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    • 专利摘要:
    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.
    公开号:DE102004007391A1
    申请号:DE200410007391
    申请日:2004-02-16
    公开日:2004-09-30
    发明作者:Yasuhiro Nishio Fukagawa；Akikazu Kariya Kojima；Hideo Kariya Naruse
    申请人:Denso Corp；Soken Inc；
    IPC主号:F02M47-00
    专利说明:
    [0001] Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einenPiezoaktuator und einen Kraftstoffinjektor.
    [0002] Ein Piezoaktuator nutzt die piezoelektrische Wirkungvon PZT oder eines anderen piezoelektrischen Materials. Zum Beispielist ein solcher bekannt, der auf einen Kraftstoffinjektor einerBrennkraftmaschine angewandt wird. Bei dem Injektor für die Kraftstoffeinspritzungwird die Betätigungder Nadel zum Umschalten zwischen der Einspritzung von Kraftstoffund dem Anhalten der Einspritzung unter Verwendung des Piezoaktuatorsgesteuert. Der Piezoaktuator hat ein kapazitives Element, das heißt einenPiezostapel, welcher sich ausdehnt, wenn er geladen wird, und sichaus dem ausgedehnten Zustand zusammenzieht, wenn er entladen wird.
    [0003] Die Ansteuerschaltung eines Piezoaktuators hateine Gleichspannungsversorgung, die aus einem Kondensator, der dieLadung zum Laden des Piezostapels speichert, und einem Leitungspfadzum Übertragender Ladung übereinen Induktor bzw. eine Induktivität zwischen der Gleichspannungsversorgungund dem Piezostapel unter Verwendung eines derselben als Versorgungsquellebesteht. Bei Anwendung auf einen Kraftstoffinjektor wird zum Beispielder Piezostapel von der Gleichspannungsversorgung geladen, um dieEinspritzung von Kraftstoff zu beginnen, und wird die Ladung durchdie Gleichspannungsversorgung von dem Piezostapel zu einem vorbestimmtenZeitpunkt wiedergewonnen, um die Kraftstoffeinspritzung anzuhalten.Daher sind währendder Kraftstoffeinspritzung der Piezostapel und die Gleichspannungsversorgungnicht verbunden. In der Vergangenheit wurde beispielsweise bei einemSolenoidsystem, das zum Steuern des Injektorbetriebs verwendet wurde,die Verbindung mit dem Solenoid fortgesetzt, um den erregten Zustand desSolenoids zu halten. Währenddieser Zeit unterscheidet sich die Situation stark von der, in derdie Einspritzung möglichwird.
    [0004] Als Ansteuerschaltung für einenPiezoaktuator gibt es einen Zerhacker- bzw. Choppertyp, welcherdie Ladung kleiner macht.
    [0005] Dieser hat einen ersten Leitungspfad,der in der Lage ist, den Piezostapel und die Gleichspannungswelle über eineInduktivitätzu verbinden, und einen zweiten Leitungspfad, der in der Lage ist,die Gleichspannungsversorgung kurzzuschließen und den Piezostapel unddie Induktivitätzu verbinden. Das Laden und das Entladen werden durch wiederholtesEinschalten und Ausschalten von Schaltelementen, die in der Mitteder Leitungspfade bereitgestellt sind, in feinen Schritten gesteuert.
    [0006] Bei diesem System wird zur Zeit desLadens ein langsam ansteigender Ladestrom während der Ein-Periode einesersten Schaltelements des ersten Leitungspfads durch den erstenLeitungspfad geleitet. Währendder Aus-Periode wird durch die Schwungradwirkung ein langsam abnehmenderLadestrom von der Induktivitätgeleitet. Der Strom wird zu einem dreieckwellenförmigen Signalverlauf, der sichim wesentlichen linear zwischen 0 und dem in der Ein-Periode amEnde erreichten Spitzenstrom wiederholt ändert. Andererseits wird zurZeit des Entladens ein langsam abnehmender Entladestrom während derEin-Periode eines zweiten Schaltelements des zweiten Leitungspfads über denzweiten Leitungspfad geleitet. Währendder Aus-Periode wird aufgrund der Schwungradwirkung ein langsamabnehmender Entladestrom zu der Gleichspannungsversorgung geleitet.Der Strom wird zu einem dreieckwellenförmigen Signalverlauf, der sichim wesentlichen linear zwischen 0 und dem in der Ein-Periode amEnde erreichten Spitzenstrom wiederholt ändert. Während einer dreieckwellenförmigen Wellenformist die Zeit ab dann, wenn das Schaltelement eingeschaltet wird,bis zu der nächstenZeit, zu der es eingeschaltet wird, sehr kurz, so daß davonausgegangen wird, daß indieser sehr kurzen Zeit Strom hinsichtlich des mittleren Stromskontinuierlich fließt.
    [0007] Ein Schaltelement wird zum Beispieldurch Erfassen des Ladestroms und des Entladestroms gesteuert. Wennder Strom einen vorbestimmten Stromgrenzwert in der Ein-Periodedes Schaltelements erreicht, wird zu der Aus-Periode geschaltet. Wenn derStrom etwa 0 wird, wird zu der Ein-Periode geschaltet. Ferner wirddas Laden durch Erfassen der Spannung an Anschlüssen des Piezostapels und Beendendes Ladens durch Anhalten des Ein-/Aus-Betriebs des Schaltelementsdann, wenn der erfaßteWert zu einem vorbestimmten Ladeendspannungswert wird, angehalten.Andererseits wird das Entladen durch Beenden des Entladens dann, wennder erfaßteWert der Spannung an den Anschlüssendes Piezostapels einen vorbestimmten, etwa auf 0 festgelegten Werterreicht, angehalten.
    [0008] Ein Piezostapel expandiert oder kontrahiert miteinem schnellen Ansprechen durch Laden oder Entladen, so daß die Gefahrbesteht, daß derBetrieb des durch den Piezoaktuator angetriebenen mechanischen Elementsinstabil wird. Zum Beispiel besteht die Gefahr, daß das mechanischeElement überschwingtund vibriert bzw. schwingt, oder besteht die Gefahr, daß ein ventilartigesmechanisches Element gegen den Ventilsitz schlägt und verschlissen wird. Dahergibt es ein System, bei dem zur Zeit des Ladens dann, wenn das Ladenzu einem bestimmten Ausmaß fortschreitetund eine Annäherungan die Solllademenge stattfindet, der Ladevorgang einmal angehaltenwird, das heißteine Zeitspanne, in der der Stromwert des Ladens 0 ist, bereitgestelltwird, dann nach einer bestimmten Zeitspanne der Stromwert des Ladenskleiner gehalten wird als zur Zeit des Beginns des Ladens, um biszu auf die Solllademenge aufzuladen (vergleiche die japanische nationale Veröffentlichung(Tokuhyo) Nr.2002-544424). Hiermit werden durch Bereitstellen einerZeitspanne, in der der Stromwert des Ladens 0 ist, bevor das Ladenzu einem Ausmaß fortschreitet,bei dem die Gefahr besteht, das Schwingungen usw. auftreten, undnachfolgendes Unterdrückendes Stromwerts Schwingungen und Verschleiß verhindert.
    [0009] Das durch die Erfindung zu lösende Problem zusammenfassendwird bei dem vorstehenden verwandten Stand der Technik durch Anhaltenund dann Neustarten des Ladens oder des Entladens des Piezostapelseine Schwingung auch dann verbleiben, während das Laden angehaltenist oder das Entladen angehalten ist, in Abhängigkeit von dem Temperaturzustanddes Piezostapels usw., und wird, in Abhängigkeit von dem Zeitpunktdes Neustarts, der Piezostapel zu stark expandieren oder unzureichendkontrahieren und aufgrund der Phasenposition zwischen der Ansteuerfrequenzder Expansion/Kontraktion durch Laden/Entladen des Piezostapelsund der Schwingung (die Phasenposition ändert sich zusammen mit derTemperatur des Piezostapels) instabil angesteuert werden. Die Technologiekann hinsichtlich der Zuverlässigkeitfür etwaswie beispielsweise einen Kraftstoffinjektor, welcher enorm häufig wiederholtKraftstoff einspritzt, nicht als praktisch bezeichnet werden. Fernerwird durch Anhalten des Ladens oder des Entladens Verlustzeit verursacht,und wird das Ansprechen verlangsamt. Daher kann von dem schnellenAnsprechen, einem inhärentenMerkmal eines Aktuators mit eingebautem Piezostapel, kein guterGebrauch gemacht werden.
