonanzschaltung. Wie in der Darstellung gezeigt ist, ändert sich der Ladestrom im wesentlichen linear und resultiert in einer Wellenform, die als eine Dreieckwelle betrachtet wird, wie in der Darstellung gezeigt ist. Daher wird der mittlere Strom zu 1/2 des durch den Stromgrenzwert bestimmten Spitzenstroms.

Durch wiederholtes Ein- und Ausschalten des ersten Schaltelements 64a schreitet das Laden des Piezostapels 4 fort, und steigt die Spannung des Piezostapels an. Zusammen mit dem Anstieg der Piezostapelspannung dehnt sich der Piezostapel 4 aus. Die Steuerschaltung 71 vergleicht die Piezostapelspannung mit einem voreingestellten Ladeendspannungswert und beurteilt, ob der Zeitpunkt zum Beenden des Ladens gekommen ist.

Wenn eine bestimmte Zeitspanne seit dem Beginn des Ladens des Piezostapels 4 verstreicht und das Laden bis zu einem bestimmten Ausmaß fortschreitet, wird anstelle des Festlegens der Ein-Zeit des ersten Schaltelements 64a die Ein-Periode wie folgt festgelegt. Es wird angemerkt, daß der Zeitpunkt zum Ändern des Verfahrens des Festlegens der Ein-Periode durch Überwachen des Verstreichens einer voreingestellten vorbestimmten Zeit seit dem Beginn des Ladens mittels einem Zeitgeber beurteilt werden kann, oder dadurch beurteilt werden kann, daß die Piezostapelspannung einen vorbestimmten Wert erreicht, der niedriger als der voreingestellte Ladeentspannungswert festgelegt ist.

Während der Ein-Periode des ersten Schaltelements 64a nach dem Ändern des Verfahrens des Festlegens der Ein-Periode wird die Zeit, die verstrichen ist, seit das Schaltelement 64a eingeschaltet wurde, durch einen Zeitgeber überwacht. Wenn die voreingestellte vorbestimmte Zeit verstreicht, wird das erste Schaltelement 64a ausgeschaltet, um den Vorgang zu beenden, und wird auf die Aus-Periode geschaltet. Es wird angemerkt, daß die Aus-Periode vor und nach dem Ändern des Verfahrens des Einstellens der Ein-Periode gleich festgelegt wird.

Ferner wird dann, wenn der erfaßte Wert der Piezostapelspannung den Ladeendspannungswert erreicht, das erste Schaltelement 64a auf den Aus-Zustand festgelegt, und wird das Laden des Piezostapels 4 beendet. Es wird angemerkt, daß dann, wenn der Ladestrom zu der Zeit fließt, wenn das erste Schaltelement 64a auf den Aus-Zustand festgelegt wird, Energie in der Induktivität 65 gespeichert wird. Da die Menge der gespeicherten Energie sich in einen Ladefehler umwandeln wird, sollte diese Menge im Voraus berücksichtigt und der Ladeendspannungswert etwas kleiner als die Sollladespannung festgelegt werden.

Wie vorstehend erklärt wurde, dehnt sich der Piezostapel 4 aus, um das Ventil 23 nach unten zu drücken, woraufhin sich die Düsennadel 21 von dem Sitz löst und die Kraftstoffeinspritzung begonnen wird.

Als Nächstes werden dann, wenn das Ansteuersignal "0" wird, die Ein-Periode und die Aus-Periode des zweiten Schaltelements 64d wie folgt festgelegt, und wird ein Steuersignal an das zweite Schaltelement 64d ausgegeben, um zu bewirken, daß sich der Piezostapel 4 entlädt. Das heißt, das zweite Schaltelement 64d wird eingeschaltet, und ein leicht ansteigender Entladestrom wird auf den zweiten Leitungspfad 64b geleitet. Wenn der erfaßte Wert den voreingestellten Stromgrenzwert erreicht, wird das zweite Schaltelement 64d ausgeschaltet, und wird auf die Aus-Periode geschaltet. Eine gegenelektromotorische Kraft wird an der Induktivität 65 erzeugt, und ein Entladestrom, der von dem in der Ein-Periode schließlich erreichten Spitzenwert ausgehend langsam abnimmt, fließt aufgrund der Schwungradwirkung in den ersten Leitungspfad 5a. Wenn dieser erfaßte Wert einen im Voraus auf etwa 0 festgelegten Schwellenwert erreicht, wird das zweite Schaltelement 64d eingeschaltet, und wird auf die Ein-Periode geschaltet. Dies wird wiederholt. Dieser Entladestrom wird zu einer Wellenform, die als eine Dreieckswelle betrachtet wird, auf dieselbe Art und Weise wie in dem Fall des Ladens.

