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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches
Lastantriebsgerät
(Lastbetätigungsgerät).
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Eine Vielzahl von Betätigungsgliedern
befindet sich in praktischer Anwendung zur Erzeugung einer Antriebskraft,
indem ein elektrischer Strom in ein induktives Element wie ein Solenoid
(Elektromagnet) zum Fließen
gebracht wird und der elektromagnetische Zustand variiert wird.
In einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise ein derartiges Betätigungsglied
an einem Injektor (Einspritzvorrichtung) angebracht, das Kraftstoff
einspritzt, und das Ventil des Injektors antreibt.
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Ein Antriebsgerät zum Antrieb der elektromagnetischen
Last mit dem induktiven Element weist einen Kondensator als kapazitives
Element zusätzlich
zu einer Batterie auf, bei der es sich um eine Energiequelle mit
niedriger Gleichspannung handelt. Bei diesem Gerät wird die in dem induktiven
Element aufgrund der Zufuhr elektrischer Leistung akkumulierte Energie
durch das kapazitive Element wiedergewonnen, indem eine gegenelektromotorische
Kraft zu der Zeit erzeugt wird, wenn der Betrieb der elektromagnetischen
Last gestoppt wird (
EP
0 548 915 A1 ,
JP 2598595 ).
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In diesem Gerät wird die elektrische Leistung dem
induktiven Element aus dem kapazitiven Element zugeführt, bis
die Spannung zwischen den Anschlüssen
des kapazitiven Element gleich der Spannung zwischen den Anschlüssen der
Energieversorgung mit niedriger Spannung wird. Danach wird die elektrische
Leistung aus der Energieversorgung mit niedriger Spannung zugeführt.
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Das das induktive Element verwendende
Betätigungsglied
ist hervorragend im Hinblick auf dessen Ansprechcharakteristiken,
wenn der dem induktiven Element zugeführte Strom schnell ansteigt.
Das Ansteigen des dem induktiven Element zugeführten Stroms variiert annähernd proportional
zu der an das induktive Element angelegten Spannung.
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Wenn es gewünscht wird, die an das induktive
Element angelegte Spannung zu erhöhen, kann die Kapazität des kapazitiven
Elementes verringert werden, um die Spannung zwischen den Anschlüssen des
kapazitiven Elementes nach Wiedergewinnung der Energie zu erhöhen. Im
Hinblick auf die Durchbruchsspannung des kapazitiven Elementes ist es
jedoch nicht zulässig,
die Spannung zwischen den Anschlüssen
des kapazitiven Elementes zu erhöhen.
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Weiterhin gibt es, wenn die Energieversorgung
zu der Energieversorgung mit niedriger Spannung verschoben wird,
fast keine Änderung
in dem elektrischen Strom, der in das induktive Element fließt. Die
in dem induktiven Element akkumulierte Energie steigt nämlich nicht
so sehr an. Es wird nicht alle vor dem Betrieb gehaltene Energie
durch das kapazitive Element wiedergewonnen. Daher muss der Energieverlust
bis zu dem nächsten
Betrieb wieder ausgeglichen werden. Jedoch kann die Energie nicht ausreichend
ausgeglichen werden, wenn das Intervall bis zu dem nächsten Betrieb
des Betätigungsglieds
kurz ist. Wenn beispielsweise derselbe Injektor aufeinanderfolgend
innerhalb kurzer Zeitdauern wie beim Mehrstufeneinspritzen der Brennkraftmaschine betätigt wird,
fällt das
Ansprechen zu nachfolgenden Betätigungen
ab.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe
zugrunde, ein elektromagnetisches Lastantriebsgerät bereitzustellen,
das ein schnelles Ansprechen zu einem ausreichendem Grad erzielt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird, wenn ein induktives Element arbeitet, die angelegte Spannung
die Summe einer Spannung zwischen den Anschlüssen einer Energieversorgung
mit niedriger Spannung und einer Spannung zwischen den Anschlüssen eines
kapazitiven Elementes. Daher wird der Anstieg des in das induktive
Element fließenden Stroms
durch die Spannung zwischen den Anschlüssen der Energieversorgung
mit niedriger Spannung scharf (steil).
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Weiterhin akkumuliert das induktive
Element die Energie, durch die Spannung zwischen den Anschlüssen der
Energieversorgung mit niedriger Spannung, um eine Menge, die größer als
derjenige der Energie ist, die durch das kapazitive Element beim
Start des Betriebs des induktiven Elementes gehalten wird, und vermeidet
einen starken Abfall der Energiemenge, die durch das kapazitive
Element wiedergewonnen wird, als im Vergleich zu dem Wert beim Start
der Betätigung
(des Betriebs) der elektromagnetischen Last. Daher fällt das
Ansprechen nicht ab, selbst wenn das Intervall bis zu der nächsten Betätigung der
elektromagnetischen Last kurz ist. Wenn die Betätigung des induktiven Elementes
nicht fortgesetzt wird, wird das Potential des kapazitiven Elementes
im Vergleich zu desjenigen während
der Betätigung
nahe an die Referenzspannung gebracht, und Energie kann leicht aus
dem induktiven Element wiedergewonnen werden.
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Vorzugsweise kann, selbst wenn das
kapazitive Element mit einer geringen Kapazität angewendet wird, um die Spannung zwischen
den Anschlüssen
anzuheben, der elektrische Strom unter Verwendung eines unterstützenden
kapazitiven Elementes selbst nach einem scharfen (steilen) Abfall
der Spannung zwischen den Anschlüssen
des kapazitiven Elementes zu einem ausreichenden Maß zugeführt werden.
