DE102016216394A1

DE102016216394A1 - Einspritzsteuervorrichtung

Info

Publication number: DE102016216394A1
Application number: DE102016216394.9A
Authority: DE
Inventors: Takumi Arita
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2036-09-01
Also published as: JP2017053236A; JP6493108B2; DE102016216394B4

Abstract

Zusätzlich zu einem Kondensator (9) einer Verstärkungsschaltung (2) werden Kondensatoren (10, 11) mit einer vorbestimmten Spannung geladen, die von einer Energieversorgung über die Verstärkungsschaltung (2) zugeführt wird. Einspritzventilansteuerschaltungen (4a, 4b) zum Ansteuern von piezoelektrischen Einspritzern (3a, 3b) sind über Sicherungsschaltungen (12a, 12b) mit den Kondensatoren verbunden. In einem normalen Betrieb wird den piezoelektrischen Einspritzern auf gepulste Weise Energie zugeführt, und somit wird eine Chip-Sicherung (13) nicht geschmolzen. Wenn einer der MOSFETs (14a, 14b) einen Kurzschlussfehler aufweist, fließt zu dem Zeitpunkt eines Einschaltens ein großer Strom von den Kondensatoren zu den anderen MOSFETs und schmilzt die Chip-Sicherungen in der Sicherungsschaltung. Durch Parallelschalten der Kondensatoren wird eine Gesamtkapazität erhöht und es wird ein äquivalenter Serienwiderstand verringert, wodurch die Entladeenergie erhöht wird, um die Chip-Sicherungen beim Auftreten eines Kurzschlussfehlers sicher zu schmelzen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzsteuervorrichtung.
Eine Einspritzsteuervorrichtung enthält einen piezoelektrischen Einspritzer zum Steuern einer Kraftstoffeinspritzung für eine Brennkraftmaschine und eine Ansteuerschaltung für den piezoelektrisch Einspritzer, wie es beispielsweise in der JP 2002-199748 A beschrieben ist. Die Ansteuerschaltung verwendet Elektrizität, die in einen Kondensator mit einer Spannung geladen wird, die sich aus einer Verstärkung einer Energieversorgungsspannung ergibt. Der Kondensator wird mit dem piezoelektrischen Einspritzer verbunden, um mit Elektrizität geladen zu werden und ein Ventil zur Kraftstoffeinspritzung zu öffnen. Der Kondensator wird von dem piezoelektrischen Einspritzer getrennt und der piezoelektrische Einspritzer wird geerdet, um die gespeicherte elektrische Ladung zu entladen, sodass der piezoelektrische Einspritzer das Ventil schließt, um die Kraftstoffeinspritzung zu stoppen. Zum Laden und Entladen des piezoelektrischen Einspritzers enthält die Ansteuerschaltung, die für jedes Einspritzventil vorhanden ist, Schaltelemente wie beispielsweise einen MOSFET zum Laden und einen MOSFET zum Entladen. Mehrere Ansteuerschaltungen sind für mehrere piezoelektrische Einspritzer vorhanden, und eine Sicherung ist für gemeinsame Schaltungskomponenten vorhanden.
In einem normalen Betriebszustand werden der MOSFET zum Laden und der MOSFET zum Entladen nicht gleichzeitig eingeschaltet. Wenn einer der MOSFETs kurzschließt, werden jedoch beide MOSFETs eingeschaltet und bilden einen Kurzschluss zum Zeitpunkt eines Ladens oder Entladens. In diesem Fall beginnt die elektrische Ladung des Kondensators anfänglich durch zwei MOSFETs zu fließen. Wenn dann eine Spannung des Kondensators auf kleiner als die Energieversorgungsspannung abfällt, fließt ein Durchgangsstrom direkt von der Seite der Energieversorgung durch die gemeinsamen Schaltungskomponenten wie beispielsweise die Verstärkungsschaltung.
Wenn die Sicherung, die in einer Schaltung vorhanden ist, die einen Kurzschlussfehler aufweist, schmilzt, bevor der Durchgangsstrom fließt, werden die Schaltungskomponenten in der gemeinsamen Schaltung vor einer Zerstörung oder Beschädigung geschützt. Wenn die Sicherung nicht geschmolzen wird, wird der Durchgangsstrom die gemeinsamen Schaltungskomponenten der Verstärkungsschaltung beschädigen. In einem System, das mehrere piezoelektrische Einspritzer ansteuert, werden die Verstärkungsschaltungskomponenten in der gemeinsamen Schaltung beschädigt und behindern einen normalen Betrieb der Einspritzventilansteuerschaltungen für die anderen piezoelektrischen Einspritzer, wenn die Einspritzventilansteuerschaltung für einen piezoelektrischen Einspritzer fehlerhaft ist.
