-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Ansteuerung einer Piezo-Einspritzvorrichtung, die
ein piezoelektrisches Element als eine Betätigungseinrichtung bzw. als
einen Aktor umfasst.
-
Ein
herkömmliches
Ansteuerungsgerät
für eine
Piezo-Einspritzvorrichtung
steuert das Ausdehnen und Zusammenziehen eines piezoelektrischen Elements,
indem das piezoelektrische Element in einer Mehrfachschaltweise
geladen oder entladen wird. Die Mehrfachschaltweise lädt und entlädt das piezoelektrische
Element, während
die Größe eines Stroms,
der durch das piezoelektrische Element fließt, wiederholt vergrößert und
verkleinert wird, indem eine Schaltvorrichtung durch eine Stromstellersteuerung
bzw. Unterbrechersteuerung oder Chopper-Steuerung wiederholt ein-
und ausgeschaltet wird.
-
Die
Kapazität
des piezoelektrischen Elements ändert
sich erheblich mit der Temperatur. Dementsprechend kann sich, auch
wenn sich eine elektrische Zustandsgröße, die eine Wechselbeziehung
mit einer Ausdehnungs- und Zusammenziehgröße des piezoelektrischen Elements
aufweist, wie beispielsweise eine Spannung, die an das piezoelektrische
Element angelegt wird, nicht ändert,
eine Ausdehnungs- und Zusammenziehgröße des piezoelektrischen Elements
in Abhängigkeit
von einer Änderung
in der Temperatur des piezoelektrischen Elements ändern.
-
Dementsprechend
macht, wie es in der JP-2002-136156A offenbart ist, ein Ansteuerungsgerät eine Einschaltzeit
bei jedem Ein-Betrieb bei einer Schaltvorrichtung konstant und schaltet
von einem Aus-Betrieb zu einem Ein-Betrieb um, wenn ein Strom, der
durch das piezoelektrische Element fließt, Null wird. Durch Ausführung derartiger
Ein- und Aus- Operationen
kann eine Energie, die dem piezoelektrischen Element zugeführt wird,
unabhängig
von der Temperatur des piezoelektrischen Elements im Wesentlichen
konstant gehalten werden.
-
Die
nachstehend genannten Schwierigkeiten können mit der Chopper-Steuerung
in einer derartigen Betriebsart auftreten. Da eine Energieänderung bei
dem Start eines Ladens oder Entladens des piezoelektrischen Elements
groß ist,
wird ein großer Lärm oder
ein großes
Rauschen erzeugt, wenn die Einspritzvorrichtung angesteuert wird.
Außerdem schwingt
das piezoelektrische Element stark, da eine Energieänderung
bei dem Ende eines Ladens des piezoelektrischen Elements groß ist. Da
eine Vergrößerung der
Schwingung eine Vergrößerung eines Energieverlustes
verursacht, kann eine endgültige Verschiebungsgröße es piezoelektrischen
Elements nicht genau gesteuert werden. Des Weiteren kann sich, da
eine Energieänderung
bei dem Ende eines Entladens groß ist, wenn sich das Ventil
der Piezo-Einspritzvorrichtung öffnet
und dann schließt
und das piezoelektrische Element stark schwingt, der Ventilkörper in
der Piezo-Einspritzvorrichtung mit einem erhöhten Geräusch setzen. Wenn das piezoelektrische
Element bei dem Ende eines Entladens stark schwingt, wenn eine regenerative
Steuerung ausgeführt
wird, um eine Entladungsenergie wiederherzustellen, kann der Betrag
der Energie, die in dem piezoelektrischen Element wiederhergestellt
werden kann, abnehmen.
-
Es
ist möglich,
eine Änderung
der elektrischen Energie des piezoelektrischen Elements klein einzustellen.
In diesem Fall dauert es jedoch länger, das Ventil der Piezo-Einspritzvorrichtung
zu öffnen oder
zu schließen.
Da es ein Vorzug der Piezo-Einspritzvorrichtung ist, eine höhere Ansprechempfindlichkeit
als Einspritzvorrichtungen aufzuweisen, die einen Elektromagneten
oder dergleichen als eine Betätigungseinrichtung
einsetzen, kann eine Verringerung des Absolutwerts einer Änderungsrate
der elektrischen Energie einen Verlust des Vorzugs verursachen.
-
Ohne
auf den Fall begrenzt zu sein, bei dem elektrische Zustandsgrößen des
piezoelektrischen Elements in der vorstehend beschriebenen Betriebsart
betrieben werden, tritt bei einer Steuerung des Ausdehnens und des
Zusammenziehens des piezoelektrischen Elements die vorstehend beschriebene Schwierigkeit
im Allgemeinen aufgrund einer Vergrößerung einer Änderung
der elektrischen Zustandsgrößen bei
dem Start oder dem Ende eines Ladens oder Entladens auf.
-
Die
vorliegende Erfindung weist folglich eine Aufgabe auf, ein Ansteuerungsgerät für eine Piezo-Einspritzvorrichtung
bereitzustellen, das in geeigneter Weise Schwierigkeiten überwinden
kann, die bei dem Start und dem Ende eines Ladens oder Entladens
eines piezoelektrischen Elements auftreten, während eine hohe Ansprechempfindlichkeit
aufrechterhalten wird.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Ansteuerungsgerät gemäß Patentanspruch 1, 9, 10,
11 oder 12 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Gemäß einer
ersten Ausgestaltung weist ein Ansteuerungsgerät für eine Piezo-Einspritzvorrichtung,
die ein piezoelektrisches Element umfasst, eine Ansteuerungsschaltung
zur Steuerung von elektrischen Zustandsgrößen des piezoelektrischen Elements
auf, die eine Wechselbeziehung mit Größen eines Ausdehnens und eines
Zusammenziehens des piezoelektrischen Elements aufweisen. Das Gerät weist
ebenso eine Einstellschaltung und eine Betriebsschaltung auf. Die
Einstellschaltung stellt bei einer Steuerung zumindest eines des
Ausdehnens und des Zusammenziehens des piezoelektrischen Elements
die elektrischen Zustandsgrößen ein,
um einen Absolutwert einer Änderungsrate
der elektrischen Zustandsgrößen nach
einem Start der Steuerung zu vergrößern und den Absolutwert einer Änderungsrate
der elektrischen Zustandsgrößen vor
einem Ende der Steuerung zu verkleinern. Die Betriebsschaltung steuert
bzw. betätigt
die Zustandsgrößen über die
Ansteuerungsschaltung, um den eingestellten Zustandsgrößen zu entsprechen.
-
Gemäß einer
zweiten Ausgestaltung stellt die Einstellschaltung die Zustandsgrößen ein,
um eine Änderungsrate
der elektrischen Energie des piezoelektrischen Elements bei einem
Ende eines Ladens des piezoelektrischen Elements zu verkleinern. Die
Betriebsschaltung steuert die Zustandsgrößen über die Ansteuerungsschaltung,
um den eingestellten Zustandsgrößen zu entsprechen.
-
Gemäß einer
dritten Ausgestaltung stellt die Einstellschaltung die Zustandsgrößen ein,
um den Absolutwert einer Änderungsrate
der elektrischen Zustandsgrößen des
piezoelektrischen Elements nach dem Start eines Entladens des piezoelektrischen
Elements zu vergrößern. Die
Betriebsschaltung steuert die Zustandsgrößen über die Ansteuerungsschaltung,
um den eingestellten Zustandsgrößen zu entsprechen.
-
Gemäß einer
vierten Ausgestaltung stellt die Einstellschaltung ein Muster zum Ändern der
Absolutwerte von Änderungsraten
der elektrischen Zustandsgrößen bei
zumindest einer Verarbeitung eines Ausdehnens und eines Zusammenziehens
des piezoelektrischen Elements in einer Verarbeitungszeitdauer auf
der Grundlage eines Kraftmaschinenzustands oder eines Fahrzeugzustands
variabel ein. Die Betriebsschaltung steuert die Zustandsgrößen über die
Ansteuerungsschaltung, so dass die elektrischen Zustandsgrößen dem
Muster, das durch die Einstellschaltung eingestellt wird, entsprechen.
-
Die
vorstehend genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen
Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung besser ersichtlich.
