JP4625196B2

JP4625196B2 - 燃料噴射装置および該燃料噴射装置の作動方法

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Publication number: JP4625196B2
Application number: JP2001103839A
Authority: JP
Inventors: リューガーヨハネス−イェルク
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-04-01
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2021-04-02
Also published as: DE60018549T2; DE60018549D1; US6498418B2; JP2001349241A; EP1138917B1; EP1138917B2; US20020000761A1; EP1138917A1

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の装置および請求項７の上位概念に記載の方法すなわち圧電素子駆動時のシャシアースとの短絡を検出する装置および方法に関する。
【０００２】
圧電素子はアクチュエータとして使用することができる。なぜならば周知のようにそれらはそこに印加される電圧またはそこに発生する電圧の関数として収縮したり伸張したりする特性をもっているからである。
【０００３】
圧電素子を使用したアクチュエータによって実際に利点がもたらされるのは、対象となるアクチュエータが迅速および／または頻繁な運動を行わなければならないときである。
【０００４】
とりわけ内燃機関用の燃料噴射ノズルにおいて、アクチュエータとして圧電素子を使用することによって利点がもたらされる。たとえば燃料噴射ノズルにおける圧電素子の有用性に関して、EP 0 371 469 B1 および EP 0 379 182 B1 を参照されたい。
【０００５】
圧電素子は容量性素子であり、すでに先に少し触れたように特定の充電状態またはそこで発生する電圧またはそれに加えられる電圧に従い、収縮したり伸張したりする。燃料噴射ノズルの実例であれば、噴射ニードルの直線的なストロークを操作するバルブをコントロールするために圧電素子の伸張または収縮が用いられる。ドイツ連邦共和国特許出願 DE 197 42 073 A1 および DE 197 29 844 A1 には、燃料噴射装置における相応の噴射ニードルをコントロールするための複動複座バルブを備えた圧電素子を使用することが示されている。これを本出願の参考文献とする。
【０００６】
圧電素子を使用した燃料噴射装置の特徴はまず第１に、圧電素子は印加される電圧と直線的な伸張との間で比例関係を有していることである。燃料噴射ノズルの場合、たとえば内燃機関のシリンダへの燃料噴射のためにニードルの直線的なストロークをコントロールするために複動複座バルブとして実装されている燃料噴射ノズルの場合、対応するシリンダへ噴射される燃料の量はバルブが開いている時間の関数であり、圧電素子を使用した場合には圧電素子に印加される動作電圧の関数である。
【０００７】
図６は、圧電素子２０１０をアクチュエータとして使用した燃料噴射装置の概略図である。図６を参照すると、圧電素子２０１０は電気的に励起され、与えられる動作電圧に応じて伸張および収縮する。圧電素子２０１０はピストン２０１５と結合されている。伸張状態では圧電素子２０１０によりピストン２０１５は、作動液たとえば燃料を含んでいる液圧式アダプタ２０２０へ押し出される。圧電素子が伸張した結果、複動コントロールバルブ２０２５は液圧式に液圧式アダプタ２０２０からから押し出され、バルブプラグ２０３２５が第１の閉鎖位置から延ばされる。複動コントロールバルブ２０２５と中空ボア２０５０との組み合わせは複動複座バルブと呼ばれ、その理由は圧電素子２０１０が非励起状態にあるとき、複動コントロールバルブ２０２５がその第１閉鎖位置２０４０にあることによる。他方、圧電素子２０１０が完全に伸張しているとき、それは第２閉鎖位置２０３０にある。バルブプラグ２０３５の後者の位置は、図６の破線で表されている。
【０００８】
この燃料噴射装置は噴射ニードル２０７０を有しており、これによって加圧された燃料供給管２０６０からシリンダ（図示せず）へ燃料を噴射させることができる。圧電素子２０１０が励起されていない場合あるいはそれが完全に伸張している場合、複動コントロールバルブ２０２５はそれぞれ第１閉鎖位置２０４０をとるかまたは第２閉鎖位置２０３０をとる。いずれの場合にせよ、液圧式レール圧力により噴射ニードル２０７０は閉鎖位置に保持される。したがって燃料混合物はシリンダ（図示せず）中に入らない。これとは逆に、複動コントロールバルブ２０２５が中空ボア２０５０に関していわゆる中間位置におかれるよう、圧電素子２０１０が励起されると、加圧された燃料供給管２０６０における圧力が低下する。この圧力低下の結果、加圧された燃料供給管２０６０において噴射ニードル２０７０の頂部と底部の間で圧力差が発生し、これにより噴射ニードル２０７０が持ち上げられ、シリンダ（図示せず）への燃料噴射が可能となる。
【０００９】
ここで重要であるのは、たとえば対応するバルブプラグが燃料噴射サイクルにおける適切な時点で精確に位置決めされるよう、十分な精度で動作電圧を決定し供給することである。したがって、圧電素子を駆動する電気回路における様々な問題点を検出できるようにすることが重要である。そのような問題点の１つは、１つまたは複数の圧電素子の端子内または端子におけるシャシアースへの短絡である。
【００１０】
したがって本発明の課題は、請求項１の上位概念に記載の装置および請求項１２の上位概念に記載の方法において、１つまたは複数の圧電素子の端子内または端子におけるシャシアースへの短絡を確実に検出することである。
【００１１】
本発明によればこの課題は、請求項１の特徴部分に記載の構成（装置）ならびに請求項１２の特徴部分に記載の構成（方法）により解決される。
【００１２】
本発明によれば燃料噴射装置は電流診断ユニットを有しており、該電流診断ユニットは駆動回路を流れる電流の障害を該障害の発生の１０μｓ以内で検出する。また、駆動回路を流れる電流をチェックし、該駆動回路を流れる電流において生じる可能性のある障害を該障害の発生の１０μｓ以内で検出する。
【００１３】
