DE10251685B4

DE10251685B4 - Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last

Info

Publication number: DE10251685B4
Application number: DE10251685.5A
Authority: DE
Inventors: Noboru Nagase; Seiji Morino
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2022-11-07
Also published as: DE10251685A1; JP4186573B2; JP2003234517A

Abstract

Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last mit einem Ladeschalter (41) zur Zufuhr eines Stroms aus einer Gleichspannungsversorgung zu einer Primärspule (44a) eines Sperrwandlers (44), wobei der Ladeschalter (41) für eine vorbestimmte Zeit zur Erregung der Primärspule eingeschaltet wird, nachdem ein Ladestartsignal zum Speichern der elektrische Energie in einer kapazitiven Last (1), die mit der Temperatur variieren kann, an den Ladeschalter angelegt wird, wobei die in dem Sperrwandler (44) gespeicherte elektrische Energie der variablen kapazitiven Last aus der Sekundärspule (44b) des Sperrwandlers zugeführt wird, nachdem der Ladeschalter ausgeschaltet wird, wodurch der Ladevorgang der variablen kapazitiven Last in einem Durchgang der Erregung der Primärspule abgeschlossen wird, und einem Entladeschalter (42) zur Zufuhr der in der variablen kapazitiven Last gespeicherten elektrischen Energie zu der Sekundärspule (44b) des Sperrwandlers, wobei der Entladeschalter (42) für eine vorbestimmte Zeit eingeschaltet wird, um die Sekundärspule zu erregen, nachdem ein Entladestartsignal zum Entladen der in der variablen kapazitiven Last gespeicherten elektrischen Energie an den Entladeschalter angelegt wird, wodurch der Entladevorgang der variablen kapazitiven Last in einem Durchgang der Erregung der Sekundärspule abgeschlossen wird, wobei die in dem Sperrwandler (44) gespeicherte elektrische Energie aus der Primärspule (44a) des Sperrwandlers zu der Gleichspannungsversorgung wiedergewonnen wird, nachdem der Entladeschalter (42) ausgeschaltet wird, wobei die vorbestimmte Zeit zur Erregung der Sekundärspule (44b) gleich einer Zeitdauer vom Einschalten des Entladeschalters bis zu dem Zeitpunkt ist, wenn der in der Sekundärspule fließende Entladestrom einen vorbestimmten Entladestoppstrom erreicht, ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last oder insbesondere eine Technik, die zur Verwendung mit einer Vorrichtung zum Laden und Entladen eines als ein Betätigungsglied verwendeten piezoelektrischen Elements (als Beispiel für eine variable kapazitive Last) geeignet ist.
Die kapazitive Last eines piezoelektrischen Elements variiert mit der Temperatur oder dergleichen. Selbst in dem Fall, in dem das piezoelektrisch Element mit einem vorbestimmten Strom für eine vorbestimmte Zeitdauer geladen wird, erfährt die in dem piezoelektrischen Element gespeicherte Energie eine Änderung mit der Temperatur, so dass der Ausgang (Ausdehnung usw.) des piezoelektrischen Elements nicht konstant ist.
Falls die elektrische Energie in einer konstanten Größe in dem piezoelektrischen Element zu laden ist, ist daher eine Temperaturkompensation erforderlich.
Ein Multischaltsystem ist als ein Verfahren zum Laden des piezoelektrischen Elements bekannt, wobei die Temperaturcharakteristik kompensiert wird. Bei diesem Ladeverfahren wird als Reaktion auf eine Anweisung zum Laden des piezoelektrischen Elements ein Ladeschalter eingeschaltet, um das piezoelektrische Element zu speisen. Wenn der Speisestrom für das piezoelektrische Element einen vorbestimmten Stromwert erreicht, wird der Ladeschalter ausgeschaltet. Diese erste Einschaltzeitdauer des Ladeschalters wird in einem Speicher gespeichert. Nachdem der Ladeschalter ausgeschaltet worden ist, wird die in einer Energiespeicherspule gespeicherte elektrische Energie durch eine Diode zu dem piezoelektrischen Element zugeführt, wodurch ein Laden des piezoelektrischen Elements fortgesetzt wird.
In dem Fall, dass der Strom nach dem ersten Ausschalten des Ladeschalters auf Null verringert ist, wird der Ladeschalter während der in den Speicher gespeicherten ersten Einschaltzeitdauer eingeschaltet, und wenn der Strom darauffolgend auf Null verringert worden ist, wird der Ladeschalter erneut während der in den Speicher gespeicherten ersten Einschaltzeitdauer eingeschaltet. Dieser Vorgang wird bei einer Vielzahl von Durchgängen wiederholt.
Durch wiederholtes Einschalten des Ladeschalters während der gespeicherten ersten Einschaltzeitdauer auf diese Weise wird die elektrische Energie pro Zeiteinheit konstant, und das piezoelektrische Element kann mit einer Temperaturkompensation geladen werden.
Demgegenüber wird der Entladevorgang ebenfalls durch das Multischaltverfahren ausgeführt. Bei diesem Entladeverfahren wird bei Empfang einer Anweisung zum Entladen eines piezoelektrischen Elements die in dem piezoelektrischen Element gespeicherte elektrische Energie durch eine Energiespeicherspule entladen, indem ein Entladeschalter eingeschaltet wird. Wenn der Entladestrom einmal einen vorbestimmten Abschaltstrom erreicht, wird der Entladeschalter ausgeschaltet. Dann wird die in der Energiespeicherspule gespeicherte elektrische Energie durch eine Energieversorgung über eine Diode wiedergewonnen.
Wenn nach dem ersten Ausschalten des Entladeschalters der Entladestrom auf Null verringert ist, wird der Entladeschalter eingeschaltet. Dieser Vorgang wird für eine Vielzahl von Durchgängen wiederholt (Vergl. beispielsweise JP H10-308 542 A ).
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ladeverfahren wird der Ladevorgang durch mehrfaches Ein- und Ausschalten des Ladeschalters durchgeführt. Die für jeden Ein-/Ausschaltdurchgang erforderliche Zeitverzögerung steigt aufgrund des mehrfachen Schaltens an, wodurch die Genauigkeit in der Energieladung des piezoelektrischen Elements verschlechtert wird.
In ähnlicher Weise wird gemäß dem herkömmlichen Ladeverfahren der Entladevorgang durch eine Vielzahl von Ein-/Ausschaltvorgängen des Entladeschalters durchgeführt. Daher steigt die für jeden Ein-/Ausschaltdurchgang erforderliche Zeitverzögerung aufgrund des mehrfachen Schaltvorgangs an, wodurch die Genauigkeit bei der Freigabe der Energie aus dem piezoelektrischen Element verschlechtert wird.
Außerdem erhöht das Multischaltverfahren das Ausmaß von Störungen, die aufgrund einer Vielzahl von Ein- und Ausschaltvorgängen eines hohen Strom erzeugt werden.
Bei einem herkömmlichen Entladeverfahren fällt demgegenüber die Lastspannung an dem Ende des Entladevorgangs ab, mit dem Ergebnis, dass der Entladestrom den Abschaltstrom nicht erreicht. Aus diesem Grund ist eine Zeitüberwachung zum Ausschalten des Entladeschalters vorgesehen. Dies führt zu dem Nachteil, dass eine Variation in der Restspannung des piezoelektrischen Elements auftritt.
Die Variation der Restspannung des piezoelektrischen Elements hat eine Wirkung auf die nächste Ladezeitdauer. Insbesondere erfährt beispielsweise bei einem Injektor (Einspritzvorrichtung) mit einem piezoelektrischen Element die Zeit vom Start bis zum Ende des nächsten Ladedurchgangs eine Änderung, mit dem Ergebnis, dass die Einspritzzeit der Einspritzvorrichtung sich ändert, wodurch in nachteiliger Weise die Einspritzrate verändert wird.
Gemäß dem herkömmlichen Ladeverfahren verbleibt die Spannung in dem piezoelektrischen Element, weshalb der Wirkungsgrad bei der Wiedergewinnung der in dem piezoelektrischen Element gespeicherten elektrischen Energie in einer Energieversorgung verschlechtert wird.
Weiterhin wird bei dem herkömmlichen Entladeverfahren der Entladeschalter wiederholt mit kurzer Zeitdauer durch mehrfaches Schalten ein- und ausgeschaltet. Daher wird durch die Induktivität L der Energiespeicherspule und der Kapazität C des piezoelektrischen Elements eine Oszillation verursacht, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Versagens des piezoelektrischen Elements erhöht wird.
Die Druckschrift DE 199 44 733 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines kapazitiven Stellglieds. Dabei wird ein kapazitives Stellglied von einem geladenen Ladekondensator über einen Transformator geladen, indem pulsweitenmodulierte Steuersignale (PWM-Signale) mit einer bestimmten Spannung, Frequenz und Tastverhältnis beaufschlagt werden. Die Dauer, Höhe und Verlauf der Stellgliedspannung Up können dabei wie erforderlich gewählt werden.
Die Druckschrift US 5 479 062 A offenbart eine Piezoaktuatorantriebsschaltung, bei der ein Piezoelement mittels eines Sperrwandlers geladen wird. Dabei ist eine Primärspule des Sperrwandlers mit einem Schalter verbunden, und ist ein Entladeschalter mit einer Sekundärspule des Sperrwandlers verbunden. Das Laden/Entladen des Piezoelements erfolgt jeweils durch einen einzelnen Impuls in einem Zyklus. Dabei wird der Entladeschalter zu einem zeitlich vorbestimmten Zeitpunkt ausgeschaltet.
