DE60018549T2

DE60018549T2 - Brennstoffeinspritzanlage

Info

Publication number: DE60018549T2
Application number: DE60018549T
Authority: DE
Inventors: Johannes-Joerg Rueger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-04-01
Filing date: 2000-04-01
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2020-04-02
Also published as: US6498418B2; JP2001349241A; EP1138917B1; US20020000761A1; EP1138917B2; EP1138917A1; JP4625196B2; DE60018549D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung wie im Oberbegriff von Anspruch 1 definiert und ein Verfahren wie im Oberbegriff von Anspruch 7 definiert, das heißt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses zu Chassismasse beim Ansteuern von piezoelektrischen Elementen.
Piezoelektrische Elemente können als Aktuatoren verwendet werden, da sie bekannterweise die Eigenschaft besitzen, daß sie sich als Funktion einer daran angelegten oder darin auftretenden Spannung zusammenziehen oder ausdehnen.
Die praktische Implementierung von Aktuatoren unter Verwendung von piezoelektrischen Elementen stellt sich insbesondere dann als vorteilhaft heraus, wenn der fragliche Aktuator schnelle und/oder häufige Bewegungen ausführen muß.
Die Verwendung von piezoelektrischen Elementen als Aktuatoren stellt sich als vorteilhaft heraus unter anderem in Kraftstoffeinspritzdüsen für Verbrennungsmotoren. Es wird beispielsweise auf EP 0 371 469 B1 und auf EP 0 379 182 B1 hinsichtlich der Einsetzbarkeit von piezoelektrischen Elementen in Kraftstoffeinspritzdüsen Bezug genommen.
Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Elemente, die sich, wie bereits oben teilweise angedeutet, gemäß dem jeweiligen Ladungszustand oder der Spannung, der oder die darin auftritt oder daran angelegt wird, sich zusammenziehen oder ausdehnen. Beim Beispiel einer Kraftstoffeinspritzdüse werden über die Ausdehnung und das Zusammenziehen von piezoelektrischen Elementen Ventile gesteuert, die die Linearhübe von Einspritznadeln regeln. Die Verwendung von piezoelektrischen Elementen mit doppeltwirkenden Doppelsitzventilen zum Steuern von entsprechenden Einspritznadeln in einem Kraftstoffeinspritzsystem ist in den deutschen Patentanmeldungen DE 197 42 073 A1 und DE 197 29 844 A1 gezeigt.
Piezoelektrische Elemente verwendende Kraftstoffeinspritzsysteme sind durch die Tatsache gekennzeichnet, daß piezoelektrische Elemente bis zu einer ersten Annäherung zwischen der angelegten Spannung und der linearen Ausdehnung eine proportionale Beziehung aufweisen. Bei einer beispielsweise als doppeltwirkendes Doppelsitzventil implementierten Kraftstoffeinspritzdüse zum Steuern des Linearhubs einer Nadel für die Kraftstoffeinspritzung in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors ist die in einen entsprechenden Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge eine Funktion der Zeit, während das Ventil offen ist, und im Fall des Einsatzes eines piezoelektrischen Elements der an das piezoelektrische Element angelegten Aktivierungsspannung.
Aus dem US-Patent 5,097,171 ist ein Stoßdämpfersystem bekannt zum Steuern der dämpfenden Kräfte von Stoßdämpfern, umfassend eine Ansteuervorrichtung zum Betreiben eines Piezoaktuators, der konstruiert wird durch Laminieren mehrerer piezoelektrischer Elemente. Vorgesehen ist eine Abnormalitätsdetektionsschaltung zum Detektieren eines Ladestroms oder eines Entladestroms des Piezoaktuators.
US-Patent 5,376,854 beschreibt eine Ansteuerschaltung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements mit einer Ausfalldetektionseinheit zum Detektieren eines Ausfalls in der piezoelektrischen Vorrichtung und Ausgeben eines Ausfalldetektionssignals.
6 ist eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements 2010 als Aktuator. Unter Bezugnahme auf 6 wird das piezoelektrische Element 2010 bestromt, damit es sich als Reaktion auf eine gegebene Aktivierungsspannung ausdehnt und zusammenzieht. Das piezoelektrische Element 2010 ist an einen Kolben 2015 gekoppelt. Im ausgedehnten Zustand bewirkt das piezoelektrische Element 2010, daß der Kolben 2015 in einen Hydraulikadapter 2020 vorragt, der ein Hydraulikfluid, beispielsweise Kraftstoff, enthält. Infolge des Ausdehnens des piezoelektrischen Elements wird ein doppeltwirkendes Steuerventil 2025 hydraulisch von dem Hydraulikadapter 2020 weggedrückt und der Ventil-Absperrkörper 2035 wird von einer ersten geschlossenen Position 2040 weggefahren. Die Kombination aus doppeltwirkendem Steuerventil 2025 und Hohlbohrung 2050 wird deshalb oftmals als ein doppeltwirkendes Doppelsitzventil bezeichnet, weil das doppeltwirkende Steuerventil 2025, wenn sich das piezoelektrische Element 2010 in einem nichtangeregten Zustand befindet, in seiner ersten geschlossenen Position 2040 ruht. Wenn das piezoelektrische Element 2010 andererseits vollständig ausgefahren ist, ruht es in seiner zweiten geschlossenen Position 2030. Die letztere Position des Ventil-Absperrkörpers 2035 ist in 6 mit Geisterlinien schematisch dargestellt.
Das Kraftstoffeinspritzsystem umfaßt eine Einspritznadel 2070, um das Einspritzen von Kraftstoff aus einer unter Druck stehenden Kraftstoffzufuhrleitung 2060 in den Zylinder (nicht gezeigt) zu gestatten. Wenn das piezoelektrische Element 2010 nicht angeregt ist oder wenn es vollständig ausgefahren ist, ruht das doppeltwirkende Steuerventil 2050 jeweils in seiner ersten geschlossenen Position 2040 oder in seiner zweiten geschlossenen Position 2030. In jedem Fall hält der Hydraulikraildruck die Einspritznadel 2070 in einer geschlossenen Position. Somit tritt das Kraftstoffgemisch nicht in den Zylinder (nicht gezeigt) ein. Wenn umgekehrt das piezoelektrische Element 2010 angeregt wird, so daß sich das doppeltwirkende Steuerventil 2025 bezüglich der Hohlbohrung 2050 in der sogenannten Mittelposition befindet, dann kommt es in der unter Druck stehenden Kraftstoffzufuhrleitung 2060 zu einem Druckabfall. Dieser Druckabfall führt in der unter Druck stehenden Kraftstoffzufuhrleitung 2060 zu einem Druckdifferential zwischen der Oberseite und der Unterseite der Einspritznadel 2070, so daß die Einspritznadel 2070 angehoben wird und Kraftstoff in den Zylinder (nicht gezeigt) eingespritzt werden kann.
