DE19723935C1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern wenig­ stens eines kapazitiven Stellgliedes, insbesondere eines Kraftstoff-Einspritzventils einer Kraftfahrzeug-Brennkraft­ maschine, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung.
Eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der DE 36 21 541 A1 bekannt. Dort werden für die Lade- bzw. Auswahlschalter und Entladeschalter Thyristoren verwendet. Diese müssen beim Einschalten mit einem Impuls gezündet wer­ den und erlöschen von selbst, wenn der über sie fließende Leistungsstrom zu Null wird. Problematisch ist die relativ große Freiwerdezeit der Thyristoren. Dem kann begegnet wer­ den, wenn die Thyristoren durch MOSFET-Schalter und Dioden ersetzt werden. Für N-MOSFET-Schalter ist jedoch eine sehr aufwendige Highside-Ansteuerschaltung erforderlich; für P-MOSFET-Schalter kann zwar die Ansteuerschaltung einfacher ausgebildet sein, bei diesen entstehen jedoch etwa doppelt so hohe Verluste wie bei N-MOSFET-Schaltern.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes mit möglichst ein­ facher Ansteuerung zu schaffen. Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung anzuge­ ben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltung ent­ sprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei wird auf Highside-Ladeschalter (Thyristoren oder MOS­ FET) verzichtet und die Ladevorgänge werden durch massebezo­ gene Auswahlschalter ausgelöst. Der Entladekreis wird nicht über den Masseanschluß GND geführt, um einen inneren Kurz­ schluß der Spannungsquelle infolge des fehlenden Ladeschal­ ters bei leitendem Entladeschalter zu verhindern.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung ist innerhalb eines strichlierten Kastens B1 eine Schaltung zum Ansteuern von nicht dargestellten Kraft­ stoff-Einspritzventilen einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschi­ ne mittels kapazitiver Stellglieder P1 bis Pn dargestellt. Diese Schaltung wird von einer im Ausführungsbeispiel als Schaltnetzteil SNT ausgeführten Spannungsquelle mit Energie versorgt und von den Ausgangssignalen einer Steuerschaltung ST, welcher Steuersignale st von einem mikrocomputergesteuer­ ten Motorsteuergerät zugeführt werden, gesteuert. Für bank­ weise Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bildet die in dem eingerahmten Kasten B1 dargestellte Schaltung eine Bank; für jede Bank B2 bis Bn ist eine weitere derartige Schaltung er­ forderlich, die zu der in dem strichlierten Kasten B1 darge­ stellten Schaltung parallelzuschalten ist.
Die Schaltung besteht aus einem Ladekondensator C1, welcher dem Schaltnetzteil SNT parallelgeschaltet ist. Dem Ladekon­ densator C1 ist eine Reihenschaltung aus einem Entladekonden­ sator C2, einer Umschwingspule L, einem kapazitiven Stell­ glied P1 und einem diesem zugeordneten Auswahlschalter T1 parallelgeschaltet.
Für jedes weitere Kraftstoffeinspritzventil ist ein Stell­ glied P2 bis Pn in Reihe mit seinem Auswahlschalter T2 bis Tn parallel zu der Reihenschaltung aus Stellglied P1 und Aus­ wahlschalter T1 angeordnet.
Die in der Schaltung befindlichen Schalter Te und T1 bis Tn sind N-MOSFET-Schalter, über welche nur in einer Richtung Strom fließt.
Mit dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Kondensatoren C1 und C2 ist der Drainanschluß eines Entladeschalters Te ver­ bunden, dessen Sourceanschluß, über Entkopplungsdioden D1 bis Dn entkoppelt, mit den Drainanschlüssen der Auswahlschalter T1 bis Tn verbunden ist. Drain-, Source- und Gateanschluß D, S, G sind nur beim Auswahlschalter T1 eingezeichnet, um die Figur nicht zu überfrachten.
Außerdem ist ein Bypaßschalter Bp vorgesehen, auf welchen später eingegangen wird, dessen Drainanschluß mit dem Verbin­ dungspunkt zwischen der Umschwingspule L und den Stellglie­ dern P1 bis Pn verbunden ist, und dessen Sourceanschluß mit dem Sourceanschluß des Entladeschalters Te verbunden ist. Sämtliche Schalter werden über ihre Gateanschlüsse von den Ausgangssignalen der Steuerschaltung ST gesteuert.
Der parallel zu den Stellgliedern P1 bis Pn angeordnete Bypaßschalter Bp wird von der Steuerschaltung ST angesteuert, wenn die Stellgliedspannung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet oder wenn ein in der Brennkraftmaschine bis hin zu den Leistungsendstufen der Einspritzventile auftretender Fehler erkannt wird, und entlädt die kapazitiven Stellglieder P1 bis Pn kurzschlußartig. Der Bypaßschalter Bp wird auch zum Auf- oder Nachladen des Entladekondensators C2 benötigt. An­ stelle des Bypaßschalters Bp kann auch eine Diode oder Zener­ diode mit gleicher Polung wie die Inversdiode des Bypaßschal­ ters vorgesehen sein, wobei dann aber die Aufladung des Ent­ ladekondensators C2 über eine Stellgliedbetätigung, bei einem Kraftstoffeinspritzventil vorzugsweise ohne Kraftstoffdruck, vorgenommen werden muß.