Es zeigen:
-
1 ein
schematisches Diagramm, das ein Kraftmaschinensystem zeigt, das
ein Ansteuerungsgerät
für eine
Piezo-Einspritzvorrichtung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet,
-
2 eine
Schnittansicht, die eine Piezo-Einspritzvorrichtung
zeigt, die in dem ersten Ausführungsbeispiel
verwendet wird,
-
3 ein
Schaltungsdiagramm, das das Ansteuerungsgerät gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
zeigt,
-
4 ein
Zeitablaufdiagramm, das eine Regelungsbetriebsart gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
zeigt,
-
5 ein
Schaltungsdiagramm zur Beschreibung, das in einem piezoelektrischen
Element Leistung verschwendet werden kann,
-
6A und 6B Zeitablaufdiagramme, die
Betriebsspannungsmuster und Muster der Absolutwerte von Änderungsraten
von Betriebsspannungen gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
zeigen,
-
7A und 7B Zeitablaufdiagramme, die
Muster der Absolutwerte von Änderungsraten
von Betriebsspannungen gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
zeigen,
-
8 ein
Flussdiagramm, das eine Einstellbetriebsart eines Betriebsspannungsmusters
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
zeigt,
-
9 ein
Schaltungsdiagramm, das ein Ansteuerungsgerät einer Piezo-Einspritzvorrichtung
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt,
-
10A und 10B Zeitablaufdiagramme,
die elektrische Energiemuster und Leistungsmuster gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
zeigen,
-
11A und 11B Zeitablaufdiagramme, die
Leistungsmuster gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
zeigen,
-
12 ein
Flussdiagramm, das eine Einstellbetriebsart eines Betriebsenergiemusters
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
zeigt,
-
13 ein
Zeitablaufdiagramm, das einen Übergang
von Betriebsströmen
in einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels zeigt,
-
14 ein
Zeitablaufdiagramm, das den Übergang
von Betriebsströmen
in einer Variante des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt, und
-
15A bis 15C Zeitablaufdiagramme, die
elektrische Energiemuster und Spannungsmuster gemäß einer
Variante der Ausführungsbeispiele
zeigen.
-
(Erstes Ausführungsbeispiel)
-
In
einem Dieselkraftmaschinensystem, das in 1 gezeigt
ist, wird Kraftstoff in einem Kraftstofftank 2 durch eine
Hochdruckkraftstoffzufuhrpumpe 4 hochgepumpt und unter
Druck einer gemeinsamen Kraftstoffleitung bzw. einem Common-Rail 6 zugeführt. Der
Kraftstoff, der unter hohem Druck in dem Common-Rail 6 gespeichert
wird, wird einer Piezo- Einspritzvorrichtung
PI, die bei jedem Zylinder einer Vier-Zylinder-Dieselkraftmaschine bereitgestellt ist, über einen
Hochdruckkraftstoffdurchgang 8 zugeführt. Jede Piezo-Einspritzvorrichtung
PI ist mit einem Niedrigdruckkraftstoffdurchgang 9 verbunden, um
Kraftstoff, der aus ihr entweicht, zu dem Kraftstofftank 2 zurückzuführen.
-
Die
Piezo-Einspritzvorrichtung PI kann so aufgebaut sein, wie es in 2 gezeigt
ist. Genauer gesagt ist ein säulenartiges
Nadelaufbewahrungsteil 12 in einem Körper 10 einer Piezo-Einspritzvorrichtung
PI bereitgestellt. Der Nadelaufbewahrungsteil 12 speichert
eine Düsennadel 14,
die in einer zugehörigen
axialen Richtung bewegbar ist. Wenn die Düsennadel 14 auf einen
ringartigen Nadelsitzteil 16, das bei dem Kopfende bzw.
Vorderteilende des Körpers 10 ausgebildet
ist, gesetzt wird, ist der Nadelaufbewahrungsteil 12 von
der Außenseite
(eine Verbrennungskammer der Dieselkraftmaschine) abgetrennt. Demgegenüber ist,
wenn die Düsennadel 14 den
Nadelsitzteil 16 verlässt,
der Nadelaufbewahrungsteil 12 mit der Außenseite
verbunden. Der Hochdruckkraftstoff, der dem Hochdruckkraftstoffdurchgang 8 zugeführt ist,
wird dem Nadelaufbewahrungsteil 12 zugeführt.
-
Die
hintere Seite der Düsennadel 14 (die
entgegengesetzte Seite zu einer Seite, die dem Nadelsitzteil 16 gegenüberliegt)
liegt einer Gegendruckkammer 20 gegenüber. Der Kraftstoff von dem
Hochdruckkraftstoffdurchgang 8 wird der Gegendruckkammer 2 über eine Öffnung 22 zugeführt. Die
Gegendruckkammer 20 ist mit einer Nadelfeder 24 versehen,
die die Düsennadel 14 zu
dem Nadelsitzteil 16 drückt.
-
Die
Gegendruckkammer 20 kann mit dem Niedrigdruckkraftstoffdurchgang 9 über eine
Kugel 26 verbunden sein. Wenn die Kugel 26 auf
einem ringartigen Ventilsitzteil 30 bei der Seite der zugehörigen Rückseite gesetzt
ist, sind der Niedrigdruckkraftstoffdurchgang 9 und die
Gegendruckkammer 20 voneinander getrennt. Wenn sich die
Kugel 26 hin zu dem Vorderteilende des Körpers 10 verschiebt,
ist der Niedrigdruckkraftstoffdurchgang 9 mit der Gegendruckkammer 20 verbunden.
-
Die
Kugel 26 ist mit einem Kolben mit kleinem Durchmesser 34 auf
der Seite des Ventilsitzteils 30 über einen Druckstift 32 gekoppelt.
Die Rückseite des
Kolbens mit kleinem Durchmesser 34 liegt dem Ende eines
Kolbens mit großem
Durchmesser 36 gegenüber,
der bezüglich
des Durchmessers größer ist als
der Kolben mit kleinem Durchmesser 34. Eine Verschiebungsübertragungskammer 38 ist
ausgebildet, indem sie durch den Kolben mit kleinem Durchmesser 34,
den Kolben mit großem
Durchmesser 36 und der Innenumfangsoberfläche des
Körpers 10 partitioniert
wird. Die Verschiebungsübertragungskammer 38 ist
mit einer geeigneten Flüssigkeit,
wie beispielsweise Kraftstoff, gefüllt.
-
Demgegenüber ist
der Kolben mit großem Durchmesser 36 mit
einem piezoelektrischen Element PE bei der hinteren Seite des Körpers 10 gekoppelt.
Das piezoelektrische Element PE ist bei dem Körper 10 bei der Rückseite
zu einer Seite befestigt, die dem Kolben mit großem Durchmesser 36 gegenüberliegt.
-
Das
piezoelektrische Element PE umfasst ein geschichtetes Element (einen
Piezostapel) mit mehreren gestapelten piezoelektrischen Elementen, die
sich auf Grund inverser piezoelektrischer Effekte ausdehnen und
zusammenziehen, um dem piezoelektrischen Element PE eine Funktion
als eine Betätigungseinrichtung
bzw. als ein Aktor zu verleihen. Genauer gesagt ist das piezoelektrische
Element PE eine kapazitive Last, die sich ausdehnt, wenn sie geladen
wird, und die sich zusammenzieht, wenn sie entladen wird. Das piezoelektrische
Element PE gemäß diesem
Ausführungsbeispiel verwendet
ein piezoelektrisches Element aus einem piezoelektrischen Material,
wie beispielsweise PZT.
-
Wenn
dem piezoelektrischen Element PE kein Strom zugeführt wird
und es sich in einem zusammengezogenen Zustand befindet, sind, da
eine Kraft durch den Hochdruckkraftstoff des Hochdruckkraftstoffdurchgangs 8 ausgeübt wird,
die Kugel 26 und der Kolben mit dem kleinen Durchmesser 34 in die
hintere Richtung (nach oben in 2) vorgespannt
und zu der hinteren Seite des Körpers 10 positioniert.
In diesem Fall sind die Gegendruckkammer 20 und der Niedrigdruckkraftstoffdurchgang 9 durch die
Kugel 26 voneinander getrennt. Dementsprechend wird die
Düsennadel 14 durch
den Kraftstoffdruck (den Druck des Kraftstoffs in dem Common-Rail 6)
in der Gegendruckkammer 20 und die Nadelfeder 24 zu
dem Vorderteilende des Körpers 10 gedrückt und
auf den Nadelsitzteil 16 gesetzt (Ventilschließzustand).
-
Demgegenüber bewegt
sich, wenn dem piezoelektrischen Element PE ein Strom zugeführt wird und
es sich dementsprechend ausdehnt, die Kugel 26 hin zu dem
Vorderteilende des Körpers 10.
Hierdurch wird die Gegendruckkammer 20 mit dem Niedrigdruckkraftstoffdurchgang 9 verbunden.
Als Ergebnis nimmt der Druck des Kraftstoffs in der Gegendruckkammer 20 ab.
Wenn die Kraft, durch die der Hochdruckkraftstoff in dem Nadelaufbewahrungsteil 12 die
Düsennadel 14 zu
der hinteren Seite des Körpers 10 drückt, um
einen vorbestimmten Betrag größer wird
als die Kraft, durch die der Kraftstoff in der Gegendruckkammer 20 und
die Nadelfeder 24 die Düsennadel 14 zu
dem Vorderteilende des Körpers 10 drückt, verlässt die
Düsennadel 14 den
Nadelsitzteil 16 (Ventilöffnungszustand für eine Kraftstoffeinspritzung
von der Einspritzvorrichtung PI).
