DE102009044295A1

DE102009044295A1 - Piezoaktor und Kraftstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE102009044295A1
Application number: DE200910044295
Authority: DE
Inventors: Yoichi Kariya-city Kobane; Hideo Kariya-city Naruse; Daiji Kariya-city Ueda
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2010-09-16
Also published as: JP2010103315A

Abstract

Eine Nadel (12) in einem Kraftstoffeinspritzventil (2) wird durch eine piezoelektrische Anordnung (23) in einem Piezoaktor (22) betrieben. Die piezoelektrische Anordnung (23) hat einen Aktorteil (70) und einen Sensorteil (60). Die Polarität, die auftritt, wenn eine Spannung am Aktorteil (70) an einer inneren Endelektrode (73), die an einem Ende des Aktorteils (70) am nächsten zum Sensorteil (60) angeordnet ist, angelegt wird, ist negativ. Zusätzlich tritt eine negative Polarität an einer inneren Endelektrode (63) auf, die an einem Ende des Sensorteils (60) am nächsten zum Aktorteil (70) angeordnet ist, wenn eine Last auf das Sensorteil (60) wirkt. Eine Zwischenschicht (80) ist zwischen den inneren Endelektroden (73, 63) angeordnet. Gemäß der Struktur ist es möglich, Herstellungskosten zu vermindern und die Genauigkeit zum Erfassen der Last zu verbessern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezoaktor und ein Kraftstoffeinspritzventil.
Patentdokument 1 offenbart ein Kraftstoffeinspritzventil, das einen Aktorteil bzw. Aktor und einen Sensorteil bzw. Sensor aufweist. Der Aktor weist einen Stapel piezoelektrischer Elemente und innere Elektroden auf, die abwechselnd laminiert bzw. geschichtet sind. Der Aktor dehnt sich in Erwiderung auf eine angelegte Spannung von den inneren Elektroden aus an die piezoelektrischen Elemente. Der Sensor besteht aus einem piezoelektrischen Element und erfasst eine Last. Der Sensor ist am Ende des Aktors angeordnet und vom Aktor durch ein Abstandselement getrennt, welches aus einem nicht elektrisch leitenden Material besteht. Ein System erfasst die durch den Aktor erzeugte Last durch Überwachen von Signalen von dem Sensor. Das System überträgt ein Ventilsteuersignal an den Aktor, um das Kraftstoffeinspritzventil zu öffnen und/oder zu schließen. Das System korrigiert das Ventilsteuersignal basierend auf dem Erfassungsergebnis der Last unter Verwendung eines Selbstprüfung-Korrektorverfahrens. Patentdokument 2 offenbart ein Beispiel eines Steuerkreises für eine piezoelektrische Vorrichtung, wie z. B. einen Aktor.

Patentdokument 1: JP-H10-288119-A
Patentdokument 2: JP-2001-53348-A

Im Kraftstoffeinspritzventil herkömmlicher Technologien sind der Aktor und der Sensor einheitlich bzw. in einer Einheit in einem Gehäuse verbaut. Das Abstandselement aus einem nicht leitenden Material befindet sich jedoch zwischen dem Aktor und dem Sensor. Diese Anordnung ist einer der Gründe, der die Herstellungskosten des Aktors und des Sensors, und somit auch des Kraftstoffeinspritzventils ansteigen lässt.
Das obenstehend erwähnte Problem kann gelöst werden, falls das Abstandselement entfernt werden kann, wodurch der Aktor und der Sensor aneinandergrenzend platziert werden können. Dies führt jedoch zu neuen Problemen. Falls z. B. das Abstandselement einfach entfernt wird und der Aktor und der Sensor aneinandergrenzend angeordnet werden, kann ein elektrischer Kriechverlust bzw. eine elektrische Ableitung vom Aktor, an welchem eine hohe Spannung angelegt ist, auf den Sensor auftreten.
Falls die elektrische Ableitung auf den Sensor auftritt, kann die elektrische Ableitung ein elektrisches Rauschen bzw. ein elektrisches Störsignal zusätzlich zu dem Spannungssignal vom Sensor verursachen, wodurch die elektrische Ableitung die Genauigkeit zum Erfassen der Last durch den Sensor verringern kann. Somit kann auch die Genauigkeit zum Steuern der Einspritzung verringert werden.
Im Hinblick auf die vorhergehenden Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Piezoaktor und ein Kraftstoffeinspritzventil mit ausreichender Erfassungsgenauigkeit bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellungskosten zu verringern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die elektrische Isolierung zwischen dem Aktor und dem Sensor zu verbessern.
Um die Aufgabe zu lösen, kann die vorliegende Erfindung folgende Konfiguration bereitstellen. Der Sensor hat eine innere Elektrode, die an einem Ende des Sensors und nächst dem Aktor angeordnet ist. Der Aktor hat eine innere Endelektrode, die an einem Ende des Aktors und nächst bzw. nähest dem Sensor angeordnet ist. Die elektrische Polarität der inneren Endelektrode des Aktors ist negativ, wenn am Aktor eine Spannung angelegt wird. Die elektrische Polarität der inneren Endelektrode des Sensors ist negativ, wenn am Sensor eine Last angelegt wird. Die Last wird dann am Sensor angelegt, wenn am Aktor die Spannung angelegt ist. Beide inneren Endelektroden werden als die negativen Elektroden verwendet, wenn die Spannung am Aktor angelegt ist. Deshalb wird ein elektrischer Potentialunterschied zwischen beiden inneren Endelektroden reduziert. Selbst wenn an den inneren Elektroden des Aktors eine hohe Spannung angelegt wird, kann die elektrische Ableitung vom Aktor zum Sensor unterdrückt werden. Daher ist es möglich, das elektrische Rauschen bzw. Störsignal auf das Signal vom Sensor zu unterdrücken. Dieses Signal zeigt eine Last an, die am Sensor anliegt. Somit kann die Genauigkeit zum Erfassen der Last verbessert werden.
Darüber hinaus kann eine isolierende Struktur zwischen dem Sensor und dem Aktor vereinfacht werden, da die elektrische Ableitung zum Sensor unterdrückt wird. Zum Beispiel gibt es keine Notwendigkeit zum Bereitstellen isolierender Schichten, wie z. B. einem Abstandselement. Alternativ ist es möglich, eine isolierende Schicht dünner zu gestalten. Somit können die Herstellungskosten des Piezoaktors verringert werden.
In der vorliegenden Erfindung bedeutet ”die elektrische Polarität der inneren Endelektrode ist negativ”, dass sich die innere Endelektrode auf einer niedrigen elektrischen Potentialseite zweier Elektroden befindet. Daher ist im Aktor, wenn am Aktor eine Spannung anliegt, eine innere Elektrode mit einem niedrigeren elektrischen Potential, die Elektrode auf der negativen Seite, und in dem Sensor, wenn am Sensor eine Last arbeitet, eine innere Elektrode mit einem niedrigeren elektrischen Potential, die Elektrode auf der negativen Seite, egal welche Erdung für die inneren Elektroden auf der negativen Seite verwendet wird.
Die zwischen den inneren Endelektroden angeordnete Zwischenschicht kann aus einem piezoelektrischen Element bestehen. Zudem kann das piezoelektrische Element dicker als das piezoelektrische Element im Sensor oder das piezoelektrische Element im Aktor ausgebildet sein. Gemäß der Konfiguration ist es möglich, die Isolierung zwischen dem Sensor und dem Aktor, und die Genauigkeit zum Erfassen der Last durch den Sensor zu verbessern. Hierbei kann die Dicke des piezoelektrischen Elements einem Abstand zwischen den Oberflächen der aneinandergrenzenden inneren Elektroden entsprechen.
Die zwischen der inneren Endelektrode des Sensors und der inneren Endelektrode des Aktors angeordnete Zwischenschicht kann aus einem Stapel bestehen, in dem eine Mehrzahl piezoelektrischer Elemente und innerer Elektroden abwechselnd laminiert bzw. geschichtet sind.
Gemäß der Konfiguration ist es möglich, eine ausreichende Isolierung durch Ausbilden der Zwischenschichten mit einer ausreichenden Dicke zu gewährleisten, ohne dabei die Zwischenschicht in Form einer Struktur auszugestalten, die sich vollkommen vom Sensor und/oder dem Aktor unterscheidet. Alternativ kann die Zwischenschicht die gleiche Struktur wie die im Sensor und/oder Aktor aufweisen.
Die obenstehende Struktur ermöglicht es, wenn eine piezoelektrische Anorndung bzw. ein piezoelektrischer Zusammenbau in Form des einheitlichen bzw. unitären Stapeltyps ausgebildet wird, die Zwischenschicht in derselben Umgebung zu Kalzinieren, die auch zum Kalzinieren des Sensors und/oder Aktors verwendet wird. Aus diesem Grund kann eine Beschaffenheit der Zwischenschicht nach dem Kalzinieren die gleiche wie die des Sensors und/oder des Aktors sein. Falls die inneren Elektroden als Kalzinationshilfsmittel arbeiten, ist es möglich, die Qualität des piezoelektrischen Zusammenbaus durch Verbessern einer mechanischen Festigkeit der Zwischenschicht zu verbessern. Zusätzlich können die Herstellungskosten verringert werden, da die verschiedenen Dicken der piezoelektrischen Elemente, welche den piezoelektrischen Zusammenbau ausbilden, reduziert werden können.
In einem anderen Aspekt sind Schrumpfverhältnisse beim Kalzinieren zwischen dem piezoelektrischen Element umfassend eine innere Elektrode und den piezoelektrischen Element, ohne innere Elektrode verschieden. Gemäß der obenstehend erwähnten Struktur ist es jedoch möglich, den Kalzinationsschrumpf der Zwischenschicht und dem Aktor und/oder dem Sensor anzugleichen. Somit ist es möglich, einen Fehler, wie z. B. einen Riss, einen Flockenriss, etc., der aus einer Unausgeglichenheit bzw. Ungleichmäßigkeit des Kalzinationsschrumpfs resultiert, beim Ausbilden bei oder nach einer Kalzination des piezoelektrischen Zusammenbaus zu verhindern.
Ein piezoelektrisches Endelement des Aktors, das der inneren Endelektrode des Aktors angrenzend angeordnet ist, kann dicker als die anderen piezoelektrischen Elemente im Aktor ausgebildet sein. Gemäß der Struktur ist es möglich, eine Schubspannung am Ende des Aktors zu vermindern, wenn sich der Aktor ausdehnt oder zusammenzieht.
Die piezoelektrische Anordnung bzw. der piezoelektrische Zusammenbau kann grob in zwei Ausgestaltungen unterteilt werden. Eine ist ein Mehrplattenstapeltyp und eine andere ein Einheitsstapeltyp. Der Mehrplattenstapeltyp kann durch Schichten einer Mehrzahl kalzinierter piezoelektrischer Elemente hergestellt sein, auf welchen innere Elektroden aufgedruckt sind. Der Einheitsstapeltyp wird durch Schichten einer Mehrzahl piezoelektrischer Elemente hergestellt, auf welchen innere Elektroden aufgedruckt sind, wobei die gestapelte Anordnung anschließend kalziniert wird, um das piezoelektrische Element und die innere Elektrode in eine Einheitsform zu bringen. Das piezoelektrische Element, das noch nicht kalziniert ist, kann als unbehandelte Platte gezeichnet werden. Der „kalzinierte Stapel” entspricht dem Einheitsstapeltyp.
Der Mehrplattenstapeltyp weist normalerweise einen elektrischen Leiter zwischen dem piezoelektrischen Elementen auf, um eine elektrische Verbindung von der inneren Elektrode nach außen herzustellen. Der elektrische Leiter kann zum Beispiel aus einer Metallfolie, wie z. B. Edelstahl und Kupfer hergestellt sein.
Falls der Sensor und der Aktor in Form des Mehrplattenstapeltyps ausgebildet sind, wird der elektrische Leiter deformiert, wenn sich der Aktor ausdehnt. Daher kann der Sensor die Last aufgrund eines Übertragungsverlusts der Last nicht genau erfassen. Zudem verändert sich die Deformation des elektrischen Leiters abhängig vom Betriebszustand. Daher können die Erfassungsergebnisse abhängig vom Zustand bzw. Status variieren, selbst wenn am Aktor eine vorbestimmte Spannung angelegt wird, um eine vorbestimmte Ausdehnung zu erreichen. Dadurch wird auch die Genauigkeit verringert.
Dahingegen kann gemäß der obenstehend erwähnten Konfiguration die elektrische Verbindung auf einfache Art und Weise bereitgestellt werden, da sich der piezo elektrische Zusammenbau im kalzinierten Stapel befindet. Zum Beispiel können die inneren Elektroden für eine elektrische Verbindung bzw. Leitung an einer Seitenfläche durch einen Schliff etc. freigestellt werden. Aus diesem Grund gibt es keine Notwendigkeit, einen elektrischen Leiter zwischen die piezoelektrischen Elemente zu setzen. Somit ist es möglich, einen Kraftverlust, der vom Aktor zum Sensor übertragen wird, zu vermindern bzw. zu unterdrücken, und die Genauigkeit zum Erfassen der Last im Gegensatz zum Mehrplattenstapeltyp zu verbessern.
Falls das piezoelektrische Element als Aktor verwendet wird, um die Entladungsmenge bzw. den Arbeitsweg des Aktors möglichst zu vergrößern, ist erwünscht, ein piezoelektrisches Element so dünn wie möglich auszubilden, und es so stark wie möglich zu beschichten. Falls der Aktor und der Sensor jedoch als einheitlich ausgebildete kalzinierte Stapel ausgebildet sind, in denen die piezoelektrischen Elemente so dünn wie möglich ausgebildet sind, könnte eine Belastung ein Problem verursachen, wenn sich der Aktor ausdehnt. Das heißt, die Belastung kann sich nahe der Seitenfläche des Aktors konzentrieren, wobei der Abschnitt, bei dem sich die Belastung konzentriert beschädigt werden kann. Dieses Problem wird umso größer, desto höher die Anzahl der Schichten des piezoelektrischen Elements im Aktor wird.
Die piezoelektrische Anordnung bzw. der piezoelektrische Zusammenbau kann eine kombinierte Einheit und eine Aktoreinheit umfassen. Die kombinierte Einheit ist als kalzinierter Stapel ausgebildet, einschließlich dem Sensor, hergestellt aus den piezoelektrischen Elementen und den inneren Elektroden und einem Teil des Aktors, der aus den piezoelektrischen Elementen und den inneren Elektroden hergestellt ist. Die Aktoreinheit ist als der kalzinierte Stapel ausgebildet, einschließlich mindestens einem Teil des übrigen Teils des Aktorteils, der aus den piezoelektrischen Elementen und den inneren Elektroden hergestellt ist. Gemäß der obenstehenden Konfiguration ist es möglich, die Belastung, die sich nahe der Seitenfläche konzentriert, zu reduzieren, wenn sich der Aktorteil ausdehnt. Aus diesem Grund kann die Qualität des piezoelektrischen Zusammenbaus verbessert werden.
Die piezoelektrische Anordnung bzw. der piezoelektrische Zusammenbau kann eine Sensoreinheit und eine Aktoreinheit umfassen. Die Sensoreinheit ist als kalzinierter Stapel nur einschließlich des Sensorteils, der aus den piezoelektrischen Elementen hergestellt ist und den inneren Elektroden. Die Aktoreinheit ist als der kalzinierte Stapel ausgebildet, einschließlich mindestens einem Teil des übrigen Teils des Aktorteils, der aus den piezoelektrischen Elementen hergestellt ist, und den inneren Elektroden.
Gemäß der obenstehenden Konfiguration ist es möglich, im Vergleich zu einem Fall, in dem der Sensor und der Aktor in einer Einheit kombiniert sind, den piezoelektrischen Zusammenbau einfach herzustellen, da die Sensoreinheit und die Aktoreinheit separat zusammengebaut und hergestellt werden können. Daher ist es möglich, den Piezoaktor mit dem Sensorteil günstig herzustellen.
Obwohl der Sensorteil an einer beliebigen Stelle angebracht sein kann, zum Beispiel zwischen zwei Teilen des Aktorteils, wird der Sensorteil bevorzugt an den Enden des piezoelektrischen Zusammenbaus angebracht.
Gemäß der obenstehenden Struktur ist es möglich, sowohl die Strukturen einer elektrischen Verbindung für die inneren Elektroden des Sensorsteils als auch die elektrische Verbindung für die inneren Elektroden des Aktorteils zu vereinfachen. Darüber hinaus ist es möglich, den Einfluss des Aktorteil auf den Sensorteil zu reduzieren. Der Einfluss kann eine Störgröße, wie zum Beispiel eine Ausbreitungskraft, die durch die Ausdehnung, Hitze etc. verursacht wird, sein.