Die vorliegende Erfindung adressiert das oben beschriebene Problem und weist als Aufgabe auf, eine Einspritzsteuervorrichtung zu schaffen, die gemeinsame Schaltungskomponenten vor einer Beschädigung in einem Fall eines Kurzschlussfehlers in irgendeiner von mehreren Ansteuerschaltungen in einem System zum Ansteuern mehrerer kapazitiver Lasten schützt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Einspritzsteuervorrichtung zum Steuern einer Ansteuerung mehrerer kapazitiver Lasten, die Einspritzventile ansteuern, auf: einen Kondensatorteil, eine Verstärkungsschaltung zum Verstärken einer Energieversorgungsspannung auf eine vorbestimmte Spannung und zum Laden des Kondensatorteils mit der verstärkten Spannung, mehrere Einspritzventilansteuerschaltungen, die jeweils einen Lade-MOSFET und einen Entlade-MOSFET enthalten und einen Strom von dem Kondensatorteil einer entsprechenden kapazitiven Last aus den kapazitiven Lasten zuführt, und mehrere Schmelzschaltungen bzw. Sicherungsschaltungen, die in jeweiligen Stromfließpfaden zwischen dem Kondensatorteil und den Einspritzventilansteuerschaltungen angeordnet sind. Die Einspritzsteuervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatorteil eine Entladeenergie bzw. -leistung, die, wenn ein übermäßiger Strom in einer der Einspritzventilansteuerschaltungen fließt, ausreicht, ein Sicherungselement (Schmelzelement) der Sicherungsschaltung, die zu der Einspritzventilansteuerschaltung korrespondiert, die dem übermäßigen Strom unterzogen wird, zu schmelzen.
1 ist ein elektrisches Schaltungsdiagramm, das eine Konfiguration der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein elektrisches Schaltungsdiagramm, das einen Betriebszustand (a) eines Ladens eines piezoelektrischen Einspritzers und einen Betriebszustand (b) eines Entladens des piezoelektrischen Einspritzers zeigt;
3 ist ein elektrisches Schaltungsdiagramm, das einen Betriebszustand (a), in dem eine Einspritzventilansteuerschaltung 4a abnorm ist, und einen Betriebszustand (b) zeigt, in dem eine Einspritzventilansteuerschaltung 4b abnorm ist;
4 ist ein äquivalentes elektrisches Schaltungsdiagramm der ersten Ausführungsform; und
5 ist eine Grafik, die eine Schmelzeigenschaft einer Chip-Sicherung zeigt.
Eine Einspritzsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf eine Ausführungsform, die in den 1 bis 5 gezeigt ist, beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform steuert eine Kraftstoffeinspritzsteuervorrichtung mehrere piezoelektrische Einspritzer an. In 1 enthält eine Einspritzsteuervorrichtung 1 eine Verstärkungsschaltung 2 und zwei Einspritzventilansteuerschaltungen 4a und 4b, die ein Ansteuern von jeweiligen zwei piezoelektrischen Einspritzern 3a und 3b steuern.
Jeder der piezoelektrischen Einspritzer 3a und 3b ist beispielsweise aus einem Stapel mehrerer piezoelektrischer Elemente ausgebildet, die sich jeweils durch einen piezoelektrischen Effekt zusammenziehen, wenn eine Spannung zwischen dessen beiden Elektroden angelegt wird und dieses mit elektrischer Ladung geladen wird. Unter Verwendung des Zusammenziehens der piezoelektrischen Elemente zieht sich jeder piezoelektrische Einspritzer 3a, 3b, der in einen oberen Endteil einer Einspritzdüse eingeführt ist, zusammen und öffnet die Düse. Wenn die geladenen elektrischen Ladungen entladen werden, kehrt jedes der piezoelektrischen Elemente von dem zusammengezogenen Zustand zu seinem normalen ausgedehnten Zustand zurück. Der piezoelektrische Einspritzer 3a, 3b dehnt sich somit aus und schließt die Düse. Mit dem Zusammenziehen und Ausdehnen des piezoelektrischen Einspritzers 3a, 3b, das oben beschrieben wurde, wird eine Einspritzung von Kraftstoff von der Düse gesteuert.
Die Verstärkungsschaltung 2 ist vorhanden, um eine Spannung einer DC-Energieversorgung VD zu verstärken und die verstärkte Spannung auszugeben. Die Verstärkungsschaltung 2 enthält eine Verstärkungsspule 5, ein Schaltelement 6, einen Widerstand 7 zur Strombegrenzung und eine Diode 8. Die Verstärkungsspule 5 und eine Serienschaltung aus dem Schaltelement 6 und dem Widerstand 7 sind zwischen die DC-Energieversorgung VD und Masse geschaltet. Ein gemeinsamer Verbindungsknoten zwischen der Verstärkungsspule 5 und dem Schaltelement 6 ist über die Diode 8, die in der Durchlassrichtung vorgespannt ist, mit einem Ende jeweiliger Kondensatoren 9, 10 und 11 verbunden, die kapazitive Elemente zum Bereitstellen eines Kondensatorteils sind. Das andere Ende des Kondensators 9 ist über den Widerstand 7 geerdet. Die anderen Enden der Kondensatoren 10 und 11 sind direkt geerdet.
Ein gemeinsamer Verbindungsknoten zwischen der Diode 8 und dem Kondensator 9 ist mit zwei Stromfließpfaden zu den Einspritzventilansteuerschaltungen 4a und 4b verbunden. In den Stromfließpfaden sind jeweilige Sicherungsschaltungen 12a und 12b angeordnet. In jeder Sicherungsschaltung 12a, 12b sind zwei Chip-Sicherungen 13 in Serie geschaltet. Die Chip-Sicherung 13 schmilzt, wenn ein übermäßiger Strom durch diese fließt.