-
Das
in 1 gezeigte Kraftmaschinensystem umfasst Sensoren
zur Erfassung der Betriebszustände
der Dieselkraftmaschine, wie beispielsweise einen Drucksensor 40 zur
Erfassung des Drucks eines Kraftstoffs in dem Common-Rail 6,
einen Kurbelwellenwinkelsensor 92 zur Erfassung des Winkels
einer Kurbelwelle der Kraftmaschine, einen Kühlmitteltemperatursensor 44 zur
Erfassung der Temperatur eines Kühlmittels
und einen Batteriespannungssensor 46 zur Erfassung der
Spannung einer Batterie. Das Kraftmaschinensystem umfasst einen
Sensor zur Erfassung der Betriebszustände eines Fahrzeugs, in dem
das System eingebaut ist, wie beispielsweise einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 48 zur
Erfassung der Fahrgeschwindigkeiten des Fahrzeugs.
-
Die
Erfassungsergebnisse dieser verschiedenen Sensoren werden bei einer
elektronischen Steuerungseinheit 50, die als ein Ansteuerungsgerät für die Piezo-Einspritzvorrichtung
bereitgestellt ist, verwendet. Entsprechend den Erfassungswerten
betätigt
oder steuert die Steuerungseinheit 50 verschiedene Betätigungseinrichtungen
der Dieselkraftmaschine, wie beispielsweise die Piezo-Einspritzvorrichtungen
PI. Die Steuerungseinheit 50 kann so aufgebaut sein, wie
es in 3 gezeigt ist, wobei sie das piezoelektrische
Element PE, das in der Piezo-Einspritzvorrichtung
PI bereitgestellt ist, in der nachstehend beschriebenen Art und
Weise lädt
und entlädt.
-
Die
Steuerungseinheit 50 umfasst eine Ansteuerungsschaltung 52,
eine Ladeschalterbetriebsschaltung 80, eine Entladeschalterbetriebsschaltung 90 und
einen Mikrocomputer 100.
-
Eine
Leistung, die von einer Batterie B zugeführt wird, wird über einen
Filter 54 einem Gleichstromwandler 56 zugeführt, der
eine Booster-Schaltung beziehungsweise Verstärkerschaltung oder eine Hochsetzschaltung
beziehungsweise Spannungserhöhungsschaltung
(Step-up-Schaltung)
ist. Der Gleichstromwandler 56 verstärkt bzw. erhöht die Spannung
der Batterie B (beispielsweise 12 V) auf eine höhere Spannung (beispielsweise
200 bis 300 V) für
ein Laden des piezoelektrischen Elements PE.
-
Die
Spannung, die durch den Gleichstromwandler 56 erhöht wird,
wird an einen Kondensator 58 angelegt. Der Kondensator 58 weist
einen Anschluss, der mit dem Gleichstromwandler 56 verbunden
ist, und einen anderen Anschluss auf, der über einen Widerstand mit Masse
verbunden ist beziehungsweise geerdet ist. Wenn die Spannung, die durch
den Gleichstromwandler 56 erhöht ist, and den Kondensator 58 angelegt
wird, speichert der Kondensator 58 die Ladungen, die dem
piezoelektrischen Element PE zuzuführen sind. Es ist wünschenswert,
dass der Kondensator 58 eine derartige Kapazität (beispielsweise
mehrere hundert μF)
aufweist, um eine geringe Änderung
in einer zugehörigen
Spannung als Ergebnis eines Ladebetriebs für das piezoelektrische Element
PE zu verursachen.
-
Ein
Hochpotentialanschluss des Kondensators 58, das heißt die Seite
des Gleichstromwandlers 56, ist mit einem Hochpotentialanschluss
des piezoelektrischen Elements PE über eine Reihenschaltung zwischen
einem Ladeschalter 60 und einer Lade-/Entladespule 62 verbunden.
Ein Niedrigpotentialanschluss des piezoelektrischen Elements PE
ist mit Masse verbunden beziehungsweise geerdet.
-
Ein
Anschluss des Entladeschalters 64 ist zwischen dem Ladeschalter 60 und
der Lade-/Entladespule 62 angeschlossen. Der andere Anschluss des
Entladeschalters 64 ist mit Masse verbunden beziehungsweise
geerdet.
-
Eine
Diode 66 ist parallel zu dem Entladeschalter 64 geschaltet.
Die Diode 66 weist eine Kathode, die zwischen dem Kondensator 58 und
der Lade-/Entladespule 62 angeschlossen ist, und eine Annode
auf, die mit der Masseseite verbunden ist. Die Diode 66 bildet
eine Chopper-Schaltung oder Stromstellerschaltung bzw. Unterbrecherschaltung
oder Pulsformerschaltung zum Entladen des piezoelektrischen Elements
PE in Verbindung mit dem Kondensator 58, der Lade-/Entladespule 62 und
dem Entladeschalter 64 und fungiert als eine Freilaufdiode.
-
Eine
Spannungserfassungsschaltung 70 ist zwischen der Lade-/Entladespule 62 und
dem Hochpotentialanschluss des piezoelektrischen Elements PE angeschlossen.
Die Spannungserfassungsschaltung 70 wird zur Erfassung
des Potentials des Hochpotentialanschlusses des piezoelektrischen
Elements PE verwendet. Genauer gesagt umfasst die Spannungserfassungsschaltung 70 eine
Reihenschaltung von Widerständen 72 und 74 sowie
einen Kondensator 76, der parallel zu dem Widerstand 74 angeschlossen
ist. Eine Spannungsschwankung des piezoelektrischen Elements PE
wird in der Spannungserfassungsschaltung 70 geglättet und
wird als ein Potential zwischen den Widerständen 72 und 74 ausgegeben.
-
Eine
Diode 78, die zwischen der Lade-Entladespule 62 und
der Spannungserfassungsschaltung 70 angeschlossen ist,
verhindert, dass eine Spannung des piezoelektrischen Elements PE
negativ wird.
-
Die
Ladeschalterbetriebsschaltung 80 empfängt ein Spannungssignal, das
von der Spannungserfassungsschaltung 70 an eine Spannungsänderungsgeschwindigkeitsberechnungsschaltung 81 ausgegeben
wird, und wandelt es in ein Signal (ein Spannungssignal) um, das
einer Spannungsänderungsrate
entspricht. Das umgewandelte Signal wird an einen negativen Eingangsanschluss
einer Vergleichseinrichtung beziehungsweise eines Komparators 82 angelegt.
Eine Referenzspannung, die durch eine Referenzspannungserzeugungsschaltung 83 ausgegeben
wird, wird an einen positiven Eingangsanschluss der Vergleichseinrichtung 82 angelegt.
Die Vergleichseinrichtung 82, ein Widerstand 84,
der zwischen einem zugehörigen
Ausgangsanschluss und dem positiven Eingangsanschluss angeschlossen ist,
und ein Widerstand 85, der zwischen dem zugehörigen positiven
Eingangsanschluss und der Referenzspannungserzeugungsschaltung 83 angeschlossen
ist, bilden eine Hysterese-Vergleichseinrichtung. Dementsprechend
kehrt sich das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 82 zu
einem niedrigen logischen Pegel L um, wenn ein Spannungswert eines
Ausgangsignals der Geschwindigkeitsberechnungsschaltung 81 von
weniger als der "Referenzspannung
+ ΔV (ΔV: vorbestimmter
Wert)" zu "Referenzspannung
+ ΔV" ansteigt, und kehrt
sich dann zu einem hohen logischen Pegel H um, wenn es auf "Referenzspannung – ΔV" oder weniger abfällt.
-
Das
Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 82 wird einem
Anschluss einer UND-Schaltung 86 zugeführt. Einem anderen Anschluss
der UND-Schaltung 86 wird ein Ausgangssignal einer Einzelschrittschaltung
(One-Shot-Schaltung) beziehungsweise einer monostabilen Kippschaltung 87, die
ein Signal eines hohen logischen Pegels H für eine vorbestimmte Zeitdauer
ausgibt, nachdem ein Ansteuerungssignal, das von außen zugeführt wird, ein
hoher logischer Pegel wird, eingegeben. Demgegenüber wird ein Ausgangssignal
der UND-Schaltung 86 dem Ladeschalter 60 zugeführt, nachdem eine
zugehörige
Leistung durch einen Treiber beziehungsweise eine Ansteuerungseinrichtung 88 umgewandelt
ist.
-
Die
Entladeschalterbetriebsschaltung 90 weist die gleiche Schaltung 91 wie
die Ladeschalterbetriebsschaltung 80 auf. Des Weiteren
umfasst die Entladeschalterbetriebsschaltung 90 einen Umkehrverstärker 92,
der die positive/negative Polarität eines Ausgangssignals der
Spannungserfassungsschaltung 70 umkehrt und das umgekehrte
Signal an die gleiche Schaltung wie die Geschwindigkeitsberechnungsschaltung 81 ausgibt.
Des Weiteren umfasst die Entladeschalterbetriebsschaltung 90 einen Invertierer
beziehungsweise Umkehrer 93, der das Ansteuerungssignal
auffängt
und das Signal logisch umgekehrt an die gleiche Schaltung wie die
Einzelschrittschaltung (One-Shot-Schaltung)
beziehungsweise monostabile Kippschaltung 87 ausgibt.
-
Demgegenüber gibt
der Mikrocomputer 100 das Ansteuerungssignal und ein Befehlssignal
zur Einstellung einer Referenzspannung der Referenzspannungserzeugungsschaltung 83 auf
der Grundlage von Erfassungswerten und verschiedenen Sensoren zur
Erfassung der Betriebszustände
der Dieselkraftmaschine und der Betriebszustände des Fahrzeugs aus.