Der Piezoaktor kann als Kraftstoffeinspritzventil verwendet werden. Eine Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzventils umfasst: einen Körper, welcher eine Düsenöffnung hat, durch welches Kraftstoff eingespritzt wird, und eine Hochdruckkraftstoffpassage, durch welche ein Hochdruckkraftstoff bzw. ein Kraftstoff, der unter hohem Druck steht, der Düsenöffnung zugeführt wird; ein Ventilelement, das in den Körper zum Steuern einer Kommunikation zwischen der Hochdruckkraftstoffpassage und der Düsenöffnung in einem Öffnungs- und Schließzustand eingefasst ist; eine erste Druckkammer, die mit der Hochdruckkraftstoffpassage in Verbindung steht, um einen Hoch druckkraftstoff aufzunehmen und zu beinhalten, welcher auf das Ventilelement einwirkt, um eine Kraft in Öffnungsrichtung zu erzeugen; eine zweite Druckkammer, die mit der Hochdruckkraftstoffpassage in Verbindung steht, um einen Hochdruckkraftstoff aufzunehmen und zu beinhalten, welcher auf das Ventilelement einwirkt, um eine Kraft in Schließrichtung zu erzeugen; ein Steuerventil, das in den Körper zum Steuern des Kraftstoffdrucks in der ersten Druckkammer oder der zweiten Druckkammer eingefasst ist; und ein Übertragungselement, das eine Auslenkung des piezoelektrischen Aktors zum Steuerventil überträgt.
Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, den Zustand des Steuerventils korrekt zu Erfassen. Aus diesem Grund ist es möglich, auch den Zustand des Ventilelements, das durch das Steuerventil betrieben wird, korrekt zu erfassen. Somit kann die Genauigkeit zum Durchführen einer Kraftstoffeinspritzung verbessert werden.
Eine andere Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzventils umfasst: einen Körper, welcher eine Düsenöffnung hat, durch welche ein Kraftstoff eingespritzt wird und eine Hochdruckkraftstoffpassage, durch welche ein Hochdruckkraftstoff bzw. ein Kraftstoff, der unter hohem Druck steht, der Düsenöffnung zugeführt wird; eine Ventileinheit, die im Körper zum Steuern einer Kommunikation zwischen der Hochdruckkraftstoffpassage und dem Düsenloch in einem Öffnungs- und Schließzustand eingefasst ist; eine erste Druckkammer, die mit der Hochdruckkraftstoffpassage in Verbindung steht, um einen Hochdruckkraftstoff aufzunehmen und zu beinhalten, welcher auf das Ventilelement einwirkt, um eine Kraft in Öffnungsrichtung zu erzeugen; eine zweite Druckkammer, die mit der Hochdruckkraftstoffpassage in Verbindung steht, um einen Hochdruckkraftstoff aufzunehmen und zu beinhalten, welcher auf das Ventilelement einwirkt, um eine Kraft in Schließrichtung zu erzeugen; und ein Zylinderelement, das im Körper eingefasst und beweglich ist, um den Kraftstoffdruck in der ersten Druckkammer und/oder der zweiten Druckkammer durch Verändern einer Füllmenge derer zu steuern, wobei das Zylinderelement direkt durch den Piezoaktor gesteuert wird.
Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, den Zustand des Ventilelements korrekt zu erfassen. Somit kann die Genauigkeit zum Durchführen einer Kraftstoffeinspritzung verbessert werden.
Der Körper kann mit einer Aktorkammer ausgebildet sein, welche den Piezoaktor einfasst. Der Piezoaktor kann in der Aktorkammer eingefasst sein, so dass der Sensor an einem fixierenden Ende der Aktorkammer angebracht ist, die entgegen einem druckveränderndem Mechanismus einschließlich mindestens dem Ventilelement und und/oder den Kammern angebracht ist.
Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, den Zustand des druckeinstellenden Mechanismus und des Ventilelements, im Gegensatz zu einem Fall, in dem das Sensorteil an der Seite nahe dem druckveränderndem Mechanismus angeordnet ist, korrekt zu erfassen, da es möglich ist, einen Übertragungsverlust einer Last, die durch den Aktorteil erzeugt wird, zu unterdrücken bzw. zu vermindern.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die entsprechenden Figuren deutlicher ersichtlich. Es zeigt:
1 eine Schnittansicht, die ein Kraftstoffzuführsystem einschließlich einem Kraftstoffeinspritzventil gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ein Flussdiagram, das eine Steuerung darstellt, die in der elektronischen Steuereinheit durchgeführt wird, welche das Kraftstoffeinspritzventil steuert;
3 ein Zeitdiagram, das eine Operation des Kraftstoffeinspritzventils darstellt;
4 eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Zusammenbaus in einem Piezoaktor;
5 eine Schnittansicht, die einen piezoelektrischen Zusammenbau darstellt;
6 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils des piezoelektrischen Zusammenbaus;
7 eine perspektivische Ansicht, die ein anderes Beispiel des piezoelektrischen Zusammenbaus darstellt;
8 einen Graphen, der ein Verhältnis zwischen einer Last und einer Ausgabe von einem Sensorteil darstellt;
9 ein Zeitdiagramm der Last FP zum erklären von Effekten sowohl in einem Fall, in dem der Sensorteil an einem axialen Ende einer Aktorkammer angebracht ist und einem Fall, in dem der Sensorteil am anderen axialen Ende der Aktorkammer angebracht ist;
10 eine perspektivische Ansicht, die eine erste mit Elektroden bedruckte Platte in einem Elektrodendruckprozess in einem Herstellungsprozess des piezoelektrischen Zusammenbaus darstellt;
11 eine perspektivische Ansicht, die eine zweite mit Elektroden bedruckte Platte in einem Elektrodendruckprozess im Herstellungsprozess des piezoelektrischen Zusammenbaus darstellt;
12 eine perspektivische Ansicht, die eine schlitzausbildende Platte in einem spaltausbildenden Brennbares-Element-Druckprozess im Herstellungsprozess des piezoelektrischen Zusammenbaus darstellt;
13 eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Teil des piezoelektrischen Zusammenbaus darstellt;
14 eine perspektivische Ansicht eines Semi-Zusammenbaus, die eine Schichtenfolge von Platten in einem Kompressionsverbindungsprozess im Herstellungsprozess des piezoelektrischen Zusammenbaus darstellt;
15 eine Seitenansicht des Semi-Zusammenbaus, die eine Schichtenfolge von Platten in einem Schneideprozess im Herstellungsprozess des piezoelektrischen Zusammenbaus darstellt;
16 eine Seitenansicht einer Einheit, die von dem Semi-Zusammenbau im Schneideprozess im Herstellungsprozess des piezoelektrischen Zusammenbaus getrennt wird;
17 eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Zusammenbaus in einem Piezoaktor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
18 eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Teil des piezoelektrischen Zusammenbaus darstellt;
19 eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Teil des piezoelektrischen Zusammenbaus gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
20 eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Teil eines piezoelektrischen Zusammenbaus gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
21 eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Teil des piezoelektrischen Zusammenbaus gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
22 eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Teil des piezoelektrischen Zusammenbaus gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
23 eine Schnittansicht, die ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
24 eine Draufsicht des fixierten Kolbens entlang eines Pfeils XXIV in 23; und
25(a) eine Draufsicht die eine Druckplatte darstellt; und 25(b) eine Unteransicht der Druckplatte.
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme der beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. In der Beschreibung werden gleiche oder entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
(Erste Ausführungsform)
Nachstehend wird eine Ausführungsform erklärt, in der ein Piezoaktor 22 der vorliegenden Erfindung in einem Kraftstoffeinspritzventil 2 verwendet wird. 1 zeigt eine Schnittansicht, die ein Kraftstoffzuführsystem 1 einschließlich dem Kraftstoffeinspritzventil 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Kraftstoffzuführsystem 1 führt jedem Zylinder eines Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern Kraftstoff, wie zum Beispiel Dieselkraftstoff zu.
Das Kraftstoffzuführsystem 1 wird mit dem Kraftstoffeinspritzventil 2, einem Schaltkreis 3, und einer elektronischen Steuereinheit 4 (ECU 4), etc. vorgesehen. Das Kraftstoffventil 2 ist auf einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern montiert. Das Kraftstoffeinspritzventil 2 spritzt einen Hochdruckkraftstoff, bzw. einen Kraftstoff der unter hohem Druck steht und in einem Sammler (nicht dargestellt) gespeichert ist, direkt in jeden Zylinder ein. Der Kraftstoff, welcher nicht für die Kraftstoffeinspritzung verwendet wird, wird über eine Rückführleitung 8 in den Kraftstofftank 10 zurückgeführt.
Das Kraftstoffeinspritzventil 2 hat Komponenten, wie zum Beispiel eine Düse 11, ein Steuerventil 18, und einen Aktorbereich 21. Die Komponenten sind in einem Körper 40 eingefasst, der in zylindrischer Form ausgebildet ist.
Der Körper 40 hat einen Kraftstoffeinlassteil 41, durch welchen der Hochdruckkraftstoff vom Sammler eingeführt bzw. eingebracht wird, und einen Kraftstoffauslassteil 42, der mit der Rückführungsleitung 8 verbunden ist. Der Körper 40 sieht einen Aufnahmeteil 43 vor. Der Aufnahmeteil 43 ist in einem axialen Endabschnitt des Körpers 40 vorgesehen. Der Körper 40 sieht eine Düse 11 vor, welche das Einspritzen und das nicht Einspritzen von Kraftstoff steuert. Die Düse 11 ist im Aufnahmeteil 43 eingefasst bzw. aufgenommen. Das Aufnahmeteil 43 ist eine erste Druckkammer.
Die Düse 11 hat eine Nadel 12, eine Düsenfeder 16, und einen Düsenzylinder 17. Die Nadel 12 ist im Aufnahmeteil 43 beweglich gelagert. Die Nadel 12 ist ein Ventilelement für das Kraftstoffeinspritzventil. Ein Düsenloch bzw. eine Düsenöffnung 44, welche mit dem Kraftstoffeinlassteil 41 über eine Hochdruckkraftstoffpassage 46, die im Körper 40 ausgebildet ist, in Verbindung steht, ist an einem axialen Ende des Aufnahmeteils 43 ausgebildet.
Ein Ventilsitz 45 ist neben der Düsenöffnung 44 Kraftstoffeinlassteil 41 seitig ausgebildet. Der Ventilsitz 45 ist ausgebildet, um in Kontakt mit einem Sitzteil 13, das auf der Nadel 12 ausgebildet ist, zu kommen. Wenn der Sitzteil 13 auf dem Ventilsitz 45 aufliegt, stoppt der Kraftstofffluss zur Düsenöffnung 44 und eine Einspritzung des Kraftstoffs von der Düsenöffnung 44 wird gestoppt. Wenn der Sitzteil 13 vom Ventilsitz 45 angehoben wird, wird der Kraftstofffluss zur Düsenöffnung 44 zugelassen, wodurch der Kraftstoff von der Düsenöffnung 44 eingespritzt wird.
Der Düsenzylinder 17 ist in zylindrischer Form ausgebildet. Der Düsenzylinder 17 wird auf dem Körper 40 nur bezüglich der Öffnungsrichtung ”unterstützt”. Die Na del 12 hat einen Kolbenteil 14, der auf einem entgegengesetzten Ende zum Sitzteil 13 ausgebildet ist. Der Kolbenteil 14 ist in dem Düsenzylinder 17 verschiebbar und abgedichtet eingebracht. Der Düsenzylinder 17 bildet eine Steuerkammer 52 mit Oberflächen auf dem Kolbenteil 14 und dem Aufnahmeteil 43 aus. Der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 52 wird auf einen hohen bzw. einen niedrigen Druck verändert. Die Steuerkammer 52 ist die zweite Druckkammer.
Ein Flanschteil 15 ist zwischen dem Sitzteil 13 und dem Kolbenteil 14 ausgebildet. Die Düsenfeder 16 ist zwischen dem Flanschteil 15 und dem Düsenzylinder 17 angebracht. Die Düsenfeder 16 drückt die Nadel 12 in eine Richtung, dass das Sitzteil 13 auf dem Ventilsitz 45 aufliegt, das heißt, in eine Schließrichtung des Ventils. Auch die Düsenfeder 16 drückt den Düsenzylinder 17 auf den Körper 40.
Die Nadel 12 wird durch den Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 52 in die Schließrichtung gedrückt. Der Hochdruckkraftstoff wird von dem Kraftstoffeinlassteil 41 durch die Hochdruckkraftstoffpassage 46 in die Aufnahmekammer 43 eingebracht. Der Hochdruckkraftstoff drückt die Nadel 12 in der Aufnahmekammer 43 in eine Richtung, dass der Sitzteil 13 vom Ventilsitz 45 angehoben wird, das heißt, in eine Öffnungsrichtung des Ventils. Die Bewegung der Nadel 12 in Schließrichtung oder Öffnungsrichtung ist abhängig von einer Balance zwischen dem Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 52, dem Kraftstoffdruck im Aufnahmeteil 43, und einer Kraft der Düsenfeder 16 definiert.
Das Steuerventil 18 ist in die Ventilkammer 53, die im Körper 40 in dessen Mittelteil in Axialrichtung eingefasst, ausgebildet ist. Das Steuerventil 18 verändert und steuert den Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 52 auf den hohen Druck und den niedrigen Druck auf ausgewählte Weise. Die Ventilkammer 53 ist mit der Verbindungspassage 50, welche stetig mit der Steuerkammer 52, einer Hochdruckverbindungspassage 47, die von dem Aufnahmeteil 43 abzweigt, und einer Niederdruckkraftstoffpassage 48 verbunden ist, verbunden bzw. steht mit dieser in Verbindung. Eine gemeinsame Ausflussöffnung 51 ist in der Verbindungspassage 50 durch Begrenzen der Passage vorgesehen.
Das Steuerventil 18 hat einen Ventilkörper 19 und eine Ventilfeder 20. Der Ventilkörper 19 steuert eine Kommunikation bzw. Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Niederdruckkraftstoffpassage 48 in einen geöffneten Zustand und einen geschlossenen Zustand durch Aufliegen oder Anheben von einer niederdruckseitigen Sitzoberfläche 54. Der Ventilkörper 19 kann als ein Ventilelement oder ein bewegbares Element des Steuerventils bezeichnet werden. Die niederdruckseitige Sitzoberfläche 54 ist um eine Öffnung der Niederdruckkraftstoffpassage 48 auf einer Wand der Ventilkammer 53 ausgebildet. Zudem steuert der Ventilkörper 19 eine Kommunikation bzw. Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Hochdruckverbindungspassage 47 in einen geöffneten Zustand und einen geschlossenen Zustand durch Aufliegen auf oder Anheben einer hochdruckseitigen Sitzoberfläche 55. Die hochdruckseitige Sitzoberfläche 55 ist um eine Öffnung der Hochdruckverbindungspassage 47 auf einer Wand der Ventilkammer 53 ausgebildet. Wenn der Ventilkörper 19 platziert ist, um auf der niederdruckseitigen Sitzoberfläche 54 zu verbleiben, ist der Ventilkörper 19 entfernt oder angehoben von der hochdruckseitigen Sitzoberfläche 55 angeordnet. Wenn sich der Ventilkörper 19 hingegen entfernt oder angehoben von der niederdruckseitigen Sitzoberfläche 54 befindet, befindet sich der Ventilkörper 19 auf der hochdruckseitigen Sitzoberfläche 55. Die Ventilfeder 20 drückt den Ventilkörper 19 in eine Richtung, dass der Ventilkörper 19 auf der niederdruckseitigen Sitzoberfläche 54 verbleibt.
Der Aktorbereich 21 ist in die Aktorkammer 56, die im Körper 40 an einem anderen Ende in der Axialrichtung entgegen der Düsenöffnung 44 ausgebildet ist, eingefasst. Die Aktorkammer 56 ist mit der Niederdruckkraftstoffpassage 48 durch eine Niederdruckverbindungspassage 49 verbunden.
Das Sperrventil bzw. Gegendruckventil 9, welches den Kraftstoffdruck auf einer Niederdruckkraftstoffpassage 48-seite steuert, ist in einer Rückführleitung 8 vorgesehen, welche den Kraftstofftank 10 und den Kraftstoffauslassteil 42 verbindet. Das Gegendruckventil 9 steuert den Kraftstoffdruck auf der Niederdruckkraftstoffpassage 48-seite auf circa 1 MPa. Der Druck des Hochdruckkraftstoffs, der im Sammler angesammelt ist, ist 100 MPa oder höher. Daher wird der Kraftstoffdruck in der Niederdruck kraftstoffpassage 48 ausreichend geringer als der Druck des Hochdruckkraftstoffs eingestellt.
Der Aktorbereich 21 hat einen Piezoaktor 22 und ein Übertragungselement 30 zum Übertragen einer Auslenkung des Piezoaktors 22. Der Piezoaktor 22 ist durch Beschichten von hauptsächlich einer Mehrzahl piezoelektrischer Elemente ausgebildet. Der Piezoaktor 22 erzeugt in Erwiderung auf eine Aufladung und Entladung einer elektrischen Ladung eine Auslenkung in eine expandierende bzw. ausdehnende Richtung und eine eingehende bzw. zusammenziehende Richtung. Eine Konfiguration des Piezoaktors 22 wird später im Detail beschrieben.