Es ist wichtig, eine Aktivierungsspannung mit ausreichender Präzision zu bestimmen und anzulegen, und zwar derart, daß beispielsweise ein entsprechender Ventilabsperrkörper zum entsprechenden Zeitpunkt im Kraftstoffeinspritzzyklus präzise positioniert wird. Somit ist es wichtig, verschiedene Probleme in dem die piezoelektrischen Elemente ansteuernden Stromkreis detektieren zu können. Ein derartiges Problem ist ein Kurzschluß zu Chassismasse innerhalb oder an den Anschlüssen von einem oder mehreren der piezoelektrischen Elemente.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb in der Entwicklung der Vorrichtung wie im Oberbegriff von Anspruch 1 definiert und des Verfahrens wie im Oberbegriff von Anspruch 13 definiert, um einen Kurzschluß zu Chassismasse innerhalb oder an den Anschlüssen von einem oder mehreren der piezoelektrischen Elemente zuverlässig zu detektieren.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung über die in dem kennzeichnenden Abschnitt von Anspruch 1 (Vorrichtung) und im kennzeichnenden Abschnitt von Anspruch 13 (Verfahren) beanspruchten Merkmale gelöst.
Diese sehen folgendes vor:

– die Stromdiagnoseeinheit detektiert den Fehler durch Detektieren eines in das piezoelektrische Element fließenden Eingangsstroms und eines aus dem piezo elektrischen Element herausfließenden Ausgangsstroms; und
– Detektieren eines in das piezoelektrische Element fließenden Eingangsstroms und eines aus dem piezoelektrischen Element herausfließenden Ausgangsstroms.

Ein Kurzschluß zu Masse kann je nach der Stelle des Kurzschlusses bezüglich des piezoelektrischen Elements und der piezoelektrische Elemente ansteuernden Schaltung verschiedene unerwünschte Effekte haben. Ein Kurzschluß am positiven Anschluß des piezoelektrischen Elements, das zum Beispiel als ein Aktuator verwendet wird, hindert es am Laden. Ein Kurzschluß am positiven Anschluß eines piezoelektrischen Elements könnte auch das Laden von anderen verhindern, die parallel mit ihm angeordnet sind.
Ein Kurzschluß zu Masse am negativen Anschluß eines piezoelektrischen Elements könnte bewirken, daß das piezoelektrische Element nicht ordnungsgemäß geladen wird, wenn dieser Aktuator nicht für das Laden gewählt worden ist. Beispielsweise ist bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Wahlschalter zum Laden eines jeweiligen Aktuators in Reihe mit dem negativen Anschluß des piezoelektrischen Elements geschaltet. Das Kurzschließen dieses Wahlschalters würde bewirken, daß das piezoelektrische Element selbst dann ständig geladen wird, wenn ein anderes piezoelektrisches Element zum Laden ausgewählt worden ist. Eine mögliche Konsequenz eines derartigen ungeplanten Ladens ist die unbeabsichtigte Kraftstoffeinspritzung; eine Situation, die extrem unerwünscht ist.
Infolge eines Kurzschlusses von einem piezoelektrischen Element zu Chassismasse wird elektrischer Strom von Teile der piezoelektrischen Elemente ansteuernder Schaltung abgelenkt. Elektrischer Strom fließt jedoch weiterhin in anderen Teilen der piezoelektrische Elemente ansteuernden Schaltung, wo normalerweise ein Stromfluß erwartet würde.
Die vorliegende Erfindung untersucht den Stromfluß in verschiedenen Teilen der piezoelektrische Elemente ansteuernden Schaltung, um einen Kurzschluß zu Chassismasse zu detektieren. Die vorliegende Erfindung detektiert einen Kurzschluß innerhalb des piezoelektrische Elemente ladenden und entladenden Zyklus, wenn normalerweise erwartet würde, daß Strom durch bestimmte Verzweigungen in der piezoelektrische Elemente ansteuernden Schaltung fließt. Ein Kurzschluß könnte jedoch bewirken, daß Strom zu anderen der Verzweigungen abgelenkt wird. Die anormale Disparität beim Strom an den beiden Stellen wird durch die vorliegende Erfindung detektiert, und ein einen Kurzschluß anzeigendes Fehlersignal wird erzeugt.
Beispielsweise während des Ladezyklus, wenn der Ladeschalter geschlossen ist, fließt Strom durch beide, einen Nebenschlußwiderstand in der Spannungsquellenpufferschaltung und durch einen in Reihe am negativen Anschluß des piezoelektrischen Elements geschalteten Nebenschlußwiderstand. Während dieses Zyklus liegt eine Stromdetektierungsschaltung vor, um zu sehen, ob der erwartete Strom an beiden Stellen fließt. Wenn Strom in dem Spannungsversorgungspuffernebenschlußwiderstand fließt, aber nicht im Nebenschlußwiderstand der piezoelektrischen Verzweigung, wird ein Kurzschluß detektiert und eine Fehlermeldung wird erzeugt. Um zu detektieren, ob Strom an beiden Stellen in der Schaltung normal fließt, wird ein Stromsignal von Meßpunkten entsprechend den jeweiligen Nebenschlußwiderständen von einer Vergleicherschaltung empfangen. Die Vergleicherschaltung gibt ein Signal an eine Logikschaltung aus, das die Differenz zwischen den Stromflüssen an den beiden Nebenschlußwiderständen darstellt. Wenn die Differenz bei den beiden Stromflüssen größer ist als ein vorbestimmtes Maximum, dann erzeugt die Logik schaltung ein entsprechendes Fehlersignal.
Vorteilhafte Entwicklungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Figuren.
Die Erfindung wird unten unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlicher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Profil eines beispielhaften Steuerventilhubs;
2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung, in der die vorliegende Erfindung implementiert werden kann;
3A eine Darstellung, um die Zustände zu erläutern, die während einer ersten Ladephase (Ladeschalter 220 geschlossen) in der Schaltung gemäß 2 auftreten;
3B eine Darstellung, um die Zustände zu erläutern, die während einer zweiten Ladephase (Ladeschalter 220 wieder offen) in der Schaltung gemäß 2 auftreten;
3C eine Darstellung, um die Zustände zu erläutern, die während einer ersten Entladephase (Entladeschalter 230 geschlossen) in der Schaltung gemäß 2 auftreten;
3D eine Darstellung, um die Zustände zu erläutern, die während einer zweiten Entladephase (Ladeschalter 230 wieder offen) in der Schaltung gemäß 2 auftreten;
4A einen Kurzschlußzustand am positiven Anschluß des piezoelektrischen Elements, während der Lade schalter während der Ladephase geschlossen ist, wie in 3A dargestellt;
4B einen Kurzschlußzustand am negativen Anschluß des piezoelektrischen Elements, während der Ladeschalter während der Ladephase geschlossen ist, wie in 3A dargestellt;
4C einen Kurzschlußzustand am positiven Anschluß des piezoelektrischen Elements, während der Entladeschalter während der Entladephase offen ist, wie in 3D dargestellt;
4D einen Kurzschlußzustand am negativen Anschluß des piezoelektrischen Elements, während der Entladeschalter während der Entladephase offen ist, wie in 3D dargestellt;
5 ein Blockschaltbild von Komponenten des Aktivierungs-IC E, der auch in 2 gezeigt ist; und
6 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements als Aktuator.
1 zeigt eine doppelte graphische Darstellung, die ein schematisches Profil eines beispielhaften Steuerventilhubs darstellt, um den Betrieb eines doppeltwirkenden Steuerventils zu veranschaulichen. In der oberen graphischen Darstellung von 1 stellt die x-Achse die Zeit und die y-Achse den Weg des Ventil-Absperrkörpers (Ventilhub) dar. In der unteren graphischen Darstellung von 1 stellt die x-Achse wieder die Zeit dar, während die y-Achse einen Düsennadelhub zur Bereitstellung von Kraftstofffluß darstellt, der sich aus dem Ventilhub der oberen graphischen Darstellung ergibt. Die obere und die untere graphische Darstellung sind so aufeinander ausgerichtet, daß sie hinsichtlich der Zeit übereinstimmen, wie durch die jeweiligen x-Achsen dargestellt.