-
In 4 ist
eine Betriebsart für
eine Ladeverarbeitung und eine Entladeverarbeitung gezeigt. In 4 zeigt
(a) den Übergang
des Ansteuerungssignals, das von dem Mikrocomputer 100 ausgegeben wird
und eine Einspritzzeitdauer anzeigt. (b) zeigt den Übergang
des Ausgangssignals der Einzelschrittschaltung (One-Shot-Schaltung)
beziehungsweise monostabilen Kippschaltung 87 an. (c) zeigt den Übergang
des Ausgangssignals einer Einzelschrittschaltung (One-Shot-Schaltung) beziehungsweise
monostabilen Kippschaltung in der Entladeschalterbetriebsschaltung 90 an.
(d) zeigt den Übergang
eines Betriebssignals des Ladeschalters 60. (e) zeigt den Übergang
eines Betriebssignals des Entladeschalters 64. (f) zeigt
einen Strom (Betriebsstrom) I, der durch das piezoelektrische Element
PE fließt. (g)
zeigt den Übergang
von Spannungen (Betriebsspannungen) V eines Hochpotentialanschlusses
des piezoelektrischen Elements PE. (h) zeigt den Übergang
der Absolutwerte von Änderungsraten
der Betriebsspannung V.
-
Wie
es in 4 gezeigt ist, wird, wenn das Ansteuerungssignal,
das von dem Mikrocomputer 100 ausgegeben wird, der Ladeschalterbetriebsschaltung 80 bei
einer Zeit T1 zugeführt
wird, eine Chopper-Steuerung gestartet, indem der Ladeschalter 60 durch
die Ladeschalterbetriebsschaltung 80 ein- oder ausgeschaltet
wird. Das heißt,
mit dem Ansteuerungssignal, das zugeführt wird, wird ein Signal eines
hohen logischen Pegels für
eine vorbestimmte Zeitdauer von der Einzelschrittschaltung (One-Shot-Schaltung)
beziehungsweise monostabilen Kippschaltung 87 ausgegeben.
Da bei diesem Zeitpunkt die Referenzspannung Vref höher als
der Spannungswert eines Signals ist, das durch die Geschwindigkeitsberechnungsschaltung 81 ausgegeben
wird, wird ein Signal eines hohen logischen Pegels von der Vergleichseinrichtung 82 ausgegeben.
Folglich erzeugt die UND-Schaltung 86 einen hohen logischen
Pegel und der Ladeschalter 60 wird eingeschaltet. Wenn
der Ladeschalter 60 eingeschaltet ist, wird ein geschlossener
Schaltkreis, der den Kondensator 58, den Ladeschalter 60,
die Lade-/Entladespule 62 und das piezoelektrische Element
PE umfasst, gebildet. Hierdurch wird die elektrische Ladung des
Kondensators 58 entladen, um das piezoelektrische Element
PE zu laden. Zu diesem Zeitpunkt nimmt die Größe eines Stroms (Betriebsstroms)
I, der durch das piezoelektrische Element PE fließt, zu und die
Spannung (Betriebsspannung) V des Hochpotentialanschlusses des piezoelektrischen
Elements PE steigt an.
-
Wenn
die Anstiegsgeschwindigkeit der Betriebsspannung V jedoch um den
vorbestimmten Wert ΔV
höher als
die Referenzspannung Vref bei einer Zeit t2 wird, kehrt sich die
Ausgabe der Vergleichseinrichtung 82 um. Somit kehrt sich
ebenso das Ausgangssignal der UND-Schaltung 86 zu einem niedrigen
logischen Pegel um und der Ladeschalter 60 wird ausgeschaltet.
Wenn der Ladeschalter ausgeschaltet ist, wird ein geschlossener
Schaltkreis, der die Lade-/Entladespule 62, das piezoelektrische Element
PE und die Diode 66 umfasst, gebildet. Hierdurch wird die
Schwungradenergie (flywheel energy) beziehungsweise gespeicherte
Energie der Lade-/ Entladespule 62 in das piezoelektrische
Element PE geladen. Zu diesem Zeitpunkt nimmt der Betriebsstrom
ab. Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit der Betriebsspannung um den
vorbestimmten Wert ΔV
niedriger als die Referenzspannung Vref bei einer Zeit t3 wird,
wird der Ladeschalter 60 wieder eingeschaltet.
-
Da
bei der vorstehend beschriebenen Betriebsart eine Stepdown-Chopper-Steuerung
beziehungsweise Heruntersetz-Chopper-Steuerung, bei der der Ladeschalter 60 betätigt wird, über Zeiten
t1 bis t3, während
deren das Ausgangssignal der Einzelschrittschaltung (One-Shot-Schaltung)
beziehungsweise monostabilen Kippschaltung 87 bei einem
hohen logischen Pegel ist, ausgeführt wird, wird das piezoelektrische
Element PE geladen und das Potential des Hochpotentialanschlusses
des piezoelektrischen Elements PE steigt an.
-
Demgegenüber wird,
wenn sich das Ansteuerungssignal bei einer Zeit t5 umkehrt, eine
Chopper-Steuerung gestartet, indem der Entladeschalter 64 durch
die Entladeschalterbetriebsschaltung 90 ein- oder ausgeschaltet
wird. Das heißt,
wenn das Ansteuerungssignal zugeführt wird, wird ein Signal eines
hohen logischen Pegels für
eine vorbestimmte Zeitdauer von der Einzelschrittschaltung (One-Shot-Schaltung)
beziehungsweise monostabilen Kippschaltung innerhalb der Schaltung 91 ausgegeben,
wodurch eine Chopper-Steuerung über
die vorbestimmte Zeitdauer ausgeführt wird. Genauer gesagt wird,
wenn der Entladeschalter 64 eingeschaltet ist, ein geschlossener
Schaltkreis durch den Entladeschalter 64, die Lade-/Entladespule 62 und das
piezoelektrische Element PE gebildet. Hierdurch wird das piezoelektrische
Element PE entladen. Zu diesem Zeitpunkt nimmt die Größe eines
Stroms, der durch das piezoelektrische Element PE fließt, ab. Des
Weiteren wird, wenn der Entladeschalter eingeschaltet wird und dann
ausgeschaltet wird, ein geschlossener Schaltkreis durch den Kondensator 58, die
Diode 68, die Lade-/ Entladespule 62 und das piezoelektrische
Element PE gebildet. Hierdurch wird eine Schwungradenergie beziehungsweise
gespeicherte Energie der Lade-/Entladespule 62 bei dem Kondensator 58 wiederhergestellt.
Zu diesem Zeitpunkt nimmt die Größe eines
Stroms, der durch das piezoelektrische Element PE fließt, zu.
-
Da
eine Step-up-Chopper-Steuerung beziehungsweise Hochsetz-Chopper-Steuerung,
bei der der Entladeschalter 64 betätigt wird, in der vorstehend
beschriebenen Betriebsart ausgeführt
wird, wird das piezoelektrische Element PE entladen und das Potential
des Hochpotentialanschlusses des piezoelektrischen Elements PE nimmt
ab. Indem das piezoelektrische Element PE so geladen oder entladen wird,
kann die Betriebsspannung V des piezoelektrischen Elements PE geregelt
werden. Die Betriebsspannung V gibt eine elektrische Zustandgröße an, die
eine Wechselbeziehung mit der Ausdehnungs- und Zusammenziehgröße des piezoelektrischen
Elements PE aufweist. Durch Betätigen
beziehungsweise Steuern der Spannung des piezoelektrischen Elements
PE kann das Ausdehnen und Zusammenziehen des piezoelektrischen Elements
PE gesteuert werden. Wenn der Absolutwert der Änderungsrate von Betriebsspannungen
bei einer Ladestartzeit und einer Entladestartzeit außerordentlich
groß ist,
kann der Lärm
der Piezo-Einspritzvorrichtung PI groß werden, da eine große Kraft
auf den Körper 10 der
Piezo-Einspritzvorrichtung PI übertragen
wird, wenn das piezoelektrische Element PE beginnt sich zu bewegen.
-
Wenn
der Absolutwert der Änderungsrate von
Betriebsspannungen bei einer Ladeendzeit außerordentlich groß ist, wird
die Schwingung des piezoelektrischen Elements PE groß. Wenn
die Schwingung des piezoelektrischen Elements PE groß ist, wird
die Energiemenge groß,
die aufgrund von Faktoren verschwendet wird, die sich von einer
Energie zur Ansteuerung des piezoelektrischen Elements PE unterscheiden.