In der vorliegenden Ausführungsform führen die Einspritzventilansteuerschaltungen 4a und 4b den piezoelektrischen Einspritzern 3a und 3b jeweilige gepulste Ströme zu. Da die Chip-Sicherung 13 ein Heizen und Kühlen durch wiederholte gepulste Stromzufuhr wiederholt, besteht die Möglichkeit eines Schmelzens aufgrund einer thermischen Spannung durch die Ausdehnung und das Zusammenziehen. Da zwei Chip-Sicherungen 13 in Serie geschaltet sind, werden vorzugsweise sämtliche dieser Chip-Sicherungen 13 durch gleichzeitiges Schmelzen zerstört. Diesbezüglich sind zwei Chip-Sicherungen 13, die in jeder Sicherungsschaltung 12a, 12b verwendet werden, geeignet, da diese Sicherungen eine geringere Variation ihrer Schmelzeigenschaften und ein hohes Widerstandsvermögen in Bezug auf einer Belastung, die von einer Metallermüdung herrührt, aufweisen.
Die Sicherungsschaltung 12a ist mit der Einspritzventilansteuerschaltung 4a verbunden, und die Sicherungsschaltung 12b ist mit der Einspritzventilansteuerschaltung 4b verbunden. Jede Einspritzventilansteuerschaltung 4a, 4b enthält einen MOSFET 14a zum Laden, einen MOSFET 14b zum Entladen und eine Spule 15. Der Lade-MOSFET 14a und der Entlade-MOSFET 14b sind in Serie geschaltet und geerdet. Jeder MOS-FET 14a, 14b ist ein n-Kanal-Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor und weist eine Rückkopplungsdiode auf. Zu jedem Entlade-MOSFET 14b ist eine Serienschaltung aus der Spule 15 und dem piezoelektrischen Einspritzer 3a, 3b parallel geschaltet. Die Spule 15 ist vorhanden, um den Strom, der zu dem Zeitpunkt des Ladens und Entladens des piezoelektrischen Einspritzers 3a, 3b fließt, zu begrenzen. Die Spule 15 dient außerdem zur Energiewiederherstellung.
Im Folgenden wird ein Betrieb der Einspritzsteuervorrichtung 1 mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben. In der Verstärkungsschaltung 2 wird das Schaltelement 6 durch eine Steuerschaltung ein- und ausgeschaltet, die nicht gezeigt ist, sodass die Kondensatoren 9 bis 11 durch eine induzierte Spannung, die in der Verstärkungsspule 5 erzeugt wird, über die Diode 8 auf eine vorbestimmte hohe Spannung geladen werden. Die Spannungsverstärkung wird zu einem geeigneten Zeitpunkt gesteuert, sodass die Spannung der Kondensatoren 9 bis 11 auf der vorbestimmten hohen Spannung gehalten wird.
Zur Ansteuerung jedes Einspritzventils durch die piezoelektrischen Einspritzer 3a, 3b wird ein Ansteuersignal an die Einspritzventilansteuerschaltung 4a, 4b des anzusteuernden piezoelektrischen Einspritzers 3a, 3b von einer Steuerungsschaltung, die nicht gezeigt ist, zu einem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt angelegt. Es wird hier angenommen, dass der piezoelektrische Einspritzer 3a angesteuert wird.
In diesem Fall wird ein Ansteuersignal mehrere Male auf gepulste Weise von der Steuerschaltung an den Lade-MOSFET 14a der Einspritzventilansteuerschaltung 4a angelegt. Der Entlade-MOSFET 14b wird zu diesem Zeitpunkt in dem ausgeschalteten Zustand gehalten. Während sich der Lade-MOSFET 14a in dem eingeschalteten Zustand befindet, fließt ein Ladestrom I von dem Kondensator 9 durch die Sicherungsschaltung 12a, wie es mit dem Pfeil A bei (a) in 2 gezeigt ist. Außerdem fließt der Strom I von dem Lade-MOSFET 14a zu dem piezoelektrischen Einspritzer 3a durch die Spule 15, wie es mit den Pfeilen B und C gezeigt ist, wodurch der piezoelektrische Einspritzer 3a geladen wird. Wenn der piezoelektrische Einspritzer 3a durch das Anlegen der Spannung geladen wird, zieht er sich zusammen und öffnet die Einspritzdüse. Mit dem mehrmaligen Einschalten des Lade-MOSFET 14a für jede Einspritzung wird der piezoelektrische Einspritzer 3a in eine vorbestimmte Öffnungsposition für eine vorbestimmte Einspritzung angesteuert.