Als Ergebnis wird die Energie zu einem ausreichenden Maß in dem
induktiven Element akkumuliert, und die Spannung zwischen den Anschlüssen des
kapazitiven Elementes nach Wiedergewinnung der Energie kann leicht
bis zu einer Spannung an dem Start bei der Betätigung der elektromagnetischen
Last wiedergewonnen werden.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Schaltbild eines elektromagnetischen Lastantriebsgeräts gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 Zeitverläufe, die
den Betrieb gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
veranschaulichen,
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3 ein
Schaltbild eines elektromagnetischen Lastantriebsgeräts gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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4 einen
Graphen, der den Betrieb gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
veranschaulicht,
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5 ein
Schaltbild eines elektromagnetischen Lastantriebsgeräts gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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6 einen
Graphen, der den Betrieb gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
veranschaulicht,
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7 einen
Graphen, der die elektromagnetischen Lastantriebsgeräte gemäß den ersten
bis dritten Ausführungsbeispielen
vergleicht,
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8 ein
Schaltbild eines elektromagnetischen Lastantriebsgeräts gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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9 erste
Zeitverläufe,
die den Betrieb gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel
veranschaulichen,
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10 zweite
Zeitverläufe,
die den Betrieb gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel
veranschaulichen, und
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11 einen
Graphen, der die elektromagnetische Lastantriebsgeräte gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
und dem vierten Ausführungsbeispiel
vergleicht.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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1 veranschaulicht
ein elektromagnetisches Lastantriebsgerät, wobei ein elektromagnetisches
Lastantriebsgerät
M für eine
Vielzahl elektromagnetischer Lasten Ai gemeinsam vorhanden ist und
die elektromagnetischen Lasten Ai selektiv antreibt. Als Beispiel
dafür sei
ein Kraftstoffinjektor eines MPI-Systems
genannt, das für
Brennkraftmaschinen verwendet wird. In der Brennkraftmaschine ist
nämlich
ein Injektor, bei dem es sich um eine elektromagnetische Last handelt,
zum Einspritzen von Kraftstoff für
jeden der Zylinder vorgesehen, und ein Solenoid (Elektromagnet),
bei dem es sich um ein in dem Injektor enthaltenes induktives Element
handelt, ändert
das in die Düse
des Injektors eingesetzte Ventil zwischen einem gesetzten Zustand
und einem abgehobenen Zustand bei Änderung einer elektromagnetischen
Anziehungskraft, um dadurch zwischen Kraftstoffeinspritzen und Kraftstoffunterbrechung
zu wechseln. Gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel sind
drei elektromagnetische Lasten Ai für eine Drei-Zylinder-Brennkraftmaschine
vorgesehen.
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Die elektromagnetischen Lasten Ai
weisen Solenoide (Elektromagnete) Li entsprechend jeder der elektromagnetischen
Lasten Ai in einer 1-zu-l-Zuordnung auf. Jeder Solenoid Li ist mit
Zufuhrleitungen Wb und Wc versehen. Die Zufuhrleitung Wb wird an einem
unteren Ende einer einzelnen Leitung, und die elektrische Energie
wird aus einer Batterie B, bei der es sich um eine gemeinsame Energieversorgung
mit niedriger Spannung handelt, über
eine Diode Db zugeführt,
die für
die Zufuhrleitung Wb vorgesehen ist. Die Diode Db ist mit einem
Anschluss BT1 (positiver Anschluss BT1 der Batterie B) an der positiven
Seite der Batterie B verbunden, bei dem es sich um einen Anschluss
auf der Seite handelt, die entgegengesetzt ist zu einem Anschluss
BT2 einer Bezugspotentialseite handelt. Der Anschluss BT2 (negativer
Anschluss BT2 der Batterie B) auf der negativen Seite der Batterie
B, bei dem es sich um einen Anschluss der Bezugspotentialseite handelt,
dient als Bezugspotentialabschnitt. Die Diode Db weist eine Anode
auf, die mit dem positiven Anschluss BT1 der Batterie B verbunden
ist. Die Richtung, in der der Strom aus der Batterie B zu dem Solenoiden
Li zugeführt wird,
ist die Durchlassrichtung. Daher wird der Fluss des Stroms in einer
zu dem Stromfluss entgegengesetzten Richtung blockiert, um die Batterie
B zu schützen.
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Die Zufuhrleitung Wc ist für einen
Kondensator C vorgesehen, bei dem es sich um ein kapazitives Element
handelt, das als Quelle zur Zufuhr elektrischer Leistung zu dem
Solenoiden Li dient. Der Kondensator C weist einen Anschluss CT1
auf, der mit der Diode Db über
einen Schalter SWr und einer Diode Dc verbunden ist. Die Diode Dc
weist eine Anode auf, die mit einem Anschluss CT1 des Kondensators C über den
Schalter SWr verbunden ist. Die Richtung, in der der Strom aus dem
Kondensator C zu dem Solenoiden Li zugeführt wird, ist die Durchlassrichtung.
Eine Resonanzschaltung ist durch den Kondensator C und den Solenoiden
Li gebildet. Der Strom tendiert dazu, in eine Richtung entgegengesetzt
zu der Richtung zu fließen,
in der der Strom zugeführt
wird. Jedoch wird ein Fließen
des Stroms in die zu der Richtung, in der der Strom zugeführt wird, entgegengesetzten
Richtung blockiert, weshalb verhindert wird, dass der Strom in den
Solenoiden Li in der zu dem normalen Fluss des Stroms entgegengesetzten
Richtung fließt.
Dies vermeidet das Auftreten eines elektromagnetischen Vorgangs
in dem Solenoiden Li in einer Richtung, die entgegengesetzt zu der normalen
Richtung ist.
