JP2000503807A - 容量性アクチュエータの制御装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも１つの容量性アクチュエータ（ピエゾアクチュエータ）の制御装置及び方法マイクロプロセッサにより制御される制御回路（Ｓ１）を用いて、少なくとも１つの容量性アクチュエータ（Ｐ１〜Ｐｎ）を制御する装置、例えば、ピエゾ圧電的に作動される内燃機関の燃料噴射弁の当該の制御装置が提案され、当該の制御装置は、エネルギ源（Ｖ）により再充電可能な充電コンデンサ（Ｃ）を有し、該コンデンサにより、制御回路（Ｓ１）を用いて制御可能なスイッチ（Ｘ１〜Ｘ４）を介して当該の少なくとも１つの容量性アクチュエータが充電され、そして、該容量性アクチュエータは、前記充電コンデンサ内に再び放電されるのである。

Description

【発明の詳細な説明】 容量性アクチュエータの制御装置及び方法 本発明は請求の範囲１又は２の上位概念の構成養鶏位にて特定したような、少 なくとも１つの容量性アクチュエータを制御する装置、例えば、ピエゾ圧電的に 作動される、内燃機関の燃料噴射弁の当該の制御装置に関する。本発明は、又、 当該装置の作動方法にも関する。 ＥＰ０４６４４４３Ａ１からは、ピエゾ−アクチュエータ操作素子が公知であ り、ピエゾアクチュエータ操作素子は、コンデンサから充電コイルを介して充電 される。加えられたエネルギの一部が、ピエゾ圧電性素子の放電の際、放電コイ ルを介してコンデンサ内に戻り供給され、他方の部分は、同様に放電コイルを介 して熱に変換される。放電の際ピエゾ圧電性アクチュエータにて負の電圧が現れ る。 ＤＥ３６２１５４１Ｃ２からは燃料噴射弁のピエゾ圧電性アクチュエータに対 するドライバ回路が公知であり、前記ピエゾ圧電性アクチュエータは、電圧源に 接続された２つのコンデンサの直列接続体及び充電コイルを介して充電され、そ して、放電コイルを介して、２つのコンデンサのうちの１つの中に放電される。 代替選択的実施形態では、アクチュエータは、電圧源 に接続されているコンデンサと充電コイルとを介して充電される；放電の場合は 、ピエゾ圧電性アクチュエータ内に蓄積されたエネルギが放電コイルを介して放 電される。 本発明の基礎を成す課題とするところは、アクチュエータにて生じる電圧に対 して種々の設定値も設定可能であり、アクチュエータにおける負の電圧が回避さ れるようにした可及的に損失なしで、かつ簡単に構成された少なくとも１つの容 量性アクチュエータを制御するための装置を提供することにある。 前記課題は、請求の範囲１又は２の構成要件により解決される。本発明の有利 なさらなる発展形態がサブクレームに特定されている。 本発明の実施形態を以下略示図を参照して詳述する。 図１は第１実施形態の回路略図である。 図２は、図１の実施形態の動作に係わるフローチャートである。 図３は、第２実施形態の回路略図である。 図４は、第３実施形態の回路略図である。 図１は、通常のマイクロプロセッサにより制御される制御回路ＳＴを用いて、 ピエゾ圧電性アクチュエータＰを介して内燃機関の余り詳細には示してない個々 の燃料噴射弁の制御のための基本回路を示す。 エネルギ源Ｖの正極＋Ｖと、負極ＧＮＤとの間に、 唯一の方向でのみ電流順方向道通性の被制御エネルギスイッチＸ１とコンデンサ Ｃの直列接続体が設けられている。 