Wenn das Einspritzventil danach zu schließen ist, wird das gepulste Ansteuersignal von der Steuerschaltung an den Entlade-MOSFET 14b der Einspritzventilansteuerschaltung 14a mehrere Male angelegt. Der Lade-MOSFET 14a wird zu diesem Zeitpunkt in dem ausgeschalteten Zustand gehalten. Somit werden, wie es mit den Pfeilen D und E bei (b) in 2 angegeben ist, die elektrischen Ladungen, die in den piezoelektrischen Einspritzer 3a geladen wurden, durch die Spule 15 und den Entlade-MOS-FET 14b zur Masse entladen, wenn der Entlade-MOSFET 14b eingeschaltet ist. Wenn sich die Spannung des piezoelektrischen Einspritzers 3a aufgrund des Entladens verringert, ändert sich der Zustand des piezoelektrischen Einspritzers 3a von dem zusammengezogenen Zustand in den ausgedehnten Zustand und schließt die Einspritzdüse. Mit dem mehrmaligen Einschalten des Entlade-MOSFET 14b kehrt der piezoelektrische Einspritzer 3a zu seinem vorbestimmten Ursprungszustand zurück, womit ein Einspritzbetrieb beendet wird.
Auch wenn es nicht beschrieben ist, wird der piezoelektrische Einspritzer 3b ebenfalls auf dieselbe Weise angesteuert. In dem oben beschriebenen normalen Betrieb wird der Strom, der zum Ansteuern des piezoelektrischen Einspritzers 3a, 3b fließt, beschränkt, sodass die Chip-Sicherung 13 in der Sicherungsschaltung 12a, 12b nicht geschmolzen wird. Das heißt, die Chip-Sicherung 13 weist eine Stromkapazität auf, die ausreichend groß ist, dass ein Schmelzen bei der normalen Verwendung nicht bewirkt wird.
Es wird nun angenommen, dass der Lade-MOSFET 14a oder der Entlade-MOS-FET 14b einen Kurzschlussfehler in der Einspritzventilansteuerschaltung 4a oder 4b aufweist. Wenn einer der MOSFETs 14a und 14b einen Kurzschlussfehler in einer jeweiligen Einspritzventilansteuerschaltung 4a, 4b aufweist, wird der Anschluss des Kondensators 9 zu dem Zeitpunkt des Einschaltens des anderen MOSFET mit Masse kurzgeschlossen. Somit wird die elektrische Ladung schnell entladen, was zu einem abnormen Betrieb führt.
In 3 zeigt (a) einen Betrieb in dem abnormen Zustand der Einspritzventilansteuerschaltung 4a, und (b) zeigt einen Betrieb in dem abnormen Zustand der Einspritzventilansteuerschaltung 4b. In jedem Fall (a), (b) schmelzen die Chip-Sicherungen 13 in der Sicherungsschaltung 12a oder 12b, die auf dieselbe Weise betrieben wird. Es wird hier angenommen, dass die Einspritzventilansteuerschaltung 4a den Kurzschlussfehler aufweist, wie es bei (a) gezeigt ist.
Es wird beispielsweise angenommen, dass der Lade-MOSFET 14a in der Einspritzventilansteuerschaltung 4a den Kurzschlussfehler aufweist. In diesem Beispiel wird der piezoelektrische Einspritzer 3a geladen, ohne den Lade-MOSFET 14a anzusteuern. Da jedoch kein gepulstes Ein-Aus-Signal als Ansteuersignal angelegt wird, wird dem piezoelektrischen Einspritzer 3a der Ladestrom kontinuierlich zugeführt. Sogar nach dem Ende der Ladeperiode des piezoelektrischen Einspritzers 3a wird der Ladepfad zu dem piezoelektrischen Einspritzer 3a aufrechterhalten, und die Einspritzdüse verbleibt in dem vollständig geöffneten Zustand.
In dem Betrieb zum Entladen der elektrischen Ladungen, die in dem piezoelektrischen Einspritzer 3a gespeichert sind, durch Einschalten des Entlade-MOSFET 14b wird der Ladepfad von dem Kondensator 9 zur Masse über den Lade-MOSFET 14a zu dem Zeitpunkt des Einschaltens des Entlade-MOSFET 14b kurzgeschlossen. Somit werden, wie es mit den Pfeilen F, G, H und J bei (a) in 3 gezeigt ist, die elektrischen Ladungen der Kondensatoren 9, 10 und 11 innerhalb einer kurzen Zeit entladen, und es fließt ein großer Strom in der Sicherungsschaltung 12a. Als Ergebnis schmilzt die Energie des Entladestroms der Kondensatoren 9, 10 und 11 beide Chip-Sicherungen 13 der Sicherungsschaltung 12a und unterbricht den Stromfluss zu der Einspritzventilansteuerschaltung 4a.
In der herkömmlichen Vorrichtung, bei der die Kondensatoren 10 und 11 nicht bereitgestellt werden, wird die Chip-Sicherung 13 nur durch die elektrische Ladung des Kondensators 9 geschmolzen. Es ist aufgrund von Variationen der Schaltungskonstanten elektronischer Komponenten einer Sicherungsschaltung häufig nicht möglich, die Chip-Sicherung 13 sicher zu schmelzen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Kapazitäten der Kondensatoren 10 und 11 zu der Kapazität des Kondensators 9 hinzugefügt, da die Kondensatoren 10 und 11 hinzugefügt sind, wodurch die Gesamtkapazität der Kondensatoren 9 bis 11 erhöht wird. Da äquivalente Serienwiderstände der Kondensatoren 10 und 11 parallel hinzugefügt sind, wird der Gesamtwiderstand der Kondensatoren 9 bis 11 verringert. Als Ergebnis können die Chip-Sicherungen 13 sicher durch einen erhöhten Entladestrom geschmolzen werden, wenn ein Kurzschlussfehler auftritt.