アースへの短絡は、圧電素子および圧電素子駆動回路について短絡の場所に依存して様々な不所望な作用をもつ可能性がある。たとえばアクチュエータとして用いられる圧電素子の正の端子における短絡によって、その充電が妨げられることになる。さらに圧電素子の正の端子における短絡によって、それらと並列に配置された他の素子の充電も妨げられるおそれがある。
【００１４】
また、圧電素子の負の端子におけるアースへの短絡によって圧電素子が、そのアクチュエータが充電のために選択されていないときに誤って充電されてしまうおそれがある。たとえば本発明の有利な実施形態によれば、ある特定のアクチュエータを充電するためのセレクタスイッチが圧電素子の負の端子と直列に接続されている。そのセレクタスイッチを短絡することで、たとえ他の圧電素子が充電のために選択されていたとしても、その圧電素子が引き続き充電されることになる。計画外のこのような充電の結果として、燃料の意図しない噴射の発生する可能性があり、これは非常に望ましくない状況である。
【００１５】
圧電素子からシャシアースへの短絡の結果、圧電素子駆動回路の一部分から電流が迂回することになる。しかし電流は圧電素子駆動回路において電流の流れることの予期される他の部分には流れ続ける。
【００１６】
本発明によれば、シャシアースへの短絡を検出するため圧電素子駆動回路においてそれぞれ異なる部分に流れる電流が調べられる。本発明によれば、電流が通常は圧電素子駆動回路中の特定の分岐を流れると予期されるときに、圧電素子の充放電サイクル内で短絡が検出される。しかし短絡によって分岐の１つから電流がそれることになる。そして本発明によれば２つの場所における電流の異常な不均衡が検出され、短絡を表すエラー信号が発せられる。
【００１７】
たとえば充電スイッチの閉じられている充電サイクル中、電流は電圧源バッファ回路中の分路と圧電素子の負の端子に直列接続された分路の両方を流れる。このサイクル中、電流検出回路は、予期された電流が両方の場所に流れているのか否かを調べることができる。電流が電圧供給バッファの分路抵抗に流れているが圧電分岐の分路抵抗には流れていなければ短絡が検出され、エラーメッセージが発せられる。電流が回路内の両方の場所に適正に流れているか否かを検出するために、個々の分路に対応する測定ポイントからの電流信号を比較器回路が受け取る。そして比較器回路は、２つの分路における電流間の差を表す信号をロジック回路へ出力する。２つの電流における差が所定の最大値よりも大きいとき、ロジック回路は適切なエラー信号を発生する。
【００１８】
従属請求項、以下の説明ならびに図面には本発明の有利な実施形態が示されている。次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
【００１９】
図１には、複動コントロールバルブの動作を説明するため、実例として挙げられたコントロールバルブストロークの概略的なプロフィルが２つ合わさったグラフで示されている。図１の上方のグラフではｘ軸により時間が、ｙ軸によりバルブプラグの変位（バルブのリフト）が表されている。また、図１の下方のグラフではｘ軸はやはり時間を表すのに対し、ｙ軸は上方のグラフにおけるバルブのリフトの結果として燃料の流れを生じさせるノズルニードルのリフトが表されている。上方と下方のグラフは、それぞれｘ軸で表される時間を一致させるため、互い整列させてある。
【００２０】
噴射サイクル中、あとで詳しく説明するように圧電素子が充電されてそれが伸張し、それにより対応するバルブプラグが予備噴射ストロークのため、図１の上方のグラフに示されているように第１の閉鎖位置から第２の閉鎖位置へ移動する。図１の下方のグラフには燃料の僅かな噴射が示されており、これはバルブプラグが複動コントロールバルブの２つの弁座間を移動したときに生じ、その際、プラグが弁座間を移動したときにバルブが開閉する。
【００２１】
一般に、圧電素子の充電は２つのステップで行うことができる。第１のステップは、圧電素子を所定の電圧まで充電し、それによりコントロールバルブを開放することである。第２のステップは、圧電素子をさらに充電し、それによりバルブプラグが第２の閉鎖位置と接触したときにコントロールバルブを再び閉鎖することである。これら両方のステップの間に遅延時間を設けてもよい。
【００２２】
次に、まえもって選定された期間の後、あとで詳しく説明するように放電動作が実行され、これにより圧電素子内の電荷が低減し、その結果、あとで詳しく説明するように圧電素子が収縮し、これによってバルブプラグが第２の閉鎖位置から移動し、２つの弁座間の位置に保持される。圧電素子内の動作電圧は、主噴射に割り当てられた期間中、最大燃料流に対応するＵ_ｏｐｔと等しい値に達しなければならない。図１の上方および下方のグラフに示されているように、中間位置でバルブのリフトが保持される。
【００２３】
主噴射の期間最後に圧電素子が放電されて動作電圧がゼロになり、その結果、圧電素子がさらに収縮し、それによってバルブプラグは中間位置から移動して第１の閉鎖位置へ向かい、図１の上方および下方のグラフに示されているように、バルブが閉鎖されて燃料流が停止する。この時点でバルブプラグはもう１度、上述のように予備噴射と主噴射の別のサイクルを繰り返す位置をとる。
【００２４】
図２には、本発明を適用することのできる装置の１つの実施形態のブロック図が示されている。
【００２５】
図２には詳細な領域Ａと詳細でない領域Ｂとがあり、それらの分離境界線は破線ｃで表されている。詳細領域Ａは、圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０の充放電のための回路を有している。この実施例ではこれらの圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０は、内燃機関の燃料噴射ノズル（たとえばいわゆるコモンレールインジェクタ）におけるアクチュエータとする。圧電素子をそのような目的で使用することができ、それというのも圧電素子は周知のように、また、上述のように、それらに印加された電圧またはそこで発生した電圧の関数として収縮または伸張する特性をもっているからである。また、この実施形態において６つの圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０をとる理由は、１つの内燃機関において６つのシリンダを別個にコントロールするためである。したがって、他の目的のためには別の個数の圧電素子が適切なものとなるかもしれない。