以降の説明中スイッチＸ１〜Ｘ４に言及する場合、該スイッチＸ１〜Ｘ４は、 少なくとも１つの半導体素子から成る唯一の方向でのみ電流順方向道通性のスイ ッチ、例えば、制御回路ＳＴにより制御されるサイリスタスイッチである。 エネルギスイッチＸ１の電流道通状態では、充電コンデンサＣは、エネルギ源 Ｖにより充電される。このことは基本的に、充電コンデンサにおける電圧Ｕｃが エネルギ源Ｖの電圧より小である限り可能である。 充電コンデンサＣに並列に、エネルギスイツチＸ１に接続された転流コイル（ Umschwingspule）Ｌと、充電ストップスイッチＸ３−それの機能については後述 する−との直列接続体が設けられている。 充電ストップスイッチＸ３に並列に、アクチュエータ回路Ｓが設けられており 、該アクチュエータ回路Ｓは一方及び他方の２つの並列接続体の直列接続体から 成り、そのうちの一方の並列接続体は限流、転流リアクトルないし転流コイルＬ から電流を流れ出させる方向で電流順方向道通性の充電スイッチＸ２と、転流コ イルに向かう方向で電流順方向道通性の放電スイッチＸ４との並列接続体であり 、もう１つの並列接続体は、アクチュエータＰとダイオードＤとの並列接続体で あり、このダイオードＤは、充電スイッチＸ２の方向に電流を流すものである。 スイッチＸ１〜Ｘ４は、マイクロプロセッサにより制御される制御回路ＳＴを 用いて、外部制御信号ｓｔに依存して、本実施形態では、アクチュエータＰに加 わる電圧に対する１つの設定値Ｕｓ（ここで例えば燃料の前及び主噴射のため相 次いで作用する複数個であってもより）及び該電圧の実際値Ｕｐに依存して制御 される。アクチュエータ電圧の代わりに、アクチュエータの位置を使用してもよ い。 図２のフローチャートを用いて図１の回路の例に即して装置の作動方法を説明 し、ここで、充電コンデンサが完全に充電されている初期状態（状態Ｉ）を出発 点とし、このときすべてのスイッチＸ１〜Ｘ４は、非道通であり、転流コイルＬ は無電流状態である。 外部制御信号ｓｔ＝１（状態 ）の開始と共に充電スイッチＸ２が点弧される （電流道通制御される）。それにより、充電コンデンサＣは、転流コイルＬを介 して、（コンデンサのように作用する）アクチュエータ内に放電し始め、該アク チュエータを充電し始め、（状態 ）、このことによりピエゾ圧電性アクチュエ ータの長さ変化が生じる。アクチュエータに現れる電圧Ｕｐ−これは図１中矢印 で示され制御回路ＳＴに報知される−は上昇する。 電圧Ｕｐが設定値Ｕｓに達すると直ちに（状態ＩＶ ）充電過程が終了され、充電スイッチＸ２は、非道通になり、換言すればＸ２＝ ０，そして、充電ストップスイッチＸ３は道通状態になる（Ｘ３＝１，状態 ） 。振動回路ＬＣは、更に、転流コイルＬが無電流状態になるまで振動する。 アクチュエータの充電状態は、制御信号ｓｔが加わっている間維持される。制 御信号ｓｔが消失すると、（ｓｔ＝０，状態 ）；アクチュエータは、放電され ねばならない。このために、充電ストップスイッチが非道通に制御され、Ｘ３＝ ０，そして、放電スイッチは道通状態になる、Ｘ４＝１（状態 ）。そこで、ア クチュエータＰは転流コイルＬを介して充電コンデンサＣ内に放電する。アクチ ュエータがダイオードＤの限界値電圧まで放電されると、前記ダイオードＤは、 電流を引き受ける；振動回路ＬＣは、次の状態生起まで更に振動し続ける、即ち 転流コイルが無電流状態になるまで更に振動し続ける。