JP2002021676A - 圧電素子を駆動する際の負荷減少を検出する装置および圧電素子を駆動する際の負荷減少を検出する方法 - Google Patents
圧電素子を駆動する際の負荷減少を検出する装置および圧電素子を駆動する際の負荷減少を検出する方法Info
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Abstract
方法および装置を提供すること。 【解決手段】 ここでこの圧電素子10,20,30,
40,又は60、内燃機関の燃料噴射システムにおける
アクチュエータとして使用されている。この方法および
装置は、充電または放電動作中に、圧電素子が目標電圧
にあらかじめ定めた最小時間間隔よりも短時間で達した
場合にエラー信号が形成されることにより行われる。
Description
た装置および請求項9の上位概念に記載された方法、す
なわち圧電素子を駆動する際の負荷減少を検出する装置
および方法に関する。
である。それは公知のように圧電素子は、それらに供給
される電圧またはそれらに発生した電圧の関数として収
縮または伸張する性質を有するからである。
的な実現は、殊にこのアクチュエータが高速および/ま
たは頻繁な運動を行わなければならない場合に有利であ
ることがわかっている。
ことは、殊に内燃機関に対する燃料噴射ノズルにおいて
有利であることが判明している。燃料ノズルにおける圧
電素子の利便性については、例えば、EP037146
9B1およびEP0379182B1を参照されたい。
でに上で少し触れたように、荷電状態にしたがって、ま
たはこれに発生する、またはこれに加えられる電圧にし
たがって収縮または伸張する。燃料噴射ノズルの例で
は、圧電素子の収縮および伸張は、噴射ニードルの線形
のストロークを操作するバルブを制御するために使用さ
れる。圧電素子を複動式両座弁と共に使用して、燃料噴
射システムの相応の噴射ニードルを制御することは、ド
イツ連邦共和国特許明細書DE19742073A1お
よびDE19729844A1に示されている。これら
の明細書の全文を文献として援用する。
用する燃料噴射システムは、第1次近似において圧電素
子が、加えられる電圧と線形な伸張との間に比例関係を
有するという事実によって特徴付けられる。燃料噴射ノ
ズルにおいて例えば複動式両座弁として実現され、ニー
ドルの線形なストロークが制御され、これによって燃料
噴射が内燃機関のシリンダに行われると、相応するシリ
ンダに噴射される燃料の量は、バルブが開いている時間
の関数であり、また圧電素子をアクチュエータとして使
用する場合には、この圧電素子に供給される活動化電圧
の関数である。
タとして使用する燃料噴射システムを概略的に示す図で
ある。図1を参照すると、圧電素子2010は電気的に
エネルギー供給されて伸張し、供給される活動化電圧に
応じて収縮する。圧電素子2010はピストン2015
に結合されている。伸張した状態では、圧電素子201
0によって、ピストン2015は油圧アダプタ2020
に突き出る。この油圧アダプタは油圧媒体、例えば燃料
を含んでいる。圧電素子が伸張する結果、複動式制御弁
2025は油圧によって、ハイドリックアダプタ202
0から押し出され、弁体2035が、第1の閉位置20
40を離れる。複動式両座弁2025と中空孔部205
0との組み合わせはしばしば、複動式両座弁と称され
る。それは圧電素子2010が励振されていない状態で
は、この複動式両座弁2025がその第1閉位置204
0に静止するからである。その一方、圧電素子2010
が完全に伸張していると、複動式両座弁はその第2閉位
置2030に静止する。弁体2035の後者の位置が概
略的に図1において一点鎖線で示されている。
70を含んでおり、この噴射ニードルによって、加圧さ
れた燃料供給線路2060からの燃料を(図示しない)
シリンダに噴射することができる。圧電素子2010が
励振されていないかまたは完全に伸張しているかによっ
て、複動式制御弁2025はそれぞれ第1閉位置204
0または第2閉位置2030に停止する。どちらの場合
にも、ハイドロリックレールの圧力によって噴射ニード
ル2070は閉位置に維持される。したがって燃料混合
気は(図示しない)シリンダに進入しない。逆に圧電素
子2010が励振されて、複動式制御弁2025が、中
空孔部2050に対していわゆる中央位置にあるように
される場合、加圧された供給線路2060において圧力
が降下する。この圧力降下の結果、圧力差が、加圧され
た燃料供給線路2060において噴射ニードル2070
の先端部と底部との間に生じ、これによって噴射ニード
ル2070が持ち上げられ、(図示しない)シリンダに
燃料を噴射することができる。
な精度で決定しかつこれを加え、これによって例えば、
相応する弁体が、燃料噴射サイクルにおいて適切な時点
に精確に位置決めされることである。したがってこの圧
電素子を駆動する電気回路において種々の問題が検出で
きることは重要である。このような問題の1つは、1つ
または複数の圧電素子内部またはその端子でバッテリ電
圧に短絡してしまうことである。
位概念に記載された装置と、請求項9の上位概念に記載
された方法とを改善して、1つまたは複数の圧電素子に
おける電気的負荷の低下が高い信頼性で検出できるよう
にすることである。
徴部分に記載された特徴的構成(装置)および請求項9
の特徴部分に記載された特徴的構成(方法)によって解
決される。