    [0010] Ferner bildet ein Piezostapel odereine Induktivitäteine LC-Resonanzschaltung. Der maximale Strom, den der Ladestromerreichen kann, ist durch die Differenz zwischen der Spannung anAnschlüssender Gleichspannungsversorgung und der Spannung an Anschlüssen desPiezostapels definiert, währendder maximale Strom, den der Entladestrom erreichen kann, durch dieSpannung an Anschlüssen desPiezostapels definiert ist. Zusammen mit dem Fortschreiten des Ladensoder des Entladens nimmt der erreichbare maximale Strom ab. Daherwird der Ladestrom oder der Entladestrom den definierten Stromwertnicht erreichen und zu Schwingungen am Ende des Ladens oder desEntladens führen,so daß dieGefahr besteht, daß dieExpansion oder die Kontraktion des Piezostapels instabil wird. Infolgedessen wirdder Betrieb des durch den Piezostapel angesteuerten bzw. angetriebenenmechanischen Elements instabil werden.
    [0011] Der Erfindung liegt daher die Aufgabezugrunde, eine zuverlässigePiezoaktuator-Ansteuerschaltung und einen Kraftstoffinjektor zuschaffen, deren Ansprechen nicht verschlechtert ist.
    [0012] In Übereinstimmung mit einem erstenAspekt der Erfindung wird eine Piezoaktuator-Ansteuerschaltung bereitgestellt,gekennzeichnet durch einen ersten Leitungspfad, der in der Lageist, einen Piezostapel, der an einem Piezoaktuator bereitgestelltist, und eine Gleichspannungsversorgung über eine Induktivität zu verbinden,einen zweiten Leitungspfad, der in der Lage ist, die Gleichspannungsversorgung kurzzuschließen undden Piezostapel und die Induktivität zu verbinden, ein erstesSchaltelement zum Öffnenund Schließendes ersten Leitungspfads, ein zweites Schaltelement zum Öffnen undSchließen deszweiten Leitungspfads, ein zweites Schaltelement zum Öffnen undSchließendes zweiten Leitungspfads, und eine Schaltelement-Steuereinrichtungzum 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 einenlangsam zunehmenden Ladestrom auf den ersten Leitungspfad zu leitenund währendder Aus-Periode durch eine Schwungradwirkung einen ausgehend vondem in der Ein-Periode schließlicherreichten Spitzenstrom langsam abnehmenden Ladestrom auf den zweitenLeitungspfad zu leiten, und zur Zeit des Entladens des Piezostapels wiederholtenEin- und Ausschalten des zweiten Schaltelements, um während derEin-Periode einen langsam zunehmenden Entladestrom auf den zweitenLeitungspfad zu leiten und währendder Aus-Periode durch eine Schwungradwirkung einen ausgehend vondem in der Ein-Periode schließlicherreichten Spitzenstrom langsam abnehmenden Entladestrom auf denzweiten Leitungspfad zu leiten, wobei die Schaltelement-Steuereinrichtungals eine Steuereinrichtung zum Festlegen der Ein-Periode des erstenSchaltelements so, daß derSpitzenstrom über dieLadeperiode des Piezostapels konstant gehalten wird oder abnimmtund zumindest ausgehend von der Mitte der Ladeperiode abnimmt, undFestlegen der Ein-Periodedes zweiten Schaltelements so, daß der Spitzenstrom über dieEntladeperiode des Piezostapels konstant gehalten wird oder abnimmtund zumindest ausgehend von der Mitte der Entladeperiode abnimmt,ausgelegt ist.
    [0013] Da der Spitzenstrom in Übereinstimmungmit dem Fortschreiten des Ladens des Piezostapels oder in Übereinstimmungmit dem Fortschreiten des Entladens langsam abnimmt, ist es möglich, Problemedes durch den vibrierenden Piezostapel angetriebenen mechanischenElements usw. zu vermeiden. Hierbei wird das Laden oder das Entladennicht vorübergehendangehalten. Das Laden und das Entladen des Piezostapels schreitetkontinuierlich fort. Daher ist die Antriebskraft auf das mechanischeElement stabil, und kann verhindert werden, daß der Betrieb des mechanischenElements instabil wird.
    [0014] Ferner wird während des Fortschreitens des Ladensauch dann, wenn die Differenz zwischen der Ausgangsspannung derGleichspannungsversorgung und der Spannung an Anschlüssen desPiezostapels klein wird und der maximale Strom, welchen der Ladestromin der Ein-Periode erreichen kann, fällt, da die Ein-Periode des erstenSchaltelements so festgelegt ist, daß der Spitzenstrom ausgehendvon der Mitte der Ladeperiode abnimmt, der zusätzliche Spielraum in Bezugauf den erreichbaren maximalen Stromwert verbessert. Aufgrund dessenwird die Oszillation des Ladestroms verhindert und schreitet das Ladenmit einem dreieckwellenförmigenStromverlauf fort, bis der Ladevorgang beendet ist. Andererseitswird währenddes Fortschreitens des Entladens auch dann, wenn die Spannung anden Anschlüssen desPiezostapels kleiner wird und der maximale Stromwert, welchen derEntladestrom währendder Ein-Periode erreichen kann, fällt, da die Ein-Periode desersten Schaltelements so festgelegt ist, daß der Spitzenstrom ausgehendvon der Mitte der Entladeperiode abnimmt, der zusätzlicheSpielraum in Bezug auf den erreichbaren maximalen Stromwert verbessert.Aufgrund dessen wird die Oszillation des Entladestroms verhindertund schreitet das Entladen mit einem dreieckwellenförmigen Stromsignalverlauf fort,bis der Entladevorgang beendet ist.
    [0015] In Übereinstimmung mit einem zweitenAspekt der Erfindung wird der erste Aspekt der Erfindung bereitgestellt,in dem die Schaltelement-Steuereinrichtung so ausgelegt ist, daß eine Länge der Ein-Periodekonstant gemacht wird.
    [0016] In Übereinstimmung mit dem Fortschreiten desLadens des Piezostapels nimmt die Differenz zwischen der Spannungder Gleichspannungsversorgung, die die Anstiegsrate des Ladestromsin der Ein-Periode bestimmt, und der Spannung an Anschlüssen desPiezostapels ab. Ferner nimmt in Übereinstimmung mit dem Fortschreitendes Entladens die Spannung an Anschlüssen des Piezostapels, diedie Anstiegsrate des Entladestroms in der Ein-Periode bestimmt,ab. Daher nimmt durch Festlegen der Länge der Ein-Periode auf konstantder schließlichin der Ein-Periode erreichte Strom, das heißt der Spitzenstrom, in Übereinstimmungmit dem Fortschreiten des Ladens des Piezostapels oder in Übereinstimmungmit dem Fortschreiten des Entladens desselben langsam ab.
    [0017] Da der Zeitpunkt des Umschaltensder Aus-Periode durch einen Zeitgeber festgelegt werden kann, bestehtkeine Notwendigkeit, den in der Ein-Periode schließlich erreichtenStrom zu überwachen,und wird die Konfiguration einfacher.
    [0018] In Übereinstimmung mit einem drittenAspekt der Erfindung wird der zweite Aspekt der Erfindung bereitgestellt,wobei die Schaltelement-Steuereinrichtung so festgelegt wird, daß eine Länge der Aus-Periodekonstant gemacht wird.
    [0019] Da der Zeitpunkt des Umschaltensder Ein-Periode durch einen Zeitgeber festgelegt werden kann, bestehtkeine Notwendigkeit zum Überwachen desschließlichin der Ein-Periode erreichten Stroms, und wird die Konfigurationeinfacher.
    [0020] In Übereinstimmung mit einem viertenAspekt der Erfindung wird der erste Aspekt der Erfindung bereitgestellt,wobei die Schaltung mit einer Stromerfassungseinrichtung versehenist zum Erfassen des Ladestroms und des Entladestroms, und wirddie Schaltelement-Steuereinrichtung so festgelegt, daß die Ein-Periodezu der Aus-Periode umgeschaltet wird, wenn ein erfaßter Wertdes Stroms einen vorbestimmten Stromgrenzwert erreicht und der Stromgrenzwertzusammen mit dem Fortschreiten des Ladens und des Entladens desPiezostapels abnimmt.
    [0021] Es ist möglich, ein beliebiges Änderungsmusterdes Spitzenstroms durch Festlegen des Stromgrenzwerts festzulegen.Es ist ebenfalls möglich,das Laden und das Entladen in Übereinstimmungmit den Spezifikationen des durch den Piezoaktuator angetriebenenmechanischen Elements usw. leicht zu optimieren.
    [0022] In diesem Fall ist es, wie in demersten Aspekt der Erfindung erklärtwurde, möglich,den Stromgrenzwert in Übereinstimmungmit einer Funktion abnehmen zu lassen, die in Bezug auf verstricheneZeit nach dem Beginn des Ladens des Piezostapels und verstricheneZeit nach dem Beginn des Entladens monoton abnimmt. Ferner ist es,wie in dem sechsten Aspekt der Erfindung, möglich, den Stromgrenzwert inBezug auf verstrichene Zeit nach dem Beginn des Ladens des Piezostapelsund verstrichene Zeit nach dem Beginn des Entladens schrittweiseabnehmen zu lassen.