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Ein Schalter SWi, der als Schalteinrichtung und
Auswahleinrichtung arbeitet, ist zwischen dem Anschluss BT2 (negative
Seite der Batterie B) und einem Anschluss LT2 (Anschluss auf der
negativen Seite) auf der Seite vorgesehen, die entgegengesetzt zu
dem Anschluss (Anschluss der positiven Seite) LT1 des Solenoiden
Li liegt, der mit dem positiven Anschluss BT1 der Batterie B über die
Diode Db verbunden ist, wodurch zwischen Zufuhr und Unterbrechung
des Stroms aus der Batterie B und dem Kondensator C gewechselt wird.
Dies wählt
die zu betätigende
elektromagnetische Last Ai aus und spezifiziert deren Betätigungszeitdauer,
d.h., wählt
den Zylinder aus, in den Kraftstoff einzuspritzen ist und spezifiziert
die Einspritzzeitdauer im Fall einer Brennkraftmaschine. Wie im
weiteren Verlauf beschrieben sein wird, wird weiter der Schalter
SWi zur Steuerung der Spannung Vc zwischen den Anschlüssen des Kondensators
C verwendet.
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Der andere Anschluss CT2 auf der
Bezugspotentialseite des Kondensators C ist über einen Schalter SWc geerdet,
bei dem es sich um eine Schalteinrichtung handelt, und nimmt ein
Bezugspotential an, wenn der Schalter SWc eingeschaltet ist. Ein
Anschluss CT1 wird als positiver Anschluss (positivseitiger Anschluss)
bezeichnet, und der andere Anschluss CT2 wird als negativer Anschluss
(negativseitiger Anschluss) bezeichnet. Der Anschluss CT2 ist weiterhin
mit dem positiven Anschluss BT1 der Batterie B über einen Schalter SWb, bei
dem es sich um eine Schalteinrichtung handelt, verbunden. Bei Wechseln
(Umschalten) der Schalter SWb und SWc kann die Verbindung zwischen
der Batterie B und dem Kondensator C umgeschaltet werden. Das heißt, wenn
der Schalter SWb eingeschaltet wird und der Schalter SWc ausgeschaltet
wird, wird ein Leiten zwischen dem positiven Anschluss BT1 der Batterie B
und dem negativen Anschluss CT2 des Kondensators C hergestellt,
wodurch die an den Solenoiden Li angelegte Spannung gleich der Summe
der Spannung Vp (Spannung zwischen den Batterieanschlüssen) zwischen
den Anschlüssen
der Spannung B und der Spannung Vc (Spannung zwischen den Kondensatoranschlüssen) zwischen
den Anschlüssen
des Kondensators C wird, vorausgesetzt, dass die Schalter SWi und
SWr eingeschaltet sind (erster Zustand).
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Wenn der Schalter SWb ausgeschaltet
wird, und der Schalter SWc eingeschaltet wird, wird demgegenüber der negative
Anschluss CT2 des Kondensators C mit dem negativen Anschluss BT2
der Batterie B verbunden (zweiter Zustand). Wie im weiteren Verlauf
der Beschreibung beschrieben ist, kann die Energie aus dem Solenoiden
Li durch den Kondensator C wiedergewonnen werden, vorausgesetzt,
dass der Schalter SWi eingeschaltet ist.
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Eine Wiedergewinnungsleitung Bi ist
zwischen dem negativen Anschluss des Solenoiden Li und dem positiven
Anschluss CT1 des Kondensators C entsprechend dem Solenoiden Li
in einer 1-zu-l-Weise vorgesehen, um die in dem Solenoiden Li akkumulierte
Energie in dem Kondensator C wiederzugewinnen. Eine Diode Di ist
in der Wiedergewinnungsleitung Wi derart vorgesehen, dass die Richtung,
in der der Strom aus dem Solenoiden Li durch den Kondensator C wiedergewonnen
wird, die Durchlassrichtung ist, d.h., in einer derartigen Weise vorgesehen,
dass die Anode mit dem Solenoiden Li verbunden ist.
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Die Diode Di blockiert den Stromfluss
in einer Richtung, die entgegengesetzt zu dem Fluss des Wiedergewinnungsstroms
ist. Daher wird kein Strom durch den Kondensator C1 aus dem Solenoiden
Li wiedergewonnen. Wenn alle Energie in dem Solenoiden Li zu dem
Kondensator C1 wandert, wird die Wiedergewinnung der Energie ohne
Involvieren eines Schaltvorgangs abgeschlossen. Weiterhin wird verhindert,
dass der positive Anschluss CT1 des Kondensators C geerdet wird,
wenn der Schalter SWi eingeschaltet wird, wie es bei Betätigung der
elektromagnetischen Last Ai der Fall ist.
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Die Schalter SWi, SWb, SWc und SWr
sind durch Leistungs-MOSFETs
aufgebaut und werden durch eine Zentralsteuerungseinheit X gesteuert.
Die Zentralsteuerungseinheit X ist mit einem Mikrocomputer oder
dergleichen aufgebaut und sendet Steuerungssignale Si, Sb, Sc und
Sr zu den Schaltern SWi, SWb, SWc und SWr, um die Schalter SWi,
SWb, SWc und SWr ein- und auszuschalten. Weiterhin empfängt die
Zentralsteuerungseinheit X ein Potential (Kondensatorpotential)
aus dem positiven Anschluss CT1 des Kondensators C und ein Potential (Spannung
Vb) zwischen den Anschlüssen
der Batterie B von dem positiven Anschluss BT1 der Batterie B und
berechnet die Zeitverläufe
zur Erzeugung der Steuerungssignale Si, Sb, Sc und Sr auf der Grundlage
der Eingänge.
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Der Betrieb des elektromagnetischen
Lastantriebgeräts
M ist nachstehend beschrieben. 2 veranschaulicht
den Zustand des Betriebs von jedem der Abschnitte des elektromagnetischen
Lastantriebgeräts
M unter der Annahme, dass der Schalter SWc zu einem Zeitpunkt T0
vor dem Start der Betätigung der
elektromagnetischen Last Ai ausgeschaltet ist, und dass dann die
Schalter SWb und SWr zu einem Zeitpunkt T1 eingeschaltet werden.