Das Übertragungselement 30 überträgt zum Ventilkörper 19 des Steuerventils 18 sowohl eine ausdehnende Auslenkung als auch eine eingehende beziehungsweise sich zusammenziehende Auslenkung des Piezoaktors 22. Das Übertragungselement 30 ist als ein Zylinderlement mit einem Aktorzylinder 31, einem ersten Kolben 32, und einem zweiten Kolben 33 ausgebildet. Der erste Kolben 32 und der zweite Kolben 33 sind in den Aktorzylinder 31 auf verschiebbare und abgedichtete Weise eingebracht. Eine Flüssigkeitskammer 34, die mit dem Kraftstoff gefüllt ist, ist zwischen dem ersten Kolben 32 und dem zweiten Kolben 33 ausgebildet.
Eine erste Feder 35 ist angebracht, um den ersten Kolben 32 in eine Richtung zum Piezoaktor 22 zu drücken. Der erste Kolben 32 wird durch den Piezoaktor 22 direkt bewegt und gesteuert. Wenn der Piezoaktor 22 expandiert bzw. ausgedehnt ist, bewegt sich der erste Kolben 32 in Richtung der Flüssigkeitskammer 34 und erhöht einen Kraftstoffdruck in der Flüssigkeitskammer 34.
Eine zweite Feder 36 ist angeordnet, um den zweiten Kolben 33 in eine Richtung zum Ventilkörper 19 des Steuerventils 18 zu drücken. Der zweite Kolben 33 ist mit dem Ventilkörper 19 mechanisch verbunden. Der zweite Kolben 33 bewegt sich in Richtung des Ventilkörpers 19 in Erwiderung auf den Kraftstoffdruck in der Flüssigkeitskammer 34. Der Ventilkörper 19 wird durch den zweiten Kolben 33 in eine Richtung an eine Stelle bewegt, an der der Ventilkörper 19 eine Kommunikation bzw. Verbindung zwi schen der Ventilkammer 53 und der Niederdruckkraftstoffpassage 48 öffnet bzw. herstellt.
Der erste Kolben 32 bewegt sich in Richtung der Kraftstoffkammer 34, wenn sich der Piezoaktor 22 ausdehnt. Der Kraftstoffdruck in der Flüssigkeitskammer 34 steigt daraufhin an. Der zweite Kolben 33 bewegt den Ventilkörper 19 in Erwiderung auf den angestiegenen Kraftstoffdruck in der Flüssigkeitskammer 34. Der Ventilkörper 19 wird durch den zweiten Kolben 33 in eine Richtung auf eine Stelle bewegt, an der der Ventilkörper 19 eine Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Niederdruckkraftstoffpassage 48 herstellt, und an der der Ventilkörper 19 eine Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Hochdruckkraftstoffpassage 48 schließt bzw. trennt.
Der Kraftstoffdruck in der Flüssigkeitskammer 34 wird angehoben, wenn sich der Piezoaktor 22 zusammenzieht. Der zweite Kolben 33 bewegt sich auf den ersten Kolben 32 durch eine Druckkraft der Ventilfeder 20 des Steuerventils 18 zu. Die Druckkraft der Ventilfeder 20 ist größer als die Druckkraft der zweiten Feder 36. Daher bewegt sich der Ventilkörper 19 in eine Richtung an eine Stelle, an der der Ventilkörper 19 eine Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Niederdruckkraftstoffpassage 48 trennt und an der der Ventilkörper 19 eine Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Hochdruckverbindungspassage 47 herstellt.
Der Piezoaktor 22 weist eine piezoelektrische Anordnung bzw. einen piezoelektrischen Zusammenbau 23 und ein Gehäuse 24 auf, das aus einem metallischen Material hergestellt ist. Der piezoelektrische Zusammenbau 23 ist durch abwechselndes Beschichten von piezoelektrischer Elemente P und inneren Elektroden E hergestellt. Jedes piezoelektrische Element P wird in Plattenform hergestellt, und kann als piezoelektrische Elementschicht bezeichnet werden. Das piezoelektrische Element P kann als piezoelektrisches Element P oder die piezoelektrische Elementschicht P bezeichnet werden. Die innere Elektrode E ist aus einem leitfähigen Element, das in Plattenform ausgebildet ist, hergestellt, und kann als innere Elektrodenschicht E bezeichnet werden.
Die piezoelektrische Anordnung bzw. der piezoelektrische Zusammenbau 23 weist einen Aktor bzw. Aktorteil 70 und einen Sensor bzw. Sensorteil 60 auf. Der Aktorteil 70 dehnt sich beim Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element P durch die innere Elektrode aus. Der Sensorteil 60 ist ein Lastsensor zum Erfassen einer an ihm anliegenden Last. Der Sensorteil 60 gibt ein Lastsignal aus, das eine Last anzeigt, die an ihm anliegt, wenn sich der Aktorteil 70 ausdehnt. Das Lastsignal wird durch die inneren Elektroden E ausgegeben. Der Sensorteil 60 verwendet den piezoelektrischen Effekt bei dem piezoelektrischen Element P. In dieser Ausführungsform ist das Lastsignal, das von der inneren Elektrode E des Sensorteils 60 ausgegeben wird, eine elektrische Ladung und ein Spannungssignal, das die Last anzeigt.
Der Piezoaktor 22 ist mit einem Schaltkreis 3 verbunden. Der Schaltkreis 3 versorgt den Aktorteil 70 des Piezoaktors 22 mit einem Ladestrom IG, um eine Piezospannung VP auf dem Aktorteil 70 zu erhöhen. Ein Ausdehnungsumfang des Aktorteils 70 variiert gemäß der Piezospannung VP. Eine elektrische Steuereinheit (ECU) 4 ist mit dem Schaltkreis 3 verbunden. Die ECU 4 erzeugt basierend auf einer Vielzahl von Informationen ein Ladesteuersignal GS gemäß einer Piezospannung VP und einem Anschaltzeitpunkt des Aktorteils 70. Die ECU 4 überträgt das Signal als ein Steuersignal auf den Aktorteil 70.
Der Sensorteil 60 ist mit dem Schaltkreis 3 verbunden. Die elektrische Ladung und das Spannungssignal vom Sensorteil 60 werden in die ECU 4 durch den Schaltkreis 3 eingegeben. Die ECU 4 ist mit einem Sensor (nicht dargestellt) verbunden, der Betriebszustände des Verbrennungsmotors und Betriebszustände des Fahrzeugs, wie zum Beispiel ein Lufteinlassvolumen, Betriebsinformationen über ein Gaspedal, eine Drehzahl des Verbrennungsmotors, einen Kraftstoffdruck im Sammler- bzw. Rohrleitungssystem, etc. erfasst. Die Signale von diesen verschiedenen Sensoren (die nicht dargestellt sind) werden in die ECU 4 eingegeben.
In dieser Ausführungsform wird ein multi-switching System (MS System) für ein Verfahren zum Laden und Entladen des Aktorteils 70 im Piezoaktor 22 angenommen.
Der Schaltkreis (DV) 3 wird mit einem Schaltelement (nicht dargestellt) vorgesehen, welches an einem Stromweg angeordnet ist, der den Piezoaktor 22 durch einen Induktionsapparat (nicht dargestellt) von einer Gleichstrom-Stromversorgung (nicht dargestellt) mit Strom versorgt. Das Schaltelement kann die Gleichstrom-Stromversorgung direkt bzw. unverzüglich vom Piezoaktor 22 trennen bzw. unterbrechen. Im MS System wird der Aktorteil 70 im Piezoaktor 22 durch wiederholtes Aufladen durch Ausführen mehrmaligen Einschalten und Ausschalten des Schaltelements basierend auf dem Ladesteuersignal GS, das von der ECU 4 übertragen wird, auf eine bestimmte Spannung geladen.
Der Ladestrom IG, der schrittweise angehoben wird, fließt in den Aktorteil 70, während das Schaltelement eingeschaltet ist. Wenn das Schaltelement ausgeschalten ist, fließt der Ladestrom IG, welcher schrittweise vermindert wird, aufgrund des Schwungradeffekts in den Aktorteil 70. Somit wird die Piezospannung VP auf das piezoelektrische Element P im Aktorteil 70 kontinuierlich angehoben, während der Ladestrom IG in den Aktorteil 70 fließt. Für Details des MS Systems, wie ein Verfahren zum Steuern und eine detaillierte Schaltkonfiguration, kann auf die Offenbarung in der JP2001-53348A verwiesen werden, welche eine Beschreibung eines MS Systems beinhaltet.
Die ECU 4 hat eine mikroarithmetische Verarbeitungseinheit (MPU) 5, ein Analog-Digital-Umsetzungsteil (AD) 6, einen Digitalsignalverarbeiter (DSP) 7 etc. Zusätzlich ist die ECU 4 mit einem ROM, einem EEPROM, einem RAM, etc. vorgesehen, welche nicht dargestellt sind. Die MPU 5 führt Rechenprozesse basierend auf einem Programm durch, das im ROM gespeichert ist. Die ECU 4 gibt ein Erfassungssignal vom Sensorteil 60 über den AD 6 ein. Der AD 6 setzt bzw. wandelt die elektrische Ladung und das Spannungssignal vom Sensorteil 60 durch Ausführen einer Hochgeschwindigkeits A/D Verarbeitung um. Die ECU 4 berechnet die Last, welche wirkt, wenn sich der Aktorteil 70 ausdehnt. Die ECU 4 erzeugt das Ladesteuersignal GS etc, das zum Aktorteil 70 basierend auf der berechnenden Last und den von verschiedenen Sensoren eingegebenen Signalen übertragen wird.
Nachfolgend wird der Betrieb des obenstehend erwähnten Kraftstoffzuführsystem 1 erklärt. Wenn der Aktorteil 70 des Piezoaktors 22 nicht ausgedehnt ist, bewegt sich der zweite Kolben 33 auf den ersten Kolben 32 durch die Druckkraft der Ventilfeder 20 des Steuerventils 18 zu. Der Ventilkörper 19 bewegt sich in Richtung der Niederdruckkraftstoffpassage 48 in Erwiderung auf den Kraftstoffdruck in der Ventilkammer 53, und liegt auf der niederdruckseitigen Sitzoberfläche 34, um eine Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Niederdruckkraftstoffpassage zu trennen. Im gleichen Moment stellt der Ventilkörper 19 die Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Hochdruckverbindungspassage 47 her. Daher wird der Kraftstoffdruck in der Ventilkammer 53 gleich dem Kraftstoffdruck in der Hochdruckkraftstoffpassage 46. Im gleichen Moment wird der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 52, der in Verbindung mit der Ventilkammer 53 steht, gleich dem Kraftstoffdruck in der Hochdruckkraftstoffpassage 46.
Zu diesem Zeitpunkt nimmt ein die Nadel 12 umgebender Abschnitt einen Kraftstoffdruck in der Hochdruckkraftstoffpassage 46 auf, welcher die Nadel 12 mit einer Öffnungskraft gemäß des Kraftstoffdrucks in die Öffnungsrichtung drückt. Gleichzeitig nimmt der Kolbenteil 14 der Nadel 12 den Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 52 auf, der die Nadel 12 mit einer Schließkraft gemäß des Kraftstoffdrucks in die Schließrichtung drückt. Zusätzlich drückt auch die Düsenfeder 16 die Nadel mit einer Schließkraft in die Schließrichtung. Die Öffnungskraft gemäß dem Kraftstoffdruck in der Hochdruckkraftstoffpassage 46 ist kleiner als eine Summe aus der Schließkraft gemäß dem Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 52 und der Schließkraft gemäß der Druckkraft der Düsenfeder 16. Daher liegt der Sitzteil 13 auf dem Ventilsitz 45 auf und eine Kraftstoffeinspritzung von der Düsenöffnung 44 wird gestoppt.
Falls sich der Aktorteil 70 des Piezoaktors 22 durch ein Steuersignal der ECU 4 ausdehnt, bewegt sich der erste Kolben 32 in Richtung der Flüssigkeitskammer 34, so lange sich der Aktorteil 70 ausdehnt. Dadurch wird der Kraftstoffdruck in der Flüssigkeitskammer 34 erhöht. Der zweite Kolben 33 nimmt den erhöhten Kraftstoffdruck auf, und bewegt sich auf den Ventilkörper 19 zu. Der Ventilkörper 19 bewegt sich in Richtung der Hochdruckverbindungspassage 47 und verbleibt auf der hochdruckseitigen Sitzoberfläche 55, um eine Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Niederdruckkraftstoffpassage 48 herzustellen. Gleichzeitig schließt der Ventilkörper 19 die Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Hochdruckverbindungspassage 47. Der Kraftstoff in der Steuerkammer 52 wird dann in dem Kraftstofftank 10 durch die gemeinsame Ausflussöffnung 51, die Verbindungspassage 50, die Ventilkammer 53, und die Niederdruckkraftstoffpassage 48 zurückgeführt. Dabei wird der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 52 vermindert.
Zu diesem Zeitpunkt nimmt ein die Nadel 12 umgebender Abschnitt den Kraftstoffdruck in der Hochdruckkraftstoffpassage 46 auf, der die Nadel 12 mit einer Öffnungskraft gemäß des Kraftstoffdrucks in die Öffnungsrichtung drückt. Gleichzeitig nimmt der Kolbenteil 14 der Nadel 12 den Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 52 auf, was die Nadel 12 mit einer Schließkraft gemäß des Kraftstoffdrucks in die Schließrichtung drückt. Zusätzlich drückt auch die Düsenfeder 16 die Nadel mit einer Schließkraft in die Schließrichtung. Die Öffnungskraft gemäß dem Kraftstoffdruck in der Hochdruckkraftstoffpassage 46 ist größer als eine Summe aus der Schließkraft gemäß des Kraftstoffdrucks in der Steuerkammer 52 und der Schließkraft gemäß der Druckkraft der Düsenfeder 16. Daher wird der Sitzteil 13 vom Ventilsitz 45 angehoben und der Kraftstoff von der Düsenöffnung 44 eingespritzt.
Falls sich der Aktorteil 70 dann wieder zusammenzieht, bewegt sich der zweite Kolben 33 gemäß der Druckkraft der Ventilfeder 20 auf den ersten Kolben 32 zu, so lange sich der Aktorteil 70 zusammenzieht. Dabei liegt der Ventilkörper 19 auf der niederdruckseitigen Sitzoberfläche 54 auf und stellt die Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Niederdruckkraftstoffpassage 48 her. Gleichzeitig trennt der Ventilkörper 19 die Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Hochdruckverbindungspassage 47. Der Hochdruckkraftstoff vom Sammler wird dabei in die Steuerkammer 52 durch die Hochdruckkraftstoffpassage 46, die Hochdruckverbindungspassage 47, die Ventilkammer 53, die Verbindungspassage 50 und die gemeinsame Ausflussöffnung 51 eingebracht.
Dabei wird der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 52 wieder erhöht. Durch den obenstehenden Betrieb wird die auf die Nadel 12 einwirkende Öffnungskraft kleiner als die auf die Nadel 12 einwirkende Schließkraft. Daher liegt der Sitzteil 13 auf dem Ventilsitz 45 auf. Somit wird die Einspritzung des Kraftstoffs von der Düsenöffnung 44 gestoppt. Wie obenstehend erwähnt, ist es gemäß der Konfiguration der Ausführungsform möglich, die Kraftstoffeinspritzung von der Düsenöffnung 44 durch intermittierendes Wiederholen der Ausdehnung und Zusammenziehung des Piezoaktors 22 intermittierend zu steuern.
Nachstehend wird eine Steuerung zum Betreiben und Antreiben des Piezoaktors 22 unter Bezugnahme von 2 und 3 erklärt. 2 ist ein Flussdiagramm eines Steuerprozesses, der in der ECU 4 durchgeführt wird. 3 ist ein Zeitdiagram, das ein Beispiel eines Betriebs darstellt, der durch den Steuerprozess durchgeführt wird.
Der Betriebsablauf der in 2 dargestellt ist, wird in Erwiderung auf ein Einschalten eines einspritzungsermöglichenden Signals KS gestartet, welches eine Kraftstoffeinspritzung von dem Kraftstoffeinspritzventil 2 ermöglicht. Das einspritzungsermöglichende Signal KS wird in der ECU 4 basierend auf den Signalen der verschiedenen Sensoren erzeugt.
Wie in 2 bei Schritt S10 dargestellt, wird ein Ladesteuersignal GS zum Steuern einer Operation bzw. eines Betriebs des Schaltkreises 3 an dem Schaltkreis 3 in Erwiderung auf das Anschalten des einspritzungsermöglichenden Signals KS gesendet. Hiernach wird jeder Schritt mit einer Nummer und einem Symbol S gekennzeichnet.
Während das Ladesteuersignal GS eingeschaltet ist, wird der schrittweise erhöhte Ladestrom IG dem Aktorteil 70 durch Einschalten des Schaltelements zugeführt. Das Schaltelement wird dann in Erwiderung auf das Ausschalten des Ladesteuersignals GS ausgeschaltet, und der schrittweise herabgesetzte Ladestrom IG wird dem Aktorteil 70 über einen Drehscheibeneffekt zugeführt. Dabei wird eine Piezospannung VP kontinuierlich erhöht.
In S20 gibt die Vorrichtung die Last FP, die durch den Aktorteil 70 im ersten Zeitpunkt TA erzeugt wird, und die Last FP, die durch den Aktorteil 70 im zweiten Zeitpunkt Tb durch Erfassen der elektrischen Ladung und des Spannungssignals, das durch den Sensorteil 60 erlangt wird, ein. Die Ladung FP kann als Piezoladung FP bezeichnet werden.