スイッチＸ４は、非道通 状態に制御される。 損失がなければ充電コンデンサＣにて、初期状態におけると同じ電圧Ｕｃが加 わることとなる、実際には当該の電圧は、損失に基づき、幾らか、より小さくな っており、その結果、本実施形態では、放電過程の終了後スイッチＸ２〜Ｘ４が 再び非道通状態になると、エネルギスイッチＸ１は、新たな充電サイクルの開始 される前に、充電コンデンサＣの再充電のため道通 制御される（状態 ）。 図３には、基本的に図１の回路に相応する回路、但し、複数のアクチュエータ Ｐ１〜Ｐｎの制御のための回路が示してある。この回路では、エネルギ源Ｖ，エ ネルギスイッチＸ１，充電コンデンサＣ，転流コイル及び充電ストップスイッチ Ｘ３が図１の回路におけるように接続されており、同様に、そこに記載されてい るような作用をする。但し、制御回路ＳＴは、同じく示されていない。 第１のアクチュエータＰ１に対しては、アクチュエータ回路Ｓ１は、Ｘ２の代 わりに充電スイッチＸ２．１を有し，ダイオードＤ１及び放電スイッチＸ４を有 していて、図１におけると同じ回路を有しているが、相違点とするところは、ア クチュエータＰ１と放電スイッチＸ４との間に、放電スイッチのほうに向かって 電流道通順方向性のダイオードＸ２．１が設けられていることであり、該ダイオ ードＸ２．１は、図１の唯一のアクチュエータの制御には不要のものであり、そ して、さらなる各アクチュエータＰ２〜Ｐ２．ｎに対して、１つのさらなる充電 スイッチＸ２．２〜２．１〜Ｘ２．ｎ及びさらなる１つのダイオードＤ２．２〜 Ｄ２．ｎが相応の回路に設けられていることである。 制御回路により制御される充電スイッチＸ２．１〜Ｘ２．ｎは、充電すべきア クチュエータを選択するが、ダイオードＤ２．１〜Ｄ２．ｎは、選択されたアク チュエータ以外の他のアクチュエータが充電されるのを阻止する。共通の放電ス イッチＸ４が道通制御されると、各アクチュエータの放電が、これに所属のダイ オードＤ２．１〜２．ｎを介して行われる。各アクチュエータがダイオードの限 界値電圧にまで放電されると、前記ダイオードは、電流を引き受ける；振動回路 Ｌ−Ｃは、転流コイルＬが無電流状態になるまで更に振動し続ける。 図４は、図３の回路に比して所要の構成素子−コストを低減した複数のアクチ ュエータの制御のためのさらなる回路を示し、同じく制御回路ＳＴは、示されて いない。 図３の回路では、サイリスタスイッチＸ２．１〜Ｘ２．ｎの夫夫の、点弧のた め、高価な変成器が必要である。上記変成器は、次のようにすれば省き得る、即 ち、それの代わりに簡単な選択スイッチＴ１〜Ｔｎ、例えば、Ｐｏｗｅｒ−ＭＯ ＳＦＥＴスイッチを使用するのである。その際図１の回路に相応する回路に厳粛 、縮約され、この回路では、アクチュエータＰは、アクチュエータＰ１と所属の 選択スイッチＴ１との直接接続体により置換されるのである。その際、選択スイ ッチＴ１のスイッチング区間には放電方向で電流順方向道通性のダイオードＤ１ が並列接続され、該ダイオードＤ１は、ＭＯＳＦＥＴスイッチ使用の場合この中 に集積化、統合化されるのである。 各々のさらなるアクチュエータＰ２〜Ｐｎに対しては、１つのアクチュエータ Ｐ２〜Ｐｎ，選択スイッチＴ２〜Ｔｎ及びダイオードＤ２〜Ｄｎから成るその種 直列接続体には第１のアクチュエータＰ１に対する直列接続体Ｐ１−Ｔ１−Ｄ１ が並列接続されている。 