    [0023] In Übereinstimmung mit einem siebtenAspekt der Erfindung werden die ersten bis sechsten Aspekte derErfindung bereitgestellt, wobei die Schaltung mit einer Stromerfassungseinrichtungzum Erfassen des Ladestroms und des Entladestroms versehen ist,und die Schaltelement-Steuereinrichtung so festgelegt wird, daß der Spitzenwertfür eine bestimmteZeitspanne nach dem Beginn des Ladens des Piezostapels und einebestimmte Periode nach dem Beginn des Entladens konstant wird, unddann der Spitzenstrom abnimmt.
    [0024] Durch Bereitstellen einer Zeitspanne,in der der Spitzenstrom konstant wird, in der Zeitspanne genau nachdem Beginn des Ladens und der Zeitspanne genau nach dem Beginn desEntladens kann das Laden und das Entladen effizient durchgeführt werden,und kann das Anspreche des Piezoaktuators verbessert werden.
    [0025] In Übereinstimmung mit einem achtenAspekt der Erfindung wird ein Kraftstoffinjektor bereitgestellt,gekennzeichnet durch eine injektorsteuernde Betätigung einer Nadel zum Umschaltenzwischen dem Einspritzen von Kraftstoff und Anhalten der Einspritzung,und eine Piezoaktuator-Ansteuerschaltung zum Ansteuern des Piezoaktuators,und dadurch; daß ermit einer Piezoaktuator-Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis7 als Piezoaktuator-Ansteuerschaltung versehen ist.
    [0026] Da die Betätigung der Nadel oder einesanderen mechanischen Elements, das durch den Piezoaktuator angetriebenwird, stabil wird, wird die Steuerung der Einspritzrate bei derKraftstoffeinspritzung oder die Genauigkeit der Einstellung verbessert.
    [0027] Diese und andere Ziele und Merkmaleder Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugtenAusführungsbeispieleunter Bezugnahme auf die beigefügtenZeichnungen klarer ersichtlich. Es zeigen:
    [0028] 1 eineAnsicht eines Querschnitts hauptsächlich eines Injektors einesKraftstoffinjektors gemäß einemersten Ausführungsbeispiel,auf welches die Erfindung angewandt ist;
    [0029] 2 eineAnsicht der Konfiguration einer Piezoaktuator-Ansteuerschaltung, die Teil des Kraftstoffinjektorsbildet und einen Piezoaktuator des Injektors ansteuert;
    [0030] 3 einZeitverlaufsdiagramm, das Betriebszustände verschiedener Teile zurZeit des Ladens und des Entladens eines in den Piezoaktuator eingebautenPiezostapels in der Piezoaktuator-Ansteuerschaltung zeigt;
    [0031] 4 einZeitverlaufsdiagramm, das Betriebszustände verschiedener Teile zurZeit des Ladens und des Entladens eines in den Piezoaktuator eingebautenPiezostapels in einer Teil eines Kraftstoffinjektors bildenden undeinen Piezoaktuator des Injektors ansteuernden Piezoaktuator-Ansteuerschaltung gemäß einemzweiten Ausführungsbeispiel,auf welches die Erfindung angewandt ist, zeigt;
    [0032] 5 einZeitverlaufsdiagramm, das Betriebszustände verschiedener Teile zurZeit des Ladens und des Entladens eines in den Piezoaktuator eingebautenPiezostapels in einer Teil eines Kraftstoffinjektors bildenden undeinen Piezoaktuator des Injektors ansteuernden Piezoaktuator-Ansteuerschaltunggemäß einemdritten Ausführungsbeispiel, aufwelches die Erfindung angewandt ist, zeigt;
    [0033] 6 einZeitverlaufsdiagramm, das Betriebszustände verschiedener Teile zurZeit des Ladens und des Entladens eines in den Piezoaktuator eingebautenPiezostapels in einer Teil eines Kraftstoffinjektors bildenden undeinen Piezoaktuator des Injektors ansteuernden Piezoaktuator-Ansteuerschaltunggemäß einemvierten Ausführungsbeispiel, aufwelches die Erfindung angewandt ist, zeigt;
    [0034] 7 einZeitverlaufsdiagramm, das Betriebszustände verschiedener Teile zurZeit des Ladens und des Entladens eines in den Piezoaktuator eingebautenPiezostapels in einer Teil eines Kraftstoffinjektors bildenden undeinen Piezoaktuator des Injektors ansteuernden Piezoaktuator-Ansteuerschaltunggemäß einemfünftenAusführungsbeispiel,auf welches die Erfindung angewandt ist, zeigt;
    [0035] 8 eineAnsicht eines Querschnitts von hauptsächlich einem Injektor nacheiner Modifikation des Kraftstoffinjektors, auf welchen die Erfindungangewandt ist; und
    [0036] 9 einZeitverlaufsdiagramm zum Erklärendes Problems des Standes der Technik.
    [0037] Nachstehend wird ein erstes Ausführungsbeispielder Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt. 1 zeigt die Konfiguration vonHauptteilen eines Kraftstoffinjektors, zentriert auf den Querschnittdes Injektors. Sie zeigt eine Piezoaktuator-Ansteuerschaltung, dieeinen in einem Injektor eingebauten Piezoaktuator ansteuert.
    [0038] Der Injektor 1 hat einenstabförmigenKörper 10,mit welchem eine Vielzahl von Elementen verbunden sind. Bei Anbringungan einem Motor ist er zum Beispiel so befestigt, daß er durcheine nicht dargestellte Wand einer Verbrennungskammer hindurch verläuft undan seinem unteren Ende in 1 indie Verbrennungskammer ragt. Der Injektor 1 besteht, ausgehendvon dem unteren Ende, aus einem Injektor 1a, einer Gegendruck-Steuereinrichtung 1b, undeinem Piezoaktuator 1c.
    [0039] Der Injektor 1a weist eineDüsennadel 21 auf,die in einer Düse 104 angeordnetist, die an ihrem vorderen Ende mit einem Einspritzport 103 ausgestaltetist. Ein Basisende 211 der Nadeldüse 21 wird verschieblichin einer in der Wandung der Düse 104 ausgebildetenFührungsbohrung 121 gehalten. DieDüsennadel 21 bewegtsich in der Bohrungsrichtung der Führungsbohrung 121 axialso, daß dasvordere Ende 212 der Düsennadel 21 aufeinem ringförmigenSitz 1041 sitzt oder sich von diesem löst. Der äußere Umgebungsraum 105 andem vorderen Ende 212 der Düsennadel wird über einenHochdruckkanal 101 mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoffversorgt. Kraftstoff wird aus dem Einspritzport 103 eingespritzt,wenn die Düsennadel 21 angehobenwird. Die Düsennadel 21 wirdan ihrer ringförmigenStufenfläche 21a durchden Kraftstoffdruck aus dem Hochdruckkanal 101 in die Abheberichtung(in der Figur die Richtung nach oben) betätigt. Der Hochdruckkanal 101 istzum Beispiel mit einer gemeinsamen Kraftstoffleitung (common rail)verbunden und wird gleichbleibend mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoffversorgt.
    [0040] Hinter der Düsennadel 21 ist eineGegendruckkammer 106 ausgebildet, in welcher Kraftstoff, derals Steuerflüssigkeitdient, aus den Hochdruckkanal 101 über die Öffnung 10 eingeleitetwird, und welche einen Gegendruck der Düsennadel 21 erzeugt. DerGegendruck wirkt in Verbindung mit einer in der Gegendruckkammer 106 angeordnetenFeder 31 auf eine rückseitigeFläche 21b derDüsennadel 21 ineiner Sitzrichtung (in der Figur nach unten). Die rückseitigeFläche 21b derDüsennadelsteht ferner elastisch in Kontakt mit der Feder 31 in derGegendruckkammer 106 und wird durch die Federkraft in der Sitzrichtungder Düsennadel 21 beaufschlagt.
    [0041] Der Gegendruck der Düsennadel 21 wird durchdie Gegendruck-Steuereinrichtung 1b langsam verringert.Die Gegendruck-Steuereinrichtung 1b wirddurch den Piezoaktuator 1c gesteuert.
    [0042] Die Gegendruck-Steuereinrichtung 1b hat denfolgenden Aufbau. Die Gegendruckkammer 106 steht über eineAußenöffnung 108 ständig miteiner Ventilkammer 110 in Verbindung. Die Ventilkammer 110 bestehtteilweise aus einer vertikalen Bohrung mit einer Vielzahl von imInneren des Injektors 1 in der Längenrichtung ausgebildetenStufen. Die vertikale Bohrung ist zusätzlich zu der Ventilkammer 110 miteinem Hochdruckport 1101, einer Führungsbohrung 122 undeiner Federkammer 109 unterhalb der Ventilkammer 110 indieser Reihenfolge versehen, und ist mit einem Niederdruckport 1102,einer Führungsbohrung 123 undeiner Piezostapelkammer 112 oberhalb der Ventilkammer 110 indieser Reihenfolge versehen.