Wenn, wie es oben beschrieben wurde, zwei Chip-Sicherungen 13 der Sicherungsschaltung 12a geschmolzen werden, wird die Einspritzventilansteuerschaltung 4a von der Verstärkungsschaltung 2 und den Kondensatoren 9 bis 11 getrennt. In diesem Fall wird der piezoelektrische Einspritzer 3a, der von der Einspritzventilansteuerschaltung 4a angesteuert wird, nicht betreibbar. Der piezoelektrische Einspritzer 3b, der von der Einspritzventilansteuerschaltung 4b angesteuert wird, wird jedoch betreibbar gehalten.
Nach dem Schmelzen der beiden Chip-Sicherungen 13 bewirkt die Anschlussspannung des Kondensators 9 eine große Potentialdifferenz zwischen einem eingangsseitigen Anschluss und einem ausgangsseitigen Anschluss von zwei in Serie geschalteten Chip-Sicherungen 13. Wenn in diesem Fall ein Abstand zwischen diesen Anschlüssen der Chip-Sicherungen 13 klein ist, ist es wahrscheinlich, dass ein Überspannungsbogen auftritt. In der vorliegenden Ausführungsform weist die Sicherungsschaltung 12a zwei oder mehr Chip-Sicherungen 13 auf, die in Serie geschaltet sind, und somit wird der Abstand zwischen den Anschlüssen der Chip-Sicherungen 13 vergrößert. Somit kann die Einspritzventilansteuerschaltung 4a ohne Fehler getrennt werden.
Da die Chip-Sicherungen 13 durch das Entladen der elektrischen Ladungen der Kondensatoren 9 bis 11 geschmolzen werden, fließt der Durchgangsstrom nicht direkt von der Energieversorgung VD. Es ist somit möglich, Schaltungskomponenten, die die Verstärkungsschaltung 2 ausbilden, vor einer Beschädigung durch den Durchgangsstrom zu schützen.
Wenn der Entlade-MOSFET 14b einen Kurzschlussfehler aufweist, wird der Lade-MOSFET 14a über den Entlade-MOSFET 14b, der sich in dem kurzgeschlossenen Zustand befindet, mit Masse kurzgeschlossen, wenn der Lade-MOSFET 14a zu dem Zeitpunkt des Ladens des piezoelektrischen Einspritzers 3a eingeschaltet wird. Somit werden die elektrischen Ladungen der Kondensatoren 9 bis 11 an die Sicherungsschaltung 12a entladen. Als Ergebnis schmelzen beide Chip-Sicherungen 13 der Sicherungsschaltung 12a durch die Energie der Entladeströme der Kondensatoren 9 bis 11 und unterbrechen den Stromfluss zu der Einspritzventilansteuerschaltung 4a und dem piezoelektrischen Einspritzer 3a.
Mit dem Schmelzen der beiden Chip-Sicherungen 13 der Sicherungsschaltung 12a wird die Einspritzventilansteuerschaltung 4a ähnlich wie in dem oben beschriebenen Fall von der Verstärkungsschaltung 2 getrennt. Es ist somit möglich, die Schaltungskomponenten, die die Verstärkungsschaltung 2 ausbilden, vor einer Beschädigung durch den Durchgangsstrom zu schützen.
Auch wenn es nicht genauer beschrieben ist, fließt, wenn der Lade-MOSFET 14a oder der Entlade-MOSFET 14b der Einspritzventilansteuerschaltung 4b den Kurzschlussfehler aufweist, ein großer Strom in der Sicherungsschaltung 12b, wie es mit den Pfeilen K, L, M und N bei (b) in 3 gezeigt ist. Als Ergebnis schmilzt die Energie des Entladestroms der Kondensatoren 9, 10 und 11 beide Chip-Sicherungen 13 der Sicherungsschaltung 12b und unterbricht den Stromfluss zu der Einspritzventilansteuerschaltung 4b.
Da beide Chip-Sicherungen 13 der Sicherungsschaltung 12b ähnlich wie oben beschrieben geschmolzen werden, wird die Einspritzventilansteuerschaltung 4b von der Verstärkungsschaltung 2 getrennt. Es ist somit möglich, die Schaltungskomponenten der Verstärkungsschaltung 2 vor einer Beschädigung durch den Durchgangsstrom von der Energieversorgungsspannung VD zu schützen.
Im Folgenden werden das strukturelle Merkmal und das Prinzip zum sicheren Erzielen einer elektrischen Trennung beschrieben. 4 zeigt ein äquivalentes elektrisches Schaltungsdiagramm einer Schaltung zum Schmelzen der Chip-Sicherungen 13, die in der Sicherungsschaltung 12a angeordnet sind, die in Entsprechung zu der Einspritzventilansteuerschaltung 4a angeordnet ist. In dieser Figur sind drei Kondensatoren 9 bis 11, die parallel geschaltet sind, Seite an Seite angeordnet.