前記回路の動作は、図１及び図３の回路動作に相応し、ここで、アクチュエー タ例えばＰ１の充電の際、所属の選択スイッチＴ１は、少なくとも次のような期 間中道通制御されねばならない。充電スイッチＸ２が道通制御されている期間中 道通制御されねばならない。 アクチュエータＰ１の放電の際、電流は、アクチュエータから放電スイッチＸ ４、転流コイルＬ、充電コンデンサＣ及びダイオードＤ１を介して流れる。アク チュエータがダイオードＤの限界値電圧まで放電されると、前記ダイオードＤは 、電流を引き受け、振動回路Ｌ−Ｃは、転送コイルが無電流状態になるまで更に 振動し続ける。 図１，３，４ に示す回路を放電スイッチ及び選択スイッチ双方の簡単な変更 により、次のように構成設計できる、即ち、アクチュエータが与えられた条件に 応じて負極ＧＮＤ（ローサイドＬｏｗｓｉｄｅ，図１及び図３参照）に接続され たり、又は正極＋Ｖに一層近い電位のところ（ハイサイドＨｉｇｈｓｉｄｅ，図 ４参照）おかれるように構成設計できるのである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｕ (72)発明者 ハルトムート ゲルケン ドイツ連邦共和国 Ｄ―93152 ニッテン ドルフ ヨーゼフ―ゲラー―シュトラーセ １ (72)発明者 ゲオルク ブラッソイア オーストリア国 ＡＴ―1130 ウィーン エルスラーガッセ 20 (72)発明者 リヒャルト ピルクル ドイツ連邦共和国 Ｄ―93053 レーゲン スブルク ブルンフーバーシュトラーセ 27

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 少なくとも１つの容量性アクチュエータ（Ｐ） の制御装置において、 −エネルギ源（Ｖ）の正極（＋Ｖ）と負極（ＧＮＤ）との間に設けられた充 電コンデンサ（Ｃ）を有し、該コンデンサは、エネルギ源（Ｖ）によりエネルギ ルギスイッチ（Ｘ１）を介して充電可能であり、 −エネルギスイッチ（Ｘ１）に接続された転流コイル（Ｌ）と充電ストップ スイッチ（Ｘ３）との直列接続体を有し、該直列接続体は、充電コンデンサ（Ｃ ）に並列に配置されており、 −充電ストップスイッチ（Ｘ３）に並列に配置されたアクチュエータ回路（ Ｓ，Ｓ１）を有し、該アクチュエータ回路（Ｓ，Ｓ１）は下記の構成要素から成 り、即ち、 −一方の側で転流コイル（Ｌ）に接続されていてこれへ電流を伝導する放電 スイッチ（Ｘ４）を有し、 −各アクチュエータごとに、ダイオード（Ｄ２．１〜Ｄ２．ｎ）及び充電ス イッチ（Ｘ２．１〜Ｘ２．ｎ）とアクチュエータ（Ｐ１〜Ｐｎ）との直列接続体 を有し、ここで前記充電スイッチ（Ｘ２．１〜Ｘ２ｎ）は転流コイル（Ｌ）に接 続されていて、ここから電流を流れ出させるものであり、前記ダイオ ード（Ｄ２．１〜Ｄ２．ｎ）はアクチュエータ（Ｐ１〜Ｐｎ）と放電スイッチ（ Ｘ４）の他方の側に配置されていて放電方向に電流を導くものであり、 −アクチュエータ（Ｐ１）のうちの１つに並列接続されたダイオード（Ｄ） を有し、該ダイオード（Ｄ）は、アクチュエータに配属された充電スイッチ（Ｘ ２．１）のほうに向かって電流順方向性であるように構成されていることを特徴 とする容量性アクチュエータの制御装置。 ２． 