JPH08512436A - 電磁的負荷を制御する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は例えば噴射すべき燃料量を制御する電磁弁等の電磁的負荷を制御する装置及び方法に関する。本発明によればハーフブリッジと電圧源（Ｕｂａｔ）との間にエネルギ蓄積素子（１４５）が配設される。

Description

【発明の詳細な説明】 電磁的負荷を制御する装置及び方法 従来の技術 本発明は、請求の範囲第１項及び第５項の上位概念による、電磁的負荷を制御 する装置及び方法に関する。 電磁的負荷（１００）、例えば噴射すべき燃料の制御のための電磁弁をハーフ ブリッジを用いて制御する装置及び方法は公知である。この装置では遮断の際に 放出されるエネルギがツェナーダイオードを用いて熱に変換されそして消滅され る。 ドイツ連邦共和国特許出願第３７０２６８０号公報からは電磁的負荷の制御装 置が公知である。この公報では電磁的負荷の制御のための回路装置が開示されて いる。負荷に直列に配設される電子スイッチ素子は打消回路によって橋絡可能で ある。この打消回路は、負荷に蓄積されるエネルギを収容するコンデンサの形の エネルギ蓄積器を含んでいる。この回路装置における欠点は、構成部に対するコ ストがかかり、エネルギの中間蓄積のために容積のかさばるコンデンサを必要と することである。このコンデンサは常時少なくとも給電電圧に充電される。この コンデンサの他には少なくとも２つの直列ダイオードが必要である。 この装置では、各切換過程において負荷に蓄えられ るエネルギがコンデンサに蓄積される。この中間蓄積されたエネルギは次の制御 の際に第２の負荷に導入される。 さらにドイツ連邦共和国特許出願公開第３７３４４１５号公報からは負荷の制 御装置が公知である。この公報では遮断の際に放出されるエネルギがコンデンサ に蓄えられる。投入接続の際には蓄積されているエネルギが負荷に供給される。 このためにはエネルギ帰還なしの装置に比べて少なくともさらに２つのスイッチ ング素子が必要となる。 発明の課題 本発明の課題は、電磁的負荷の制御装置において、投入接続過程が促進され総 エネルギ消費が最小となる、簡単な構成の装置を提供することである。 発明の利点 請求の範囲第１項の特徴部分に記載の本発明による回路装置が有している利点 は、損失ロスのない打消が行われることである。その上さらには、打消過程の時 に蓄積されたエネルギを投入接続の際に再利用することによって電流の上昇が増 大される。このことは電磁弁のスイッチング期間の短縮にもつながる。これらの 利点は僅かな部品コストで達成される。別の有利な実施例は従属請求項に記載さ れる。 図面 本発明による装置は図面に基づき以下の明細書で詳 細に説明される。 図１には本発明による装置の回路装置が示されている。図２には時間に関して プロットされた種々の信号が示されている。図３及び図４には本発明による別の 有利な回路装置が示されている。 実施例 本発明による装置は有利には内燃機関、例えば自己着火式の内燃機関に使用さ れる。この機関では燃料の調量が電磁弁によって制御される。この電磁弁を以下 では単に“負荷”と称す。しかしながら本発明はこのような適用分野に限定され るものではなく、迅速に切り替わる電磁弁が必要とされるところならばどこでも 使用可能である。 そのような適用例では、電磁弁の開放時点と閉鎖時点がそれぞれ燃料噴射開始 と燃料噴射終了を決定する。 通常は電磁弁の制御開始と、電磁弁の実際の開放ないし閉鎖との間の期間がス イッチング期間として表わされる。特にディーゼル機関においてはこのスイッチ ング期間ができるだけ短い方が望ましい。 可及的に短いスイッチング期間を得るためには、負荷においてできるだけ早い 電磁力の形成ないし減衰が求められる。そのような迅速な電磁力の形成ないし減 衰は相応に迅速な電流の形成ないしは電流の減衰によって得られる。 図１には本発明による装置の主要な構成素子が示さ れている。符号１００で示されているのは制御すべき負荷である。この負荷１０ ０の第１の端子は、接続点１０５に接続され第２の端子は接続点１１０に接続さ れている。接続点１０５は第１のスイッチング手段１１５を介してアース端子１ ２０に接続されている。第２の接続点１１０は第１のダイオード１２５のカソー ドと接続している。第１のダイオード１２５のアノードはアース電位におかれて いる。 さらに接続点１０５は、第２のダイオード１３０のアノードに接続されている 。接続点１１０は第２のスイッチング手段１３５を介して第２のダイオード１３ ０のカソードに接続されている。 