Die US 5 543 679 A offenbart eine Vorrichtung zum Antrieb eines Piezoelements, bei dem der das Piezoelement über einen Sperrwandler geladen wird und über eine Entladespule entladen wird.
Die nachveröffentlichte DE 101 13 801 A1 offenbart ein Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines kapazitiven Stellglieds, bei dem das kapazitive Stellglied über einen Sperrwandler geladen und entladen wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last (die nachstehend als Lade-/Entladevorrichtung für variable kapazitive Last bezeichnet ist) gemäß dieser Erfindung soll die durch das vorstehend beschriebene Ladeverfahren und Entladeverfahren der Multischaltart beheben.
Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last bereitzustellen, bei der die Genauigkeit des Ladens und Entladens der Energie einer variablen kapazitiven Last (wie eines piezoelektrischen Elements) verbessert wird, die Lade- und Entladestörungen verringert werden, der Wirkungsgrad der Wiedergewinnung der elektrischen Energie zu einer Energieversorgung zum Zeitpunkt des Entladens verbessert wird und die Oszillation vermieden wird, wodurch eine Zerstörung der variablen kapazitiven Last verhindert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen dargelegt.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last geschaffen, wobei die variable kapazitive Last derart geladen wird, dass als Reaktion auf ein Ladestartsignal ein Ladeschalter für eine vorbestimmte Zeitdauer zum Speisen einer Primärspule eingeschaltet wird, wodurch elektrische Energie aus einer Gleichstromenergieversorgung zu einem Sperrwandler zugeführt wird, wohingegen beim Ausschalten des Ladeschalters die in dem Sperrwandler gespeicherte elektrische Energie einer Sekundärspule zugeführt wird, wodurch die variable kapazitive Last geladen wird, die mit der Sekundärspule verbunden ist.
Demgegenüber wird die variable kapazitive Last derart entladen, dass in Reaktion auf ein Entladestartsignal ein Entladeschalter für eine vorbestimmter Zeitdauer zum Speisen der Sekundärspule eingeschaltet wird, wodurch in dem Sperrwandler die bis dahin in der variablen kapazitiven Last gespeicherte elektrische Energie gespeichert wird, wohingegen beim Ausschalten des Entladeschalters die bis dahin in dem Sperrwandler gespeicherte elektrische Energie der Primärspule zugeführt wird, wodurch die elektrische Energie für die mit der Primärspule verbundenen Gleichstromenergieversorgung wiedergewonnen wird.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird die variable kapazitive Last durch einen Ein- Ausschaltvorgangsdurchgang eines Ladeschalters geladen und wird durch einen Ein- Ausschaltvorgangsdurchgang eines Entladeschalters entladen. Folglich wird die Zeitverzögerung, die andernfalls durch das Multischalten verursacht werden könnte, beseitigt, wodurch die Ladegenauigkeit, der Ladewirkungsgrad, die Entladegenauigkeit und Entladewirkungsgrad der variablen kapazitiven Last verbessert wird.
Insbesondere wird die Lade-/Entladezeit T durch die nachstehende Gleichung (1) ausgedrückt.
Demgegenüber wird die Ladeenergie E durch die nachstehende Gleichung (2) ausgedrückt.
Dabei ist L₁ die Induktivität der Primärspule, L₂ die Induktivität der Sekundärspule, I₁ der Stromwert der Primärspule und Cpzt die Kapazität der variablen kapazitiven Last.
Die durch die vorstehende Gleichung (1) ausgedrückte Lade-/Entladezeit T ändert sich mit der Kapazität Cpzt der variablen kapazitiven Last, kann jedoch in stabiler Weise durch eine Zeitüberwachungseinrichtung oder dergleichen aufgrund einer kleinen Variation in den Stromfaktoren gesteuert werden. Außerdem kann die Ladeenergie E, bei der die Induktivität L₁ der Primärspule der einzige variable Faktor ist, auf einen hochgenauen Wert erhalten werden.
Bei dem herkömmlichen Multischaltverfahren werden der Ladeschalter und der Entladeschalter so oft für jeden Lade-/Entladedurchgang ein- und ausgeschaltet, dass ein deutliches Störungsausmaß erzeugt wird. Mit der Vorrichtung zum Laden und Entladen der variablen kapazitiven Last gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung werden demgegenüber der Ladeschalter und der Entladeschalter einmal für jeden Lade-/Entladedurchgang ein- und ausgeschaltet.
Als Folge kann die Vorrichtung zum Laden und Entladen der variablen kapazitiven Last gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung im Vergleich zu dem Stand der Technik stark die Anzahl verringern, mit der Störungen (Geräusche) erzeugt werden.
Mit der Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last gemäß eines nicht beanspruchten Beispiels wird der Entladeschalter zu einem Zeitverlauf ausgeschaltet, wenn die Lastspannung der variablen kapazitiven Last auf eine vorbestimmte Entladestoppspannung abgefallen ist. Daher kann die Entladegenauigkeit der variablen kapazitiven Last verbessert werden. Folglich wird der Nachteil, dass die nächste Ladezeitdauer eine Änderung erfährt, nicht verursacht.
Insbesondere im Hinblick auf die Tatsache, dass die Spannung an den Ende des Entladens der variablen kapazitiven Last konstant mit hoher Genauigkeit beibehalten werden kann, kann die nächste Ladestartspannung für die variable kapazitive Last ebenfalls auf einem konstanten Pegel beibehalten werden. Daher wird eine konstante Energiegröße in die variable kapazitive Last geladen, wodurch eine konstante Änderung durch Ausdehnung und Zusammenziehung der variablen kapazitiven Last ermöglicht wird.
Als ein spezifisches Beispiel sei die Anwendung der Lade- und Entladevorrichtung auf die piezoelektrischen Elemente einer piezoelektrischen Einspritzvorrichtung betrachtet. Da jedes piezoelektrische Element stets mit hoher Genauigkeit entladen werden kann, wird der Nachteil, dass die nächste Ladespannung eine Änderung erfährt, beseitigt, weshalb verhindert wird, dass die Einspritzmenge der Einspritzvorrichtung nachteilig geändert wird.
Zu dem Zeitpunkt der Entladung kann die variable kapazitive Last durch einen einzige Ein-/Ausschaltvorgang des Entladeschalters entladen werden. Zusätzlich wird der Entladeschalter ausgeschalten, wenn die Spannung über der variablen kapazitiven Last auf eine vorbestimmte Entladestoppspannung abgefallen ist. Daher kann die variable kapazitive Last mit hoher Genauigkeit und hohem Wirkungsgrad entladen werden. Somit kann die elektrische Energie der variablen kapazitiven Last durch die Gleichstromenergieversorgung mit hohem Wirkungsgrad wiedergewonnen werden.
Weiterhin werden in dem herkömmlichen Multischaltsystem der Ladeschalter und der Entladeschalter mehrfach in einem einzelnen Lade-/Entladedurchgang ein- und ausgeschaltet, wodurch die Möglichkeit einer Oszillation durch die Kapazität C und in der Spuleninduktivität L der variablen kapazitiven Last gegeben ist. Mit der Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung werden demgegenüber der Ladeschalter und der Entladeschalter jeweils nur einmal für jeden Lade-/Entladedurchgang ein- bzw. ausgeschaltet.
Die Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung weist daher den Vorteil auf, dass die Oszillation, die durch die Induktivität L der Sekundärspule des Sperrwandlers und der Kapazität C der variablen kapazitiven Last verursacht werden könnte, beseitigt werden kann. Somit kann die variable kapazitive Last nicht in nachteiliger Weise durch die Oszillation zerstört werden.
Gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last geschaffen, wobei das Ausschalten des Entladeschalters auf den selben Zeitverlauf eingestellt ist, als wenn der Entladestrom, der in der Sekundärspule fließt, einen vorbestimmten Entladestoppstrom erreicht (beispielsweise einen Stromwert, zu dem die Entladung der variablen kapazitiven Last im Wesentlichen beendet ist). Dies wird erreicht durch eine Erfassungseinrichtung, die eine Spitzenhalteschaltung, die den Stromwert der Sekundärspule in Reaktion auf das Ladestartsignal hält, und einen Vergleicher aufweist, der den Stromwert der Sekundärspule mit dem Ausgang der Spitzenhalteschaltung vergleicht, und bei Erreichen des Entladestoppstroms den Entladeschalter ausschaltet. Somit können der Betrieb und die Wirkung ähnlich zu denjenigen der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung der Erfindung erhalten werden.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last geschaffen, wobei die vorbestimmte Speisungszeitdauer der Primärspule auf die Zeitdauer eingestellt wird, die vom Einschaltzeitpunkt des Ladeschalters bis zu dem Zeitpunkt reicht, zu dem der in der Primärspule fließende Strom eine Ladestartstrom erreicht (einen Stromwert, der zum Laden der variablen kapazitiven Last geeignet ist).
Insbesondere ist der Zeitverlauf des Ausschaltens Ladeschalters vorbestimmt und stabil, weshalb die variable kapazitive Last stets mit hoher Genauigkeit in stabiler Weise geladen werden kann. Folglich ist es möglich, sowohl die Entladegenauigkeit als auch die Ladegenauigkeit der variablen kapazitiven Last zu verbessern.
Ein spezifisches Beispiel ist eine Anwendung auf eine Lade-/Entladevorrichtung für die piezoelektrischen Elemente der piezoelektrischen Einspritzvorrichtung, wobei in diesem Fall die piezoelektrischen Elemente stets mit hoher Genauigkeit in einer stabilen Weise geladen werden können, weshalb der Nachteil, dass die Ladespannung variiert wird, beseitigt werden kann, mit dem Ergebnis, dass die Einspritzrate der Einspritzvorrichtung nicht nachteilig geändert wird.