【００２６】
非詳細領域ＢはコントロールユニットＤおよび作動ＩＣＥ有しており、それらの両方によって詳細領域Ａ内の素子がコントロールされ、さらに非詳細領域Ｂには、システム特性を測定するための測定システムＦも設けられている。作動ＩＣＥは、他のすべての圧電素子駆動回路から電圧および電流の測定値を受け取る。本発明によればコントロールユニットＤおよび作動ＩＣＥは、圧電素子のための動作電圧および作動時間をコントロールするようにプログラミングされている。コントロールユニットＤおよび／または作動ＩＣＥは、圧電素子駆動回路全体にわたる種々の電圧および電流を監視するようにもプログラミングされている。
【００２７】
以下の説明ではまずはじめに、詳細領域Ａ内の個々の素子について述べることにする。その後、圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０の充電および放電の手順について全般的に説明し、最後に２つの手順をコントロールユニットＤと作動ＩＣＥによって制御および監視するやり方について詳しく説明する。
【００２８】
詳細領域Ａ内の回路は６つの圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０を有している。
【００２９】
圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０は、第１のグループＧ１および第２のグループＧ２に分けられており、これらのグループはそれぞれ３つの圧電素子から成る（すなわち第１のグループＧ１内の圧電素子１０，２０，３０および第２のグループＧ２内の圧電素子４０，５０，６０）。グループＧ１およびＧ２は、互いに並列に接続された回路部分の要素である。圧電素子１０，２０，３０もしくは４０，５０，６０から成るグループＧ１，Ｇ２のいずれを共通の充放電装置によって各々放電させるのかを定めるため、グループセレクタスイッチ３１０，３２０を使用することができる（しかしグループセレクタスイッチ３１０，３２０はあとで詳しく説明するように充電手順については意味をなさない）。
【００３０】
グループセレクタスイッチ３１０，３２０はコイル２４０と個々のグループＧ１，Ｇ２との間に配置されており（そのコイル側の端子）、トランジスタとして実装されている。さらにサイドドライバ３１１，３２１が設けられており、これは作動ＩＣＥから受け取ったコントロール信号を要求されるスイッチの閉成および開放に適した電圧に変換する。
【００３１】
また、グループセレクタスイッチ３１０，３２０に並列に、それぞれダイオード３１５，３２５（グループセレクタダイオードと称する）が設けられている。たとえばグループセレクタスイッチ３１０，３２０がＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴとして実装されているならば、それらのグループセレクタダイオード３１５，３２５をそれ自体の寄生ダイオードとして構成することができる。これらのダイオード３１５，３２５によって充電手順中、グループセレクタ３１０，３２０がバイパスされる。したがってグループセレクタスイッチ３１０，３２０の機能は、放電手順のためだけに圧電素子１０，２０，３０もしくは４０，５０，６０のグループＧ１，Ｇ２を選択することに限られる。
【００３２】
各グループＧ１もしくはＧ２において、圧電素子１０，２０，３０もしくは４０，５０，６０は圧電分岐１１０，１２０，１３０（グループＧ１）および１４０，１５０，１６０（グループＧ２）の構成要素として配置されており、これらの圧電分岐は並列に接続されている。さらに各圧電分岐は、圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０と抵抗１３，２３，３３，４３，５３，６３（分岐抵抗と称する）から成る第１の並列回路と、トランジスタとして実装されたセレクタスイッチ１１，２１，３１，４１，５１，６１（分岐セレクタスイッチと称する）とダイオード１２，２２，３２，４２，５２，６２（分岐ダイオードと称する）から成る第２の並列回路によって構成された直列回路を有している。
【００３３】
分岐抵抗１３，２３，３３，４３，５３もしくは６３によって、対応する各圧電素子１０，２０，３０，４０，５０もしくは６０は充填手順中および充電手順後、それ自体で連続的に放電するようになる。それというのも、それらの抵抗は各容量性圧電素子１０，２０，３０，４０，５０もしくは６０における両方の端子を互いに接続しているからである。しかし分岐抵抗１３，２３，３３，４３，５３もしくは６３はこの手順を、あとで説明するようなコントロールされた充放電手順に比べゆっくりと行うのに十分な大きさのものである。したがっていずれの圧電素子１０，２０，３０，４０，５０または６０の電荷も充電手順後の適切な時間内では変化しないとみなすことは、やはり妥当な想定である（それにもかかわらず分岐抵抗１３，２３，３３，４３，５３，６３を実装する理由は、システムのブレークダウンあるいは他の例外的な状況において圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０に電荷が残留するのを避けるためである）。このため以下の説明では分岐抵抗１３，２３，３３，４３，５３，６３を無視してもかまわない。
【００３４】
個々の圧電分岐１１０，１２０，１３０，１４０，１５０もしくは１６０における分岐セレクタスイッチと分岐ダイオードのペアは、つまり圧電分岐１１０におけるセレクタスイッチ１１とダイオード１２，圧電分岐１２０におけるセレクタスイッチ２１とダイオード２２などは、（グループセレクタスイッチとダイオードのペア３１０と３１５もしくは３２０と３２５について先に述べたように）寄生ダイオードをもつ電子スイッチ（すなわちトランジスタ）たとえばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴを用いて実装することができる。
【００３５】
圧電素子１０，２０，３０，４０，５０または６０のいずれを共通の充放電装置によりそれぞれ充電するのかを定めるために、分岐セレクタスイッチ１１，２１，３１，４１，５１もしくは６１を使用することができる。各事例において充電される圧電素子１０，２０，３０，４０，５０または６０は、あとで説明する充電手順中にそれらの分岐セレクタスイッチ１１，２１，３１，４１，５１または６１が閉じられているすべてのものである。通例はいつでも、分岐セレクタスイッチのうちただ１つのスイッチだけが閉じられることになる。