Dies ist der erste Zustand, in dem das Kondensatorpotential Vi von
der Spannung Vc zwischen den Anschlüssen des Kondensators C auf
die Summe (Vc + Vb) der Spannung Vb zwischen den Anschlüssen der
Batterie B und der Spannung Vc zwischen den Anschlüssen des
Kondensators C ansteigt. Weiterhin ist, da der Schalter SWr eingeschaltet
ist, der positive Anschluss CT1 des Kondensators C mit einem Punkt
verbunden, an dem die Dioden Db und Dc miteinander verbunden sind.
Dabei ist die Diode Dc in Durchlassrichtung gepolt, jedoch ist die
Diode Db in Sperrrichtung gepolt.
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Danach wird beim Start (Zeitpunkt
T2) der Betätigung
der elektromagnetischen Last Ai in Reaktion auf das Signal Si der
Schalter SWi eingeschaltet, der irgendeiner der drei elektromagnetischen
Lasten Ai entspricht, die zu betätigen
ist. Dann wird die Spannung (Vc + Vb) an den Solenoiden Li angelegt, und
der Fluss eines Stroms Ii in den Solenoiden Li beginnt. Zu diesem
Zeitpunkt ist der Anstieg des Stroms Ii, d.h. die Anstiegsrate des
Stroms Ii, proportional zu der an den Solenoiden Li angelegten Spannung
(Vc + Vb). Die Spannung Vc zwischen den Anschlüssen des Kondensators C und
die Kondensatorspannung Vi verringern sich mit Fließen des
Solenoidstroms Ii.
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Wenn das Kondensatorpotential Vi
gleich der Spannung Vb zwischen den Anschlüssen der Batterie B zu dem
Zeitpunkt T3 wird, wird die Diode Db in Vorwärtsrichtung gepolt. Dann nimmt
die an den Solenoiden Li angelegte Spannung die Spannung Vb zwischen
den Anschlüssen
der Batterie B an. Die Anstiegsrate des Solenoidstroms Ii wird langsamer
als vorher.
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Die Betätigung der elektromagnetischen Last
Ai wird wie nachstehend beschrieben gestoppt oder unterbrochen.
Zunächst
wird der Schalter SWr vor Stoppen der Betätigung der elektromagnetischen Last
Ai zu dem Zeitpunkt T4 ausgeschaltet. Wie im weiteren Verlauf beschrieben
wird, dient dies zur Blockierung eines erneuten Stromflusses aus
dem Kondensator C durch die Diode Dc in den Solenoiden Li, da die
Kondensatorspannung Vc bei Wiedergewinnung der Energie durch den
Kondensator C aus dem Solenoiden Li ansteigt.
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Zu dem Zeitpunkt T4 werden die Schalter SWi
und SWb ausgeschaltet, und wird der Schalter SWc eingeschaltet.
Während
der Aus-Zeitdauer (T4 – T5)
des Schalters Si wird eine gegenelektromotorische Kraft in dem Solenoiden
Li erzeugt, wird die Diode Di in Vorwärtsrichtung gepolt und fließt ein Wiedergewinnungsstrom
durch den Pfad Solenoid Li – Diode
Di – Kondensator
C, und die in dem Solenoiden Li akkumulierte Energie wird durch
den Kondensator C wiedergewonnen. Daher steigt die Spannung Vc zwischen
den Anschlüssen
des Kondensators C an und wird das Kondensatorpotential Vi auf das Kondensatorpotential
Vc vor dem Start der Betätigung
wiederhergestellt.
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Während
der Ein-Zeitdauer (T5 – T6)
des Schalters Si fließt
erneut ein Strom durch den Pfad Batterie B – Diode Db – Solenoid Li – Schalter
Swi – Batterie
B, und die Energie wird in dem Solenoiden Li akkumuliert. Während der
nächsten
Aus-Zeitdauer (T6 – T7)
fließt
ein Wiedergewinnungsstrom durch den Pfadsolenoid Li-Diode Di-Kondensator C, und die
in dem Solenoiden Li akkumulierte Energie wird durch den Kondensator
C wiedergewonnen.
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Die Zentralsteuerungseinheit X stellt
den Schalter SWi auf ausgeschaltet fest, wenn das Kondensatorpotential
Vi oder die Spannung Vc zwischen den Anschlüssen des Kondensators eine
vorab eingestellte Endspannung annimmt (T7). Somit werden die ausgewählten elektromagnetischen
Lasten Ai aufeinanderfolgend gesteuert.
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Gemäß dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
sind die Ein-Zeitdauern und die Aus-Zeitdauern auf dieselbe Länge eingestellt.
Das Ausführungsbeispiel
ist jedoch keinesfalls darauf beschränkt. Die Ein-Zeitdauer kann
beispielsweise auf eine vorbestimmte Länge eingestellt werden, und
der in den Solenoiden Li fließende
Strom kann derart überwacht
werden, dass die Aus-Zeitdauer beendet werden kann, d.h., die Ein-Zeitdauer
gestartet werden kann, jedes Mal wenn der überwachte Strom Null wird.
Die erste Aus-Zeitdauer (T4 – T5)
des Schalters Si ist natürlich
lang genug, damit der Solenoidstrom Ii auf einen Wert abfällt, zu
dem die Betätigung
(der Betrieb) der elektromagnetischen Last Ai verschwindet.
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In dem elektromagnetischen Lastantriebsgerät M wird
beim Start der Betätigung
der elektromagnetischen Last Ai die an den Solenoiden Li angelegte Spannung
die Summe (Vc + Vb) der Spannung Vc zwischen den Anschlüssen des
Kondensators C und der Spannung Vb zwischen den Anschlüssen der Batterie
B. Daher steigt der in den Solenoiden Li fließende Strom dementsprechend
an, und das Ansprechen (das Ansprechverhalten) der elektromagnetischen
Last Ai wird verbessert.