Unter Berücksichtigung der Energie, die durch Entladen eines Kondensators bereitgestellt wird, werden eine Kapazität und ein äquivalenter Serienwiderstand (ESR) des Kondensators als C und Rc angenommen. In dieser Ausführungsform werden die Kapazitäten der Kondensatoren 9, 10 und 11 jeweils als C9, C10 und C11 ausgedrückt, und die äquivalenten Serienwiderstandswerte von äquivalenten Serienwiderständen R9, R10 und R11 werden jeweils mit Rc9, Rc10 und Rc11 ausgedrückt. Wenn ein Kondensator seine elektrischen Ladungen entlädt, ändert sich im Allgemeinen eine Zeitkonstante eines Kondensatorbetriebs des äquivalenten Serienwiderstands, und somit verringert sich ein Entladestrom. Diese Komponente wird in der folgenden Studie berücksichtigt.
In 4 weisen der Widerstand 7, die Chip-Sicherung 13 und der Lade-MOSFET 14a, der den Kurzschlussfehler aufweist, jeweilige Widerstandswerte R7, Rh und Rmos auf. Ein maximaler Wert des Widerstandswertes Rmos wird als gleich einem Durchlasswiderstandswert des Lade-MOSFET 14a angenommen. Ein Widerstandswert des Entlade-MOSFET 14b wird als derselbe wie Rmos, der der Durchlasswiderstandswert ist, angenommen. Wenn angenommen wird, dass ein Widerstand R1 in Serie zu dem Entlade-MOSFET 14b geschaltet ist, wird dessen Widerstandswert als R1 ausgedrückt.
5 zeigt eine Schmelzeigenschaft einer Chip-Sicherung, beispielsweise der Chip-Sicherung 13. In 5 gibt die Abszisse eine Schmelzzeit T (Sekunden) an, und die Ordinate gibt eine Strommenge I²t (A²s) an. Die durchgezogene Linie Q gibt eine Grenze zwischen zwei Bereichen an. Ein Bereich X, der oberhalb der Linie Q liegt, gibt eine Belastung an, die ausreicht, um eine Chip-Sicherung sicher zu schmelzen. Ein Bereich, der unterhalb der Linie Q liegt, gibt eine Belastung an, die nicht ausreicht, um die Chip-Sicherung sicher zu schmelzen. Durch Absenken der Linie Q um 5% auf die durchgezogene Linie R in einem Lastzustand gibt ein Bereich SA, der unterhalb der durchgezogenen Linie R liegt, eine Belastung an, die nicht ausreichend ist, um die Sicherung auch dann nicht zu schmelzen, wenn diese wiederholt mit einer Häufigkeit ausgeübt wird, die 20 Jahren entspricht. Die Lastrate ist eine Rate, die mit der Anzahl der gepulsten Ströme, bei der die Sicherung schmilzt, variiert. Wenn beispielsweise angenommen wird, dass die Rate 100% beträgt, wenn die Sicherung durch einen gepulsten Strom schmilzt, verringert sich die Rate auf 50%, 28%, 20% und 5%, wenn sich die Anzahl der gepulsten Ströme jeweils auf 100, 10.000, 100.000 und 3.600.000.000 erhöht. Die Sicherung heizt sich auf und dehnt sich aus, wenn der gepulste Strom an die Sicherung angelegt wird, und die Sicherung kühlt sich ab und zieht sich zusammen, wenn die Zufuhr des gepulsten Stroms gestoppt wird. Diese Wiederholung des Ausdehnens und Zusammenziehens bewirkt eine Metallermüdung und ein Durchbrechen der Sicherung. Aus diesem Grund wird die Lastrate derart festgelegt, dass sie sich verringert, wenn sich die Anzahl der gepulsten Ströme erhöht.
In einem normalen Nutzungszustand schmilzt die Chip-Sicherung 13 nicht, und die Einspritzventilansteuerschaltungen 4a und 4b können weiterhin betrieben werden, insoweit wie die Belastung, die auf die Chip-Sicherung 13 wirkt, sich in dem Bereich SA befindet, wie es beispielhaft in 5 bei einem Punkt S gezeigt ist. Wenn jedoch ein abnormer Zustand wie beispielsweise ein Kurzschlussfehler auftritt und sich die Belastung in den Bereich X verschiebt (erhöht), wird die Chip-Sicherung 13 sicher geschmolzen, wie es beispielsweise in 5 bei dem Punkt P2 gezeigt ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform liegt der Punkt P2 höher als ein Bezugspunkt P1, das heißt es wird eine Belastung zu einem abnormen Zeitpunkt auf größer als ein Nennwert einer Komponente erhöht.
In dem normalen Betrieb wird, da die Einspritzventilansteuerschaltungen 4a und 4b die piezoelektrischen Einspritzer 3a und 3b jeweils durch gepulste Ansteuersignale abwechselnd ansteuern, jede Chip-Sicherung 13 dem Stromfluss nur intermittierend, das heißt mit Intervallen, in denen auch kein Strom fließt, unterzogen. Somit können die piezoelektrischen Einspritzer 3a und 3b in dem normalen Betrieb angesteuert werden, ohne die Chip-Sicherungen 13 zu schmelzen.