In der Schaltung sind Dioden Da und Db vorgesehen, welche Rückströme verhindern sollen. Diode Da verhindert beim Laden einen Rückstrom des negativen Anteils des sinusförmigen Lade­ stroms in die Spannungsquelle, der das Stellglied entladen würde. Diode Db verhindert ein Entladen des Entladekondensa­ tors C2 über die Inversdiode des Entladeschalters Te sowohl beim Entladevorgang (durch den negativen Anteil des sinusför­ migen Entladestroms) als auch bei leitendem Bypaßschalter Bp.
Eine weitere, vom Minuspol GND zum Sourceanschluß des Entla­ deschalters Te stromleitende Diode Dc verhindert negative Spannungen an den Sourceanschlüssen des Entladeschalters Te und des Bypaßschalters Bp während des Übergangs eines der Auswahltransistoren T1 bis Tn in den nichtleitenden Zustand zum leitenden Zustand des Entladeschalters Te oder des Bypaß­ schalters Bp. Das ermöglicht eine einfachere Highside-Ansteu­ erung des Entladeschalters Te oder des Bypaßschalters Bp.
Nachstehend wird das Ansteuerverfahren für diese Schaltung beschrieben. Während des Betriebes der Schaltung ist der La­ dekondensator C1 auf die von der Steuerschaltung ST bestimmte Ausgangsspannung +USNT des Schaltnetzteils SNT aufgeladen.
Bei Betriebsbeginn ist der Entladekondensator C2 entladen und die Umschwingspule L stromlos. Damit auch der Kondensator C2 vor der ersten Stellgliedbetätigung voll aufgeladen ist, wer­ den zunächst der Bypaßschalter Bp und einer der Auswahlschal­ ter T1 bis Tn leitend gesteuert. Dadurch entlädt sich C1 über C2, L, Bp, und beispielsweise D1 und T1. Sodann werden Bp und T1 wieder nichtleitend gesteuert und nun der Entladeschalter Te leitend gesteuert. Dadurch fließt ein Strom in Gegenrich­ tung durch L, C2, Te und die Inversdiode des Bypaßschalters Bp, wodurch C2 so gepolt wird, daß an der Reihenschaltung von C1 und C2 die Summenspannung UC1 + UC2 ( = Ladespannung) an­ liegt.
Die Spannung UC2 am Kondensator C2 wird über eine in diesem Ausführungsbeispiel als Sample-and-Hold-Schaltung S ausge­ bildete Meßschaltung der Steuerschaltung ST mitgeteilt und der Vorgang solange wiederholt, bis C2 auf eine vorgegebene Spannung UC2 aufgeladen ist.
Da die Spannung UC2 am Kondensator C2 bei Nichtbetätigung langsam abfällt, werden auch während des Betriebes, bei­ spielsweise während des Ladevorgangs bei niedrigen Drehzahlen (d. h., bei zeitlich weiter auseinanderliegenden Stellgliedbe­ tätigungen) oder im Schiebebetrieb, solche Nachladungen des Entladekondensators C2 vorgenommen.
Soll ein Einspritzvorgang stattfinden, so wird der dem ent­ sprechenden Stellglied, beispielsweise P1, zugeordnete Aus­ wahlschalter T1 leitend gesteuert. Es fließt Strom von +SNT und C1 über C2, L, P1 und T1 nach GND, bis das Stellglied ge­ laden ist. Der Ladezustand des Stellgliedes P1 bleibt erhal­ ten, solange der Auswahlschalter T1 leitet.
Wird T1 beim Verschwinden seines Steuersignals nichtleitend, und ist auch kein anderer Auswahlschalter T2 bis Tn leitend, so wird automatisch der Entladeschalter Te leitend, welcher invertiert zu den Auswahlschaltern von diesen angesteuert wird: leitet einer der Auswahlschalter T1 bis Tn, ist der Entladeschalter Te nichtleitend, und umgekehrt.
Bei leitendem Entladeschalter Te, wenn kein Stellglied betä­ tigt wird, werden alle Stellglieder P1 bis Pn über die Um­ schwingspule L, den Entladeschalter Te und die Entkopplungs­ dioden D1 bis Dn in den Entladekondensator C2 entladen.
Die am Entladekondensator C2 anschließend anliegende Spannung UC2 wird über die Sample-and-Hold-Schaltung S der Steuer­ schaltung ST mitgeteilt, welche die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils SNT nachsteuert oder nachregelt. Diese Steue­ rung oder Regelung kann entweder auf konstante Ladespannung UC1 + UC2 = const, auf konstante Stellgliedspannung Up = const oder auf dem Stellglied zugeführte konstante Ladung oder Energie erfolgen. Letztere Verfahren sind in den älteren deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen DE 196 52 801 A1 und DE 196 52 807 A1 beschrieben. Anschließend kann der Ladevorgang des nächsten Stellgliedes beginnen u. s. w..
