DE19854306A1 - Actuator with capacitive element e.g. for controlling fuel injection valves in IC engine, has Ohmic resistance connected in parallel with capacitive element dimensioned so that element discharges in time greater than maximum drive duration - Google Patents
Actuator with capacitive element e.g. for controlling fuel injection valves in IC engine, has Ohmic resistance connected in parallel with capacitive element dimensioned so that element discharges in time greater than maximum drive durationInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Steller mit einem kapazitiven Element gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to an actuator with a capacitive Element according to the preamble of the independent claim.
Steller mit kapazitiven Elementen sind bekannt und werden in der Regel als Piezoaktoren bezeichnet. Solche Piezoaktoren werden häufig zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen verwendet. Einspritzsysteme mit Piezoaktoren zeichnen sich dadurch aus, daß diese Steller nahezu einen proportionalen Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung und ihrer Längendehnung aufweisen. Diese Steller besitzen den Vorteil, daß sie eine gewünschte Einspritzmenge mit hoher Genauigkeit, insbesondere auch bei kleinen Einspritzmengen, wie sie beispielsweise bei der Voreinspritzung auftreten, realisieren.Actuators with capacitive elements are known and are usually referred to as piezo actuators. Such Piezo actuators are often used to control the Fuel injection used in internal combustion engines. Injection systems with piezo actuators are characterized by this from that this actuator is almost proportional Relationship between the applied voltage and its Have elongation. These actuators have the Advantage that they have a desired injection quantity with high Accuracy, especially with small injection quantities, such as occur with pre-injection, realize.
Hierzu wird durch Aufladung und Längendehnung eines Piezoaktors ein Steuerventil positioniert, das den Hub einer Düsennadel steuert. In der Regel erfolgt dies unter Verwendung einer hydraulischen Übersetzung. Die Ansteuerung der Piezoaktoren der jeweiligen Zylinder erfolgt durch Ansteuerung einer Endstufe, die sich in einem Steuergerät befindet. Die Verbindung zwischen dem steuergerät und dem Piezoaktor erfolgt über Leitungen, die mit Verbindungsmitteln lösbar mit dem Steller verbunden sind.This is done by charging and stretching one Piezo actuator positioned a control valve that the stroke controls a nozzle needle. This is usually done at Use of a hydraulic translation. The control the piezo actuators of the respective cylinders are made by Control of a power amplifier, which is in a control unit located. The connection between the control unit and the Piezo actuator takes place via lines that are connected with Lanyards are releasably connected to the actuator.
Bei solchen Systemen kann der Fall eintreten, daß der Piezoaktor so angesteuert und das Steuerventil so positioniert ist, daß die Düsennadel öffnet und damit Kraftstoff eingespritzt wird. Ist nun aufgrund eines Fehlers eine Änderung des Ladezustands des Piezoaktors nicht mehr möglich, so bleibt das Steuerventil in seiner unveränderten Position und die Düsennadel bleibt geöffnet. Als Folge wird dem entsprechenden Zylinder eine erhöhte Kraftstoffmenge zugeführt.In such systems, the case may arise that the Piezo actuator so controlled and the control valve so is positioned that the nozzle needle opens and thus Fuel is injected. Is now due to a Error changing the state of charge of the piezo actuator is no longer possible, the control valve remains in its unchanged position and the nozzle needle remains open. As a result, the corresponding cylinder is raised Amount of fuel supplied.
Dieser Fehler kann beispielsweise bei einem Kabelbruch in der Verbindung zwischen dem Steller und dem Steuergerät auftreten. Des weiteren kann dieser Fehler auftreten, wenn in dem Steuergerät ein Defekt auftritt. Ein solcher Defekt liegt beispielsweise bei einem fehlerhaften Endstufenschalter vor. Des weiteren tritt ein solcher Fehler auf, wenn sich die Steckverbindung am Steuergerät und/oder am Piezoaktor gelöst hat.This error can occur, for example, in the event of a cable break in the connection between the actuator and the control unit occur. Furthermore, this error can occur if a defect occurs in the control unit. Such a defect is, for example, a faulty one Power switch before. Furthermore, one occurs Error on when the connector on the control unit and / or at the piezo actuator.
Solche Fehler können von dem Steuergerät erkannt werden, eine gezielte Entladung durch das Steuergerät ist aber aufgrund der aufgetrennten Verbindung zum Piezoaktor nicht möglich.Such errors can be recognized by the control unit a targeted discharge by the control unit is due to the disconnected connection to the piezo actuator possible.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Steller mit einem kapazitiven Element sicherheitskritische Zustände zu vermeiden. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst. The invention is based, with an actuator with a capacitive element safety-critical states to avoid. This task is carried out in the Features characterized independent claims solved.