Während eines Einspritzzyklus wird das piezoelektrische Element geladen, was zu seiner Ausdehnung führt, wie ausführlicher beschrieben wird, und bewirkt, daß sich der entsprechende Ventil-Absperrkörper aus der ersten geschlossenen Position in die zweite geschlossene Position für einen Voreinspritzhub bewegt, wie in der oberen graphischen Darstellung von 1 gezeigt. Die untere graphische Darstellung von 1 zeigt eine geringe Einspritzung von Kraftstoff, zu der es kommt, wenn sich der Ventil-Absperrkörper zwischen den beiden Sitzen des doppeltwirkenden Steuerventils bewegt, wodurch das Ventil geöffnet und geschlossen wird, wenn sich der Absperrkörper zwischen den beiden Sitzen bewegt.
Das Laden des piezoelektrischen Elements kann im allgemeinen in zwei Schritten erfolgen: Der erste Schritt ist das Laden des Elements auf eine bestimmte Spannung, was bewirkt, daß sich das Steuerventil öffnet. Der zweite Schritt besteht in dem weiteren Laden des Elements, was bewirkt, daß sich das Steuerventil wieder schließt, wenn der Ventil-Absperrkörper in Kontakt mit der zweiten geschlossenen Position kommt. Zwischen beiden Schritten kann eine zeitliche Verzögerung verwendet werden.
Nach einem im voraus gewählten Zeitraum wird dann eine Entladeoperation durchgeführt, wie unten ausführlicher erläutert wird, um die Ladung innerhalb des piezoelektrischen Elements so zu reduzieren, daß es sich zusammenzieht, wie ebenfalls ausführlicher beschrieben wird, und bewirkt, daß sich der Ventil-Absperrkörper von der zweiten geschlossenen Position wegbewegt und an einem Punkt zwischen den beiden Sitzen anhält. Die Aktivierungsspannung innerhalb des piezoelektrischen Elements soll einen Wert erreichen, der gleich U_opt ist, um einem maximalen Kraftstoffstrom während des einer Haupteinspritzung zugeordneten Zeitraums zu entsprechen. Die obere und untere graphische Darstellung von 1 zeigen das Halten des Ventilhubs an einem Mittelpunkt, was zu einer Hauptkraftstoffeinspritzung führt.
Am Ende des Zeitraums für die Haupteinspritzung wird das piezoelektrische Element bis auf eine Aktivierungsspannung von Null entladen, was zu einem weiteren Zusammenziehen des piezoelektrischen Elements führt, um zu bewirken, daß sich der Ventil-Absperrkörper von der Zwischenposition weg zu der ersten geschlossenen Position bewegt, wodurch das Ventil geschlossen und der Kraftstoffstrom gestoppt wird, wie in der oberen und unteren graphischen Darstellung von 1 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Ventil-Absperrkörper wieder in einer Position, um, wie eben oben beschrieben, einen weiteren Zyklus aus Voreinspritzung und Haupteinspritzung zu wiederholen. Natürlich kann jeder andere Einspritzzyklus ausgeführt werden.
2 liefert ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung, in der die vorliegende Erfindung angewendet werden kann.
2 hat einen detaillierten Bereich A und einen nicht-detaillierten Bereich B, deren Trennung durch eine gestrichelte Linie c angegeben ist. Der detaillierte Bereich A umfaßt eine Schaltung zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60. In dem betrachteten Beispiel sind diese piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 Aktuatoren in Kraftstoffeinspritzdüsen (insbesondere in sogenannten Common-Rail-Injektoren) eines Verbrennungsmotors. Piezoelektrische Elemente können für solche Zwecke verwendet werden, da sie bekannterweise, und wie oben erörtert, die Eigenschaft besitzen, sich als Funktion einer daran angelegten oder darin auftretenden Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen. In der beschriebenen Ausführungsform werden sechs piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 genommen, um sechs Zylinder innerhalb eines Verbrennungsmotors unabhängig zu steuern; somit könnte eine beliebige andere Anzahl von piezoelektrischen Elementen sich für einen beliebigen anderen Zweck eignen.
Der nicht-detaillierte Bereich B umfaßt eine Steuereinheit D und eine Aktivierungs-IC E, wobei über beide die Elemente innerhalb des detaillierten Bereichs A gesteuert werden, sowie ein Meßsystem F zum Messen von Systemarbeitscharakteristiken. Die Aktivierungs-IC E empfängt verschiedene Messungen von Spannungen und Strömen aus dem ganzen Rest der piezoelektrische Elemente ansteuernden Schaltung. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Steuereinheit D und der Aktivierungs-IC E so programmiert, daß sie die Aktivierungsspannungen und die Aktivierungszeitsteuerung für die piezoelektrischen Elemente steuern. Die Steuereinheit D und/oder der Aktivierungs-IC E sind ebenfalls so gesteuert, daß sie verschiedene Spannungen und Ströme in der piezoelektrische Elemente ansteuernden Schaltung überwachen.
Die folgende Beschreibung führt zuerst die individuellen Elemente innerhalb des detaillierten Bereichs A ein. Dann werden die Abläufe des Ladens und Entladens von piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50, 60 allgemein beschrieben. Schließlich werden die Möglichkeiten, wie beide Abläufe mit Hilfe der Steuereinheit D und des Aktivierungs-IC E gesteuert und überwacht werden, ausführlich beschrieben.
Die Schaltung innerhalb des detaillierten Bereichs A umfaßt sechs piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60.
Die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 sind in eine erste Gruppe G1 und eine zweite Gruppe G2 aufgeteilt, die jeweils drei piezoelektrische Elemente (das heißt piezoelektrische Elemente 10, 20 und 30 in der ersten Gruppe G1 bzw. 40, 50 und 60 in der zweiten Gruppe G2) umfassen. Die Gruppen G1 und G2 sind Bestandteile von Schaltungsteilen, die parallel zueinander geschaltet sind. Gruppenwahlschalter 310, 320 können dafür verwendet werden, festzulegen, welche der Gruppen G1, G2 von piezoelektrischen Elementen 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 in jedem Fall durch eine gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung entladen werden (jedoch sind die Gruppenwahlschalter 310, 320 für die Ladeabläufe ohne Bedeutung, wie unten ausführlicher erläutert wird).
Die Gruppenwahlschalter 310, 320 sind zwischen einer Spule 240 und den jeweiligen Gruppen G1 und G2 (den Anschlüssen auf der Spulenseite davon) angeordnet und als Transistoren implementiert. Seitentreiber 311, 321 sind implementiert, die von dem Aktivierungs-IC E erhaltene Steuersignale in Spannungen transformieren, die je nach Bedarf zum Schließen und Öffnen der Schalter gewählt werden können.