Hierbei ist eine Zeit T0 in 3 eine Zeit, wenn der Schaltkreis 3 beginnt den Ladestrom IG dem Aktorteil 70 zuzuführen. Hierbei wird die Zeit T0 als Ladestartzeit bezeichnet. Die erste Zeit Ta ist als eine Zeit definiert, wenn eine vorbestimmte Zeit von der Ladestartzeit T0 an vergangen ist. Die erste Zeit Ta ist vorbestimmt nahe einem Zeitpunkt, in dem sich der Ventilkörper 19 von der niederdruckseitigen Sitzfläche 54 abhebt. Diese erste Zeit Ta kann im ROM gespeichert werden. In dieser Ausführungsform wird die Ladung Fa, die in der ersten Zeit Ta erfasst wird, als erste Ladung Fa bezeichnet.
Die zweite Zeit Tb wird als eine Zeit bestimmt, wenn eine andere vorbestimmte Zeit von der ersten Zeit Ta an vergangen ist. Die zweite Zeit Tb ist vorbestimmt zu einem Zeitpunkt, kurz bevor sich der Ventilkörper 19 auf der hochdruckseitigen Sitzoberfläche 55 auflegt. Die zweite Zeit Tb kann im ROM gespeichert werden. In dieser Ausführungsform wird die Last FB, die in der zweiten Zeit Tb erfasst wird, als eine zweite Last FB bezeichnet.
In S30 wird durch Vergleichen der ersten Last Fa und der zweiten Last Fb bestimmt, ob sich der Ventilkörper 19 von der niederdruckseitigen Sitzoberfläche 54 abhebt.
Hierbei wird der Ventilkörper 19 in einem Zustand, in dem der Ventilkörper 19 auf der niederdruckseitigen Sitzoberfläche 54 aufliegt, durch einen unterschiedlichen Druck zwischen der Ventilkammer 53 und der Niederdruckkraftstoffpassage 58 in Richtung der niederdruckseitigen Sitzoberfläche 54 gedrückt. In einem Zustand, in dem der Ventilkörper 19 hingegen weder auf der niederdruckseitigen Sitzoberfläche 54 noch auf der hochdruckseitigen Sitzoberfläche 55 aufliegt, wird durch den unterschiedlichen Druck zwischen der Ventilkammer 53 und der Niederdruckkraftstoffpassage 48 keine Kraft erzeugt, die den Ventilkörper 19 in der Richtung der niederdruckseitigen Sitzoberfläche 54 drückt. Daher ist es in einem Fall, in dem Fa > Fb ist, möglich zu bestimmen, dass der Ventilkörper 19 normal betätigt wird. In diesem Fall zweigt das Programm bzw. der Ablauf von S30 zu JA ab, und schreitet zu Schritt S40 fort.
In S40 erfasst das Gerät einen Zeitpunkt Tc, in welchem sich der Ventilkörper 19 auf die hochdruckseitige Sitzoberfläche 55 auflegt, und die Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Hochdruckverbindungspassage 47 trennt. Der Zeitpunkt Tc kann als Hochdruckschließzeit bezeichnet werden. Genauer gesagt überwacht das Gerät die Last FP und bestimmt, ob die Last FP nach der zweiten Zeit Tb einen Grenzwert Fc erreicht. Das Gerät ermittelt den Zeitpunkt Tc durch Annahme, dass der Ventilkörper 19 die Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Hochdruckverbindungspassage 47 in einem Zeitpunkt trennt, wenn die Last FP den Grenzwert Fc nach der zweiten Zeit Tb erreicht. Diese Ermittlung bzw. Feststellung basiert auf einem Phänomen bzw. Effekt, bei welchem die Last FP ansteigt, wenn der Ventilkörper 19 in Kontakt mit der hochdruckseitigen Sitzoberfläche 55 kommt.
In einem Zustand, in dem sich der Ventilkörper 19 auf der hochdruckseitigen Sitzoberfläche 55 auflegt, wird der Ventilkörper 19 durch den Kraftstoffdruck von der Hochdruckverbindungspassage 47 in die Richtung gedrückt, um von der hochdruckseitigen Sitzoberfläche 55 angehoben zu werden. Aus diesem Grund ist es notwendig, den Ventilkörper 19, während der Kraftstoffdruck höher wird, auf die hochdruckseitige Sitzoberfläche 55 mit höherer Kraft zu drücken, um die Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Hochdruckverbindungspassage 47 sicher zu schließen.
Daher wird vorbestimmt, dass der Grenzwert Fc einen größeren Wert hat, solange der Kraftstoffdruck im Sammler höher wird. Dadurch ist es möglich, den Zeitpunkt, in dem der Ventilkörper 19 die Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Hochdruckverbindungspassage 47 im Wesentlichen trennt, korrekt zu erfassen. Der Grenzwert Fc kann durch ein Kennfeld, welches eine Beziehung zwischen dem Grenzwert Fc und dem Kraftstoffdruck im Sammler definiert, erhalten werden. Das Kennfeld kann im ROM gespeichert werden.
In S50 berechnet das Gerät eine Zeit ΔT nach dem Starten der Ladung bzw. Aufladung des Aktorteils 70 bis der Ventilkörper 19 die Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Hochdruckverbindungspassage 47 trennt. Die Zeit ΔT kann als eine Erwiderungszeit bzw. Antwortzeit auf das Steuerventil bezeichnet werden. Im Detail ist die Erwiderungszeit ΔT die Zeit von der Ladestartzeit T0 bis zu der Hochdruckschließzeit Tc. Die Erwiderungszeit wird durch die Formel ΔT = Tc – T0 berechnet.
In S60 wird bestimmt, ob die Erwiderungszeit ΔT in einem vorbestimmten Toleranzbereich liegt. Diese Bestimmung bzw. Festlegung wird unter Berücksichtigung der folgenden Formel durchgeführt oder nicht: ΔTmin ≤ ΔT ≤ ΔTmax. ΔTmin ist ein zulässiger Minimalwert für die Erwiderungszeit ΔT und noch korrigierbar. ΔTmax ist ein zulässiger Maximalwert für die Erwiderungszeit ΔT und noch korrigierbar.
In dieser Ausführungsform wird die Erwiderungszeit ΔT an eine Zielerwiderungszeit ΔTp durch korrigieren einer ansteigenden Geschwindigkeit Vc der Piezospannung VP entsprechend angepasst. Die ansteigende Geschwindigkeit Vc kann als Ladegeschwindigkeit bezeichnet werden.
Falls die Erwiderungszeit ΔT im Toleranzbereich ist, das heißt, die Feststellung in S60 JA ist, schreitet der Ablauf zu S70 fort.
In S70 berechnet das Gerät das Ladesteuersignal GS für die nächste Einspritzung und die Ladegeschwindigkeit Vc für die nächste Einspritzung. Das heißt, die Ladegeschwindigkeit Vc für die nächste bzw. anschließende Einspritzung wird basierend auf der Zielantwortzeit ΔTp für die nächste Einspritzung berechnet, so dass die Antwortzeit ΔT der Zielantwortzeit ΔTp angepasst wird. Zusätzlich wird ein Korrekturwert des Ladesteuersignals GS zum Realisieren der Ladegeschwindigkeit Vc für die nächste Einspritzung berechnet.
Falls zum Beispiel die Zielantwortzeit ΔTp für die nächste Einspritzung kürzer als die Antwortzeit ΔT für die aktuelle Einspritzung ist, wird die Ladezeit Vc für die nächste Einspritzung so berechnet, dass sie eine höhere Geschwindigkeit hat. Wie zum Beispiel in 3 dargestellt, wird das Ladesteuersignal GS für die nächste Einspritzung, angezeigt durch eine Strichpunktlinie, von dem Ladesteuersignal GS für die aktuelle Einspritzung, angezeigt durch eine durchgehende Linie, erweitert. Demzufolge wird eine Zeitdauer zum Zuführen eines schrittweise ansteigenden Ladestroms IG zum Aktorteil 70 durch verlängern einer Einschaltzeitdauer des ersten Pulses des Ladesteuersignals GS für die nächste Einspritzung verlängert. Beim Durchführen des obenstehend erwähnten Einstellprozesses werden eine Menge der Ladeenergie für die aktuelle Einspritzung und eine Menge der Ladeenergie für die nächste Einspritzung konstant reguliert. Zu diesem Zweck wird mindestens eine der Einschaltzeitdauern der zweiten und folgenden Pulse bzw. Impulse des Ladesteuersignals GS als Antwort auf den ausgedehnten bzw. vergrößerten Wert des ersten Pulses bzw. Impulses des Ladesteuersignals GS verkürzt. Dadurch wird die Summe der Ladeenergie durch das Ladesteuersignal GS für die nächste Einspritzung gleich der Summe der Ladeenergie durch das Ladesteuersignal GS für die aktuelle Einspritzung eingestellt.
Falls die Zielantwortzeit ΔTp für die nächste bzw. nachfolgende Einspritzung hingegen länger als die Antwortzeit ΔT für die aktuelle Einspritzung ist, wird die Ladegeschwindigkeit Vc für die nächste Einspritzung durch Verkürzen einer Einschaltzeitdauer des ersten Impulses bzw. Pulses des Ladesteuersignals GS für die nächste Einspritzung verkleinert. Die Ladegeschwindigkeit Vc wird durch eine Formel, welche im ROM gespeichert ist, berechnet. Das ROM speichert weiter ein Kennfeld, welches eine Beziehung zwischen der Ladegeschwindigkeit Vc und dem Ladesteuersignal GC definiert. Die ECU 4 berechnet das Ladesteuersignal GS entsprechend der Ladegeschwindigkeit Vc für die nächste Einspritzung unter Verwendung des Kennfelds.
In S80 misst und erfasst das Gerät eine Last F1 in der dritten Zeit Td, wenn die Last FP, nachdem ein Laden des Aktorteils 70 abgeschlossen ist, stabilisiert ist. Die dritte Zeit Td wird in ROM gespeichert. Die Last F1 kann als Nach-Ladelast bezeichnet werden.
In S90 berechnet das Gerät einen Fehler ΔF zwischen der Nach-Ladelast F1 und einer Ziel-Nach-Ladelast F0. Der Fehler ΔF wird durch die Formel ΔF = F1 – F0 berechnet. Die Ziel-Nach-Ladelast F0 wird in ROM gespeichert.
In S100 wird bestimmt, ob der Fehler ΔF sich in einem vorbestimmten Bereich befindet. Die Bestimmung wird durch eine Bestimmung durchgeführt, ob die Formel ΔFmin ≤ ΔF ≤ ΔFmax erfüllt wird oder nicht. ΔFmin ist ein zulässiger Minimalwert für den Fehler ΔF. ΔFmax ist ein zulässiger Maximalwert für den Fehler ΔF. In dieser Ausführungsform wird die Nach-Ladelast F1 auf einen passenden Wert, durch weiteres Korrigieren des Ladesteuersignals GS, das in S70 berechnet wird, und Korrigieren der Ladeenergie auf einen passenden Wert, eingestellt.
Wenn sich der Fehler ΔF in einem vorbestimmten Bereich befindet, das heißt, die Nach-Ladelast F1 sich in einem zulässigen Lastbereich befindet, zweigt der Ablauf bei Schritt S100 zu JA ab und schreitet zu S110 voran. In S110 wird die Ladeenergie E1 für die nächste Einspritzung berechnet. Das heißt, die Ladeenergie E0 für die aktuelle Einspritzung wird als Ladeenergie E1 für die nächste Einspritzung gespeichert. Daher wird das Ladesteuersignal GS, das in S70 berechnet wird, nicht korrigiert, und die Nach-Ladelast F1 für die nächste Einspritzung nicht verändert.
Wenn sich hingegen der Fehler ΔF in S100 nicht im vorbestimmten Bereich befindet, das heißt, die Bestimmung in S100 NEIN ist, schreitet der Ablauf zu S120 voran. In S120 wird ein Korrekturwert ΔE für die Ladeenergie basierend auf dem Fehler ΔF berechnet. Der Korrekturwert ΔE kann durch ein Kennfeld oder eine Funktion, die den Fehler ΔF als eine Variable verwendet, erhalten werden. Das Kennfeld, welches eine Beziehung zwischen dem Fehler ΔF und dem Korrekturwert ΔE definiert, wird im ROM gespeichert. Die ECU 4 berechnet den Korrekturwert ΔE unter Verwendung des Kennfeldes.
In S130 wird bestimmt, ob der Korrekturwert ΔE sich in einem vorbestimmten Bereich befindet oder nicht. Die Bestimmung wird durch eine Auswertung durchge führt, ob die Formel ΔEmin ≤ ΔE ≤ ΔEmax erfüllt wird oder nicht. Hierbei ist ΔEmin ein zulässiges Minimum des Korrekturwertes ΔE. ΔEmax ist ein zulässiges Maximum des Korrekturwerts ΔE. ΔEmin und ΔEmax werden im ROM gespeichert.
Wenn sich der Korrekturwert ΔE in einem vorbestimmten Bereich befindet, das heißt, die Bestimmungen bei S130 JA ist, schreitet der Ablauf zu S140 voran.
In S140 werden das Ladesteuersignal GS für die nächste Einspritzung und die Ladeenergie E1 für die nächste Einspritzung berechnet. Hierbei wird ein Korrekturwert des Ladesteuersignals GS berechnet.
Das heißt, die Ladeenergie E1 für die nächste Einspritzung wird als Summe des Korrekturwertes ΔE und der Ladeenergie E0 für die aktuelle Einspritzung erhalten. Zusätzlich wird das Ladesteuersignal GS, das in S70 berechnet wird, weiter korrigiert, um die Ladeenergie E1 für die nächste Einspritzung zu ermöglichen.
Wenn zum Beispiel der Korrekturwert ΔE positiv ist, wird eine Anschaltzeitdauer für den letzten Impuls des Ladesteuersignals GS, der in S70 berechnet wird, verlängert. Wenn der Korrekturwert ΔE negativ ist, wird eine Anschaltzeitdauer für den letzten Impuls des Ladesteuersignals GS, das in S70 berechnet wird, verkürzt.
Ein Kennfeld, welches eine Beziehung zwischen einem Korrekturwert für das Ladesteuersignal GS und die Ladeenergie E1 für die nächste Einspritzung definiert, wird im ROM gespeichert. Die ECU 4 berechnet den Korrekturwert für das Ladesteuersignal GS unter Verwendung des Kennfeldes.
In der nächsten Ablaufkette wird das Ladesteuersignal GS, das in S70 berechnet wird, oder das Ladesteuersignal GS, das in S40 weiter korrigiert wird, an die Antriebsschaltung 3 ausgegeben.
Eine Menge der Ladung des Aktorteils 70 wird basierend auf dem Ladesteuersignal GS, das in S40 korrigiert wird, gesteuert. Dabei wird die Nach-Ladelast F1 in einem zulässigen Bereich eingestellt. Aus diesem Grund ist es möglich, einen Dichtungsfehler, verursacht durch eine unzureichende Druckkraft des Ventilkörpers 19 auf die hochdruckseitige Sitzoberfläche 55, zu verhindern. Gleichzeitig ist es möglich, ein übermäßiges Abnutzen des Ventilkörpers 19 oder der hochdruckseitigen Sitzoberfläche 55, das durch eine übermäßige Druckkraft verursacht wird, zu verhindern oder zu vermindern.
In S150, durchgeführt nach S110 oder S140, wird bestimmt, ob das Einspritzermöglichungssignal KS ausgeschalten ist. Falls das Einspritzermöglichungssignal KS in S150 nicht ausgeschalten ist, wiederholt das Gerät die gleiche Bestimmung. Falls das Einspritzermöglichungssignal KS dann in S150 ausgeschalten ist, schreitet der Ablauf zu S160 voran.
In S160 steuert das Gerät den Aktorteil 70, um eine elektrische Ladung unter Verwendung eines bereits bekannten Verfahrens durch Ausgeben eines Ausgangssignals ES an die Antriebsschaltung 3 zu entladen. Dabei wird der Ventilkörper 19 von der hochdruckseitigen Sitzoberfläche 55 angehoben und stellt die Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Hochdruckverbindungspassage 47 her. Der Ventilkörper 19 sitzt hingegen auf der niederdruckseitigen Sitzoberfläche 54 auf und trennt die Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Niederdruckkraftstoffpassage 48. Somit wird eine Kraftstoffeinspritzung von der Düsenöffnung 44 gestoppt. Der Ablauf ist nach dem Durchführen des Prozessschrittes bei S160 beendet.
Falls die Bestimmung in S30 NEIN ist, das heißt, Fa ≤ Fb, schreitet der Ablauf zu S170 voran. Falls die Bestimmung in S60 NEIN ist, das heißt, ΔTmin > ΔT > ΔTmax, schreitet der Ablauf zu S170 voran. Falls die Bestimmung in S130 NEIN ist, das heißt, ΔEmin > ΔE > ΔEmax, schreitet der Ablauf zu S170 voran. In diesen Fällen bestimmt das Gerät, das das Steuerventil 18 auf Grund einer Anomalität, wie zum Beispiel einer Fehlfunktion des Aktorteils 70 oder des Übertragungselements 30, nicht richtig funktioniert.
