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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuervorrichtung für einen
Piezoaktor und betrifft insbesondere eine Ansteuervorrichtung für einen
Piezoaktor mit einer Störzustands-Erkennungsfunktion.
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Bei
einem Piezoaktor erfolgt eine Auslenkung in Abhängigkeit von einer angelegten
Spannung durch Expansion und Kontraktion eines piezoelektrischen
Körpers,
wobei ein Piezoaktor ein gutes Ansprechvermögen und ausgezeichnete Steuereigenschaften
aufweist. Aus diesem Grund ist die Verwendung eines Piezoaktors
z.B. auch bereits bei Kraftfahrzeugantrieben in Form eines Piezoinjektors
vorgeschlagen worden.
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Darüber hinaus
hat sich auf Grund neuer Fahrzeugvorschriften auch die Einbeziehung
einer Fehlerdiagnose bei Kraftfahrzeugen bzw. fahrzeuggebundenen
Geräten
als erforderlich erwiesen. Bei einem Piezoaktor, der eine hohe Spannung
erzeugt, ist es in diesem Zusammenhang erforderlich, die Betätigung bzw.
Ansteuerung des Piezoaktors bei Auftreten eines Störzustands
schnell zu unterbrechen bzw. zu beenden.
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Als
Gegenmaßnahme
in Bezug auf das Auftreten hoher Spannungen bei einem Piezoaktor
ist bereits eine Störzustands-Erfassungsschaltung
bei einer Ansteuervorrichtung für
einen Piezoaktor bekannt. Aus der JP-A-3-128 679 ist z.B. eine Ansteuervorrichtung
bekannt, die während
einer vorgegebenen Zeitdauer bei der Kontraktion eines Piezoaktors
eine hohe Spannung anlegt und eine Entladung der akkumulierten elektrischen Ladung
herbeiführt.
Bei dieser Vorrichtung wird ermittelt, ob eine vollständige Entladung
stattgefunden hat. Wenn dies nicht der Fall ist, wird die Zuführung der
hohen Spannung unterbrochen und die elektrische Ladung des Piezoaktors
abgeführt.
Durch diese Abführung
der elektrischen Ladung ist bei Auftreten eines Störzustands
während
der Ansteuerung des Piezoaktors somit die erforderliche Sicherheit
gewährleistet.
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Außerdem ist
zur Bestimmung des Vorliegens eines Störzustands bereits die Erfassung
eines Spannungspegels (oder eines Stroms) an einem von EIN/AUS-Signalen
gesteuerten Ausgangsanschluss vorgeschlagen worden. Wenn z.B. ein
einlassseitiger Ausgangsanschluss eingeschaltet wird, nimmt der
Spannungspegel den Wert "L" an, während im
Falle einer Abschaltung der Pegel "H" vorliegt.
Bei einem Auslassausgang liegen die umgekehrten Bedingungen vor.
Durch einen Vergleich des EIN/AUS-Signals und des erfassten Spannungspegels
kann somit das Vorliegen eines Störzustands festgestellt werden.
Wenn das Vorliegen eines Störzustands
auf der Basis eines Stroms erfasst wird, erfolgt dies in Abhängigkeit
davon, ob der Strom während
der EIN/AUS-Zeiten eine vorgegebene Stromstärke erreicht. Wird hierbei
das Vorliegen eines Störzustands
festgestellt, wird die Erzeugung der hohen Spannung unterbunden
und eine entsprechende Störzustandsanzeige
abgegeben.
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Hierbei
sind allerdings verschiedene Ursachen für einen vorliegenden Störzustand
in Betracht zu ziehen, wie z.B. eine Unterbrechung oder ein Kurzschluss
an einem Ausgangsanschluss, eine Unterbrechung, eine teilweise Unterbrechung
oder ein Kurzschluss sowie Leckströme bei einem Piezoaktor und
dergleichen. Insbesondere bei Verwendung eines Schaltverfahrens
zur Durchführung
einer stufenweise erfolgenden Aufladung und Entladung besteht auch
die Möglichkeit,
dass die Aufladungs- und Entladungsvorgänge durch Unterbrechungen auf
Grund eines Kontaktausfalls von Leitungen erfolgen. Zur Bewältigung
sämtlicher
in Betracht zu ziehender Störzustände ist
somit eine Anzahl von Schaltungsanordnungen erforderlich. Ein Piezoinjektor für eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine
umfasst sowohl auslassseitige als auch einlassseitige Ausgangsanschlüsse, wobei
Schaltungsanordnungen für
eine Anzahl von Zylindern erforderlich sind. Hierdurch wird der Schaltungsaufbau
komplex, was wiederum zu höheren
Herstellungskosten führt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Ansteuervorrichtung
für einen
Piezoaktor anzugeben, die eine einfache und genaue Erfassung von
Störzuständen ohne
einen aufwendigen Schaltungsaufbau oder höhere Herstellungkosten ermöglicht.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung
für einen
Piezoaktor erfolgt die Ermittlung des Vorliegens eines Störzustands
durch Erfassung der Anzahl von Schaltvorgängen beim Laden und Entladen und/oder
der Lade-/Entladezeitdauer und Vergleichen des Ermittlungsergebnisses
mit den im Normalzustand vorliegenden Bedingungen.