    [0043] Der Hochdruckport 1101 öffnet ander Unterseite der Ventilkammer 110 und steht mit dem Hochdruckkanal 101 inVerbindung. Der Hochdruckport 1101 befindet sich am oberenEnde der spätererklärtenFührungsbohrung 122.Der Niederdruckport 1102 öffnet an der Decke der Ventilkammer 110 undsteht mit dem Niederdruckkanal 102 in Verbindung. Ferner stehtdie Federkammer 109 mit dem Niederdruckkanal 102 inVerbindung.
    [0044] Die Ventilkammer 110 weisteinen in ihr angeordneten, im wesentlichen kreisförmigen Körper 231 desVentils 23 auf. Der Ventilkörper 231 kann sichin der Ventilkammer 110 nach oben und nach unten bewegen,wobei der untere Kolben 232 ver schieblich in der Führungsbohrung 122 gehalten wird.Das Ventil 23 ist ferner mit einer Verengung 233 zwischendem Körper 231 unddem Kolben 232, positioniert an dem Hochdruckport 1101,ausgebildet. Kraftstoff aus dem Hochdruckkanal 101 wirdin den Hochdruckport 1101 eingeleitet. Wenn das Ventil 23 absteigt,wird das untere Ende des Körpers 231 auf denhochdruckseitigen Sitz 110a gesetzt, um den Hochdruckport 1101 zuschließen,wodurch die Ventilkammer 110 von dem Hochdruckkanal 101 getrenntwird. Ferner steht die Gegendruckkammer 106 über dieAußenöffnung 108 unddie Ventilkammer 110 mit dem Niederdruckkanal 102 inVerbindung. Augrund dessen fälltder Gegendruck der Düsennadel 21,und löstsich die Düsennadel 21 vondem Sitz. Andererseits sitzt dann, wenn sich das Ventil 23 hebt, dasobere Ende des Körpers 231 aufden 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 inVerbindung. Aufgrund dessen steigt der Gegendruck der Düsennadel 21 an, undsitzt die Düsennadel 21 aufdem Sitz auf.
    [0045] Das Ventil 23 wird von derFeder 32, die in der Federkammer 109 angeordnetist, elastisch kontaktiert, welches das Ventil 23 nachoben vorspannt. Die Federkraft der Feder 32 ist so festgelegt,daß es demVentil 23 möglichwird, den Niederdruckport 1102 auch dann zu schließen, wennder Druck der gemeinsamen Kraftstoffleitung nicht ausreichend ansteigt.Dies dient dazu, zu verhindern, daß Kraftstoff irrtümlich ineinem Zustand eingespritzt wird, in dem der Hochdruckkanal 101 nochnicht ausreichend mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff versorgt wird.
    [0046] Das Ventil 23 wird durchden Piezoaktuator 1c überden spätererklärtenKolben 24 mit kleinem Durchmesser, die Verschiebungsexpansionskammer 111 undden Kolben 25 mit großemDurchmesser verschoben.
    [0047] Der Piezoaktuator 1c isteine Struktur, die in einer Piezostapelkammer 112 untergebrachtist und aus einem Piezostapel 4 besteht, der durch Halteelementean den beiden Seiten in der Stapelrichtung gehalten wird.
    [0048] Der Piezostapel 4 hat allgemeineine Kondensatorstruktur, bestehend aus PZT oder anderen piezoelektrischenKeramikschichten und Elektrodenschichten, die abwechselnd gestapeltsind, und ist in der Piezostapelkammer 122 so untergebracht,daß seineStapelrichtung, das heißtseine Expansions-/Kontraktions-Richtung, zu der vertikalen Richtungwird.
    [0049] Die Führungsbohrung 123 hateinen untern Teil 1231, welcher einen kleinen Durchmesserhat, und einen oberen Teil 1232, welcher einen großen Durchmesserhat. Zwei Kolben 24 und 25 mit verschiedenen Durchmessernwerden in diesen verschieblich gehalten. Der in dem Teil 1231 mitkleinem Durchmesser der Führungsbohrunggehaltene Kolben 24 (nachstehend geeignet als "Kleindurchmesserkolben" bezeichnet) kannan 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 desKleindurchmesserkolbens 24 ist mit einem flanschförmigen Federsitz 243 versehenund wird durch eine Feder 33, die um die Außenseitedes Kleindurchmesserkolbens 24 über dem Federsitz 243 bereitgestelltist, nach unten vorgespannt. Aufgrund dessen wird der Kontakt mit demVentil 23 verbessert.
    [0050] Der an dem Teil 1232 mirgroßemDurchmesser der Führungsbohrung 123 gehalteneKolben 25 (nachstehend geeignet als der "Großdurchmesserkolben" bezeichnet) wirdin seinem Kontakt mit dem Piezostapel 4 durch die Federkrafteiner Feder 34 verbessert, die elastisch die untere Endfläche kontaktiertund den Piezostapel 4 mit einer gleichbleibenden Anfangslastbeaufschlagt.
    [0051] Der durch den Großdurchmesserkolben 25 undden Kleindurchmesserkolben 24, die sich in der vertikalenRichtung um exakt dieselben Ausmaße wie die Expansion/Kontraktiondes Piezostapels 4 verschieben, definierte Raum und dieFührungsbohrung 123 sindmit Kraftstoff gefülltund bilden eine Hydraulikkammer 111. Wenn der Piezostapel 4 expandiertund gegen den Großdurchmesserkolben 25 drückt, wirddie Druckkraft überden Kraftstoff der Hydraulikkammer 111 auf den Kleindurchmesserkolben 24 übertragen.Hierbei ist der das Ventil 23 kontaktierende Kleindurchmesserkolben 24 inseinem Durchmesser kleiner als der Großdurchmesserkolben 25, sodaß dasAusmaß derExpansion des Piezostapels 4 erhöht und in eine Verschiebungdes Kleindurchmesserkolbens 24 umgewandelt wird (nachstehend geeignetals "Verschiebungsvergrößerungskammer" bezeichnet). DieVerschiebungsvergrößerungskammer 111 ist über einnicht gezeigtes Prüfventilmit dem Niederdruckkanal 102 verbunden, so daß sie zu allenZeiten mit ausreichend Kraftstoff gefüllt ist. Das Prüfventilist mit der Richtung von dem Niederdruckkanal 102 hin zuder Verschiebungsvergrößerungskammer 111 alsder Vorwärtsrichtungbereitgestellt. Wenn der Großdurchmesserkolben 25 durchdie Ausdehnung des Piezostapels 4 verschoben wird, wirddas Ventil geschlossen, und wird Kraftstoff in der Verschiebungsvergrößerungskammer 111 eingeschlossen.
    [0052] Der Injektor 1 ist auf dieseArt und Weise konfiguriert. Zur Zeit des Beginns einer Kraftstoffeinspritzungwird zunächstder Piezostapel 4 auf die vorbestimmte Ladung aufgeladen,und dehnt sich der Piezostapel 4 aus, wodurch der Druckstift 242 des Kleindurchmesserkolbens 24 absteigtund das Ventil 23 nach unten drückt. Aufgrund dessen löst sichdas Ventil 23 von dem niederdruckseitigen Sitz 110 und sitztauf den hochdruckseitigem Sitz 110a auf. Infolgedessenfällt derKraftstoffdruck der Ventilkammer 110, und fällt auchder Druck in der Gegendruckkammer 106, wodurch sich dieDüsennadel 21 vondem Sitz löstund die Kraftstoffeinspritzung begonnen wird.
    [0053] Die Einspritzung wird durch demgegenüber Entladendes Piezostapels 4, um zu bewirken, daß sich der Piezostapel 4 zusammenziehtund die gegen das Ventil 23 drückende Kraft zurück nimmt,angehalten. Aufgrund dessen werden die Wirkung des Drucks des Kraftstoffhohen Drucks des Hochdruckports 1101, der nach oben aufdas Ventil 23 wirkt, und die Federkraft der Feder 32 dominant,woraufhin sich das Ventil 23 von dem hochdruckseitigemSitz 110a löstund erneut auf den niederdruckseitigen Sitz 110b aufsitzt.Infolgedessen steigt der Kraftstoffdruck der Ventilkammer 110 an,steigt auch der Druck in der Gegendruckkammer 106 an, undsetzt sich die Düsennadel 21,woraufhin die Einspritzung angehalten wird. Daher wird durch Festlegender Ladedauer des Piezostapels 4 Kraftstoff aus dem Injektor 1 für eine gewisseZeitspanne entsprechend der Ladedauer eingespritzt.