In S170 wird eine Fehler-Steuerung durchgeführt. Das heißt, das Gerät identifiziert zuerst einen oder mehrere Fehler des fehlerhaften Einspritzventils 2, das in einem der Schritte S30, S60 oder S130 als fehlerhaft beachtet wird. Anschließend verbietet das Gerät die Kraftstoffeinspritzung vom fehlerhaften Einspritzventil 2. Das Gerät speichert auch Informationen, die das fehlerhafte Verhalten des Einspritzventils 2 und Betriebszustände im EEPROM darstellen.
Der Zeitpunkt, wenn ein Laden bzw. Aufladens des Aktorteils 70 beginnt, kann als Startzeit bezeichnet werden. Die Zeit beziehungsweise der Zeitpunkt, wenn eine Kraftstoffeinspritzung gestartet wird, kann als Einspritzzeitpunkt bezeichnet werden. Die Zeit, wenn der Ventilkörper 19 die Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Hochdruckverbindungspassage 47 trennt, kann als Trennzeitpunkt bezeichnet werden. Die Zeitdauer vom Startzeitpunkt zum Einspritzzeitpunkt kann als Gesamtantwortzeit bezeichnet werden. Die Antwortzeit ΔT vom Startzeitpunkt bis zum Trennzeitpunkt kann auch als Piezo-Antwortzeit bezeichnet werden. Die Zeit vom Trennzeitpunkt bis zum Einspritzzeitpunkt kann als Strömungsantwortzeit bezeichnet werden. Die Antwortzeit ΔT wird durch die Eigenschaften des Aktorteils 70 beeinflusst. Die Strömungsantwortzeit wird jedoch nicht durch die Eigenschaften des Aktorteils 70 beeinflusst.
Es ist möglich, durch Steuern der Aufladung des Aktorteils 70 basierend auf dem Ladesteuersignal GS, das in S70 berechnet wird, die Antwortzeit ΔT auf einen Wert gleich der Zielantwortzeit ΔTp einzustellen. Das heißt, es ist möglich, einheitliche Einspritzeigenschaften durch Entfernen der Einflüsse, die durch die Variation der Eigenschaften von Produkten des Aktorteils 70 und der Zeitverkürzung verursacht werden, bereitzustellen. Gemäß dem Gerät ist es möglich, Einspritzeigenschaften, wie zum Beispiel einen Einspritzzeitpunkt und eine Einspritzmenge unabhängig von der Variation zwischen den Produkten und der Zeitverkürzung genau zu steuern.
Als nächstes wird die piezoelektrische Anordnung bzw. der piezoelektrische Zusammenbau 23 bezüglich der 4 bis 8 im Detail beschrieben.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht des piezoelektrischen Zusammenbaus 23 im Piezoaktor 22 in 1. 5 zeigt eine Schnittansicht, die den piezoelektrischen Zusammenbau 23 darstellt. 6 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils des piezoelektrischen Zusammenbaus 23.
Wie in 4 dargestellt, zeigt die piezoelektrische Anordnung bzw. der piezoelektrische Zusammenbau 23 einen Zusammenbau durch Stapeln oder Schichten der piezoelektrischen Elemente 61, 71 und 81, und die inneren Elektroden 62a, 62b, 72a, und 72b. Die Außenkontur des Piezoaktors 22 hat die Form einer achtkantigen Säule.
Der Sensorteil 60 ist an einem Ende, das heißt, am oberen Ende des piezoelektrischen Zusammenbaus 23 angebracht. Der Sensorteil 60 hat eine Mehrzahl von geschichteten piezoelektrischen Elementen 61. Der Sensorteil 60 weist zwei bzw. ein Paar innerer Elektroden 62a und 62b auf, welches ein piezoelektrisches Element 61 sandwichartig aufnimmt. Der Sensorteil 60 umfasst entsprechend einer Mehrzahl piezoelektrischer Elemente 61 eine Mehrzahl von Paaren der inneren Elektroden 62a und 62b. Der Sensorteil 60 kann mit mindestens einem piezoelektrischen Element 61 und einem Paar der inneren Elektroden 62a und 62b, das entsprechend auf Seiten des piezoelektrischen Elements 61 platziert ist, konfiguriert sein.
Eine Zwischenschicht 80 ist am Ende der Laminierungsrichtung bzw. Schichtrichtung des Sensorteils 60 angebracht. Die Zwischenschicht 80 ist unterhalb des Sensorteils 60 angebracht. Die Zwischenschicht 80 besteht aus dem piezoelektrischen Element 81. Die Zwischenschicht 80 ist ein Verbindungselement, welches den Sensorteil 60 und den Aktorteil 70 verbindet.
Der Aktorteil 70 ist unterhalb der Zwischenschicht 80 angeordnet. Der Aktorteil 70 hat eine Mehrzahl der laminierten piezoelektrischen Elemente 71. Der Aktorteil 70 hat ein Paar der inneren Elektroden 72a und 72b, welches ein piezoelektrisches Element 71 sandwichartig umfasst. Der Aktorteil 70 enthält eine Mehrzahl von Paaren der inneren Elektroden 72a und 72b entsprechend einer Mehrzahl der piezoelektrischen Elemente 71. In dieser Konfiguration ist die Zwischenschicht 80 zwischen dem Sensorteil 60 und dem Aktorteil 70 ausgebildet.
Wie in 1 dargestellt, ist der piezoelektrische Zusammenbau 23 eingefasst und fixiert, um den Sensorteil 60 in direkten oder indirekten Kontakt mit einem Fixierende 57 zu bringen. Das Fixierende 75 ist am anderen axialen Ende der Aktorkammer 56 ausgebildet, das heißt, am anderen axialen Endteil des Körpers 40.
Eine Außenelektrode 65a, die als positive Elektrode für den Sensorteil 60 ausgebildet ist, und eine Außenelektrode 75a, die als eine positive Elektrode für den Aktorteil 70 ausgebildet ist, sind auf eine Seitenfläche des piezoelektrischen Zusammenbaus 23 ausgebildet. Eine Außenelektrode 65b, die als eine negative Elektrode für den Sensorteil 60 ausgebildet ist, und eine Außenelektrode 75b, die als eine negative Elektrode für den Aktorteil 70 ausgebildet ist, sind auf der anderen Seitenfläche des piezoelektrischen Zusammenbaus 23 ausgebildet. Die eine Seitenfläche und die andere Seitenfläche sind gegenüberliegende Seitenflächen. Die Außenelektroden 65a, 65b, 75a, und 75b können als Außenelektrodenschichten bezeichnet werden.
Die Antriebsschaltung 3 hat zwei Eingangsanschlüsse zum Empfangen von Signalen, die im Sensorteil 60 erzeugt werden. Die Außenelektrode 65a ist mit den Eingangsanschlüssen verbunden, die als ein positiver Anschluss ausgebildet sind, in dem ein höheres elektrisches Potenzial angelegt werden soll. Die Außenelektrode 65b ist mit dem Eingangsanschluss verbunden, der als ein negativer Anschluss ausgebildet ist, an dem ein niedrigeres elektrisches Potenzial angelegt werden soll.
Die Antriebsschaltung 3 hat zwei Ausgangsanschlüsse zum Anlegen einer Spannung am Aktorteil 70. Die Außenelektrode 75a ist mit dem Ausgangsanschluss verbunden, der als ein positiver Anschluss ausgebildet ist, dem ein höheres elektrisches Potenzial zugeführt werden soll. Die Außenelektrode 75b ist mit dem Außenanschluss verbunden, der als negativer Anschluss ausgebildet ist, dem ein niedrigeres elektrisches Potenzial zugeführt werden soll.
Die Anordnung der Elektroden 65a, 65b, 75a und 75b kann gemäß der verschiedenen Voraussetzungen modifiziert werden. In dieser Ausführungsform sind die Elektrode 65a und die Elektrode 75a auf derselben Seite ausgebildet. Die Elektrode 65b und die Elektrode 75b sind auf der selben Seite ausgebildet. Alternativ können die Elektroden zum Beispiel wie in 7 dargestellt angeordnet sein. In der Modifikation von 7 sind die Elektroden 65a, 65b, 75a und 75b verteilt auf den vier Hauptflächen angeordnet. Die Elektroden 65a, 65b, 75a und 75b sind auf den Seitenflächen um 90° versetzt entsprechend angeordnet.
Wie in 5 und 6 dargestellt haben die inneren Elektroden 62a und 62b im Sensorteil 60 freiliegende Teile 64a bzw. 64b. Die freiliegenden Teile 64a sind auf der einen Seitenfläche freiliegend. Die freiliegenden Teile 64b sind auf der anderen Seitenfläche freiliegend. Die freiliegenden Teile 64a und 64b sind an einem äußeren Ende der inneren Elektroden 62a und 62b ausgebildet. Die inneren Elektroden 62a und 62b sind entweder mit den äußeren Elektroden 65a oder den äußeren Elektroden 65b über die freiliegenden Teile 64a und 64b verbunden. Die inneren Elektroden 62a und 62b sind mit den äußeren Elektroden 65a und 65b abwechselnd verbunden. Eine Mehrzahl der inneren Elektroden 62a ist mit der einen äußeren Elektrode 65a über die freiliegenden Teile 64a verbunden. Eine Mehrzahl der inneren Elektroden 62b ist mit der äußeren Elektrode 65b über die freiliegenden Teile 64b verbunden.
Die inneren Elektroden 72a und 72b im Aktorteil 70 weisen die freigestellten Teile 74a und 74b auf, die entsprechend an beiden Seiten des piezoelektrischen Zusammenbaus 23 freigestellt sind. Die freigestellten Teile 74a und 74b sind an äußeren Enden der inneren Elektroden 72a und 72b ausgebildet. Die inneren Elektroden 72a und 72b sind mit beiden Außenelektroden 75a und 75b über die freigestellten Teile 74a und 74b verbunden. Die inneren Elektroden 72a und 72b sind abwechselnd mit den Außenelektroden 75a und 75b verbunden. Eine Mehrzahl von inneren Elektroden 72b wird mit der äußeren Elektrode 75b über die freigestellten Teile 74b verbunden. Sowohl der Sensorteil 60 als auch der Aktorteil 70 umfassen eine Mehrzahl von Einheitselementen, welche ein piezoelektrisches Element und zwei Elektroden umfassen. Die Einheitselemente sind sowohl für den Sensorteil 60 als auch den Aktorteil 70 in der gleichen Struktur ausgebildet. Der Sensorteil 60 und der Aktorteil 70 haben jedoch eine verschiedene Anzahl laminierter bzw. geschichteter Einheitselemente, so dass der Sensorteil 60 und der Aktorteil 70 in Laminierungsrichtung eine unterschiedliche Länge haben.
Der piezoelektrische Zusammenbau 23 kann durch das folgende Herstellungsverfahren hergestellt sein. In einem Vorbereitungsprozess werden die piezoelektrischen Elemente 61, 71 und 81 aus keramischen Materialien, wie zum Beispiel Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) vorbereitet. Die inneren Elektroden 62a, 62b, 72a und 72b, die aus einer Ag/Pd Legierung hergestellt sind, werden vorbereitet. Anschließend werden die piezoelektrischen Elemente 61, 71 und 81 und die inneren Elektroden 62a, 62b, 72a und 72b in einem Stapel oder Laminier- bzw. Beschichtungsprozess in einer wie obenstehend erwähnten Reihenfolge laminiert. Somit wird ein Stapel bzw. Stack hergestellt. In einem Kalzinierungsprozess wird der Stapel dann kalziniert, um die piezoelektrischen Elemente und die Elektroden zu vereinen. Demzufolge wird ein kalzinierter Stapel hergestellt, welcher als Einheitsstapeltyp bezeichnet werden kann. In einem Verdrahtungsprozess werden anschließend die Elektroden derart angebracht, um elektrische Verbindung wie obenstehend erwähnt vorzusehen.
Bei den inneren Elektroden 62a und 62b im Sensorteil 60 wird eine innere Elektrode 63, die sich nähest am Aktorteil 70 befindet und am Ende des Sensorteils 60 angeordnet ist, als eine innere Endelektrode 63 bezeichnet. Die innere Endelektrode 63 ist mit der äußeren Elektrode 65b verbunden. Bei den inneren Elektroden 72a und 72b im Aktorteil 70 wird hingegen eine innere Elektrode 73, die nähest dem Sensorteil 60 ist und am Ende des Aktorteils 70 angeordnet ist, als eine innere Endelektrode 73 bezeichnet. Die innere Endelektrode 73 ist mit der äußeren Elektrode 75b verbunden.
Sowohl die innere Endelektrode 63 als auch die innere Endelektrode 73 sind negative Elektroden. Mindestens die Zwischenschicht 80 befindet sich zwischen den inneren Endelektroden 63 und 73. In dieser Ausführungsform befindet sich nur die Zwischenschicht 80 zwischen den Elektroden.
Hierbei, falls der Ladestrom IG dem Aktorteil 70 wie in 1 dargestellt zugeführt wird, dehnt sich das piezoelektrische Element 70 in Laminierungsrichtung aus. Wenn sich der Aktorteil 70 wie in 8 dargestellt in die Laminierungsrichtung ausdehnt, erzeugt der Sensorteil 60 das Spannungssignal gemäß der Last, welche durch den Aktorteil 70 erzeugt wird. Die erzeugte Spannung liegt ca. zwischen 0 V und 50 V.
Da beide inneren Endelektroden 63 und 73 mit den äußeren Elektroden 65b und 75b verbunden sind, sind die Polaritäten beider inneren Endelektroden 63 und 73 negativ. Daher wird ein elektrischer Potentialunterschied zwischen den innere Endelektroden 63 und 73 relativ gering aufrechterhalten, selbst wenn der Aktorteil 70 mit dem Ladestrom IG versorgt wird und gleichzeitig der Sensorteil 60 die elektrische Spannung und das Spannungssignal erzeugt.
Um dem Aktorteil 70 die Ladespannung IG zuzuführen, kann das piezoelektrische Element 71 mit einer hohen Spannung von circa 51 V versorgt werden. Zu diesem Zeitpunkt erzeugt das piezoelektrische Element 61 des Sensorteils 60 das Spannungssignal mit mehreren zig Volt. Selbst in einem solchen Fall wird eine elektrische Ableitung vom Aktorteil 70 zum Sensorteil 60 unterdrückt, da die Polaritäten beider innere Endelektroden 63 und 73 negativ sind. Die elektrische Ableitung zum Sensorteil 60 kann zu einem elektrischen Rauschen bzw. zu einem elektrischen Störsignal bezüglich dem Signal von den Innenelektroden 62a und 62b im Sensorteil 60 führen. Das Signal zeigt die Last des Aktorteils 70 an. Das Störsignal kann durch Unterdrücken der elektrischen Ableitung unterdrückt werden. Somit kann die Genauigkeit zum Erfassen der Last mit dem Sensorteil 60 verbessert werden.
Es ist möglich, die Genauigkeit zum Erfassen der Last FP in S20, S40 und S80 im Steuerfluss, wie in 3 dargestellt, erheblich zu verbessern. Außerdem ist es möglich, einen Betriebszustand sicher zu erfassen. Somit ist es möglich, Einspritzeigenschaften, wie zum Beispiel einen Einspritzzeitpunkt und/oder eine Einspritzmenge, mit höherer Genauigkeit zu steuern, da die Genauigkeit zum Erfassen der Antwortzeit ΔT verbessert werden kann.
Da die elektrische Ableitung zum Sensorteil 60 unterdrückt werden kann, ist es nicht notwendig einen zusätzlichen Isolator vorzusehen, wie zum Beispiel eine Isolierungsschicht, die zusätzlich zu dem piezoelektrischen Element 51 in der Zwischenschicht 80 hinzugefügt wird. Das heißt, die Zwischenschicht 80 kann ausschließlich durch das piezoelektrische Element 81 vorgesehen werden, wodurch es möglich ist, erhöhte Herstellungskosten des Piezoaktors 22 zu vermeiden. Falls der Piezoaktor 22 im Kraftstoffeinspritzventil 2 verwendet wird, ist es möglich, das Ansteigen der Herstellungskosten des Kraftstoffeinspritzventils 2 zu reduzieren.
Falls eine noch höhere Isolierung oder ein noch geringeres Störsignal erforderlich sind, kann ein Element, welches als Isolator oder Abstandselement bezeichnet werden kann, zwischen dem Sensorteil 60 und dem Aktorteil 70 vorgesehen werden. Ein solcher Isolator oder ein solches Abstandselement kann zusätzlich oder anstelle der Zwischenschicht 80 vorgesehen sein. Selbst wenn das Abstandselement vorgesehen ist, ist es möglich, das Abstandselement so dünn wie möglich auszubilden, um ansteigende Herstellungskosten zu vermeiden, da die innere Endelektroden 63 und 73 als negative Elektroden verwendet werden.
In dieser Ausführungsform wird der Sensorteil 60 auf einem Ende des Aktorteils 70 ausgebildet. Diese Anordnung bringt Vorteile hinsichtlich eines verbesserten Herstellungsprozesses des piezoelektrischen Zusammenbaus 23 und zum Vermindern der Herstellungskosten mit sich.