Dioden 315 bzw. 325 (als Gruppenwahldioden bezeichnet) sind parallel zu den Gruppenwahlschaltern 310, 320 vorgesehen. Wenn die Gruppenwahlschalter 310, 320 beispielsweise als MOSFETs oder IGBTs implementiert sind, können diese Gruppenwahldioden 315 und 325 durch die parasitären Dioden selbst gebildet werden. Die Dioden 315, 325 umgehen die Gruppenwahlschalter 310, 320 während der Ladeabläufe. Somit wird die Funktionalität der Gruppenwahlschalter 310, 320 darauf reduziert, eine Gruppe G1, G2 von piezoelektrischen Elementen 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 nur für einen Entladeablauf auszuwählen.
Innerhalb jeder Gruppe G1 bzw. G2 sind die piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 als Bestandteile von Piezoverzweigungen 110, 120 und 130 (Gruppe G1) und 140, 160 und 160 (Gruppe G2) angeordnet, die parallel geschaltet sind. Jede Piezoverzweigung umfaßt eine Reihenschaltung, die aus einer ersten Parallelschaltung besteht, die ein piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 und einen Widerstand 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 (als Verzweigungswiderstände bezeichnet) umfaßt, und einer zweiten Parallelschaltung, die aus einem Wahlschalter besteht, der als ein Transistor 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 (als Verzweigungswahlschalter bezeichnet) und eine Diode 12, 22, 32, 42, 52 bzw. 62 (als Verzweigungsdioden bezeichnet) implementiert ist.
Die Verzweigungswiderstände 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 bewirken, daß jedes entsprechende piezoelektrische Element 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 sich während und nach einem Ladeablauf ständig entlädt, da sie beide Anschlüsse jedes kapazitiven piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 miteinander verbinden. Die Verzweigungswiderstände 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 sind jedoch ausreichend groß, damit dieser Ablauf im Vergleich zu den gesteuerten Lade- und Entladeabläufen langsam wird, wie unten beschrieben. Es ist somit weiterhin eine angemessene Prämisse, das Laden eines beliebigen piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 so zu betrachten, daß es sich innerhalb einer relevanten Zeit nach einem Ladeablauf nicht ändert (der Grund, um dennoch die Verzweigungswiderstände 13, 23, 33, 43, 53 und 63 zu implementieren, besteht darin, Restladungen auf den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 im Fall eines Zusammenbruchs des Systems oder anderer Ausnahmesituationen zu vermeiden). Somit können die Verzweigungswiderstände 13, 23, 33, 43, 53 und 63 in der folgenden Beschreibung vernachlässigt werden.
Die Verzweigungswahlschalter-Verzweigungsdioden-Paare in den individuellen Piezoverzweigungen 110, 120, 130, 140, 150 bzw. 160, das heißt Wahlschalter 11 und Diode 12 in der Piezoverzweigung 110, Wahlschalter 21 und Diode 22 in der Piezoverzweigung 120 usw., können unter Verwendung von elektronischen Schaltern (d.h. Transistoren) mit parasitären Dioden, beispielsweise MOSFETs und IGBTs, implementiert werden (wie oben für die Gruppenwahlschalter-/-dioden-Paare 310 und 315 bzw. 320 und 325 angegeben).
Mit den Verzweigungswahlschaltern 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 kann festgelegt werden, welches der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 in jedem Fall durch eine gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung geladen wird: in jedem Fall sind die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, die geladen werden, all jene, deren Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 oder 61 während des Ladeablaufs geschlossen sind, der unten beschrieben ist. Üblicherweise ist zu einem beliebigen Zeitpunkt nur einer der Verzweigungswahlschalter geschlossen.
Die Verzweigungsdioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 dienen dazu, die Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 während Entladeabläufen zu umgehen. Bei dem für Ladeabläufe betrachteten Beispiel kann somit jedes individuelle piezoelektrische Element gewählt werden, wohingegen für Entladeabläufe entweder die erste Gruppe G1 oder die zweite Gruppe G2 von piezoelektrischen Elementen 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 oder beide ausgewählt werden müssen.
Zu den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 selbst zurückkehrend, können die Verzweigungswahlpiezoanschlüsse 15, 25, 35, 45, 55 bzw. 65 entweder über die Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 oder durch die entsprechenden Dioden 12, 22, 32, 42, 52 bzw. 62 und in beiden Fällen zusätzlich durch den Widerstand 300 mit Masse verbunden sein.
Der Zweck des Widerstands 300 besteht darin, die Ströme zu messen, die während des Ladens und Entladens der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zwischen den Verzweigungswahlpiezoanschlüssen 15, 25, 35, 45, 55 bzw. 65 und Masse fließen. Eine Kenntnis dieser Ströme gestattet ein gesteuertes Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60. Insbesondere ist es möglich, indem der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 auf eine Weise geschlossen und geöffnet werden, die von der Größe der Ströme abhängt, den Ladestrom und den Entladestrom auf vordefinierte Mittelwerte zu setzen und/oder zu verhindern, daß sie über einen vordefinierten Höchstwert ansteigen und/oder unter einen vordefinierten Mindestwert abfallen, wie unten ausführlicher erläutert wird.
Bei dem betrachteten Beispiel erfordert die Messung selbst weiterhin eine Spannungsquelle 621, die beispielsweise eine Spannung von 5 V Gleichstrom bereitstellt, und einen als zwei Widerstände 622 und 623 implementierten Spannungsteiler. Damit soll der Aktivierungs-IC E (über den die Messungen durchgeführt werden) vor negativen Spannungen geschützt werden, die ansonsten am Meßpunkt 620 auftreten könnten und die mit Hilfe des Aktivierungs-IC E nicht gehandhabt werden können: solche negativen Spannungen werden in positive Spannungen geändert, und zwar mit Hilfe der Addition mit einem positiven Spannungs-Setup, der von der Spannungsquelle 621 und den Spannungsteilerwiderständen 622 und 623 geliefert wird.
Der andere Anschluß jedes piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 und 60, das heißt der Gruppenwahlpiezoanschluß 14, 24, 34, 44, 54 bzw. 64, kann an den Pluspol einer Spannungsquelle über den Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 oder über die Gruppenwahldiode 315 bzw. 325 sowie über eine Spule 240 und eine Parallelschaltung, die aus einem Ladeschalter 220 und einer Ladediode 221 besteht, angeschlossen sein und alternativ oder zusätzlich mit Masse über den Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 oder über die Diode 315 bzw. 325 sowie über die Spule 240 und eine Parallelschaltung, die aus einem Entladeschalter 230 oder einer Entladediode 231 besteht, verbunden sein. Der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 sind beispielsweise als Transistoren implementiert, die über Seitentreiber 222 bzw. 232 gesteuert werden.
Die Spannungsquelle umfaßt ein Element mit kapazitiven Eigenschaften, das bei dem betrachteten Beispiel der (Puffer-)Kondensator 210 ist. Der Kondensator 210 wird von einer Batterie 200 (beispielsweise einer Kraftfahrzeugbatterie) und einem Gleichspannungswandler 201 dahinter geladen. Der Gleichspannungswandler 201 wandelt die Batteriespannung (beispielsweise 12 V) im wesentlichen in jede andere Gleichspannung (beispielsweise 250 V) um und lädt den Kondensator 210 auf diese Spannung. Der Gleichspannungswandler 201 wird mit Hilfe des Transistorschalters 202 und des Widerstands 203 gesteuert, der für Strommessungen verwendet wird, die an einem Meßpunkt 630 vorgenommen werden.