Wenn entweder der Lade-MOSFET 14a oder der Entlade-MOSFET 14b kurzschließt, nimmt die Einspritzventilansteuerschaltung 4a dieselbe Schaltungskonfiguration an, als wenn die beiden MOSFETs 14a und 14b gleichzeitig eingeschaltet werden. Die elektrischen Ladungen des Kondensators 9 fließen sofort zu den Chip-Sicherungen 13. Diese Situation ist beispielsweise in 4 dargestellt. In dieser Situation muss die Chip-Sicherung 13 fehlerfrei durch Entladen der elektrischen Ladungen der Kondensatoren 9 bis 11 geschmolzen werden.
Eine minimale Strommenge, die durch Entladen der Kondensatoren 9 bis 11 bereitgestellt wird, wird wie folgt geschätzt. Durch Festlegen des minimalen Entladestroms, der benötigt wird, um die Chip-Sicherung 13 sicher zu schmelzen, ist es möglich, die Chip-Sicherung 13 sogar in einem Zustand zu schmelzen, in dem die Kondensatoren Variationen aufweisen.
Wenn angenommen wird, dass die Kondensatoren 9 bis 11 einen kombinierten Kondensator C als einen Kondensatorteil ausbilden, wird der kombinierte Kapazitätswert C wie folgt berechnet. C = C9 + C10 + C11 (1)
Die Strommenge, die mit der Änderung der kombinierten Kapazität C erzeugt wird, wird wie folgt berechnet. 1/2 × (Imax)²τ (2)
In der Gleichung (2) ist der Strom Imax als Spannung/Widerstandswert (= V/R) definiert. Die Zeit τ ist eine Zeitkonstante CR. Die Gleichung (2) wird somit wie folgt ausgedrückt. 1/2 × (Imax)²τ = 1/2 × (V/R)² × CR = 1/2 × V²/R × C (3)
Die Strommenge, die zum Schmelzen benötigt wird und anhand der Gleichung (3) berechnet wird, muss sogar in einem Fall gewährleistet werden, in dem sie aufgrund von Variationen in dem kombinierten Kondensator C und den Widerständen am kleinsten wird. Aus diesem Grund nimmt die Anschlussspannung V des Kondensators unter Berücksichtigung einer oberen Grenze und einer unteren Grenze für die Variation ihren minimalen Wert Vmin an, die Kapazität C des kombinierten Kondensators nimmt ihren minimalen Wert Cmin an, und ein Widerstandswert R der Widerstände einer Gesamtheit einer Entladeschaltung nimmt seinen maximalen Wert Rmax an. Die Strommenge, die wie oben beschrieben berechnet wird, ist eine notwendige Bedingung zum sicheren Schmelzen der Chip-Sicherung.
Die Spannung V in der Gleichung (3) wird wie folgt ausgedrückt. V = √(2W/C) (4)
In dieser Gleichung (4) ist W als eine Differenz definiert, die durch Subtrahieren einer Einspritzenergie von einer Vor-Einspritzladungsmenge (1/2 × CV²) bestimmt wird. Wie es aus der Gleichung (3) ersichtlich ist, kann die Strommenge, die benötigt wird, um die Chip-Sicherung 13 zu schmelzen, durch Erhöhen des Kapazitätswertes C des kombinierten Kondensators C, Verringern des Widerstandswertes R oder eine Kombination aus beiden erhöht werden.
Da in der vorliegenden Ausführungsform die Kondensatoren 10 und 11 parallel zu dem Kondensator 9 hinzugefügt sind, der herkömmlich verwendet wird, kann die Strommenge durch beispielsweise Verdoppeln des Kapazitätswertes erhöht werden. Wie es in der vorliegenden Ausführungsform beispielhaft dargestellt ist, sind die Kondensatoren 10 und 11 außerdem parallel zu dem Kondensator 9 geschaltet. Der äquivalente Serienwiderstand R9, der innerhalb des Kondensators 9 existiert, ist ebenfalls parallel zu den äquivalenten Serienwiderständen der Kondensatoren 10 und 11 geschaltet. Der Gesamtwiderstand der äquivalenten Serienwiderstände wird somit verringert. Durch Parallelschalten der Kondensatoren 10 und 11 zu dem Kondensator 9 wird der äquivalente Serienwiderstandswert effektiv verringert, wodurch die Strommenge erhöht wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Kondensatoren 10 und 11 parallel zu dem Kondensator 9 der Verstärkungsschaltung 2 geschaltet, sodass die Gesamtkapazität erhöht wird. Da die äquivalenten Serienwiderstände der Kondensatoren 9 bis 11 parallel geschaltet sind, wird der äquivalente Gesamtserienwiderstand verringert. Als Ergebnis wird die Größe des Stromes, der von den Kondensatoren 9 bis 11 zu den Chip-Sicherungen 13 in der Sicherungsschaltung 12a, 12b fließt, erhöht, wodurch die Chip-Sicherungen 13 sicher geschmolzen werden. Sogar wenn einer der MOSFETs 14a und 14b in einer der Einspritzventilansteuerschaltungen 4a und 4b einen Kurzschlussfehler aufweist, wird demzufolge die Einspritzventilansteuerschaltung, die den Kurzschluss aufweist, durch die Verwendung der Entladeströme der Kondensatoren 9 bis 11 unterbrochen bzw. getrennt. Als Ergebnis ist es möglich, zu verhindern, dass der Durchgangsstrom in die Verstärkungsschaltung 2 fließt, und die gemeinsamen Komponenten vor einer Beschädigung zu schützen.