Dadurch, daß parallel zu dem kapazitiven Element ein ohmscher Widerstand geschaltet ist, kann das kapazitive Element definiert entladen und ein sicherheitskritischer Zustand vermieden werden. Diese definierte Entladung kann entweder permanent oder bei Überschreitung einer vorgegebenen maximalen Ansteuerdauer erfolgen. Ein zusätzlicher Eintrag von Kraftstoff in den Zylinder kann damit so begrenzt werden, daß eine Schädigung des Motors sicher verhindert werden kann. Da der Fehler nur den jeweilige Zylinder betrifft, kann Brennkraftmaschine im Notbetrieb weiter betrieben werden.The fact that parallel to the capacitive element ohmic resistance is switched, the capacitive Element defined unloading and a safety critical Condition to be avoided. This defined discharge can either permanently or if one is exceeded predetermined maximum control duration. On additional entry of fuel into the cylinder can thus be limited so that damage to the engine can be safely prevented. Because the mistake is just that relates to the respective cylinder, the internal combustion engine can Emergency operation continues to be operated.
Des weiteren ist vorteilhaft, daß sich ein erhöhter Berührschutz ergibt. Dies bedeutet, daß sich das kapazitive Element nach einer vorgegebenen Zeit in seinem entladenden Zustand befindet. Bei nötig werdenden Arbeiten in räumlicher Nähe zur Brennkraftmaschine ergibt sich dadurch ein erheblicher Sicherheitsgewinn.It is also advantageous that an increased Protection against contact results. This means that the capacitive Element after a given time in its unloading Condition. When work becomes necessary in This results in spatial proximity to the internal combustion engine a significant gain in security.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous and expedient configurations and Further developments of the invention are in the subclaims featured.
In der Fig. 1 ist eine erste und in Fig. 2 eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.In FIG. 1, a first and in Fig. 2 showing a second embodiment of the device according to the invention.
In Fig. 1 ist ein Steller mit einem kapazitiven Element mit 100 dargestellt. Solche Steller werden häufig auch als Injektoren bezeichnet und dienen zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen. Dabei besteht zwischen der Stellgröße, d. h. die Längenausdehnung des kapazitiven Elements und der anliegenden Spannung beispielsweise ein linearer Zusammenhang.In Fig. 1, an actuator is shown with a capacitive element 100. Such actuators are often referred to as injectors and are used to inject fuel into internal combustion engines. There is, for example, a linear relationship between the manipulated variable, ie the linear expansion of the capacitive element and the applied voltage.
Zur Vereinfachung sind die mechanischen Bauteile nicht dargestellt. Es ist lediglich das kapazitive Element 100a dargestellt. Dieses steht über einen ersten Anschluß mit Masse und über einen zweiten Anschluß mit einem Endstufenschalter 110 in Verbindung. Der Endstufenschalter 110 verbindet den zweiten Anschluß des kapazitiven Elements mit einer Energieversorgung 120. Der Endstufenschalter 110 wird von einer Steuerung 130 mit Ansteuersignalen beaufschlagt. Erfindungsgemäß wird zu dem parallel kapazitiven Element 100a ein ohmscher Widerstand 100b geschaltet. Das kapazitive Element 100a, der ohmsche Widerstand 100b und der Steller 100 und/oder ein elektrisches Verbindungsmittel bilden eine bauliche Einheit.To simplify matters, the mechanical components are not shown. Only the capacitive element 100 a is shown. This is connected to ground via a first connection and to an output stage switch 110 via a second connection. The output stage switch 110 connects the second connection of the capacitive element to a power supply 120 . The output stage switch 110 is acted upon by control signals 130 with control signals. According to the invention, an ohmic resistor 100 b is connected to the parallel capacitive element 100 a. The capacitive element 100 a, the ohmic resistor 100 b and the actuator 100 and / or an electrical connection means form a structural unit.
Die Energieversorgung 120 ist lediglich schematisch dargestellt. Entsprechendes gilt auch für den Endstufenschalter 110.The energy supply 120 is only shown schematically. The same applies to the power stage switch 110 .