    [0054] Als Nächstes wird die Piezoaktuator-Ansteuerschaltung 5 zumLaden und Entladen des Piezostapels 4 unter Bezugnahmeauf 2 erklärt. DiePiezoaktuator-Ansteuerschaltung 5 weist einen Gleichsignal-Gleichsignal-Konverter 62,der eine Gleichspannung von mehreren 10 bis mehreren 100 Volt durchSpeisung aus einer Batterie 61 des Autos erzeugt, und einenKondensator 63, der parallel zu dem Ausgangsende verschaltetist und die Spannung zum Laden und Entladen des Piezostapels 4 ausgibt,auf. Der Gleichsignal-Gleichsignal-Konverter 62 kann zumBeispiel eine nach dem allgemeinen Booster-Chopper-Prinzip arbeitendeSchaltung verwenden. Der Kondensator 23 besteht aus einemsolchen mit einer ausreichend großen elektrostatischen Kapazität (mehrere100μF) undhält eineim wesentlichen konstante Spannung während des Ladens und Entladensdes Piezostapels 4.
    [0055] Ein erster Leitungspfad 5a zumVerbinden des Kondensators 63 und des Piezostapels 4 über eineInduktivität 65 istbereitgestellt. In der Mitte des Leitungspfads 5a ist eineerstes Schaltelement 64a seriell zwischen dem Kondensator 63 undder Induktivität 65 bereitgestellt.Das Schaltelement 64a besteht zum Beispiel aus einem MOSFETund ist so verschaltet, daß dieSpannung an den Anschlüssen desKondensators 63 (nachstehend geeignet als die "Kondensatorspannung" bezeichnet) zu einerinversen Vorspannung in Bezug auf seine parasitäre Diode (nachstehend geeignetals die "erste parasitäre Diode" bezeichnet) 641a wird.
    [0056] Ein zweiter Leitungspfad 5b zumVerbinden der Induktivität 65 unddes Piezostapels 4 durch Kurzschließen des Kondensators 63 istbereitgestellt. In der Mitte des Leitungspfads 5b ist einzweites Schaltelement 64b bereitgestellt. Das Schaltelement 64b bestehtzum Beispiel aus einem MOSFET und ist so verschaltet, daß die Spannungan dem Kondensator zu einer inversen Vorspannung in Bezug auf seine parasitäre Diode(nachstehend geeignet als die "zweiteparasitäreDiode" bezeichnet) 641b wird.
    [0057] Die Schaltelemente 64a und 64b sindso ausgestaltet, das sie durch Steuersignale, die von der als dieSchaltelement-Steuereinrichtung dienenden Steuerschaltung 71 ausgegebenenSteuersignale einschalten und ausschalten und den Piezostapel 4 ladenund entladen.
    [0058] In der Mitte der Leitungspfade 5a und 5b ist einWiderstand 66 seriell mit dem Piezostapel 4 bereitgestellt.Dieser verursacht einen Spannungsabfall entsprechend dem in denund aus dem Piezostapel 4 fließenden Strom. Das Ergebniswird als das Stromerfassungssignal der Steuerschaltung 71 zugeführt.
    [0059] Ferner wird die Spannung an den Anschlüssen desPiezostapels 4 (nachstehend geeignet als die "Piezostapelspannung" bezeichnet) an einer Spannungsüberwachungsschaltung 72 geteiltund dann der Steuerschaltung 71 über eine Signalverlauf-Verarbeitungsschaltung 73 zugeführt. DiePiezostapelspannung wird von der Steuerschaltung 71 mitgeteilt.
    [0060] Die Steuerschaltung 71 bestehtaus einer Logikverarbeitungsschaltung usw. und gibt Steuersignalean die Schaltelemente 64a und 64b auf der Grundlagedes Ansteuersignals von einer nicht gezeigten elektronischen Steuereinheit(ECU), des erfaßtenWerts des durch die Leitungspfade 5a und 5b fließenden Stromsoder des erfaßtenWerts der Piezostapelspannung aus.
    [0061] Die Ansteuersignale definieren denZeitpunkt des Ladebeginns und den Zeitpunkt des Entladebeginns desPiezostapels 4 und sind binäre Signale, die aus dem L-Pegel "0" und dem H-Pegel "1" bestehen.Der Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge werden im wesentlichendurch den Ausgabezeitpunkt des Ansteuersignals und die Länge derAusgabezeit definiert.
    [0062] 3 zeigtden Betriebszustand der Piezoaktuator-Ansteuerschaltung 5.Die Einstellungen der Steuerschaltung 71 und der Betriebsablaufdes Kraftstoffinjektors einschließlich der Piezoaktuator-Ansteuerschaltung 5 werdenunter Verwendung derselben erklärt.Wenn das Ansteuersignal "1" wird, legt die Steuerschaltung 71 dieEin-Periode und die Aus-Periode des ersten Schaltelements 64a wiefolgt fest und gibt das Steuersignal an das erste Schaltelement 64a aus.Das heißt,sie schaltet das erste Schaltelement 64a ein und leitetunter Verwendung des Kondensators 63 als Versorgungsquelleeinen langsam ansteigenden Ladestrom auf den ersten Leitungspfad 5a.Wenn der erfaßteWert den voreingestellten Stromgrenzwert erreicht, schaltet siedas erste Schaltelement 64a aus und schaltet auf die Aus-Periodeum. Zu dieser Zeit wird der zweite Leitungspfad 5b, derdurch die zweite parasitäreDiode 641b verläuft,aufgrund der in der Induktivität 65 gespeichertenelektromagnetischen Energie mit einem Ladestrom versorgt, der ausgehendvon dem in der Ein-Periode schließlich erreichten Spitzenstromlangsam abnimmt. Wenn der erfaßteWert den im voraus auf etwa 0 festgelegten Schwellenwert erreicht, schaltetsie das erste Schaltelement 64a ein und schaltet auf dieEin-Periode um. Dies wird wiederholt. Der Ladestrom ist der Strom,der durch die LC-Resonanzschaltung mit einschließlich der Induktivität 65 unddem Piezostapel 4 fließt,aber die Längeder Ein-Periode ist kürzerals die Zeitkonstante der LC-Resonanzschaltung. Wie in der Darstellunggezeigt ist, ändertsich der Ladestrom im wesentlichen linear und resultiert in einerWellenform, die als eine Dreieckwelle betrachtet wird, wie in derDarstellung gezeigt ist. Daher wird der mittlere Strom zu 1/2 des durchden Stromgrenzwert bestimmten Spitzenstroms.
    [0063] Durch wiederholtes Ein- und Ausschalten desersten Schaltelements 64a schreitet das Laden des Piezostapels 4 fort,und steigt die Spannung des Piezostapels an. Zusammen mit dem Anstiegder Piezostapelspannung dehnt sich der Piezostapel 4 aus.Die Steuerschaltung 71 vergleicht die Piezostapelspannungmit einem voreingestellten Ladeendspannungswert und beurteilt, obder Zeitpunkt zum Beenden des Ladens gekommen ist.
    [0064] Wenn eine bestimmte Zeitspanne seitdem Beginn des Ladens des Piezostapels 4 verstreicht unddas Laden bis zu einem bestimmten Ausmaß fortschreitet, wird anstelledes Festlegens der Ein-Zeit des ersten Schaltelements 64a dieEin-Periode wie folgt festgelegt. Es wird angemerkt, daß der Zeitpunktzum Änderndes Verfahrens des Festlegens der Ein-Periode durch Überwachendes Verstreichens einer voreingestellten vorbestimmten Zeit seitdem Beginn des Ladens mittels einem Zeitgeber beurteilt werden kann,oder dadurch beurteilt werden kann, daß die Piezostapelspannung einenvorbestimmten Wert erreicht, der niedriger als der voreingestellteLadeentspannungswert festgelegt ist.
    [0065] Währendder Ein-Periode des ersten Schaltelements 64a nach dem Ändern desVerfahrens des Festlegens der Ein-Periode wird die Zeit, die verstrichenist, seit das Schaltelement 64a eingeschaltet wurde, durcheinen Zeitgeber überwacht.Wenn die voreingestellte vorbestimmte Zeit verstreicht, wird daserste Schaltelement 64a ausgeschaltet, um den Vorgang zubeenden, und wird auf die Aus-Periode geschaltet. Es wird angemerkt,daß dieAus-Periode vor und nach dem Änderndes Verfahrens des Einstellens der Ein-Periode gleich festgelegtwird.
