DE102005054680B4

DE102005054680B4 - Treibervorrichtung für ein piezoelektrisches Betätigungsglied

Info

Publication number: DE102005054680B4
Application number: DE102005054680.3A
Authority: DE
Inventors: Fumiaki Arikawa; Masataka NISHIKORI; Akikazu Kojima
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2025-11-17
Also published as: JP2006144588A; JP4615967B2; DE102005054680A1

Abstract

Treibervorrichtung für ein piezoelektrisches Betätigungsglied zur Steuerung der Aufladung und Entladung des piezoelektrischen Elements (86) eines piezoelektrischen Betätigungsglieds (Pa, Pb), das zum Antreiben eines Ventils (66) vorgesehen ist, wobei die Treibervorrichtung umfasst: eine Steuerungseinheit (20) zur Steuerung der Ladung und Entladung des piezoelektrischen Elements zum Öffnen und Schließen des Ventils (54, 66), und einem Strompfad zum Zuführen elektrischer Leistung von einer Versorgungseinheit (B, 2) zu dem piezoelektrischen Element über eine Spule (12) und einen Ladeschalter (10) zum Steuern des Öffnens und des Schließens des Strompfads, wobei die Steuerungseinheit (20) die Ladung des piezoelektrischen Elements durch periodische Ein- und Ausschaltvorgänge des Ladeschalters steuert, die Steuerungseinheit (20) den dem piezoelektrischen Element zugeführten elektrischen Energiebetrag auf einen vorbestimmten Schwellenwert (Ith) für eine vorbestimmte Begrenzungsperiode (T) zu Beginn der Erregung des piezoelektrischen Elements begrenzt, und unmittelbar nach der vorbestimmten Begrenzungsperiode (T) den elektrischen Energiebetrag vergrößert, so dass er höher ist als der vorbestimmte Schwellenwert (Ith), das piezoelektrische Betätigungsglied (Pa, Pb) zum Antreiben eines Brennstoffinjektors (PIa, PIb) einschließlich eines Brennstoffeinspritzventils (54) dient, der Brennstoffinjektor ein Kreuzventil (66) umfasst, das eine Verbindung zwischen einem Hochdruckbrennstoffkanal (58), dem ein Hochdruckbrennstoff zugeführt wird, und einem Niederdruckbrennstoffkanal (72) zum Rückführen des Brennstoffs zu einem Tank herstellt oder unterbricht, und das durch die Expansion des piezoelektrischen Elements geöffnet wird zum Öffnen einer Brennstoffeinspritzöffnung und zum auf diese Weise Einspritzen des Brennstoffs, und die Steuerungseinheit (20) die Begrenzungssteuerung durchführt, bis angenommen wird, dass das Kreuzventil (66) sich zu öffnen beginnt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treibervorrichtung für ein piezoelektrisches Betätigungsglied zur Steuerung der Ladung und Entladung eines piezoelektrischen Elements zum Antreiben eines piezoelektrischen Betätigungsglieds, das in einem Brennstoffeinspritzventil verwendet werden kann.
Ein piezoelektrischer Injektor verwendet ein piezoelektrisches Betätigungsglied, das aus einem Stapel einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen (einem piezoelektrischen Stapel) besteht und beispielsweise mittels des piezoelektrischen Effekts expandiert und zusammengezogen wird (kontrahiert). Dieser Brennstoffinjektor wird als ein Brennstoffinjektor in einer Common-Rail-Brennstoffeinspritzeinrichtung einer Dieselmaschine verwendet. Das piezoelektrische Betätigungsglied stellt ein kapazitive Last dar, die geladen (aufgeladen) und entladen wird, um eine Umschaltung zwischen einem expandierten und einem zusammengezogenen Zustand zu bewirken. Ein Ventil des piezoelektrischen Injektors wird zwischen geöffneten und geschlossenen Positionen mittels der Expansions- und Kontraktionsvorgänge des piezoelektrischen Betätigungsglieds umgeschaltet.
Gemäß der Darstellung in 10 besteht ein piezoelektrischer Injektor aus einem zylindrischen Nadelgehäuseteil 52 an einem vorderen Ende eines Körpers 50. Der Nadelgehäuseteil 52 beinhaltet eine Düsennadel 54, die in ihrer axialen Richtung versetzt werden kann. Die Düsennadel 54 sitzt selbst auf einem ringförmigen Nadelsitzteil 56 auf, der an dem vorderen Ende des Körpers 50 ausgebildet ist, zum Isolieren des Nadelgehäuseteils 52 gegenüber seiner Umgebung (Brennkammer einer Brennkraftmaschine) und verlässt den Nadelsitzteil 56, um den Nadelgehäuseteil 52 in Verbindung mit der Umgebung zu bringen. Ein von dem (nicht gezeigten) Common Rail zu einem Hochdruckbrennstoffkanal 48 zugeführter Hochdruckbrennstoff wird über die Düsennadel 54 dem Nadelgehäuseteil 52 zugeführt. Eine rückwärtige Seite der Düsennadel 54 (die Seite, die dem Nadelsitzteil 56 gegenüber liegt) liegt gegenüber einer Gegendruckkammer 60. Der Brennstoff des Hochdruckbrennstoffkanals 58 wird über eine Öffnung 64 der Gegendruckkammer 60 zugeführt. Eine Nadelfeder 62 dient zum Drücken bzw. Antreiben der Düsennadel 54 in Richtung des Nadelsitzteils 56, und ist in der Gegendruckkammer 60 angeordnet.
Über ein Ausgleichskreuzventil 66, das ein 3-Wege-Ventil ist, kann die Gegendruckkammer 60 mit einem Niederdruckbrennstoffkanal 72 in Verbindung stehen. Das Ausgleichskreuzventil 66 wird mittels einer Ventilfeder 70 in Richtung einer hinteren Seite des Gehäuses 50 (in der Fig. nach oben) gedrückt. Eine Rückseite des Kreuzventils 66 liegt an einem ringförmigen Ventilsitzteil 74 mittels der durch die Ventilfeder 70 ausgeübten Kraft an und isoliert den Niederdruckbrennstoffkanal 72 und die Gegendruckkammer 60 voneinander, und wird in Richtung des vorderen Endes des Körpers 50 gegen die von der Ventilfeder 70 ausgeübte Kraft versetzt, um den Niederdruckbrennstoffkanal 72 und die Gegendruckkammer 60 miteinander in Verbindung zu bringen.
Eine Oberfläche des Kreuzventils 66 auf der Seite des Ventilsitzteils 74 steht gegenüber einem vorderen Ende eines Ventilkolbens 78. Eine rückwärtige Seite des Ventilkolbens 78 steht gegenüber einem vorderen Ende eines piezoelektrischen Kolbens 80. Eine Versetzungsvergrößerungskammer 82 wird mittels des Ventilkolbens 78, des piezoelektrischen Kolbens 80 und einer inneren Kreisumfangsfläche des Körpers 50 bestimmt. Die Versetzungsvergrößerungskammer 82 wird durch zwei zylindrische Räume gebildet, die in Reihe zueinander angeordnet sind, einschließlich eines Teiles mit kleinem Durchmesser, der den Durchmesser der Kammer auf der Rückseite des Körpers 50 größer macht als den Durchmesser des vorderen Endes des Körpers 50. Die Versetzungsvergrößerungskammer 82 ist mit einem geeigneten Fluid, beispielsweise mit Brennstoff, gefüllt.
Der piezoelektrische Kolben 80 wird mittels einer piezoelektrischen Feder 84 in Richtung der Rückseite des Körpers 50 gedrückt. Die Seite des piezoelektrischen Kolbens 80, die näher zur Rückseite des Körpers 50 angeordnet ist, ist ferner mit einem piezoelektrischen Element 86 verbunden, das einen piezoelektrischen Stapel gemäß der vorstehenden Beschreibung aufweist und das als piezoelektrisches Betätigungsglied dient. Das piezoelektrische Element 86 ist an dem Körper 50 an der rückwärtigen Oberfläche befestigt, die gegenüber der Seite liegt, die dem piezoelektrischen Kolben 80 zugewandt ist.
Wird dem piezoelektrischen Element 86 kein Strom zugeführt, d. h. wird dieses nicht angeregt bzw. angesteuert, und befindet es sich daher in einem zusammengezogenen bzw. kontrahierten Zustand, dann verbleibt somit der piezoelektrische Kolben 80 in einer Position an der Rückseite des Körpers 50 infolge der piezoelektrischen Feder 84. Da der Ventilkolben 78 hierbei das Kreuzventil 66 nicht in Richtung des vorderen Endes des Körpers 50 versetzt, sind die Gegendruckkammer 60 und der Niederdruckbrennstoffkanal 72 voneinander mittels des Kreuzventils 66 isoliert. Im Ergebnis wird die Düsennadel 54 durch den Druck des Brennstoffs in der Gegendruckkammer 60 (Common-Rail-Druck) und die Nadelfeder 62 in Richtung des vorderen Endes des Körpers 50 bis zu dem Anschlag auf der Nadelsitzposition 56 gedrückt (das Ventil ist geschlossen).