In dem herkömmlichen Multischaltsystem werden der Ladeschalter und der Entladeschalter mehrfach für jeden Lade-/Entladedurchgang ein- bzw. ausgeschaltet. Dies erfordert eine hohe magnetische Flussdichte und eine hohe Frequenzcharakteristik des Sperrwandlers. Folglich ist ein kostspieliger Kern aus einem Material wie amorphen Metall erforderlich, wodurch die Kosten für den Sperrwandler erhöht werden.
Demgegenüber werden bei der Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung der Ladeschalter und der Entladeschalter jeweils einmal für jeden Lade- und Entladedurchgang ein- und ausgeschaltet. Der Sperrwandler erfordert weder eine hohe magnetische Flussdichte noch eine hohe Frequenzcharakteristik im Gegensatz zu dem Multischaltsystem.
Gemäß der dritten Ausgestaltung der Erfindung kann daher ein Transformator mit einem Kern, der aus einem Stapel aus einer Vielzahl von Siliziumstahlblechen gebildet ist, als Sperrwandler angewendet werden, um den Kostenanstieg zu unterdrücken.
Gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last geschaffen, wobei die Dicke eines Siliziumstahlblechs auf nicht mehr als 0,1 mm eingestellt ist, wodurch der Eisenverlust aufgrund von Wirbelströmen unterdrückt wird, wodurch die Frequenzcharakteristik des Sperrwandlers mit einem Kern aus Siliziumstahlblechen verbessert wird.
Gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last geschaffen, wobei ein vorbestimmter Entladestoppstrom auf nicht weniger als 95% des maximalen Werts des in der Sekundärspule fließenden Stroms eingestellt wird, wodurch ermöglicht wird, im Wesentlichen die gesamten in der variablen kapazitiven Last gespeicherte elektrische Energie zu entladen.
Gemäß einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last geschaffen, wobei die Gleichstromleistungsversorgung der variablen kapazitiven Last eine Hauptleistungsversorgung, eine Anhebeschaltung (Booster-Schaltung) zur Erhöhung der aus der Hauptleistungsversorgung angelegten Spannung und einen Pufferkondensator zum Speichern der Gleichspannung aufweist, die durch die Anhebeschaltung erhöht wird, während gleichzeitig die durch die Primärspule des Sperrwandlers wiedergewonnene elektrische Energie nach Ausschalten des Entladeschalters gespeichert wird.
Die in der variablen kapazitiven Last gespeicherte elektrische Energie kann wirksam zu den Pufferkondensator hin wiedergewonnen werden. Daher kann die von der Anhebeschaltung dem Pufferkondensator zugeführte elektrische Energie verringert werden, um die Last auf die Anhebeschaltung zu verringern. Folglich kann die Anhebeschaltung in der Größe verringert werden.
Außerdem wird die Ladegenauigkeit der variablen kapazitiven Last verbessert, so dass ein unnötiger Spannungsanstieg der Anhebeschaltung unterdrückt wird, wodurch ermöglicht wird, die Größe der Anhebeschaltung zu verringern. Zusätzlich kann, da der unnötige Spannungsanstieg durch die Anhebeschaltung unterdrückt wird, die Speisezeitdauer der Primärspule durch Erhöhung der Speisespannung der Primärspule verkürzt werden.
Weiterhin wird in Hinblick auf eine erhöhte Entladegenauigkeit und einen verbesserten Entladewirkungsgrad der variablen kapazitiven Last die Variation der in dem Pufferkondensator gespeicherten elektrischen Energie unterdrückt, wodurch ermöglicht wird, die Größe des Pufferkondensators zu verringern.
Gemäß einer siebten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last geschaffen, wobei die variable kapazitive Last als ein Betätigungsglied zum Schalten des Einspritzens von Kraftstoff und des Stopps der Einspritzung der Einspritzvorrichtung des Maschinenkraftstoff-Einspritzsystems verwendet werden kann.
Sowohl die Entladegenauigkeit als auch der Entladewirkungsgrad der variablen kapazitiven Last werden verbessert, weshalb eine konstante Ausdehnung/Zusammenziehung der variablen kapazitiven Last gewährleistet wird. Somit kann das Einspritzen der Einspritzvorrichtung genauer gestartet und gestoppt werden.
Die vorstehend beschriebene Aufgabe und Merkmale der Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme der beiliegenden Zeichnung deutlicher. Es zeigen:
1 ein allgemeines Schaltbild einer Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last eines piezoelektrischen Elements gemäß einem nicht beanspruchten Beispiel,
2 Zeitverläufe, die den grundsätzlichen Lade-/Entladevorgang gemäß dem nicht beanspruchten Beispiel,
3 eine Darstellung, die eine Steuerungsschaltung eines Ladeschalters und eines Entladeschalters gemäß dem nicht beanspruchten Beispiel veranschaulicht,
4 Zeitverläufe zur Beschreibung des Ladevorgangs und des Entladevorgangs gemäß dem nicht beanspruchten Beispiel,
5 eine Darstellung, die eine elektrische Schaltung der Lade-/Entladeschaltung gemäß dem nicht beanspruchten Beispiel veranschaulicht,
6 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß dem nicht beanspruchten Beispiel der Erfindung,
7 eine Schnittansicht einer piezoelektrischen Einspritzvorrichtung gemäß dem nicht beanspruchten Beispiel der Erfindung,
8 eine Darstellung eines Steuerungsschaltung für einen Entladeschalter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
9 Zeitverläufe zur Beschreibung des Entladevorgangs gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
10 eine Darstellung zur Beschreibung des in einem piezoelektrischen Element gemäß dem Stand der Technik fließenden Stroms.
Vor der Beschreibung eines nicht beanspruchten Beispiels sowie der Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung sind nachstehend der Stand der Technik und die Nachteile davon unter Bezugnahme auf die betreffenden Figuren beschrieben.
Ein Multischaltsystem ist als ein Verfahren zum Laden eines piezoelektrischen Elements bei Kompensation von Temperaturcharakteristik bekannt. Bei diesem Ladeverfahren, wie es in 10 dargestellt ist, wird eine Anweisung zum Laden des piezoelektrischen Elements (entsprechend einem Ladestartsignal wie einem angeschalteten Einspritzsignal IJT) ausgegeben, woraufhin der Ladeschalter zunächst eingeschaltet wird, um dadurch das piezoelektrischen Element zu speisen. Wenn der Erregungsstrom Ipzt des piezoelektrischen Elements einen vorbestimmten Stromwert (beispielsweise 25 A) erreicht, wird der Ladeschalter ausgeschaltet. Diese erste Einschaltzeitdauer des Ladeschalters wird in einem Speicher gespeichert. Nach Ausschalten des Ladeschalters wird die in einer Energiespeicherspule (oder einem Sperrwandler) gespeicherte elektrische Energie dem piezoelektrischen Element über eine Diode zugeführt, wodurch das Laden des piezoelektrischen Elements fortgesetzt wird. Wenn nach dem ersten Ausschalten des Ladeschalters der Strom Ipzt auf 0 A verringert wird, wird der Ladeschalter für die Zeitdauer eingeschaltet, die gleich der in dem ersten Ein-/Ausschaltdurchgang gespeicherten Einschaltzeit ist. Wenn der Strom Ipzt darauffolgend auf 0 A verringert ist, wird der Ladeschalter für die Zeitdauer eingeschaltet, die gleich der in dem ersten Ein-/Ausschaltdurchgang gespeicherten Einschaltzeitdauer ist. Dieser Ein-/Ausschaltvorgang wird mehrfach wiederholt.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird der Ladeschalter für die Zeitdauer wiederholt eingeschaltet, die gleich der in dem ersten Ein-/Ausschaltdurchgang gespeicherten Einschaltzeitdauer ist, so dass die pro Zeiteinheit erzeugte elektrische Energie konstant wird, wodurch ermöglicht wird, den Ladevorgang durchzuführen, während die Temperatur des piezoelektrischen Elements kompensiert wird.
Demgegenüber wird der Entladevorgang ebenfalls mit dem Multischaltverfahren ausgeführt, wie es in 10 dargestellt ist. In diesem Entladeverfahren sei angenommen, dass eine Anweisung zum Entladen eines piezoelektrischen Elements (entsprechend einem Entladestartsignal wie dem Ausschalten des Einspritzsignals IJT) ausgegeben wird. zunächst wird der Entladeschalter eingeschaltet, und die in dem piezoelektrischen Element gespeicherte elektrische Energie wird durch eine Energiespeicherspule (oder einem Sperrwandler) entladen. Wenn der Entladestrom Ipzt einen vorbestimmten Abschaltstrom (beispielsweise 20 A) erreicht, wird der Entladeschalter ausgeschaltet. Dann wird die in der Energiespeicherspule gespeicherte elektrische Energie durch die Leistungsversorgung über eine Diode wiedergewonnen.
Wenn der Entladestrom Ipzt nach dem ersten Ausschalten des Entladeschalters auf 0 A verringert ist, wird der Entladeschalter eingeschaltet. Diese Ein-/Ausschaltbetrieb wird mehrfach wiederholt.
Wie vorstehend ausführliche beschrieben, bringt das vorstehend erwähnte Ladeverfahren, bei dem der Ladeschalter mehrfach für den Ladevorgang ein- bzw. ausgeschaltet wird, die Probleme mit sich, dass die für jeden Ein-/Ausschaltdurchgang erforderliche Zeitverzögerung durch die mehrfachen Schaltvorgänge erhöht wird und die Genauigkeit des Ladens der Energie des piezoelektrischen Elements verschlechtert wird.