【００３６】
分岐ダイオード１２，２２，３２，４２，５２，６２は、放電手順中に分岐セレクタスイッチ１１，２１，３１，４１，５１もしくは６１をバイパスするために用いられる。したがってこの実施例では、充電手順については個々の圧電素子を選択できるのに対し、放電手順については圧電素子１０，２０，３０もしくは４０，５０，６０から成る第１のグループＧ１または第２のグループＧ２の一方あるいはその両方を選択しなければならない。
【００３７】
もう一度、圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０自体について述べると、分岐セレクタの圧電端子１５，２５，３５，４５，５５もしくは６５を、分岐セレクタスイッチ１１，２１，３１，４１，５１もしくは６１を介して、あるいは相応のダイオード１２，２２，３２，４２，５２もしくは６２を介して、そして両方の事例とも付加的に抵抗３００を介して、アースに接続することができる。
【００３８】
抵抗３００を設ける目的は、圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０の充電および放電中に分岐セレクタ圧電端子１５，２５，３５，４５，５５，６５とアースとの間に流れる電流を測定することである。それらの電流を把握することによって、圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０の充電および放電をコントロールすることができる。殊に、電流の大きさに依存するようにして充電スイッチ２２０と放電スイッチ２３０を閉じたり開いたりすることで、充電電流および放電電流をまえもって定められた平均値にセットすることができ、および／またはそれらがまえもって定められた最大値および／または最小値を上回ったり下回ったりしないよう維持することができる。これについてはあとで詳しく説明する。
【００３９】
この実施例では測定自体のためにさらに、たとえば５ＶＤＣの電圧を供給する電圧源６２１と、２つの抵抗６２２，６２３として実装された分圧器が必要とされる。これは（測定を実行する）作動ＩＣＥを負の電圧から保護することを目的としており、さもないとそのような負の電圧が測定点６２０に発生するおそれがあり、それは作動ＩＣＥによって処理することができない。この場合、そのような負の電圧は、前記の電圧源６２１および分圧器抵抗６２２，６２３によって供給される正の電圧を形成して加えることによって、正の電圧に変えられる。
【００４０】
各圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０の他方の端子すなわちグループセレクタ圧電端子１４，２４，３４，４４，５４もしくは６４を電圧源のプラス極と接続することができ、これはグループセレクタスイッチ３１０もしくは３２０を介して、またはグループセレクタダイオード３１５もしくは３２５を介して、ならびに充電スイッチ２２０と充電ダイオード２２１から成る並列回路とコイル２４０とを介して行うことができ、択一的にあるいはこれに加えてグループセレクタ圧電端子をアースと接続することができ、これはグループセレクタスイッチ３１０もしくは３２０を介して、またはダイオード３１５もしくは３２５を介して、ならびに放電スイッチ２３０または放電ダイオード２３１から成る並列回路とコイル２４０を介して行うことができる。充電スイッチ２２０と放電スイッチ２３０はトランジスタとして実装されており、たとえばそれらはサイドドライバ２２２もしくは２３２介してコントロールされる。
【００４１】
電圧源は、この実施例では（バッファ）コンデンサ２１０である容量性特性をもつ素子を有している。コンデンサ２１０はバッテリ２００（たとえば自動車バッテリ）およびその下流にあるＤＣ電圧変換器２０１によって充電される。ＤＣ電圧変換器２０１は、バッテリ電圧（たとえば１２Ｖ）を実質的に他のどのようなＤＣ電圧（たとえば２５０Ｖ）にも変換し、その電圧までコンデンサ２１０を充電する。ＤＣ電圧変換器２０１はトランジスタスイッチ２０２および抵抗２０３によってコントロールされ、これは測定ポイント６３０でなされる電流測定のために用いられる。
【００４２】
クロスチェックのため測定ポイント６５０においてたとえば、作動ＩＣＥならびに抵抗６５１，６５２，６５３ならびに５ＶＤＣ電圧源６５４によってさらに電流測定を行うことができる。また、測定ポイント６４０において、作動ＩＣＥならびに分圧器抵抗６４１，６４２によって電圧測定を行うこともできる。
【００４３】
さらに、圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０を放電させるために（それらがあとで説明するような「通常の」放電動作によってもたまたま放電しないときに）、抵抗３３０（完全放電抵抗と称する）、トランジスタ（ストップスイッチと称する）として実装されたストップスイッチ３３１およびダイオード３３２（完全放電ダイオード）が用いられる。ストップスイッチ３３１は有利には、「通常の」放電手順（放電スイッチ２３０を介した周期的な放電））後に閉じられる。それにより圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０が抵抗３３０および３００を介してアースに接続され、したがって圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０に残されている可能性のあるいかなる残留電荷も取り除かれる。完全放電ダイオード３３２によって、環境によってはダメージを与えかねない負の電圧が圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０に発生するのが回避される。
【００４４】
すべての圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０あるいはいずれか特定の１つの充電および放電は、（すべてのグループおよびその圧電素子に共通の）ただ１つの充放電装置によって行われる。この実施例では、共通の充放電装置はバッテリ２００、ＤＣ電圧変換器２０１、コンデンサ２１０、充電スイッチ２２０と放電スイッチ２３０、充電ダイオード２２１と放電ダイオード２３１、ならびにコイル２４０である。
【００４５】