Dies ist deshalb der Fall, da eine Ersatzschaltung des piezoelektrischen
Elements PE, wie sie in 5 gezeigt ist, durch eine mechanische Komponente,
die als eine LCR-Reihenschaltung dargestellt wird, und eine elektrische
Komponente, die durch einen Kondensator, der parallel zu einer LCR-Reihenschaltung
geschaltet ist, und einen Reihenersatzwiderstand, der in Reihe mit
der Parallelschaltung geschaltet ist, dargestellt wird, gebildet
ist. Folglich nimmt, wenn das piezoelektrische Element PE schwingt,
die Strommenge, die durch den Reihenersatzwiderstand verbraucht
wird, zu, wobei eine Energiemenge, die verschwendet wird, ohne einen Beitrag
zu der Ansteuerung des piezoelektrischen Elements PE zu leisten,
zunimmt. Eine Zunahme auf einen derartigen Energieverlust verringert
eine Steuerungsgenauigkeit eines Ausdehnens und Zusammenziehens
des piezoelektrischen Elements PE.
-
Des
Weiteren wird, wenn der Absolutwert der Änderungsrate von Betriebsspannungen
bei einer Entladeendzeit groß ist,
die Kugel 26, die in 2 gezeigt
ist, auf den Ventilsitzteil 30 mit einer zunehmenden Geschwindigkeit
gesetzt, das Geräusch
zu der Zeit des Setzens kann zunehmen und die Kugel kann abprallen,
nachdem sie auf den Ventilsitz 30 gesetzt ist, wobei das
Ventil der Düsennadel 14 sich wieder öffnen kann.
Zusätzlich
kann, wenn der Absolutwert der Änderungsrate
von Betriebsspannungen bei einer Entladeendzeit groß ist, ein
Energieverlust aufgrund einer Vergrößerung der Schwingung des piezoelektrischen
Elements PE die Energiemenge verringern, die bei dem Kondensator 58 wiederhergestellt
wird.
-
Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
wird der Absolutwert der Änderungsrate
von Betriebsspannungen vergrößert, nachdem
das Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elements PE gestartet
ist, wobei der Absolutwert der Änderungsrate
von Betriebsspannungen verkleinert wird, wenn das Laden oder Entladen
beendet wird.
-
In
den 6A und 6B sind
Beispiele eines Einstellens von Betriebsspannungen gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
gezeigt. In 6A sind der Übergang einer Betriebsspannung
während
eines Ladens und der Übergang
der Absolutwerte von Änderungsraten
von Betriebsspannungen während
eines Ladens gezeigt. In 6B sind
der Übergang
einer Betriebsspannung während
eines Entladens sowie der Übergang
der Absolutwerte von Änderungsraten
von Betriebsspannungen während
eines Entladens gezeigt. Wie es in den 6A und 6B gezeigt
ist, liegen die Profile von Betriebsspannungen, die mit durchgezogenen
Linien gezeigt sind, in der Form des Buchstaben S während eines
Ladens und in der Form eines Spiegelbilds des Buchstabens S während eines
Entladens vor. Dies kann erreicht werden, indem die Absolutwerte
von Änderungsraten
der Betriebsspannungen bei einer Startzeit und einer Endzeit verringert
werden, wobei sie in einer Zeitdauer dazwischen vergrößert werden.
Der Fall, bei dem die vorstehend beschriebenen Absolutwerte konstant sind,
ist durch eine abwechselnd lang- und doppelkurz gestrichelte Linie
gezeigt.
-
In
den 7A und 7B sind
andere Beispiele einer Betriebsart zum Einstellen von Betriebsspannungen
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
gezeigt. Die 7A und 7B zeigen
beide den Übergang
der Absolutwerte von Änderungsraten
von Betriebsspannungen. In jedem dieser Fälle werden die Absolutwerte
von Änderungsraten
bei einer Startzeit und bei einer Endzeit klein eingestellt und
in einer Zeitdauer dazwischen groß eingestellt. Genauer gesagt
ist in 7A ein Beispiel gezeigt, bei
dem die Absolutwerte von Änderungsraten
von Betriebsspannungen in Stufen (gemäß diesem Beispiel zwei Stufen)
wie in den 6A und 6B zunehmen
und dann in Stufen (gemäß diesem
Beispiel zwei Stufen) abnehmen. In 7B ist
ein Beispiel gezeigt, bei dem die Absolutwerte von Änderungsraten
von Betriebsspannungen kontinuierlich vergrößert werden und dann kontinuierlich
verkleinert werden.
-
Ein Ändern der
Absolutwerte in der Zeitdauer eines Ladens oder in der Zeitdauer
eines Entladens kann ausgeführt
werden, indem die Referenzspannungen in der Ladeschalterbetriebsschaltung 80 oder
der Entladeschalterbetriebsschaltung 90, wie sie in 3 gezeigt
ist, geändert
werden.
-
Eine
Verarbeitung zum Erhalten von Operationen in den Betriebsarten,
die in den 6A, 6B und
den 7A sowie 7B gezeigt
sind, kann durch den Mikrocomputer 100 ausgeführt werden,
wie es in 8 gezeigt ist.
-
Bei
dieser Verarbeitung wird in einem Schritt S10 ein Betriebsspannungsmuster
auf der Grundlage der Spannung der Batterie B, die durch den Batteriespannungssensor 46 erfasst
wird, der Fahrzeuggeschwindigkeit, die durch den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 48 erfasst
wird, der Drehgeschwindigkeit, die durch den Kurbelwellenwinkelsensor 42 erfasst
wird, und der Temperatur eines Kühlmittels,
die durch den Kühlmitteltemperatursensor 44 erfasst wird,
ausgewählt.
Das Auswählen
eines Musters von Betriebsspannungen bezeichnet, dass eines aus
einer Vielzahl von Mustern, die in den 6A, 6B, 7A, 7B als
die Muster der Absolutwerte von Änderungsraten
von Betriebsspannungen während eines
Ladens veranschaulicht sind, ausgewählt wird.
-
Ein
optimales Muster als das vorstehend genannte Muster ist in Abhängigkeit
von den Betriebszuständen
der Kraftmaschine und den Betriebszuständen des Fahrzeugs änderbar.
Beispielsweise gibt es während
einer Leerlaufdrehzahlsteuerung bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit
Null keinen lästigen Lärm in dem
Fahrzeug, wobei ein Geräusch,
das durch die Piezo-Einspritzvorrichtung PI erzeugt wird, dazu neigt,
durch einen Benutzer als Lärm
wahrgenommen zu werden. Dementsprechend ist es wünschenswert, dass das Geräusch, das
durch die Piezo-Einspritzvorrichtung P1 erzeugt wird, gesteuert wird.
Wenn die Temperatur der Piezo-Einspritzvorrichtung
PI niedrig ist, wird die Reibung zwischen dem Körper 10 und verschiedenen
Elementen (der Düsennadel 14,
dem Kolben mit kleinem Durchmesser 34 und dem Kolben mit
großem
Durchmesser 36 und dergleichen), die sich in dem Körper 10 bewegen,
groß.
Folglich muss diese Tatsache berücksichtigt
werden, um das vorstehend genannte Muster zu bestimmen. Wenn die
Temperatur eines Kraftstoffs, der der Piezo-Einspritzvorrichtung
PI zugeführt
wird, niedrig ist, nimmt die Viskosität des Kraftstoffes zu. Folglich
muss diese Tatsache bei einer Bestimmung des vorstehend genannten
Musters berücksichtigt werden.
Des Weiteren ist es, wenn die Spannung der Batterie B bei einem
Kraftmaschinenkaltstart niedrig ist, da das piezoelektrische Element
PE nicht wie gewünscht
geladen werden kann, in einigen Fällen wünschenswert, den Betrieb zum
Vergrößern der
Ladegröße für das piezoelektrische
Element PE bevorrechtigt auszuführen.
-
Von
einem derartigen Standpunkt aus wird ein Muster auf der Grundlage
der vorstehend genannten Parameter ausgewählt. Hierbei sind eine Fahrzeuggeschwindigkeit
und eine Drehgeschwindigkeit Beispiele von Parametern zur Bestimmung, ob
eine vorgegebene Situation die Situation ist, bei der der Lärm der Piezo-Einspritzvorrichtung
PI durch einen Benutzer leicht wahrgenommen wird, und eine Kühlmitteltemperatur
ist ein Beispiel eines Parameters, der eine Wechselbeziehung mit
der Temperatur der Piezo-Einspritzvorrichtung PI und der Temperatur eines
Kraftstoffs aufweist.
-
In
einem Schritt S12 wird die Größe einer
erforderlichen Betriebsspannung auf der Grundlage des Drucks eines
Kraftstoffs in dem Common-Rail 6, der durch den Kraftstoffdrucksensor 40 erfasst
wird, berechnet. Der Kraftstoffdruck ist ein Faktor zur Änderung
einer Energie, die zum Öffnen
des Ventils der Piezo-Einspritzvorrichtung PI erforderlich ist.
Dies ist deshalb der Fall, da zum Öffnen des Ventils der Piezo-Einspritzvorrichtung
PI, das heißt
zum Verschieben der Düsennadel 14,
die in 2 gezeigt ist, zu der hinteren Seite des Körpers 10 eine
Kraft durch das piezoelektrische Element PE erzeugt werden muss,
um eine Kraft zu überwinden,
mit der der Kraftstoff in dem Hochdruckkraftstoffdurchgang 8 die
Kugel 26 auf den Ventilsitzteil 30 drückt. Folglich
wird gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
die Größe von Betriebsspannungen
eingestellt, um entsprechend einem Kraftstoffdruck änderbar
zu sein.