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Beim Start der Betätigung der
elektromagnetischen Last Ai akkumuliert weiterhin der Solenoid Li die
Energie um eine Menge entsprechend der Spannung Vb zwischen den
Anschlüssen
der Batterie stärker
als die durch den Kondensator C gehaltene Energie. Es wird vermieden,
dass im Vergleich zu der Energie beim Start der Betätigung der
elektromagnetischen Last Ai die zu dem Kondensator C wiedergewonnene
Energie sich stark verringert. Daher wird das Kondensatorpotential
Vi bis zu der Spannung beim Start der Betätigung durch eine geringe Anzahl von
Ein-Aus-Betätigungen
des Schalters Si wiederhergestellt. Daher fällt das Ansprechen nicht ab,
obwohl das Intervall bis zur nächsten
Betätigung
der elektromagnetischen Last Ai kurz ist. Wenn die Betätigung des
Solenoiden Li unterbrochen wird, wird das Potential des Kondensators
C im Vergleich zu demjenigen während
der Betätigung
nahe an das Bezugspotential durch die Spannung Vb zwischen den Anschlüssen der
Batterie gebracht, und die Energie kann leicht aus dem Solenoiden
Li wiedergewonnen werden.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Wie es in 3 gezeigt ist, ist ein elektromagnetisches
Lastantriebsgerät
M gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
in ähnlicher
Weise wie gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
aufgebaut. Gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
wird die Wiedergewinnung der Energie bei Stoppen der Betätigung abgeschlossen,
wenn die Spannung Vc zwischen den Anschlüssen des Kondensators C die
vorbestimmte Endspannung annimmt. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
können
jedoch die Betätigungscharakteristiken
der elektromagnetischen Last Ai weiter verbessert werden.
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Die Zentralsteuerungseinheit X empfängt das
Kondensatorpotential Vi als auch das Potential einer positiven Seite
(= Spannung Vb zwischen den Anschlüssen der Batterie) der Batterie
B und stellt eine Zeitdauer zum Abschluss des Ladens des Kondensators
C auf der Grundlage des Kondensatorpotentials Vi und der Spannung
Vb zwischen den Anschlüssen
der Batterie B ein.
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Das heißt, dass die Zentralsteuerungseinheit X
die Endspannung des Kondensatorpotentials Vi (= Spannung Vc zwischen
den Anschlüssen
des Kondensators) derart einstellt, dass die Endspannung nicht konstant
wird, sondern dass die Summe (Vb + Vc) der Spannung Vb zwischen
den Anschlüssen
der Batterie und die Spannung Vc zwischen den Anschlüssen des
Kondensators C konstant (Vk) wird. Die Endspannung ist nämlich gegeben
durch (Vk – Vb).
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Daher variiert, wenn die Spannung
Vb zwischen den Anschlüssen
der Batterie B in Abhängigkeit
von den Bedingungen anderer von der Batterie B gespeisten Lasten
variiert, die Endspannung dementsprechend. Falls die Spannung Vb
zwischen den Anschlüssen
der Batterie B von Vb2 auf Vb1 abfällt, wie es in 4 dargestellt ist, steigt die Endspannung
von Vc2 (= Vk – Vb2)
zu Vc1 (= Vk – Vb1 > Vc2) an.
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Daher kann selbst, wenn die Spannung
Vb zwischen den Anschlüssen
der Batterie B variiert, die an den Solenoiden Li angelegte Spannung
beim Start der Betätigung
konstant eingestellt werden. Der Anstieg des Solenoidstroms Ii kann
beim Start der Betätigung
konstant eingestellt werden.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Wie es in 5 gezeigt ist, ist ein elektromagnetisches
Lastantriebsgerät
M gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
in ähnlicher
Weise wie gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
aufgebaut.
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Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel stellt
die Zentralsteuerungseinheit X den Zeitverlauf zum Abschließen des
Ladens des Kondensators C auf der Grundlage des Kondensatorpotentials
Vi und der Spannung Vb zwischen den Anschlüssen der Batterie B ein.
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Das heißt, die Zentralsteuerungseinheit
X stellt die Endspannung des Kondensatorpotentials Vi (= Spannung
Vc zwischen den Anschlüssen
des Kondensators C) derart ein, dass die Summe (Vb – Vc) der
Spannung Vb zwischen den Anschlüssen
der Batterie B und der Spannung Vc zwischen den Anschlüssen des
Kondensators C einen vorbestimmten Wert Vs annimmt.
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Das heißt, die Zentralsteuerungseinheit
X stellt die Endspannung des Kondensatorpotentials Vi (= Spannung
Vc zwischen den Anschlüssen
des Kondensators C) derart ein, dass die Summe (Vb + Vc) der Spannung
Vb zwischen den Anschlüssen
der Batterie B und der Spannung Vc zwischen den Anschlüssen des
Kondensators C den vorbestimmten Wert Vs annimmt. Dabei variiert
jedoch der vorbestimmte Wert Vs in Abhängigkeit von der Spannung Vb
zwischen den Anschlüssen
der Batterie B. Der vorbestimmte Wert Vs steigt nämlich mit
einem Abfall der Spannung Vb zwischen den Anschlüssen der Batterie B an.
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Wie es in 6 gezeigt ist, steigt daher mit Abfallen
der Spannung Vb zwischen den Anschlüssen der Batterie B von Vb2
herunter auf Vb1 der vorbestimmte Wert Vs von Vs2 auf Vs1 an, und
die Endspannung steigt von Vc2 (= Vs2 – Vb2) zu Vc1 (= Vs1 – Vb1 > Vc2) an. Da Vs2 < Vs1 gilt, steigt
die Endspannung des Kondensatorpotentials Vi (= Spannung Vc zwischen
den Anschlüssen
des Kondensators C) derart an, dass sie größer als diejenige gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
ist, wenn die Spannung Vb zwischen den Anschlüssen der Batterie B abfällt.