Die Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last gemäß der vorliegenden Erfindung soll die durch das vorstehend beschriebene Ladeverfahren und Entladeverfahren der Multischaltart verursachten Nachteile beseitigen.
Die vorliegende Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf eine Vielzahl von Ausführungsbeispielen und deren Abänderungen beschrieben.
Nicht beanspruchtes Beispiel
Ein nicht beanspruchtes Beispiel (eine Lade-/Entladevorrichtung für jedes an einer piezoelektrischen Einspritzvorrichtung angebrachtes piezoelektrische Element) ist nachstehend unter Bezugnahme auf 1 bis 7 beschrieben. Dieses Beispiel stellt einen Fall dar, bei dem ein piezoelektrisches Element 1 als ein Beispiel für eine variable kapazitive Last verwendet wird. Außerdem werden gemäß diesem Beispiel die piezoelektrischen Elemente 1 als ein Betätigungsglied einer piezoelektrischen Einspritzvorrichtung (Injektor) 2 für ein Maschinenkraftstoff-Einspritzsystems verwendet.
Das piezoelektrische Element 1, wie es in 6 und 7 dargestellt ist, ist an einer piezoelektrischen Einspritzvorrichtung 2 für jeden Zylinder angebracht und arbeitet als ein Betätigungsglied zum Schalten des Einspritzens und des Stopps des Kraftstoffs. Das piezoelektrische Element 1 weist einen Stapelaufbau mit einer Vielzahl von übereinander gestapelter flacher piezoelektrischer Elementeinheiten auf, wobei diese zwischen Elektroden angeordnet sind. Das piezoelektrische Element 1 ist eingerichtet, als Reaktion auf den Ladevorgang sich auszudehnen und als Reaktion auf den Entladevorgang sich zusammenzuziehen.
Die piezoelektrische Einspritzvorrichtung 2, bei der das piezoelektrische Element 1 angebracht ist, ist beispielsweise bei einem Maschinenkraftstoff-Einspritzsystems der Common-Rail-Bauart verwendet.
Ein Beispiel für dieses Kraftstoffeinspritzsystem ist nachstehend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
Die piezoelektrische Einspritzvorrichtung 2 ist für jeden Zylinder angebracht (wobei lediglich eine piezoelektrische Einspritzvorrichtung 2 in 6 gezeigt ist). Eine Lade-/Entladeschaltung 3 zur Steuerung des Lade-/Entladevorgangs des piezoelektrischen Elements 1 jeder piezoelektrischen Einspritzvorrichtung 2 ist eingerichtet, das piezoelektrische Element 1 in Reaktion auf eine Einspritzsignal IJT zum Laden und Entladen, das aus einer Maschinensteuerungseinheit (ECU) 4 zugeführt wird.
Insbesondere sei angenommen, dass die Lade-/Entladeschaltung 3 das piezoelektrische Element 1 in der piezoelektrischen Einspritzvorrichtung 2 durch ein Einspritzstartsignal (entsprechend einem Ladestartsignal, d. h. dem eingeschalteten Einspritzsignal IJT) lädt, das aus der ECU 4 zugeführt wird. Dann dehnt sich das piezoelektrische Element 1 aus und öffnet die piezoelektrische Einspritzvorrichtung 2, so dass der in einem Common-Rail 5 gespeicherte Hochdruck-Kraftstoff in die Verbrennungskammer jedes Zylinders eingespritzt wird. Nach dem Einspritzen veranlasst ein Einspritzstoppsignal (entsprechend einem Entladestartsignal d. h. dem ausgeschalteten Einspritzsignal IJT) aus der ECU 4, dass die Lade-/Entladeschaltung 3 das an der piezoelektrischen Einspritzvorrichtung 2 angebrachte piezoelektrische Element 1 entlädt. Das piezoelektrische Element 1 zieht sich zusammen und schließt die piezoelektrische Einspritzvorrichtung 2, wodurch das Kraftstoffeinspritzen gestoppt wird.
Das Common-Rail 5 wird mit Kraftstoff unter Druck aus seinem Kraftstofftank 6 durch eine Hochdruckzufuhrpumpe 7 versorgt, wodurch der Hochdruck-Kraftstoff in dem Common-Rail 5 gespeichert wird. Der aus dem Common-Rail 5 der piezoelektrischen Einspritzvorrichtung 2 zugeführte Kraftstoff wird als ein Steuerungsöldruck für die piezoelektrische Einspritzvorrichtung 2 als auch zum Einspritzen in die Verbrennungskammer verwendet, und ist eingerichtet, zu dem Kraftstofftank 6 über eine Niedrigdruck–Abflussleitung 8 aus der piezoelektrischen Einspritzvorrichtung 2 zurückzukehren.
An dem Common-Rail 5 ist ein Drucksensor 9 zur Erfassung des Kraftstoffdrucks angebracht. Die ECU 4 steuert den Öffnungsgrad eines Einstellungsventils 10 auf der Grundlage des Ausgangs des Drucksensors 9, wodurch die Menge des Kraftstoffs, die unter Druck dem Common-Rail 5 zugeführt wird, geregelt wird, und behält somit den internen Druck des Common-Rails 5 auf einen geeigneten Pegel.
Der Aufbau der piezoelektrischen Einspritzvorrichtung 2 ist nachstehend unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
Die piezoelektrische Einspritzvorrichtung 2 weist die Form einer Stange auf, wobei deren unteres vorderes Ende gemäß 7 in die Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine über deren Verbrennungskammerwand vorspringt. Die piezoelektrische Einspritzvorrichtung 2 ist von unten an aus einer Düseneinheit 11, einer Gegendrucksteuerungseinheit 12 und einer (nachstehend als Piezoelementantriebseinheit bezeichneten) Einheit 13 zum Antrieb des piezoelektrischen Elements in dieser Reihenfolge aufgebaut.
In der Düseneinheit 11 ist ein Abschnitt 15 mit großem Durchmesser einer Nadel 14 gleitfähig in einer Düsenhaltereinrichtung 16 gelagert. Ein konischer Abschnitt 17 an dem vorderen Ende der Nadel 11 ist eingerichtet, sich in einem ringförmigen Sitz 18 zu setzen oder diesen zu verlassen, der an dem vorderen Ende der Düsenhaltereinrichtung 16 gebildet ist. Hochdruckkraftstoff wird in den äußeren peripheren Raum 19 an dem vorderen Ende der Nadel 14 aus dem Common-Rail 5 über einen Hochdruckweg 20 eingeführt, und der Kraftstoff wird aus einer Strahlöffnung 21 ausgespritzt, wenn die Nadel 14 den ringförmigen Sitz 18 verlässt. Der dem äußeren peripheren Raum 19 an dem vorderen Ende der Nadel 14 zugeführte Hochdruckkraftstoff wird auf die gestufte Oberfläche 15a des Abschnitts 15 mit großem Durchmesser ein, wodurch die Nadel 14 nach oben abgehoben wird (in der Richtung zum Verlassen des Sitz).
Einer Gegendruckkammer 22 über dem Abschnitt 15 mit großem Durchmesser wird Kraftstoff auf dem Hochdruckweg 20 über eine Öffnung 23 zugeführt. Der der Gegendruckkammer 22 zugeführte Hochdruckkraftstoff agiert auf die obere Oberfläche 15b des Abschnitts 15 mit großem Durchmesser, so dass die Nadel 14 nach unten gedrückt wird (in eine Richtung zum Sitzen) zusammen mit einer Feder 24.
Der Gegendruck der Gegendruckkammer 22 kann durch eine Gegendrucksteuerungseinheit 12 geschaltet werden, die wiederum durch eine Piezoelementantriebseinheit 13 angetrieben wird.
Die Gegendruckkammer 22 kommuniziert mit einer Ventilkammer 26 der Gegendrucksteuerungseinheit 12 über eine Ausgangsöffnung 25.
Die Ventilkammer 26 ist konisch geformt, wobei die Deckenoberfläche 26a oben liegt, und ist mit einer Niedrigdruckkammer 27 an der Oberseite der Deckenoberfläche 26a verbunden. Die Niedrigdruckkammer 27 kommuniziert mit der Abflusslinie 8, die vorstehend beschrieben worden ist, über einen Niedrigdruckweg 28.
Ein Hochdrucksteuerungsweg 29, der aus dem Hochdruckweg 20 abzweigt, öffnet sich zu der unteren Oberfläche 26b der Ventilkammer 26.
Weiterhin ist ein Kugelventil 30, dessen untere Oberfläche horizontal abgeschnitten ist, in der Ventilkammer 26 angeordnet. Das Kugelventil 30 ist aufwärts und abwärts bewegbar. Wenn das Kugelventil 30 sich abwärts bewegt, wird dessen abgeschnittene Oberfläche auf die untere Oberfläche 26b der Ventilkammer 26 gesetzt, wodurch die Kommunikation zwischen der Ventilkammer 26 und dem Hochdrucksteuerungsweg 29 abgeschnitten wird. Wenn das Kugelventil 30 sich aufwärts bewegt, wird demgegenüber dessen obere sphärische Oberfläche an die Deckenoberfläche 26a der Ventilkammer 26 gesetzt, wodurch die Kommunikation zwischen der Ventilkammer 26 und der Niedrigdruckkammer 27 abgeschnitten wird.