Wie obenstehend erwähnt, ist es möglich den Piezoaktor 22 vorzusehen, welcher ansteigende Herstellungskosten vermindern kann und um die Genauigkeit zum Erfassen der Last durch den Sensorteil 60 zu verbessern.
Wie in 1 dargestellt ist der piezoelektrische Zusammenbau 23 in der Ausführungsform derart eingefasst und fixiert, dass der Sensorteil 60 das Fixierende 57 direkt oder indirekt berührt. Das Fixierende 57 ist am anderen Ende der Aktorkammer 56 bezüglich der Düsenöffnung angeordnet. Diese Anordnung ist vorteilhaft zum Erreichen unterschiedlicher Lastsignale, in Vergleich zur entgegengesetzten Anordnung, bei der der Sensorteil 60 am Ende nahe der Düsenöffnung angeordnet ist. Diese Anordnung verbessert zum Beispiel die Unterscheidung der ersten Last Fa und der zweiten Last Fb durch Erhöhen eines Unterschieds zwischen der ersten Last Fa und der zweiten Last Fb. Weiter verbessert diese Anordnung die Unterscheidung der ersten Last Fa und der Grenzwertlast Fc. Es ist möglich, die Genauigkeit zum Erfassen des Zustandes des Ventilkör pers 19 zu verbessern. Zum Beispiel kann jede der Erfassungsgenauigkeiten für die folgenden Zustände verbessert werden: Anheben (des Ventilkörpers 19) von der niederdruckseitigen Sitzoberfläche 54, ein Aufsitzen auf der hochdruckseitigen Sitzoberfläche 55, und Schließen bzw. Trennen der Verbindung zwischen der Ventilkammer 53 und der Hochdruckverbindungspassage 47.
Als nächstes werden die Last FP, die durch den Sensorteil 60 erfasst wird, der auf dem Fixierende 57 angeordnet ist, d. h. dem anderen Ende der Aktorkammer 56, und die Last FP, die durch den Sensorteil 60 erfasst wird, der auf einer Seite nahe dem Übertragungselement 30 angeordnet ist, d. h. dem einen Ende der Aktorkammer 56, verglichen.
9 zeigt ein Zeitdiagramm, das die Last FP in 3 darstellt. Eine durchgehende Linie stellt diese Ausführungsform dar. Eine gestrichelte Linie stellt ein Vergleichsbeispiel dar, in dem der Sensorteil 60 auf dem einen Ende angebracht ist.
Aus 9 ist gemäß der ersten Ausführungsform ersichtlich, dass im Vergleich zum Vergleichsbeispiel ein Unterschied zwischen der ersten Last Fa im ersten Zeitpunkt Ta und der zweiten Last Fb im zweiten Zeitpunkt Tb erhöht wird. Ähnlich wird im Vergleich zum Vergleichsbeispiel auch ein Unterschied zwischen der zweiten Last Fb und dem Grenzwert Fc im Hochdruckschließzeitpunkt Tc erhöht.
In der Ausführungsform wird ein Übertragungsverlust unterdrückt bzw. vermindert, wodurch es möglich ist, im Vergleich zum Vergleichsbeispiel den Wert der Last Fa und des Grenzwerts Fc zu erhöhen. Im Vergleichsbeispiel werden gewisse bewegliche Elemente, wie z. B. das Übertragungselement 60, die Fluid- bzw. Flüssigkeitskammer 34 und die verschiedenen Federn 20, 35 und 36 auf dem Sensorteil 60 angeordnet. Daher können diese beweglichen Elemente die Übertragungsverluste der Last erhöhen und den Wert der Last Fa und des Grenzwerts Fc verkleinern. Im Vergleichsbeispiel kann hingegen im zweiten Zeitpunkt Tb ein gewisses Maß der Last auf beide Enden des Sensorteils 60 wirken. Daher wird die zweite Last Fb im Vergleich zur Ausführungsform unerwünscht erhöht.
Gemäß der Ausführungsform ist es möglich, ein unterschiedliches Lastsignal zu erfassen.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren des piezoelektrischen Zusammenbaus 23 in dieser Ausführungsform mit Bezug auf die 10 bis 16 beschrieben.
Der piezoelektrische Zusammenbau 23 in dieser Ausführungsform wird durch ein Herstellungsverfahren hergestellt, das die folgenden Prozesse bzw. Schritte umfasst: Herstellungsprozess einer unbehandelten Platte (englisch: green sheet), Elektrodendruckprozess, spaltenausbildender Brennbares-Element-Durckprozess, Druckverbindungsprozess, Schneideprozess, Kalzinierungsprozess, Isolierungsharzaufbringungsprozess, und Polarisationsprozess. Hiernach wird jeder der Prozesse im Detail erklärt.
(Herstellungsprozess einer unbehandelten Platte)
Zuerst wird ein keramisches Materialpulver, wie z. B. das Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) als Material für das piezoelektrische Element vorbereitet. In einem Vorbereitungsschritt werden „rohe” Materialien, die zumindest Pb₃O₄, SrCO₃, ZrO₂, TiO₂, Y₂O₃ und Nb₂O₅ umfassen, vorbereitet. Die „Rohmaterialien” werden stöchiometrisch derart gemessen, dass folgende Zusammensetzung erreicht wird: PbZrO₃ – PbTiO₃ – Pb(Y_1/2Nb_1/2)O₃. Die Materialien werden in einem nassen Zustand vermischt und bei 850°C für fünf Stunden kalziniert, um ein kalziniertes Pulver zu erhalten.
Als nächstes wird das kalzinierte Pulver in einem nassen Zustand unter Verwendung einer Perlmühle gemahlen. Ein gemahlenes kalziniertes Pulver kann einen Partikeldurchmesser (G50-Wert) von 0,7 ± 0,05 Mikrometern haben. Das gemahlene kalzinierte Pulver wird getrocknet. Das gemahlene kalzinierte Pulver wird anschließend mit einem Lösemittel, einem Bindemittel, einem Weichmacher, einem Dispergiermittel etc. durch eine Kugelmühle vermischt, um Schlicker zu erhalten. Der Schlicker wird dann durch einen Vakuumentgasungsprozess und einen Viskositätssteuerungsprozess behan delt, während der Schlicker durch eine Rührvorrichtung in einer Vakuumvorrichtung gerührt wird.
Der behandelte Schlicker wird auf einen Trägerfilm unter Verwendung des Streichmesserverfahrens (englisch: doctor blade method) aufgetragen, so dass eine unbehandelte Platte mit einer Dicke von 80 Mikrometer fabriziert wird. Anschließend wird die unbehandelte Platte in die vorbestimmte Größe geschnitten, so dass eine Mehrzahl unbehandelter Platten 100 hergestellt wird.
Als Ausbildungsverfahren bzw. Herstellungsverfahren einer unbehandelten Platte können in der Ausführungsform verschiedene Verfahren, wie z. B. ein Extrusionsformverfahren, anstelle des Streichmesserverfahrens verwendet werden.
(Elektrodendruckprozess)
Schichten aus Elektrodenmaterial 101a und 101b, die die inneren Elektroden 62a, 62b, 72a und 72b sein sollen, werden auf die unbehandelten Platten 100 gedruckt. Somit werden wie in 10 und 11 dargestellt, zwei Arten von Platten vorgesehen, welche eine erste elektrodenbedruckte Platte 110a und eine zweiten elektrodenbedruckte Platte 110b vorsehen.
In einem Ausbildungs- bzw. Herstellungsprozess der ersten elektrodenbedruckten Platte 110a wird das Elektrodenmaterial 101a wie in 10 dargestellt, nur auf einen Teil eines bedruckbaren Bereichs 102 der unbehandelten Platte 100 gedruckt. Dieser Teil entspricht einem Bereich, in dem die inneren Elektroden 62a und 72a am Ende vorgesehen werden sollen.
In einem Formprozess der zweiten elektrodenbedruckten Platte 110b wird das Elektrodenmaterial 101b wie in 11 dargestellt nur auf einen Teil eines bedruckbaren Bereichs 102 der unbehandelten Platte 100 gedruckt. Dieser Teil entspricht einem Bereich, in dem die inneren Elektroden 62b und 72b am Ende vorgesehen werden sollen.
Die Schichten des Elektrodenmaterials 101a und 101b werden auf vorbestimmten Bereichen der ersten elektrodenbedruckten Platte 110a und der zweiten elektrodenbedruckten Platte 110b platziert, so dass die inneren Elektroden, die durch die Schichten vorgesehen sind, auf der Seitenfläche bzw. Seitenoberfläche des Stapels freigestellt sind.
Das Elektrodenmaterial 101a und 101b besteht aus einer Ag/Pb-Legierung, welche in Pastenform vorliegt. Das Elektrodenmaterial 101a und 101b kann aus einem einzelnen Metall bestehen, wie z. B. Ag, Pd, Cu oder Ni, oder einer Legierung, wie z. B. Cu/Ni anstelle der Ag/Pb Legierung.
(Spaltausbildender Brennbares-Element-Druckprozess
Wie in 13 dargstellt, wird ein Spalt 120 auf der Seitenfläche des piezoelektrischen Elements 71 im piezoelektrischen Zusammenbau 23 vorgesehen. Der Spalt kann als eine Ausnehmung bezeichnet werden, die in Spaltform ausgebildet ist. Der Piezoaktor 22 weist eine Mehrzahl von Spalten 120 auf. Zum Beispiel können alle oder manche der piezoelektrischen Elemente 71 die Spalten 120 aufweisen. In dem in den 4 bis 6 dargestellten piezoelektrischen Zusammenbau 23 sind die Spalten nicht illustriert oder erklärt. Die Spalten 120 sind beim Abbau von Eigenspannung von Vorteil, die beim Deformieren des Piezoaktors 22 erzeugt wird. Die Spalte 120 wird durch Plazieren einer spaltausbildenden Platte 111 zwischen der ersten elektrodenbedruckten Platte 110a und der zweiten elektrodenbedruckten Platte 110b ausgebildet. Die spaltenausbildende Platte 111 wird in diesem Schritt ausgebildet.
Wie in 12 dargestellt, wird die spaltausbildende Platte 111 durch Drucken einer brennbaren Schicht 112 auf den bedruckbaren Bereich 102 auf der unbehandelten Platte 100 ausgebildet. Die brennbare Schicht 112 besteht aus einem brennbaren Material, welches im Kalzinierungsprozess weggebrannt oder verdampft werden kann. Das brennbare Material definiert den Spalt 120 durch Erhalten einer Lücke, bis die piezoelektrischen Elemente 71 fest geworden sind.
Im Elektrodendruckprozess und dem spaltausbildenden Brennbares-Element-Druckprozess werden das Elektrodenmaterial 101a und 101b und die brennbare Schicht 112 wie in 10 und 12 dargestellt ausgebildet, um eine Grenze 103 dazwischen aufrecht zu erhalten. Die Grenze 103 führt zu einer Schneidegrenze im Schneideprozess.
(Druckverbindungsprozess)
Als nächstes werden wie in 14 dargestellt die erste elektrodenbedruckte Platte 110a, die zweite elektrodenbedruckte Platte 110b und die spaltausbildende Platte 111 in der gegebenen Reihenfolge geschichtet. Die Platten 110a, 110b und 111 werden angeordnet, um die bedruckbaren Bereiche 102 überlappend in einer Schichtungsrichtung zu platzieren. Die zweite elektrodenbedruckte Platte 110b wird am Ende des Aktorteils 70 nähest zum Sensorteil 60 angeordnet. Die zweite elektrodenbedruckte Platte 110b wird auch am Ende des Sensorteils 70 nähest zum Aktorteil 70 angeordnet. Eine Mehrzahl von unbehandelten Platten 100, auf welchen kein Material 101a, 101b und 112 aufgedruckt ist, wird zwischen diesen zweiten elektrodenbedruckten Platten 110b geschichtet. Die unbehandelten Platten 100 bilden die Zwischenschicht 80 aus. Weiter werden die unbehandelten Platten 100, auf welchen kein Material 101, 101b und 112 aufgedruckt ist, an beiden Enden des piezoelektrischen Zusammenbaus 23 wie in 15 dargestellt, geschichtet.
Die geschichteten Platten werden dann in einem Hitzebehandlungsprozess bei einer Temperatur von ca. 100°C behandelt und in einem Kompressionsprozess entlang der Schichtungsrichtung mit einem Druck von 50 MPa beaufschlagt. Als Ergebnis wird ein Stapel 130 der Platten hergestellt. Der Stapel 130 kann als Basisprodukt 130 bezeichnet werden.
(Schneideprozess)
Als nächstes wird der Stapel 130, wie in den 15 und 16 dargestellt, in einem Schneideprozess behandelt. Eine Schneidemaschine schneidet den Stapel 130 entlang der Schichtungsrichtung in stiftförmige Stücke 140. Der Stapel 130 wird in eine Mehrzahl von Stücken 140 entsprechend der Einheit, die den Sensorteil 60 und den Aktorteil 70 umfasst, geteilt. Die Stücke 140 können als ein Zwischenprodukt 140 bezeichnet werden. Im Schneideprozess werden die Stücke 140 einzeln vom Stapel 130 getrennt. Alternativ kann ein Abschnitt für manche der Stücke 140 vom Stapel 130 getrennt werden und später in jedes Stück 140 geschnitten werden. Der Schneideprozess wird durchgeführt, um die Schicht des Elektrodenmaterials 101a und 101b und der brennbaren Schicht 112 zu schneiden, um diese auf der Seitenfläche bzw. Seitenoberfläche der Stücke 140 freizustellen.
(Kalzinierungsprozess)
Die Stücke 140 werden hitzeentfettet. In diesem Prozess werden die Stücke 140 erhitzt um mehr als 90% des Bindeharzes zu entfernen, das in den unbehandelten Platten 100 enthalten ist. In dem Hitzeprozess wird die Temperatur schrittweise über 80 Stunden schrittweise auf 500°C erhöht und für fünf Stunden gehalten.
Anschließend werden die Stücke 140, welche entfettet sind, kalziniert. Bei dem Kalzinierungsprozess wird die Temperatur über 12 Stunden schrittweise auf bis zu 1050°C erhöht, anschließend für zwei Stunden gehalten, und dann wieder schrittweise herabgesetzt.
Somit wird der piezoelektrische Zusammenbau 23 des Einheitsstapeltyps, welcher ein grob vereinheitlichter Kalzinationsgegenstand ist, wie in den 4 bis 6 dargestellt, ausgebildet. Während des Kalzinierungsprozesses wird die brennbare Schicht 112 gebrannt und verdampft so dass die Spalten 120 auf der Seitenfläche des piezoelektrischen Zusammenbaus 23 ausgebildet werden.
Anschließend werden vier Ecken bzw. Kanten des Stückes 140 weggeschnitten, um das Stück 140 in dem piezoelektrischen Zusammenbau 23 mit der oktagonalen bzw. achtkantigen Säulenform auszubilden. Danach wird das Stück 140 einer Schleifbehandlung unterzogen, um die freigestellten Teile 64a, 64b, 74a und 74b auf den inneren Elektroden 62a und 62b, 72a und 72b auf den Seitenflächen sicher freizustellen. Auch das Stück 140 wird in eine vorbestimmte Größe für den piezoelektrischen Zusammenbau 23 geformt. Danach werden die äußeren Elektroden 65a und 65b für den Sensorteil 60 und die äußeren Elektroden 75a und 75b für den Aktorteil 70 durch ein Siebdruckverfahren ausgebildet.
In dem Prozess zum Ausbilden der äußeren Elektroden werden die freigestellten Teile der inneren Elektroden elektrisch mit den entsprechenden freigestellten Teilen der äußeren Elektroden verbunden. Die freigstellten Teile 64a werden elektrisch mit der äußeren Elektrode 65a verbunden. Die freigestellten Teile 64b werden elektrisch mit der äußeren Elektrode 65b verbunden. Die freigestellten Teile 74a werden elektrisch mit der äußeren Elektrode 75a verbunden. Die äußeren Teile 74b werden elektrisch mit der äußeren Elektrode 75b verbunden.
Die äußeren Elektroden 65a und 65b und die äußeren Elektroden 75a und 75b werden ausgebildet und angeordnet, um einen vorbestimmten elektrischen Isolierungsabstand dazwischen vorzusehen. Vorzugsweise werden diese Elektroden so ausgebildet, dass ein elektrisches Feld mit weniger als 1,0 kV/mm aufrechterhalten wird.
Äußere Verbindungselemente, wie z. B. Bleiverdrahtungen oder netzförmige Elektrodenplatten werden mit den äußeren Elektroden 65a, 65b, 75a und 75b unter Verwendung eines leitfähigen Harzes oder eines Lots verbunden.
(Isolierungsharzanordnungsprozess)
Anschließend wird in dieser Ausführungsform, wie in 13 dargestellt, eine Isolierungsharzschicht 121 in der Spalte 120 angeordnet bzw. aufgebracht. Das heißt, die Isolierungsharzschicht 121 besteht aus einem Wärmeaushärtungssilikonharz, das auf dem Spalt 120 aufgebracht und erhitzt wird. Hitzebeständiges Urethanharz, Fluorsilikonharz, etc. kann als Isolierungsharzschicht 121 verwendet werden.