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7 veranschaulicht
die Ergebnisse der Messung der Ventilansprechzeit Tr des Injektors
bei Variieren der Spannung Vb zwischen den Anschlüssen der
Batterie B, wenn die elektromagnetischen Lastantriebsgeräte gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
bis zum dritten Ausführungsbeispiel
(#1 – #3) bei
einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine angewandt
werden. Das Ventilansprechen ist durch die Zeit vom Start der Zufuhr
des Stroms zu dem Solenoiden Li für einen Kraftstoffeinspritzvorgang
bis zu einem vollständigen
Abheben des Ventils definiert. Wenn die Spannung Vc zwischen den
Anschlüssen
des Kondensators C einfach bis zu der vorbestimmten Endspannung
wie gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
aufgeladen wird, spiegelt sich die Fluktuation in der Spannung Vb
zwischen den Anschlüssen
der Batterie B direkt auf den Anstieg des Solenoidstroms Ii beim
Start der Betätigung
der elektromagnetischen Last, und das Ansprechen des Ventils variiert
entsprechend.
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Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind
jedoch die Anstiegsraten der Solenoidströme Ii beim Start der Betätigung der
elektromagnetischen Last gleichförmig,
und die Variation in dem Ventilansprechen ist verbessert. Gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
ist weiterhin die Variation in dem Ventilansprechen gegenüber demjenigen
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
weiter verbessert.
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Dies liegt daran, dass zwischen den
an den Solenoiden Li angelegten Spannungen die Spannungskomponente
(Vb) aufgrund der Batterie B annähernd
einen konstanten Wert nach dem Start der Betätigung der elektromagnetischen
Last annimmt, während
die Spannungskomponente (Vc) aufgrund des Kondensators C dazu tendiert,
abzufallen, wenn der elektrische Strom dem Solenoiden Li zugeführt wird.
Das heißt,
dass gemäß dem zweiten
und dem dritten Ausführungsbeispiel
mit Verringern der Spannung Vb zwischen den Anschlüssen der
Batterie das Ausmaß der
Verringerung durch die Spannungskomponente aufgrund des Kondensators
C1 ersetzt wird, die mit Zufuhr des Stroms zu dem Solenoiden Li
dazu tendiert, sich zu verringern. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
unterscheiden sich daher, selbst falls die Anstiegscharakteristiken
unmittelbar nach Start der Betätigung
der elektromagnetischen Lasten gleichförmig sind, die Anstiegscharakteristiken
innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer (von T2 zu T3 in 2) beim Start der Betätigung der
elektromagnetischen Last in Abhängigkeit
vom Verhältnis der
Spannungskomponente (Vb) aufgrund der Batterie B zu der Spannungskomponente
(Vc) aufgrund des Kondensators C. Insbesondere werden, wenn die
Spannung Vb zwischen den Anschlüssen
der Batterie B absinkt und das Verhältnis der Spannungskomponente
(Vc) aufgrund des Kondensators C ansteigt, die Anstiegscharakteristiken
langsam, insbesondere in der letzteren Hälfte in der vorbestimmten Zeitdauer
beim Start der Betätigung
der elektromagnetischen Last.
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Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
ist, wenn die Spannung Vb zwischen den Anschlüssen der Batterie B sich verringert,
das Kondensatorpotential Vi größer als
(Vb + Vc = Vk (konstant)) gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel.
Daher werden die Anstiegscharakteristiken in der letzteren Hälfte in
der vorbestimmten Zeitdauer beim Start der Betätigung der elektromagnetischen
Last langsam, und Variationen im Ansprechen des Ventils können unterdrückt werden.
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Die Injektoren können in einer Vielzahl von Strukturen
entwickelt werden, wie eine, in dem ein Ventil zum Öffnen und
Schließen
des Einspritzanschlusses (Injektionsanschluss) direkt durch einen Solenoiden
angetrieben wird, und eine, in der ein Ventil zur Steuerung durch
einen Solenoiden betätigt wird.
In jeder Struktur beeinträchtigt
die Zeitdauer, in der ein in den Solenoiden fließender Strom eine ausreichende
Größe erreicht,
die Ansprechzeit signifikant, bis eine Antriebskraft den Druck zum Öffnen des
durch den Solenoiden angetriebenen Ventils erreicht, oder beeinträchtigt signifikant
die Zeit bis zum vollständigen
Abheben des Ventils. Daher kann das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung
insbesondere vorzugsweise bei dem Kraftstoffeinspritzgerät angewandt
werden.
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Viertes Ausführungsbeispiel
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Wie es in 8 gezeigt ist, ist ein elektromagnetisches
Lastantriebsgerät
M gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
in ähnlicher
Weise wie gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
aufgebaut.
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Das elektromagnetische Lastantriebsgerät M ist
mit zwei Kondensatoren C1 und C2 versehen. Der Kondensator C1 ist
ein kapazitives Element, das als Energiequelle dient. Der Kondensator
C2 ist ein unterstützendes
kapazitives Element. Der Kondensator C1 ist im wesentlichen derselbe
wie der Kondensator C gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
Der Kondensator C2 weist eine Kapazität auf, die größer als diejenige
des Kondensators C1 ist. Der Kondensator C1 ist als kleiner Kondensator
C1 bezeichnet und der Kondensator C2 ist als großer Kondensator C2 bezeichnet.