Zu Zwecken der Gegenprobe wird eine weitere Strommessung an einem Meßpunkt 650 durch den Aktivierungs-IC E sowie durch Widerstände 651, 652 und 653 und eine Quelle 654 mit einer Spannung von beispielsweise 5 V Gleichstrom gestattet; außerdem wird eine Spannungsmessung an einem Meßpunkt 640 durch Aktivierungs-IC E sowie durch spannungsteilende Widerstände 641 und 642 gestattet.
Ein Widerstand 330 (der als Gesamtentladewiderstand bezeichnet wird), ein als ein Transistor 331 implementierter Stoppschalter (als Stoppschalter bezeichnet) und eine (als Gesamtentladediode bezeichnete) Diode 332 dienen schließlich dazu, die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zu entladen (falls sie nicht bereits durch den „normalen" Entladevorgang entladen worden sind, wie unten näher beschrieben). Der Stoppschalter 331 wird bevorzugt nach „normalen" Entladeabläufen geschlossen (zyklisches Entladen über Entladeschalter 230). Er verbindet dadurch die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 über Widerstände 330 und 300 mit Masse und beseitigt somit etwaige Restladungen, die in den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zurückbleiben könnten. Die Gesamtentladediode 332 verhindert, daß an den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 negative Spannungen auftreten, die unter einigen Umständen dadurch beschädigt werden könnten.
Das Laden und Entladen aller piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 oder irgendeines bestimmten wird über eine einzelne Lade- und Entladevorrichtung bewerkstelligt (die allen Gruppen und ihren piezoelektrischen Elementen gemein ist). Bei dem betrachteten Beispiel umfaßt die gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung eine Batterie 200, einen Gleichspannungswandler 201, einen Kondensator 210, einen Ladeschalter 220 und einen Entladeschalter 230, eine Ladediode 221 und eine Entladediode 231 und eine Spule 240.
Das Laden und Entladen jedes piezoelektrischen Elements funktioniert auf die gleiche Weise und wird nachfolgend unter Bezugnahme lediglich auf das erste piezoelektrische Element 10 erläutert.
Die während der Lade- und Entladeabläufe auftretenden Zustände werden unter Bezugnahme auf 3A bis 3D erläutert, von denen 3A und 3B das Laden des piezoelektrischen Elements 10 und 3C und 3D das Entladen des piezoelektrischen Elements 10 darstellen.
Die Wahl eines oder mehrerer jeweiliger piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, die geladen oder entladen werden sollen, der Ladeablauf wie nachfolgend beschrieben sowie der Entladeablauf werden von den Aktivierungs-IC E und der Steuereinheit D mit Hilfe des Öffnens oder Schließens von einem oder mehreren der oben eingeführten Schalter 11, 21, 31, 41, 51, 61; 310, 320; 220, 230 und 331 angetrieben. Die Wechselwirkungen zwischen den Elementen innerhalb des detaillierten Bereichs A einerseits und dem Aktivierungs-IC E und der Steuereinheit D andererseits werden unten ausführlich beschrieben.
Hinsichtlich des Ladeablaufs muß zuerst ein beliebiges jeweiliges piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 gewählt werden, das geladen werden soll. Um ausschließlich das erste piezoelektrische Element 10 zu laden, wird der Verzweigungswahlschalter 11 der ersten Verzweigung 110 geschlossen, wohingegen alle anderen Verzweigungswahlschalter 21, 31, 41, 51 und 61 geöffnet bleiben. Um ausschließlich irgendein anderes piezoelektrisches Element 20, 30, 40, 50, 60 oder um mehrere einzelne zur gleichen Zeit zu laden, würden sie gewählt werden, indem die entsprechenden Verzweigungswahlschalter 21, 31, 41, 51 und/oder 61 geschlossen werden.
Dann kann der eigentliche Ladeablauf stattfinden:
Innerhalb des betrachteten Beispiels erfordert der Ladeablauf im allgemeinen eine positive Potentialdifferenz zwischen Kondensator 210 und dem Gruppenwahlpiezoanschluß 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10. Solange jedoch der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 offen sind, kommt es zu keinem Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elements 10: In diesem Zustand befindet sich die in 2 gezeigte Schaltung in einem eingeschwungenen Zustand, das heißt, das piezoelektrische Element 10 behält seinen Ladungszustand auf im wesentlichen unveränderte Weise bei und keine Ströme fließen.
Um das erste piezoelektrische Element 10 zu laden, wird der Ladeschalter 220 geschlossen. Theoretisch könnte das erste piezoelektrische Element 10 einfach dadurch geladen werden. Dies würde jedoch große Ströme erzeugen, die die beteiligten Elemente beschädigen könnten. Deshalb werden die auftretenden Ströme am Meßpunkt 620 gemessen und der Schalter 220 wird wieder geöffnet, sobald die detektierten Ströme eine bestimmte Grenze übersteigen. Um eine beliebige gewünschte Ladung auf dem ersten piezoelektrischen Element 10 zu erreichen, wird daher der Ladeschalter 220 wiederholt geschlossen und geöffnet, während der Entladeschalter 230 offen bleibt.
Ausführlicher ausgedrückt kommt es, wenn der Ladeschalter 220 geschlossen ist, zu den in 3A gezeigten Zuständen, das heißt, ein geschlossener Kreis, der eine Reihenschaltung umfaßt, die aus piezoelektrischem Element 10, Kondensator 210 und Spule 240 besteht, wird gebildet, in dem ein Strom i_LE(t) fließt, wie durch die Pfeile in 3A angedeutet. Infolge dieses Stromflusses werden beide positive Ladungen zu dem Gruppenwahlpiezoanschluß 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10 gebracht und Energie wird in der Spule 240 gespeichert.
Wenn sich der Ladeschalter 220, kurz (beispielsweise einige wenige μs) nachdem er geschlossen worden ist, öffnet, treten die in 3B gezeigten Zustände auf: Ein. geschlossener Kreis, der eine Reihenschaltung umfaßt, die aus piezoelektrischem Element 10, Ladediode 221 und Spule 240 besteht, wird gebildet, in dem ein Strom i_LA(t) fließt, wie durch die Pfeile in 3B angedeutet. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß in der Spule 240 gespeicherte Energie in das piezoelektrische Element 10 fließt. Entsprechend der Energiezufuhr zu dem piezoelektrischen Element 10 nehmen die in letzterem auftretende Spannung und seine externen Abmessungen zu. Nachdem der Energietransport von der Spule 240 zum piezoelektrischen Element 10 stattgefunden hat, wird wieder der eingeschwungene Zustand der Schaltung wie in 2 gezeigt und bereits beschrieben, erreicht.
Je nach dem gewünschten Zeitprofil des Ladevorgangs wird zu diesem Zeitpunkt oder früher oder später der Ladeschalter 220 wieder einmal geschlossen und wieder geöffnet, so daß die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden. Infolge des Wiederschließens und Wiederöffnens des Ladeschalters 220 nimmt die im piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie zu (die bereits im piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie und die neu zugeführte Energie werden zusammenaddiert), und die am piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und seine externen Abmessungen nehmen dementsprechend zu.
Wenn das oben erwähnte Schließen und Öffnen des Ladeschalters 220 mehrmals wiederholt wird, nehmen die am piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 10 in Stufen zu.
Nachdem der Ladeschalter 220 mit einer vordefinierten Häufigkeit geschlossen und geöffnet worden ist und/oder nachdem das piezoelektrische Element 10 den gewünschten Ladezustand erreicht hat, wird das Laden des piezoelektrischen Elements beendet, indem der Ladeschalter 220 offengelassen wird.