    [0066] Ferner wird dann, wenn der erfaßte Wertder Piezostapelspannung den Ladeendspannungswert erreicht, das ersteSchaltelement 64a auf den Aus-Zustand festgelegt, und wirddas Laden des Piezostapels 4 beendet. Es wird angemerkt,daß dann, wenn derLadestrom zu der Zeit fließt,wenn das erste Schaltelement 64a auf den Aus-Zustand festgelegt wird,Energie in der Induktivität 65 gespeichertwird. Da die Menge der gespeicherten Energie sich in einen Ladefehlerumwandeln wird, sollte diese Menge im Voraus berücksichtigt und der Ladeendspannungswertetwas kleiner als die Sollladespannung festgelegt werden.
    [0067] Wie vorstehend erklärt wurde,dehnt sich der Piezostapel 4 aus, um das Ventil 23 nachunten zu drücken,woraufhin sich die Düsennadel 21 vondem Sitz löstund die Kraftstoffeinspritzung begonnen wird.
    [0068] Als Nächstes werden dann, wenn dasAnsteuersignal "0" wird, die Ein-Periodeund die Aus-Periode des zweiten Schaltelements 64d wie folgtfestgelegt, und wird ein Steuersignal an das zweite Schaltelement 64d ausgegeben,um zu bewirken, daß sichder Piezostapel 4 entlädt.Das heißt, daszweite Schaltelement 64d wird eingeschaltet, und ein leichtansteigender Entladestrom wird auf den zweiten Leitungspfad 64b geleitet.Wenn der erfaßteWert den voreingestellten Stromgrenzwert erreicht, wird das zweiteSchaltelement 64d ausgeschaltet, und wird auf die Aus-Periodegeschaltet. Eine gegenelektromotorische Kraft wird an der Induktivität 65 erzeugt,und ein Entladestrom, der von dem in der Ein-Periode schließlich erreichtenSpitzenwert ausgehend langsam abnimmt, fließt aufgrund der Schwungradwirkungin den ersten Leitungspfad 5a. Wenn dieser erfaßte Werteinen im Voraus auf etwa 0 festgelegten Schwellenwert erreicht,wird das zweite Schaltelement 64d eingeschaltet, und wirdauf die Ein-Periode geschaltet. Dies wird wiederholt. Dieser Entladestromwird zu einer Wellenform, die als eine Dreieckswelle betrachtetwird, auf dieselbe Art und Weise wie in dem Fall des Ladens.
    [0069] Durch wiederholtes Ein- und Ausschalten deszweiten Schaltelements 64d schreitet das Entladen des Piezostapels 4 fort,fällt diePiezostapelspannung, und wird die in dem Piezosta pel 4 gespeicherte Energiean dem Kondensator 63 wiedergewonnen.
    [0070] Wenn eine bestimmte Zeit seit demBeginn des Entladens des Piezostapels 4 verstrichen und dasEntladen zu einem bestimmten Ausmaß fortgeschritten ist, wirdanstelle des Festlegens der Ein-Periode des zweiten Schaltelements 64 biszu dieser Zeit die Ein-Periode wie folgt festgelegt. Es wird angemerkt,daß derZeitpunkt zum Änderndes Verfahrens des Einstellens der Ein-Periode durch Überprüfen mittelseinem Zeitgeber, daß einevorbestimmte Zeit seit dem Beginn des Entladens verstrichen ist, beurteiltwerden kann, wie bei der Zeit des Ladens, oder durch das Fallender Piezostapelspannung auf einen im Voraus höher als 0 festgelegten vorbestimmtenWert beurteilt werden kann.
    [0071] Währendder Ein-Periode des zweiten Schaltelements 64b nach demUmschalten der Ein-Periode wird die verstrichene Zeit seit dem Einschalten deszweiten Schaltelements 64b, durch einen Zeitgeber gezählt. Wenneine voreingestellte vorbestimmte Zeit verstreicht, wird das zweiteSchaltelement 64b ausgeschaltet, um den Vorgang zu beenden,und wird auf die Aus-Periode geschaltet. Es wird angemerkt, daß die Aus-Periodevor und nach dem Änderndes Verfahrens des Einstellens der Ein-Periode gleich festgelegtwird.
    [0072] Ferner wird dann, wenn der erfaßte Wertder Piezostapelspannung den im Voraus auf etwa 0 festgelegten Entladeendspannungswerterreicht, das zweite Schaltelement 64d auf den Aus-Zustand festgelegt,und wird das Entladen des Piezostapels 4 beendet.
    [0073] Wie vorstehend erklärt wurde,zieht sich der Piezostapel 4 zusammen, um das Ventil 23 anzuheben,woraufhin die Düsennadel 21 erneutauf den Sitz aufsitzt und die Kraftstoffeinspritzung begonnen wird.
    [0074] Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispielist der Spitzenstrom füreine bestimmte Zeitspanne nach dem Beginn des Ladens oder eine bestimmteZeitspanne nach dem Beginn des Entladens konstant, und nimmt dazwischenlangsam ab. Daher schreitet bis hin zu dem Mittenzustand das Laden oderdas Entladen effizient fort, so daß sich der Piezostapel 4 miteinem schnellen Ansprechen zur Zeit des Ladens ausdehnt und miteinem schnellen Ansprechen zur Zeit des Entladens zusammenzieht. Fernerwird ausgehend von der Mitte, in der das Verfahren zum Festlegender Ein-Periode geändertwird, das Laden oder das Entladen sanft durchgeführt. Aufgrund dessen wird eingutes Ansprechen sichergestellt, während es möglich ist, Probleme, wie beispielsweiseein Vibrieren bzw. Schwingen des Ventils 23, das als dasdurch den Piezoaktuator 1c angesteuerte mechanische Elementdient, aufgrund eines schnellen Fortschreitens des Ladens oder desEntladens zu vermeiden. Hierbei wird das Laden oder das Entladennicht einmal angehalten, sondern das Laden oder das Entladen desPiezostapels 4 schreitet gleichbleibend fort, so daß das Ansprechenbesser ist. Ferner wirkt durch das gleichbleibende Fortschreitendes Ladens oder des Entladens des Piezostapels 4 Kraftin der die Expansion behindernden Richtung nicht leicht zu der Zeitder Expansion des Piezostapels 4, und wirkt Kraft in derdie Kontraktion behindernden Richtung nicht leicht zu der Zeit der Kontraktiondes Piezostapels 4, das heißt, daß die Antriebskraft, die durchden Piezoaktuator 1c erzeugt wird, stabilisiert wird. Aufgrunddessen ist es möglich, besserzu verhindern, daß derBetrieb des Ventils 23 instabil wird.
    [0075] Ferner ist, wie vorstehend erklärt wurde,eine LC-Resonanzschaltung einschließlich der Induktivität 65 unddes Piezostapels 4 ausgebildet. Der maximale Strom, welchender Ladestrom erreichen kann, ist durch die Differenz zwischen derKondensatorspannung und der Piezostapelspannung definiert, so daß der realisierbaremaximale Strom in Verbindung mit dem Fortschreiten des Ladens desPiezostapels 4 kleiner wird. Ferner ist der maximale Strom,welchen der Entladestrom er reichen kann, durch die Piezostapelspannungdefiniert, so daß derrealisierbare maximale Strom in Verbindung mit dem Fortschreitendes Entladens des Piezostapels 4 kleiner wird. Daher ändert sichdann, wenn die Ein-Perioden der Schaltelemente 64a und 64b zulang werden, wie in 9 gezeigtist, wenn das Laden oder das Entladen zu einem bestimmten Ausmaß fortschreitet,die Stromwellenform von einer Dreieckswelle zu einer oszillierendenWellenform. Durch Bewirken, daß derSpitzenstrom zusammen mit dem Fortschreiten des Ladens oder desEntladens des Piezostapels abnimmt, wie in dem vorliegendem Ausführungsbeispiel,ist es möglich,beide Erfordernisse des Erhaltens eines Spitzenstroms zu erfüllen, derausreichend ist zum Gewährleistendes Ansprechens und Gewährleisteneines zusätzlichenSpielraums in Bezug auf den realisierbaren maximalen Strom. Aufgrunddessen wird das Ansprechen gewährleistet,und wird eine betriebliche Instabilität des Ventils 23 vermieden.Es wird angemerkt, daß dergeeignete Stromgrenzwert oder die vorbestimmte Zeit der Länge derEin-Periode im Voraus durch Versuche usw. optimiert werden kann.
    [0076] Es wird angemerkt, daß es dann,wenn die Erfindung auf einen Dieselmotor usw. angewandt wird, beidem Injektoren 1 auf einer 1:1-Basis für die Zylinder bereit gestelltsind, wenn die Piezoaktuator-Ansteuerschaltung 5 für die Piezoaktuatoren 1c derInjektoren 1 gemeinsam hergestellt wird, möglich ist,die Piezostapel 4 aller Piezoaktuatoren 1c parallel zuverschalten und Auswahlschalter zur Auswahl der Zylinder in Reihemit den Piezostapeln 4 bereitzustellen, um nur den Piezostapel 4,der einem einspritzenden Zylinder entspricht, für das Laden oder das Entladenfrei zu schalten.