時間で達した場合に、エラー信号が形成され、 − 圧電素子に回路を適用して目標電圧まで圧電素子を
充電または放電し、この際に目標電圧に達する時間を監
視し、最終的に、目標電圧にあらかじめ定めた最小時間
間隔よりも短時間で達した場合にエラー信号を形成す
る。
で、負荷の両端の電圧を瞬時に変更することはできな
い。むしろ容量性負荷の両端電圧は、圧電素子に供給さ
れる電流の、時間についての関数として増大する。圧電
素子における両端電圧のこの増大過程は「充電」と称さ
れる。同様にこの容量性負荷はその電圧を、時間の関数
として、電流が圧電素子からなくなるのに連れて「放
電」または減少しなければならない。
電圧は、加えられる「所望の」電圧に予想よりもはるか
に短時間で到達する。
の」、圧電素子の両端電圧に、あらかじめ定めた最小時
間よりも短時間で達したか否かを監視することによっ
て、圧電素子の負荷の低下を検出できるとしたのであ
る。このような電圧に最小時間よりも短時間で達した場
合、この圧電素子に負荷の低下が発生したことを示す信
号が形成される。このような信号は、必要な対抗手段を
開始するために、または例えば修理工場における問題解
決に役立てるために、または電子メモリにエラーメッセ
ージを記憶するために使用可能である。
以下の説明および図面に記載されている。
さらに詳細に説明する。ここで、図2は、例示的な制御
バルブストロークの概略プロフィールを示す2つの線図
を示しており、これによって複動式制御弁の動作が示さ
れている。図2の上側の線図でx軸は時間を表してお
り、y軸は弁体の変位(バルブリフト)を表している。
図2の下側の線図でx軸は同様に時間を表しているが、
y軸は燃料の流れを供給するノズルニードルリフトを表
しており、これは上側の線図のバルブリフトから結果的
に発生するものである。この上側および下側の線図は相
互に揃えられており、これによってそれぞれのx軸で表
される時間が一致する。
の結果、より詳細に説明するようにこの圧電素子は伸張
し、これによって図2の上側の線図に示したように、相
応する弁体は予備噴射ストロークに対して第1閉位置か
ら第2閉位置に移動する。図3の下側の線図には、弁体
が複動式制御弁の2つの座の間を移動するのに伴って発
生する少量の燃料噴射と、この弁体がこれらの座の間を
移動するのに伴う弁の開閉とが示されている。
ップで行うことができる。第1のステップではこの素子
を所定の電圧まで充電してバルブを開く。第2のステッ
プはこの素子をさらに充電してバルブを再び閉じる。こ
れは弁体が第2の座に接触するのに伴って行われる。こ
れらの2つのステップ間に時間遅延を設けることができ
る。
に説明する放電動作がつぎに実行される。この放電動作
によって圧電素子内の電荷が減少し、同様に詳細に説明
するようにこの圧電素子は収縮し、これにより弁体が第
2閉位置から離れ、2つの座の間の点で保持される。圧
電素子内の活動化電圧は、Uoptに等しい値に到達す
べきであり、これによりこの活動化電圧が、主噴射に割
り当てられる期間中の最大の燃料の流れに相応する。図
2の上側および下側の線図は、バルブリフトが中間点で
保持されることを示しており、この結果、主燃料噴射が
行われる。
電素子は活動化電圧0まで放電され、この結果、圧電素
子はさらに収縮して、これによって弁体は中間点から離
れ、第1閉位置に向かって移動し、バルブが閉じられて
燃料の流れが停止する。この様子は図2の上側および下
側の線図に示されている。この時点で弁体は、上記の別
の前噴射、主噴射を繰り返すための位置に再び位置付け
られる。当然のことながら任意の別の噴射サイクルを実
行することも可能である。
な実施例のブロック回路図を示している。
示されていない領域Bとがあり、それらの区別は破線c
によって示されている。詳細な領域Aは、圧電素子1
0,20,30,40,50および60を充電および放
電する回路を含んでいる。考察しているこの実施例では
これらの圧電素子10,20,30,40,50および
60は、内燃機関の燃料噴射ノズル(殊にいわゆるコモ
ンレールインジェクタ)におけるアクチュエータであ
る。圧電素子がこのような目的に使用できるのは、公知
のように、また上記のようにこれらの圧電素子が、これ
らに加えられる電圧またはこれらにおいて発生する電圧
の関数として収縮または伸張する特性を有するからであ
る。6つの圧電素子10,20,30,40,50およ
び60を、ここで説明する実施例において使用する理由
は、燃焼機関内の6つのシリンダを独立して制御するた
めである。したがって任意の別の目的には、別の任意の
数の圧電素子が適合し得る。
トDと、活動化集積回路Eとを含んでおり、この2つに
よって詳細領域A内の素子も、システム特性を測定する
測定装置Fも共に制御される。活動化集積回路Eは、圧
電素子駆動回路の残りの部分のいたるところから電圧お
よび電流の種々の測定値を受け取る。本発明では制御ユ
ニットDおよび活動化集積回路Eは、圧電素子に対する
活動化電圧と活動化タイミングを制御するようにプログ
ラムされている。また制御ユニットDおよび/または活
動化集積回路Eは、この圧電素子駆動ユニットにいたる
ところの種々の電圧および電流を監視するようにもプロ
グラムされている。
間について監視し、これによって加えられる所望の電圧
が、充電または放電の切換がそれぞれ活動化集積回路E
によって活動化された時点からどのくらいの時間で圧電
素子の両端に発生したかを決定する。所望の電圧がメモ