Bei einem externen Kurzschluß eines Stellgliedes P1 bis Pn, welcher den zugeordneten Auswahlschalter T1 bis Tn über­ brückt, entstünde bei leitendem Entladeschalter Te ein Kurz­ schließen des Schaltnetzteils SNT. Um dies zu vermeiden, muß die Drain-Source-Spannung des Entladeschalters Te oder der durch ihn fließende Strom (mittels eines Shunt-Widerstandes) von der Steuerschaltung überwacht werden und im Fehlerfall der Entladeschalter Te sofort nichtleitend gesteuert werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes (P1 bis Pn), insbesondere für ein Kraftstoffein­ spritzventil einer Brennkraftmaschine, mittels einer Steuer­ schaltung (ST), mit einem zwischen Pluspol (+USNT) und Minus­ pol (GND) einer Spannungsquelle (SNT) angeordneten Ladekon­ densator (C1) und mit einer parallel zu diesem Ladekondensa­ tor (C1) angeordneten Reihenschaltung aus einer Umschwingspu­ le (L) und wenigstens einem Stellglied mit zugeordnetem Aus­ wahlschalter (T1 bis Tn), und mit einem Entladeschalter (Te), dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Ladekondensator (C1) und Umschwingspule (L) ein Entladekondensator (C2) angeordnet ist,
daß eine Meßschaltung (S) vorgesehen ist, welche die Span­ nung (UC2) am Entladekondensator (C2) mißt und an die Steuer­ schaltung (ST) weitergibt,
daß der wenigstens eine Auswahlschalter (T1 bis Tn) ein N-MOSFET-Schalter ist, dessen Sourceanschluß (S) mit dem Mi­ nuspol (GND) der Spannungsquelle (SNT) verbunden ist,
daß zwischen Pluspol (+USNT) und Entladekondensator (C2) eine zum Entladekondensator (C2) hin stromleitende Diode (Da) an­ geordnet ist,
daß der Drainanschluß des als N-MOSFET-Schalter ausgebildeten Entladeschalters (Te) über eine zu ihm hin stromleitende Di­ ode (Db) mit der Katode der Diode (Da) verbunden ist und des­ sen Sourceanschluß mit dem Drainanschluß (D) jedes Auswahl­ schalters (T1 bis Tn) über je eine Entkopplungsdiode (D1 bis Dn) verbunden ist, und
daß ein als N-MOSFET-Schalter ausgebildeter, vom Steuergerät steuerbarer Bypaßschalter (Bp) vorgesehen ist, dessen Drain­ anschluß zum Verbindungspunkt zwischen Umschwingspule (L) und Stellglied (P1 bis Pn) führt und dessen Sourceanschluß mit dem Sourceanschluß des Entladeschalters (Te) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (SNT) als ein vom Steuergerät (ST) steu­ erbares Schaltnetzteil ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Bypaßschalters (Bp) eine Diode oder Zenerdiode vorgesehen ist, deren Katode mit der Umschwingspule (L) ver­ bunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Minuspol (GND) zum Sourceanschluß des Entladeschal­ ters (Te) stromleitende Diode (Dc) vorgesehen ist.
5. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladeschalter (Te) leitend gesteuert wird, wenn keiner der Auswahlschalter (T1 bis Tn) leitend gesteuert ist.
6. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der ersten Betätigung eines Stellgliedes (P1 bis Pn) und zwischen zwei Stellgliedbetäti­ gungen, deren zeitlicher Abstand eine vorgegebene Dauer über­ schreitet, der Entladekondensator (C2) auf- oder nachgeladen wird, indem wenigstens einmal gleichzeitig der Bypaßschalter (Bp) und einer der Auswahlschalter (T1 bis Tn) leitend und anschließend nichtleitend gesteuert werden, bis am Entlade­ kondensator (C2) eine vom Steuergerät (ST) vorgegebene Span­ nung (UC2) anliegt.
7. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellglied (P1 bis Pn) betä­ tigt wird, solange der zugeordnete Auswahlschalter (T1 bis Tn) leitend gesteuert ist.
8. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes die Aus­ gangsspannung (+USNT) der Spannungsquelle (SNT) auf konstante Ladespannung (UC1 + UC2) oder auf konstante Stellgliedspan­ nung (Up) gesteuert oder geregelt wird.
9. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes die Aus­ gangsspannung (+USNT) der Spannungsquelle (SNT) dahingehend ge­ steuert oder geregelt wird, daß dem jeweils betätigten Stell­ glied (P1 bis Pn) eine konstante Ladung oder Energie zuge­ führt wird.
10. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypaßschalter (Bp) leitend gesteuert wird, wenn die Stellgliedspannung (Up) einen vorge­ gebenen Grenzwert überschreitet oder wenn ein Schaltungsfeh­ ler auftritt.
11. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladeschalter (Te) nicht­ leitend gesteuert wird, wenn der durch seine Drain-Source- Strecke fließende Strom oder die an ihr liegende Spannung ei­ nen vorgegebenen Wert überschreitet.
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