Wird hingegen dem piezoelektrischen Element 86 ein Strom zugeführt, d. h. wird es angeregt bzw. angesteuert, so daß eine Expansion des piezoelektrischen Elements 86 auftritt, dann bewegt sich der piezoelektrische Kolben 80 in Richtung des vorderen Endes des Gehäuses 50 entgegen der Kraft der piezoelektrischen Feder 84. Da somit der Ventilkolben 78 das Kreuzventil 66 in Richtung des vorderen Endes des Gehäuses (das Ventil ist geöffnet) versetzt, gelangt die Gegendruckkammer 60 in Verbindung mit dem Niederdruckbrennstoffkanal 72. Im Ergebnis vermindert sich der Druck des Brennstoffs in der Gegendruckkammer 60, und es wird die Kraft der Hochdruckdüse in dem Nadelgehäuseteil 52 zum Drücken der Düsennadel 54 in Richtung der Rückseite des Gehäuses 50 um einen vorbestimmten Betrag oder mehr größer als die Kraft des Brennstoffs in der Gegendruckkammer 60 und der Nadelfeder 62 zum Drücken der Düsennadel 54 in Richtung der Vorderseite des Körpers 50. Die Düsennadel 54 verlässt somit die Nadelsitzposition 56 (das Ventil ist geöffnet).
Der vorstehend beschriebene Aufbau ermöglicht den Steuerung des Öffnens und Schließens der Düsennadel 54 durch Ladung und Entladung des piezoelektrischen Elements 86, wobei auf diese Weise die Brennstoffeinspritzung gesteuert wird.
Energie wird akkumuliert, bis die Kraft des piezoelektrischen Elements 86 für seine Ausdehnung, die aus der Ladung des piezoelektrischen Elements 86 hervorgeht, die Kraft der piezoelektrischen Feder 84 und dergleichen zum Drücken des piezoelektrischen Kolbens 80 in Richtung des rückwärtigen Teils des Gehäuses 50 übersteigt. Beginnt die Versetzung des piezoelektrischen Elements 86, des piezoelektrischen Kolbens 80 und des Kreuzventils 66, dann bilden das piezoelektrische Element 86 und der piezoelektrische Kolben 80 ein Feder-Masse-Schwingungssystem, das bekannt ist, und das einer Eigenschwingung unterworfen ist. Wird das piezoelektrische Element 86 mit einer hohen Geschwindigkeit geladen oder weist das Element eine hohe Eigenfrequenz auf, dann wird ein großer Energiebetrag in dem piezoelektrischen Element 86 akkumuliert bzw. angesammelt, bevor die Versetzung des Kreuzventils 66 beginnt, so daß dies zu größeren Vibrationen führen kann. Da die auf diese Weise erzeugte Eigenschwingung auf den Körper 50 übertragen wird, an dem das piezoelektrische Element 86 befestigt ist, können in dem Injektor größere Geräusche erzeugt werden.
Geräusche gemäß der vorstehenden Beschreibung können vermindert werden durch Vermindern der dem piezoelektrischen Element 86 zugeführten Energie oder durch Vermindern der Geschwindigkeit, mit der die Ansteuerungsenergie zugeführt wird. Eine Verminderung der zugeführten Energie kann jedoch zu Problemen wie einem instabilen Injektorbetriebsverhalten führen. Wird die Energiezuführungsgeschwindigkeit vermindert, dann wird die Ansprechgeschwindigkeit, die ein Vorteil eines piezoelektrischen Injektors ist, geopfert, da es nunmehr schwierig wird, eine Vielzahl von Einspritzungen mehrmals während einer kurzen Zeitdauer zu wiederholen. Dies ist insbesondere bei einer Dieselmaschine und dergleichen gravierend, da hierbei Piloteinspritzungen und Haupteinspritzungen durchgeführt werden, und wobei die Verschlechterung der Ansprechfähigkeit dazu führt, daß das Kürzen des Intervalls zwischen den Piloteinspritzungen und den Haupteinspritzungen schwierig wird.
Eine Ladesteuerung für ein piezoelektrisches Element 86 gemäß dem Stand der Technik ist beispielsweise in der Druckschrift JP-A-11-317551 offenbart.
Es kann nicht nur der in 10 gezeigte piezoelektrische Injektor bei der Ansteuerung Geräusche erzeugen, sondern es unterliegen auch piezoelektrische Injektoren im allgemeinen, die Brennstoffeinspritzventile einschließlich eines piezoelektrischen Elements als ein Betätigungsglied aufweisen, derartigen Bedingungen.
Die Druckschrift EP 1 138 903 B1 offenbart ein zeit- und fallkontrolliertes Aktivierungssystem für die Aufladung und Entladung piezoelektrischer Elemente. Es gibt eine Treibervorrichtung zur Steuerung der Aufladung und Entladung des piezoelektrischen Elements, das zum Antreiben eines Ventils vorgesehen ist, wobei eine Steuerungseinheit zur Steuerung der Ladung und Entladung des piezoelektrischen Elements zum Öffnen und Schließen des Ventils, und ein Strompfad zum Zuführen elektrischer Leistung von einer Versorgungseinheit zu dem piezoelektrischen Element über eine Spule und einen Ladeschalter zum Steuern des Öffnens und des Schließens des Strompfads vorgesehen sind, wobei die Steuerungseinheit die Ladung des piezoelektrischen Elements durch periodische Ein- und Ausschaltvorgänge des Ladeschalters steuert.
Ähnliche Strukturen sind in der Druckschrift DE 102 45 135 A1 und der nachveröffentlichten Druckschrift WO 2005/083251 offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Treibervorrichtung für einen piezoelektrischen Aktuator bzw. ein piezoelektrisches Betätigungsglied derart auszugestalten, daß ein bevorzugter Geräuschunterdrückungsgrad erzeugt wird, während die Ansprechfähigkeit des Betätigungsglieds aufrecht erhalten wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Treibervorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Merkmale zum Lösen dieser Aufgabe und die Wirkungsweise und Vorteile derselben werden nachstehend beschrieben.
Gemäß einer Ausgestaltung steuert eine Treibervorrichtung die Ladung und die Entladung eines piezoelektrischen Elements zum Antreiben eines piezoelektrischen Betätigungsglieds, das zum Antreiben eines Brennstoffeinspritzventils als ein piezoelektrischer Injektor verwendet werden kann. Die Treibervorrichtung umfasst eine Steuerungseinheit zum Steuern der Ladung des piezoelektrischen Elements in der Weise, daß der Betrag der elektrischen Energie, wie eine dem piezoelektrischen Element zugeführte Elektrizität zu Beginn der Erregung begrenzt und danach vergrößert wird.
Durch die Begrenzung des Betrags an elektrischer Energie, wie die dem piezoelektrischen Element zu Beginn der Erregung zugeführte Elektrizität, kann verhindert werden, daß in dem piezoelektrischen Element Energie im Übermaß akkumuliert wird, bevor das Ventil des piezoelektrischen Injektors sich zu öffnen beginnt. Es ist auf diese Weise möglich, vom piezoelektrischen Element zu anderen Teilen des Brennstoffeinspritzventils übertragene Vibrationen zu vermindern, wenn das piezoelektrische Element versetzt wird, und es können auf diese Weise Geräusche in befriedigender Weise unterdrückt werden. Durch Vergrößern des zugeführten Elektrizitätsbetrags nach der Steuerung im Hinblick auf eine Begrenzung desselben kann jegliche Verzögerung des Ventilöffnungsvorgangs des piezoelektrischen Injektors vermieden werden, d. h. die Ansprechfähigkeit des piezoelektrischen Injektors kann aufrechterhalten werden. Geräusche können auf diese Weise unter Beibehaltung der Ansprechfähigkeit in befriedigender Weise unterdrückt werden.
Die Steuerung zum Begrenzen und Vergrößern des Betrags zugeführter Elektrizität kann in der Weise durchgeführt werden, daß der Gesamtbetrag der zugeführten Elektrizität während einer vorbestimmten Periode nach Beginn der Erregung kleiner ist als der Gesamtbetrag der zugeführten Elektrizität während einer zur vorbestimmten Periode gleichen langen Periode, die unmittelbar nach dem Ablauf der vorbestimmten Periode beginnt. Alternativ kann der zugeführte Elektrizitätsbetrag in einem Zyklus unmittelbar nach der vorbestimmten Periode kleiner eingestellt werden anstelle eines Elektrizitätsbetrags, der in jedem Zyklus nach der vorbestimmten Periode zugeführt wird.
In der Treibervorrichtung überwacht die Steuerungseinheit den Betrag der dem piezoelektrischen Element zugeführten Elektrizität als ein Ergebnis der periodischen Ein- und Ausschaltvorgänge, und stellt die Begrenzung durch Steuern des überwachten Elektrizitätsbetrags ein, der in der Weise zugeführt wird, daß dieser einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet. Die Steuerung zur Begrenzung des zugeführten Elektrizitätsbetrags kann durchgeführt werden durch Überwachen des zugeführten Elektrizitätsbetrags und Begrenzen des überwachten Elektrizitätsbetrags, der in der Weise zugeführt wird, daß er einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet.
In der Treibervorrichtung überwacht die Steuerungseinheit den dem piezoelektrischen Element zugeführten Elektrizitätsbetrag als ein Ergebnis der periodischen Ein- und Ausschaltvorgänge, und steuert den überwachten und zugeführten Elektrizitätsbetrag in der Weise, daß er einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet. Die Steuerung zum Vergrößern des zugeführten Elektrizitätsbetrags wird durch Vergrößern des vorbestimmten Schwellenwerts durchgeführt.