Wenn einmal die Kommunikation zwischen der Ventilkammer 26 und dem Hochdrucksteuerungsweg 29 mit der Abwärtsbewegung des Kugelventils 30 wie vorstehend beschrieben abgeschnitten wird, gelangt die Gegendruckkammer 22 in Kommunikation mit der Abflussleitung 8 über die Ventilkammer 26, die Niedrigdruckkammer 27 und den Niedrigdruckweg 28, mit dem Ergebnis, dass der Druck der Gegendruckkammer 22 abfällt und die Nadel 14 den Sitz verlässt.
Wenn die Kommunikation zwischen der Ventilkammer 26 und der Niedrigdruckkammer 27 durch die Aufwärtsbewegung des Kugelventils 30 abgeschnitten wird, wird demgegenüber die Kommunikation zwischen der Gegendruckkammer 22 und der Niedrigdruckkammer 27 abgeschnitten. Somit kommuniziert die Gegendruckkammer 22 lediglich mit dem Hochdruckweg 20, so dass der Gegendruck der Nadel 14 derart ansteigt, dass die Nadel 14 gesetzt wird.
Die Antriebseinheit 13 mit piezoelektrischem Element dient zum Herabschieben des Kugelventils 30 durch die Ausdehnung der piezoelektrischen Elemente 1 und weist einen Kolben 32 mit großem Durchmesser über eine Versatzausdehnungskammer 31, die über der Gegendruckkammer 22 gebildet ist, und einen Kolben 33 mit kleinem Durchmesser unter der Versatzausdehnungskammer 31 auf. Ein Stapel aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen ist über dem Kolben 32 mit großem Durchmesser angeordnet.
Der Kolben 32 mit großem Durchmesser wird gegen die piezoelektrischen Elemente 1 durch eine Feder 34 gedrückt, die darunter angeordnet ist, und wird somit in vertikaler Richtung um dieselbe Größe wie die Ausdehnung/Zusammenziehung (Expansion/Kontraktion) der gestapelten piezoelektrischen Elemente 1 versetzt.
Die Versatzexpansionskammer 31 ist mit Kraftstoff gefüllt. Wenn die Ausdehnung der piezoelektrischen Elemente 1 den oberen Kolben 32 mit großem Durchmesser nach unten bewegt und den Kraftstoff in die Versatzexpansionskammer 31 drückt, schiebt dieser Druck den Kolben 33 mit kleinem Durchmesser nach unten. In diesem Prozess wird das Ausdehnungsausmaß der piezoelektrischen Elemente 1 in vergrößerter Form auf den Kolben 33 mit kleinem Durchmesser übertragen, der im Durchmesser kleiner als der Kolben 32 mit großem Durchmesser ist.
Beim Start des Einspritzens werden die piezoelektrischen Elemente 1 geladen und zunächst ausgedehnt. Der Kolben 32 mit großem Durchmesser und der Kolben 33 mit kleinem Durchmesser bewegen sich nach unten. Das Kugelventil 30 wird nach unten gedrückt, um dadurch den Gegendruck der Gegendruckkammer 22 zu verringern. Folglich verlässt die Nadel 14 den Sitz und wird das Kraftstoffeinspritzen gestartet.
Beim Stoppen des Kraftstoffeinspritzens werden demgegenüber die piezoelektrischen Elemente 1 zunächst entladen und zusammengezogen. Der Kolben 32 mit großem Durchmesser und der Kolben 33 mit kleinem Durchmesser bewegen sich aufwärts, wodurch der nach unten gerichtete Druck auf das Kugelventil 30 aufgehoben wird. Da der Hochdruckkraftstoff auf das Kugelventil 30 aus dem Hochdrucksteuerungsweg 29 agiert, bewegt sich das Kugelventil 30 nach oben und schneidet die Kommunikation zwischen der Ventilkammer 26 und der Niedrigdruckkammer 27 ab. Dann steigt der Gegendruck der Gegendruckkammer 22 zu einem derartigen Grad an, dass die Nadel 14 gesetzt wird, wodurch das Kraftstoffeinspritzen gestoppt wird.
Die Lade-/Entladeschaltung 3 zum Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements 1 für jeden Zylinder ist nachstehend unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
Die Lade-/Entladeschaltung 3 weist eine Gleichspannungsversorgung 40, einen Ladeschalter 41 zum Laden der piezoelektrischen Elemente 1, einen Entladeschalter 42 zum Entladen der piezoelektrischen Elemente 1, (mehrere) Auswahlschalter 43 zur Auswahl der je nachdem zu ladenden oder zu entladenden piezoelektrische Elemente 1, einen Sperrwandler 44 und eine Vielzahl von Dioden 45 auf.
Die Gleichspannungsversorgung 40 weist einen Gleichspannungswandler 47 (entsprechend einer Anhebeschaltung bzw. Booster-Schaltung), die mit einer Fahrzeugbatterie 46 (entsprechend einer Hauptenergieversorgung) zur Erzeugung einer Gleichspannung von einigen 10 bis einigen 100 Volt verbunden ist, und einen Pufferkondensator 48 auf, der parallel zu dem Gleichspannungswandler 47 geschaltet ist.
Der Pufferkondensator 48 speichert auf der einen Seite die durch den Gleichspannungswandler 47 angehobene Gleichspannung und auf der anderen Seite die aus der Primärspule 44a des Sperrwandler 44 wiedergewonnene elektrische Energie nach Ausschalten des Entladeschalters 42. Der Pufferkondensator 48 weist eine relativ große elektrostatische Kapazität auf und hält das piezoelektrischen Element 1 während der Zeit des Ladevorgangs auf eine konstante Spannung.
Der Ein- Ausschaltvorgang des Ladeschalters 41, des Entladeschalters 42 und der Auswahlschalter 43 wird durch einen Lade-/Entladesteuerungseinrichtung 50 gesteuert. Jeder dieser Schalter kann entweder eine Halbleiterschalteinrichtung wie ein MOSFET oder ein mechanischer Relaisschalter sein.
Der Sperrwandler 44 weist die Primärspule 44a und eine Sekundärspule 44b auf. Die Primärspule 44a wird elektrisch mit der Gleichspannungsversorgung 40 durch Einschalten des Ladeschalters 41 verbunden, wohingegen die Sekundärspule 44b mit dem piezoelektrischen Elementen 1 durch Einschalten des Entladeschalters 42 verbunden wird.
Zunächst wird der Ladevorgang jeder der piezoelektrischen Elemente 1 unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben.
Bei Einschalten des Einspritzsignals IJT, das aus der ECU an die Lade-/Entladesteuerungseinrichtung 50 angelegt wird, schaltet die Lade-/Entladesteuerungseinrichtung 50 den Ladeschalter 41 ein. Dann fließt ein Strom in der Primärspule 44a wie durch (1) in 1 und 2 angegeben. Die Lade-/Entladesteuerungseinrichtung 50 überwacht den Strom (1) der Primärspule 44a über eine Signalleitung 51, und schaltet den Ladeschalter 41 aus, wenn der Strom (1) der Primärspule 44a den Pegel eines vorbestimmten Ladestartstroms I1 erreicht.
Bei Ausschalten des Ladeschalters 41 verursacht die in dem Sperrwandler 44 gespeicherte elektrische Energie einen Fluß eines Ladestroms in der Sekundärspule 44b, wie durch (2) in 1 und 2 angegeben ist. Dieser Ladestrom (2) wird dem piezoelektrischen Element 1 der piezoelektrischen Einspritzvorrichtung 2 zugeführt, wodurch das Laden des piezoelektrischen Elements 1 abgeschlossen wird.
Auf diese Weise wird das piezoelektrischen Element 1 vollständig durch den einzelnen Vorgang des Speisens der Primärspule geladen (den einzelnen Ein-/Ausschaltdurchgang des Ladeschalters 41).
Nachstehend ist der Entladevorgang jedes piezoelektrischen Elements 1 beschrieben.
Wenn das von der ECU 4 auf die Lade-/Entladesteuerungseinrichtung 50 angelegte Einspritzsignal IJT aus dem eingeschalteten Zustand ausgeschaltet wird, schaltet die Lade-/Entladesteuerungseinrichtung 50 den Entladeschalter 42 ein. Dann fließt, wie es durch (3) in 1 und 2 angegeben ist, die in dem piezoelektrischen Element 1 gespeicherte elektrische Energie in die Sekundärspule 44b. Die Lade-/Entladesteuerungseinrichtung 50, die die Lastspannung (4) des piezoelektrischen Elements 1 über eine Signalleitung 52 überwacht, schaltet den Entladeschalter 42 aus, wenn die Lastspannung (4) des piezoelektrischen Elements 1 auf eine vorbestimmte Entladestoppspannung VC (= 0 V) abfällt.
Die Entladestoppspannung VC ist auf einen Wert eingestellt, der nicht größer als 5% der Spannung im vollgeladenen Zustand des piezoelektrischen Elements 1 ist. Durch Einstellung dieser Entladestoppspannung VC auf einen Wert, der nicht größer als 5% der vollständigen Ladespannung ist, kann im Wesentlichen die gesamte in dem piezoelektrischen Element 1 geladene elektrische Energie entladen werden.
Mit dem Ausschalten des Entladeschalters 42 verursacht die in dem Sperrwandler 44 gespeicherte elektrische Energie den Fluss eines Entladestroms in der Primärspule 44a, wie es durch (5) in 1 und 2 angegeben ist. Dieser Entladestrom (5) wird zu dem Pufferkondensator 48 der Gleichspannungsversorgung 40 wiedergewonnen.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird das piezoelektrische Element 1 vollständig mit einem einzelnen Vorgang des Speisens der Sekundärspule (eines einzelnen Ein-/Ausschaltvorgangs des Entladeschalters 42) entladen.