Hinsichtlich des Entladeablaufs werden bei dem betrachteten Beispiel die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 wie folgt in Gruppen (G1 und/oder G2) entladen:
Zuerst werden der oder die Gruppenwahlschalter 310 und/oder 320 der Gruppe oder Gruppen G1 und/oder G2, deren piezoelektrische Elemente entladen werden sollen, geschlossen (die Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 61 beeinflussen nicht die Wahl der piezoelek trischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 für den Entladeablauf, da sie in diesem Fall von den Verzweigungsdioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 überbrückt werden). Um das piezoelektrische Element 10 als Teil der ersten Gruppe G1 zu entladen, wird daher der erste Gruppenwahlschalter 310 geschlossen.
Wenn der Entladeschalter 230 geschlossen ist, treten die in 3C gezeigten Zustände auf: Ein geschlossener Kreis, der eine Reihenschaltung umfaßt, die aus piezoelektrischem Element 10 und Spule 240 besteht, wird gebildet, in dem ein Strom i_EE(t) fließt, wie durch die Pfeile in 3C angedeutet. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß die im piezoelektrischen Element gespeicherte Energie (ein Teil davon) in die Spule 240 transportiert wird. Entsprechend der Energieübertragung von piezoelektrischem Element 10 zu Spule 240 nehmen die an dem piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und seine externen Abmessungen ab.
Wenn sich der Entladeschalter 230, kurz (beispielsweise einige wenige μs) nachdem er geschlossen worden ist, öffnet, treten die in 3D gezeigten Zustände ein: Ein geschlossener Kreis, der eine Reihenschaltung umfaßt, die aus piezoelektrischem Element 10, Kondensator 210, Entladediode 231 und Spule 240 besteht, wird gebildet, in dem ein Strom i_EA(t) fließt, wie durch die Pfeile in 3D angedeutet. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß in der Spule 240 gespeicherte Energie in den Kondensator 210 zurückgeführt wird. Nachdem der Energietransport von der Spule 240 zum Kondensator 210 stattgefunden hat, wird wieder der eingeschwungene Zustand der Schaltung, wie in 2 gezeigt und bereits beschrieben, erreicht.
Je nach dem gewünschten Zeitprofil des Entladevorgangs wird zu diesem Zeitpunkt oder früher oder später der Entladeschalter 230 wieder einmal geschlossen und wieder geöffnet, so daß die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden. Infolge des Wiederschließens und Wiederöffnens des Entladeschalters 230 wird die im piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie weiter reduziert, und die am piezoelektrischen Element auftretende Spannung und seine externen Abmessungen dementsprechend reduziert.
Wenn das oben erwähnte Schließen und Öffnen des Entladeschalters 230 mehrmals wiederholt wird, nehmen die am piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 10 in Stufen ab.
Nachdem der Entladeschalter 230 mit einer vordefinierten Häufigkeit geschlossen und geöffnet worden ist und/oder nachdem das piezoelektrische Element den gewünschten Ladezustand erreicht hat, wird das Entladen des piezoelektrischen Elements 10 beendet, indem der Entladeschalter 230 offengelassen wird.
Die Wechselwirkung zwischen dem Aktivierungs-IC E und der Steuereinheit D einerseits und den Elementen innerhalb des detaillierten Bereichs A andererseits erfolgt durch Steuersignale, die vom Aktivierungs-IC E zu Elementen innerhalb des detaillierten Bereichs A über Verzweigungswahlsteuerleitungen 410, 420, 430, 440, 450, 460, Gruppenwahlsteuerleitungen 510, 520, Stoppschaltersteuerleitung 530, Ladeschaltersteuerleitung 540 und Entladeschaltersteuerleitung 550 und Steuerleitung 560 geschickt werden. Andererseits gibt es Sensorsignale, die an Meßpunkten 600, 610, 620, 630, 640, 650 innerhalb des detaillierten Bereichs A erhalten werden, die über Sensorleitungen 700, 710, 720, 730, 740, 750 zum Aktivierungs-IC E übertragen werden.
Die Steuerleitungen werden dazu verwendet, Spannungen an die Transistorbasen anzulegen oder nicht anzulegen, um piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 auszuwählen, um Lade- oder Entladeabläufe eines einzelnen oder mehrerer piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 mit Hilfe des Öffnens und Schließens der entsprechenden Schalter wie oben beschrieben durchzuführen. Die Sensorsignale werden insbesondere dazu verwendet, die resultierende Spannung der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 von Meßpunkten 600 bzw. 610 und den Lade- und Entladeströmen vom Meßpunkt 620 zu bestimmen.
Die 4A bis 4D zeigen zwei Phasen in dem Lade- und Entladezyklus, in dem anormale Ströme gemessen werden können, um Kurzschlüsse gemäß der vorliegenden Erfindung zu detektieren.
4A und 4B zeigen die gleiche Phase im Ladezyklus wie 3A, wenn der Ladeschalter geschlossen ist. 4A und 4B zeigen, wie sich die Schaltung ändert, wenn ein Kurzschluß entweder vom positiven (4A) oder negativen (4B) Anschluß des piezoelektrischen Elements zu Chassismasse auftritt. Es ist zu sehen, daß in jedem Fall ein Strom weiterhin im Uhrzeigersinn durch den Puffernebenschlußwiderstand 651 und den Pufferkondensator 210 fließt, daß Strom aber nicht durch den piezoelektrischen Nebenschlußwiderstand 300 fließt. Unter normalen Bedingungen ohne einen Kurzschluß würde Strom durch beide Nebenschlußwiderstände 651 und 300 fließen.
Die 4C und 4D zeigen die gleiche Phase in dem Entladezyklus wie 3D, wenn der Entladeschalter offen ist. 4C und 4D zeigen, wie sich die Schaltung ändert, wenn ein Kurzschluß entweder vom positiven (4C) oder negativen (4D) Anschluß des piezoelektrischen Elements zu Chassismasse auftritt. In dieser Phase des Zyklus fließt Strom weiterhin entgegen dem Uhrzeigersinn durch den Pufferkondensator 210 und den Puffernebenschlußwiderstand 651, fließt aber nicht durch den piezoelektrischen Nebenschlußwiderstand 300. Wieder würde unter normalen Bedingungen ohne Kurzschluß Strom durch beide Nebenschlußwiderstände 651 und 300 fließen.
Wie in 2 angegeben, sind die Steuereinheit D und der Aktivierungs-IC E mit Hilfe eines parallelen Busses 840 und zusätzlich mit Hilfe eines seriellen Busses 850 miteinander verbunden. Der parallele Bus 840 wird insbesondere für die schnelle Übertragung von Steuersignalen von der Steuereinheit D zum Aktivierungs-IC E verwendet, wohingegen der serielle Bus 850 für eine langsamere Datenübertragung verwendet wird.