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Bei
der Ansteuerung des Piezoaktors wird das Durchschalten und Sperren
eines Ladeelements oder eines Entladeelements dahingehend gesteuert,
dass die beim Ladevorgang und Entladevorgang fließenden Ströme konstant
und die Anzahl der Schaltvorgänge
beim Laden und Entladen gleich sind und mit einer im wesentlichen
konstanten Häufigkeit
erfolgen. Diese Bedingungen sind jedoch bei einem Störzustand
in den Lade-/Entladestromkreisen nicht mehr gegeben. Das Vorliegen eines
Störzustands
kann somit festgestellt werden, wenn die Anzahl der Schaltvorgänge beim
Laden und Entladen erheblich kleiner oder größer als ein vorgegebener Wert
sind oder wenn eine erhebliche Differenz zwischen der Anzahl der
Schaltvorgänge
beim Laden und Entladen auftritt. Außerdem stellt auch die Lade-/Entladezeitdauer
eine im wesentlichen vorgegebene Zeitdauer dar. Wenn somit diese
vorgegebene Zeitdauer in erheblichem Maße überschritten wird, kann das
Vorliegen eines Störzustands
festgestellt werden. Ein Störzustand
kann somit verhältnismäßig einfach
in Abhängigkeit
von der Anzahl der Schaltvorgänge
beim Laden und Entladen oder der Lade-/Entladezeitdauer festgestellt
werden, sodass keine aufwendige Diagnoseschaltung erforderlich ist
und damit keine erhöhten Herstellungskosten
anfallen.
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Weitere
Zielsetzungen, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung, die in Verbindung
mit den zugehörigen
Zeichnungen erfolgt. Es zeigen:
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1 ein
Schaltbild einer Ansteuervorrichtung für einen Piezoaktor gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 Signalverläufe, die
eine bei diesem Ausführungsbeispiel
erfolgende Schaltsteuerung veranschaulichen,
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3A bis 3C Ablaufdiagramme,
die jeweils eine bei diesem Ausführungsbeispiel
erfolgende Ladesteuerungsverarbeitung, Entladesteuerungsverarbeitung
und Störzustandsbestimmungsverarbeitung
veranschaulichen, und
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4A bis 4D Signalverläufe, die
jeweils einen Sperrstörzustand
bei einem Zylinder-Schaltelement oder eine Unterbrechung bei einem
Piezo-Stapelelement und dergleichen, einen Durchschaltstörzustand bei
einem Zylinder-Schaltelement, einen Sperrstörzustand bei einem Ladeschaltelement
und dergleichen sowie einen Leckstrom-Störzustand
bei dem Piezo-Stapelelement veranschaulichen.
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Die
Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf ein in den Zeichnungen
dargestelltes Ausführungsbeispiel
im einzelnen beschrieben.
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Gemäß 1 ist
eine Ansteuervorrichtung 1 für Piezoinjektoren INJ1 bis
INJ4 vorgesehen, die von Piezo-Stapelelementen
zur Betätigung
von vier Injektoren gebildet werden, die wiederum jeweiligen Zylindern (#1
bis #4) zugeordnet sind. Die Piezo-Stapelelemente INJ1 bis INJ4
besitzen jeweils einen Aufbau, bei dem piezoelektrische Körper in
Form von z.B. PZT, die durch Zuführung
elektrischer Ladung expandieren und durch Abführung elektrischer Ladung kontrahieren,
als kreisförmige
oder rechteckige dünne
Plättchen
ausgebildet, laminiert und integriert sind. Eine Anzahl dieser piezoelektrischen
Körper
ist als sogenanntes Piezo-Stapelelement elektrisch parallel geschaltet.
Bei den piezoelektrischen Körpern
sind abwechselnd positive und negative Elektroden vorgesehen, die
mit dem Außenbereich über eine
positive Elektrode und eine negative Elektrode verbunden sind, die
sich an Seitenflächen
des Stapelelements befinden.
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Die
Ansteuervorrichtung 1 umfasst eine Spannungsanhebungsschaltung
(Gleichspannungswandler) 2, die eine Hochspannungs-Erzeugungseinrichtung
zur Erzeugung einer an die Piezo-Stapelelemente INJ1 bis INJ4 angelegten
hohen Spannung darstellt, und eine Lade-/Entladeschaltung (Lade-
und Entladeschaltung) 3, die eine Lade- und Entladeeinrichtung
zur Steuerung der Zuführung
und Abführung
der von der Spannungsanhebungsschaltung 2 erzeugten Energie
zu und aus den Piezo-Stapelelementen INJ1 bis INJ4 darstellt.
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Die
Spannungsanhebungsschaltung 2 wird von einer Batterie (+B)
mit elektrischer Energie versorgt und besteht aus einer Induktivität L51, einem
Schaltelement T51 und einer Diode D51, durch die eine Gleichspannung
von einigen 10 bis zu einigen 100 Volt erzeugt wird, die in einem
Kondensator C51 gespeichert wird.