Nachstehend ist die Schaltung der Lade-/Entladesteuerungseinrichtung 50 zum Einschalten beziehungsweise Ausschalten des Ladeschalters 41 unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Die Lade-/Entladesteuerungseinrichtung 50 weist eine Inverterschaltung (NICHT-Schaltung) 53 zum Invertieren des Einspritzsignals IJT, ein Flip-Flop 54, das durch die Inverterschaltung 53 zur Erzeugung eines H-Signals (Signal auf hohem Pegel), wenn das Einspritzsignal IJT auf L (niedrigen Pegel) invertiert wird, eine Zeitbegrenzungsschaltung 55 zur Erzeugung eines H-Signals über eine vorbestimmte Zeitdauer in Reaktion auf den H-Zustand des Einspritzsignals IJT, und eine UND-Schaltung 56 auf, die dazu dient, den Ladeschalter 41 lediglich dann auszuschalten, wenn der Flip-Flop 54 und die Zeitbegrenzunsschaltung 55 sich beide in einem H-Zustand befinden.
Außerdem weist die Lade-/Entladesteuerungseinrichtung 50 einen Vergleicher 58 zur Erzeugung eines H-Signals auf, wenn der Stromwert der Primärspule 44a, der durch die Signalleitung 51 erfasst wird, einen vorbestimmten Ladestartstrom I1 (Ventilöffnungsschwellwert) erreicht, der durch die Referenzspannung 57 eingestellt ist. Der Ausgang dieser Vergleichers (Komparators) 58 setzt das Flip-Flop 54 zurück, wodurch der Ladeschalter 41 ausgeschaltet wird.
Der Ein-/Ausschaltvorgang des Ladeschalters 41 durch die vorstehend beschriebene Schaltung ist nachstehend unter Bezugnahme auf den oberen Teil der Zeitverläufe gemäß 4 beschrieben.
Dieser Vorgang startet mit dem Start des Entladens des piezoelektrischen Elements 1. Wenn das aus der ECU 4 zugeführte Einspritzsignal IJT von einem H- auf einen L-Zustand (Zustand mit hohem Pegel auf Zustand mit niedrigen Pegel) umschaltet, wie es durch die durchgezogene Linie A angegeben ist, wird dessen Ausgang durch die Inverterschaltung 53 in den entgegengesetzten Zustand geändert, wie es durch die durchgezogene Linie B angegeben ist. In Reaktion auf das aus der Inverterschaltung 53 auf diese Weise erzeugte resultierende H-Signal gibt das Flip-Flop 54 ein H-Signal aus, wie es durch die durchgezogene Linie C angegeben ist.
Es sei angenommen, dass das aus der ECU 4 angelegte Einspritzsignal IJT zu dem Zeitpunkt t2 von dem L- auf den H-Zustand geändert wird, wie es durch die durchgezogene Linie A angegeben ist. Sowohl das Flip-Flop 54 als auch die Zeitbegrenzunsschaltung 55 geben ein H-Signal aus, weshalb die UND-Schaltung 56 ein H-Signal ausgibt, wie es durch die durchgezogene Linie D angegeben ist, wodurch der Ladeschalter 41 eingeschaltet wird.
Wenn der über die Signalleitung 51 erfasste Stromwert der Primärspule 44a den Wert des Ladestartstrom I1 zu dem Zeitpunkt t3 erreicht, wie es durch die durchgezogene Linie E angegeben ist, gibt der Vergleicher 58 ein H-Signal aus, wie es durch die durchgezogene Linie F angegeben ist, wodurch das Flip-Flop 54 zurückgesetzt wird, wie es durch die durchgezogene Linie C angegeben ist. Folglich ändert sich, wie es durch die durchgezogene Linie D angegeben ist der Ausgang der Und-Schaltung 56 auf den L-Zustand, und der Ladeschalter 41 wird ausgeschaltet.
Nachstehend ist die Lade-/Entladesteuerungseinrichtung 50 zum Ein-/Ausschalten des Entladeschalters 42 unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Die Lade-/Entladeschaltung 50 weist eine Vergleicher 61 zur Erzeugung H-Signals in dem Fall, dass die Lastspannung des piezoelektrischen Elements 1, die über die Signalleitung 52 erfasst wird, höher als eine durch eine Referenzspannung 60 vorbestimmte Entladestoppspannung VC ist, und eine UND-Schaltung 52 auf, die eingerichtet ist, den Entladeschalter 42 lediglich dann einzuschalten, wenn die Ausgänge des Vergleichers 61 und der Inverterschaltung 53 beide in einem H-Zustand sind.
Somit wird der Entladeschalter 42 lediglich dann eingeschaltet, wenn das Einspritzsignal IJT aus der ECU 4 sich auf einen L-Zustand ändert, und die Lastspannung des piezoelektrischen Elements 1 höher als das vorbestimmte Entladestoppsignal VC (des Ventilschließschwellwerts) ist.
Der Ein-/Ausschaltvorgang des Entladeschalters 42 durch die vorstehend beschriebe Schaltung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeitverläufe gemäß 4 beschrieben.
Wie es durch die durchgezogene Linie A angegeben ist, sei angenommen, dass sich das Einspritzsignal IJT aus der ECU 4 zu einem Zeitpunkt t1 von einem H- auf einen L-Zustand ändert. Der Ausgang wird durch die Inverterschaltung 53 geändert und ein H-Signal wird ausgegeben, wie es durch die durchgezogene Linie B angegeben ist.
Da das piezoelektrischen Element 1 sich in einem geladenen Zustand befindet, ist die Lastspannung des piezoelektrischen Elements 1 höher als die Entladestoppspannung VC, wie es durch die durchgezogene Linie G angegeben ist, so dass ein H-Signal aus dem Vergleicher 61 ausgegeben wird, wie es durch die durchgezogene Linie H angegeben ist.
In dem Fall, dass sowohl die Inverterschaltung 53 als auch der Vergleicher 61 ein H-Signal ausgeben, wie es vorstehend beschrieben ist, gibt die UND-Schaltung 62 ein H-Signal aus, wie es durch die durchgezogene Linie I angegeben ist, und der Entladeschalter 42 wird eingeschaltet.
Wenn einmal die Lastspannung des piezoelektrischen Elements 1, die über die Signalleitung 52 erfasst wird, auf den Wert der Entladestoppspannung VC (= 0 V) zu dem Zeitpunkt t4 abfällt, wie es durch die durchgezogene Linie G angegeben ist, ändert sich der Vergleicher 61 auf den L-Zustand, wie es durch die durchgezogene Linie H angegeben ist. Folglich ändert sich, wie es durch die durchgezogene Linie I angegeben ist, der Ausgang der Und-Schaltung 62 auf einen L-Zustand, wodurch der Entladeschalter 42 ausgeschaltet wird.
Wirkungen des nicht beanspruchten Beispiels
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird der Ladevorgang durch einen einzigen Ein-/Ausschaltdurchgang des Entladeschalter 41 durchgeführt, und der Entladevorgang wird in ähnlicher Weise durch einen einzigen Ein-/Ausschaltdurchgang des Entladeschalters 42 ausgeführt. Folglich wird die in dem herkömmlichen Multischaltsystem auftretende Zeitverzögerung beseitigt, wohingegen gleichzeitig der Ladewirkungsgrad, die Ladegenauigkeit, der Entladewirkungsgrad und die Entladegenauigkeit des piezoelektrischen Elements 1 verbessert werden.
Außerdem kann der Strom zum Laden des piezoelektrischen Elements 1 auf einem konstanten Wert gehalten werden, und ebenso kann die Spannung zum Beenden des Entladens des piezoelektrischen Elements 1 auf einem konstanten Wert beibehalten werden. Folglich kann die im dem piezoelektrischen Element 1 geladene elektrische Energie auf einem konstanten Wert gehalten werden, wodurch ermöglicht wird, eine konstante Änderung aufgrund der Ausdehnung/Zusammenziehung des piezoelektrischen Elements 1 beizubehalten.
Auf diese Weise kann die Genauigkeit des Einspritzstartverlaufs und des Einspritzstoppzeitverlaufs der piezoelektrischen Einspritzvorrichtung 2, die das piezoelektrische Element 1 verwendet, verbessert werden, weshalb die Genauigkeit im Bezug auf die Kraftstoffeinspritzmenge in die Brennkraftmaschine ebenfalls verbessert werden kann. Auf diese Weise kann die Einspritzgenauigkeit des Kraftstoffeinspritzsystems mit dem piezoelektrischen Elementen 1 verbessert werden.
In dem herkömmlichen Multischaltsystem werden demgegenüber Störungen erzeugt, da der Ladeschalter 41 und der Entladeschalter 42 mehrfach in jedem Lade-/Entladedurchgang ein- bzw. ausgeschaltet werden. Mit der Lade-/Entladevorrichtung gemäß dieser Erfindung werden demgegenüber sowohl der Ladeschalter 41 als auch der Entladeschalter 42 lediglich einmal in jedem Lade-/Entladedurchgang ein und ausgeschaltet.
Daher kann die Häufigkeit, mit der Störungen erzeugt werden, deutlich im Vergleich zu dem herkömmlichen Fall verringert werden.
Außerdem werden in dem herkömmlichen Multischaltsystem der Ladeschalter 41 und der Entladeschalter 42 mehrfach in jedem Lade-/Entladedurchgang ein und ausgeschaltet, um die piezoelektrischen Elemente 1 zu laden und zu entladen, weshalb eine Vielzahl von toten Zonen mit niedrigen Übertragungswirkungsgrad der elektrischen Energie während der Zeit der mehrfachen Schaltvorgänge auftreten, wodurch die Ladezeit und die Entladezeit verlängert werden.