Durch entsprechendes Ansteuern des Endstufenschalters 110 wird das kapazitive Element 100a auf eine bestimmte Spannung aufgeladen und anschließend wieder entladen. Die Zeitdauer, in der sich das kapazitive Element auf einem bestimmten Spannungspegel befindet, d. h. eine bestimmte Spannung an dem kapazitiven Element 100a anliegt, wird üblicherweise als Ansteuerdauer bezeichnet. Diese Ansteuerdauer bestimmt die eingespritzte Kraftstoffmenge. The capacitive element 100 a is charged to a certain voltage and then discharged again by appropriately actuating the output stage switch 110 . The period of time in which the capacitive element is at a specific voltage level, ie a specific voltage is applied to the capacitive element 100 a, is usually referred to as the activation period. This control period determines the amount of fuel injected.
Der Endstufenschalter 110, die Energieversorgung 120 und die Steuerung 130 sind in der Regel in einem Steuergerät zusammengefaßt, das getrennt von dem Steller angeordnet ist. Das steuergerät und der Steller sind über Leitungen verbunden. Das elektrische Verbindungsmittel ist beispielsweise als Stecker ausgebildet, der den Steller mit der Leitung verbindet.The output stage switch 110 , the power supply 120 and the controller 130 are generally combined in a control device which is arranged separately from the actuator. The control unit and the actuator are connected via cables. The electrical connection means is designed, for example, as a plug that connects the actuator to the line.
Bei einer Unterbrechung der Leitung bzw. bei einer Fehlfunktion eines der Bauteile kann der Fall eintreten, daß der Steller sich ständig in einer bestimmten Position befindet, da der Steller nicht mehr entladen wird bzw. entladen werden kann. Um in diesem Fall eine entsprechende Entladung des kapazitiven Elements zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Widerstand 100b parallel zu dem kapazitiven Element 100a geschaltet ist. Dabei ist der Widerstand in räumlicher Nähe zu dem kapazitiven Element vorzugsweise im Injektor angeordnet, damit die Verbindungsleitungen möglichst kurz sind.In the event of an interruption in the line or a malfunction of one of the components, it may happen that the actuator is constantly in a certain position, since the actuator is no longer unloaded or cannot be unloaded. In order to enable a corresponding discharge of the capacitive element in this case, it is provided according to the invention that the resistor 100 b is connected in parallel to the capacitive element 100 a. The resistor is preferably arranged in the vicinity of the capacitive element in the injector so that the connecting lines are as short as possible.
Der Widerstand ist so dimensioniert, daß die Zeitkonstante, des sich aus dem kapazitiven Element 100a und dem ohmschen Widerstand 100b ergebenden RC-Gliedes so groß ist, daß innerhalb der üblichen Ansteuerdauer, die für eine fehlerfreie Einspritzung üblich ist, keine signifikante Entladung des kapazitiven Elements auftritt. Andererseits ist die Zeitkonstante so bemessen, daß innerhalb der Zeit, die maximal zur Verfügung steht, bis das Ventil sicher geschlossen sein muß, um den Motor nicht zu beschädigen, das kapazitive Element ausreichend entladen ist.The resistance is dimensioned such that the time constant of the RC element resulting from the capacitive element 100 a and the ohmic resistance 100 b is so large that within the usual control period, which is common for faultless injection, no significant discharge of the capacitive element occurs. On the other hand, the time constant is dimensioned such that the capacitive element is sufficiently discharged within the maximum time available until the valve must be securely closed so as not to damage the motor.
Innerhalb einer Entladezeit, die im wesentlichen durch die Zeitkonstante bestimmt ist, hat sich das kapazitive Element 100a so weit entladen, daß der Steller eine sichere Stellung einnimmt, d. h. die Einspritzung endet.Within a discharge time, which is essentially determined by the time constant, the capacitive element 100 a has discharged to such an extent that the actuator assumes a safe position, ie the injection ends.
Die Zeitkonstante ist so gewählt, daß die Entladezeit größer ist als die maximal mögliche Ansteuerdauer des Stellers. Die maximal mögliche Ansteuerdauer ist die Ansteuerdauer, die im fehlerfreien Betrieb nicht überschritten wird.The time constant is chosen so that the discharge time is greater than the maximum possible activation duration of the Stellers. The maximum possible activation duration is Control duration that is not in error-free operation is exceeded.
Um ein sicheres Schließen des Steuerventils zu gewährleisten, muß das kapazitive Element nicht vollständig entladen werden. Eine deutliche Absenkung der Spannung ist ausreichend. Bei einem Fehler, der eine Entladung des Kondensators verhindert, führt der parallel zu dem kapazitiven Element angeordnete Widerstand zu einer automatischen Entladung, so daß das Steuerventil schließt. Des weiteren kann das Fahrzeug mit den nicht vom Fehler betroffenen Stellern weiter betrieben werden. Des weiteren wird die Hochspannung am Steller innerhalb kurzer Zeit abgebaut, was die Sicherheit erheblich verbessert.To securely close the control valve ensure the capacitive element does not have to be complete be discharged. A significant drop in tension is sufficient. In the event of a fault causing a discharge of the Prevents the capacitor, which leads in parallel to the capacitive element arranged resistance to one automatic discharge so that the control valve closes. Furthermore, the vehicle can not with the fault affected actuators continue to be operated. Furthermore the high voltage at the actuator is within a short time degraded, which significantly improves security.