Durch wiederholtes Ein- und Ausschalten des zweiten Schaltelements 64d schreitet das Entladen des Piezostapels 4 fort, fällt die Piezostapelspannung, und wird die in dem Piezostapel 4 gespeicherte Energie an dem Kondensator 63 wiedergewonnen.

Wenn eine bestimmte Zeit seit dem Beginn des Entladens des Piezostapels 4 verstrichen und das Entladen zu einem bestimmten Ausmaß fortgeschritten ist, wird anstelle des Festlegens der Ein-Periode des zweiten Schaltelements 64 bis zu dieser Zeit die Ein-Periode wie folgt festgelegt. Es wird angemerkt, daß der Zeitpunkt zum Ändern des Verfahrens des Einstellens der Ein-Periode durch Überprüfen mittels einem Zeitgeber, daß eine vorbestimmte Zeit seit dem Beginn des Entladens verstrichen ist, beurteilt werden kann, wie bei der Zeit des Ladens, oder durch das Fallen der Piezostapelspannung auf einen im Voraus höher als 0 festgelegten vorbestimmten Wert beurteilt werden kann.

Während der Ein-Periode des zweiten Schaltelements 64b nach dem Umschalten der Ein-Periode wird die verstrichene Zeit seit dem Einschalten des zweiten Schaltelements 64b, durch einen Zeitgeber gezählt. Wenn eine voreingestellte vorbestimmte Zeit verstreicht, wird das zweite Schaltelement 64b ausgeschaltet, um den Vorgang zu beenden, und wird auf die Aus-Periode geschaltet. Es wird angemerkt, daß die Aus-Periode vor und nach dem Ändern des Verfahrens des Einstellens der Ein-Periode gleich festgelegt wird.

Ferner wird dann, wenn der erfaßte Wert der Piezostapelspannung den im Voraus auf etwa 0 festgelegten Entladeendspannungswert erreicht, das zweite Schaltelement 64d auf den Aus-Zustand festgelegt, und wird das Entladen des Piezostapels 4 beendet.

Wie vorstehend erklärt wurde, zieht sich der Piezostapel 4 zusammen, um das Ventil 23 anzuheben, woraufhin die Düsennadel 21 erneut auf den Sitz aufsitzt und die Kraftstoffeinspritzung begonnen wird.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Spitzenstrom für eine bestimmte Zeitspanne nach dem Beginn des Ladens oder eine bestimmte Zeitspanne nach dem Beginn des Entladens konstant, und nimmt dazwischen langsam ab. Daher schreitet bis hin zu dem Mittenzustand das Laden oder das Entladen effizient fort, so daß sich der Piezostapel 4 mit einem schnellen Ansprechen zur Zeit des Ladens ausdehnt und mit einem schnellen Ansprechen zur Zeit des Entladens zusammenzieht. Ferner wird ausgehend von der Mitte, in der das Verfahren zum Festlegen der Ein-Periode geändert wird, das Laden oder das Entladen sanft durchgeführt. Aufgrund dessen wird ein gutes Ansprechen sichergestellt, während es möglich ist, Probleme, wie beispielsweise ein Vibrieren bzw. Schwingen des Ventils 23, das als das durch den Piezoaktuator 1c angesteuerte mechanische Element dient, aufgrund eines schnellen Fortschreitens des Ladens oder des Entladens zu vermeiden. Hierbei wird das Laden oder das Entladen nicht einmal angehalten, sondern das Laden oder das Entladen des Piezostapels 4 schreitet gleichbleibend fort, so daß das Ansprechen besser ist. Ferner wirkt durch das gleichbleibende Fortschreiten des Ladens oder des Entladens des Piezostapels 4 Kraft in der die Expansion behindernden Richtung nicht leicht zu der Zeit der Expansion des Piezostapels 4, und wirkt Kraft in der die Kontraktion behindernden Richtung nicht leicht zu der Zeit der Kontraktion des Piezostapels 4, das heißt, daß die Antriebskraft, die durch den Piezoaktuator 1c erzeugt wird, stabilisiert wird. Aufgrund dessen ist es möglich, besser zu verhindern, daß der Betrieb des Ventils 23 instabil wird.