リに記憶されたプリセットの最小時間よりも短時間で発
生した場合、圧電素子に対して負荷の低下が発生したこ
とを識別する信号が形成される。制御ユニットDをプロ
グラムして、その後、エラーのある圧電素子をサイクル
に組み入れないようにことができる。さらに診断および
修復のための信号を供給することができ、また活動化集
積回路Eのエラーメモリにエントリを作成することがで
きる。
し、つぎに圧電素子10,20,30,40,50およ
び60の充電および放電のプロシージャを一般的に説明
する。最後にこれら2つのプロシージャが、制御ユニッ
トDおよび活動化集積回路Eによって本発明にしたがっ
てどのように制御および監視されるかを詳しく説明す
る。
0,20,30,40,50および60を含んでいる。
よび60は、第1グループG1と第2グループG2とに
分類され、各々は3つの圧電素子を含む(すなわち圧電
素子10,20および30は第1グループG1に、圧電
素子40,50および60は第2グループG2にそれぞ
れ所属する)。グループG1およびG2は、相互に並列
接続された回路部分の構成要素である。グループ選択ス
イッチ310,320を使用して、圧電素子10,20
および30,ないしは40,50および60からなるい
ずれのグループG1,G2が、共通の充電および放電装
置によってそれぞれ放電されるのかを決定することがで
きる(しかしながらこのグループ選択スイッチ310,
320は、以下に詳しく説明するように充電のプロシー
ジャには意味がない)。
コイル240と、それぞれのグループG1およびG2
(それらのコイル側の端子)との間に配置されており、
かつトランジスタとして実現されている。ここでは側方
の駆動器311,321が実装されており、これらは活
動化集積回路Eから受け取った制御信号を、必要に応じ
てスイッチを開閉するのに有利な電圧に変換する。
選択ダイオードと称する)は、それぞれ、グループ選択
スイッチ310,320に並列に設けられている。グル
ープ選択スイッチ310,320がMOSFETまたは
IGBTとして実現されている場合、例えば、これらの
グループ選択ダイオード315および325は寄生ダイ
オードによってそれ自体で構成することが可能である。
ダイオード315,325は充電プロシージャ中、グル
ープ選択スイッチ310,320をバイパスする。した
がってグループ選択スイッチ310,320の機能は、
圧電素子10,20および30ないしは40,50およ
び60からなるグループG1,G2をそれぞれ、放電プ
ロシージャに対してだけ選択するのに限定される。
10,20および30、ないしは40,50および60
はそれぞれ、圧電分岐路110,120および130
(グループG1)ならびに圧電分岐路140,150お
よび160(グループG2)の構成要素として配置され
ており、ここでこれらの圧電分岐路は並列接続されてい
る。各圧電分岐路は、第1並列回路と第2並列回路とか
らなる直列回路を含んでおり、ここで第1並列回路は、
圧電素子10,20,30,40,50ないしは60
と、抵抗13,23,33,43,53ないしは63
(分岐路抵抗と称する)とを含み、第2並列回路は、ト
ランジスタ11,21,31,41,51ないしは61
として実現された選択スイッチ(分岐路選択スイッチと
称する)と、ダイオード12,22,32,42,52
ないしは62(分岐路ダイオードと称する)とからな
る。
ないしは63はそれぞれ、対応する各圧電素子10,2
0,30,40,50ないしは60を、充電プロシージ
ャの間および充電プロシージャの後、連続的にそれ自体
で放電させる。それはこれらの抵抗は、容量性の各圧電
素子10,20,30,40,50ないしは60の両方
の端子を相互に接続するからである。しかしながら分岐
路抵抗13,23,33,43,53ないしは63はそ
れぞれ十分に大きいため、このプロシージャは以下に説
明する制御された充電および放電に比して緩慢になる。
したがって任意の圧電素子10,20,30,40,5
0または60の電荷が、充電プロシージャ後の関連する
時間内で変化していないと考えることは引き続き理にか
なった仮定である(それにもかかわらず分岐路抵抗1
3,23,33,43,53および63を設けるのは、
このシステムの故障または別の例外的な状況の場合に圧
電素子10,20,30,40,50および60に残余
する電荷を回避するためである)。したがって分岐路抵
抗13,23,33,43,53および63は以下の説
明では無視することができる。
0,140,150ないしは160のそれぞれの分岐路
選択スイッチ/分岐路ダイオード対、すなわち圧電分岐
路110の選択スイッチ11およびダイオード12、圧
電分岐路120の選択スイッチ21およびダイオード2
2などは、寄生ダイオードを有する電子スイッチ(すな
わちトランジスタ)、例えば(上記のようにグループ選
択スイッチ/ダイオード対310および315ないしは
320および325に対して)MOSFETまたはIG
BTを使用して実現可能である。
1,51ないしは61はそれぞれ、圧電素子10,2
0,30,40,50または60のうちのいずれがそれ
ぞれ、共通の充電および放電装置によって充電されるか
を決定するために使用することができる。すなわちいず
れの場合においても、充電される圧電素子10,20,
30,40,50または60はすべて、その分岐路選択
スイッチ11,21,31,41,51または61がそ
れぞれ、以下に説明する充電プロシージャ中に閉じられ