Die elektrische Leistung kann dem Solenoiden Li aus dem kleinen
Kondensator C1 über
eine Zufuhrleitung Wc1 zugeführt
werden, und die elektrische Leistung kann dem Solenoiden Li aus
dem großen
Kondensator C2 über
eine Zufuhrleitung Wc2 zugeführt
werden. Der kleine Kondensator C1 und der große Kondensator C2 sind in der
Lage, elektrische Leistung dem Solenoiden Li parallel zuzuführen.
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Die Zufuhrleitungen Wc1 und Wc2 sind
miteinander über
den Schalter SWr gekoppelt, und sind mit Dioden Dc1 und Dc2 versehen.
Die Anode der Diode Dc1 ist mit dem positiven Anschluss C1T1 des Kondensators
C1 verbunden. Die Richtung, in der der Strom aus dem Kondensator
C1 zu dem Solenoiden Li zugeführt
wird, ist die Durchlassrichtung. Die Anode der Diode DC2 ist mit
dem positiven Anschluss C2T1 des Kondensators C2 verbunden. Die Richtung,
in der der Strom aus dem Kondensator C2 zu dem Solenoiden Li zugeführt wird,
ist die Durchlassrichtung.
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Die Diode Dc1 auf der Seite des kleinen
Kondensators C1 arbeitet im wesentlichen in derselben Weise wie
die Diode Dc gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
Die Diode Dc2 ist deswegen eingesetzt, weil eine Resonanzschaltung
durch den großen
Kondensator C2 und dem Solenoiden Li gebildet ist, und weil ein
Strom dazu tendiert, in eine zu dem Zufuhrstrom entgegengesetzten
Richtung zu fließen. Die
Diode Dc2 arbeitet derart, dass ein Fließen des Stroms in einer zu
dem Zufuhrstrom entgegengesetzten Richtung blockiert wird, und vermeidet
ein Fließen
des Stroms in den Solenoiden Li in einer zu der eines normalen Stroms
entgegengesetzten Richtung.
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Weiterhin ist ein Anschluss des großen Kondensators
C2 auf der Seite der Diode Dc2 mit dem positiven Anschluss BT1 der
Batterie über
eine Ladeleitung Wa verbunden, und der große Kondensator C2 kann elektrisch
aus der Batterie B geladen werden. Die Ladeleitung Wa ist mit einer
Diode Da versehen, wobei deren Anode auf der Seite der Batterie B
liegt, und eine Richtung, in der der Ladestrom aus der Batterie
B zu dem großen
Kondensator C2 fließt, ist
die Durchlassrichtung.
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Nachstehend ist der Betrieb des elektromagnetischen
Lastantriebsgeräts
M beschrieben. Die Zentralsteuerungseinheit X des elektromagnetischen Lastantriebsgeräts M führt im wesentlichen
denselben Steuerungsvorgang wie denjenigen gemäß des ersten Ausführungsbeispiels
aus. 9 veranschaulicht
den Zustand des Betriebs jedes Abschnitts des elektromagnetischen
Lastantriebsgeräts
M. Die Steuerungsvorgänge
der Schalter SWc, SWb, SWr und SWi zum Starten der Betätigung der
elektromagnetischen Last Ai sind dieselben wie diejenigen gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
In einem Zustand, in dem der Schalter SWc eingeschaltet ist und der
Schalter SWb ausgeschaltet sind, ist die Diode Da in Durchlassrichtung
gepolt und der große
Kondensator C2 wird bis zu der Spannung Vb zwischen den Anschlüssen der
Batterie B aufgeladen.
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Wenn der Schalter SWb zu dem Zeitpunkt
T1 eingeschaltet wird, wird daher das Potential (großes Kondensatorpotential)
Vi2 des großen
Kondensators C2 auf der Seite der Diode Dc2 um die Spannung Vb zwischen
den Anschlüssen
der Batterie B wie das Potential (kleines Kondensatorpotential)
Vi1 des kleinen Kondensators C1 auf der Seite der Diode Dc1 angehoben.
Weiterhin wird der kleine Kondensator C1 bis zu einer Spannung aufgeladen,
die höher
als die Spannung (= Vb) zwischen den Anschlüssen des großen Kondensators
C2 ist, da die Energie aus dem Solenoiden Li wiedergewonnen wird,
wie nachstehend beschrieben ist. Daher ist das Potential des großen Kondensators
Vi2 niedriger als das Potentials des kleinen Kondensators Vi1, und
die Diode Dc2 wird in Sperrrichtung gepolt.
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Bei Zufuhr der elektrischen Leistung
zu dem Solenoiden Li nach dem Zeitpunkt T2 wird die Diode D6 in
Sperrrichtung gepolt, wie es vorstehend beschrieben worden ist,
und die elektrische Leistung wird dem Solenoiden Li aus dem kleinen
Kondensator C1 zugeführt.
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Wenn dann das Potential des kleinen
Kondensators Vi1 auf das Potential des großen Kondensators Vi2 (= 2Vb)
abfällt,
wird dann die elektrische Leistung sowohl aus dem kleinen Kondensator
C1 als auch dem großen
Kondensator C2 zugeführt.
Wie aus 9 hervorgeht,
fällt das
kleine Kondensatorpotential Vi1 (= großes Kondensatorpotential Vi2), das
die an den Solenoiden Li angelegte Spannung ist, langsamer als das
kleine Kondensatorpotential Vi1 ab, das die Spannung ist, die an
den verwendeten Solenoiden Li angelegt wird. Daher steigt der Solenoidstrom
Ii ohne starke Unterdrückung
beim Anstieg an.