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, daß nur sehr wenige Bauelemente notwendig sind. Diese Ausführungsform stellt eine sehr einfache und kostengünstige Lösung dar, da lediglich passive Bauelemente nötig sind. Bei dieser Ausführungsform erfolgt eine permanente Entladung.The advantage of this embodiment is that only very much few components are necessary. This embodiment is a very simple and inexpensive solution because only passive components are necessary. At this Embodiment there is a permanent discharge.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform ist in Fig. 2 beschrieben, bei der bei Überschreiten einer vorgegebenen maximalen Ansteuerdauer das kapazitive Element schnell entladen wird.A further particularly advantageous embodiment is described in FIG. 2, in which the capacitive element is quickly discharged when a predetermined maximum control duration is exceeded.
Bereits in Fig. 1 beschriebene Elemente sind in Fig. 2 mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Parallel zu dem kapazitiven Element ist eine Reihenschaltung bestehend aus einem Schaltmittel S1 und einem Widerstand R2 geschaltet. Dabei handelt es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen MOS-FET, dessen Drain-Anschluß mit dem zweiten Anschluß des kapazitiven Elements und dessen Source-Anschluß mit dem Widerstand R2 verbunden ist. Der Gate-Anschluß des Schaltmittels S1 ist mit einem Widerstand R1 und einem Kondensator C1 verbunden. Der Widerstand R1 verbindet den Gate-Anschluß des Schaltmittels S1 mit dem Drain-Anschluß des Schaltermittels S1. Der Kondensator C1 verbindet den Gate-Anschluß des Schaltermittels S1 mit dem Masseanschluß.Elements already described in FIG. 1 are designated in FIG. 2 with corresponding reference symbols. A series circuit comprising a switching means S1 and a resistor R2 is connected in parallel with the capacitive element. In the exemplary embodiment shown, this is a MOS-FET, the drain connection of which is connected to the second connection of the capacitive element and the source connection of which is connected to the resistor R2. The gate terminal of the switching means S1 is connected to a resistor R1 and a capacitor C1. The resistor R1 connects the gate connection of the switching means S1 to the drain connection of the switching means S1. The capacitor C1 connects the gate connection of the switch means S1 to the ground connection.
Ferner ist parallel zu dem Widerstand R1 eine Diode D1 geschaltet, deren Kathode mit dem zweiten Anschluß des kapazitiven Elements verbunden ist.Furthermore, a diode D1 is parallel to the resistor R1 switched, the cathode with the second connection of the capacitive element is connected.
Die Anordnung des Widerstandes R2 ist nur beispielhaft dargestellt. Der Widerstand kann auch am Drain-Anschluß des Schaltmittels S1 angeordnet sein.The arrangement of the resistor R2 is only an example shown. The resistor can also be connected to the drain of the Switching means S1 may be arranged.
Bei geeigneter Dimensionierung des Widerstandes R1 kann der Kondensator C1 entfallen. Seine Funktion wird dann von der Gatekapazität des MOSFET S1 übernommen.With suitable dimensioning of the resistor R1, the Capacitor C1 is eliminated. Its function is then determined by the Gate capacity of MOSFET S1 taken over.