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Die
Lade-/Entladeschaltung 3 umfasst ein Ladeschaltelement
T52 und ein Entladeschaltelement T53, die beide von MOS-Feldeffekttransistoren
gebildet werden. Beim Durchschalten des Schaltelements T52 wird die
von der Spannungsanhebungsschaltung 2 erzeugte hohe Spannung
an die Piezo-Stapelelemente INJ1 bis INJ4 angelegt, während beim
Durchschalten des Entladeschaltelements T53 die in den Piezo-Stapelelementen
INJ1 bis INJ4 gespeicherte elektrische Ladung abgeführt wird.
Die Schaltungsanordnung 3 umfasst hierbei eine Induktivität L52 zur
Strombegrenzung und Energie-Rückgewinnung
bei den Lade- und Entladevorgängen.
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Die
Ansteuervorrichtung 1 umfasst außerdem Zylinder-Schaltelemente T11,
T21, T31 und T41 zur Auswahl der die Ansteuerobjekte darstellenden
Piezo-Stapelelemente INJ1 bis INJ4 sowie Gruppen-Schaltelemente
T12 und T32. Die Piezo-Stapelelemente
INJ1 bis INJ4 werden hierbei durch Durchschalten/Sperren der mit
den Piezo-Stapelelementen INJ1 bis INJ4 jeweils in Reihe geschalteten
Zylinder-Schaltelemente
T11 bis T41 sowie des den Piezo-Stapelelementen
INJ1 und INJ2 gemeinsam zugeordneten Gruppen-Schaltelements T12
und des den Piezo-Stapelelementen
INJ3 und INJ4 gemeinsam zugeordneten Gruppen-Schaltelements T32
ausgewählt.
Die Gruppen-Schaltelemente
T12 und T32 dienen zur Aufteilung der Piezo-Stapelelemente in zwei Gruppen, sodass
bei Auftreten eines unkontrollierbaren Zustands bei einem der Piezo-Stapelelemente INJ1
bis INJ4 die dann verbleibenden beiden Piezo-Stapelelemente noch
korrekt betrieben werden können
(Notlaufbetrieb).
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Die
Zylinder-Schaltelemente T11 bis T41 und die Gruppen-Schaltelemente T12
und T32 werden von MOS-Feldeffekttransistoren
gebildet, deren jeweilige Gate-Elektroden
von einem eine elektronische Steuereinrichtung darstellenden elektronischen
Regler 4 mit Steuersignalen beaufschlagt werden. Die Steuereinrichtung 4 schaltet
hierbei die Schaltelemente T11 bis T41, T12 und T32 entsprechend
den die Ansteuerobjekte bildenden Piezo-Stapelelementen INJ1 bis INJ4 in Abhängigkeit
von Signalen durch, die von einer Zentraleinheit (CPU) 5 zugeführt werden.
Ferner führt
die Steuereinrichtung 4 den Gate-Elektroden des Ladeschaltelements T52
und des Entladeschaltelements T53 Steuersignale zu, wodurch ein
Durchschalten/Sperren der Schaltelemente T52 und T53 zur Steuerung
des Lade-/Entladevorgangs der Piezo-Stapelelemente INJ1 bis INJ4 erfolgt.
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Außerdem sind
den Piezo-Stapelelementen INJ1 und INJ2 ein Messwiderstand R11 und
den Piezo-Stapelelementen INJ3 und INJ4 ein Messwiderstand R31 zur
Ladesteuerung zugeordnet, wobei der Ladestrom der Piezo-Stapelelemente
INJ1 bis INJ4 in Form der an ihnen abfallenden Spannung erfasst
und der Steuereinrichtung 4 zugeführt wird. Dem Entladeschaltelement
T53 ist ein Messwiderstand R51 für
die Entladesteuerung zugeordnet, wobei der Entladestrom der Piezo-Stapelelemente
INJ1 bis INJ4 in Form der an ihm abfallenden Spannung erfasst und
der Steuereinrichtung 4 zugeführt wird.
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Die
Zentraleinheit 5 berechnet die Kraftstoffeinspritzmenge
und die zeitliche Steuerung der Kraftstoffeinspritzung auf der Basis
von Signalen, die von verschiedenen (nicht dargestellten) Sensoren
zugeführt
werden, und führt
der Steuereinrichtung 4 Betätigungssignale für die Injektoren
zu. Ein solches Betätigungssignal stellt
ein der jeweiligen Einspritzzeitdauer entsprechendes Rechteck-Impulssignal
dar. Mit dem Anstieg des Betätigungssignals
leitet die Steuereinrichtung 4 die Aufladung ein, während sie
die Entladung mit dem Abfallen des Betätigungssignals einleitet. Wenn
z.B. das Piezo-Stapelelement INJ1 angesteuert wird, fließt der Ladestrom
von dem Kondensator C51 über
den von dem Ladeschaltelement T52, der Induktivität L52, dem
Gruppen-Schaltelement T12, dem Anschluss COMA, dem Piezo-Stapelelement
INJ1, dem Anschluss #1, dem Zylinder-Schaltelement T11, dem Messwiderstand
R11 und Masse gebildeten Stromkreis, während der Entladestrom über den
von Masse, dem Messwiderstand R11, dem Zylinder-Schaltelement T11, dem Anschluss #1, dem
Piezo-Stapelelement
INJ1, dem Anschluss COMA, dem Gruppen-Schaltelement T12, der Induktivität L52, dem
Entladeschaltelement T53 und dem Messwiderstand R51 gebildeten Stromkreis
fließt.