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Die Betätigung der elektromagnetischen Last
Ai wird unterbrochen, indem zu dem Zeitpunkt T4 die Schalter SWi
und SWb ausgeschaltet werden und der Schalter SWc eingeschaltet
wird, wie gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
Gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel
wird jedoch die elektrische Leistung aus sowohl dem kleinen Kondensator
C1 als auch dem großen
Kondensator C2 wie vorstehend beschrieben zugeführt. Daher kann die Spannung
Vc1 zwischen den Anschlüssen
des kleinen Kondensators auf einmal bis zu der Spannung vor dem
Starten der Betätigung
zur Wiedergewinnung der Energie lediglich in den kleinen Kondensator
C1 wiederhergestellt werden. Daher lädt die Zentralsteuerungseinheit
X den kleinen Kondensator C1 nicht durch Ein- und Ausschalten des
Schalters Si. Jedoch kann die Zentralsteuerungseinheit X natürlich den kleinen
Kondensator C1 derart laden, dass er den Energieverlust mit Verstreichen
der Zeit ausgleichen kann.
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Somit kann die nächste Betätigung ohne getrenntes Laden
des kleinen Kondensators C1 aufgeführt werden, im Gegensatz zu
dem ersten Ausführungsbeispiel
(Zeitdauer von T5 bis T7). Dementsprechend kann das Ausführungsbeispiel
in wünschenswerter
Weise angewendet werden, selbst wenn das Intervall bis zur nächsten Betätigung der elektromagnetischen
Last Ai sehr kurz ist. Es ist weder ein Gleichspannungswandler zum
Erhalt einer notwendigen Anlegespannung noch ein großer Kondensator
erforderlich, der mit dessen Spannung elektrisch geladen wird, weshalb
die Kosten verringert werden können.
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Beim Umschalten der Schalter SWi,
SWb und SWc zu dem Zeitpunkt der Unterbrechung der Betätigung der
elektromagnetischen Last Ai wird die Diode Da in Durchlassrichtung
gepolt, und wird der große
Kondensator C2 elektrisch aus der Batterie B durch die Diode Da
geladen.
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10 veranschaulicht
ein Beispiel, in dem das Intervall bis zur nächsten Betätigung der nächsten elektromagnetischen
Last Ai kurz ist, und stellt eine Mehrstufen-Einspritzung beim Einspritzen
von Kraftstoff in beispielsweise eine Brennkraftmaschine dar. Die
Spannung Vc zwischen den Anschlüssen des
kleinen Kondensators C1 kann auf einmal auf die Spannung Vc vor
Starten der Betätigung
wiederhergestellt werden. Somit kann eine Vielzahl elektromagnetischer
Lasten aufeinanderfolgend betätigt
werden. Weiterhin kann die Vielzahl elektromagnetischer Lasten mit
einem kurzen Intervall betätigt
werden. In diesem Fall muss die Treiberschaltung nicht für jede elektromagnetische
Last vorgesehen werden, weshalb die Kosten verringert werden können.
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Die Spannung Vc1 zwischen den Anschlüssen des
kleinen Kondensators, die durch Wiedergewinnen der in dem Solenoiden
Li akkumulierten Energie wiederhergestellt wird, variiert in Abhängigkeit von
der Kapazität
des großen
Kondensators C2 und kann somit durch Berücksichtigung der Anstiegscharakteristiken
des erforderlichen Solenoidstroms Ii wie der Solenoidstrom Ii zum
Zeitpunkt T3 eingestellt werden.
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11 vergleicht
das Ventilansprechen Tr gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
(#1) ohne den großen
Kondensator C2 mit dem Ventilansprechen Tr gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel (#4).
Aus der Darstellung geht hervor, dass das vierte Ausführungsbeispiel
ein besseres Ventilansprechen ungeachtet der Spannung Vb zwischen
den Anschlüssen
der Batterie B zeigt.
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Das vierte Ausführungsbeispiel mit dem großen Kondensator
C2 wendet den kleinen Kondensator C1 mit einer ausreichenden kleinen
Kapazität
an, um die Anstiegscharakteristiken des Solenoidstroms Ii zu verbessern.
Daher ist, falls die Kapazitäten
der Kondensatoren C1 und C2 mit C1 und C2 bezeichnet sind, es vorzuziehen,
dass wie in diesem Ausführungsbeispiel
C1 < C2 gilt. Der
Kondensator C2 dient zur Ergänzung
der fehlenden Energiezufuhrfähigkeiten
des Kondensators C1, der die Energie aus dem Solenoiden Li wiedergewinnt.
In Abhängigkeit
von dem Ausmaß der
Ergänzung
der erforderlichen Leistungszufuhrfähigkeit kann jedoch der Kondensator C2
eine Kapazität
aufweisen, die kleiner als diejenige des Kondensators C1 ist.
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Die vorliegende Erfindung sollte
nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele
begrenzt sein, sondern kann in verschiedener Weise ohne Abweichen
von dem erfinderischen Gedanken modifiziert werden.
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Wie es vorstehend beschrieben ist,
führt ein Antriebsgerät M elektrische
Leistung einem Solenoiden LI einer induktiven Last Ai aus einer
Batterie B und einem Kondensator C zur Verbesserung des Ansprechens
der Last zu. Das Antriebsgerät
weist Schalter SWb, SWc zum Schalten zwischen einem ersten Zustand,
in dem eine negative Seite der Batterie mit einer positiven Seite
der Batterie verbunden ist, und einen zweiten Zustand auf, in dem
die negative Seite des Kondensators mit der negativen Seite der
Batterie verbunden ist. Wenn die Last betätigt wird, wird die an den
Solenoiden angelegte Spannung um die Spannung der Batterie als den
ersten Zustand erhöht,
so dass der in den Solenoiden fließende Strom scharf (steil)
ansteigt, um das Ansprechen der Last zu verbessern. Wenn die Betätigung der
Last zu stoppen ist, wird die elektrische Leistung für den Solenoiden
unterbrochen, und die in dem Solenoiden akkumulierte Energie wird
durch den Kondensator als der zweite Zustand wiedergewonnen.