各圧電素子の充放電は同じように動作し、第１の圧電素子１０についてのみ言及しながらこれについて以下で説明する。
【００４６】
充電および放電の手順中に発生する条件について、図３Ａから図３Ｄを参照しながら説明する。図３Ａおよび図３Ｂには圧電素子１０の充電の様子が示されており、図３Ｃおよび図３Ｄには圧電素子１０の放電の様子が示されている。
【００４７】
充電または放電すべき１つまたは複数の特定の圧電素子１０，２０，３０，４０，５０または６０の選択、以下で説明する充電手順ならびに放電手順は、作動ＩＣＥおよびコントロールユニットＤにより上述のスイッチ１１，２１，３１，４１，５１，６１；３１０，３２０；２２０，２３０および３３１のうちの１つまたは複数の開放または閉成によって行われる。詳細領域Ａ内の各素子と作動ＩＣＥおよびコントロールユニットＤの相互作用については、あとで詳しく説明する。
【００４８】
充填手順に関してまずはじめに、充電すべきいずれか特定の圧電素子１０，２０，３０，４０，５０または６０を選択する必要がある。もっぱら第１の圧電素子１０を充電するためには、第１の分岐１１０の分岐セレクタスイッチ１１が閉成されるのに対し、他のすべての分岐セレクタスイッチ２１，３１，４１，５１，６１は開放されたままである。また、もっぱら他の圧電素子２０，３０，４０，５０，６０を充電するためには、あるいは同時に複数の圧電素子を充電するためには、対応する分岐セレクタスイッチ２１，３１，４１，５１および／または６１の閉成によりそれらの圧電素子が選択されることになる。
【００４９】
次に、充電手順自体を行うことができる：
一般にこの実施例においては充電手順のために、コンデンサ２１０と第１の圧電素子１０のグループセレクタ圧電端子１４との間に正の電位差が必要とされる。とはいえ充電スイッチ２２０と放電スイッチ２３０が開放されている間は、圧電素子１０の充電または放電は行われない。この状況において、図２に示されている回路は定常状態であり、つまり圧電素子１０はその充電状態を実質的に変化しないかたちで保ち続け、電流は流れない。
【００５０】
第１の圧電素子１０を充電する目的で充電スイッチ２２０が閉成される。理論的には、第１の圧電素子１０はそのようにすれば充電することができるであろう。しかしこれによって、関連する素子にダメージを与えかねない大電流の発生するおそれがある。したがって、発生する電流が測定ポイント６２０において測定され、検出された電流が所定の限界を超えるとただちにスイッチ２２０が閉じられる。このため、第１の圧電素子１０において望ましい電荷が得られるようにする目的で、充電スイッチ２２０が繰り返し開閉される一方、放電スイッチ２３０は開放されたままである。
【００５１】
詳しくは、充電スイッチ２２０が閉じられているときに図３Ａに示されている状態が発生し、つまり圧電素子１０とコンデンサ２１０とコイル２４０から成る直列回路によって構成された閉回路が形成され、この閉回路では電流ｉ_ＬＥ（ｔ）は図３Ａの矢印で示されているように流れる。このように電流が流れた結果、両方の正の電荷が第１の圧電素子１０のグループセレクタ圧電端子１４に運ばれ、エネルギーがコイル２４０に蓄積される。
【００５２】
充電スイッチ２２０が閉成されていた後に短期間（たとえば数μｓ）開放されると、図３Ｂに示されている状態が生じる。この場合、圧電素子１０と充電ダイオード２２１とコイル２４０から成る直列回路によって構成された閉回路が形成され、この回路では電流ｉ_ＬＡ（ｔ）が図３Ｂの矢印で示されているように流れる。このように電流が流れた結果、コイル２４０に蓄積されていたエネルギーが圧電素子１０へ流れる。圧電素子１０へのエネルギー供給に応じて、圧電素子において発生する電圧およびその外寸が大きくなる。コイル２４０から圧電素子１０へエネルギーが移送されてしまうと、図２に示した既述の回路の定常状態が再び生じる。
【００５３】
その時点で、あるいはそれ以前またはそれ以降に（充電動作の所望の時間プロフィールに依存して）充電スイッチ２２０が再び閉じられ再び開かれ、その結果、上述のプロセスが繰り返されることになる。充電スイッチ２２０がこのように再び閉じられ再び開かれた結果、圧電素子１０に蓄積されるエネルギーが増大し（圧電素子１０にすでに蓄積されていたエネルギーと新たに供給されたエネルギーがいっしょに加算される）、圧電素子１０において発生する電圧およびその外寸がこれに応じて増大する。
【００５４】
充電スイッチ２２０の上述の開閉を非常に多くの回数繰り返せば、圧電素子１０において発生する電圧および圧電素子１０の伸長が段階的に増大する。
【００５５】
充電スイッチ２２０が所定の回数だけ開閉されてしまうと、および／または圧電素子１０が所望の充電状態に達してしまうと、充電スイッチ２２０を開いたままにすることで圧電素子の充電が終了する。
【００５６】
放電手順に関してこの実施例では、圧電素子１０、２０、３０、４０、５０，６０がグループ（Ｇ１および／またはＧ２）で次のように放電される。
【００５７】
まずはじめに、放電すべき圧電素子をもつ１つまたは複数のグループＧ１および／またはＧ２のグループセレクタスイッチ３１０および／または３２０が閉じられる（分岐セレクタスイッチ１１，２１，３１，４１，５１，６１は放電手順のためには圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０の選択には作用しない。それというのもこの場合、それらの分岐セレクタスイッチは分岐ダイオード１２，２２，３２，４２，５２，６２によってバイパスされるからである）。このため第１のグループＧ１の一部分である圧電素子１０を放電するために、第１のグループセレクタスイッチ３１０が閉じられる。
【００５８】
放電スイッチ２３０が閉じられると、図３Ｃに示されている状態が発生する。
つまり、圧電素子１０とコイル２４０から成る直列回路を有する閉回路が形成され、この閉回路において電流ｉ_ＥＥ（ｔ）が図３Ｃに矢印で示されているように流れる。このように電流が流れた結果、圧電素子に蓄積されていたエネルギ（の一部分）がコイル２４０に移送される。圧電素子１０からコイル２４０へのエネルギ移送に応じて、圧電素子１０において発生する電圧およびその外寸が減少する。
【００５９】