Im Gegensatz dazu treten gemäß diesem Beispiel, gemäß dem der Ladeschalter 41 und der Entladeschalter 42 lediglich einmal während jedes Lade-/Entladedurchgangs ein beziehungsweise ausgeschaltet werden, eine geringere Anzahl von toten Zonen auf, wodurch ermöglicht wird, die Ladezeit und die Entladezeit zu verkürzen.
Ein Ansatz zur Verkürzung der Ladezeit und der Entladezeit unter Verwendung des herkömmlichen Multischaltsystems würde einen vergrößerten Speisestrom für die Primärspule 44a und die Sekundärspule 44b erfordern. Dies verursacht, dass der Ladeschalter 41 und der Entladeschalter 42 mehrfach einen hohen Strom ein beziehungsweise ausschalten müssen, was zu einem Problem erhöhter Störungen führt. Dieses Problem wird durch die Erfindung beseitigt.
Weiterhin stimmt der Zeitverlauf, zu dem der Entladeschalter 42 ausschaltet, mit dem Zeitverlauf überein, zu dem die Lastspannung des piezoelektrischen Elements 1 auf die Entladestoppspannung VC abfällt, die im Wesentlichen 0 ist. Am Ende des Entladevorgangs kann daher das piezoelektrische Element 1 mit hoher Genauigkeit entladen werden. Dies beseitigt den Nachteil, dass die nächste Ladezeitdauer variiert ist, was wiederum verhindert, dass die Einspritzzeitdauer und somit die Einspritzmenge der piezoelektrischen Einspritzvorrichtung 2 eine Änderung erfährt. Anders ausgedrückt kann die Einspritzgenauigkeit der piezoelektrischen Einspritzvorrichtung 2 verbessert werden.
Im Hinblick auf die Tatsache, dass jedes piezoelektrische Element 1 mit hohem Wirkungsgrad und hoher Genauigkeit entladen werden kann, kann die in dem piezoelektrischen Element 1 gespeicherte elektrische Energie in der Gleichspannungsversorgung 40 mit hohem Wirkungsgrad und hoher Genauigkeit wiedergewonnen werden. Das heißt, dass die in dem piezoelektrischen Element 1 gespeicherte elektrische Energie in den Pufferkondensator 48 sehr effizient wiedergewonnen werden kann.
Auf diese Weise kann die in dem Pufferkondensator 48 durch den Gleichspannungswandler 47 zurückzuführende elektrische Energie für den nächsten Ladevorgang verringert werden. Folglich kann die Last auf den Gleichspannungswandler 47 verringert werden, wodurch ermöglicht wird, die Größe des Gleichspannungswandlers 47 zu verringern.
Weiterhin unterdrückt die verbesserte Ladegenauigkeit des piezoelektrischen Elements 1 einen unnötigen Spannungsanstieg des Gleichspannungswandlers 47, mit dem Ergebnis, dass die Größe des Gleichspannungswandlers 47 verringert werden kann. Demgegenüber kann die Tatsache, dass der Spannungsanstieg des Gleichspannungswandlers 47 unterdrückt wird, die Speisezeit der Primärspule 44a durch Erhöhen von deren Speisespannung verkürzen.
Weiterhin könnend die erhöhte Entladegenauigkeit und der erhöhte Entladewirkungsgrad des piezoelektrischen Elements 1 die Variation der in dem Pufferkondensator 48 gespeicherten elektrische Energie unterdrücken. Dies beseitigt eine unnötige Kapazitätserhöhung des Pufferkondensators 48, weshalb die Größe des Pufferkondensators 48 verringert werden kann.
In den herkömmlichen Multischaltsystem werden der Ladeschalter 41 und der Entladeschalter 42 mehrfach für jeden Lade-/Entladedurchgang ein beziehungsweise ausgeschaltet. Daher tendieren die Kapazität C des piezoelektrischen Elements 1 und die Induktivität L der Spulen dazu, eine Oszillation zu verursachen. Gemäß dieser Erfindung werden demgegenüber der Ladeschalter 41 und der Entladeschalter 42 lediglich einmal für jeden Lade-/Entladedurchgang ein beziehungsweise ausgeschaltet, weshalb keine Oszillation durch die Kapazität C des piezoelektrischen Elements 1 und die Induktivität L der Sekundärspule 44b des Sperrwandlers 44 erzeugt wird. Dies kann eine Zerstörung des piezoelektrischen Elements 1 durch die Oszillation verhindern, was andernfalls ein Problem bezüglich eines Einspritzfehlers der piezoelektrischen Einspritzvorrichtung 2 verursachen kann.
Erstes Ausführungsbeispiel
Das vorstehend beschriebene nicht beanspruchte Beispiel stellt einen Fall dar, in dem der Entladeschalter 42 ausgeschaltet wird, wenn die Lastspannung des piezoelektrischen Elements 1 auf die Entladestoppspannung VC abfällt.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird demgegenüber der Entladeschalter 42 ausgeschaltet, wenn der in der Sekundärspule 44b erzeugte Sekundärstrom einen Entladestoppstrom IC (2) bei der Entladung des piezoelektrischen Elements 1 erreicht.
Die Schaltung zum Ausschalten des Entladeschalters 42 mit dem Entladestoppstrom IC ist nachstehend unter Bezugnahme auf 8 beschrieben.
Die Lade-/Entladesteuerungseinrichtung 50 weist eine Inverterschaltung (NICHT-Schaltung) 71 zum Invertieren des Einspritzsignals IJT, ein Flip-Flop 72, das durch den H-Zustand des Einspritzsignals IJT zur Erzeugung eines H-Signals gesetzt wird, und eine UND-Schaltung 73 auf, die eingerichtet ist, den Entladeschalter 42 lediglich in dem Fall einzuschalten, wenn die Ausgänge aus sowohl der Inverterschaltung 71 als auch des Flip-Flops 72 sich in dem H-Zustand befinden.
Das heißt, dass der Entladeschalter 42 eingeschaltet wird, wenn das Einspritzsignal IJT auf den L-Zustand wechselt, nachdem das Einspritzsignal IJT mit H-Zustand ausgegeben wird.
Die Lade-/Entladesteuerungseinrichtung 50 weist ebenfalls eine Spitzenhalteschaltung 76 und einen Vergleicher 77 auf. Die Spitzenhalteschaltung 76 arbeitet derart, dass der Stromwert der Sekundärspule 44b, der über die Signalleitung 74 erfasst wird, in Reaktion auf jedes Einspritzsignal IJT auf der einen Seite gehalten wird, und dass der gehaltene Stromwert auf der anderen Seite in einem Zustand ausgegeben wird, der zu der negativen Seite um einen vorbestimmten Wert versetzt (offset) ist, der durch eine Minusversatz-(Minus-Offset-)Leistungsversorgung 75 eingestellt ist. die Vergleicherschaltung 77 erzeugt ein H-Signal in dem Fall, in dem der Stromwert der Sekundärspule 44b, der über die Signalleitung 74 erfasst wird, auf die Minusseite über den Wert ansteigt, der durch die Spitzenhalteschaltung 76 versetzt ist. Der Flip-Flop 72 wird durch den Ausgang des Vergleichers 77 zurückgesetzt, wodurch der Entladeschalter 42 ausgeschaltet wird.
Der Entladestoppstrom IC zum Ausschalten des Entladeschalters 42 ist auf nicht weniger als 95% des Maximalwerts des in der Sekundärspule 44b fließenden Stroms eingestellt. In dem zu betrachtenden Fall wird der Entladeschalter 42 beim Entladen eines Stromwerts ausgeschaltet, der durch die Minusversatz-Leistungsversorgung 75 eingestellt ist (nicht weniger als 95% des Maximalwerts des in der Sekundärspule 44b fließenden Stroms).
Durch Einstellen des Entladestoppstrom IC auf nicht weniger als 95% des Maximalwerts des in der Sekundärspule fließenden Stroms auf diese Weise kann im Wesentlichen die vollständige in dem piezoelektrischen Element 1 geladene elektrische Energie entladen werden. Der Ein-/Ausschaltvorgang des Entladeschalters 42 durch die vorstehend beschriebene Schaltung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeitverläufe gemäß 9 beschrieben.
Dieser Vorgang startet mit der Ladestartzeit des piezoelektrischen Elements 1. Wenn das aus der ECU 4 zugeführte Einspritzsignal IJT sich zu dem Zeitpunkt t2 von L auf H ändert, verursacht derselbe Ausgang, dass das Flip-Flop 72 ein H-Signal ausgibt, wie es durch die durchgezogene Linie 3 angegeben ist. Wenn das aus der ECU 4 zugeführte Einspritzsignal sich zu dem Zeitpunkt t1 von H auf den L-Zustand ändert, wie es durch die durchgezogene Linie K angegeben ist, wird demgegenüber dieser Ausgang durch die Inverterschaltung 71 invertiert, wodurch ein H-Signal ausgegeben wird, wie durch die durchgezogene Linie L angegeben ist. Folglich gibt die UND-Schaltung 73 ein H-Signal aus und schaltet den Entladeschalter 42 ein, wie es durch die durchgezogene Linie M angegeben ist.
Wenn der Stromwert der Sekundärspule 44b, der durch die durchgezogene Linie N angegeben ist, um den Versatzwert (Offset) zwischen der durchgezogenen Linie 01 und der gestrichelten Linie 02 abfällt, wie es durch die durchgezogene Linie P angegeben ist, gibt der Vergleicher 77 ein H-Signal zu dem Zeitpunkt t4 aus und setzt das Flip-Flop 72 zurück. Folglich ändert sich der Ausgang der UND-Schaltung 73 auf den L-Zustand, und schaltet den Entladeschalter 42 aus, wie es durch die durchgezogene Linie M angegeben ist.