In 5 sind einige Komponenten angegeben, die der Aktivierungs-IC E umfaßt: eine Logikschaltung 800, einen RAM-Speicher 810, ein Digital-Analog-Wandlersystem 820 und ein Vergleichersystem 830. Weiterhin ist angegeben, daß der (für Steuersignale verwendete) schnelle parallele Bus 840 an die Logikschaltung 800 des Aktivierungs-IC E angeschlossen ist, während der langsamere serielle Bus 850 mit dem RAM-Speicher 810 verbunden ist. Die Logikschaltung 800 ist mit dem RAM-Speicher 810, mit dem Vergleichersystem 830 und mit den Signalleitungen 410, 420, 430, 440, 450 und 460; 510 und 520; 530; 540, 550 und 560 verbunden. Der RAM-Speicher 810 ist an die Logikschaltung 800 sowie an das Digital-Analog-Wandlersystem 820 angeschlossen. Das Digital-Analog-Wandlersystem 820 ist weiterhin mit dem Vergleichersystem 830 verbunden. Das Vergleichersystem 830 ist weiterhin mit den Sensorleitungen 700 und 710, 720, 730, 740 und 750 und, wie bereits erwähnt, mit der Logikschaltung 800 verbunden.
Die oben aufgeführten Komponenten können in einem Ladeablauf beispielsweise wie folgt verwendet werden:
Mit Hilfe der Steuereinheit D wird ein bestimmtes piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 bestimmt, das bis auf eine bestimmte Zielspannung geladen werden soll. Somit wird zuerst der Wert der Zielspannung (durch eine digitale Zahl ausgedrückt) über den langsameren seriellen Bus 850 zum RAM-Speicher 810 übertragen. Die Zielspannung kann beispielsweise der bei einer Haupteinspritzung verwendete Wert für U_opt sein. Später oder gleichzeitig wird an die Logikschaltung 800 über den parallelen Bus 840 ein Code übertragen, der dem jeweiligen piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, das ausgewählt werden soll, und der Adresse der Sollspannung innerhalb des RAM-Speichers 810 entspricht. Später wird ein Strobesignal über den parallelen Bus 840 an die Logikschaltung 800 geschickt, das das Startsignal für den Ladeablauf liefert.
Das Startsignal bewirkt zuerst, daß die Logikschaltung 800 den digitalen Wert der Zielspannung vom RAM-Speicher 810 aufgreift und ihn auf das Digital-Analog-Wandlersystem 820 gibt, wodurch an einem analogen Ausgang der Wandler 820 die Sollspannung auftritt. Außerdem ist der nicht gezeigte analoge Ausgang mit dem Vergleichersystem 830 verbunden. Zusätzlich dazu wählt die Logikschaltung 800 entweder den Meßpunkt 600 (für ein beliebiges der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 der ersten Gruppe G1) oder den Meßpunkt 610 (für ein beliebiges der piezoelektrischen Elemente 40, 50 oder 60 der zweiten Gruppe G2) an das Vergleichersystem 830. Als Ergebnis davon werden die Zielspannung und die vorliegende Spannung am ausgewählten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 durch das Vergleichersystem 830 verglichen. Die Ergebnisse des Vergleichs, das heißt die Differenzen zwischen der Zielspannung und der vorliegenden Spannung, werden an die Logikschaltung 800 übertragen. Dadurch kann die Logikschaltung 800 den Ablauf stoppen, sobald die Zielspannung und die vorliegende Spannung einander gleich sind.
Zweitens legt die Logikschaltung 800 ein Steuersignal an den Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 oder 61 an, der einem beliebigen ausgewählten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 entspricht, so daß der Schalter geschlossen wird (innerhalb des beschriebenen Beispiels wird davon ausgegangen, daß alle Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 und 61 vor dem Einsetzen des Ladeablaufs sich in einem offenen Zustand befinden). Dann legt die Logikschaltung 800 ein Steuersignal an den Ladeschalter 220 an, so daß der Schalter geschlossen wird. Zudem beginnt die Logikschaltung 800 mit dem Messen etwaiger am Meßpunkt 620 auftretender Ströme (oder setzt diese Messungen fort). Dazu werden die gemessenen Ströme mit einem etwaigen vordefinierten Höchstwert durch das Vergleichersystem 830 verglichen. Sobald der vordefinierte Höchstwert von den detektierten Strömen erreicht wird, bewirkt die Logikschaltung 800, daß sich der Ladeschalter 220 wieder öffnet.
Wieder werden die übrigen Ströme am Meßpunkt 620 detektiert und mit einem etwaigen vorbestimmten Mindestwert verglichen. Sobald der vordefinierte Mindestwert erreicht wird, bewirkt die Logikschaltung 800, daß sich der Ladeschalter 220 wieder schließt, und der Ablauf beginnt wieder.
Das Schließen und Öffnen des Ladeschalters 220 wird so lange wiederholt, wie die detektierte Spannung am Meßpunkt 600 oder 610 unter der Zielspannung liegt. Sobald die Zielspannung erreicht ist, stoppt die Logikschaltung die Fortsetzung des Ablaufs.
Der Entladeablauf findet auf entsprechende Weise statt: Nun wird die Wahl des piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 mit Hilfe der Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 erreicht, der Entladeschalter 230 wird anstelle des Ladeschalters 220 geöffnet und geschlossen und eine vordefinierte Mindestzielspannung muß erreicht werden.
Die zeitliche Steuerung der Lade- und Entladevorgänge und das Halten der Spannungspegel in den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 wie beispielsweise die Zeit einer Haupteinspritzung kann entsprechend einem Ventilhub erfolgen, wie beispielsweise in 2 gezeigt.
Es versteht sich, daß die oben angegebene Beschreibung, wie die Lade- oder Entladeabläufe stattfinden, lediglich beispielhaft ist. Somit könnte ein beliebiger anderer Ablauf, der die oben beschriebenen Schaltungen oder andere Schaltungen verwendet, einem beliebigen gewünschten Zweck entsprechen, und jeder entsprechende Ablauf kann anstelle des oben beschriebenen Beispiels verwendet werden.
Die Zielspannungen zum Aktivieren der piezoelektrischen Elemente sind im RAM-Speicher 810 gespeichert. Die im RAM-Speicher 810 gespeicherten Werte enthalten die Zeitdauerberechnungen der Dosiereinheit und Anfangswerte beispielsweise für U_opt, das als Zielspannungen bei Lade- und Entladeabläufen verwendet wird, wie oben beschrieben.
Die U_opt-Werte können sich als Funktion der Arbeitscharakteristiken des Kraftstoffeinspritzsystems ändern, wie beispielsweise Kraftstoffdruck, wie in der am gleichen Tag wie diese Anmeldung eingereichten, gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit dem Titel „Method and Apparatus for Charging a Piezoelectric Element" vollständig beschrieben. Somit enthalten die im RAM-Speicher 810 gespeicherten Werte Delta-Werte, die zu den eingestellten Anfangsspannungen U_opt addiert oder von diesen subtrahiert werden, und zwar als Funktion des gemessenen Kraftstoffdrucks, wie in der am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereichten, gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit dem Titel „Method and Apparatus for Charging a Piezoelectric Element" beschrieben. Die gespeicherten Zielspannungen können ebenfalls modifiziert und ständig optimiert werden, wie in der am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereichten, gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit dem Titel „Online Optimization of Injection Systems Having Piezoelectric Elements" beschrieben.