(Polarisationsprozess)
Danach wird das Produkt in einem Polarisationsprozess behandelt. Im Polarisationsprozess wird für zwei Minuten eine Gleichspannung von 160 V am Sensorteil 60 bzw. am Aktorteil 70 angelegt. Der Polarisationsprozess wird durchgeführt, um beide inneren Endelektroden 63 und 73 als negative Elektroden auszubilden. Die Gleichspannung zur Polarisation wird angelegt, um die inneren Endelektroden 63 und 73 als die negativen Elektroden auszubilden.
Die Polarisationsprozesse für den Sensorteil 60 und den Aktorteil 70 können gleichzeitig oder getrennt voneinander durchgeführt werden. Der Polarisationsprozess kann während dem Einstellen des Sensorteils 60 und/oder des Sensorteils 70 auf einer Bauvorrichtung zum Anlegen einer vorbestimmten Vorlast entsprechend der Anzahl der Laminierungen bzw. Schichten durchgeführt werden. Die Temperatur beim Polarisationsprozess kann gesteuert werden, um ein bevorzugtes Ergebnis zu erzielen. Der Polarisationsprozess kann z. B. bei 140°C durchgeführt werden. Der Polarisationsprozess kann durch Anlegen einer Wechselspannung, wie z. B. einer sinusförmigen Welle oder einer trapezförmigen Welle, anstelle der Gleichspannung durchgeführt werden.
Somit sieht das Herstellungsverfahren den piezoelektrischen Zusammenbau 23 vor, welcher beide die inneren Endelektroden 63 und 73 beide für die negativen Elektroden vorsieht.
In der Ausführungsform wird mindesten eine der spaltförmigen Platten 111 zwischen der ersten elektrodenbedruckten Platte 110a und der zweiten elektrodenbedruckten Platte 110b für den Aktorteil 70 plaziert. Die spaltförmige Platte 111 kann jedoch ausgelassen werden.
In dieser Ausführungsform wird der piezoelektrische Zusammenbau 23 als sogenannter Einheitsstapeltyp ausgebildet. Der Mehrplattenstapeltyp ist auch als ein Typ bzw. eine Ausführungsform eines piezoelektrischen Zusammenbaus bekannt. Der Mehrplattenstapeltyp wird durch folgende Schritte hergestellt: erst Kalzinieren piezoelektrischer Elemente, dann Drucken und Kalzinieren innerer Elektroden, und anschließend Laminieren der Elemente zu einem piezoelektrischen Zusammenbau.
Falls der piezoelektrische Zusammenbau als der Mehrplattenstapeltyp ausgebildet ist, ist es immer noch möglich, ähnliche Vorteile in der Ausführungsform unter Verwendung der inneren Endelektroden 63 und 73 als die negativen Elektroden zu erzielen.
Der Einheitsstapeltyp hat im Gegensatz zum Mehrplattenstapeltyp jedoch folgende Vorteile. Der Mehrplattenstapeltyp hat für gewöhnlich einen elektrischen Leiter zwischen den piezoelektrischen Elementen, um eine elektrische Verbindung von der inneren Elektrode zur Außenseite vorzusehen. Der elektrische Leiter kann zum Beispiel aus einer Metallfolie wie Edelstahl oder Kupfer hergestellt sein.
Falls der Sensorteil 60 und der Aktorteil 70 in Form des Mehrplattenstapeltyps ausgebildet sind, wird der elektrische Leiter, der zwischen den piezoelektrischen Elementen angeordnet ist, deformiert, wenn sich der Aktorteil 70 ausdehnt. Daher wird die Genauigkeit zum Erfassen der Last durch den Sensorteil 60 aufgrund eines Übertragungsverlustes der Last verringert. Zusätzlich verändert sich die Deformation des elektrischen Leiters abhängig vom Verwendungsstatus. Daher können die Erfassungsergebnisse abhängig vom Zustand verändert werden, selbst wenn eine vorbestimmte Spannung am Aktorteil 60 angelegt ist, um eine vorbestimmte Ausdehnung zu erreichen. Somit wird auch die Genauigkeit zum Erfassen der Last verringert.
Der Einheitsstapeltyp hat hingegen Vorteile bezüglich des Vorsehens elektrischer Verbindungen zu den inneren Elektroden. Die elektrischen Verbindungen zu den inneren Elektroden können zum Beispiel durch Freistellen der Elektroden durch einen relativ einfachen Verfahrensschritt, wie z. B. Schleifen, vorgesehen werden. Aus diesem Grund wird im Einheitsstapeltyp kein elektrischer Leiter benötigt, der zwischen piezoelektrischen Elementen eingefügt wird. Daher ist der piezoelektrische Zusammenbau 23, der aus dem Einheitsstapeltyp besteht, vorteilhaft im Hinblick auf das Unterdrü cken bzw. Vermindern des Lastverlustes und zum Verbessern der Genauigkeit zum Erfassen der Last durch den Sensorteil 60 im Vergleich zum Mehrplattenstapeltyp.
Zusätzlich ist der piezoelektrische Zusammenbau 23 in Form des Einheitsstapeltyps ein einzelnes kalziniertes Stück. Der Einheitsstapeltyp kann daher sehr genaue physikalische Eigenschaften für den Sensorteil 60 und den Aktorteil 70 bereitstellen. Aus diesem Grund kann eine Kalibrierung, d. h. ein Abgleich von Temperatureigenschaften des Spannungssignals, das vom Sensorteil 60 ausgegeben wird, einfach durchgeführt werden.
(Zweite Ausführungsform)
Wie in den 17 und 18 dargestellt, zeigt die zweite Ausführungungsform eine Modifikation der ersten Ausführungsform. In der ersten Ausführungsform ist der piezoelektrische Zusammenbau 23 eine einfache Einheit, die in die Kalzinierung integriert ist bzw. in den Kalzinierungsprozess mit eingeschlossen wird. Der piezoelektrische Zusammenbau 23 in der zweiten Ausführungsform besteht hingegen aus einer Mehrzahl von Einheiten 23a und 23b. Das heißt, die Einheiten 23a und 23b sind gestapelt, um den Sensorteil 60 am Ende zu platzieren. Der piezoelektrische Zusammenbau 23 umfasst eine kombinierte Einheit 23a und eine Mehrzahl von Aktoreinheiten 23b. Die kombinierte Einheit 23a umfasst den Sensorteil 60 und einen kleinen Teil des Aktorteils 70. Jede der fünf Aktoreinheiten 23b hat nur einen Teil des Aktorteils 70. Ein kleiner Teil des Aktorteils 70 wird durch die kombinierte Einheit 23a vorgesehen. Der verbleibende Teil des Aktorteils 70 wird in die Aktoreinheiten 23b unterteilt.
Der piezoelektrische Zusammenbau 23 in der zweiten Ausführungsform ist annährend gleich der ersten Ausführungsform, und hat eine achteckige bzw. achtkantige Säulenform. Die kombinierte Einheit 23a hat die äußeren Elektroden 65a und 65b für den Sensorteil 60 auf dessen Seitenfläche bzw. Seitenoberflächen. Die kombinierte Einheit 23a hat auch die äußeren Elektroden 75a und 75b für den Aktorteil 70 auf dessen Seitenflächen. Jede der Aktoreinheiten 23b hat die äußeren Elektroden 75a und 75b für den Aktorteil 70 auf den Seitenflächen.
Die Einheiten 23a und 23b sind miteinander verbunden. In dieser Ausführungsform sind die Einheiten 23a und 23b durch eine Klebeverbindung 90 der Silikonreihe (englisch: silicone series) etc. verbunden.
Jede der Einheiten 23a und 23b ist eine kalzinierte Einheit, welche als Einheitsstapeltyp bezeichnet werden kann. Das Herstellungsverfahren der Einheiten 23a und 23b ist ähnlich dem Verfahren, das in der ersten Ausführungsform erklärt worden ist.
Der piezoelektrische Zusammenbau, der aus einer Mehrzahl von Einheiten besteht, umfasst nachfolgende Vorteile.
In der ersten Ausführungsform, in der jede Länge des piezoelektrischen Zusammenbaus 23 als Einheitsstapeltyp ausgebildet ist, kann sich eine übermäßige Belastung nahe der Seitenfläche des Aktorteils 70 konzentrieren, wenn sich der Aktorteil 70 ausdehnt. Dabei ist es möglich, dass ein Teil, bei dem sich die Belastung konzentriert, zerstört werden kann. Dieses Problem wird umso schwerwiegender, desto höher die Anzahl der Laminierungen bzw. Schichten der piezoelektrischen Elemente 71 wird.
In der zweiten Ausführungsform besteht der piezoelektrische Zusammenbau 23 aus einer Mehrzahl von Einheiten 23a und 23b.
Gemäß der Struktur ist es möglich, die Belastung auf die Seitenfläche des Aktorteils 70 zu vermindern, wenn sich der Aktorteil 70 ausdehnt. Aus diesem Grund ist es möglich, die Schäden am piezoelektrischen Zusammenbau zu verhindern.
(Dritte Ausführungsform)
Wie in 19 dargestellt, zeigt die dritte Ausführungsform eine Modifikation der ersten Auführungsform. Der piezoelektrische Zusammenbau 23 in der dritten Ausführungsform besteht wie die zweite Ausführungsform aus einer Mehrzahl von Einheiten. Der Sensorteil 60 in der dritten Ausführungsform ist jedoch als separate Einheit ausge bildet. Das heißt der piezoelektrische Zusammenbau 23 umfasst eine Mehrzahl von Einheiten, welche eine einzelne Sensoreinheit 25a umfassen, welche aus dem einzelnen Sensorteil 60 und einer Mehrzahl von Aktoreinheiten 25b bestehen, wobei jede Aktoreinheit aus dem einzelnen Aktorteil 60 besteht. Der piezoelektrische Zusammenbau 23 umfasst mindestens eine Sensoreinheit 25a und mindestens eine Aktoreinheit 25b.
Wie in 19 dargestellt sind sowohl die inneren Endelektroden 63 der Sensoreinheit 25a als auch die inneren Endelektroden 73 der Aktoreinheit 25b, die Elektrodenschichten, die als die negative Elektrode verwendet werden.
Zusätzlich wird eine isolierende Keramikplatte 91, z. B. ein Aluminiumoxid, ein Silikonnitrid etc. zwischen der Sensoreinheit 25a und der Aktoreinheit 25b angeordnet. Dabei kann die elektrische Ableitung von der Aktoreinheit 25b zur Sensoreinheit 25a sicher verhindert werden.
Gemäß der obenstehenden Konfiguration können die Sensoreinheit und die Aktoreinheit in der gleichen Struktur ausgebildet und hergestellt sein, wodurch es möglich ist, im Vergleich zu einem Fall, in dem der Sensorteil und der Aktorteil wie in der zweiten Ausführungsform dargestellt in einer Einheit kombiniert sind, den Piezoaktor 22 mit dem Sensorteil 60 bei niedrigen Kosten herzustellen.
(Vierte Ausführungsform)
Wie in 20 dargestellt, zeigt die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Modifikation der vorgehenden Ausführungsformen. Eine Zwischenschicht 80a unterscheidet sich von der entsprechenden Struktur der anderen Ausführungsformen. Das heißt, eine Dicke des piezoelektrischen Elements 81a ist dicker als die piezoelektrischen Elemente 61 und 71, die im Sensorteil 60 und im Aktorteil 70 angeordnet sind.
Es ist möglich, die Isolierung zwischen dem Sensorteil 60 und dem Aktorteil 70 zu verbessern und die Genauigkeit zum Erfassen der Last durch den Sensorteil 60 zu verbessern.
(Fünfte Ausführungsform)
Wie in 21 dargestellt zeigt die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Modifikation der vorgehenden Ausführungsformen. Eine Zwischenschicht 80b unterscheidet sich von den entsprechenden Strukturen der anderen Ausführungsformen. Das heißt, die Zwischenschicht 80b besteht aus dem piezoelektrischen Elementen 81 und den inneren Elektroden 82 die abwechselnd geschichtet sind. Die piezoelektrischen Elemente 81 und die inneren Elektroden 82 sind unter Verwendung der unbehandelten Platte 100 und dem Elektrodenmaterial 101a und 101b hergestellt, welche zum Herstellen der piezoelektrischen Elemente 61 und 71 und der inneren Elektroden 62a, 62b, 72a und 72b im Sensorteil 60 und dem Aktorteil 70 verwendet werden. Die inneren Elektroden 82 sind nicht mit den äußeren Elektroden 65a, 65b, 75a, 75b verbunden.
Gemäß der Konfiguration können die gleichen unbehandelten Platten 100 zum Herstellen des Sensorteils 60, des Aktorteils 70 und der Zwischenschicht 80b verwendet werden. Daher ist es möglich, höhere Herstellungskosten zu vermeiden.
Zusätzlich besteht die Zwischenschicht 80b aus einer Mehrzahl piezoelektrischer Elemente 81. Diese Konfiguration ermöglicht es, dickere Zwischenschichten auszubilden. Dadurch kann eine Isolierung effektiv verbessert werden.
Zusätzlich hat die Zwischenschicht 80b eine gestapelte Struktur ähnlich dem Sensorteil 60 und dem Aktorteil 70. Diese Teile 60, 70 und 80b können im selben Umfeld kalziniert werden, wenn der piezoelektrische Zusammenbau 23 als der Einheitsstapeltyp ausgebildet wird. Weiter können diese Teile 60, 70 und 80b unter dem gleichen Voraussetzungen hergestellt werden. Weiter ist es möglich, die Qualität des piezoelektrischen Zusammenbaus 23 durch Verbessern einer mechanischen Festigkeit der Zwischen schicht 80b zu verbessern, falls die inneren Elektroden 82 als ein Hilfsmittel funktionieren.
Ein piezoelektrisches Element mit einer inneren Elektrode und ein piezoelektrisches Element ohne einer inneren Elektrode zeigen unterschiedliche Schrumpfverhältnisse bei einem Kalzinierungsprozess auf. Gemäß der obenstehend erwähnten Struktur ist es jedoch möglich, den Kalzinierungsschrumpf der Zwischenschicht 80b und des Aktorteils 70 und/oder des Sensorteils 60 abzugleichen. Somit ist es möglich, einen Fehler bei oder nach der Kalzinierung des piezoelektrischen Zusammenbaus 23, wie z. B. einen Riss, einen Abschlag, etc. welcher aus einer Diskrepanz des Kalzinierungsschrumpf resultiert zu verhindern.
(Sechste Ausführungsform)
Wie in 22 dargestellt, zeigt die sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Modifikation der vorhergehenden Ausführungsformen. Die sechste Ausführungsform hat eine unterschiedliche Struktur für das piezoelektrische Element 71a, das zwischen der inneren Endelektrode 73 im Aktorteil und der Innenelektrode 72a neben der inneren Endelektrode 73 angeordnet ist. Das heißt, die Dicke des piezoelektrischen Elements 71a wird dicker als das piezoelektrische Element 71, das im Zentralbereich bzw. Mittelbereichs des Aktorteils 70 angeordnet ist. Die Dicke des piezoelektrischen Elements 71a ist dicker als die der anderen piezoelektrischen Elemente 71 im Aktorteil 70. Gemäß der Struktur ist es möglich, eine Schubspannung am Ende des Aktorteils 70 zu vermindern, wenn sich der Aktorteil 70 audehnt oder zusammenzieht.
(Siebte Ausführungsform)
Wie in 23 dargestellt, zeigt die siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Modifikation der ersten Ausführungsform. Die siebte Ausführungsform hat einen unterschiedlichen Mechanismus zum Steuern eines Schließens und eines Öffnens einer Nadel 212. Das Kraftstoffeinspritzventil 2 der ersten Ausführungsform steuert und betreibt die Nadel 12 im offenen und geschlossenen Zustand durch Einstellen des Drucks in der Steuerkammer 52 durch den Ventilkörper 19 des Steuerventils 18. Für diesen Zweck betreibt der Piezoaktor 22 direkt das Übertragungselement 30, und die Auslenkung des Übertragungselements 30 wird auf das Steuerventil 18 übertragen. Im Falle eines Kraftstoffeinspritzventils 200 in der siebten Ausführungsform verändert der Piezoaktor 22 hingegen einen Bewegungsumfang eines Zylinders 217, um den Kraftstoffdruck in einer Steuerkammer 246 zum Steuern einer Nadel 212 in den offenen und geschlossenen Zuständen einzustellen.
Das Kraftstoffeinspritzventil 200 umfasst eine Düse 211, einen Zylinder 217, einen fixierten Kolben 220, einen piezoelektrischen Zusammenbau 230, etc. Diese Komponenten sind in einem zylindrisch ausgebildeten Körper 240 eingefasst.
Der Körper 240 wird mit einem Kraftstoffeinlassteil 241 vorgesehen, durch welchen ein Hochdruckkraftstoff bzw. ein Kraftstoff, der unter hohem Druck steht, von einem Sammler bzw. Rohrleitungssystem eingebracht wird. Der Körper 240 sieht darin einen Einfassteil bzw. Aufnahmeteil 242 vor. Der Körper 240 sieht weiter eine Düse 211 vor. Die Düse 211 ist auf einem Endabschnitt des Einfassteils bzw. Aufnahmeteils 242 angeordnet. Die Düse 211 steuert die Einspritzung und Nicht-Einspritzung des Kraftstoffs. Der Einfassteil bzw. Aufnahmeteil 242 ist die erste Druckkammer.