-
In
einem Schritt S14 wird ein endgültiges
Betriebsspannungsmuster aus dem Muster, das durch den Schritt S10
ausgewählt
wird, und der Größe, die in
Schritt S12 berechnet wird, eingestellt. Dies wird ausgeführt, indem
das Betriebsspannungsmuster mit einem Korrekturfaktor multipliziert
wird, wie es durch die abwechselnd lang und kurz gestrichelte Linie
in den 6A und 6B gezeigt
ist. Genauer gesagt wird durch ein Multiplizieren des Absolutwerts
einer Änderungsrate
von Betriebsspannungen in jeder der Zeitdauern T1 bis T3, die in
der 6A gezeigt sind, mit einem gleichen Korrekturfaktor
der Absolutwert einer Änderungsrate
einer Betriebsspannung bei jeder Zeit mit der gleichen Vergrößerung vergrößert (oder
entsprechend verringert). Ebenso wird durch ein Multiplizieren des
Absolutwerts einer Änderungsrate
von Betriebsspannungen bei jeder Zeitdauer T4 bis T6, die in 6B gezeigt
sind, mit einem gleichen Korrekturfaktor der Absolutwert einer Änderungsrate einer
Betriebsspannung bei jeder Zeit mit der gleichen Vergrößerung vergrößert (oder
entsprechend verkleinert). Gleichsam wird für die Muster der Absolutwerte
von Änderungsraten
von Betriebsspannungen, die in den 7A und 7B gezeigt
sind, ein Wert bei jeder Zeit mit einem gleichen Korrekturfaktor multipliziert.
-
In
einem Schritt S16 wird zur Anpassung des endgültigen Betriebsspannungsmusters
ein Befehlssignal zur Einstellung einer Referenzspannung, die durch
die Referenzspannungserzeugungsschaltung 83 der Ladeschalterbetriebsschaltung 80,
die in 3 gezeigt ist, ausgegeben wird, und der Referenzspannung
der Entladeschalterbetriebsschaltung 90 ausgegeben. Hierdurch
wird eine Regelung durch die Ladeschalterbetriebsschaltung 80 und
die Entladeschalterbetriebsschaltung 90 ausgeführt, so
dass der Absolutwert einer Änderungsrate
von Betriebsspannungen des piezoelektrischen Elements PE gleich
demjenigen gemacht wird, der in dem Schritt S14 eingestellt wird.
-
Gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel können die
nachstehend genannten Vorteile bereitgestellt werden.
- (1) Bei einem Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elements
PE werden Betriebsspannungen so eingestellt, dass der Absolutwert
einer Änderungsrate
der Betriebsspannungen vergrößert wird,
nachdem das Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elements PE
gestartet ist, und der Absolutwert einer Änderungsrate der Betriebsspannungen
verkleinert wird, wenn das Laden oder Entladen beendet ist. Hierdurch
können,
obwohl eine hohe Ansprechempfindlichkeit aufrechterhalten wird,
Schwierigkeiten, die bei dem Start und dem Ende eines Ladens oder
Entladens des piezoelektrischen Elements PE auftreten, in geeigneter
Weise überwunden
werden.
- (2) Auf der Grundlage der Betriebszustände einer Dieselkraftmaschine
und der Betriebszustände
eines Fahrzeugs, in dem die Kraftmaschine angebracht ist, wird ein
Profil (ein Muster eines Betriebsspannungsmusters), das den Übergang
von Betriebsspannungen in Bezug auf die Zeit darstellt, ausgewählt. Hierdurch
können
unter der Bedingung, einen Lärmpegel
innerhalb eines zulässigen
Bereichs zu begrenzen, eine hohe Ansprechempfindlichkeit und andere
Erfordernisse in geeigneter Weise erfüllt werden.
- (3) Wenn ein Kraftstoffdruck in dem Common-Rail 6 höher ist,
wird ein Muster der Absolutwerte von Änderungsraten von Betriebsspannungen
in der Größe größer gemacht.
Hierdurch kann, wenn eine erforderliche Antriebskraft größer ist,
eine größere Antriebskraft
dem piezoelektrischen Element PE zugeführt werden, so dass eine Antriebskraft,
die an einen Bedarf am besten angepasst ist, ermöglicht werden kann.
- (4) Der Absolutwert einer Änderungsrate
von Betriebsspannungen wird mit einem Korrekturfaktor entsprechend
dem Kraftstoffdruck in dem Common-Rail 6 vergrößert oder
verkleinert. Hierdurch kann, auch wenn eine erforderliche Energie
unterschiedlich ist, ein Profil auf einfache Weise eingestellt werden.
- (5) Betriebsspannungen werden durch die Spannungserfassungsschaltung 70 und
dergleichen überwacht
und eine Regelung wird ausgeführt, um
ein Muster zu gestalten, in dem tatsächliche Betriebsspannungen
eingestellt sind. Hierdurch kann erreicht werden, dass tatsächliche
Betriebsspannungen dem Muster entsprechen.
- (6) Die Schaltung 52 zur Ansteuerung des piezoelektrischen
Elements PE umfasst Schaltvorrichtungen (den Ladeschalter 60 und
den Entladeschalter 64) für eine Chopper-Steuerung, durch wiederholtes
Ein- und Ausschalten dieser Elemente wird die Stromgröße, die
durch das piezoelektrische Element PE fließt, wiederholt vergrößert und
verkleinert, um das Ausdehnen und Zusammenziehen des piezoelektrischen
Elements PE zu steuern. Hierdurch kann das piezoelektrische Element
PE mit einem einfachen Aufbau geladen und entladen werden.
-
(Zweites Ausführungsbeispiel)
-
Die
Kapazität
des piezoelektrischen Elements PE neigt dazu, sich in Abhängigkeit
von Temperaturen in großem
Umfang zu ändern.
Dementsprechend kann sich, auch wenn die gleiche Betriebsspannung
angelegt wird, die Größe eines
Ausdehnens oder Zusammenziehens (Verschiebungsgröße) des piezoelektrischen Elements
PE in Abhängigkeit
von den Temperaturen ändern.
Wenn Spannungen, die an das piezoelektrische Element PE angelegt
werden, betätigt
bzw. gesteuert werden, um das Ausdehnen und Zusammenziehen des piezoelektrischen
Elements PE zu steuern, ändern
sich die Ausdehnrate und die Zusammenziehrate des piezoelektrischen
Elements PE ebenso in Abhängigkeit
von den Temperaturen. Dementsprechend bringt eine Steuerung des
Ausdehnens und Zusammenziehens des piezoelektrischen Elements PE,
die Spannungen verwendet, die an das piezoelektrische Element PE als
Betriebsgrößen angelegt
werden, Schwierigkeiten mit sich, die einer Änderung von Temperaturen des
piezoelektrischen Elements PE zugeordnet sind.
-
Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel wird
als eine Betriebsgröße zur Steuerung
des Ausdehnens und des Zusammenziehens des piezoelektrischen Elements
PE eine elektrische Energie, die in das piezoelektrische Element
PE von außen
fließt, verwendet.
Die Beziehung zwischen der elektrischen Energie (Integralwert einer
Spannung und eines Stroms des piezoelektrischen Elements PE) und
einer Ausdehnungs- und Zusammenziehgröße des piezoelektrischen Elements
PE hängt
nicht so stark von einer Änderung
der Temperaturen ab. Dementsprechend kann durch Verwenden der elektrischen Energie
als eine Betriebsgröße eine
Ausdehnungs- und
Zusammenziehgröße sowie
eine Ausdehnungs- und Zusammenziehrate des piezoelektrischen Elements
PE genau gesteuert werden, ohne Temperaturkorrekturen auszuführen.
-
Aus
diesem Grund ist eine Steuerungseinheit 50 aufgebaut, wie
es in 9 gezeigt ist. Obwohl sie zu der Steuerungsschaltung 50 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
(3) in vielerlei Hinsicht sehr ähnlich ist, ist die Steuerungsschaltung 50 gemäß 9 mit
einer Spannungserfassungsschaltung 110 versehen, die eine
Spannung eines Hochpotentialanschlusses des piezoelektrischen Elements
PE erfasst. Die Spannungserfassungsschaltung 110 umfasst
eine Reihenschaltung von Widerständen 112 und 114,
wobei eine Spannung zwischen den Widerständen 112 und 114 an
eine Leistungsüberwachungsschaltung 118 angelegt
wird. Die Leistungsüberwachungsschaltung 118 überwacht
eine Leistung (eine Änderungsrate
einer elektrischen Energie des piezoelektrischen Elements PE), die
in das piezoelektrische Element PE fließt und aus dem piezoelektrischen
Element PE fließt,
auf der Grundlage der vorstehend beschriebenen Spannung sowie eine Spannung
(einen Spannungswert, der einem Strom entspricht, der durch das
piezoelektrische Element PE fließt) zwischen dem piezoelektrischen
Element PE und dem Widerstand 116 und erzeugt ein Leistungssignal
(z.B. einen Spannungswert) entsprechend der Leistung bei einer Ladeschalterbetriebsschaltung 80 und
einer Entladeschalterbetriebsschaltung 90.