Ist die Dauer der Einschaltvorgänge zu lang, dann wird ein übergroßer Strom in dem piezoelektrischen Element akkumuliert, der nicht nur zu größeren Geräuschen, sondern ebenfalls zu einer Beschädigung der Schaltungen zum Ansteuern des piezoelektrischen Elements, wie der Stromschaltung, infolge des übergroßen Stroms führen kann. In diesem Zusammenhang wird der vorstehend beschriebene Aufbau in geeigneter Weise der Möglichkeit der Beschädigung des Ladeschalters gerecht, da der überwachte und zugeführte Elektrizitätsbetrag in der Weise gesteuert werden kann, daß dieser nach dem Übergang von der Begrenzungssteuerung zur Vergrößerungssteuerung einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet. Ferner kann der vorbestimmte Schwellenwert nach der Durchführung der Begrenzungssteuerung zu Beginn der Erregung größer gemacht werden zum Begrenzen des zugeführten Elektrizitätsbetrags zu Beginn der Erregung in geeigneter Weise, und zum Vergrößern des Elektrizitätsbetrags, der danach in angemessener Weise zugeführt wird.
Werden in der Treibervorrichtung die periodischen Ein- und Ausschaltvorgänge durchgeführt, dann stellt die Steuerungseinheit die Dauer eines Einschaltvorgangs länger ein, wenn die Vergrößerungssteuerung durchgeführt wird, als wenn die Begrenzungssteuerung durchgeführt wird. Eine derartige Einstellung ermöglicht es, auf einfache Weise einen integrierten Wert des Stroms mit einer Dreieckswellenform nach der Begrenzungssteuerung zu vergrößern. Im Ergebnis kann der dem piezoelektrischen Element zugeführte Elektrizitätsbetrag nach der Begrenzungssteuerung auf einfache Weise vergrößert werden.
In der Treibervorrichtung erzeugt die Steuerungseinheit ein Bezugssignal für periodische Ein- und Ausschaltvorgänge, und stellt die Dauer eines Einschaltvorgangs, der mittels des Bezugssignals bestimmt ist, länger ein, wenn die Vergrößerungssteuerung durchgeführt wird, als wenn die Begrenzungssteuerung durchgeführt wird. Somit wird der Ladeschalter entsprechend dem Bezugssignal ein- und ausgeschaltet. Da ferner das Bezugssignal die Dauer eines Einschaltvorgangs einstellt, kann der zugeführte Elektrizitätsbetrag begrenzt und kann danach vergrößert werden. Mit einem derartigen Bezugssignal, das voreingestellt wird und die angemessene Begrenzung und Vergrößerung des zugeführten Elektrizitätsbetrags ermöglicht, kann die Begrenzungssteuerung und die nachfolgende Vergrößerungssteuerung entsprechend einer offenen Steuerungsbasis durchgeführt werden.
In der Treibervorrichtung stellt die Steuerungseinheit das Verhältnis der Dauer des Einschaltvorgangs eines Zyklus der Ein- und Ausschaltvorgänge zur Dauer des Ausschaltvorgangs größer ein, wenn die Vergrößerungssteuerung durchgeführt wird, als wenn die Begrenzungssteuerung durchgeführt wird. Der zugeführte Elektrizitätsbetrag in einem Zyklus der Ein- und Ausschaltvorgänge kann somit vergrößert werden, in dem das Verhältnis der Dauer des Einschaltvorgangs des Zyklus zur Dauer des Ausschaltvorgangs groß eingestellt wird. Somit kann der zugeführte Elektrizitätsbetrag in einem Zyklus der Ein- und Ausschaltvorgänge nach der Begrenzungssteuerung vergrößert werden.
Die Steuerungseinheit umfasst in der Treibervorrichtung eine Einheit zum Erzeugen eines Bezugssignals für die periodischen Ein- und Ausschaltvorgänge, sowie eine Einheit zum Ein- und Ausschalten des Ladeschalters auf der Basis des Bezugssignals. Auf diese Weise können die Ein- und Ausschaltvorgänge auf einfache Weise durchgeführt werden. Insbesondere kann eine einfache Einstellung verwendet werden, bei der das Bezugssignal beispielsweise ein periodisches Signal mit einer regulären Zeitfolge ist, bei der die jeweilige Dauer der Einschaltvorgänge und der Ausschaltvorgänge nicht variabel sind. Wird eine derartige Einstellung verwendet, dann ist es wünschenswert, die jeweilige Zeitdauer der Einschaltvorgänge und der Ausschaltvorgänge in der Weise einzustellen, daß eine Einschaltzeit zu einer optimalen Zeit nach dem Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer auftritt, und daß die Dauer des Ausschaltvorgangs in der vorbestimmten Periode nicht zu lang wird. Es ist möglich, Komplikationen bezüglich der Steuerung durch Voreinstellen eines Musters von Ein- und Ausschaltvorgängen unter Verwendung des Bezugssignals zu vermeiden, um eine variable Einstellung der Betriebsart auf der Basis des Überwachens des Zustands des in dem Strompfad fließenden Stroms zu ermöglichen.
Die Steuerungseinheit kann den zugeführten Elektrizitätsbetrag zu Beginn der Erregung auf den Bereich von 8 bis 10 A begrenzen.
Die Periode der Begrenzungssteuerung kann in der Treibervorrichtung 34 μs oder mehr betragen. Somit kann der in dem piezoelektrischen Injektor erzeugte Geräuschpegel in effektiver Weise vermindert werden. Es ist wünschenswert, die Periode auf 47 μs oder länger einzustellen, wenn der vorbestimmte Schwellenwert bei 8 A liegt, auf 50 μs oder länger einzustellen, wenn der vorbestimmte Schwellenwert bei 10 A liegt, und auf einen Wert aus einer Interpolation der Werte von 47 μs und 50 μs einzustellen, wenn der vorbestimmte Schwellenwert zwischen diesen beiden vorstehend angegebenen Werten liegt.
Der piezoelektrische Injektor in Verbindung mit der Treibervorrichtung umfasst ein Kreuzventil, das eine Verbindung zwischen einem Hochdruckbrennstoffkanal, dem ein Hochdruckbrennstoff zugeführt wird, und einem Niederdruckbrennstoffkanal zum Rückführen des Brennstoffs zu einem Tank herstellt und unterbricht, und das geöffnet wird durch die Expansion des piezoelektrischen Elements zum Öffnen einer Brennstoffeinspritzöffnung, und um auf diese Weise den Brennstoff einzuspritzen, und wobei die Begrenzungssteuerung bis zu der Zeit durchgeführt wird, bei der angenommen wird, daß sich das Kreuzventil zu öffnen beginnt. Da der zugeführte Elektrizitätsbetrag bis zu der Zeit begrenzt ist, zu der angenommen wird, daß sich das Kreuzventil zu öffnen beginnt, ist es möglich, zu verhindern, daß ein übergroßer Energiebetrag in dem piezoelektrischen Element akkumuliert wird, bevor sich das Kreuzventil zu öffnen beginnt.
Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Figuren verständlich. Es zeigen:
1 eine grafische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung einer Treibervorrichtung, die ein piezoelektrisches Betätigungsglied gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Verwendung als eine Treibervorrichtung für einen in einer Dieselmaschine vorgesehenen piezoelektrischen Injektor zeigt,
2 ein Zeitdiagramm der Lade-/Entladesteuerung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
3 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung von Strömen zur Zeit einer Ladesteuerung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
4 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung von Strömen zur Zeit einer Entladesteuerung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
5 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung einer Betriebsart der Ladesteuerung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
6 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung einer Einstellung eines Schwellenwerts und einer vorbestimmten Periode gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
7 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung einer Betriebsart der Ladesteuerung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
8 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung einer Betriebsart der Ladesteuerung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
9 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung einer Betriebsart der Ladesteuerung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
10 eine Schnittansicht eines piezoelektrischen Injektors.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Gemäß 1 ist eine Treibervorrichtung für ein piezoelektrisches Betätigungsglied gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen zur Steuerung des Ladens und Entladens piezoelektrischer Elemente Pa und Pb zum Antreiben der piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb. Die Treibervorrichtung umfasst eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) 30, die eine Zentralverarbeitungseinheit umfasst zur Steuerung einer Dieselmaschine, sowie eine Treibervorrichtungseinheit 1. Von einer Batterie B wird elektrische Leistung der Treibervorrichtungseinheit 1 und der elektronischen Steuerungseinheit 30 zugeführt.
Die piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb weisen den in 10 gezeigten Aufbau auf. Die piezoelektrischen Elemente Pa und Pb umfassen einen Stapel, der durch eine Vielzahl von übereinander angeordneten piezoelektrischen Elementen (ein piezoelektrischer Stapel) gebildet ist, und die als Betätigungsglieder im Ergebnis einer Expansion und Kontraktion des Stapels infolge eines piezoelektrischen Effekts dienen. Insbesondere stellen die piezoelektrischen Elemente Pa und Pb kapazitive Lasten dar, die mit der Ladung (Aufladung) expandieren und bei der Entladung zusammengezogen werden (kontrahieren). Im Ergebnis der Expansion der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb werden Ventile der jeweiligen piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb zum Einspritzen von Brennstoff in die jeweiligen Zylinder geöffnet. Im Ergebnis der Kontraktion der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb werden die Ventile der jeweiligen piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb zum Beenden der Brennstoffeinspritzung geschlossen.