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Bei
der Steuerung des Lade-/Entladevorgangs werden impulsartige Steuersignale
(Ladesignal/Entladesignal) im Rahmen des in 2 veranschaulichten
Schaltverfahrens verwendet. Zum Erreichen einer vorgegebenen Spannung
wird von der Steuereinrichtung 4 beim Ladevorgang ein mehrfaches
Durchschalten/Sperren (eine Umschaltung) des Ladeschaltelements
T52 und beim Entladevorgang ein mehrfaches Durchschalten/Sperren
des Entladeschaltelements T53 herbeigeführt.
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Bei
der Ladesteuerung schaltet die Steuereinrichtung 4 z.B.
zunächst
das Ladeschaltelement T52 durch und sperrt das Ladeschaltelement
T52, wenn der von dem Messwiderstand R11 oder dem Messwiderstand
R31 erfasste Ladestrom einen vorher eingestellten Strom-Sollwert
(von z.B. 10 A) erreicht. Nach einer vorgegebenen Sperrzeit (von
z.B. 10 μs)
wird das Ladeschaltelement T52 wieder durchgeschaltet, wodurch wieder
ein vorgegebener Ladestrom fließt
und eine erneute Abschaltung des Ladeschaltelements T52 erfolgt. Wenn
dieser Vorgang mehrfach wiederholt wird (z.B. in Form einer 7- bis
8-fachen Wiederholung) und hierbei eine voreingestellte Spannung
(von z.B. 150 V) erreicht ist, wird der Ladevorgang beendet.
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Die
Entladesteuerung erfolgt in ähnlicher
Weise. Zunächst
wird das Entladeschaltelement T53 durchgeschaltet. Wenn der von
dem Messwiderstand R51 erfasste Entladestrom dann einen voreingestellten Strom-Sollwert
(von z.B. 10 A) erreicht, wird das Entladeschaltelement T53 gesperrt.
Nach einer vorgegebenen Abschaltzeit (von z.B. 10 μs) wird das
Entladeschaltelement T53 erneut durchgeschaltet, wodurch wiederum
ein vorgegebener Entladestrom fließt und eine erneute Abschaltung
des Entladeschaltelements T53 erfolgt. Wenn dieser Vorgang mehrfach
wiederholt wird (z.B. eine 7- bis
8-fache Wiederholung erfolgt) und die Spannung hierbei 0 V erreicht,
wird der Entladevorgang beendet.
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Auf
diese Weise führt
die Steuereinrichtung 4 eine Folge von Lade- und Entladesteuervorgängen in Abhängigkeit
von dem mit Hilfe des Messwiderstands R11 oder R31 erfassten Ladestrom
und dem von dem Messwiderstand R51 erfassten Entladestrom durch.
Wenn hierbei die Ladeenergie und die Entladeenergie bei den Piezo-Stapelelementen
INJ1 bis INJ4 während
einer Schaltoperation gleich sind und die durch mehrfache Wiederholung
der Umschaltung erhaltene Ladeenergiemenge und Entladeenergiemenge
ebenfalls gleich sind, sind auch die Anzahl der Umschaltvorgänge beim
Laden gemäß 2 (die
Anzahl der Ladevorgänge) und
die Anzahl der Umschaltvorgänge
beim Entladen (die Anzahl der Entladevorgänge) gleich, d.h., diese Anzahl
bzw. Häufigkeit
ist im wesentlichen konstant.
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Die
Steuereinrichtung 4 umfasst außerdem eine Störzustands-Erfassungsschaltung 41,
die eine Störzustands-Detektoreinrichtung
darstellt und einen Vergleich der Anzahl der Ladevorgänge, der
Anzahl der Entladevorgänge
oder der Differenz zwischen der Anzahl von Ladevorgängen und
der Anzahl von Entladevorgängen
mit jeweiligen vorgegebenen Zahlenwerten für einen Normalzustand vornimmt
und auf diese Weise eine Störzustandsbestimmung
bei den Piezo-Stapelelementen INJ1 bis INJ4 und der Lade-/Entladeschaltung durchführt.
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In
den 3A bis 3C sind
die von der Ansteuervorrichtung 1 durchgeführte Injektorsteuerung
und Störzustandsermittlungsverarbeitung
veranschaulicht.
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Bei
einem Ladevorgang werden zunächst
in einem Schritt S11 gemäß 3A die
Gruppen-Schaltelemente T12 und T32 sowie die Zylinder-Schaltelemente
T11 bis T41 für
die entsprechenden Piezo-Stapelelemente INJ1 bis INJ4 der Injektoren
zur Durchführung
der nächsten
Einspritzung durchgeschaltet. In einem Schritt S12 wird sodann ermittelt,
ob das Injektor-Betätigungssignal
eingeschaltet ist (der H-Pegel vorliegt), wobei im Falle des Vorliegens
einer Abschaltung (des L-Pegels) die Steuerung beendet wird. Wenn
dagegen der Einschaltzustand vorliegt, wird in einem Schritt S13
ermittelt, ob die Ladespannung Vpc einen Sollwert (von z.B. 150
V) erreicht hat. Wenn dies der Fall ist, geht der Ablauf auf einen
Schritt S20 über,
bei dem das Ladeschaltelement T52 gesperrt und die Ladesteuerung
beendet werden.