ている圧電素子である。ふつう任意の時間において分岐
路選択スイッチのうちの1つだけが閉じられる。
2,52および62は、分岐路選択スイッチ11,2
1,31,41,51ないしは61を放電プロシージャ
中にバイパスするために使用される。したがって考察し
ている充電プロシージャに対する例では、任意の圧電素
子を個別に選択することができ、これに対して放電プロ
シージャに対しては圧電素子10,20および30ない
しは40,50および60からなる第1グループG1ま
たは第2グループG2のいずれか、または両方を選択し
なければならない。
よび60それ自体に戻ると、分岐路選択圧電端子15,
25,35,45,55ないしは65のそれぞれは、分
岐路選択スイッチ11,21,31,41,51ないし
は61を介して、または対応するダイオード12,2
2,32,42,52ないしは62を介して、またどち
らの場合も付加的に抵抗300を介して接地される。
0,30,40,50および60を充電および放電中
に、分岐路選択圧電端子15,25,35,45,55
ないしは65とグランドとの間をそれぞれ流れる電流を
測定することである。これらの電流が分かれば、圧電素
子10,20,30,40,50および60の制御され
た充電および放電が可能である。殊に充電スイッチ22
0および放電スイッチ230を、これらの電流の大きさ
に依存して開閉することによって、以下に詳しく説明す
るように、充電電流および放電電流を所定の平均値に設
定し、および/または所定の最大値および/または最小
値を上回らないかまたは下回らないように維持すること
ができる。
にもさらに、例えば5Vの直流を供給する電圧源621
と、2つの抵抗622および623として実現される分
圧器とが必要である。これは活動化集積回路E(これに
よって測定が実行される)を負の電圧から防ぐためであ
る。ここでこの負の電圧は、上記の電圧源と分圧器がな
ければ測定点620に発生しかつ活動化集積回路Eでは
処理することができない。すなわちこのような負の電圧
は、電圧源621と分圧器622および623とによっ
て供給される正の電圧設定を付加することによって正の
電圧に変更されるのである。
および60の他方の端子、すなわちグループ選択圧電端
子14,24,34,44,54ないしは64は電圧源
の正の極に接続することができ、また択一的または付加
的にグランドに接続することができる。ここでこの電圧
源の正の極との接続は、グループ選択スイッチ310な
いしは320を介して、またはグループ選択ダイオード
315ないしは315を介して、ならびにコイル24
0、および充電スイッチ220と充電ダイオード221
とからなる並列回路を介して行われ、またグランドとの
接続は、グループ選択スイッチ310ないしは320を
介して、またはダイオード315ないしは325を介し
て、ならびコイル240、および放電スイッチ230ま
たは放電ダイオード231からなる並列回路を介して行
われる。充電スイッチ220および放電スイッチ230
は、例えば側方の駆動器222ないしは232を介して
制御されるトランジスタとして実現される。
でおり、この素子は、考察している実施例では(バッフ
ァ)キャパシタ210である。キャパシタ210は、バ
ッテリ200(例えば自動車バッテリ)およびその下流
の直流電圧コンバータ201によって充電される。直流
電圧コンバータ201はバッテリ電圧(例えば12V)
を実質的に任意の別の直流電圧(例えば250V)に変
換し、キャパシタ210をその電圧に充電する。直流電
圧コンバータ201は、トランジスタスイッチ202と
抵抗203とによって制御され、ここでこの抵抗203
は、測定点630から取り出される電流の測定に使用さ
れる。
測定点650において、活動化集積回路Eと、抵抗65
1,652および653と、例えば5V直流電圧源65
4とによって行うことができる。さらに測定点640に
おける電圧測定を、活動化集積回路Eと、分圧抵抗64
1および642とによって行うことができる。
と、トランジスタ331として実現されたストップスイ
ッチ(ストップスイッチと称する)と、ダイオード33
2(全放電ダイオードと称する)とが、圧電素子10,
20,30,40,50および60を放電するために使
用される(万一これらが以下に説明する「通常の」放電
動作によって放電されない場合)。ストップスイッチ3
31は有利には「通常の」放電プロシージャ(放電スイ
ッチ230を介してサイクリックに放電される)の後、
閉じられる。ここでこのスイッチは圧電素子10,2
0,30,40,50および60を、抵抗330と30
0とを介して接地し、これによって圧電素子10,2
0,30,40,50および60に残っているかもしれ
ないすべての残余電荷が除去される。全放電ダイオード
332は、負の電圧が圧電素子10,20,30,4
0,50および60で発生することを防ぐ。これらの圧
電素子は状況によってはこの負の電圧によって破損され
てしまうおそれがある。
0,50および60またはこれらのうちに任意の1つの
圧電素子の充電および放電は、単一の充放電装置(全グ
ループとその圧電素子に共通である)によって行われ
る。考察している実施例ではこの共通の充放電装置は、
バッテリ200と、直流電圧コンバータ201と、キャ
パシタ210と、充電スイッチ220と、放電スイッチ
230と、充電ダイオード221と、放電ダイオード2
31と、コイル240とを含んでいる。