Da jede Sicherungsschaltung 12a, 12b die Chip-Sicherungen 13 verwendet, ist es außerdem möglich, die mechanische Festigkeit gegenüber einer wiederholten Belastung aufgrund einer thermischen Ausdehnung und eines thermischen Zusammenziehens des Sicherungsdrahtes, die durch gepulste Spannungen, die an die piezoelektrischen Einspritzer 3a und 3b angelegt werden, verursacht wird, zu erhöhen. Außerdem wird ein Isolierabstand aufgrund der Serienschaltung der beiden Chip-Sicherungen 13 gewährleistet.
In der oben beschriebenen Konfiguration wird die Gesamtkapazität durch Parallelschalten beider Kondensatoren 10 und 11 zu dem Kondensator 9 auf etwa das Zweifache der Kapazität des Kondensators 9 erhöht. Alternativ können mehr Kondensatoren verwendet werden, die im Wesentlichen dieselbe Kapazität wie diejenige des Kondensators 9 bereitstellen. Da der kombinierte äquivalente Serienwiderstand dieser Kondensatoren verringert wird, wird sogar in diesem Fall die Strommenge erhöht.
(Weitere Ausführungsform)
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann auf verschiedene Weise modifiziert werden, wie es beispielsweise unten angegeben ist.
Auch wenn die Einspritzsteuervorrichtung 1 zwei Einspritzventilansteuerschaltungen 4a und 4b aufweist, kann sie drei oder mehr Einspritzventilansteuerschaltungen in Entsprechung zu drei oder mehr piezoelektrischen Einspritzern aufweisen.
Auch wenn zwei Chip-Sicherungen 13 in Serie in jeder Sicherungsschaltung 12a, 12b angeordnet sind, können drei oder mehr Chip-Sicherungen in jeder Sicherungsschaltung angeordnet sein.
Auch wenn Chip-Sicherungen 13 verwendet werden, können andere Sicherungselemente alternativ verwendet werden. Auch wenn oben die Einspritzsteuervorrichtung 1 zum Ansteuern des piezoelektrischen Einspritzers 3a, 3b als kapazitiver Last verwendet wird, kann diese verwendet werden, um andere kapazitive Lasten anzusteuern.
Auch wenn der Kondensator 9 für die Verstärkungsschaltung 2 und die Kondensatoren 10 und 11 für die Einspritzventilansteuerschaltungen 4a und 4b als Kondensatorteil bereitgestellt werden, kann eine höhere Anzahl von Kondensatoren parallel geschaltet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2002-199748 A [0002]

Claims

Einspritzsteuervorrichtung zum Steuern einer Ansteuerung mehrerer kapazitiver Lasten (3a, 3b), die Einspritzventile ansteuern, wobei die Einspritzsteuervorrichtung aufweist: einen Kondensatorteil (9 bis 11); eine Verstärkungsschaltung (2) zum Verstärken einer Energieversorgungsspannung auf eine vorbestimmte Spannung und zum Laden des Kondensatorteils (9 bis 11) mit der verstärkten Spannung; mehrere Einspritzventilansteuerschaltungen (4a, 4b), die jeweils einen Lade-MOSFET (14a) und eine Entlade-MOSFET (14b) enthalten und einer entsprechenden kapazitiven Last unter den kapazitiven Lasten einen Strom von dem Kondensatorteil zuführen; und mehrere Sicherungsschaltungen (12a, 12b), die in jeweiligen Stromfließpfaden zwischen dem Kondensatorteil und den Einspritzventilansteuerschaltungen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatorteil (9 bis 11) eine Entladeenergie aufweist, die ausreicht, wenn ein übermäßiger Strom in irgendeiner der Einspritzventilansteuerschaltungen fließt, ein Sicherungselement (13) der Sicherungsschaltung zu schmelzen, die der Einspritzventilansteuerschaltung entspricht, die dem übermäßigen Strom unterzogen wird.
Einspritzsteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kondensatorteil (9 bis 11) mehrere Kondensatoren (9 bis 11) enthält, die parallel geschaltet sind, sodass sie die Entladeenergie aufweisen, die ausreicht, um das Sicherungselement mit einer vergrößerten Kapazität und einem verringerten äquivalenten Serienwiderstandswert zu schmelzen.
Einspritzsteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede Sicherungsschaltung (12a, 12b) mehrere Sicherungselemente (13) enthält, die in Serie geschaltet sind.
Einspritzsteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Sicherungselement eine Chip-Sicherung (13) ist.
Einspritzsteuervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Kondensatoren (9 bis 11) einen Kondensator (9), der in Serie zu einem Widerstand (7) der Verstärkungsschaltung mit Masse verbunden ist, und weitere Kondensatoren (10, 11) enthalten, die parallel zu einer Serienschaltung aus dem einen Kondensator und dem Widerstand mit Masse verbunden sind.