制御回路（Ｓ１）を用いて、少なくとも１つの容量性アクチュエータ（Ｐ １〜Ｐｎ）を制御する装置、例えば、ピエゾ圧電的に作動される、内燃機関の燃 料噴射弁の当該の制御装置において、 −エネルギ源（Ｖ）の正極（＋Ｖ）と負極（ＧＮＤ）との間に設けられた充 電コンデンサを有し、該充電コンデンサは、エネルギ源（Ｖ）によりエネルギス イッチ（Ｘ１）を介して充電可能であり、 −エネルギスイッチ（Ｘ１）に接続された転流コイル（Ｌ）と充電ストップ スイッチ（Ｘ３）との直列接続体を有し、該直列接続体は、充電コンデンサ（Ｃ ）に並列に配置されており、 −エネルギスイッチ（Ｘ１）に接続された転流コイル（Ｌ）と充電ストップ スイッチ（Ｘ３）との直列接続体を有し、該直列接続体は、充電コンデンサ（Ｃ ）に並列に配置されており、 −充電ストップスイッチ（Ｘ３）に並列に配置されたアクチュエータ回路（ Ｓ２）を有し、該アクチュエータ回路（Ｓ２）は、放電スイッチ（Ｘ４）と充電 スイッチ（Ｘ２）との並列接続体及びダイオード（Ｄ）から成る直列接続体を有 し、前記放電スイッチ（Ｘ４）は、転流コイル（Ｌ）に電流を伝導するものであ り、前記充電スイッチ（Ｘ２）は、転流コイル（Ｌ）から電流を流れ出させるも のであり、 −各アクチュエータ（Ｐ１〜Ｐｎ）に対してダイオード（Ｄ）に並列に設け られた、アクチュエータ（Ｐ１〜Ｐｎ）自体とこれに配属された選択スイッチ（ Ｔ１〜Ｔｎ）との直列接続体を有し、前記選択スイッチは制御回路（ＳＴ）によ り制御されるものであり、前記選択スイッチのスイッチング区間は、放電方向で 電流道通順方向のダイオード（Ｄ１〜Ｄｎ）によって橋絡されていることを特徴 とする容量性アクチュエータの制御装置。 ３． エネルギスイッチ（Ｘ１）、充電スイッチ（Ｘ２，Ｘ２＊，Ｘ２．１〜Ｘ ２．ｎ）及び放電スイッチ（Ｘ４，Ｘ４＊）は少なくとも１つの半導体素子を有 する、唯一の方向にのみ電流順方向道通性の被制御電子スイッチから成ることを 特徴とする請求の範囲１又は２記載の装置。 ４． それぞれのアクチュエータ（Ｐ，Ｐ１〜Ｐｎ）の位置又は当該のアクチュ エータに加わる電圧（Ｕ ｐ）に対する少なくとも１つの設定値（Ｕｓ１〜Ｕｓｎ）が制御回路（ＳＴ）に 対して設定可能又はこの中に記憶されており、 −前記制御回路（ＳＴ）は、外部制御信号（ｓｔ）、それぞれのアクチュエ ータ（Ｐ，Ｐ１又はＰｎ）の位置、又はここに加わる電圧（Ｕｐ）及びアクチュ エータの位置又は電圧に対するその都度設定される設定値（Ｕｓ１〜Ｕｓｎ）に 依存して、充電スイッチ（Ｘ２，Ｘ２．１〜Ｘ２．ｎ），充電ストップスイッチ （Ｘ３）、放電スイッチ（Ｘ４）及び選択スイッチ（Ｔ１〜Ｔｎ）に対する制御 命令を出力するように構成されていることを特徴とする請求の範囲１又は２記載 の装置。 ５． 請求の範囲１又は２記載の装置の作動方法において、制御信号（ｓｔ）の 開始と共に被制御アクチュエータ（Ｐ，Ｐ１〜Ｐｎ）は、これに現れる電圧（Ｕ ｐ）が所定値（Ｕｓ）に達するまで、エネルギ源（Ｖ）により充電された充電コ ンデンサ（Ｃ）から転流コイル（Ｌ）を介して充電され それに引き続いて、当該の充電状態（Ｕｐ＝Ｕｓ）が制御信号（ｓｔ）の終 わりまで維持され、 制御信号（ｓｔ）の終わりと共に、アクチュエータは、充電コンデンサ（Ｃ ）内に放電され、 そして、当該放電過程に引き続いて充電コンデンサ（Ｃ）は、エネルギ源（ Ｖ）により再び充電され るようにしたことを特徴とする容量性アクチュエータの制御方法。