る。これを以下に説明するが第1圧電素子10だけにつ
いて述べる。
る状態を、図4A〜図4Dを参照して説明する。このう
ち図4Aおよび図4Bは圧電素子10の充電を、または
図4Cおよび図4Dは圧電素子10の放電を示してい
る。
電素子10,20,30,40,50または60の選択
と、以下に説明する充電プロシージャと、放電プロシー
ジャとは、活動化集積回路Eおよび制御ユニットDによ
って駆動される。ここでこれは上記の1つまたは複数の
スイッチ11,21,31,41,51,61;31
0,320;220,230および331を開閉するこ
とにより行われる。詳細領域A内の素子と、活動化集積
回路Eおよび制御ユニットDとの間の相互作用を以下に
詳しく説明する。
べき任意の圧電素子10,20,30,40,50また
は60を選択しなければならない。第1圧電素子10を
排他的に充電するためには第1分岐110の分岐選択ス
イッチ11が閉じられ、これに対して別の分岐選択スイ
ッチ21,31,41,51および61は開いたままで
ある。任意の別の圧電素子20,30,40,50,6
0を排他的に充電するため、またはこれらのうちのいく
つかを同時に充電するためには、相応する分岐選択スイ
ッチ21,31,41,51および/または61を閉じ
ることによってこれらの圧電素子を選択する。
る:考察している実施例では一般的に、充電プロシージ
ャには正の電位差が、キャパシタ210と、第1圧電素
子10のグループ選択圧電端子14との間に必要であ
る。しかしながら充電スイッチ220および放電スイッ
チ230が開いているかぎり、圧電素子10の充電も放
電も発生しない。この状態では図3に示した回路は定常
状態にあり、すなわち圧電素子10はその荷電状態を実
質的に変化がないように維持し、電流は流れない。
スイッチ220が閉じられる。理論的には第1圧電素子
10をこれだけで充電することができる。しかしながら
これによって大電流が発生してしまい、この大電流によ
って関連する素子が破壊されてしまうおそれがある。こ
のため、発生する電流は測定点620において測定さ
れ、検出した電流が所定の限界を上回ると直ちにスイッ
チ220が再度開かれる。これにより任意の所望の電荷
を第1圧電素子10に得るために、充電スイッチ220
は繰り返して開閉される。これに対して放電スイッチ2
30は開いたままである。
が閉じられている場合、図4Aに示した状態が発生す
る。すなわち圧電素子10、キャパシタ210およびコ
イル240からなる直列回路を含む閉回路が形成され、
この閉回路に電流iLE(t)が、図4Aで矢印によって
示したように流れる。このように電流が流れる結果とし
て両方の正の電荷が、第1圧電素子10のグループ選択
圧電端子14に供給され、エネルギーがコイル240に
蓄積される。
が短時間(例えば数μs)、開かれる場合、図4Bに示
した状態が発生する。すなわち圧電素子10と、充電ダ
イオード221と、コイル240とからなる直列回路を
含む閉回路が形成され、この閉回路に電流iLA(t)が
図4Bで矢印によって示したように流れる。このように
電流が流れる結果として、コイル240に蓄積されたエ
ネルギーが圧電素子10に流れ込む。圧電素子10に供
給されるエネルギーに応じて、電圧が後者において発生
し、その外形寸法が増大する。エネルギーの伝送がコイ
ル240から圧電素子10に行われると、図3に示しか
つすでに述べたように回路の定常状態が再び得られる。
より遅い時点(充電動作の所望の時間プロフィールに依
存する)に、充電スイッチ220が再度閉じられ、再度
開かれて上記のプロセスが繰り返される。充電スイッチ
220を再閉成および再開成する結果、圧電素子10に
蓄積されるエネルギーが増大し(圧電素子10にすでに
蓄積されているエネルギーと、新たに供給されるエネル
ギーとが互いに加算される)、圧電素子10に発生する
電圧と、その外形寸法がこれに応じて増大する。
繰り返されると、圧電素子10に発生する電圧が段階的
に増大し、圧電素子10の段階的に伸張する。
されると、および/または圧電素子10が所望の充電状
態に達すると、圧電素子の充電は、充電スイッチ220
を開いたままにすることによって終了される。
る例では圧電素子10,20,30,40,50または
60を、グループ(G1および/またはG2)単位で以
下のように放電する:まず、放電すべき圧電素子の所属
する1つまたは複数のグループG1および/またはG2
のグループ選択スイッチ310および/または320が
閉じられる(分岐選択スイッチ11,21,31,4
1,51,61は、放電プロシージャに対して圧電素子
10,20,30,40,50,60の選択に影響しな
い。それはこの場合に分岐選択スイッチは分岐ダイオー
ド12,22,32,42,52および62によってバ
イパスされるからである)。したがって圧電素子10を
第グループG1の一部として放電するために第1グルー
プ選択スイッチ310が閉じられる。
Cに示した状態が発生する。すなわち圧電素子10およ
びコイル240からなる直列回路を含む閉回路が形成さ
れ、この閉回路に電流iEE(t)が、図4cで矢印によ
り示したように流れる。このように電流が流れる結果、
圧電素子に蓄積されたエネルギー(その一部)がコイル
240に伝送される。圧電素子10からコイル240へ
のエネルギー伝送に応じて、圧電素子10に発生する電
圧と、その外形寸法とが減少する。
が短時間(例えば数μs)開かれると、図4Dに示した
状態が発生する。すなわち圧電素子10、キャパシタ2