Ferner ist, wie vorstehend erklärt wurde, eine LC-Resonanzschaltung einschließlich der Induktivität 65 und des Piezostapels 4 ausgebildet. Der maximale Strom, welchen der Ladestrom erreichen kann, ist durch die Differenz zwischen der Kondensatorspannung und der Piezostapelspannung definiert, so daß der realisierbare maximale Strom in Verbindung mit dem Fortschreiten des Ladens des Piezostapels 4 kleiner wird. Ferner ist der maximale Strom, welchen der Entladestrom erreichen kann, durch die Piezostapelspannung definiert, so daß der realisierbare maximale Strom in Verbindung mit dem Fortschreiten des Entladens des Piezostapels 4 kleiner wird. Daher ändert sich dann, wenn die Ein-Perioden der Schaltelemente 64a und 64b zu lang werden, wie in 9 gezeigt ist, wenn das Laden oder das Entladen zu einem bestimmten Ausmaß fortschreitet, die Stromwellenform von einer Dreieckswelle zu einer oszillierenden Wellenform. Durch Bewirken, daß der Spitzenstrom zusammen mit dem Fortschreiten des Ladens oder des Entladens des Piezostapels abnimmt, wie in dem vorliegendem Ausführungsbeispiel, ist es möglich, beide Erfordernisse des Erhaltens eines Spitzenstroms zu erfüllen, der ausreichend ist zum Gewährleisten des Ansprechens und Gewährleisten eines zusätzlichen Spielraums in Bezug auf den realisierbaren maximalen Strom. Aufgrund dessen wird das Ansprechen gewährleistet, und wird eine betriebliche Instabilität des Ventils 23 vermieden. Es wird angemerkt, daß der geeignete Stromgrenzwert oder die vorbestimmte Zeit der Länge der Ein-Periode im Voraus durch Versuche usw. optimiert werden kann.

Es wird angemerkt, daß es dann, wenn die Erfindung auf einen Dieselmotor usw. angewandt wird, bei dem Injektoren 1 auf einer 1:1-Basis für die Zylinder bereit gestellt sind, wenn die Piezoaktuator-Ansteuerschaltung 5 für die Piezoaktuatoren 1c der Injektoren 1 gemeinsam hergestellt wird, möglich ist, die Piezostapel 4 aller Piezoaktuatoren 1c parallel zu verschalten und Auswahlschalter zur Auswahl der Zylinder in Reihe mit den Piezostapeln 4 bereitzustellen, um nur den Piezostapel 4, der einem einspritzenden Zylinder entspricht, für das Laden oder das Entladen frei zu schalten.

Zweites Ausführungsbeispiel

Das zweite Ausführungsbeispiel ist in der Grundkonfiguration gleich wie das erste Ausführungsbeispiel. Der Unterschied liegt darin, daß das Verfahren des Festlegens der Ein-Perioden der Schaltelemente 64a und 64b in der Steuerschaltung 71 zu einem separaten Verfahren des Festlegens gemacht wird. Die Erklärung wird sich auf den Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel konzentrieren. Das erste Ausführungsbeispiel schaltete die Festlegung der Ein-Periode auf ein anderes Verfahren des Festlegens um, um die Länge der Ein-Periode in einer Phase, bevor das Laden der Piezostapelspannung endete, konstant zu machen, aber das zweite Ausführungsbeispiel macht die Länge der Ein-Periode von dem Beginn des Ladens und des Entladens an konstant. 4 zeigt den Betriebszustand verschiedener Teile zur Zeit des Ladens und des Entladens des Piezostapels 4 in der Piezoaktuator-Ansteuerschaltung. Dadurch, daß die Länge der Ein-Periode konstant gemacht wird, wird der Spitzenstrom ausgehend von dem Beginn des Ladens langsam verringert.

Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, den Betrieb des Ventils 23 durch die Wirkung des langsamen Verringerns des Spitzenstroms des Ladestroms und des Entladestroms zu stabilisieren.

Drittes Ausführungsbeispiel

Das dritte Ausführungsbeispiel ist in der Grundkonfiguration gleich wie die vorstehenden Ausführungsbeispiele. Der Unterschied liegt darin, daß das Verfahren des Festlegens der Ein-Perioden der Schaltelemente 64a und 64b in der Steuerschaltung 71 zu einem separaten Verfahren des Festlegens gemacht wird. Die Erklärung konzentriert sich auf den Unterschied gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel. 5 zeigt den Betriebszustand verschiedener Teile zur Zeit des Ladens und des Entladens des Piezostapels 4 in der Piezoaktuator-Ansteuerschaltung. Das zweite Ausführungsbeispiel machte die Länge der Ein-Periode konstant, und beendete die Aus-Periode, wenn der erfaßte Wert des Ladestroms oder des Entladestroms im wesentlichen 0 wurde, aber das dritte Ausführungsbeispiel läßt die Steuerschaltung 71 die verstrichene Zeit überwachen, nach der die Schaltelemente 64a und 64b durch einen Zeitgeber ausgeschaltet werden, und macht auch die Länge der Aus-Periode konstant. Dadurch, daß nicht nur die Länge der Ein-Periode, sondern auch die der Aus-Periode konstant gemacht wird, ist es möglich, die Ein-Periode und die Aus-Periode nur durch den Zeitgeber festzulegen, so daß keine Notwendigkeit besteht, den Strom zu erfassen, so daß die Steuerung der Schaltelemente 64a und 64b vereinfacht werden kann.

Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel können dann, wenn kein Bedarf zum Erfassen von Abnormalitäten in dem Ladestrom oder dem Entladestrom besteht, der Widerstand 66 und der Rest der Konfiguration zum Erfassen des Stroms ebenfalls weggelassen werden.

Viertes Ausführungsbeispiel

Das vierte Ausführungsbeispiel ist in der Grundkonfiguration gleich wie die vorstehenden Ausführungsbeispiele. Der Unterschied liegt darin, daß das Verfahren des Festlegens der Ein-Perioden der Schaltelemente 64a und 64b in der Steuerschaltung 71 zu einem separaten Verfahren des Festlegens gemacht wird. Die Erklärung konzentriert sich auf den Unterschied gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel. 6 zeigt den Betriebszustand verschiedener Teile zur Zeit des Ladens und des Entladens des Piezostapels 4 in der Piezoaktuator-Ansteuerschaltung. Das zweite Ausführungsbeispiel machte die Länge der Ein-Periode konstant, und lies die Aus-Periode enden, wenn der erfaßte Wert des Ladestroms oder des Entladestroms im wesentlichen 0 wurde, aber das vierte Ausführungsbeispiel ist so ausgestaltet, daß die Steuerschaltung 71 von der Ein-Periode zu der Aus-Periode schaltet, wenn der erfaßte Wert des Ladestroms oder des Entladestroms einen Stromgrenzwert erreicht. Ferner ist die Steuerschaltung 71 so ausgestaltet, daß der Stromgrenzwert in Übereinstimmung mit einer Primärfunktion der verstrichenen Zeit seit dem Beginn des Ladens vorgegeben wird. Sie ist so ausgestaltet, daß der Stromgrenzwert in Übereinstimmung mit der verstrichenen Zeit, bis der erfaßte Wert der Piezostapelspannung den Ladeendspannungswert zur Zeit des Ladens erreicht und bis der erfaßte Wert der Piezostapelspannung im wesentlichen null zur Zeit des Entladens wird, festgelegt wird.