    [0077] Das zweite Ausführungsbeispiel ist in der Grundkonfigurationgleich wie das erste Ausführungsbeispiel.Der Unterschied liegt darin, daß das Verfahrendes Festlegens der Ein-Perioden der Schaltelemente 64a und 64b inder Steuerschaltung 71 zu einem separaten Verfahren desFestlegens gemacht wird. Die Erklärung wird sich auf den Unterschiedzu dem ersten Ausführungsbeispielkonzentrieren. Das erste Ausführungsbeispielschaltete die Festlegung der Ein-Periode auf ein anderes Verfahrendes Festlegens um, um die Längeder Ein-Periode in einer Phase, bevor das Laden der Piezostapelspannungendete, konstant zu machen, aber das zweite Ausführungsbeispiel macht die Länge der Ein-Periodevon dem Beginn des Ladens und des Entladens an konstant. 4 zeigt den Betriebszustandverschiedener Teile zur Zeit des Ladens und des Entladens des Piezostapels 4 inder Piezoaktuator-Ansteuerschaltung. Dadurch, daß die Länge der Ein-Periode konstantgemacht wird, wird der Spitzenstrom ausgehend von dem Beginn desLadens langsam verringert.
    [0078] Auch in diesem Ausführungsbeispielist es möglich,den Betrieb des Ventils 23 durch die Wirkung des langsamenVerringerns des Spitzenstroms des Ladestroms und des Entladestromszu stabilisieren.
    [0079] Das dritte Ausführungsbeispiel ist in der Grundkonfigurationgleich wie die vorstehenden Ausführungsbeispiele.Der Unterschied liegt darin, daß dasVerfahren des Festlegens der Ein-Periodender Schaltelemente 64a und 64b in der Steuerschaltung 71 zueinem separaten Verfahren des Festlegens gemacht wird. Die Erklärung konzentriertsich auf den Unterschied gegenüberdem zweiten Ausführungsbeispiel. 5 zeigt den Betriebszustandverschiedener Teile zur Zeit des Ladens und des Entladens des Piezostapels 4 inder Piezoaktuator-Ansteuerschaltung. Das zweite Ausführungsbeispielmachte die Längeder Ein-Periode konstant, und beendete die Aus-Periode, wenn dererfaßteWert des Ladestroms oder des Entladestroms im wesentlichen 0 wurde,aber das dritte Ausführungsbeispielläßt die Steuerschaltung 71 dieverstrichene Zeit überwachen,nach der die Schaltelemente 64a und 64b durcheinen Zeitgeber ausgeschaltet werden, und macht auch die Länge derAus-Periode konstant. Dadurch, daß nicht nur die Länge derEin-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 keineNotwendigkeit besteht, den Strom zu erfassen, so daß die Steuerungder Schaltelemente 64a und 64b vereinfacht werdenkann.
    [0080] Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel können dann,wenn kein Bedarf zum Erfassen von Abnormalitäten in dem Ladestrom oder demEntladestrom besteht, der Widerstand 66 und der Rest der Konfigurationzum Erfassen des Stroms ebenfalls weggelassen werden.
    [0081] Das vierte Ausführungsbeispiel ist in der Grundkonfigurationgleich wie die vorstehenden Ausführungsbeispiele.Der Unterschied liegt darin, daß dasVerfahren des Festlegens der Ein-Periodender Schaltelemente 64a und 64b in der Steuerschaltung 71 zueinem separaten Verfahren des Festlegens gemacht wird. Die Erklärung konzentriertsich auf den Unterschied gegenüberdem zweiten Ausführungsbeispiel. 6 zeigt den Betriebszustandverschiedener Teile zur Zeit des Ladens und des Entladens des Piezostapels 4 inder Piezoaktuator-Ansteuerschaltung. Das zweite Ausführungsbeispielmachte die Längeder Ein-Periode konstant, und lies die Aus-Periode enden, wenn dererfaßteWert des Ladestroms oder des Entladestroms im wesentlichen 0 wurde,aber das vierte Ausführungsbeispielist so ausgestaltet, daß dieSteuerschaltung 71 von der Ein-Periode zu der Aus-Periode schaltet,wenn der erfaßteWert des Ladestroms oder des Entladestroms einen Stromgrenzwerterreicht. Ferner ist die Steuerschaltung 71 so ausgestaltet,daß derStromgrenzwert in Übereinstimmungmit einer Primärfunktionder verstrichenen Zeit seit dem Beginn des Ladens vorgegeben wird.Sie ist so ausgestaltet, daß derStromgrenzwert in Übereinstimmungmit der verstrichenen Zeit, bis der erfaßte Wert der Piezostapelspannungden Ladeendspannungswert zur Zeit des Ladens erreicht und bis dererfaßteWert der Piezostapelspannung im wesentlichen null zur Zeit des Entladenswird, festgelegt wird.
    [0082] Die den Stromgrenzwert vorgebendeFunktion ist so ausgestaltet, daß für den Stromgrenzwert ein umso kleinerer Wert vorgegeben wird, je größer der Wert der verstrichenenZeit ist. Wie in der Figur gezeigt ist, wird der Spitzenstrom langsamverringert. Die dem Stromgrenzwert vorgebende Funktion berücksichtigtauch die Änderungin der Differenz zwischen der Kondensatorspannung und der Piezostapelspannungaufgrund des Fortschreitens des Ladens, prüft im Voraus durch Versuchedie Richtungen der Differenz zwischen der Kondensatorspannung undder Piezostapelspannung, die sich zusammen mit der verstrichenenZeit ändern,und vermeidet eine Oszillation in dem Ladestrom durch Gewährleisten, daß der Stromgrenzwertkleiner als der maximal erreichbare Strom wird, der durch die Differenzzwischen der Kondensatorspannung und der Piezostapelspannung definiertist. Es wird angemerkt, daß die denStromgrenzwert zur Zeit des Entladens vorgebende Funktion auf ähnlicheArt und Weise zu einer Funktion gemacht ist, die dem Stromgrenzwerteinen um so kleineren Wert gibt, je größer der Wert der verstrichenenZeit ist. Auch zur Zeit des Entladens wird der maximal erreichbareStromwert des Entladestroms, der durch die Piezostapelspannung definiert wird,für dieEinstellung berücksichtigt.
    [0083] Auch in diesem Ausführungsbeispielist es möglich,den Betrieb des Ventils 23 durch die Wirkung der langsamenVerringerung des Spitzenstroms zu stabilisieren. Als ein bestimmtesBeispiel der den Stromgrenzwert vorgebenden Funktion kann eine Primärfunktionerwähntwerden, aber die Erfindung ist nicht notwendigerweise auf diesebeschränkt.Es ist auch möglich,den Wert in Bezug auf die verstrichene Zeit zu verringern.
    [0084] Ferner ist es darüber hinaus möglich, eine denStromgrenzwert vorgebende Funktion in einem Speicher der elektronischenSteuereinheit zu speichern und den Stromgrenzwert aus der elektronischenSteuereinheit überden D/A-Umsetzer in Übereinstimmungmit der verstrichenen Zeit seit dem Beginns des Ladens und dem Beginnsdes Entladens vorzugeben.
    [0085] Das fünfte Ausführungsbeispiel ist in der Grundkonfigurationgleich wie die vorstehenden Ausführungsbeispiele.Der Unterschied liegt darin, daß dasVerfahren des Festlegens der Ein-Periodender Schaltelemente 64a und 64b in der Steuerschaltung 71 zueinem separaten Verfahren des Festlegens gemacht wird. Die Erklärung konzentriertsich auf den Punkt des Unterschieds gegenüber dem vierten Ausführungsbeispiel. 7 zeigt den Betriebszustand verschiedenerTeile zur Zeit des Ladens und des Entladens des Piezostapels 4 inder Piezoaktuator- Ansteuerschaltung. Das vierte Ausführungsbeispielverringert langsam den Spitzenstrom durch Speichern einer die Stromgrenzwertevorgebenden Funktion, aber das fünfteAusführungsbeispielist so ausgestaltet, daß dieSteuerschaltung 71 eine Spannungsausgabe entsprechend einerVielzahl von Stufen fürdie verstrichene Zeit seit dem Beginn des Ladens und so, daß der Stromgrenzwertum so kleiner wird, je längerdie verstrichene Zeit seit dem Start des Ladens ist, oder je länger dieverstrichene Zeit seit dem Start des Entladens ist, erzeugt. Alternativist es möglich,Stromgrenzwerte in Entsprechung mit der verstrichenen Zeit seitdem Beginn des Ladens oder der verstrichenen zeit seit dem Beginndes Entladens als Tabellen in den Speicher des die elektronischeSteuereinheit bildenden Mikrocomputers zu speichern. In dem fünften Ausführungsbeispielwird der Stromgrenzwert in Übereinstimmungmit der verstrichenen Zeit vorgegeben, während der erfaßte Wertder Piezostapelspannung die Ladeendspannung zur Zeit des Ladenserreicht hat, und währendder erfaßte Wertder Piezostapelspannung zur Zeit des Entladens im wesentlichen 0wird.