10、放電ダイオード231およびコイル240からな
る直列回路を含む閉回路が形成され、この閉回路に電流
iEA(t)が図4Dで矢印によって示したように流れ
る。このように電流が流れる結果、コイル240に蓄積
されたエネルギーはキャパシタ210に再度供給され
る。エネルギーの伝送がコイル240からキャパシタ2
10に行われると、図3に示しかつすでに説明したよう
にこの回路の定常状態が再び得られる。
り遅い時点(充電動作の所望の時間プロフィールに依存
する)に放電スイッチ230が再度閉じられ、再度開か
れて上記のプロセスが繰り返される。放電スイッチ23
0を再閉成および再開成する結果、圧電素子10に蓄積
されるエネルギーがさらに減少し、同様に圧電素子10
に発生する電圧と、その外形寸法とがこれに応じて減少
する。
繰り返されると、圧電素子10に発生する電圧が段階的
に減少し、圧電素子10が段階的に収縮する。
されると、および/またはこの圧電素子が所望の放電状
態に達すると、圧電素子の放電は、放電スイッチ230
を開いたままにすることによって終了される。
と、活動化集積回路Eと詳細領域A内の素子との間の相
互作用は、活動化集積回路Eから詳細領域A内の素子へ
送信される制御信号によって実行され、これは分岐選択
制御線路410,420,430,440,450,4
60,グループ選択制御線路510,520,ストップ
スイッチ制御線路530、充電スイッチ制御線路54
0,放電スイッチ制御線路550,および制御線路56
0を介して行われる。その一方、詳細領域Aの測定点6
00,610,620,630,640,650で得た
センサ信号があり、これらは活動化集積回路Eにセンサ
線路700,710,720,730,740,750
を介して伝送される。
スに電圧を加えるためないしは加えないために使用さ
れ、これによって圧電素子10,20,30,40,5
0または60が選択されて、単一またはいくつかの圧電
素子10,20,30,40,50,60の充電または
放電プロシージャが実行される。ここでこれは相応する
スイッチを上記のように開閉することによって行われ
る。これらのセンサ信号は殊に、圧電素子10,20お
よび30ないしは40,50および60の結果的に得ら
れる電圧を測定点600ないしは610からそれぞれ決
定するため、ならびに充電および放電電流を測定点62
0から決定するために使用される。制御ユニットDおよ
び活動化集積回路Eは、これらの2つの種類の信号を結
合するために使用され、これにより、以下で図3および
5を参照して詳しく説明するように両者の相互作用が行
われる。
動化集積回路Eとはパラレルバス840により、また付
加的にシリアルバス850により相互に接続されてい
る。パラレルバス840は殊に制御信号を制御ユニット
Dから活動化集積回路Eに高速に伝送するために使用さ
れ、これに対してシリアルバス850は比較的遅いデー
タ伝送に使用される。
れており、これらは活動化集積回路Eを構成している。
これらは論理回路800,RAMメモリ810,デジタ
ルアナログ変換器システム820、および比較器システ
ム830である。さらに示されているのは、高速のパラ
レルバス840(制御信号のために使用される)が活動
化集積回路Eの論理回路800に接続されており、これ
に対して比較的遅いシリアルバス850がRAMメモリ
810に接続されていることである。論理回路800
は、RAMメモリ810と、比較器システム830と、
信号線路410,420,430,440,450およ
び460;510および520;530;540,55
0および560とに接続されている。RAMメモリ81
0は、論理回路800にも、デジタルアナログ変換器シ
ステム820にも接続されている。デジタルアナログ変
換器システム820はさらに比較器システム830に接
続されている。比較器システム830は、さらにセンサ
線路700および710;720;730,740およ
び750に、また(すでに述べたように)論理回路80
0に接続されている。
ジャにおいて例えば以下のように使用することができ
る:制御ユニットDによって圧電素子10,20,3
0,40,50または60が決定され、これが所定の目
標電圧にまで充電される。このためにまず目標電圧の値
が(デジタルの数によって表される)がRAMメモリ8
10に比較的遅いシリアルバス850を介して伝送され
る。この目標電圧は例えば主噴射に使用されるUopt
に対する値とすることができる。この後または同時に、
選択すべき圧電素子10,20,30,40,50また
は60に相応する符号と、RAMメモリ810内の所望
電圧のアドレスとが、論理回路800にパラレルバス8
40を介して伝送される。この後、ストローブ信号が論
理回路800にパラレルバス840を介して送信され、
これによって充電プロシージャに対するスタート信号が
得られる。
800は、目標電圧のデジタル値をRAMメモリ810
から取り出し、それをデジタルアナログ変換器システム
820に供給する。ここで変換器820の1アナログ出
力側に所望の電圧が発生する。さらに(図示しない)こ
のアナログ出力側は比較器システム830に接続されて
いる。これに加えて論理回路800は、(第1グループ
G1の圧電素子10,20または30のうちの任意の圧
電素子に対する)測定点600か、または(第2グルー
プG2の圧電素子40,50または60のうちの任意の
圧電素子に対する)測定点610のいずれか一方を比較