放電スイッチ２３０が閉じられていた後で短時間（たとえば数μｓ）それが開かれると、図３Ｄに示されている状態が発生する。つまりこの場合、圧電素子１０とコンデンサ２１０と放電ダイオード２３１とコイル２４０から成る直列回路を有する閉回路が形成され、この閉回路において電流ｉ_ＥＡ（ｔ）が図３Ｄに矢印で示されているように流れる。このように電流が流れた結果、コイル２４０に蓄積されていたエネルギがコンデンサ２１０にフィードバックされる。エネルギがコイル２４０からコンデンサ２１０に移送されてしまうと、図２に示した既述の回路の定常状態が再び生じるようになる。
【００６０】
その時点で、あるいはれ以前またはそれ以後に（放電動作の所望の時間プロフィールに依存して）放電スイッチ２３０が再び閉じられ再び開かれる。その結果、上述のプロセスが繰り返される。放電スイッチ２３０がこのように再び閉じられたり開かれたりした結果、圧電素子１０に蓄積されるエネルギーがさらに減少し、この圧電素子において生じる電圧およびその外寸がこれに応じて減少する。
【００６１】
放電スイッチ２３０の上述の開閉が非常に多くの回数繰り返されるならば、圧電素子１０において生じる電圧およびこの圧電素子１０の伸長が段階的に減少する。
【００６２】
放電スイッチ２３０が所定の回数だけ開閉されてしまうと、および／または圧電素子が所望の放電状態に達してしまうと、放電スイッチ２３０を開いたままにすることで圧電素子１０の放電が終了する。
【００６３】
作動ＩＣＥおよびコントロールユニットＤと詳細領域Ａ内の素子との間の相互作用は、作動ＩＣＥから詳細領域Ａ内の素子へ送られるコントロール信号によって実行され、このコントロール信号は、分岐セレクタコントロールライン４１０，４２０，４３０，４４０，４５０，４６０、グループセレクタコントロールライン５１０，５２０、ストップスイッチコントロールライン５３０、充電スイッチコントロールライン５４０、放電スイッチコントロールライン５５０、ならびにコントロールライン５６０を介して送られる。他方、詳細領域Ａ内の測定ポイント６００，６１０，６２０，６３０，６４０，６５０においてセンサ信号が得られ、これらのセンサ信号はセンサライン７００，７１０，７２０，７３０，７４０，７５０を介して作動ＩＣＥに伝送される。
【００６４】
これらのコントロールラインは、上述のように対応するスイッチの開閉により圧電素子１０，２０，３０，４０，５０または６０を選択して１つまたは複数の圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０の充電または放電の手順を実施する目的で、トランジスタのベースに電圧を供給したり供給しなかったりするために用いられる。これらのセンサ信号はたとえば、測定ポイント６００もしくは６１０においては圧電素子１０，２０，３０もしくは４０，５０，６０で生じた電圧を検出するために使用され、測定ポイント６２０においては充電電流および放電電流を検出するために使用される。
【００６５】
図４Ａから図４Ｄには充放電サイクルにおける２つの時相が描かれており、この場合、本発明によれば短絡を検出するために異常電流を測定することができる。図４Ａおよび図４Ｂには図３Ａと同じ充電サイクル中の時相が描かれており、このとき充電スイッチは閉じられている。図４Ａおよび図４Ｂには、圧電素子の正の端子から（図４Ａ）または負の端子から（図４Ｂ）アースに向かって短絡が発生したとき、回路がどのように変化するのかが示されている。ここに示されているように、いずれの事例でも電流はバッファ分路抵抗６５１とバッファコンデンサ２１０を通って時計回り方向に流れ続けることになるが、圧電素子の分路抵抗３００を通っては流れない。短絡のない通常の条件のもとでは、電流は両方の分路抵抗６５１および３００を通って流れることになる。
【００６６】
図４Ｃおよび図４Ｄには図３Ｄと同じ放電サイクル中の時相が描かれており、このとき放電スイッチは開かれている。図４Ｃおよび図４Ｄは、圧電素子の正の端子から（図４Ｃ）または負の端子から（図４Ｄ）アースに向かって短絡が発生したとき、回路がどのように変化するのかが示されている。このサイクルの時相中、電流はバッファコンデンサ２１０およびバッファ分路抵抗６５１を通って反時計回りに流れる続けることになるが、圧電素子の分路抵抗３００を通っては流れない。
【００６７】
図２に示されているように、コントロールユニットＤおおび作動ＩＣＥは、パラレルバス８４０および付加的にシリアルバス８５０によって互いに接続されている。これらのパラレルバス８４０は殊にコントロールユニットＤから作動ＩＣＥへのコントロール信号の高速伝送のために使用される一方、シリアルバス８５０はそれよりも低速のデータ伝送のために使用される。
【００６８】
図５には、作動ＩＣＥに設けられているいくつのコンポーネントが示されており、すなわちこれにはロジック回路８００、ＲＡＭメモリ８１０、ディジタル／アナログ変換器システム８２０および比較器システム８３０が設けられている。さらにここに示されているように、（コントロール信号のために使われる）高速パラレルバス８４０が作動ＩＣＥのロジック回路８００に接続されている一方、それよりも低速のシリアルバス８５０がＲＡＭメモリ８１０に接続されている。ロジック回路８００は、ＲＡＭメモリ８１０、比較器システム８３０および信号ライン４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０；５１０、５２０；５３０；５４０、５５０、５６０に接続されている。ＲＡＭメモリ８１０はロジック回路８００ならびにデジタル/アナログ変換器システム８２０に接続されている。デジタル/アナログ変換器システム８２０はさらに比較器システム８３０に接続されている。比較器システム８３０はさらにセンサライン７００、７１０；７２０；７３０、７４０、７５０、ならびに（すでに述べたように）ロジック回路８００に接続されている。
【００６９】
先に挙げた各コンポーネントはたとえば以下のようにして充電手順において使用される：
コントロールユニットＤによって、所定の目標電圧まで充電すべき特定の圧電素子１０、２０、３０、４０、５０または６０が決められる。したがってまずはじめに（デジタル数字により表現された）目標電圧の値が、比較的低速なシリアルバス８５０を介してＲＡＭメモリ８１０へ伝送される。目標電圧はたとえば、主噴射において使われるＵ_ｏｐｔのための値とすることができる。その後あるいはそれと同時に、選択すべき特定の圧電素子１０、２０、３０、４０、５０または６０に対応するコードおよびＲＡＭメモリ８１０内の所望の電圧のアドレスが、パラレルバス８４０を介してロジック回路８００に伝送される。その後でストローブ信号がロジック回路８００へパラレルバス８４０を介して送られ、これは充電手順のためのスタート信号を供給する。