Die elektrische Leistung der Batterie B wird zuerst einem DC-DC-Wandler 2 (Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler) zugeführt, der als eine Verstärkungsschaltung (Booster-Circuit) dient. Der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 2 ist eine Einrichtung zum seriellen Verbinden einer Spule 2c und eines Ladeschalters 2s, der in Form eines N-Kanal MOS-Halbleiters (metal oxide semiconductor) gebildet ist. Ein Anschluss des Wandlers 2 ist mit der Batterie B verbunden, und ein anderer Anschluss des Wandlers 2 ist mit Masse verbunden. Eine Diode 2d ist eine parasitäre Diode, die als Ergebnis der Bildung des N-Kanal-Transistors entsteht. Eine Anode dieser Diode ist mit Masse verbunden, und eine Kathode derselben ist mit der Spule 2c verbunden. Wird der Ladeschalter 2s ein- und ausgeschaltet, dann verstärkt der DC-DC-Wandler 2 die Spannung der Batterie B (die beispielsweise 12 V beträgt) auf eine höhere Spannung (beispielsweise 200 bis 300 V) zur Steuerung der Ladung (Aufladung) der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb.
Die mittels des DC-DC-Wandlers 2 verstärkte Spannung wird einem Kondensator 6 über eine Diode 4 zugeführt. Ein Anschluss des Kondensators 6 ist mit einer Kathode der Diode 4, und der andere Anschluss ist mit Masse verbunden. Wird die mittels des DC-DC-Wandlers 2 verstärkte Spannung dem Kondensator 6 zugeführt bzw. an diesen angelegt, dann sammelt der Kondensator 6 die elektrischen Ladungen, die den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zuzuführen sind. Es ist dabei wünschenswert, daß der Kondensator 6 eine derartige Kapazität aufweist, daß im wesentlichen keine Änderung in der Spannung des Kondensators nach Zuführen der elektrischen Ladungen auftritt, d. h. der Ladungen, die zur einmaligen Durchführung des Ladevorgangs der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb erforderlich sind (beispielsweise im Bereich von mehreren 100 μF).
Der Anschluss des Kondensators 6 weist ein höheres Potenzial auf, d. h. der Anschluss desselben auf der Seite der Kathode der Diode 4 ist mit den Anschlüssen der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb zum Aushalten bzw. Tragen eines höheren Potenzials durch ein Element verbunden, das durch eine Reihenschaltung eines Ladeschalters 10 und einer Lade-/Entladespule 12 gebildet wird. Die Anschlüsse der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb zum Tragen eines niedrigen Potenzials sind jeweils über Elemente in Form von Reihenschaltungsauswahlschaltern 14a und 14b mit Widerständen 16a und 16b mit Masse verbunden. Der Ladeschalter 10 besteht aus einem N-Kanal-MOS-Transistor. Eine Diode 10d ist eine parasitäre Diode, die als Ergebnis der Bildung des Transistors entsteht. Eine Anode der Diode ist mit der Lade/Entladespule 12, und eine Kathode derselben ist mit der Diode 4 verbunden. Jeder der Auswählschalter 14a und 14b besteht aus einem N-Kanal-MOS-Transistor. Dioden 14ad und 14bd sind parasitäre Dioden, die als Ergebnis der Ausbildung dieser Transistoren gebildet sind. Anoden dieser Dioden sind mit Masse verbunden, und es sind die Kathoden derselben jeweils mit den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb verbunden.
Ein Anschluss eines Entladeschalters 18 ist zwischen dem Ladeschalter 10 und die Lade/Entladespule 12 geschaltet, und ein anderer Anschluss des Entladeschalters 18 ist mit Masse verbunden. Der Entladeschalter 18 besteht aus einem N-Kanal-MOS-Transistor. Eine Diode 18d ist eine parasitäre Diode, die im Ergebnis der Ausbildung des Transistors gebildet wird. Eine Anode der Diode 18d ist mit Masse verbunden, und eine Kathode derselben ist mit dem Ladeschalter 10 und der Lade/Entladespule 12 verbunden.
Die Steuerungseinrichtung 20 ist eine entsprechende Hardware zum Betätigen des Ladeschalters 10 und des Entladeschalters 18 auf der Basis von Befehlen der elektronischen Steuerungseinheit 30. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Signale von der Steuerungseinrichtung 20 zu dem Ladeschalter 10 und dem Entladeschalter 18 über eine Treibervorrichtung, die nicht gezeigt ist, ausgegeben zum Ansteuern des Ladeschalters 10 und des Entladeschalters 18 mit einer hohen Geschwindigkeit. Die Treibervorrichtung wird vorzugsweise mit einer Elektrizität von dem Anschluss des Kondensators 6 zum Tragen eines höheren Potenzials versorgt.
2 zeigt ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Zustände der Ladesteuerung und der Entladesteuerung. (a) in 2 zeigt Übergänge eines Einspritzsignals IJTa, das ein Signal ist zum Bestimmen einer Zeit für die Brennstoffeinspritzung und der Dauer der Einspritzung, wenn es einen logischen Wert „H” aufweist. Es ist das Einspritzsignal IJTa dargestellt, das ein Beispiel in Verbindung mit dem piezoelektrischen Element Pa ist. (b) in 2 zeigt Übergänge eines Schaltsteuerungssignals, das selektiv einen der Auswählschalter 14a und 14b einschaltet, wenn es einen logischen Wert „H” aufweist. Es ist hierbei beispielhaft ein Steuerungssignal für den Auswählschalter 14a dargestellt. (c) in 2 zeigt Übergänge eines Ladeperiodensignals, das ein Signal ist zum Bestimmen einer Zeit zum Laden der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb durch Betätigungen des Ladeschalters 10 und der Länge der Aufladung, wenn es einen logischen Wert „H” aufweist. (d) in 2 zeigt Übergänge eines Entladeperiodensignals, das ein Signal ist zum Bestimmen einer Zeit zum Entladen der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb durch Betätigungen des Entladeschalters 18, und der Länge der Entladung, wenn es einen logischen Wert „H” aufweist. (e) in 2 zeigt Übergänge des Potenzials an den Anschlüssen der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb, die ein höheres Potenzial tragen.
Wird das Einspritzsignal IJTa von der elektronischen Steuerungseinheit 30 zu der Steuerungseinrichtung 20 zu einer Zeit t1 eingegeben, dann führt unter Bezugnahme der Steuerungssequenz die Steuerungseinrichtung 20 einen nachstehend beschriebenen Ablauf (Prozess) durch. Zuerst erzeugt die Steuerungseinrichtung 20 ein Ladeperiodensignal in der Form eines logischen Werts „H” von der Zeit t1 bis zu einer Zeit t2 auf der Basis des Einspritzsignals IJTa, und gibt ein Auswählsteuerungssignal zum selektiven Einschalten des Auswählschalters 14a aus. Der Ladeschalter 10 wird auf der Basis des auf diese Weise erzeugten Ladeperiodensignals ein- und ausgeschaltet. Das Ladeperiodensignal kann alternativ durch die elektronische Steuerungseinheit 30 erzeugt werden.
Wird der Ladeschalter 10 eingeschaltet, dann wird ein geschlossener Kreis gemäß der Darstellung in (a) gemäß 3 durch den Kondensator 6, den Ladeschalter 10, die Lade/Entladespule 12, das piezoelektrische Element Pa, den Auswählschalter 14a und den Widerstand 16a gebildet. Somit wird das piezoelektrische Element Pa mittels des Kondensators 6 aufgeladen. Wird der Ladeschalter 10 nach seinem derartigen Einschalten ausgeschaltet, wie es in 3(b) gezeigt ist, dann wird eine geschlossene Schleife mittels der Diode 18d, der Lade/Entladespule 12, des piezoelektrischen Elements Pa, des Auswählschalters 14a und des Widerstands 16a gebildet. Das piezoelektrische Element Pa wird somit durch eine Leerlaufenergie der Lade/Entladespule 12 geladen.
Wird der Ladeschalter 10 gemäß der vorstehenden Beschreibung betätigt, dann wird das piezoelektrische Element Pa zur Vergrößerung des Potenzials bei dem Anschluss des piezoelektrischen Elements Pa vergrößert zum Tragen eines höheren Potenzials. Die geschlossene Schaltungsschleife gemaß der Darstellung in (a) von 3 ist ein Strompfad (Stromweg) zum Zuführen der elektrischen Leistung des Kondensators 6 durch die Lade/Entladespule 12, und der Ladeschalter 10 umfasst die Funktion der Steuerung des Öffnens und Schließens des Strompfads.
Nimmt das Einspritzsignal IJTa den logischen Wert „L” zu einer Zeit t3 gemäß der Darstellung in 2 an, dann wird ein Entladeperiodensignal in der Form eines logischen Werts „H” von der Zeit t3 bis zu einer Zeit t4 erzeugt, und es wird der Entladeschalter 18 ein- und ausgeschaltet.
Wird insbesondere der Entladeschalter 18 eingeschaltet, wie es in (a) in 4A dargestellt ist, dann wird eine geschlossene Schleife mittels des Entladeschalters 18, der Lade/Entladespule 12, des piezoelektrischen Elements Pa, des Auswählschalters 14a und des Widerstands 16a gebildet. Auf diese Weise wird das piezoelektrische Element Pa geladen. Wird der Ladeschalter 18 nach seinem Einschalten ausgeschaltet, wie es in (b) in 4 gezeigt ist, dann wird eine geschlossene Schaltungsschleife mittels des Kondensators 6, der Diode 10d, der Lade/Entladespule 12, des piezoelektrischen Elements Pa, des Auswählschalters 14a und des Widerstands 16a gebildet. Somit wird die Leerlaufenergie der Lade/Entladespule 12 über die Diode 10d durch den Kondensator 6 gesammelt.
Wird der Entladeschalter 18 in der vorstehend beschriebenen Weise betätigt, dann wird das piezoelektrische Element Pa zum Vermindern des Potenzials an dem Anschluss des piezoelektrischen Elements Pa zum Halten eines höheren Potenzials vermindert.