器システム830に対して選択する。この結果、選択し
た圧電素子10,20,30,40,50または60に
おける目標電圧と、目下の電圧とが比較しシステム83
0によって比較される。この比較の結果、すなわち目標
電圧と目下の電圧との差分は、論理回路800に伝送さ
れる。ここで目標電圧と目下の電圧とが相互に等しくな
ると、直ちに論理回路800によってこのプロシージャ
を停止することができる。
択される任意の圧電素子10,20,30,40,50
または60に対応する分岐選択スイッチ11,21,3
1,41,51または61に供給する。これによってこ
のスイッチが閉じる(ここで説明する実施例では、すべ
ての分岐選択スイッチ11,21,31,41,51お
よび61は、充電プロシージャがオンにセットされる
前、開いている状態にあるとする)。つぎに論理回路8
00は制御信号を充電スイッチ220に供給し、これに
よってこのスイッチが閉じる。さらに論理回路800
は、測定点620に発生する任意の電流の測定を開始
(または継続)する。ここでこの測定電流と、所定の任
意の最大値とが比較器システム830によって比較され
る。検出した電流が所定の最大値に達すると直ちに、論
理回路800は充電スイッチ220を再度開く。
れて所定の任意の最小値と比較される。この所定の最小
値に達すると直ちに、論理回路800は充電スイッチ2
20を再度閉じ、プロシージャが再スタートされる。
0または610で検出される電圧が目標電圧を下回って
いる限り繰り返される。この目標電圧に達すると直ち
に、論理回路はこのプロシージャの継続を停止する。
わち圧電素子10,20,30,40,50または60
の選択が、グループ選択スイッチ310ないしは320
によって行われ、放電スイッチ230が充電スイッチ2
20に代って開閉され、所定の最小目標電圧が達成され
る。
電素子10,20,30,40,50または60におけ
る電圧レベルのホールド、例えば主噴射の時間は、例え
ば図3に示したように弁のストロークに従わせることが
できる。
についての上の説明は、単なる例であると理解された
い。したがって上記の回路または別の回路を利用する別
の任意のプロシージャが所望の任意の目的に適合するこ
とができ、相応する任意のプロシージャを上に説明した
例の代わりに使用することができる。
RAMメモリ810に記憶されている。RAMメモリ8
10に記憶されている値は、計量ユニットの時間計算
と、例えばUoptに対する初期値とを含み、ここでU
optは、上の説明したように充電および放電プロシー
ジャにおける目標電圧として使用される。
料噴射システムの動作特性の関数として変化することが
可能である。これは本明細書と同じ日に提出された"Met
hodand Apparatus for Charging a Piezoelectric Elem
ent"(代理人名簿番号10744/11)なる名称の同
時係属出願に十分に記載されている。したがってRAM
メモリ810に記憶されている値には、設定された初期
のUopt電圧に加算される、ないしはこれから減算さ
れるデルタ値が、測定した燃料圧力の関数として含まれ
ている。これは本明細書と同じ日に提出された"Method
and Apparatus for Charging a Piezoelectric Elemen
t"(代理人名簿番号10744/11)なる名称の同時
係属出願に記載されている。記憶されたこれらの目標電
圧はまた変更および連続的に最適化することができ、こ
れはこの明細書と同じ日に提出された"Online Optimiza
tion of Injection Systems Having Piezoelectric Ele
ment"(代理人名簿番号10744/11)なる名称の
同時係属出願に記載されているように行うことができ
る。
する本発明は、上記の実施形態を使用してたやすく実現
することができる。上記のように圧電素子の通常の容量
性負荷によって、この圧電素子の両端の電圧は瞬時に変
化することができない。本発明はこの特性の利点を利用
して負荷の減少を検出し、ここでこれは目標電圧に達す
る時間を監視することによって行われる。
負荷の低下が発生すると、電流の流れが中断される。し
たがって充電スイッチが閉じられている場合、仮想的に
はインダクタンス240の両端における電圧降下はな
く、バッファ回路から供給される全電圧は、測定点60
0または610(どの圧電素子グループ、G1またはG
2のどちらが目下、充電のサイクルにあるかに依存す
る)に相応する分圧器の両端で降下する。このようにし
て目標電圧が満され、圧電素子のすべての電気負荷が関
与する場合よりも短時間で目標電圧を上回る。
が発生する場合、欠陥のある圧電素子から電流は流れ
ず、また放電スイッチが閉じられている場合、測定点6
00または610に相応する分圧器の両端における電圧
はない。したがって負荷の低下が放電サイクル中に発生
する場合、放電フェーズに対する目標電圧は短時間で満
たされ、またはこれを上回り、測定点600および61
0における電圧は0になる。
ば最小の時間閾値が満たされた後に発生する場合、この
負荷の低下はこの充電または放電動作中に検出されず、
負荷のこの低下はつぎの充電または放電の試行中に検出
される。
220または放電スイッチ230のどちらか一方がそれ
ぞれ閉じられた場合に開始される。論理回路800によ
って、電圧の監視点600または610が(第1グルー