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Bei
Vorliegen eines negativen Ergebnisses wird das Ladeschaltelement
T52 in einem Schritt S14 dagegen durchgeschaltet. In einem Schritt
S15 wird dann ermittelt, ob der Ladestrom Ic einen vorgegebenen Wert
(von z.B. 10 A) erreicht hat. Wenn dies nicht der Fall ist, geht
der Ablauf auf einen Schritt S18 über. Hierbei wird ermittelt,
ob die Durchschaltdauer Tonc des Ladeschaltelements T52 eine vorgegebene
Zeitdauer T1c erreicht oder überschritten
hat. Wird dagegen im Schritt S18 ein negatives Ergebnis erhalten,
kehrt der Ablauf zum Schritt S13 zurück.
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Bei
einem positiven Ergebnis im Schritt S15 werden in einem Schritt
S16 das Ladeschaltelement T52 gesperrt und der Zahlenwert Nc der
Ladevorgänge
eines Ladezeitzählers
um den Wert "1" inkrementiert. Der Ablauf
geht sodann auf einen Schritt S17 über, bei dem ermittelt wird,
ob eine Sperrzeit Toffc des Ladeschaltelements T52 eine vorgegebene
Zeitdauer T2c (von z.B. 10 μs)
erreicht oder überschritten
hat. Wenn hierbei im Schritt S17 ein negatives Ergebnis erhalten
wird, wird der Ablauf bis zum Vorliegen eines positiven Ergebnisses
wiederholt, woraufhin zum Schritt S12 zurückgekehrt wird.
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Wenn
dagegen im Schritt S18 die Durchschaltzeit Tonc des Ladeschaltelements
T52 die vorgegebene Zeitdauer T1c (von z.B. 250 ms) erreicht oder überschritten
hat, wird in einem Schritt S19 ein Durchschaltzeit-Ablaufzeichen
für das
Ladeschaltelement T52 gesetzt, auch wenn der Ladestrom den vorgegebenen
Wert noch nicht erreicht hat. In einem Schritt S20 werden dann das
Ladeschaltelement T52 gesperrt und die Ladesteuerung beendet.
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Bei
der in 3B veranschaulichten Entladeverarbeitung
wird in einem Schritt S21 ermittelt, ob das Injektor-Betätigungssignal
abgeschaltet ist (L-Pegel aufweist). Wenn hierbei der Einschaltzustand
vorliegt (H-Pegel) wird die Entladesteuerung beendet, während im
Falle des Vorliegens des Abschaltzustands in einem Schritt S22 ermittelt
wird, ob die Entladespannung Vp einen Sollwert (von z.B. 0 V) erreicht
hat. Bei einem positiven Ergebnis geht der Ablauf auf einen Schritt
S29 über,
bei dem das Entladeschaltelement T53 gesperrt und die Entladesteuerung
beendet werden.
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Im
Falle eines negativen Ergebnisses wird dagegen das Entladeschaltelement
T53 in einem Schritt S23 durchgeschaltet. In einem Schritt S24 wird
sodann ermittelt, ob der Entladestrom einen vorgegebenen Wert (von
z.B. 10 A) erreicht hat. Wenn hierbei ein negatives Ergebnis erhalten
wird, geht der Ablauf auf einen Schritt S27 über, bei dem ermittelt wird,
ob die Durchschaltzeit Tond des Entladeschaltelements T53 eine vorgegebene
Zeitdauer T1d erreicht oder überschritten
hat. Wird im Schritt S27 hierbei ein negatives Ergebnis erhalten,
kehrt der Ablauf zum Schritt S22 zurück.
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Wenn
im Schritt S24 ein positives Ergebnis erhalten wird, werden in einem
Schritt S25 das Entladeschaltelement T53 gesperrt und ein Zahlenwert
Nd der Entladevorgänge
eines Entladezeitzählers
um den Wert "1" inkrementiert. Der
Ablauf geht sodann auf einen Schritt S26 über, bei dem ermittelt wird,
ob die Sperrzeit Toffd des Entladeschaltelements T53 eine vorgegebene
Zeitdauer T2d (von z.B. 10 μs)
erreicht oder überschritten
hat. Wenn im Schritt S26 ein negatives Ergebnis erhalten wird, wird
der Vorgang bis zum Vorliegen eines positiven Ergebnisses wiederholt.
Anschließend
kehrt der Ablauf zum Schritt S21 zurück.
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Wenn
im Schritt S27 die Durchschaltzeit Tond des Entladeschaltelements
T53 die vorgegebene Zeitdauer T1d (von z.B. 250 ms) erreicht oder überschritten
hat, wird ein Durchschaltzeit-Ablaufzeichen für das Entladeschaltelement
T53 in einem Schritt S28 gesetzt, auch wenn der Entladestrom den
vorgegebenen Wert noch nicht erreicht hat. In einem Schritt S29
werden dann das Entladeschaltelement T53 gesperrt und die Entladesteuerung
beendet.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird parallel zu der Lade-/Entladesteuerung
von der Störzustands-Erfassungsschaltung 41 eine
Störzustandsbestimmung
durchgeführt.