第２のダイオード１３０のカソードとスイッチング手段１３５との間の接続点 の１つは第３のダイオード１４０のカソードと接続され、もう１つはコンデンサ １４５の一方の端子に接続されている。コンデンサ１４５の第２の端子と、第３ のダイオード１４０のアノードは電圧源に接続されている。この電圧源はこれら に給電電圧Ｕｂａｔを印加する。 負荷１００、２つのスイッチング手段１１５及び１３５、並びに第１のダイオ ード１２５及び第２のダイオード１３０の配置構成は、通例ハーフブリッジと称 される。 通常の内燃機関における燃料調量においては複数の電磁弁が必要とされる。図 には２つの電磁弁を備えた 実施形態が破線で示されている。この場合さらなるダイオード１３１のカソード がダイオード１３０のカソードに接続されている。さらなるダイオード１３１の アノードはスイッチング手段１１６と別の負荷１０１の一方の端子に接続されて いる。スイッチング手段１１６を介してダイオード１３１のアノードと負荷１０ １の一方の端子はアースに接続されている。負荷１０１の第２の端子はダイオー ド１２５のカソードないしは接続点１１０に接続されている。 さらに相応の形態で別の負荷が接続されてもよい。 この回路装置において負荷を制御する際にはそれぞれ特徴的な電流プロフィー ルで以って、種々のフェーズに区別することができる。第１のフェーズ（通常は 最初の投入接続の際にのみコンデンサ１４５が放電された状態で発生する）にお いては第１のスイッチング手段１１５と第２のスイッチング手段１３５が閉じら れ、電流が負荷を介して流れる。このフェーズでは電流は第３のダイオード１４ ０と第２のスイッチング手段１３５と負荷１００と第１のスイッチング手段１１ ５からなる経路を介して流れる。 第２のフェーズ（打消フェーズとも称される）では第１のスイッチング手段１ １５と第２のスイッチング手段１３５は開放状態におかれる。このフェーズでは 電流は、第１のダイオード１２５、負荷１００、第２のダイオード１３０及びコ ンデンサ１４５からなる経 路を介して流れる。このフェーズ期間中負荷１００に蓄積されたエネルギはコン デンサ１４５並びに電圧源に移動する。打消フェーズの目的は、負荷を通って流 れる電流を可及的に短い時間で０の値まで低減させることである。 第３のフェーズでは第１のスイッチング手段１１５と第２のスイッチング手段 １３５が閉じられ、電流が、コンデンサ１４５、第２のスイッチング手段１３５ 、負荷１００及び第１のスイッチング手段１１５からなる経路を通って流れる。 この経路ではコンデンサ１４５に蓄積されたエネルギが負荷に戻され、電圧源か らのエネルギが負荷に供給される。このフェーズは引上フェーズとも称される。 このフェーズの目的は、高い電流レベルによって電磁弁の閉鎖期間を可及的に短 く維持することである。 第４のフェーズでは電流は、第３のダイオード１４０、第２のスイッチング手 段１３５、負荷１００及び第１のスイッチング手段１１５からなる経路を介して 流れる。このフェーズでは損失エネルギが電圧源から供給を受ける。第３のダイ オード１４０はコンデンサ１４５が正に充電されることを回避する。 第５のフェーズ、いわゆる電流保持フェーズでは、第２のスイッチング手段１ ３５が閉じられた状態に維持され、スイッチング手段１１５はクロック制御され る。これは、スイッチの開閉が交互に行われることを 意味する。これは通常次のように行われる。すなわち時間的に平均して所定の電 流値が設定されるように行われる。このクロックフェーズ期間中（この期間は電 流供給と電流供給停止が交互に行われる）は、コンデンサ１４５が放電状態に維 持される。電流保持フェーズでは損失電力が目標電流レベルの低減とクロック制 御によって低減される。 次にこの回路装置の作用を図２に基づき以下に説明する。図２には種々の信号 が時間に関してプロットされている。一番上の段には第２のスイッチング手段１ ３５に対する制御開始信号がプロットされている。この信号は電磁弁の制御開始 とそれに伴う燃料調量の開始と終了を表わしている。２番目の段には電磁弁を通 って流れる電流が示されており、３番目の段にはアースに対しダイオード１４０ のカソードに供給される電圧がプロットされている。この電圧は、第１のスイッ チ１１５と第２のスイッチ１３５が閉じられた場合での電磁弁を介して加えられ る電圧に相応する。 図２にはさらに異なるフェーズが示されている。時点Ｔ１では、図には示され ていない制御ユニットが図２の１段目に示された制御信号を送出する。この信号 が供給されている場合にはスイッチング手段１３５は閉じられる。図２の２段目 に示されている信号が供給されている場合には第１のスイッチング手段１１５は 電流の流れを可能にする。 