Die den Stromgrenzwert vorgebende Funktion ist so ausgestaltet, daß für den Stromgrenzwert ein um so kleinerer Wert vorgegeben wird, je größer der Wert der verstrichenen Zeit ist. Wie in der Figur gezeigt ist, wird der Spitzenstrom langsam verringert. Die dem Stromgrenzwert vorgebende Funktion berücksichtigt auch die Änderung in der Differenz zwischen der Kondensatorspannung und der Piezostapelspannung aufgrund des Fortschreitens des Ladens, prüft im Voraus durch Versuche die Richtungen der Differenz zwischen der Kondensatorspannung und der Piezostapelspannung, die sich zusammen mit der verstrichenen Zeit ändern, und vermeidet eine Oszillation in dem Ladestrom durch Gewährleisten, daß der Stromgrenzwert kleiner als der maximal erreichbare Strom wird, der durch die Differenz zwischen der Kondensatorspannung und der Piezostapelspannung definiert ist. Es wird angemerkt, daß die den Stromgrenzwert zur Zeit des Entladens vorgebende Funktion auf ähnliche Art und Weise zu einer Funktion gemacht ist, die dem Stromgrenzwert einen um so kleineren Wert gibt, je größer der Wert der verstrichenen Zeit ist. Auch zur Zeit des Entladens wird der maximal erreichbare Stromwert des Entladestroms, der durch die Piezostapelspannung definiert wird, für die Einstellung berücksichtigt.

Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, den Betrieb des Ventils 23 durch die Wirkung der langsamen Verringerung des Spitzenstroms zu stabilisieren. Als ein bestimmtes Beispiel der den Stromgrenzwert vorgebenden Funktion kann eine Primärfunktion erwähnt werden, aber die Erfindung ist nicht notwendigerweise auf diese beschränkt. Es ist auch möglich, den Wert in Bezug auf die verstrichene Zeit zu verringern.

Ferner ist es darüber hinaus möglich, eine den Stromgrenzwert vorgebende Funktion in einem Speicher der elektronischen Steuereinheit zu speichern und den Stromgrenzwert aus der elektronischen Steuereinheit über den D/A-Umsetzer in Übereinstimmung mit der verstrichenen Zeit seit dem Beginns des Ladens und dem Beginns des Entladens vorzugeben.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Das fünfte Ausführungsbeispiel ist in der Grundkonfiguration gleich wie die vorstehenden Ausführungsbeispiele. Der Unterschied liegt darin, daß das Verfahren des Festlegens der Ein-Perioden der Schaltelemente 64a und 64b in der Steuerschaltung 71 zu einem separaten Verfahren des Festlegens gemacht wird. Die Erklärung konzentriert sich auf den Punkt des Unterschieds gegenüber dem vierten Ausführungsbeispiel. 7 zeigt den Betriebszustand verschiedener Teile zur Zeit des Ladens und des Entladens des Piezostapels 4 in der Piezoaktuator- Ansteuerschaltung. Das vierte Ausführungsbeispiel verringert langsam den Spitzenstrom durch Speichern einer die Stromgrenzwerte vorgebenden Funktion, aber das fünfte Ausführungsbeispiel ist so ausgestaltet, daß die Steuerschaltung 71 eine Spannungsausgabe entsprechend einer Vielzahl von Stufen für die verstrichene Zeit seit dem Beginn des Ladens und so, daß der Stromgrenzwert um so kleiner wird, je länger die verstrichene Zeit seit dem Start des Ladens ist, oder je länger die verstrichene Zeit seit dem Start des Entladens ist, erzeugt. Alternativ ist es möglich, Stromgrenzwerte in Entsprechung mit der verstrichenen Zeit seit dem Beginn des Ladens oder der verstrichenen zeit seit dem Beginn des Entladens als Tabellen in den Speicher des die elektronische Steuereinheit bildenden Mikrocomputers zu speichern. In dem fünften Ausführungsbeispiel wird der Stromgrenzwert in Übereinstimmung mit der verstrichenen Zeit vorgegeben, während der erfaßte Wert der Piezostapelspannung die Ladeendspannung zur Zeit des Ladens erreicht hat, und während der erfaßte Wert der Piezostapelspannung zur Zeit des Entladens im wesentlichen 0 wird.