Die Störzustands-Erfassungsschaltung 41 bestimmt
hierbei das Vorliegen eines Störzustands
durch Vergleichen der von dem Ladezeitzähler gezählten Anzahl Nc der Ladevorgänge und
der von dem Entladezeitzähler
gezählten
Anzahl Nd der Entladevorgänge mit
den in einem Normalzustand vorliegenden Zahlenwerten der Lade- und
Entladevorgänge
oder in Abhängigkeit
vom Vorliegen oder Nichtvorliegen des Setzzustands des Durchschaltzeit-Ablaufzeichens
für das
Ladeschaltelement T52 und des Durchschaltzeit-Ablaufzeichens für das Entladeschaltelement
T53.
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Hierbei
wird das Vorliegen eines Störzustands
festgestellt, wenn die erhaltenen Zahlenwerte für die Lade- und Entladevorgänge kleiner
als ein Zahlenwert A (eine vorgegebene Häufigkeit z.B. in Form einer
3-fachen Durchführung),
der auf der Basis einer im Normalzustand erfolgenden Häufigkeit
der Lade- und Entladevorgänge
(einer vorgegebenen Häufigkeit
von z.B. einer 7- bis 8-fachen Durchführung) voreingestellt worden ist,
oder größer als
ein Zahlenwert B (< vorgegebene
Häufigkeit
in Form z.B. einer 12-fachen Durchführung) sind oder wenn die Differenz
zwischen dem Zahlenwert Nc der Ladevorgänge und dem Zahlenwert Nd der
Entladevorgänge
größer als
ein Bezugszahlenwert C (z.B. eine 3-fache Häufigkeit) ist. Außerdem wird
das Vorliegen eines Störzustands
festgestellt, wenn die Lade-/Entladezeiten Tonc und Tond eine Bezugszeitdauer
D (von z.B. 250 ms) überschreiten.
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Die
in 4 dargestellten Signalverläufe zeigen
Störzustände sowie
die Änderung
der Häufigkeit
der Lade- und Entladevorgänge bei
dem Ladeschaltelement T52 und dem Entladeschaltelement T53, eine Überwachungsspannung
an einem Anschluss COMA oder COMB sowie den von den Messwiderständen R11,
R31 und R51 gemessenen Strom (Lade-/Entladestrom). In der nachstehenden
Tabelle 1 sind die Störzustände sowie
die hierbei jeweils vorliegende Situation und die Störzustandsbestimmung
zusammengefasst.
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4A zeigt
den Fall eines Sperrstörzustands
(eines kontinuierlichen Sperrzustands) bei den Zylinder-Schaltelementen T11
bis T41, einer Unterbrechung bei den Piezo-Stapelelementen INJ1
bis INJ4 oder einer Leitungsunterbrechung. In einem solchen Fall
kann der Lade-/Entladestrom
I nicht fließen,
sodass auch keine Aufladung der Piezo-Stapelelemente INJ1 bis INJ4
erfolgt. In einem solchen Fall wird festgestellt, dass die Überwachungsspannung
Vp (durchgezogene Kennlinie) an dem COM-Anschluss (COMA oder COMB) nicht
schrittweise wie im Normalzustand ansteigt (gestrichelte Kennlinie)
sondern unmittelbar durch die Durchschaltung der Lade-/Entladeschaltelemente
T52 und T53 angehoben wird. Die Überwachungsspannung
Vp erreicht somit die Sollspannung, ohne dass das Ladeschaltelement
T52 gesperrt wird.
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Wie
Tabelle 1 zu entnehmen ist, erfolgt auch bei einer teilweise vorliegenden
Unterbrechung der Piezo-Stapelelemente
INJ1 bis INJ4 auf Grund einer damit einhergehenden Verringerung
der Piezo-Kapazität
die Feststellung, dass die Sollspannung bereits bei einer geringeren
Anzahl von Lade-/Entladevorgängen
erreicht wird. Wenn die Anzahl Nc der Ladevorgänge oder die Anzahl Nd der
Entladevorgänge
erheblich kleiner als die vorgegebene Anzahl ist, d.h., wenn die
Anzahl Nc der Ladevorgänge
oder die Anzahl Nd der Entladevorgänge geringer als 3 ist (geringer
als der Bezugszahlenwert A), so kann daraus geschlossen werden,
dass auf Grund eines dieser Umstände
ein Störzustand
vorliegt.
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4B veranschaulicht
den Fall eines Durchschaltstörzustands
(kontinuierlichen Durchschaltzustands) bei den Zylinder-Schaltelementen
T11 bis T41. Wenn z.B. im Falle eines Durchschaltstörzustands
bei dem Zylinder-Schaltelement T11 des Zylinders #1 Lade-/Entladevorgänge bei
dem von dem gleichen Gruppen-Schaltelement
T12 gesteuerten Piezo-Stapelelement INJ2 des Zylinders #2 gesteuert
werden, wird den beiden Piezoelementen INJ1 und INJ2 elektrische
Energie zugeführt.