【００７０】
そしてこのスタート信号によりまずはじめにロジック回路８００は、ＲＡＭメモリ８１０から目標電圧のデジタル値を取り出し、このデジタル値をデジタル/アナログ変換器システム８２０に伝達させる。これによりこの変換器８２０の１つのアナログ出力側に所望の電圧が現れる。さらに前記アナログ出力側（図示せず）は比較器システム８３０に接続されている。これに加えてロジック回路８００は、（第１のグループＧ１の圧電素子１０、２０、３０のいずれかのための）測定ポイント６００または（第２のグループＧ２の圧電素子４０、５０または６０のいずれかのための）測定ポイント６１０を比較器システム８３０に対して選択する。その結果、目標電圧と選択された圧電素子１０、２０、３０、４０、５０または６０における目下の電圧とが比較器システム８３０によって比較される。この比較の結果が、すなわち目標電圧と目下の電圧との間の差が、ロジック回路８００へ伝送される。これによりロジック回路８００は、目標電圧と目下の電圧とが互いに等しくなるとただちにこの手順を停止することができる。
【００７１】
次にロジック回路８００は、選択された圧電素子１０、２０、３０、４０、５０または６０に対応する分岐セレクタスイッチ１１、２１、３１、４１、５１または６１にコントロール信号を供給し、それによりこのスイッチが閉じられる（全ての分岐セレクタスイッチ１１、２１、３１、４１、５１、６１はこの実施例では充電手順の開始の前には開いた状態にあるものとみなされる）。次いで、ロジック回路８００はコントロール信号を充電スイッチ２２０に供給し、その結果、このスイッチが閉じられることになる。さらにロジック回路８００は測定ポイント６２０に生じる電流の測定を開始する。ここで、測定された電流はまえもって定められている最大値と比較器システム８３０によって比較される。検出された電流がまえもって定めらた最大値に到達するとただちに、ロジック回路８００は充電スイッチ２２０を再び開くよう指示する。
【００７２】
再び、測定ポイント６２０における残留電流が検出され、まえもって定められた最小値と比較される。このまえもって定められた最小値に到達するとただちに、ロジック回路８００は充電スイッチ２２０を再び閉じるよう指示し、この手順がもう一度始められる。
【００７３】
充電スイッチ２２０の開閉は、測定ポイント６００または６１０において検出された電圧が目標電圧を下回るとただちに繰り返される。目標電圧に到達するとただちに、ロジック回路はこの手順の継続を停止する。
【００７４】
放電手順は相応のやり方で行われる。すなわち圧電素子１０、２０、３０、４０、５０または６０の選択がグループセレクタスイッチ３１０もしくは３２０によって行われ、充電スイッチ２２０の代わりに放電スイッチ２３０が開閉され、この場合、まえもって定められた最小目標電圧に到達しなくてはならない。
【００７５】
充放電動作のタイミングならびに圧電素子１０、２０、３０、４０、５０または６０における電圧レベルの維持たとえば主噴射の時間などは、たとえば図２に示されているようなバルブストロークに従うものとすることができる。
【００７６】
なお、充電または放電の手順についてこれまで述べてきた説明は実例にすぎないことは自明である。したがって上述の回路あるいは他の回路を利用するどのような他の手順であってもあらゆる所望の目的に整合させることができ、上述の実例の代わりにいかなる相応の手順であっても使うことができる。
【００７７】
圧電素子を作動させるための目標電圧はＲＡＭメモリ８１０に格納されている。ＲＡＭメモリ８１０に格納されている値には、計量ユニットの期間計算と、たとえば上述のような充放電手順における目標電圧として用いられるＵ_ｏｐｔに対する初期値が含まれている。
【００７８】
Ｕ_ｏｐｔの値を、たとえば燃料圧力など燃料噴射装置における動作特性の関数として変化させることができる。これについては本願と同じ出願日の並行出願 "Method and Apparatus for Charging a Piezoelectric Element" に詳しく説明されている。したがってＲＡＭメモリ８１０に格納されている値には、測定された燃料圧力の関数として、セットされた初期のＵ_ｏｐｔ電圧に加算されたあるいはそこから減算されたデルタ値が含まれている。これについては本願と同じ出願日の並行出願 "Method and Apparatus for Charging a Piezoelectric Element" に記載されている。記憶されている電圧は変えることが、連続的に最適化することができる。これについては本願と同じ出願日の並行出願 "Online Optimization of Injection Systems Having Piezoelectric Elements" に記載されている。圧電素子駆動中のシャーシアースに対する短絡を検出するための本発明は、上述の実施形態を用いて容易に実装することができる。上述のように本発明は、圧電素子駆動回路内の様々な場所で電流を監視することにより短絡を検出する。殊に、充電時相中は充電スイッチ２２０が閉じられたとき、そして放電時相中は放電スイッチ２３０が開かれたとき、電流は図３Ａと図３Ｄに描かれているようにバッファ分路抵抗６５１と圧電分路抵抗３００の両方を通って流れることになる。しかし、圧電素子からシャシアースに向かって短絡が発生すると、図４Ａから図４Ｄに示されているように圧電分路抵抗３００には電流が生じないことになる。典型的には、回路が充電モードまたは放電モードにある間、電流の最大勾配は１０Ａ／μｓである。
【００７９】
図２に示されているように、バッファ分路抵抗６５１を流れる電流は測定ポイント６５０を介して測定される。また、圧電分路抵抗３００を流れる電流は測定ポイント６２０を介して測定される。本発明の目的のために、測定ポイント６２０および６５０からの電流測定は比較器システム８３０により比較され、２つの電流の差を表す信号が生成され、ロジック回路８００へ供給される。
【００８０】
短絡が存在していないとき電流値がだいたい等しいことがわかっていれば、ロジック回路８００は上述の駆動サイクル時相中、この差を監視することになる。