Der Auswahlschalter 14a wird zu einer Zeit t5 nach dem Ende der Steuerungsperiode zum Entladen ausgeschaltet.
Die Ladung und Entladung der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb kann durch Ein- und Ausschalten des Ladeschalters 10, und des Ein- und Ausschaltens des Entladeschalters 18 in der vorstehend beschriebenen Weise gesteuert werden.
Dabei ist zu beachten, daß übergroße Energie in den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb angesammelt werden kann, bevor die Ventile der piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb ihre Öffnung beginnen, in Abhängigkeit von der Betätigung des Ein- und Ausschaltens des Schalters 10, und daß gemäß der vorstehenden Beschreibung folglich größere Geräusche bei den piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb erzeugt werden können.
Unter diesen Umständen wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Steuerung der Ladung der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb in der Weise ausgeführt, daß der den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zugeführte Elektrizitätsbetrag nach dem Begrenzen während einer vorbestimmten Periode nach dem Beginn der Erregung vergrößert wird. Die den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zugeführte Energie wird für die vorbestimmte Periode nach dem Beginn der Erregung begrenzt zum Unterdrücken der Geräusche der piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb, die durch die Akkumulation einer übergroßen Energie in den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb erzeugt werden, bevor sich die Ventile der piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb zu öffnen beginnen. Durch die Vergrößerung des zugeführten Elektrizitätsbetrags nach Ablauf der vorbestimmten Periode kann ferner jede Verzögerung des Ventilöffnungsbetriebs der piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb zur Aufrechterhaltung ihrer Ansprechfähigkeit vermieden werden.
Die vorstehende Erregungssteuerung wird nachstehend im einzelnen unter Berücksichtigung von 5 beschrieben. (a) in 5 zeigt Übergänge des Einspritzsignals. (b) in 5 zeigt ein Bezugssignal zum Ermöglichen der Ein- und Ausschaltvorgänge, und es ist beispielhaft ein Signal gezeigt, das während eines Einschaltvorgangs bei dem logischen Wert „H” und bei einem Ausschaltvorgang den logischen Wert „L” annimmt. (c) in 5 zeigt Übergänge der tatsächlichen Ein- und Ausschaltvorgänge des Ladeschalters 10 gemäß der Darstellung in 1. (d) in 5 zeigt eine Betriebsart der Strombegrenzung. (e) in 5 zeigt Übergänge des zugeführten Elektrizitätsbetrags zu den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb. (f) in 5 zeigt Übergänge der Spannung an den Anschlüssen der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb zum Tragen eines höheren Potenzials.
Es wird nun Bezug auf die Reihe der Abläufe gemäß der Darstellung in 5 genommen. Werden zu einer Zeit t11 durch die elektronische Steuerungseinheit 30 Einspritzsignale (IJTa und IJTb) zuerst ausgegeben, dann werden die Auswählschalter 14a und 14b betrieben (betätigt), und es werden Ladeperiodensignale in der in 2 gezeigten Weise erzeugt. Die Steuerungseinrichtung 20 führt sodann die folgenden Abläufe gemäß den Ladeperiodensignalen durch. Das Bezugssignal wird zum Ein- und Ausschalten des Ladeschalters 10 für Ladeperioden erzeugt, die entsprechend den Ladeperiodensignalen bestimmt sind. Das Bezugssignal weist die periodischen Einschaltvorgänge und die Ausschaltvorgänge mit einer festen Frequenz an, indem wiederholt die logischen Werte „H” und „L” angenommen werden. In dem Bezugssignal sind im einzelnen die Dauer der Periode mit dem logischen „H” und die Dauer mit dem logischen „L” in den Perioden zueinander gleich eingestellt. Der Ausdruck „periodisch” in der vorliegenden Verwendung bedeutet die Wiederholung des logischen Werts „H” und des logischen Werts „L”, d. h. die Wiederholung der Einschaltvorgänge und der Ausschaltvorgänge, und bedeutet nicht, daß die Einschaltzeiten und die Ausschaltzeiten der Perioden zueinander gleich sind.
Ferner wird der Ladeschalter 10 auf der Basis des Bezugssignals ein- und ausgeschaltet, und es wird ein durch die Widerstände 16a und 16b gemäß der Darstellung in 1 fließender Strom überwacht. Erreicht der überwachte Stromwert einen vorbestimmten Schwellenwert Ith zu einer Zeit t12, oder wird dieser Wert überschritten, dann wird der Ladeschalter 10 ausgeschaltet, auch wenn das Bezugssignal einen Einschaltvorgang anweist bzw. befiehlt. Insbesondere wird der Ladeschalter 10 ausgeschaltet, wenn der überwachte Stromwert gleich oder größer als der vorbestimmte Schwellenwert Ith ist, durch Erzeugen des an den Ladeschalter 10 ausgegebenen Signals auf der Basis des Bezugssignals und des Ergebnisses der Stromüberwachung. Weist das Bezugssignal einen erneuten Einschaltvorgang zu einer Zeit t13 an, dann wird der Ladeschalter 10 erneut eingeschaltet. Die gestrichelte Linie in (e) in 5 bezeichnet einen den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zugeführten Elektrizitätsbetrag in dem Fall, daß die Begrenzung unter Verwendung des vorbestimmten Schwellenwerts Ith nicht vorliegt. Die gestrichelte Linie in (f) in 5 bezeichnet die Spannung an den Anschlüssen der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb zum Tragen eines höheren Potenzials in dem Fall, daß die Begrenzung unter Verwendung des vorbestimmten Schwellenwerts Ith nicht vorliegt bzw. eingestellt ist.
Ein derartiger Ablauf, d. h. ein Ablauf zum Begrenzen des Stromwerts, um diesen unterhalb des vorbestimmten Schwellenwerts Ith zu halten, wird für eine Begrenzungsperiode T durchgeführt, während der es wünschenswert ist, den zugeführten Elektrizitätsbetrag zu den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zu begrenzen. Der Ablauf zum Begrenzen des den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zugeführten Elektrizitätsbetrags auf der Basis des vorbestimmten Schwellenwerts Ith wird zu einer Zeit t14 beendet, die erreicht wird, wenn die Begrenzungsperiode T abgelaufen ist. Im Ergebnis wird der den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zugeführte Elektrizitätsbetrag nach dem Ablauf der Begrenzungsperiode T vergrößert.
Es folgt nun die Beschreibung, in welcher Weise der vorbestimmte Schwellenwert Ith und die Begrenzungsperiode T gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eingestellt werden.
Es erfolgt zuerst die Beschreibung, in welcher Weise der vorbestimmte Schwellenwert Ith eingestellt wird. Unter Bezugnahme auf die Brennstoffeinspritzsteuerung ist es erforderlich, nicht nur das Problem des Geräuschs bei den piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb zu vermeiden, sondern ebenfalls die Anforderungen in Verbindung mit der Brennstoffeinspritzperiode zu erfüllen. Insbesondere gelten einige Begrenzungen bezüglich der Brennstoffeinspritzperiode für einen angemessenen korrekten Betrieb, und es können Probleme in der Brennstoffeinspritzsteuerung auftreten, wenn die Periode zu lang ist. Ist der Wert des vorbestimmten Schwellenwerts Ith extrem klein, dann kann Brennstoffeinspritzung eine längere Zeit über dem durchzuführenden erlaubten Bereich andauern. Eine Lösung bezüglich dieses Problems ist die Vergrößerung des zuzuführenden Elektrizitätsbetrags auf einen sehr großen Wert nach der Steuerung der Begrenzung des zuzuführenden Elektrizitätsbetrags. In diesem Fall kann nicht nur ein Problem in Verbindung mit der Spannungsfestigkeits-Spannung des Ladeschalters 10 auftreten, sondern es können ebenfalls zusätzliche Geräusche in einem Hochfrequenzbereich erzeugt werden. Unter diesen Umständen ist es wünschenswert, daß der vorbestimmte Schwellenwert Ith auf 8 A oder höher eingestellt wird. Ist der Wert des vorbestimmten Schwellenwerts Ith zu groß, dann wird der Wert einer Verminderung des Geräuschpegels klein, wenn die Begrenzungsperiode T lang ist. Im Ergebnis kann der Geräuschpegel nicht in effektiver Weise vermindert werden, auch wenn der zugeführte Elektrizitätsbetrag unter Verwendung des vorbestimmten Schwellenwerts Ith begrenzt ist. Es ist unter diesen Umständen wünschenswert, daß der vorbestimmte Schwellenwert Ith auf 10 A oder niedriger eingestellt wird.
6 zeigt Beziehungen zwischen der vorbestimmten Begrenzungsperiode T zum Begrenzen des Stroms einschließlich des vorbestimmten Schwellenwerts Ith zur Verwendung bei der Strombegrenzung, und dem Geräuschpegel bei den piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb. In 6 bezeichnet die Abszisse die Zeitperiode T (μs), und bezeichnet die Ordinate den Geräuschpegel (dB). Die Dreiecksymbole bezeichnen gemessene Werte zur Angabe einer Beziehung zwischen der Begrenzungsperiode T und dem Geräuschpegel unter der Bedingung, daß der vorbestimmte Schwellenwert Ith bei 8 A eingestellt ist, und die Quadratsymbole bezeichnen gemessene Werte zur Angabe einer Beziehung zwischen der Begrenzungsperiode T und dem Geräuschpegel unter der Bedingung, daß der vorbestimmte Schwellenwert bei 10 A eingestellt ist. Ein Messpunkt d1 gibt einen Messwert des Geräuschpegels in dem Fall an, bei dem der den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zugeführte Elektrizitätsbetrag nicht unter Bereitstellung des vorbestimmten Schwellenwerts begrenzt ist.