-
Das
Leistungssignal wird einem negativen Eingangsanschluss einer Vergleichseinrichtung 82 in der
Ladeschalterbetriebschaltung 80 zugeführt. Eine Schaltung 91a in
der Entladeschalterbetriebsschaltung 90 weist den gleichen
Aufbau wie die Ladeschalterbetriebsschaltung 80 auf. Ein
Signal, zu dem das Leistungssignal durch den Umkehrverstärker 92 umgekehrt
wird, wird einem negativen Eingangsanschluss einer Vergleichseinrichtung
in der Schaltung 91a zugeführt.
-
In
den 10A und 10B sind
Beispiele von elektrischen Energiemustern gemäß diesem Ausführungsbeispiel
gezeigt. In 10A ist der Übergang einer elektrischen
Energie E während
eines Ladens gezeigt, wobei die durchgezogene Linie den Übergang
der Absolutwerte von Änderungsraten dE/dt
der elektrischen Energie E während
des Ladens zeigt. In 10B ist der Übergang einer elektrischen
Energie E während
eines Entladens gezeigt, wobei die durchgezogene Linie den Übergang
der Absolutwerte von Änderungsraten
dE/dt der elektrischen Energie während
des Entladens zeigt. Die Profile der elektrischen Energie E weisen
die Form des Buchstabens S (durchgezogene Linie) während eines
Ladens und die Form eines Spiegelbildes des Buchstabens S (durchgezogene
Linie) während
eines Entladens auf. Dies kann erreicht werden, indem die Absolutwerte
von Änderungsraten
einer elektrischen Energie bei einer Startzeit und einer Endzeit verringert
werden, wobei sie in einer Zeitdauer dazwischen vergrößert werden.
Der Fall, bei dem die vorstehend genannten Absolutwerte konstant
sind, ist durch eine abwechselnd lang- und doppelkurz punktierten
Linie gezeigt.
-
In
den 11A und 11B sind
weitere Beispiele einer Betriebsart zum Einstellen einer elektrischen
Energie gemäß diesem
Ausführungsbeispiel gezeigt.
Die 11A und 11B zeigen
beide den Übergang
der Absolutwerte von Änderungsraten dE/dt
einer elektrischen Energie. In jedem dieser Fälle werden die Absolutwerte
von Änderungsraten
einer elektrischen Energie bei einer Startzeit und bei einer Endzeit
klein eingestellt und bei einer Zeitdauer dazwischen groß eingestellt.
Genauer gesagt ist in 11A ein
Beispiel gezeigt, dass die Absolutwerte von Änderungsraten einer elektrischen
Energie in Stufen (gemäß diesem
Beispiel zwei Stufen) vergrößert werden
und dann in Stufen (gemäß diesem
Beispiel zwei Stufen) verkleinert werden. In 11B ist ein
Beispiel gezeigt, dass die Absolutwerte von Änderungsraten einer elektrischen
Energie kontinuierlich vergrößert werden
und dann kontinuierlich verkleinert werden.
-
Eine
Verarbeitung zum Erreichen des vorstehend beschriebenen Betriebs
kann durch den Mikrocomputer 11 in der Art, die in 12 gezeigt
ist, ausgeführt
werden.
-
Bei
dieser Verarbeitungsabfolge wird in einem Schritt S20 ein elektrisches
Energiemuster auf der Grundlage der Spannung der Batterie B, einer Fahrzeuggeschwindigkeit,
einer Drehgeschwindigkeit und der Temperatur eines Kühlmittels
ausgewählt.
Die Auswahl eines Musters einer elektrischen Energie bedeutet, dass
eines aus der Vielzahl von Mustern ausgewählt wird, die in den 10A, 10B, 11A und 11B als
der Übergang der
Absolutwerte von Änderungsraten
dE/dt der elektrischen Energie E veranschaulicht sind. Der Grund der
mustermbasierenden Auswahl ist der gleiche wie der bei dem Schritt
S10 gemäß 8.
-
In
einem Schritt S22 wird eine erforderliche Energie auf der Grundlage
des Kraftstoffdrucks in dem Common-Rail 6, der durch den
Kraftstoffdrucksensor 40 erfasst wird, berechnet. In einem
Schritt S24 wird ein endgültiges
Muster einer elektrischen Energie derart eingestellt, dass das Muster,
das in Schritt S20 ausgewählt
wird, der in Schritt S22 berechneten Energie entspricht. Das Einstellen
des endgültigen
Musters wird ausgeführt,
indem der Absolutwert wie in dem Schritt S14 gemäß 8 einer Änderungsrate
bei jeder Zeit um den gleichen Größenfaktor vergrößert oder
verkleinert wird, wie es durch die abwechselnd lang und kurz gestrichelte
Linie in den 10A und 10B gezeigt
ist.
-
In
einem Schritt S26 wird, um dem endgültigen elektrischen Energiemuster
zu entsprechen, ein Befehlssignal zur Einstellung einer Referenzspannung,
die durch die Referenzspannungserzeugungsschaltung 83 der
Ladeschalterbetriebsschaltung 80, die in 9 gezeigt
ist, ausgegeben wird, und einer Referenzspannung der Entladeschalterbetriebsschaltung 90 ausgegeben.
Hierdurch wird eine Regelung durch die Ladeschalterbetriebsschaltung 80 und die
Entladeschalterbetriebsschaltung 90 so ausgeführt, dass
eine Änderungsrate
einer elektrischen Energie des piezoelektrischen Elements PE gleich
zu der ist, die in Schritt S24 eingestellt wird.
-
In
diesem zweiten Ausführungsbeispiel
wird eine elektrische Energie als eine Betriebsgröße zur Steuerung
des Ausdehnung und des Zusammenziehens des piezoelektrischen Elements
PE verwendet. Hierdurch kann eine Verschiebungsgröße des piezoelektrischen
Elements PE unabhängig
von einer Änderung
in den Temperaturen genau gesteuert werden. Genauer gesagt wird,
wenn ein endgültiges Muster
einer elektrischen Energie gleich einem Muster ist, das durch die
durchgezogene Linie in 10A gezeigt
ist, eine Verschiebungsgröße des piezoelektrischen
Elements PE entsprechend der Größe einer elektrischen
Energie, die dem piezoelektrischen Element PE zugeführt wird,
mit einer Fläche
(schraffierter Abschnitt), die durch die durchgezogene Linie eingeschlossen
ist, bestimmt, wobei die Verschiebungsgröße unabhängig von einer Veränderung
der Temperatur des piezoelektrischen Elements PE kaum schwankt.
-
Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel sind
zusätzlich
zu den vorstehend beschriebenen Vorteilen (1) bis (6) gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
die nachstehend genannten Vorteile bereitgestellt.
- (7) Als eine Betriebsgröße zur Steuerung
des Ausdehnens und Zusammenziehens des piezoelektrischen Elements
PE wird eine elektrische Energie des piezoelektrischen Elements
PE verwendet. Hierdurch kann, auch wenn die Temperatur des piezoelektrischen
Elements PE schwankt, der Absolutwert eine Verschiebungsrate des
piezoelektrischen Elements PE auf einem geeigneten Wert gehalten
werden.
-
(Weitere Ausführungsbeispiele)
-
Die
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
können
wie nachstehend beschrieben modifiziert werden.
-
Bei
einer Steuerung des Ausdehnens und Zusammenziehens des piezoelektrischen
Elements PE müssen
als ein Mittel zum Einstellen von Zustandsgrößen, so dass der Absolutwert
einer Änderungsrate
von elektrischen Zustandsgrößen nach
der Startzeit vergrößert wird
und der Absolutwert bei der Endzeit verkleinert wird, Änderungsratenmuster
oder Muster zwischen einer Startzeit und einer Endzeit nicht symmetrisch
sein. Der vorstehend genannte Absolutwert kann zwischen einer Startzeit
und einer Endzeit unterschiedlich sein. Auch wenn Zustandsgrößen bei
den vorstehend beschriebenen Betriebsarten nur für die Ausdehnungssteuerung
eingestellt werden, können
Schwierigkeiten, die während
der Ausdehnungssteuerung auftreten, in geeigneter Weise überwunden
werden.
-
Als
ein Verfahren zum Ausdehnen oder Verringern der Absolutwerte einer
Betriebsspannung V und einer elektrischen Energie W zu jeder Zeit
auf der Grundlage des Kraftstoffdrucks in dem Common-Rail 6 ist
die Berechnung nicht auf eine Multiplikation mit einem einzelnen
Korrekturfaktor begrenzt. Unterschiedliche Korrekturfaktoren können innerhalb einer
Startzeit, einer Endzeit und einer Zeitdauer dazwischen multipliziert
werden. Des Weiteren können Korrekturwerte
an Stelle einer Multiplikation von Korrekturfaktoren addiert werden.
-
Gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel werden
Betriebsspannungen überwacht,
wobei, damit die Betriebsspannungen einem eingestellten Muster entsprechen,
eine Regelung ausgeführt
wird, indem der Ladeschalter 60 und der Entladeschalter 64 ein-
und ausgeschaltet werden. Die Steuerung ist jedoch nicht auf dieses
Ausführungsbeispiel begrenzt.