コンデンサ１４５が既に先行の打消フェーズによって充電されているならば、 時点Ｔ１において第３のフェーズが開始される。これは図２の３段目にプロット されている電流Ｉ（これは電磁弁を通って流れる）が正弦波状に上昇することを 意味する。同時に第３のダイオード１４０のカソードにアースとは反対に供給さ れる電圧Ｕ_K（これは図２中第４段目に示されている）は余弦波状に低下する。 時点Ｔ２でこの第３のフェーズは終了する。 時点Ｔ２では第３のダイオード１４０のカソードに加えられる電圧Ｕ_Kが１つ の値Ｕｂａｔまで低下する。これはコンデンサ１４５がもはや放電できないこと を意味する。なぜならコンデンサに供給される電圧Ｕｃの値が０になるからであ る。さらに第３のダイオード１４０はコンデンサ１４５の正の充電を阻止する。 時点Ｔ２から時点Ｔ３までは装置は第４のフェーズにおかれる。この第４のフ ェーズでは給電電圧によって所要のエネルギが供給される。第３のダイオード１ ４０ないしコンデンサ１４５に加えられる電圧は０の値に維持される。電流はこ のフェーズ期間中は所定の引上げ電流目標値ｉ₁に達するまでの期間に亘ってリ ニアに上昇する。 電磁的な負荷１００のタイプによっては、第４のフェーズ中に電流を第５フェ ーズのときのように相応に引上げ電流目標値ｉ₁に制御させることも可能である 。 時点Ｔ３では装置は第５フェーズ、いわゆるクロックフェーズに達する。この フェーズにおいては第１のスイッチング手段１１５の開閉によって、負荷を通っ て流れる電流が所定の保持電流目標値ｉ₂に制御される。 有利にはここでは２点制御器が用いられる。この制御器は負荷を通って流れる 電流を所定の値と比較する。電流が上方の値を上回った場合には、スイッチング 手段１１５が単に開くだけである。電流が下方の値を下回った場合にはスイッチ ング手段１１５が閉じられる。これは結果として電流がこの第５のフェーズにお いては上方と下方の値の間を往復するように変動することになる。この第５のフ ェーズにおいては第２のスイッチング手段１３５は閉じられたままである。それ 故にコンデンサ１４５と負荷１００の間でエネルギの再充電は行われない。 クロックフェーズには時点Ｔ４から第２のフェーズが続く。時点Ｔ４では、図 ２中の第１段目と２段目にプロットされている制御開始信号が終了する。これは ２つのスイッチング手段が開放されることを意味する。これは電流が正弦波状に 低下することにつながる。同時にコンデンサ１４５ないしは第３のダイオード１ ４０のカソードにおける電圧Ｕ_Kは、給電電圧Ｕｂａｔを上回る値Ｕ_Dに上昇する 。これはコンデンサが再び充電されることを意味する。 本発明によればコンデンサ１４５と負荷１００は振動回路を形成する。この振 動回路においてはエネルギが、第２のフェーズにおいて負荷から電圧源へそして コンデンサ１４５へ、さらに第３のフェーズにおいて電圧源とコンデンサ１４５ から負荷へと再充電される。第５フェーズのクロック期間中は負荷とコンデンサ との間の再充電は行われない。 この結果、第２及び第３フェーズにおける負荷への通電の開始と終了において 、負荷を通って流れる電流の迅速な変化が得られるという利点が生じる。これは 負荷の非常に短いスイッチング期間につながる。コンデンサ１４５に対して付加 的に電圧源も振動回路の一部を形成することにより、打消フェーズと引上フェー ズが短縮されると共にスイッチング期間も付加的に短くなる。それによってスイ ッチング期間を同じとした場合比較的小さな回路構成が得られる。 投入／遮断期間が短縮されるばかりでなく打消過程によるエネルギの損失は生 じない。打消過程の際にコンデンサに戻されるエネルギは投入接続の際に取り戻 される。 この利点は実質的に本発明によるハーフブリッジと、適切に接続されたエネル ギ蓄積素子並びにダイオード１４０の組合せによって得られる。このエネルギ蓄 積素子１４５は、給電電圧とハーフブリッジとの間で直列に接続される。 通常はコンデンサ１４５の自己放電は非常に僅かである。動作が始まるときに のみ、コンデンサの部分放電が生じ得る。これは、負荷の通電の際にこのような 最初の電流形成が徐々に生じることとなる。この欠点を除くために図３ａに示さ れている本発明による別の実施例が提案される。 既に図１に記載された構成素子（これには図１と同じ符号が付されている）の 他には、給電電圧とコンデンサ１４５の間にさらに別のスイッチング手段２００ が配設されている。このスイッチング手段２００の接続線においては付加的なス イッチング手段２２０がアースに接続されている。