Gemäß der Darstellung in 6 beginnt in dem Fall, daß der vorbestimmte Schwellenwert Ith bei 8 A liegt, der Geräuschpegel sich um den Punkt zu vermindern, bei dem die Begrenzungsperiode T bei 34 μs liegt, und der Geräuschpegel vermindert sich nicht weiter in dem Bereich, bei dem die Begrenzungsperiode T gleich 52 μm oder größer ist. Liegt der vorbestimmte Schwellenwert Ith bei 10 A, dann beginnt der Verminderungsgrad des Geräuschpegels sich um den Punkt zu vergrößern, bei dem die Begrenzungsperiode T bei 34 μs liegt, und es ist der Verminderungsgrad des Geräuschpegels in dem Bereich klein, bei dem die Begrenzungsperiode T gleich 44 μs oder länger ist.
Es ist hierbei wünschenswert, die Zeitperiode T auf etwa 34 μs oder länger einzustellen, um eine erhebliche Wirkung der Verminderung des Geräuschpegels durch Einstellen der Begrenzungsperiode T zu erreichen.
Der Punkt, bei dem der Verminderungsgrad des Geräuschpegels, der durch eine Vergrößerung der Begrenzungsperiode T erhalten wird, klein wird, ist ein Punkt, bei dem kein erheblicher Effekt der Verbesserung des Geräuschpegels aus einer weiteren Verminderung der Begrenzungsperiode T erwartet werden kann. Es bestehen unterschiedliche Anforderungen, die für eine Brennstoffeinspritzsteuerung zu erfüllen sind, einschließlich der Anforderung einer schnellen Einspritzung des Brennstoffs, d. h. eine Verminderung der Ladeperiode der piezoelektrischen Element Pa und Pb gemäß der Darstellung in (c) gemäß 2. Im Sinne der Tatsache, daß ein Kompromiss vorliegt zwischen Geräuschvermeidungsmaßnahmen und einer schnellen Brennstoffeinspritzung ist es nicht wünschenswert, die Begrenzungsperiode T bei 52 μs oder länger einzustellen, wenn der vorbestimmte Schwellenwert Ith bei 8 A liegt. Ist ferner der vorbestimmte Schwellenwert Ith bei 10 A, dann wird ein Geräuschpegel nicht in effektiver Weise vermindert durch Einstellen der Begrenzungsperiode T auf die Länge von 52 μs oder größer im Vergleich zu dem Fall, bei dem der vorbestimmte Schwellenwert Ith bei 8 A liegt, obwohl eine bestimmte Verminderung des Geräuschpegels erreicht wird. Im Allgemeinen ist der durch Vergrößern der Begrenzungsperiode T erreichte Geräuschpegelverminderungsgrad erheblicher, je kleiner der vorbestimmte Schwellenwert Ith ist. Es ist daher wünschenswert, die Begrenzungsperiode T auf etwa 52 μs oder kürzer einzustellen, wenn derartige Fakten berücksichtigt werden.
Es ist wünschenswert, den vorbestimmten Schwellenwert Ith in dem Bereich von 8 bis 10 A einzustellen, und die Begrenzungsperiode T in dem Bereich von 34 bis 52 μs in Bezug auf die vorstehend angegebenen beiden Gesichtspunkte einzustellen. Werden insbesondere der vorbestimmte Schwellenwert Ith und die Begrenzungsperiode T gemäß der vorstehenden Beschreibung eingestellt, dann liegt der sich ergebende Geräuschpegel etwa bei dem Geräuschpegel bestehender elektromagnetisch angetriebener Injektoren (etwa 90 dB).
Zum Erreichen eines Geräuschpegels, der im wesentlichen gleich demjenigen elektromagnetisch angetriebener Injektoren ist, ist es ferner wünschenswert, die Begrenzungsperiode T auf etwa 47 μs einzustellen, wenn der vorbestimmte Schwellenwert Ith bei 8 A liegt, die Periode T auf etwa 50 μs oder länger einzustellen, wenn der vorbestimmte Schwellenwert Ith bei 10 A liegt, und die Periode T auf einen interpolierten Wert zwischen den Werten 47 μs und 50 μs einzustellen, wenn der vorbestimmte Schwellenwert Ith zwischen den vorstehend angegebenen Werten liegt.
Ein Vorteil der piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb besteht darin, daß sie eine höhere Ansprechfähigkeit im Vergleich zu elektromagnetisch angetriebenen bzw. angesteuerten Injektoren aufweisen. Die Ansprechfähigkeit wird gering bzw. langsam, wenn die Begrenzungsperiode T exzessiv länger wird, oder wenn der vorbestimmte Schwellenwert Ith auf einen sehr kleinen Wert eingestellt wird, und die Injektoren können ihre vorteilhafte Charakteristik bzw. Eigenschaften verlieren, daß sie bezüglich einer höheren Ansprechfähigkeit besser als elektromagnetisch angetriebene Injektoren sind. Werden der vorbestimmte Schwellenwert Ith und die Begrenzungsperiode T gemäß der vorstehenden Beschreibung eingestellt, dann kann in diesem Zusammenhang der Geräuschpegel der Injektoren vergleichbar zu demjenigen eines elektromagnetisch angetriebenen Injektors gehalten werden, wobei die Ansprechfähigkeit höher als diejenige eines elektromagnetisch angetriebenen Injektors gehalten werden kann.
Nachdem der den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zugeführte Elektrizitätsbetrag gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel für die Begrenzungsperiode T unter Verwendung des vorbestimmten Schwellenwerts Ith begrenzt ist, wird der den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zugeführte Elektrizitätsbetrag vergrößert, um auf schnelle Weise die piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb in den voll geöffneten Zustand zu bringen (ein voll geöffneter Zustand der Düsennadel 54 und des Kreuzventils 66). Zum Bewirken einer derartigen Steuerung zur Vergrößerung der Elektrizität ist es wünschenswert, das Bezugssignal in der Weise einzustellen, daß eine Einschaltzeit zu einer optimalen Zeit nach dem Ablaufen der Begrenzungsperiode T auftritt, und in der Weise, daß die Dauer des Ausschaltvorgangs in der Begrenzungsperiode T nicht zu lang wird.
Das erste Ausführungsbeispiel, das im einzelnen vorstehend beschrieben wurde, bietet die nachfolgenden Vorteile.

(1) Durch Begrenzen des zugeführten Elektrizitätsbetrags zu den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb für die Begrenzungsperiode T kann verhindert werden, daß Energie im Übermaß in den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb akkumuliert wird, bevor die Ventile der piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb sich zu öffnen beginnen (d. h. bevor die Düsennadel 54 und das Kreuzventil 66 sich zu öffnen beginnen und die Versetzung des piezoelektrischen Kolbens 80 beginnt). Es ist auf diese Weise möglich, Vibrationen (Vibrationen in Verbindung mit der Versetzung der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb) zu vermindern, die zu den piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb übertragen werden, wenn sich die Ventile der piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb zu öffnen beginnen, wobei dies folglich ein befriedigendes Unterdrücken der Geräusche ermöglicht. Durch Vergrößern des zugeführten Elektrizitätsbetrags nach der Steuerung zur Begrenzung derselben kann ferner jede Verzögerung des Ventilöffnungsvorgangs der piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb vermieden werden, d. h. es kann die Ansprechfähigkeit der piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb aufrecht erhalten werden.
(2) Der den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zugeführte Elektrizitätsbetrag als Ergebnis der periodischen Ein- und Ausschaltvorgänge wird bezüglich der Begrenzungsperiode T überwacht und es wird eine Begrenzung in der Weise durchgeführt, daß der zugeführte Elektrizitätsbetrag den vorbestimmten Schwellenwert Ith nicht übersteigt. Auf diese Weise kann im Ergebnis der zugeführte Elektrizitätsbetrag während der Begrenzungsperiode T auf einfache Weise begrenzt werden.
(3) Das Bezugssignal zum Ermöglichen der periodischen Ein- und Ausschaltvorgänge wird durch die Steuerungseinrichtung 20 erzeugt, und es wird der Ladeschalter 10 in Abhängigkeit von dem Bezugssignal ein- und ausgeschaltet. Ferner ist das Bezugssignal ein periodisches Signal mit einer regulären Zeitfolge, bei dem die Zeitlängen (Dauer) der Einschaltvorgänge und der Ausschaltvorgänge konstant sind. Daher können Einschaltvorgänge und Ausschaltvorgänge mittels eines einfachen Aufbaus bewirkt werden.
(4) Durch Einstellen der Begrenzungsperiode T auf etwa 34 μs oder länger kann der Geräuschpegel der piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb in erheblichem Umfang reduziert werden, während die Ansprechfähigkeit derselben aufrecht erhalten wird.
(5) Durch Einstellen des vorbestimmten Schwellenwerts Ith in dem Bereich von etwa 8 bis 10 A kann der Geräuschpegel der piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb in befriedigender Weise vermindert werden, während die Ansprechfähigkeit derselben aufrecht erhalten wird.

(Zweites Ausführungsbeispiel)
Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, daß die Ladungssteuerung durchgeführt wird durch Überwachen des den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zugeführten Elektrizitätsbetrags, um zu verhindern, daß der Betrag den vorbestimmten Schwellenwert Ith überschreitet, und durch Einstellen des vorbestimmten Schwellenwerts Ith in der Weise, daß er einen größeren Wert aufweist, nachdem die Begrenzungsperiode T abgelaufen ist, als in der Begrenzungsperiode T.