充電サイクル中に充電スイッチ２２０を閉じるためロジック回路８００がコントロール信号を供給すると、および放電サイクル中に放電スイッチ２３０を開くためコントロール信号を供給すると、ロジック回路８００は比較器システム８３０からの電流差を監視する。電流差信号が所定の最大値よりも大きければ、ロジック回路８００は短絡発生を表すエラー信号を発生する。本発明の１つの実施形態によれば電流診断ユニットは、抵抗６５２および６５３から成る分圧器と、作動ＩＣＥと、検出された電流差を評価するコントロールユニットＤを有している。
【００８１】
この場合、所定の最大差をほぼ１Ａにセットすることができる。したがって１０Ａ／μｓの電流勾配であれば０．１μｓで閾値に達して検出可能となる。いっそう有利であるのは、所定最大差を約３〜５Ａにして圧電駆動回路中のノイズに起因する誤検出を避けることである。３〜５Ａの限界値であれば、０．３〜０．５μｓで閾値に達して検出可能となる。ロジック回路８００および比較器システム８３０における限界周波数によって、短絡検出時間の遅れる可能性がある。典型的には、検出回路の限界は１〜２μｓの範囲内となる。したがってたとえば５Ａの所定最大差であれば、検出時間は１．５〜２．５μｓの範囲内となる。
【００８２】
ロジック回路８００により発生されたエラー信号は、作動ＩＣＥにエラーメモリを形成するために使用することができる。さらにコントロールユニットＤと作動ＩＣＥをプログラミングして、短絡エラー信号が発生したときに圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０の駆動を停止させるようにすることができる。短絡エラー信号によって充放電サイクルが停止されるときに重要であるのは、意図せずに充電されてしまった圧電素子１０，２０，３０，４０，５０，６０が放電されるようにすることである。したがって短絡が検出され駆動サイクルが停止された後で作動ＩＣＥは、充電された圧電素子が完全に放電されるようストップスイッチ３３１とグループスイッチ３１０，３２０を閉じるようにする。
【図面の簡単な説明】
【図１】実例としてのコントロールバルブストロークのプロフィールを示す図である。
【図２】本発明を実行することのできる装置の１つの実施形態を示すブロック図である。
【図３Ａ】図２の回路における第１の充電時相（充電スイッチ２００閉成）中に発生する状態の説明図である。
【図３Ｂ】図２の回路における第２の充電時相（充電スイッチ２２０再開放）中に発生する状態の説明図である。
【図３Ｃ】図２の回路における第１の放電時相（放電スイッチ２３０閉成）中に発生する状態の説明図である。
【図３Ｄ】図２の回路における第１の放電時相（放電スイッチ２３０閉成）中に発生する状態の説明図である。
【図４Ａ】図３Ａに示した充電時相中、充電スイッチが閉じられている間の圧電素子の正の端子における短絡状態を示す図である。
【図４Ｂ】図３Ａに示した充電時相中、充電スイッチが閉じられている間の圧電素子の負の端子における短絡状態を示す図である。
【図４Ｃ】図３Ｄに示した放電時相中、放電スイッチが閉じられている間の圧電素子の正の端子における短絡状態を示す図である。
【図４Ｄ】図３Ｄに示した放電時相中、放電スイッチが閉じられている間の圧電素子の正の端子における短絡状態を示す図である。
【図５】図２にも示した作動ＩＣＥのコンポーネントのブロック図である。
【図６】圧電素子をアクチュエータとして使用する燃料噴射システムの概略図である。

Claims

駆動回路を用いて圧電素子（１０，２０，３０，４０，５０または６０）を充電および／または放電することにより噴射燃料量をコントロールするための、圧電素子（１０，２０，３０，４０，５０または６０）を備えた燃料噴射装置において、
燃料噴射装置は電流診断ユニットを有しており、該電流診断ユニットは、駆動回路を流れる電流の障害を該障害の発生の１０μｓ以内で検出するものであって、圧電素子（１０，２０，３０，４０，５０または６０）へ流入する入力電流と圧電素子（１０，２０，３０，４０，５０または６０）から流出する出力電流とを検出し、前記入力電流と前記出力電流とを比較することにより障害を検出することを特徴とする、
燃料噴射装置。
前記電流診断ユニットは障害発生の０．１μｓ〜１０μｓ以内で該障害を検出する、請求項１記載の燃料噴射装置。
前記電流診断ユニットは障害発生の３μｓ以内で該障害を検出する、請求項１または２記載の燃料噴射装置。
前記電流診断ユニットは駆動サイクル中の所定の期間だけ障害を調べる、請求項１から３のいずれか１項記載の燃料噴射装置。
前記障害には、圧電素子（１０，２０，３０，４０，５０または６０）駆動中の該素子からアースへの短絡が含まれている、請求項１から４のいずれか１項記載の燃料噴射装置。
前記電流診断ユニットは、駆動回路の異なる部分を流れる電流を比較する比較器回路と、該比較器回路から差信号を受け取るコントロールユニット（Ｄ）を有しており、該コントロールユニット（Ｄ）は、圧電素子（１０，２０，３０，４０，５０または６０）の充電または放電中に差信号が所定の最大値よりも大きくなるとエラー信号を発生する、請求項１から５のいずれか１項記載の燃料噴射装置。
前記比較器回路は、圧電素子（１０，２０，３０，４０，５０または６０）に直列に接続された圧電分路抵抗とバッファ回路を流れる電流を比較する、請求項６記載の燃料噴射装置。
駆動サイクル中の前記所定の期間は、短絡の生じていないときに前記のバッファ回路と圧電分路抵抗の両方が共通の電流を搬送しているときである、請求項４記載の燃料噴射装置。
前記比較器回路は分圧器回路内の二つの抵抗の間に位置する接続点である測定ポイントから電流測定信号を受け取る、請求項６，７または８記載の燃料噴射装置。
前記エラー信号はエラーメモリ内に記録される、請求項６から９のいずれか１項記載の燃料噴射装置。
前記電流診断ユニットはエラーが検出されたときにすべての圧電素子を放電させる、請求項１から１０のいずれか１項記載の燃料噴射装置。
駆動回路を用いて圧電素子（１０，２０，３０，４０，５０または６０）を充電および／または放電することにより噴射燃料量をコントロールするための、圧電素子（１０，２０，３０，４０，５０または６０）を備えた燃料噴射装置の作動方法、特に請求項１から１１のいずれか１項記載の燃料噴射装置の作動方法において、
駆動回路を流れる電流をチェックし、該駆動回路を流れる電流において生じる可能性のある障害を該障害の発生の１０μｓ以内で検出し、圧電素子（１０，２０，３０，４０，５０または６０）へ流入する入力電流と圧電素子（１０，２０，３０，４０，５０または６０）から流出する出力電流とを検出し、前記入力電流と前記出力電流とを比較することにより障害を検出することを特徴とする、
燃料噴射装置の作動方法。