コンデンサを充電するために スイッチング手段１３５と１１５が開かれ、付加的なスイッチング手段２２０は 閉じられ、さらに別のスイッチング手段２００が開かれる。これによりコンデン サは給電電圧によって充電され、それによって第１の電流形成に対して比較的長 い静止状態の後で電流形成を早める付加的なエネルギが得られる。 図３ｂには別の実施形態が示されている。既に図３ａに示された素子の他には 付加的なスイッチング手段２２０と別のスイッチング手段２００の間にインダク タンス２１０が設けられている。この回路は次のような利点を有している。すな わちコンデンサが、インダクタンス２１０とコンデンサ１４５から形成される振 動回路によって給電電圧の２倍に相当する電圧を充電 される利点を有している。 図４には本発明による別の実施例が示されている。既に図１に示された構成素 子（これには図１と同じ符号が付されている）の他には、さらなる別のスイッチ ング手段２００が給電電圧とコンデンサ１４５との間に配設されている。このス イッチング手段２００とコンデンサ１４５との間の接続点は、ダイオード１３０ と、負荷１００と、スイッチング手段１１５との間の接続点に接続される。 さらに接続点１１０はスイッチング手段４００を介してアースに接続される。 コンデンサ１４５を充電するためには、スイッチング手段１３５と１１５が開 かれ、スイッチング手段２００と４００は閉じられる。それによりコンデンサは 給電電圧の２倍に相当する電圧を充電される。この実施形態においては負荷１０ ０はチョーク２１０の役割も果たす。 この実施形態においては有利には、図３ｂによる装置の場合のようなコンデン サの相応の充電が可能となる。しかしながらこの場合は付加的なチョークは必要 ない。 スイッチング手段は有利にはトランジスタ、例えば電界効果トランジスタによ って実現される。このスイッチング手段は、図には示されていない制御ユニット から制御開始信号を供給される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．例えば噴射すべき燃料量を制御する電磁弁等の電磁的な負荷をハーフブリッ ジを用いて制御する装置において、 ハーフブリッジと電圧源（Ｕｂａｔ）との間にエネルギを蓄積する素子（１ ４５）が設けられていることを特徴とする、電磁的負荷を制御する装置。 ２．前記エネルギを蓄積する素子（１４５）として１つのコンデンサが使用され る、請求の範囲第１項記載の電磁的負荷を制御する装置。 ３．前記エネルギを蓄積する素子（１４５）に並列に１つのダイオード（１４０ ）が接続されている、請求の範囲第１項又は２項記載の電磁的負荷を制御する装 置。 ４．前記エネルギを蓄積する素子（１４５）と電圧源との間にさらに別のスイッ チング手段（２００）が配設されている、請求の範囲第１項〜３項いずれか１項 記載の電磁的負荷を制御する装置。 ５．例えば噴射すべき燃料量を制御する電磁弁等の電磁的な負荷をハーフブリッ ジを用いて制御する方法において、 ハーフブリッジと電圧源（Ｕｂａｔ）との間に配設されたエネルギ蓄積素子 （１４５）及び／又は電圧源が負荷（１００）とエネルギを交換するように、 ハーフブリッジのスイッチング手段を制御することを特徴とする、電磁的負荷を 制御する方法。 ６．第２のフェーズ（打消フェーズ）においてエネルギを負荷（１００）からエ ネルギ蓄積素子（１４５）及び／又は電圧源へ伝送する、請求の範囲第５項記載 の電磁的負荷を制御する方法。 ７．第２のフェーズにおいて、第１のダイオード（１２５）と負荷（１００）と 第２のダイオード（１３０）とエネルギ蓄積素子（１４５）及び／又は電圧源か らなる経路において電流の流れが生じるように第１のスイッチング手段（１１５ ）と第２のスイッチング手段（１３５）を制御する、請求の範囲第５項記載の電 磁的負荷を制御する方法。 ８．第３のフェーズにおいてエネルギをエネルギ蓄積素子（１４５）及び／又は 電圧源から負荷（１００）に伝送する、請求の範囲第５項〜７項いずれか１項記 載の電磁的負荷を制御する方法。 ９．第３のフェーズにおいて、エネルギ蓄積素子（１４５）と第２のスイッチン グ手段（１３５）と、負荷（１００）と、第１のスイッチング手段（１１５）か らなる経路においてダイオード（１４０）を介して電流の流れが生じるように、 第１のスイッチング手段（１１５）と第２のスイッチング手段（１３５）を制御 する、請求の範囲第５項〜８項いずれか１項記載の電磁的負荷を制御する方法。 10． エネルギ蓄積素子（１４５）が１つのフェーズにおいて電圧源からエネル ギを供給されるように、スイッチング手段（２００，２２０）を制御する、請求 の範囲第５項〜９項いずれか１項記載の電磁的負荷を制御する方法。