7 zeigt eine Erregungssteuerung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. (a) in 7 zeigt Übergänge eines Einspritzsignals. (b) in 7 zeigt ein Bezugssignal. (c) in 7 zeigt Übergänge tatsächlicher Zustände der Ein- und Ausschaltvorgänge des Ladeschalters 10. (d) in 7 zeigt Übergänge des vorbestimmten Schwellenwerts Ith. (e) in 7 zeigt Übergänge des den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zugeführten Elektrizitätsbetrags. (f) in 7 zeigt Übergänge der Spannung an den Anschlüssen der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb zum Tragen eines höheren Potenzials.
Wird das Einspritzsignal durch die elektronische Steuerungseinheit 30 zu einer Zeit t21 ausgegeben, dann erzeugt gemäß der Darstellung in 7 die Steuerungseinrichtung 20 das Bezugssignal und betätigt den Ladeschalter 10 in gleicher Weise, wie es in 5 dargestellt ist. In dem ersten Ausführungsbeispiel wird der vorbestimmte Schwellenwert Ith von einem ersten Wert TH1 zu einem zweiten Wert TH2, der größer ist als der erste Wert, nach dem Ablauf der Begrenzungsperiode T geändert. Die Begrenzungsperiode T und der erste Wert TH1 werden in gleicher Weise wie die Begrenzungsperiode T und der Schwellenwert Ith in dem ersten Ausführungsbeispiel eingestellt. Der zweite Wert TH2 wird niedriger eingestellt als der Wert, bei dem eine Beschädigung der Schaltung zur Ansteuerung der piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb, wie eine Beschädigung des Ladeschalters 10 infolge eines übergroßen Stroms auftreten kann.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel stellt die nachfolgenden Vorteile zusätzlich zu den Vorteilen (1) bis (5) des ersten Ausführungsbeispiels bereit.
(6) Durch Begrenzen des den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zugeführten Elektrizitätsbetrags in der Weise, daß dieser den zweiten Schwellenwert TH2 nach Ablauf der Begrenzungsperiode T nicht überschreitet, kann eine Beschädigung der die piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb ansteuernden Schaltung vermieden werden.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, daß jede Einschaltperiode des Bezugssignals eine kürzere Dauer während der Begrenzungsperiode T als nach der Begrenzungsperiode T aufweist.
8 zeigt die Erregungssteuerung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. (a) in 8 zeigt Übergänge des Einspritzsignals. (b) in 8 zeigt Übergänge des Bezugssignals zum Ermöglichen der periodischen Ein- und Ausschaltvorgänge des Ladeschalters 10. (c) in 8 zeigt Übergänge des den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zugeführten Elektrizitätsbetrags. (d) in 8 zeigt Übergänge der Spannung an den Anschlüssen der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb zum Tragen eines höheren Potenzials. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine offene Steuerung durchgeführt, sodass folglich kein Vergleich des mittels der Widerstände 16a und 16b überwachten Stroms mit dem Schwellenwert Ith durchgeführt wird. Das zu dem Ladeschalter 10 ausgegebene Signal dient als Bezugssignal.
Wird das Einspritzsignal durch die elektronische Steuerungseinheit 30 zu einer Zeit t31 ausgegeben, dann erzeugt gemäß der Darstellung in 8 die Steuerungseinrichtung 20 das Bezugssignal und betätigt den Ladeschalter 10 auf der Basis des Signals. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist ein Einschaltvorgang, der durch das Bezugssignal bestimmt ist, eine kürzere Dauer ts während der Begrenzungsperiode T als diejenige tl nach der Begrenzungsperiode T auf. In der Begrenzungsperiode T wird die Dauer ts allmählich im Verlauf der Zeit vergrößert, nachdem die Erregung der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb gestartet wird. Somit wird die Dauer ts des Einschaltvorgangs eines n-ten Ein/Ausschaltvorgangs in der Weise eingestellt, daß eine durch ts(n) > ts(n – 1) ausgedrückte Beziehung erfüllt ist. Nach dem Ablauf der Begrenzungsperiode T dient ein zu dem im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Signal gleichartiges Signal als das Bezugssignal.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls die Vorteile (1), (4) und (5) des ersten Ausführungsbeispiels bereit.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
Das vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, daß das Verhältnis der Dauer des Einschaltvorgangs eines Zyklus von Ein- und Ausschaltvorgängen zur Dauer des Ausschaltvorgangs (EIN-Zeit/AUS-Zeit) kleiner als während der Begrenzungsperiode T eingestellt ist. Dies bedeutet, daß die Frequenz des Bezugssignals während der Begrenzungsperiode T niedriger eingestellt wird als diejenige nach der Begrenzungsperiode T.
9 zeigt eine Erregungssteuerung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. (a) in 9 zeigt Übergänge des Einspritzsignals. (b) in 9 zeigt Übergänge des Bezugssignals zum Ermöglichen der periodischen Ein- und Ausschaltvorgänge des Ladeschalters 10. (c) in 9 zeigt Übergänge des den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zugeführten Elektrizitätsbetrags. (d) in 9 zeigt Übergänge der Spannung an den Anschlüssen der piezoelektrischen Elemente Pa und Pb zum Tragen eines höheren Potenzials. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine offene Steuerung durchgeführt, sodass kein Vergleich des mittels der Widerstände 16a und 16b überwachten Stroms mit dem Schwellenwert Ith durchgeführt wird. Das zu dem Ladeschalter 10 ausgegebene Signal dient als das Bezugssignal.
Wird das Einspritzsignal durch die elektronische Steuerungseinheit 30 zu einer Zeit t41 ausgegeben, dann erzeugt gemäß der Darstellung in 9 die Steuerungseinrichtung 20 das Bezugssignal und betätigt den Ladeschalter 10 auf der Basis des Signals. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Verhältnis der Dauer des Einschaltvorgangs eines Zyklus der Ein- und Ausschaltvorgänge zu dem Ausschaltvorgang (EIN-Zeit/AUS-Zeit) kleiner während der Begrenzungsperiode T eingestellt. Ferner wird während der Begrenzungsperiode T das Verhältnis rn der Dauer des Einschaltvorgangs eines n-ten Zyklus der Ein- und Ausschaltvorgänge zu der Dauer des Ausschaltvorgangs in der Weise eingestellt, daß eine durch r(n) > r(n – 1) ausgedrückte Beziehung erfüllt ist. Nach dem Ablauf der Begrenzungsperiode T dient ein zu dem in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Signal gleichartiges Signal als das Bezugssignal.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel bietet ebenfalls die Vorteile (1), (4) und (5) des ersten Ausführungsbeispiels.
(Andere Ausführungsbeispiele)
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele können in der nachfolgenden Weise abgewandelt werden.
Das Bezugssignal im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Signal zum Bestimmung, dass jede EIN-Zeit und AUS-Zeit die gleiche Länge haben soll. Beispielsweise kann das Signal bestimmen, daß ein Zyklus nach Ablauf der Begrenzungsperiode länger sein kann als in der Begrenzungsperiode. Im Ergebnis ist es in der Begrenzungsperiode möglich, in verlässlicher Weise zu verhindern, daß die Dauer des Ausschaltvorgangs jedes Zyklus extrem lang wird, auch wenn der Ladeschalter 10 ausgeschaltet wird, wenn der den piezoelektrischen Elementen Pa und Pb zugeführte Elektrizitätsbetrag gleich dem vorbestimmten Schwellenwert Ith ist oder diesen übersteigt. Ferner kann der in jedem Zyklus zugeführte Elektrizitätsbetrag in ausreichendem Maße nach dem Ablauf der Begrenzungsperiode aufrecht erhalten werden.
Die Dauer des Einschaltvorgangs des n-ten Ein- und Ausschaltvorgangs wird eingestellt zum Erfüllen der Beziehung ts(n) > ts(n – 1) lediglich in der Begrenzungsperiode in dem dritten Ausführungsbeispiel. Beispielsweise kann die Beziehung ts(n) > ts(n – 1) aufrecht erhalten werden, nachdem die Begrenzungsperiode abgelaufen ist, und es können sämtliche Einschaltvorgänge in der Begrenzungsperiode alternativ dieselbe Dauer aufweisen.
Das Verhältnis rn der Dauer des Einschaltvorgangs des n-ten Zyklus eines Ein- und Ausschaltvorgangs zur Dauer des Ausschaltvorgangs wird zur Erfüllung der Beziehung r(n) > r(n – 1) lediglich in der Begrenzungsperiode in dem vierten Ausführungsbeispiel eingestellt. Beispielsweise kann die Beziehung r(n) > r(n – 1) nach dem Ablauf der Begrenzungsperiode aufrecht erhalten werden, und es kann das Verhältnis zwischen sämtlichen Zyklen in der Begrenzungsperiode gleich eingestellt werden.
Die Steuerungseinheit zur Steuerung der Ladung (Aufladung) der piezoelektrischen Elemente durch Begrenzen des den piezoelektrischen Elementen für die Begrenzungsperiode nach der Erregung zugeführten Elektrizitätsbetrags wird in Verbindung mit einer Vergrößerung des Betrags danach gestartet, und es ist die Anordnung jedoch nicht auf den Aufbau einschließlich der Steuerungseinrichtung 20 und der elektronischen Steuerungseinheit 30 beschränkt. Eine derartige Abfolge von Steuerungsmaßnahmen kann insgesamt durch eine elektronische Steuerungseinrichtung mit einer Zentralverarbeitungseinheit durchgeführt werden. Es ist nicht wesentlich, daß die Steuerungseinheit die Abläufe in den vorstehenden Ausführungsbeispielen durchführt und Modifikationen derselben vornimmt durch Erzeugen eines Bezugssignals.