Das erste Ausführungsbeispiel kann die selben Wirkungen wie das nicht beanspruchte Beispiel erzielen.
Zweites Ausführungsbeispiel
In einem Fall, in dem die herkömmliche Lade-/Entladevorrichtung der Multischaltbauart für ein Kraftstoffeinspritzsystem verwendet wird, wobei die Ladezeit und die Entladezeit auf nicht mehr als 500 μs eingestellt sind, ist es erforderlich, dass die Zeit zur Erregung beziehungsweise Speisung der Primärspule 44a und die Zeit zur Erregung beziehungsweise Speisung der Sekundärspule 44b zumindest äquivalent zueinander sind. In dem herkömmlichen Multischaltsystem werden der Ladeschalter und der Entladeschalter mehrfach für jeden Lade-/Entladedurchgang ein- bzw. ausgeschaltet. In dem Fall, dass die elektrische Energie 50 mJ überschreitet, sind daher eine hohe magnetische Flussdichte und hohe Frequenzeigenschaften des Sperrwandlers 44 erforderlich.
Aus diesem Grund ist ein kostspieliger großer Kern wie aus einem Material wie amorphen Metall zur Verwendung für den Sperrwandler 44 für das Multischaltsystem erforderlich, wodurch die Kosten des Sperrwandlers 44 erhöht werden.
Bei der Lade-/Entladevorrichtung des piezoelektrischen Elements 1 gemäß der Erfindung werden demgegenüber der Ladeschalter 41 und der Entladeschalter 42 lediglich einmal für jeden Lade-/Entladedurchgang ein und ausgeschaltet. Daher muss der Sperrwandler 44 keine Hochfrequenzcharakteristik aufweisen und kann im Gegensatz zu dem Multischaltsystem eine Niedrigfrequenzcharakteristik aufweisen.
Im Hinblick darauf wird gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Transformator mit einem Kern, das aus einem Stapel einer Vielzahl von Siliziumstahlblechen gebildet ist, als Sperrwandler 44 verwendet, wodurch dessen Kosten verringert werden.
Insbesondere in dem Fall, dass die Lade-/Entladevorrichtung gemäß der Erfindung für ein Kraftstoffeinspritzsystem verwendet wird, bei dem die Lade-/Entladezeit nicht länger als 500 μs beträgt und die elektrische Energie mehr als 50 mJ wie gemäß dem nicht beanspruchten Beispiel und dem ersten Ausführungsbeispiel beträgt, ist die Dicke des Siliziumstahlblechs auf nicht größer als 0,1 mm eingestellt. Dieser Aufbau kann niedrige Eisenverluste beibehalten, die durch Wirbelströme verursacht werden, so dass der Sperrwandler 44 mit einem Kern aus Siliziumstahlblechen bei dem Kraftstoffeinspritzsystem verwendet werden kann.
Abänderungen
Obwohl das piezoelektrische Element 1 als ein Beispiel für die variable kapazitive Last gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet wurde, ist die Erfindung ebenfalls auf eine Lade-/Entladevorrichtung mit anderen variablen kapazitiven Lasten verwendbar, die sich mit der Temperatur ändern.
Außerdem kann im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, gemäß denen das Betätigungsglied mit dem piezoelektrischen Element 1 für die piezoelektrische Einspritzvorrichtung 2 des Kraftstoffeinspritzsystems verwendet wird, das piezoelektrische Element 1 für andere Betätigungsglieder verwendet werden (wie ein Betätigungsglied zur Änderung einer optischen Achse eines optischen Systemmessgeräts).
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele verwenden die Batterie 46, die eine Gleichspannungsversorgung als eine Hauptenergieversorgung bildet, und den Gleichspannungswandler 47 zum Anheben der Spannung der Batterie 46 als eine Anhebeschaltung. Nichtsdestotrotz kann eine Wechselspannungsversorgung (wie eine öffentliche Energieversorgung mit einer Wechselspannung von 100 V) als eine Hauptenergieversorgung verwendet werden, und ein Wechselspannungs/Gleichspannungswandler kann als eine Anhebeschaltung zum Anheben der Wechselspannung verwendet werden, die gleichzeitig eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt.
Vorstehend wurde eine Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last beschrieben, in der zumindest ein piezoelektrisches Element durch ein Ein- und Ausschalten des Ladeschalters geladen wird und durch ein Ein- und Ausschalten eines Entladeschalters entladen wird. Wenn der Primärstrom für den Ladevorgang einen vorbestimmten Ladestartstrom erreicht, wird der Ladeschalter ausgeschaltet, und wenn der Sekundärstrom für den Entladevorgang einen vorbestimmten Entladestoppstrom erreicht, wird der Entladeschalter ausgeschaltet. Der Ladewirkungsgrad, die Ladegenauigkeit, der Entladewirkungsgrad und die Entladegenauigkeit des piezoelektrischen Elements können somit verbessert werden. Die Vorrichtung, die nicht eine Multischaltbauart ist, bewirkt keine Zerstörung des piezoelektrischen Elements, die andernfalls durch eine Oszillation verursacht werden könnte.

Claims

Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last mit einem Ladeschalter (41) zur Zufuhr eines Stroms aus einer Gleichspannungsversorgung zu einer Primärspule (44a) eines Sperrwandlers (44), wobei der Ladeschalter (41) für eine vorbestimmte Zeit zur Erregung der Primärspule eingeschaltet wird, nachdem ein Ladestartsignal zum Speichern der elektrische Energie in einer kapazitiven Last (1), die mit der Temperatur variieren kann, an den Ladeschalter angelegt wird, wobei die in dem Sperrwandler (44) gespeicherte elektrische Energie der variablen kapazitiven Last aus der Sekundärspule (44b) des Sperrwandlers zugeführt wird, nachdem der Ladeschalter ausgeschaltet wird, wodurch der Ladevorgang der variablen kapazitiven Last in einem Durchgang der Erregung der Primärspule abgeschlossen wird, und einem Entladeschalter (42) zur Zufuhr der in der variablen kapazitiven Last gespeicherten elektrischen Energie zu der Sekundärspule (44b) des Sperrwandlers, wobei der Entladeschalter (42) für eine vorbestimmte Zeit eingeschaltet wird, um die Sekundärspule zu erregen, nachdem ein Entladestartsignal zum Entladen der in der variablen kapazitiven Last gespeicherten elektrischen Energie an den Entladeschalter angelegt wird, wodurch der Entladevorgang der variablen kapazitiven Last in einem Durchgang der Erregung der Sekundärspule abgeschlossen wird, wobei die in dem Sperrwandler (44) gespeicherte elektrische Energie aus der Primärspule (44a) des Sperrwandlers zu der Gleichspannungsversorgung wiedergewonnen wird, nachdem der Entladeschalter (42) ausgeschaltet wird, wobei die vorbestimmte Zeit zur Erregung der Sekundärspule (44b) gleich einer Zeitdauer vom Einschalten des Entladeschalters bis zu dem Zeitpunkt ist, wenn der in der Sekundärspule fließende Entladestrom einen vorbestimmten Entladestoppstrom erreicht, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung aufweist, dass der in der Sekundärspule fließende Entladestrom den Entladestoppstrom erreicht hat, nachdem der Entladeschalter eingeschaltet ist, wobei die Erfassungseinrichtung eine Spitzenhalteschaltung (76), die den Stromwert der Sekundärspule (44b) in Reaktion auf das Ladestartsignal hält, und einen Vergleicher (77) aufweist, der den Stromwert der Sekundärspule (44) mit dem Ausgang der Spitzenhalteschaltung (76) vergleicht, und bei Erreichen des Entladestoppstroms ein Ausschalten des Entladeschalters (42) bewirkt.
Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Zeit zur Erregung der Sekundärspule die Zeitdauer vom Einschalten des Ladeschalters (41) bis zu dem Zeitpunkt ist, wenn der Erregungsstrom der Primärspule (44a) einen vorbestimmten Ladestartstrom erreicht, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung (58) zur Erfassung aufweist, dass der Erregungsstrom der Primärspule den Ladestartstrom erreicht hat, nachdem der Ladeschalter eingeschaltet ist.
Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sperrwandler (44) einen Kern aufweist, der aus einem Stapel einer Vielzahl von Siliziumstahlblechen gebildet ist.
Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last nach Anspruch 3, wobei die Dicke jedes Siliziumstahlblechs nicht größer als 0,1 mm ist.
Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Entladestoppstrom nicht geringer als 95% des Maximalwerts des in der Sekundärspule fließenden Stroms ist.
Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gleichspannungsversorgung eine Hauptenergieversorgung (46), eine Anhebeschaltung (47) zur Erhöhung der aus der Hauptenergieversorgung angelegten Spannung, und einen Pufferkondensator (48) zum Speichern der durch die Anhebeschaltung angehobenen Gleichspannung und ebenfalls zum Speichern der aus der Primärspule (44a) des Sperrwandlers (44) nach ausgeschalteten Entladeschalter wiedergewonnenen elektrische Energie aufweist.
Vorrichtung zum Laden und Entladen einer variablen kapazitiven Last nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vorrichtung als ein Betätigungsglied zum Schalten des Einspritzens und Stoppens von Kraftstoff für eine Einspritzvorrichtung eines Brennkraftmaschine-Kraftstoffeinspritzsystems verwendet wird.