Die vorliegende Erfindung zum Detektieren eines Kurzschlusses zu Chassismasse beim Ansteuern der piezoelektrischen Elemente kann unter Verwendung der oben beschriebenen Ausführungsform ohne weiteres implementiert werden. Wie oben erörtert, detektiert die vorliegende Erfindung einen Kurzschluß durch Überwachen von Strömen an verschiedenen Stellen in der piezoelektrische Elemente ansteuernden Schaltung. Insbesondere während der Ladephase, wenn der Ladeschalter 220 geschlossen ist, und während der Entladephase, wenn der Entladeschalter 230 offen ist, sollte Strom sowohl durch den Puffernebenschlußwiderstand 651 als auch den piezoelektrischen Nebenschlußwiderstand 300 fließen, wie in 3A und 3D dargestellt. Wenn jedoch ein Kurzschluß von dem piezoelektrischen Element zu Chassismasse auftritt, liegt im piezoelektrischen Nebenschlußwiderstand 300 kein Strom vor, wie in 4A bis 4D dargestellt. In der Regel beträgt der maximale Gradient des Stroms 10 A/μs, während sich die Schaltung im Lade- oder Entlademodus befindet.
Wie in 2 dargestellt, wird der Strom am Puffernebenschlußwiderstand 651 über den Meßpunkt 650 gemessen. Der Strom am piezoelektrischen Nebenschlußwiderstand 300 wird über den Meßpunkt 620 gemessen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden die Strommessungen von den Meßpunkten 620 und 650 durch ein Vergleichersystem 830 verglichen, und ein die Differenz bei den beiden Strömen darstellendes Signal wird erzeugt und an eine Logikschaltung 800 angelegt.
Die Logikschaltung 800 überwacht dieses Differenzsignal während der oben erörterten ansteuernden Zyklusphasen, wenn bekannt ist, daß die Stromwerte bei Fehlen eines Kurzschlusses ungefähr gleich sein sollten. Wenn die Logikschaltung 800 ein Steuersignal anlegt, um während des Ladezyklus den Ladeschalter 220 zu schließen, und wenn die Logikschaltung 800 ein Steuersignal anlegt, um während des Entladezyklus den Entladeschalter 230 zu öffnen, überwacht die Logikschaltung 800 das Stromdifferenzsignal vom Vergleichersystem 830. Wenn das Stromdifferenzsignal über einem vorbestimmten Maximum liegt, erzeugt die Logikschaltung 800 ein Fehlersignal, das anzeigt, daß ein Kurzschluß aufgetreten ist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Stromdiagnoseeinheit die Spannungsteiler mit den Widerständen 652 und 653 sowie die Widerstände 622 und 623, den Aktivierungs-IC E sowie die eine detektierte Differenz bei Strömen auswertende Steuereinheit D.
Die vorbestimmte maximale Differenz kann auf etwa 1 A eingestellt sein. Somit wird bei einem Stromgradienten von 10 A/μs der Schwellwert erfüllt und kann in 0,1 μs detektiert werden. Besonders bevorzugt wird eine maximale vorbestimmte Differenz etwa 3 bis 5 A sein, um eine Fehlerdetektion aufgrund von Rauschen in der piezoelektrischen ansteuernden Schaltung zu vermeiden. Bei einer Grenze von 3 bis 5 A würde der Schwellwert erfüllt und in etwa 0,3 bis 0,5 μs detektiert werden können. Grenzfrequenzen in der Logikschaltung 800 und dem Vergleichersystem 830 können die Kurzschlußdetektionszeit verzögern. In der Regel liegen die Begrenzungen dieser Detektionsschaltung im Bereich von 1 bis 2 μs. Für das Beispiel einer maximalen vorbestimmten Differenz von 5 A würde eine Detektionszeit somit im Bereich von 1,5 bis 2,5 μs liegen.
Das von der Logikschaltung 800 erzeugte Fehlersignal kann zum Erstellen eines Fehlerspeichers in dem Aktivierungs-IC E verwendet werden. Eine weitere Steuereinheit D und Aktivierungs-IC E können so programmiert werden, daß sie das Ansteuern der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 beenden, wenn ein derartiges Kurzschlußfehlersignal erzeugt wird. Wenn ein Kurzschlußfehlersignal das Stoppen des Lade- und Entladezyklus bewirkt, ist es wichtig sicherzustellen, daß alle piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60, die unbeabsichtigt geladen worden sind, entladen werden. Nach dem Detektieren eines Kurzschlusses und Stoppen des ansteuernden Zyklus bewirkt der Aktivierungs-IC E deshalb, daß der Stoppschalter 331 und die Gruppenwahlschalter 310 und 320 für eine vorbestimmte Zeitdauer schließen, um sicherzustellen, daß etwaige geladene piezoelektrische Elemente vollständig entladen werden.

Claims

Kraftstoffeinspritzsystem mit einem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zum Steuern einer eingespritzten Kraftstoffmenge durch Laden und/oder Entladen des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) unter Verwendung einer Ansteuerschaltung, wobei das Kraftstoffeinspritzsystem eine Stromdiagnoseeinheit umfaßt, die einen Fehler bei einem in der Ansteuerschaltung fließenden Strom innerhalb von 10 μs nach dem Auftreten des Fehlers detektieren kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdiagnoseeinheit den Fehler durch Detektieren eines Eingangsstroms, der in das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) fließt, und eines Ausgangsstroms, der aus dem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) herausfließt, detektiert.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdiagnoseeinheit den Fehler innerhalb von 0,1 μs bis 10 μs nach dem Auftreten des Fehlers detektieren kann.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdiagnoseeinheit den Fehler innerhalb von 3 μs nach dem Auftreten des Fehlers detektieren kann.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdiagnoseeinheit den Fehler auf der Basis eines Vergleichs zwischen dem Eingangsstrom und dem Ausgangsstrom detektiert.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdiagnoseeinheit den Fehler nur zu einem vorbestimmten Zeitintervall sucht.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehler einen Kurzschluß von einem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zu Masse beinhaltet, wenn das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) angesteuert wird.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdiagnoseeinheit eine Vergleicherschaltung zum Vergleichen von in verschiedenen Teilen der Ansteuerschaltung fließenden Strömen und eine ein Differenzsignal von der Vergleicherschaltung empfangene Steuereinheit (D) umfaßt, wobei die Steuereinheit (D) ein Fehlersignal erzeugt, wenn das Differenzsignal größer ist als ein vorbestimmtes Maximum während des Ladens oder Entladens des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60).
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleicherschaltung den Stromfluß durch eine Pufferschaltung und einen piezoelektrischen Nebenschlußwiderstand in Reihe mit dem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) vergleicht.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Zeitpunkt in dem Ansteuerzyklus dann ist, wenn sowohl die Pufferschaltung als auch der piezoelektrische Nebenschlußwiderstand beide bei Fehlen eines Kurzschlusses einen gemeinsamen Strom führen.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleicherschaltung von einem Meßpunkt in einer Spannungsteilerschaltung ein Strommeßsignal empfängt.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal als ein Eintrag in einem Fehlerspeicher aufgezeichnet wird.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdiagnoseeinheit alle piezoelektrischen Elemente (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) entlädt, wenn ein Fehler detektiert wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zum Steuern einer eingespritzten Kraftstoffmenge durch Laden und/oder Entladen des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) unter Verwendung einer Ansteuerschaltung, insbesondere zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei ein in der Ansteuerschaltung fließender Strom derart geprüft wird, daß ein möglicher Fehler des in der Ansteuerschaltung fließenden Stroms innerhalb von 10 μs nach dem Auftreten des Fehlers detektiert wird, gekennzeichnet durch das Detektieren eines in das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) fließenden Eingangsstroms und eines aus dem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) herausfließenden Ausgangsstroms.