Hierbei verzögert
sich jedoch der Anstieg der Überwachungsspannung
Vp an dem COM-Anschluss, wobei die Anzahl der Lade-/Entladevorgänge ansteigt.
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Wie
Tabelle 1 zu entnehmen ist, werden im Falle eines Kurzschlusses
bei den Piezo-Stapelelementen INJ1 bis INJ4 die Piezo-Stapelelemente
nicht geladen, obwohl ein Strom fließt. Demzufolge findet kein
Anstieg der Überwachungsspannung
Vp statt, wobei sich die Anzahl Nc der Ladevorgänge erhöht. Im Falle eines Leitungs-Masseschlusses
in dem den Piezo-Stapelelementen INJ1 bis INJ4 nachgeschalteten
Stromkreis wird den beiden Piezo-Stapelelementen
elektrische Energie zugeführt,
wobei sich bei einem Zylinder die Anzahlen Nc, Nd der Lade-/Entladevorgänge erhöhen. Wenn
hierbei die Anzahl Nc der Ladevorgänge oder die Anzahl Nd der
Entladevorgänge
die vorgegebene Anzahl erheblich überschreitet, d.h., wenn die
Anzahl Nc der Ladevorgänge
oder die Anzahl Nd der Entladevorgänge den Zahlenwert 12 (den
Bezugszahlenwert B) überschreitet,
kann davon ausgegangen werden, dass ein Störzustand vorliegt.
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In 4C ist
der Fall eines Sperrstörzustands
(kontinuierlichen Sperrzustands) des Ladeschaltelements T52 oder
des Gruppen-Schaltelements T12 oder T32 veranschaulicht, wobei der
Ladestrom Ic nicht zu den Piezo-Stapelelementen
INJ1 bis INJ4 fließt
und somit auch nach Überschreiten
der Bezugszeitdauer D (von z.B. 250 ms) den vorgegebenen Wert nicht
erreicht. Die Ladezeitdauer Tc ist damit überschritten.
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Wie
in Tabelle 1 veranschaulicht ist, wird im Falle eines Sperrstörzustands
des Entladeschaltelements T53 in ähnlicher Weise die Entladezeitdauer
Tond überschritten.
Bei einem Durchschaltstörzustand
des Entladeschaltelements T53 wird die elektrische Energie unmittelbar
nach dem Ladevorgang wieder entladen, sodass die Überwachungsspannung
Vp nicht ansteigt. In diesem Falle wird somit die Ladezeitdauer
Tonc überschritten.
Im Falle eines Leitungs-Masseschlusses in dem den Piezo-Stapelelementen INJ1
bis INJ4 vorgeschalteten Stromkreis fließt der Ladestrom Ic nicht zu
den Piezo-Stapelelementen INJ1 bis INJ4, sodass das Ladeschaltelement
T52 nicht gesperrt wird und kein Anstieg der Überwachungsspannung Vp erfolgt.
Auch in diesem Falle wird somit die Ladezeitdauer Tonc überschritten.
Wenn somit die Ladezeitdauer Tonc oder die Entladezeitdauer Tond überschritten
werden, kann davon ausgegangen werden, dass ein Störzustand
vorliegt.
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4D veranschaulicht
den Fall des Auftretens von Leckstromverlusten bei den Piezo-Stapelelementen
INJ1 bis INJ4. Hierbei wird beim Laden der Anstieg der Überwachungsspannung
Vp auf Grund von Leckstromverlusten verzögert, wobei die Anzahl Nc von
Ladevorgängen
die vorgegebene Anzahl überschreitet. Beim
Entladen beschleunigt sich dagegen das Abfallen der Überwachungsspannung,
wobei die Anzahl Nd der Entladevorgänge abnimmt.
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Wie
Tabelle 1 zu entnehmen ist, vergrößert sich auch bei Auftreten
von Leckstromverlusten bei dem Entladeschaltelement T53 die Anzahl
Nc der Ladevorgänge,
während
die Anzahl Nd der Entladevorgänge
abnimmt. Bei Auftreten von Leckstromverlusten bei dem Ladeschaltelement
T52 verringert sich dagegen die Anzahl Nc der Ladevorgänge, während die
Anzahl Nd der Entladevorgänge
zunimmt. Wenn somit zwischen der Anzahl Nc der Ladevorgänge und
der Anzahl Nd der Entladevorgänge
eine erhebliche Differenz besteht und in diesem Falle |Nc – Nd| den
Wert 3 (den Bezugszahlenwert C) überschreitet,
so kann davon ausgegangen werden, dass ein Störzustand vorliegt.
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Wenn
dagegen ein Durchschaltstörzustand
(kontinuierlicher Durchschaltzustand) bei den Lade-/Entladeschaltelementen
T52 und T53 auftritt, liegt ständig
ein leitender Zustand vor. Eine Ladesteuerung mit Hilfe eines Schaltverfahrens
ist daher mit Schwierigkeiten verbunden, sodass die Anzahl Nc der
Ladevorgänge
den Wert 3 (den Bezugswert A) unterschreitet oder die Anzahl Nd
der Entladevorgänge
den Wert 12 (den Bezugswert B) überschreitet.