Die Einstellung des vorbestimmten Schwellenwerts Ith und der Begrenzungsperiode T ist nicht auf das in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Beispiel beschränkt. Die Begrenzungsperiode T kann die Periode sein von Beginn der Erregung bis sich die Ventile der piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb zu öffnen beginnen (vorzugsweise die Periode, bis sich das Kreuzventil 66 zu öffnen beginnt). Gemäß der vorstehenden Beschreibung bestehen unterschiedliche Anforderungen für eine Brennstoffeinspritzsteuerung, und diese Anforderungen stehen häufig zueinander im Widerspruch. In Abhängigkeit von einer Anpassung zwischen diesen Anforderungen kann es daher wünschenswert sein, nicht den vorbestimmten Schwellenwert Ith und die Begrenzungsperiode T zu verwenden, die beispielhaft in der im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Weise eingestellt werden. Auch in einem derartigen Fall kann der Geräuschpegel vermindert werden durch Steuern des den piezoelektrischen Elementen zugeführten Elektrizitätsbetrags in der Weise, daß dieser nach der Begrenzung während einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem Beginn der Erregung vergrößert wird, oder durch Steuern der den piezoelektrischen Elementen zugeführten Energie in der Weise, daß sie nach der Begrenzung während einer vorbestimmten Periode nach dem Beginn der Erregung vergrößert wird. Ferner kann die Begrenzungsperiode T auf etwa 1/3 der Periode der Ladesteuerung eingestellt werden.
Die piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb sind nicht auf den in 10 beispielhaft dargestellten Aufbau beschränkt. Erforderlich ist in diesem Fall, daß es sich um Brennstoffeinspritzventile mit einem piezoelektrischen Element als Betätigungsglied handelt. Insbesondere kann ein Injektor verwendet werden, dessen Inneres unter der Steuerung der Expansion und Kontraktion eines piezoelektrischen Elements eine Verbindung nach außen (einer Brennkammer) erhält und auch davon getrennt (isoliert) wird. Insbesondere kann ein piezoelektrischer Injektor verwendet werden, der ein Kreuzventil aufweist, das es ermöglicht, daß ein Hochdruckbrennstoffkanal, dem ein Hochdruckbrennstoff zugeführt wird, und ein Niederdruckbrennstoffkanal zum Rückführen des Brennstoffs zu einem Tank, miteinander in Verbindung gebracht oder voneinander getrennt werden. Das Kreuzventil wird durch die Expansion eines piezoelektrischen Elements zum Bewirken einer Verbindung zwischen der Außenseite (einer Brennkammer) und dem Inneren des piezoelektrischen Injektors geöffnet, und um auf diese Weise Brennstoff einzuspritzen. Wird ein Aufbau verwendet, bei dem ein Ende des piezoelektrischen Elements an dem Körper des Injektors angebracht ist, dann besteht in dem Fall die Möglichkeit, daß Geräusche durch Vibrationen erzeugt werden, die zu dem Injektorkörper übertragen werden, wenn dem piezoelektrischen Element übergroße Energie zugeführt wird. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein derartiger Injektor verwendet wird.
Beispielsweise können piezoelektrische Elemente Pa und Pb mit elektrischer Leistung mit einer angemessenen Spannung unter Verwendung einer durch den DC-DC-Wandler 2 verstärkten Spannung ohne den Kondensator 6 zugeführt werden. Beispielsweise kann der DC-DC-Wandler 2 weggelassen werden, falls die Batterie B eine ausreichend hohe Spannung aufweist.
Es ist nicht wesentlich, daß die piezoelektrischen Injektoren PIa und PIb Brennstoffeinspritzventile sind, die in einer Dieselmaschine verwendet werden, und es kann sich auch um Brennstoffeinspritzventile handeln, die in einer Benzin-Brennkraftmaschine mit Zylindereinspritzung verwendet werden.
Somit ist eine Treibervorrichtung 1 für ein piezoelektrisches Betätigungsglied Pa und Pb vorgesehen, die in befriedigender Weise Geräusche unterdrücken kann, während die Ansprechfähigkeit eines Brennstoffinjektors PIa und PIb einschließlich des piezoelektrischen Betätigungsglieds Pa und Pb aufrecht erhalten wird. Ein Ladeschalter 10 wird auf der Basis eines Einspritzsignals zur Steuerung der Aufladung des piezoelektrischen Elements in synchron mit dem hohen Pegel und dem niedrigen Pegel eines Bezugssignals periodisch ein- und ausgeschaltet. Der dem piezoelektrischen Element zugeführte Elektrizitätsbetrag im Ergebnis der Ein- und Ausschaltvorgänge wird für eine vorbestimmte Periode T überwacht, und es wird eine Begrenzung in der Weise durchgeführt, daß der überwachte zugeführte Elektrizitätsbetrag einen vorbestimmten Schwellenwert Ith nicht übersteigt.

Claims

Treibervorrichtung für ein piezoelektrisches Betätigungsglied zur Steuerung der Aufladung und Entladung des piezoelektrischen Elements (86) eines piezoelektrischen Betätigungsglieds (Pa, Pb), das zum Antreiben eines Ventils (66) vorgesehen ist, wobei die Treibervorrichtung umfasst: eine Steuerungseinheit (20) zur Steuerung der Ladung und Entladung des piezoelektrischen Elements zum Öffnen und Schließen des Ventils (54, 66), und einem Strompfad zum Zuführen elektrischer Leistung von einer Versorgungseinheit (B, 2) zu dem piezoelektrischen Element über eine Spule (12) und einen Ladeschalter (10) zum Steuern des Öffnens und des Schließens des Strompfads, wobei die Steuerungseinheit (20) die Ladung des piezoelektrischen Elements durch periodische Ein- und Ausschaltvorgänge des Ladeschalters steuert, die Steuerungseinheit (20) den dem piezoelektrischen Element zugeführten elektrischen Energiebetrag auf einen vorbestimmten Schwellenwert (Ith) für eine vorbestimmte Begrenzungsperiode (T) zu Beginn der Erregung des piezoelektrischen Elements begrenzt, und unmittelbar nach der vorbestimmten Begrenzungsperiode (T) den elektrischen Energiebetrag vergrößert, so dass er höher ist als der vorbestimmte Schwellenwert (Ith), das piezoelektrische Betätigungsglied (Pa, Pb) zum Antreiben eines Brennstoffinjektors (PIa, PIb) einschließlich eines Brennstoffeinspritzventils (54) dient, der Brennstoffinjektor ein Kreuzventil (66) umfasst, das eine Verbindung zwischen einem Hochdruckbrennstoffkanal (58), dem ein Hochdruckbrennstoff zugeführt wird, und einem Niederdruckbrennstoffkanal (72) zum Rückführen des Brennstoffs zu einem Tank herstellt oder unterbricht, und das durch die Expansion des piezoelektrischen Elements geöffnet wird zum Öffnen einer Brennstoffeinspritzöffnung und zum auf diese Weise Einspritzen des Brennstoffs, und die Steuerungseinheit (20) die Begrenzungssteuerung durchführt, bis angenommen wird, dass das Kreuzventil (66) sich zu öffnen beginnt.
Treibervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit (20) den dem piezoelektrischen Element zugeführten Elektrizitätsbetrag im Ergebnis der periodischen Ein- und Ausschaltvorgänge überwacht und den Elektrizitätsbetrag begrenzt, so dass dieser einen vorbestimmten Schwellenwert (Ith) nicht übersteigt.
Treibervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Steuerungseinheit (20) den vorbestimmten Schwellenwert (Ith) von einem niedrigen Schwellenwert (TH1) zu einem höheren Schwellenwert (TH2) ändert zum Vergrößern des Elektrizitätsbetrags nach der Begrenzungssteuerung.
Treibervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit (20) eine Dauer jedes Einschaltvorgangs von einer kurzen Dauer (ts) zu einer langen Dauer (tl) ändert zum Vergrößern des Elektrizitätsbetrags nach der Begrenzungssteuerung.
Treibervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuerungseinheit (20) ein Bezugssignal für periodische Ein- und Ausschaltvorgänge erzeugt, und wobei das Bezugssignal die kurze Dauer (ts) während der Begrenzungssteuerung und die lange Dauer (tl) nach der Begrenzungssteuerung aufweist.
Treibervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit (20) das Verhältnis der Dauer des Einschaltvorgangs eines Zyklus des Ein- und Ausschaltvorgangs zu der Dauer des Ausschaltvorgangs von einem kleinen Verhältnis zu einem großen Verhältnis nach der Begrenzungssteuerung ändert.
Treibervorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 6, wobei die Steuerungseinheit (20) ein Bezugssignal für die periodischen Ein- und Ausschaltvorgänge erzeugt und den Ladeschalter (10) auf der Basis des Bezugssignals periodisch ein- und ausschaltet.
Treibervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuerungseinheit (20) den zugeführten Elektrizitätsbetrag zu Beginn der Erregung auf einen Bereich von 8 A bis 10 A begrenzt.
Treibervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuerungseinheit (20) die Begrenzungssteuerung für 34 μs oder länger fortsetzt.