Wie es beispielsweise in 13 gezeigt
ist, werden, wenn die Stromgröße, die
durch das piezoelektrische Element PE fließt, eine vorbestimmte obere
Grenze UL erreicht, der Ladeschalter 60 und der Entladeschalter 64 von
EIN auf AUS geschaltet, und wenn die Stromgröße Null wird, werden der Ladeschalter 60 und
der Entladeschalter 64 von AUS auf EIN geschaltet. In diesem
Fall können,
wenn eine obere Grenze ULs der Startzeit und eine obere Grenze ULe
der Endzeit eines Ladens oder Entladens niedriger eingestellt werden
als eine obere Grenze ULm in einer mittleren Zeitdauer dazwischen,
die Muster, die durch die durchgezogenen Linien in den 6A und 6D gezeigt sind, erhalten werden. Indem die
oberen Grenzen ULs, ULm, ULe voreingestellt werden, kann eine offene
Steuerung ausgeführt
werden. Als ein Mittel für
ein derartiges Betätigen
bzw. Steuern der Ansteuerungsschaltung 52, um den eingestellten
Zustandsgrößen zu entsprechen,
ist das Ausführungsbeispiel
nicht auf ein Mittel zum Regeln von zu überwachenden Zustandsgrößen auf
die eingestellten Zustandsgrößen begrenzt.
Das Betriebsspannungsmuster, das in der 7A gezeigt
ist, kann erhalten werden, indem obere Grenzen in zwei Stufen in
einer Zeitdauer zwischen der Startzeit und der Endzeit eines Ladens
oder Entladens eingestellt werden.
-
Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel wird
eine Leistung, die in das piezoelektrische Element PE und aus dem
piezoelektrischen Element PE fließt, überwacht, wobei, damit die
Leistung einem eingestellten Muster entspricht, eine Regelung ausgeführt wird,
indem der Ladeschalter 60 und der Entladeschalter 64 ein-
und ausgeschaltet werden. Das zweite Ausführungsbeispiel ist jedoch nicht
hierauf begrenzt. Beispielsweise wird, wie es in 14 gezeigt
ist, eine Ein-Betriebszeit
auf einen vorbestimmten Wert eingestellt und ein Aus-Betrieb kann
auf einen Ein-Betrieb umgeschaltet werden, wenn die Größe eines
Stroms, der durch das piezoelektrische Element PE fließt, Null
wird. In diesem Fall können,
indem Ein-Betriebszeiten T1 und T3 der Startzeit und der Endzeit
eines Ladens oder Entladens kleiner als eine Ein-Betriebszeit T2
in einer mittleren Zeitdauer dazwischen eingestellt werden, die
Muster, die durch die durchgezogenen Linien in den 10A und 10B gezeigt
sind, erhalten werden. Das Leistungsmuster, das in der 11A gezeigt ist, kann erreicht werden, indem eine
Ein-Betriebszeit in zwei Stufen in einer Zeitdauer zwischen der
Startzeit und der Endzeit eines Ladens oder Entladens eingestellt wird.
-
Wenn
beispielsweise ein elektrisches Energiemuster, das in 15A gezeigt ist, verwendet wird, kann, da eine
Anstiegsrate der elektrischen Energie des piezoelektrischen Elements
PE bei dem Ende eines Ladens abnimmt, die vorstehend beschriebene
Schwierigkeit, die aufgrund eines Überschusses an Energie, die
bei der Endzeit eines Ladens des piezoelektrischen Elements PE zugeführt wird,
auftritt, unterdrückt
werden. Außerdem
kann, wenn beispielsweise ein Betriebsspannungsmuster, das in 15B gezeigt ist, verwendet wird, da eine Abfallrate
von Betriebsspannungen des piezoelektrischen Elements PE bei dem
Start eines Entladens klein ist, die vorstehend beschriebene Schwierigkeit, die
aufgrund eines Überschreitens
des Absolutwerts einer Änderungsrate
von Betriebsspannungen bei dem Start eines Entladens des piezoelektrischen Elements
PE auftritt, unterdrückt
werden. Des Weiteren kann, wenn ein elektrisches Energiemuster,
das in 15C gezeigt ist, verwendet wird,
da eine Abfallrate einer elektrischen Energie des piezoelektrischen
Elements PE bei dem Start eines Entladens klein ist, die vorstehend
beschriebene Schwierigkeit, die aufgrund eines Überschreitens einer Abfallrate
einer Energie bei dem Start eines Entladens des piezoelektrischen
Elements PE auftritt, unterdrückt
werden.
-
Ein
Gerät zur
Ansteuerung der Piezo-Einspritzvorrichtung PI ist nicht auf diejenigen
begrenzt, die in den 3 und 9 gezeigt
sind. Eine Schaltung zur Berechnung einer Leistung, die dem piezoelektrischen
Element PE zugeführt
wird, ist nicht auf die Schaltung begrenzt, die eine Leistung auf
der Grundlage einer Spannung eines Hochpotentialanschlusses des
piezoelektrischen Elements PE und eines Stroms, der durch das piezoelektrische
Element PE fließt,
berechnet, wie es in 9 gezeigt ist. An Stelle der
Schaltung kann die elektrische Leistung auf der Grundlage einer
Stromgröße, die
durch den Kondensator 58 fließt, der in 9 gezeigt
ist, die durch eine Erfassung eines Potentials zwischen dem Kondensator 58 und
dem Widerstand 59 (Knoten A) erfasst wird, berechnet werden.
Das Produkt der Stromgröße und einer
Spannung des Kondensators 58 (genauer gesagt einer Durchschnittsspannung
in der kurzen Zeitdauer) ist gleich einer Leistung, die dem piezoelektrischen
Element PE zugeführt
wird. Wenn eine Einstellung so vorgenommen wird, dass die Spannung
des Kondensators 58 durch eine Ladeverarbeitung und eine
Entladeverarbeitung wenig beeinflusst wird, kann eine Leistung auf
einfache Weise auf der Grundlage des vorstehend beschriebenen Stromwerts
berechnet werden.
-
Eine
Ansteuerungsschaltung kann verwendet werden, die eine Chopper-Steuerung
unter Verwendung eines Rücklaufstroms
beziehungsweise Flyback-Stroms eines Transformators ausführt, wie es
in der JP 8-177678 A offenbart ist. Das piezoelektrische Element
PE kann durch ein Verfahren geladen oder entladen werden, dass zu
einer Chopper-Steuerung unterschiedlich ist.
-
Der
Aufbau der Piezo-Einspritzvorrichtung PI ist nicht auf den Aufbau
begrenzt, der in 2 gezeigt ist. Neben Einspritzvorrichtungen,
die Zwei-Wege-Operationen ausführen,
wie beispielsweise ein Ventil zu öffnen und ein Ventil zu schließen entsprechend
einer Verschiebung eines piezoelektrischen Elements, sind ebenso
Einspritzvorrichtungen verfügbar,
die eine Hubgröße einer Düsennadel
entsprechend einer Verschiebung des piezoelektrischen Elements PE
kontinuierlich einstellen können,
wie es in dem US Patent Nr. 6,520,423 offenbart ist. Wenn jedoch
ein Antriebsleistungsübertragungssystem
in der Piezo-Einspritzvorrichtung PI, die die Antriebsleistung des
piezoelektrischen PE überträgt, so aufgebaut
ist, dass ein Kraftstoffdruck entgegengesetzt zu einer Verschiebung
des piezoelektrischen Elements PE angelegt wird, wenn das piezoelektrische
Element PE beginnt, sich zu verschieben, ist es insbesondere effektiv,
Muster von Zustandsgrößen und
die Absolutwerte von Änderungsraten
der Zustandsgrößen entsprechend
dem Kraftstoffdruck variabel einzustellen.
-
Verbrennungskraftmaschinen
können
Benzinkraftmaschinen eines zylinderinternen Einspritztyps sein,
ohne auf Dieselkraftmaschinen begrenzt zu sein.
-
Wie
es vorstehend beschrieben ist, überwindet
ein Ansteuerungsgerät
für eine
Piezo-Einspritzvorrichtung (50) Schwierigkeiten, die bei
dem Start und dem Ende eines Ladens oder Entladens eines piezoelektrischen
Elements (PE) auftreten, während eine
hohe Ansprechempfindlichkeit aufrechterhalten wird. Bei dem Start
und dem Ende eines Ladens eines piezoelektrischen Elements (PE)
wird der Absolutwert einer Änderungsrate
(dE/dt) einer elektrischen Energie (E) des piezoelektrischen Elements (PE)
niedriger eingestellt als in einer Zeitdauer dazwischen. Folglich
weist das Muster einer elektrischen Energie des piezoelektrischen
Elements (PE) die Form des Buchstabens S auf. Dies verhindert ein Überschreiten
einer Energie, die dem piezoelektrischen Element (PE) bei dem Start
eines Ladens zugeführt
wird, und einer Energie, die dem piezoelektrischen Element (PE)
bei dem Ende eines Ladens zugeführt
wird.