プG1の圧電素子が充電されるのか、または第2グルー
プG2の圧電素子が充電されるのかに依存して)選択さ
れ、これが比較器システム830によって目標電圧と比
較される。計量ユニットのクロックを利用して論理回路
800は、充電スイッチ220または放電スイッチ23
0が閉じられて圧電素子の相応する充電または放電フェ
ーズが開始された時間を記憶する。監視点600および
610は、充電または放電フェーズが開始された時の、
相応する圧電素子グループの両端にある電圧を(分圧器
を介して)示す。目標電圧と(測定点600または61
0で測定される)目下の電圧との間の差分は比較器シス
テム830によって論理回路800に伝送される。目下
の電圧が目標電圧に達した場合、論理回路800は、こ
のプロシージャを停止することができ、目下の充電また
は放電フェーズが開始された時間から目標電圧に達する
までの時間間隔を計算する。
は放電時間間隔と、あらかじめ定めた最小時間間隔とを
比較することができる。目下の時間間隔が、あらかじめ
定めた最小時間間隔よりも短い場合、負荷減少が圧電素
子において発生しており、エラー信号が形成される。こ
のエラー信号は、活動化集積回路Eのエラーメモリにエ
ントリを作成するために使用することができ、これによ
って欠陥のある圧電素子が識別される。さらに制御ユニ
ットDおよび活動化集積回路Eをプログラムして、この
欠陥のある圧電素子に対して充電および放電フェーズの
起動を止めるようにすることができる。これはエラー信
号の発生に基づいて行われる。
子に負荷減少が発生した場合、この圧電素子を放電スイ
ッチ230を介して放電することはできない。それは制
御ユニットが放電サイクルを中止しているか、または圧
電素子駆動回路に問題があるかのいずれかだからであ
る。このような場合、この圧電素子を、相応する分岐抵
抗13,23,33,43,53または63を介して放
電することができる。
噴射システムの概略図である。
を示す図である。
路図である。
ッチ220が閉じられている)に発生する状態を説明す
る図である。
ッチ220は再度開かれている)に発生する状態を説明
する図である。
ッチ230は閉じられている)に発生する状態を説明す
る図である。
ッチ230は再度開かれている)に発生する状態を説明
する図である。
コンポーネントのブロック回路図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 圧電素子(10,20,30,40,5
0または60)が目標電圧にあらかじめ定めた最小時間
間隔よりも短時間で達した場合、論理回路(800)に
よってエラー信号が形成されることを特徴とする、 圧電素子(10,20,30,40,50または60)
を駆動する際の負荷減少を検出する装置。 - 【請求項2】 前記論理回路(800)によって、1つ
または複数のスイッチが制御されて圧電素子(10,2
0,30,40,50または60)の両端の充電または
放電回路が給電され、これによって当該圧電素子が目標
電圧に到達させられる請求項1に記載の装置。 - 【請求項3】 電圧比較器によって、圧電素子(10,
20,30,40,50または60)の両端からの電圧
測定値が受信されかつ圧電素子(10,20,30,4
0,50または60)の両端における電圧測定値と、前
記目標電圧との差分を表す差分信号が前記論理回路に供
給される請求項1または2に記載の装置。 - 【請求項4】 クロック回路によってタイミング信号が
前記論理回路に供給され、 前記タイミング信号は論理回路によって使用され、これ
によって圧電素子(10,20,30,40,50また
は60)が目標電圧に達する時間区間が測定され、かつ
当該測定した時間区間と、前記のあらかじめ定めた最小
時間間隔とが比較される請求項1から3までのいずれか
1項に記載の装置。 - 【請求項5】 前記差分信号は、圧電素子の両端におけ
る電圧測定値が、目標電圧よりも高いか否かを示す請求
項4に記載の装置。 - 【請求項6】 前記電圧比較器は、目下の電圧測定値を
分圧器回路における測定点から受け取る請求項1から5
までのいずれか1項に記載の装置。 - 【請求項7】 前記圧電素子(10,20,30,4
0,50または60)は燃料噴射システムにおけるアク
チュエータである請求項1から6までのいずれか1項に
記載の装置。 - 【請求項8】 前記エラー信号は、エラーメモリの1エ
ントリとして記録される請求項1から7までのいずれか
1項に記載の装置。 - 【請求項9】 圧電素子(10,20,30,40,5
0または60)を駆動する際の負荷減少を検出する方法
であって、 前記駆動は、圧電素子(10,20,30,40,50
または60)に回路を適用して、該圧電素子を目標電圧
に充電または放電することによって行われる形式の、圧
電素子を駆動する際の負荷減少を検出する方法におい
て、 圧電素子(10,20,30,40,50または60)
が目標電圧に達するのに要する時間を監視し、 圧電素子(10,20,30,40,50または60)
が目標電圧に、あらかじめ定めた最小時間間隔よりも短
時間で到達した場合にエラー信号を形成する圧電素子を
駆動する際の負荷減少を検出する方法。 - 【請求項10】 前記圧電素子(10,20,30,4
0,50または60)は燃料噴射システムにおけるアク
チュエータである請求項9に記載の方法。
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