Ferner können die vorstehenden Ausführungsbeispiele auch auf einen Kraftstoffinjektor angewandt werden, der mit dem in 8 gezeigten Injektor 1a versehen ist. Die Grundkonfiguration ist dieselbe wie die von 1. Das Ventil 23 hat eine Kugelform, wobei die Unterseite auf dem horizontal geschnittenen Hochdrucksitz 110a sitzt. Die Decke der Ventilkammer 110 ist konisch und bildet den Niederdrucksitz 110b. Ein Niederdruckport 1102 öffnet in den obersten Teil des Niederdrucksitzes 110b. Es ist möglich, den Spitzenstrom langsam zu reduzieren, um den Betrieb des Ventils 23 zu stabilisieren.

Ferner kann, wie in den 1 und 8 gezeigt ist, der Piezoaktuator 1c nicht nur zur Steuerung einer Gegendruck-Steuereinrichtung 1b zum Umschalten von Höhen des Gegendrucks der Düsennadel 21 verwendet werden, sondern kann auch auf einen Piezoaktuator angewandt werden, der die Düsennadel direkt ansteuert. Ferner ist der Piezoaktuator natürlich nicht auf einen Kraftstoffinjektor beschränkt, sondern kann auch auf andere Einrichtungen angewandt werden.

Während die Erfindung unter Bezugnahme auf zu Zwecken der Darstellung gewählte bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist offensichtlich, daß durch den Fachmann zahlreiche Modifikationen an dieser durchgeführt werden können, ohne das Grundkonzept und den Schutzbereich zu verlassen.

Beschrieben wurden eine Piezoaktuator-Ansteuerschaltung, die den Betrieb eines durch einen Piezoaktuator angetriebenen mechanischen stabilisiert, bestehend aus einer Zerhackerschaltung zum Laden und Entladen zwischen einem Piezostapel 4 und einem Kondensator 63, die in einen Piezoaktuator eingebaut sind, durch einen dreieckwellenförmigen Signalverlauf, wodurch ein Strom durch wiederholtes Ein- und Ausschalten von Schaltelementen 64a und 64b zwischen 0 und einem Spitzenstrom alterniert, wobei die Ein-Perioden der Schaltelemente 64a und 64b so festgelegt sind, daß der Spitzenstrom während einer Zeitspanne von dem Beginn des Ladens bis zu dem Ende des Ladens und während einer Zeitspanne von dem Beginn des Entladens bis zu dem Ende des Entladens monoton abnimmt, und so, daß der Spitzenstrom ausgehend von zumindest der Mitte des Ladens und des Entladens langsam abnimmt, und ein diese verwendender Kraftstoffinjektor. Da sich der Strom in nur der Abnahmerichtung kontinuerlich ändert, stabilisiert sich der Betrieb des mechanischen Elements. Ferner wird aufgrund des zusammen mit dem Fortschreiten des Ladens und des Entladens fallenden realisierbaren maximalen Stroms verhindert, daß ein Resonanzoszillationsstrom fließt.


Anspruch[de]
  1. Piezoaktuator-Ansteuerschaltung (5), gekennzeichnet durch

    einen ersten Leitungspfad (5a), der in der Lage ist, einen Piezostapel (4), der an einem Piezoaktuator (1c) bereitgestellt ist, und eine Gleichspannungsversorgung (61) über eine Induktivität (65) zu verbinden,

    einen zweiten Leitungspfad (5a), der in der Lage ist, die Gleichspannungsversorgung (61) kurzzuschließen und den Piezostapel (4) und die Induktivität zu verbinden,

    ein erstes Schaltelement (64a) zum Öffnen und Schließen des ersten Leitungspfads (5a),

    ein zweites Schaltelement (64b) zum Öffnen und Schließen des zweiten Leitungspfads (5b), und