Die Düse 211 hat eine Nadel 212 und eine Düsenfeder 216. Die Nadel 212 ist im Einfassteil bzw. Aufnahmeteil 242 beweglich gelagert. Eine Düsenöffnung 243, welche über eine Hochdruckkraftstoffpassage 245, die im Körper 40 ausgebildet ist, in Kontakt mit dem Kraftstoffeinlassteil 241 steht, ist an einem axialen Ende des Einfassteils bzw. Aufnahmeteils 242 angeordnet.
Ein Ventilsitz 244 ist neben der Düsenöffnung 243 Kraftstoffeinlassteil 241-seitig ausgebildet. Der Ventilsitz 244 ist ausgebildet, um in Kontakt mit einem Sitzteil 213, das in der Nadel 212 ausgebildet ist, zu stehen. Wenn der Sitzteil 213 auf dem Ventilsitz 244 aufliegt, wird ein Kraftstofffluss zur Düsenöffnung 243 gestoppt, und eine Einspritzung des Kraftstoffs von der Düsenöffnung 243 gestoppt. Wenn der Sitzteil 213 vom Ventilsitz 244 und entfernt vom Ventilsitz 244 angehoben wird, wird ein Kraft stofffluss zur Düsenöffnung 243 erlaubt bzw. ermöglicht, und der Kraftstoff von der Düsenöffnung 243 eingespritzt. Die Nadel 212 ist mit einem Kolbenteil 214 am Ende entgegengesetzt zum Sitzteil 213 ausgebildet.
Dieser Kolbenteil 214 wird in den Zylinder 217 verschiebbar eingebracht. Ein Flanschteil 215 ist zwischen dem Sitzteil 213 und dem Kolbenteil 214 ausgebildet. Eine Düsenfeder 216 ist zwischen dem Flanschteil 215 und dem Zylinder 217 angeordnet. Die Düsenfeder 216 drückt die Nadel 212 in eine Richtung, dass der Sitzteil 213 auf dem Ventilsitz 244 aufsitzt bzw. aufliegt. Anders ausgedrückt, drückt die Düsenfeder 216 die Nadel 212 in die Schließrichtung.
Weiter nimmt der Einfassteil bzw. Aufnahmeteil 242 den piezoelektrischen Zusammenbau 230 in einem Abschnitt auf, der an der anderen Endseite des Aufnahmeteils 242 angeordnet ist. Der Aufnahmeteil 242 ist auch als Aktorkammer vorgesehen. Der piezoelektrische Zusammenbau 230 hat einen Piezoaktor 22, welcher fast identisch mit denen der ersten bis zur fünften Ausführungsform ist. Der piezoelektrische Zusammenbau 230 umfasst weiter eine Druckplatte 231, welche die Auslenkung des Piezoaktors 22 zum Zylinder 217 überträgt. Der Zylinder 217 wird über die Druckplatte 231 als Antwort auf eine ausdehnende Auslenkung und eine zusammenziehende Auslenkung des Aktorteils 70 in Piezoaktor 22 bewegt.
Der Zylinder 217 ist ein Element, das in zylindrischer Form ausgebildet ist. Der Zylinder 217 sieht ein erstes Loch 218 und ein zweites Loch 219 vor, wodurch eine abgestufte innere Form definiert wird. Das zweite Loch 219 hat einen größeren Innendurchmesser als das erste Loch 218. Der Zylinder 217 ist im Aufnahmeteil 242 aufgenommen, so dass das erste Loch 218 und das zweite Loch 219 entlang einer axialen Richtung des Körpers 240 angeordnet sind. Das erste Loch 218 ist auf einer Seite nahe der Nadel 212 angeordnet. Das zweite Loch 219 ist auf einer Seite nahe dem Aktorzusammenbau 230 angeordnet. Das erste Loch 218 ist näher an der Düsenöffnung 243 angebracht als das zweite Loch 219.
Der fixierte Kolben 220 ist in das zweite Loch bzw. die zweite Bohrung 219 verschiebbar eingebracht. Der fixierte Kolben 220 hat einen Kolbenteil 221 und ein Flanschteil 222, welche nach außen in radiale Richtung vom Kolbenteil 221 herausragen. Nur der Kolbenteil 221 ist in das zweite Loch bzw. die zweite Bohrung 219 eingebracht.
Eine Steuerkammer 246 ist im Zylinder 217 ausgebildet. Die Steuerkammer 246 ist zwischen dem Kolbenteil 241 und dem Kolbenteil 214 angeordnet. Die Steuerkammer 246 ist die zweite Druckkammer.
24 zeigt eine Draufsicht des fixierten Kolbens 220 entlang eines Pfeils XXIV von der Düsenöffnung 243. Wie in 24 dargestellt umfasst das Flanschteil 222 drei Teile, die umlaufend durch Einbuchtungen 223 voneinander getrennt sind. Die Einbuchtung 223 ist zwischen lüfterförmigen Teilen des Flanschteils 222 angeordnet. Wie in 23 dargestellt, ist der fixierte Kolben 220 am Körper 240 durch festes Einklemmen des Flanschteils 222 durch ein Abstandselement 234, das an eine Innenwand des Aufnahmeteils 242 gelagert ist bzw. aufliegt und eine Fixierfeder 235, die auf der Innenwand des Aufnahmeteils 242 gelagert ist bzw. aufliegt, fixiert.
25(a) zeigt eine Seitenansicht einer Druckplatte. 25(b) zeigt eine Untenansicht der Druckplatte. Wie in 25(a) und 25(b) dargestellt ist die Druckplatte 231 mit einem kreisförmigen Scheibenteil 232 und drei säulenförmigen Beinen 233, die von der Endfläche des Scheibenteils 232 entlang der Axialrichtung herausragen, vorgesehen.
Diese Beine 233 sind an den Einbauorten angeordnet, an denen das Bein 233 in die Ausbuchtung 223 entlang der Axialrichtung eingebracht ist, wenn die Druckplatte 231 und der fixierte Kolben 220, wie in 24 dargestellt, zusammengebaut sind. Wie in 23 dargestellt, ist die Druckplatte 231 in den Aufnahmeteil 242 aufgenommen, so dass der Scheibenteil 232 in Kontakt mit dem Aktorteil 70 kommt und das Bein 233 in Kontakt mit dem Zylinder 217 kommt.
Nachfolgend wird ein Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils 200 beschrieben. Während sich der Aktorteil 70 nicht ausdehnt, ist der Zylinder 217 auf einer Seite nahe dem Piezoaktor 220 durch die Druckkraft der Düsenfeder 216 angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt fließt der Hochdruckkraftstoff im Aufnahmeteil 242 in die Steuerkammer 246 durch eine Aussparung zwischen dem ersten Loch 218 und dem Kolbenteil 214 und einer Ausnehmung zwischen dem zweiten Loch 219 und dem Kolbenteil 221. Somit sind der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 246 und der Kraftstoffdruck im Aufnahmeteil 242 gleich.
In diesem Zustand wirkt der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 246 auf den Kolbenteil 214 ein. Daher nimmt die Nadel 212 eine Kraft in Schließrichtung auf. Gleichzeitig nimmt die Nadel 212 eine Kraft in Schließrichtung durch die Druckkraft der Düsenfeder 216 auf. Weiter nimmt die Nadel 212 eine Kraft in Öffnungsrichtung durch den Hochdruckkraftstoff im Aufnahmeteil 242 auf, welcher gleichzeitig auf die Nadel 212 einwirkt. Eine Summe der zwei Kräfte in Schließrichtung ist größer als die Kraft in die Öffnungsrichtung. Daher bewegt sich die Nadel 212 an eine Stelle, die in 23 dargestellt ist. Das heißt, der Sitzteil 213 liegt auf dem Ventilsitz 244 auf, und eine Kraftstoffeinspritzung von der Düsenöffnung 243 wird gestoppt.
Wenn sich der Aktorteil 70 ausdehnt, bewegt sich der Zylinder 217 in Richtung der Düsenöffnung 243 gemäß der Auslenkung des Aktorteils 70. Da der Durchmesser des ersten Lochs 218 kleiner als der Durchmesser des zweiten Lochs 219 ist, wird ein Volumen der Steuerkammer 246 erhöht, da sich der Zylinder 217 in Richtung der Düsenöffnung 243 bewegt. Der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 246 wird als Antwort auf einen Vorwärtsarbeitshub oder eine Vorwärtsbewegrichtung des Zylinders 217 vermindert. Anschließend wird die Summe der Kraft, die auf die Nadel 212 in Schließrichtung einwirkt, kleiner als die Kraft, die auf die Nadel 212 in die Öffnungsrichtung einwirkt. Somit bewegt sich die Nadel 212 in Öffnungsrichtung. Der Sitzteil 213 hebt sich vom Ventilsitz 244 ab, und ermöglicht eine Kraftstoffeinspritzung von der Düsenöffnung 243.
Wenn sich der Aktorteil 70 dann wieder zusammenzieht, bewegt sich der Zylinder 217 in der Richtung des Piezoaktors 22 durch die Druckkraft der Düsenfeder 216. Die Kapazität der Steuerkammer 246 wird als Antwort auf einen Rückwärtshub bzw. eine Rückwertsbewegungsgröße des Zylinders 217 reduziert. Der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 246 wird erhöht, da sich der Zylinder 217 nach hinten bewegt. Anschließend wird die Summe der Kraft, die auf die Nadel 212 in Schließrichtung einwirkt, größer als die Kraft, die auf die Nadel 212 in Öffnungsrichtung einwirkt. Der Sitzteil 213 liegt auf dem Ventilsitz 244 auf, und die Kraftstoffeinspritzung wird gestoppt.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit den bevorzugten Ausführungsformen und unter Bezugnahme der entsprechenden Zeichnungen vollständig beschrieben worden ist, werden einem Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen deutlich. Solche Abänderungen und Modifikationen sind in den beigefügten Ansprüchen als im Umfang der vorliegenden Erfindung liegend zu betrachten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 10-288119 A [0002]
- JP 2001-53348 A [0002, 0086]

Claims

Piezoaktor (22) mit einer piezoelektrische Anordnung (23), welche einen Stapel einer Mehrzahl piezoelektrischer Elemente und einer Mehrzahl innerer Elektroden umfasst, wobei die piezoelektrische Anordnung (23) einen Aktorteil (70) umfasst, welcher das piezoelektrische Element und ein Paar der inneren Elektroden umfasst, und sich gemäß einer Spannung, die durch die inneren Elektroden am piezoelektrischen Element angelegt wird, deformiert, eine der inneren Elektroden in dem Aktorteil als eine positive Seite verwendet wird und die andere der inneren Elektroden im Aktorteil als eine negative Seite verwendet wird, um die Spannung am Aktorteil anzulegen, und ein Sensorteil (60), welcher das piezoelektrische Element und ein Paar der inneren Elektroden umfasst und ein Signal ausgibt, das bezeichnend für eine Last ist, die auf das piezoelektrische Element im Sensorteil einwirkt, eine der inneren Elektroden im Sensorteil als eine positive Seite verwendet wird und die andere der inneren Elektroden im Sensorteil als eine negative Seite verwendet wird, um das Signal vom Sensorteil auszugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarität, die an einer inneren Endelektrode (73), die an einem Ende des Aktorteils (70) am nächsten zum Sensorteil (60) angeordnet ist, auftritt, wenn eine Spannung am Aktorteil (70) angelegt ist, negativ ist, und die Polarität, die an einer inneren Endelektrode (63), die an einem Ende des Sensorteils (60) am nächsten zu dem Aktorteil (70) angeordnet ist, auftritt, wenn eine Last auf den Sensorteil (60) einwirkt, negativ ist.
Piezoaktor nach Anspruch 1, weiter aufweisend eine Zwischenschicht (80), die zwischen der inneren Endelektrode des Sensorteils und der inneren Endelektrode des Aktorteils angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht (80) aus einem piezoelektrischen Element besteht, das dicker als das piezoelektrische Element im Sensorteil oder das piezoelektrische Element im Aktorteil ist.
Piezoaktor nach Anspruch 1, weiter aufweisend eine Zwischenschicht (80b), die zwischen der inneren Endelektrode des Sensorteils und der inneren Endelektrode des Aktorteils angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht (80b) aus einem Stapel besteht, in dem das piezoelektrische Element und die innere Elektrode abwechselnd geschichtet sind.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Aktorteil (70) ein piezoelektrisches Endelement (71a) hat, das an der inneren Endelektrode des Aktorteils angrenzend an einer Seite entgegengesetzt dem Sensorteil angeordnet ist, und dicker als das andere piezoelektrische Element (71) im Aktorteil ist.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die piezoelektrische Anordnung (23) aus einem kalzinierten Stapel besteht, welcher das piezoelektrische Element und die innere Elektrode für den Aktorteil und das piezoelektrische Element und die innere Elektrode für den Sensorteil umfasst.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die piezoelektrische Anordnung (23) eine kombinierte Einheit (23a) umfasst, die aus einem kalzinierten Stapel besteht, welcher das piezoelektrische Element und die innere Elektrode für den Sensorteil und das piezoelektrische Element und die innere Elektrode für einen Teil des Aktorteils umfasst, und ein Aktorteil (23b), der aus einem kalzinierten Stapel besteht, welcher das piezoelektrische Element und die innere Elektrode für mindestens einen Teil des übrigen Teils des Aktorteils umfasst.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die piezoelektrische Anordnung (23) eine Sensoreinheit (25a) umfasst, die aus einem kalzinierten Stapel besteht, welcher das piezoelektrische Element und die innere Elektrode für den Sensorteil umfasst, und eine Aktoreinheit (25b), die aus einem kalzinierten Stapel besteht, welcher das piezoelektrische Element und die innere Elektrode für den Aktorteil umfasst.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Sensorteil (60) an einem Ende der piezoelektrischen Anordnung (23) angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzventil aufweisend: einen Körper (40), welcher eine Düsenöffnung hat, durch welche ein Kraftstoff eingespritzt wird, und eine Hochdruckkraftstoffpassage, durch welche ein Hochdruckkraftstoff der Düsenöffnung zugeführt wird; ein Ventilelement (12), das in den Körper aufgenommen ist, um eine Verbindung zwischen der Hochdruckkraftstoffpassage und der Düsenöffnung in einem Öffnungszustand und einem Schließzustand zu steuern; eine erste Druckkammer (43), die mit der Hochdruckkraftstoffpassage in Verbindung steht, um einen Hochdruckkraftstoff aufzunehmen und zu beinhalten, welcher auf das Ventilelement einwirkt, um eine Kraft in Ventilöffnungsrichtung zu erzeugen; eine zweite Druckkammer (52), die mit der Hochdruckkraftstoffpassage in Verbindung steht, um einen Hochdruckkraftstoff aufzunehmen und zu beinhalten, welcher auf das Ventilelement einwirkt, um eine Kraft in eine Ventilschließrichtung zu erzeugen; und ein Steuerventil (18), das in den Körper aufgenommen ist, um den Kraftstoffdruck in der ersten Druckkammer und/oder der zweiten Druckkammer zu steuern, gekennzeichnet durch einen Piezoaktor (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, und ein Übertragungselement (30), das eine Auslenkung des Piezoaktors auf das Steuerventil überträgt.
Kraftstoffeinspritzventil aufweisend: einen Körper (240), welcher eine Düsenöffnung hat, durch welche ein Kraftstoff eingespritzt wird, und eine Hochdruckkraftstoffpassage, durch welche der Düsenöffnung ein Hochdruckkraftstoff zugeführt wird; ein Ventilelement (212), das in den Körper aufgenommen ist, um eine Verbindung zwischen der Hochdruckkraftstoffpassage und der Düsenöffnung in einem Öffnungszustand und einem Schließzustand zu steuern; eine erste Druckkammer (242), die mit der Hochdruckkraftstoffpassage in Verbindung steht, um einen Hochdruckkraftstoff aufzunehmen und zu beinhalten, welcher auf das Ventilelement einwirkt, um eine Kraft in Ventilöffnungsrichtung zu erzeugen; eine zweite Druckkammer (246), die mit der Hochdruckkraftstoffpassage in Verbindung steht, um einen Hochdruckkraftstoff aufzunehmen und zu beinhalten, welcher auf das Ventilelement einwirkt, um eine Kraft in eine Ventilschließrichtung zu erzeugen; und ein Zylinderelement (217), das in den Körper aufgenommen ist und beweglich ist, um den Kraftstoffdruck in der ersten Druckkammer und/oder der zweiten Druckkammer durch Verändern ihrer Kapazität, zu steuern, gekennzeichnet durch einen Piezoaktor (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welcher das Zylinderelement direkt ansteuert.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei der Körper (40, 240) mit einer Aktorkammer (56, 242) ausgebildet ist, welche den Piezoaktor aufnimmt, und der Piezoaktor (22) in der Aktorkammer aufgenommen ist, sodass der Sensorteil (60) an einem Fixierende (57) angeordnet ist, das auf der entgegengesetzten Seite des Ventilelements (212) in der Aktorkammer angeordnet ist.