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Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen
Piezoaktuator und einen Kraftstoffinjektor.
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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.
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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.
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Als Ansteuerschaltung für einen
Piezoaktuator gibt es einen Zerhacker- bzw. Choppertyp, welcher
die Ladung kleiner macht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine zuverlässige
Piezoaktuator-Ansteuerschaltung und einen Kraftstoffinjektor zu
schaffen, deren Ansprechen nicht verschlechtert ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 eine
Ansicht eines Querschnitts hauptsächlich eines Injektors eines
Kraftstoffinjektors gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
auf welches die Erfindung angewandt ist;
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2 eine
Ansicht der Konfiguration einer Piezoaktuator-Ansteuerschaltung, die Teil des Kraftstoffinjektors
bildet und einen Piezoaktuator des Injektors ansteuert;
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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;
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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;
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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;
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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;
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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;
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8 eine
Ansicht eines Querschnitts von hauptsächlich einem Injektor nach
einer Modifikation des Kraftstoffinjektors, auf welchen die Erfindung
angewandt ist; und
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9 ein
Zeitverlaufsdiagramm zum Erklären
des Problems des Standes der Technik.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Gegendruck der Düsennadel 21 wird durch
die Gegendruck-Steuereinrichtung 1b langsam verringert.
Die Gegendruck-Steuereinrichtung 1b wird
durch den Piezoaktuator 1c gesteuert.
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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.
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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.
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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 ver schieblich 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 zurück nimmt,
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.
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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
100μF) und
hält eine
im wesentlichen konstante Spannung während des Ladens und Entladens
des Piezostapels 4.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Durch wiederholtes Ein- und Ausschalten des
zweiten Schaltelements 64d schreitet das Entladen des Piezostapels 4 fort,
fällt die
Piezostapelspannung, und wird die in dem Piezosta pel 4 gespeicherte Energie
an dem Kondensator 63 wiedergewonnen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 er reichen 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.
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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.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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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.
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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.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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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.
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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.
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Viertes Ausführungsbeispiel
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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.
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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.
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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.
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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.
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Fünftes Ausführungsbeispiel
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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.
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Ferner können die vorstehenden Ausführungsbeispiele
auch auf einen Kraftstoffinjektor angewandt werden, der mit dem
in 8 gezeigten Injektor 1a versehen
ist. Die Grundkonfigura tion 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.
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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.
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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.
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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 ver wendender 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.