Diese Schaltung arbeitet nun wie folgt. Liegt am kapazitiven Element 100a eine Spannung an, so wird mit dieser der Kondensator C1 über den Widerstand R1 geladen. Steigt die am Kondensator C1 anliegende Spannung über einen Schwellwert an, so wird das Schaltmittel S1 durchgeschaltet und das kapazitive Element 100a schnell über den Widerstand R2 entladen.This circuit now works as follows. If a voltage is present at the capacitive element 100 a, the capacitor C1 is charged with it via the resistor R1. Increases the voltage applied to the capacitor C1 voltage over a threshold value, the switching means S1 is turned on and capacitive element a rapidly discharged through the resistor R2 100th
Das RC-Glied bestehend aus dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 ist, entsprechend wie das RC-Glied in Fig. 1 bestehend aus dem Widerstand 100b und dem kapazitiven Element 100a, dimensioniert. Dies bedeutet, daß der Kondensator C1 bei üblichen Ansteuerdauern nur so stark aufgeladen wird, daß das Schaltmittel S1 nicht schaltet. Übersteigt die Ansteuerdauer die maximal mögliche Ansteuerdauer, die einen schwellwert definiert, und/oder übersteigt die am Eingang des Schaltmittels S1 anliegende Spannung einen schwellwert, so verbindet das Schaltmittel S1 den Widerstand R2 mit dem kapazitiven Element 100a, wodurch dieses schnell entladen wird.The RC element consisting of the resistor R1 and the capacitor C1 is dimensioned according to the RC element in FIG. 1 consisting of the resistor 100 b and the capacitive element 100 a. This means that the capacitor C1 is only charged to such an extent that the switching means S1 does not switch. The actuation period exceeds the maximum actuation period, the threshold value defines a, and / or exceeds the voltage present at the input of the switching means S1 voltage a threshold value, S1 connects the switching means the resistor R2 to the capacitive element 100 a, whereby it is rapidly discharged.
Die Spannung am Eingang des Schaltmittels S1 wird von dem Kondensator C1 bereitgestellt. Die am Kondensator C1 anliegende Spannung hängt von der Ansteuerdauer des Stellers ab. Bei zunehmender Ansteuerdauer steigt die Spannung am Kondensator C1 an.The voltage at the input of the switching means S1 is from the Capacitor C1 provided. The capacitor C1 applied voltage depends on the control duration of the Stellers. As the control duration increases, the Voltage on capacitor C1 on.
Wird das kapazitive Element 100a im Rahmen der Ansteuerung, das heißt am Ende der Ansteuerung, entladen, so wird der Kondensator C1 ebenfalls entladen. Zu diesem Zweck ist die Diode D1 vorgesehen.If the capacitive element 100 a is discharged as part of the activation, that is to say at the end of the activation, the capacitor C1 is also discharged. The diode D1 is provided for this purpose.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß parallel zu dem kapazitiven Element 100a ein schaltbarer Widerstand, bestehend aus einem Schaltmittel S1 und einem Widerstand R2, geschaltet ist. Das Schaltmittel wird so angesteuert, daß das Schaltmittel einschaltet, wenn die an einem Eingang des Schaltmittels S1 anliegende Spannung einen sollwert übersteigt und/oder wenn die Ansteuerdauer des Stellers einen Sollwert übersteigt.According to the invention it is provided that is connected in parallel to the capacitive element 100a, a switchable resistance, consisting of a switching means S1 and a resistor R2. The switching means is controlled so that the switching means switches on when the voltage applied to an input of the switching means S1 exceeds a setpoint and / or when the actuation duration of the actuator exceeds a setpoint.
Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, daß anstelle der Elemente R1, D1 und C1 andere Bauteile vorgesehen sind, die eine entsprechende Funktion übernehmen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der ohmsche Widerstand R2, das Schaltmittel S1, der Widerstand R1, der Kondensator C1 und die Diode D1 mit dem kapazitiven Element bzw. dem Steller und/oder mit dem Stecker, der den Steller mit einer Leitung verbindet eine bauliche Einheit bilden.According to the invention it can also be provided that instead of Elements R1, D1 and C1 other components are provided that perform a corresponding function. Especially it is advantageous if the ohmic resistance R2, the Switching means S1, resistor R1, capacitor C1 and the diode D1 with the capacitive element or the actuator and / or with the plug that connects the actuator with a line connects to form a structural unit.
Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist es, daß bei Ansteuerdauern, die kleiner als die Ansteuerdauer sind, bei der die Entladeschaltung auslöst, die an dem kapazitiven Element 100a anliegende Spannung nur unwesentlich beeinträchtigt wird. Dies bedeutet, bei üblichen Ansteuerdauern erfolgt keine Entladung des kapazitiven Elements 100a. Des weiteren wird bei Überschreiten der vorgegebenen maximalen Ansteuerdauer das kapazitive Element schnell und zuverlässig entladen, so daß die in den Zylinder eingebrachte zusätzliche Kraftstoffmenge sehr klein bleibt.A particular advantage of this embodiment is that, when activation durations that are less than the actuation period at which triggers the discharge circuit, which is only marginally affected at the capacitive element 100, a voltage applied. This means that the capacitive element 100 a is not discharged during the usual activation times. Furthermore, the capacitive element is discharged quickly and reliably when the predetermined maximum activation duration is exceeded, so that the additional quantity of fuel introduced into the cylinder remains very small.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8131 | Rejection |