    [0086] Ferner können die vorstehenden Ausführungsbeispieleauch auf einen Kraftstoffinjektor angewandt werden, der mit demin 8 gezeigten Injektor 1a versehenist. Die Grundkonfigura tion ist dieselbe wie die von 1. Das Ventil 23 hateine Kugelform, wobei die Unterseite auf dem horizontal geschnittenenHochdrucksitz 110a sitzt. Die Decke der Ventilkammer 110 istkonisch und bildet den Niederdrucksitz 110b. Ein Niederdruckport 1102 öffnet in denobersten Teil des Niederdrucksitzes 110b. Es ist möglich, denSpitzenstrom langsam zu reduzieren, um den Betrieb des Ventils 23 zustabilisieren.
    [0087] Ferner kann, wie in den 1 und 8 gezeigt ist, der Piezoaktuator 1c nichtnur zur Steuerung einer Gegendruck-Steuereinrichtung 1b zumUmschalten von Höhendes Gegendrucks der Düsennadel 21 verwendetwerden, sondern kann auch auf einen Piezoaktuator angewandt werden,der die Düsennadel direktansteuert. Ferner ist der Piezoaktuator natürlich nicht auf einen Kraftstoffinjektorbeschränkt,sondern kann auch auf andere Einrichtungen angewandt werden.
    [0088] Währenddie Erfindung unter Bezugnahme auf zu Zwecken der Darstellung gewählte bestimmte Ausführungsbeispielebeschrieben wurde, ist offensichtlich, daß durch den Fachmann zahlreicheModifikationen an dieser durchgeführt werden können, ohnedas Grundkonzept und den Schutzbereich zu verlassen.
    [0089] Beschrieben wurden eine Piezoaktuator-Ansteuerschaltung,die den Betrieb eines durch einen Piezoaktuator angetriebenen mechanischenstabilisiert, bestehend aus einer Zerhackerschaltung zum Laden undEntladen 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 zwischen0 und einem Spitzenstrom alterniert, wobei die Ein-Perioden derSchaltelemente 64a und 64b so festgelegt sind,daß derSpitzenstrom währendeiner Zeitspanne von dem Beginn des Ladens bis zu dem Ende des Ladensund währendeiner Zeitspanne von dem Beginn des Entladens bis zu dem Ende desEntladens monoton abnimmt, und so, daß der Spitzenstrom ausgehendvon zumindest der Mitte des Ladens und des Entladens langsam abnimmt,und ein diese ver wendender Kraftstoffinjektor. Da sich der Stromin nur der Abnahmerichtung kontinuerlich ändert, stabilisiert sich derBetrieb des mechanischen Elements. Ferner wird aufgrund des zusammenmit dem Fortschreiten des Ladens und des Entladens fallenden realisierbarenmaximalen Stroms verhindert, daß einResonanzoszillationsstrom fließt.
    权利要求:
    Claims (8)
    [1] Piezoaktuator-Ansteuerschaltung (5),gekennzeichnet durch einen ersten Leitungspfad (5a),der in der Lage ist, einen Piezostapel (4), der an einemPiezoaktuator (1c) bereitgestellt ist, und eine Gleichspannungsversorgung(61) übereine Induktivität(65) zu verbinden, einen zweiten Leitungspfad (5a),der in der Lage ist, die Gleichspannungsversorgung (61)kurzzuschließenund den Piezostapel (4) und die Induktivität zu verbinden, einerstes Schaltelement (64a) zum Öffnen und Schließen desersten Leitungspfads (5a), ein zweites Schaltelement(64b) zum Öffnenund Schließendes zweiten Leitungspfads (5b), und eine Schaltelement-Steuereinrichtung(71) zum Steuern des ersten Schaltelements (64a)und des zweiten Schaltelements (64b), und zum, zur Zeitdes Ladens des Piezostapels, wiederholten Ein- und Ausschalten desersten Schaltelements (64a), um während der Ein-Periode einenlangsam zunehmenden Ladestrom auf den ersten Leitungspfad zu leiten undwährendder Aus-Periode durch eine Schwungradwirkung einen ausgehend vondem in der Ein-Periode schließlicherreichten Spitzenstrom langsam abnehmenden Ladestrom auf den zweitenLeitungspfad zu leiten, und zur Zeit des Entladens des Piezostapelswiederholten Ein- und Ausschalten des zweiten Schaltelements (64b),um währendder Ein-Periode einen langsam zunehmenden Entladestrom auf den zweitenLeitungspfad (5b) zu leiten und während der Aus-Periode durcheine Schwungradwirkung einen ausgehend von dem in der Ein-Periodeschließlicherreichten Spitzenstrom langsam abnehmenden Entladestrom auf denzweiten Leitungspfad zu leiten, wobei die Schaltelement-Steuereinrichtung(71) als eine Steuereinrichtung zum Festlegen der Ein-Periode desersten Schaltelements (64a) so, daß der Spitzenstrom über dieLadeperiode des Piezostapels (4) konstant gehalten wirdoder abnimmt und zumindest ausgehend von der Mitte der Ladeperiodeabnimmt, und Festlegen der Ein-Periode des zweiten Schaltelementsso, daß derSpitzenstrom überdie Entladeperiode des Piezostapels (4) konstant gehaltenwird oder abnimmt und zumindest ausgehend von der Mitte der Entladeperiodeabnimmt, ausgelegt ist.
    [2] Piezoaktuator-Ansteuerschaltung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß dieSchaltelement-Steuereinrichtung (71) so ausgelegt ist,daß eineLänge derEin-Periode konstant gemacht wird.
    [3] Piezoaktuator-Ansteuerschaltung nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß dieSchaltelement-Steuereinrichtung (71) so ausgelegt ist,daß eineLänge derAus-Periode konstant gemacht wird.
    [4] Piezoaktuator-Ansteuerschaltung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß dieSchaltung (5) mit einer Stromerfassungseinrichtung zumErfassen des Ladestroms und des Entladestroms versehen ist, und dieSchaltelement-Steuereinrichtung (71) so ausgelegt ist,daß vonder Ein-Periode auf die Aus-Periode geschaltet wird, wenn ein erfaßter Wertdes Stroms einen vorbestimmten Stromgrenzwert erreicht und der Stromgrenzwertzusammen mit dem Fortschreiten des Ladens und des Entladens desPiezostapels abnimmt.
    [5] Piezoaktuator-Ansteuerschaltung nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß derStromgrenzwert in Übereinstimmungmit einer Funktion abnimmt, die in Bezug auf verstrichene Zeit nachdem Beginn des Ladens und verstrichene Zeit nach dem Beginn desEntladens monoton abnimmt.
    [6] Piezoaktuator-Ansteuerschaltung nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß derStromgrenzwert in Bezug auf verstrichene Zeit nach dem Beginn desLadens des Piezostapels und verstrichene Zeit nach dem Beginn desEntladens schrittweise abnimmt.
    [7] Piezoaktuator-Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis6, dadurch gekennzeichnet, daß dieSchaltung (5) mit einer Stromerfassungseinrichtung zumErfassen des Ladestroms und des Entladestroms versehen ist, und dieSchaltelement-Steuereinrichtung (71) so ausgelegt ist,daß derSpitzenwert füreine bestimmte Zeitspanne nach dem Beginn des Ladens des Piezostapelsund eine bestimmte Zeitspanne nach dem Beginn des Entladens konstantwird und dann der Spitzenstrom abnimmt.
    [8] Kraftstoffinjektor, gekennzeichnet durch eine Injektorsteuerbetätigung einerNadel (21) zum Umschalten zwischen einer Einspritzung undeinem Unterbrechen von Kraftstoff und eine Piezoaktuator-Ansteuerschaltung(5) zum Ansteuern des Piezoaktuators, wobei die Piezoaktuator-Ansteuerschaltung(5) eine Piezoaktuator-Ansteuerschaltung (5) nacheinem der Ansprüche1 bis 7 ist.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JP3913687B2|2007-05-09|
    JP2004248457A|2004-09-02|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2004-09-30| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2012-02-07| R016| Response to examination communication|
    2018-11-07| R016| Response to examination communication|
    2019-02-05| R002| Refusal decision in examination/registration proceedings|
    2019-03-09| R003| Refusal decision now final|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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