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Im
Falle eines Durchschaltstörzustands
(kontinuierlichen Durchschaltzustands) bei den Gruppen-Schaltelementen
T12 und T32 ist eine Notlauffunktion bei einem Leitungskurzschluss
nicht mehr gewährleistet.
Wenn ein Zylinder der anderen Gruppe gesteuert wird, wird hierbei
festgestellt, dass eine erhöhte Überwachungsspannung
Vp vorliegt. In diesem Falle unterschreitet die Anzahl Nc der Ladevorgänge den
Wert 3 (den Bezugszahlenwert A).
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Wenn
auf Grund einer Kontaktunterbrechung ein Kontaktausfall vorliegt,
erfolgt ein Lade-/Entladevorgang. Auch in diesem Falle unterschreiten
somit die Anzahl Nc der Ladevorgänge
und die Anzahl Nd der Entladevorgänge den Wert 3 (den Bezugszahlenwert
A) oder die Differenz |Nc – Nd| überschreitet
den Wert 3 (den Bezugszahlenwert C).
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Auf
diese Weise können
sämtliche
unterschiedlichen Störzustände, die
möglicherweise
auftreten, durch Herbeiführung
eines Vergleichs mit den vorgegebenen Bezugswerten A bis C oder
der Bezugszeitdauer D erkannt werden.
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3C zeigt
ein Ablaufdiagramm einer Störzustandsbestimmungsverarbeitung.
In einem Schritt S31 wird hierbei ermittelt, ob die Anzahl Nc der
Ladevorgänge
den Wert 3 unterschreitet. Im Falle eines negativen Ergebnisses
wird sodann in einem Schritt S32 ermittelt, ob die Anzahl Nc der
Ladevorgänge
den Wert 12 überschreitet.
Bei einem negativen Ergebnis im Schritt S32 wird sodann in einem
Schritt S33 festgestellt, ob das Zeitablaufzeichen der Ladezeitdauer
gesetzt worden ist oder nicht.
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Wenn
das Zeitablaufzeichen nicht gesetzt ist, wird in einem Schritt S34
ermittelt, ob die Anzahl Nd der Entladevorgänge den Wert 3 unterschreitet.
Bei einem negativen Ergebnis wird sodann in einem Schritt S35 ermittelt,
ob die Anzahl Nd der Entladevorgänge
den Wert 12 überschreitet.
Wenn im Schritt S35 ein negatives Ergebnis erhalten wird, wird sodann
in einem Schritt S36 ermittelt, ob das Zeitablaufzeichen der Entladezeitdauer
gesetzt worden ist oder nicht.
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Falls
das Zeitablaufzeichen nicht gesetzt ist, wird in einem Schritt S37
ermittelt, ob |Anzahl Nc der Ladevorgänge – Anzahl Nd der Entladevorgänge| den
Wert 3 überschreitet.
Wenn im Schritt S37 ein negatives Ergebnis erhalten wird, wird sodann
in einem Schritt S39 die Feststellung getroffen, dass kein Störzustand
vorliegt, woraufhin die verschiedenen Zeitzähler zur Zählung der Anzahl der Lade-/Entladevorgänge und
dergleichen sowie die Zeitablaufzeichen zurückgestellt und damit die Störzustandsbestimmungsverarbeitung
beendet werden.
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Wenn
in einem der Schritte S31 bis S37 jedoch ein positives Ergebnis
erhalten wird, wird daraus geschlossen, dass ein Störzustand
vorliegt, woraufhin der Ablauf auf einen Schritt S38 übergeht
und die Störzustandsbestimmungsverarbeitung
beendet wird.
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Wie
vorstehend beschrieben, findet die Erfindung bei einer Ansteuervorrichtung
für einen
Piezoinjektor Verwendung, wobei mit ihrer Hilfe auf einfache Weise
das Vorliegen eines Störzustands
bei den Piezoaktoren oder den Lade-/Entladestromkreisen festgestellt werden
kann. Eine den jeweiligen Störzuständen zugeordnete
Anzahl von Schaltungsanordnungen ist hierbei nicht erforderlich,
da eine Vielzahl von Störzuständen auf verhältnismäßig einfache
Weise erfasst werden kann.
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Die
Erfindung ist jedoch nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt,
sondern kann auch in anderer Weise implementiert werden, wie dies
in den Patentansprüchen
angegeben ist.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Ansteuervorrichtung (1) für Piezo-Stapelelemente
(INJ1 bis INJ4) führt
somit eine Steuereinrichtung (4) wiederholt Schaltvorgänge zum
Durchschalten/Sperren von Schaltelementen (T52 und T53) zur Bildung
einer vorgegebenen Piezoaktorspannung durch. Eine Störzustands-Erfassungsschaltung
(41) bestimmt das Vorliegen eines Störzustands bei den Piezo-Stapelelementen
(INJ1 bis INJ4) durch Vornahme eines Vergleichs der Anzahl (Nc)
von Ladevorgängen
und der Anzahl (Nd) von Entladevorgängen oder von Lade-/Entladezeiten
(Tonc, Tond) mit im Normalzustand vorliegenden Werten.