    eine Schaltelement-Steuereinrichtung (71) zum Steuern des ersten Schaltelements (64a) und des zweiten Schaltelements (64b), und zum, zur Zeit des Ladens des Piezostapels, wiederholten Ein- und Ausschalten des ersten Schaltelements (64a), um während der Ein-Periode einen langsam zunehmenden Ladestrom auf den ersten Leitungspfad zu leiten und während der Aus-Periode durch eine Schwungradwirkung einen ausgehend von dem in der Ein-Periode schließlich erreichten Spitzenstrom langsam abnehmenden Ladestrom auf den zweiten Leitungspfad zu leiten, und zur Zeit des Entladens des Piezostapels wiederholten Ein- und Ausschalten des zweiten Schaltelements (64b), um während der Ein-Periode einen langsam zunehmenden Entladestrom auf den zweiten Leitungspfad (5b) zu leiten und während der Aus-Periode durch eine Schwungradwirkung einen ausgehend von dem in der Ein-Periode schließlich erreichten Spitzenstrom langsam abnehmenden Entladestrom auf den zweiten Leitungspfad zu leiten, wobei

    die Schaltelement-Steuereinrichtung (71) als eine Steuereinrichtung zum Festlegen der Ein-Periode des ersten Schaltelements (64a) so, daß der Spitzenstrom über die Ladeperiode des Piezostapels (4) konstant gehalten wird oder abnimmt und zumindest ausgehend von der Mitte der Ladeperiode abnimmt, und Festlegen der Ein-Periode des zweiten Schaltelements so, daß der Spitzenstrom über die Entladeperiode des Piezostapels (4) konstant gehalten wird oder abnimmt und zumindest ausgehend von der Mitte der Entladeperiode abnimmt, ausgelegt ist.
  2. Piezoaktuator-Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelement-Steuereinrichtung (71) so ausgelegt ist, daß eine Länge der Ein-Periode konstant gemacht wird.
  3. Piezoaktuator-Ansteuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelement-Steuereinrichtung (71) so ausgelegt ist, daß eine Länge der Aus-Periode konstant gemacht wird.
  4. Piezoaktuator-Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

    die Schaltung (5) mit einer Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen des Ladestroms und des Entladestroms versehen ist, und die Schaltelement-Steuereinrichtung (71) so ausgelegt ist, daß von der Ein-Periode auf die Aus-Periode geschaltet wird, wenn ein erfaßter Wert des Stroms einen vorbestimmten Stromgrenzwert erreicht und der Stromgrenzwert zusammen mit dem Fortschreiten des Ladens und des Entladens des Piezostapels abnimmt.
  5. Piezoaktuator-Ansteuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromgrenzwert in Übereinstimmung mit einer Funktion abnimmt, die in Bezug auf verstrichene Zeit nach dem Beginn des Ladens und verstrichene Zeit nach dem Beginn des Entladens monoton abnimmt.
  6. Piezoaktuator-Ansteuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromgrenzwert in Bezug auf verstrichene Zeit nach dem Beginn des Ladens des Piezostapels und verstrichene Zeit nach dem Beginn des Entladens schrittweise abnimmt.
  7. Piezoaktuator-Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

    die Schaltung (5) mit einer Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen des Ladestroms und des Entladestroms versehen ist, und

    die Schaltelement-Steuereinrichtung (71) so ausgelegt ist, daß der Spitzenwert für eine bestimmte Zeitspanne nach dem Beginn des Ladens des Piezostapels und eine bestimmte Zeitspanne nach dem Beginn des Entladens konstant wird und dann der Spitzenstrom abnimmt.
  8. Kraftstoffinjektor, gekennzeichnet durch eine Injektorsteuerbetätigung einer Nadel (21) zum Umschalten zwischen einer Einspritzung und einem Unterbrechen von Kraftstoff und eine Piezoaktuator-Ansteuerschaltung (5) zum Ansteuern des Piezoaktuators, wobei die Piezoaktuator-Ansteuerschaltung (5) eine Piezoaktuator-Ansteuerschaltung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ist.
Es folgen 9 Blatt Zeichnungen






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