DE19854306A1 - Steller mit kapazitivem Element - Google Patents

Abstract

Es wird ein Steller mit einem kapazitivem Element beschrieben. Die Stellgröße des Stellers hängt von der an dem kapazitiven Element anliegenden Spannung und/oder der Ansteuerdauer des Stellers ab. Parallel zu dem kapazitiven Element ist ein ohmscher Widerstand geschaltet.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Steller mit einem kapazitiven Element gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.

Steller mit kapazitiven Elementen sind bekannt und werden in der Regel als Piezoaktoren bezeichnet. Solche Piezoaktoren werden häufig zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen verwendet. Einspritzsysteme mit Piezoaktoren zeichnen sich dadurch aus, daß diese Steller nahezu einen proportionalen Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung und ihrer Längendehnung aufweisen. Diese Steller besitzen den Vorteil, daß sie eine gewünschte Einspritzmenge mit hoher Genauigkeit, insbesondere auch bei kleinen Einspritzmengen, wie sie beispielsweise bei der Voreinspritzung auftreten, realisieren.

Hierzu wird durch Aufladung und Längendehnung eines Piezoaktors ein Steuerventil positioniert, das den Hub einer Düsennadel steuert. In der Regel erfolgt dies unter Verwendung einer hydraulischen Übersetzung. Die Ansteuerung der Piezoaktoren der jeweiligen Zylinder erfolgt durch Ansteuerung einer Endstufe, die sich in einem Steuergerät befindet. Die Verbindung zwischen dem steuergerät und dem Piezoaktor erfolgt über Leitungen, die mit Verbindungsmitteln lösbar mit dem Steller verbunden sind.

Bei solchen Systemen kann der Fall eintreten, daß der Piezoaktor so angesteuert und das Steuerventil so positioniert ist, daß die Düsennadel öffnet und damit Kraftstoff eingespritzt wird. Ist nun aufgrund eines Fehlers eine Änderung des Ladezustands des Piezoaktors nicht mehr möglich, so bleibt das Steuerventil in seiner unveränderten Position und die Düsennadel bleibt geöffnet. Als Folge wird dem entsprechenden Zylinder eine erhöhte Kraftstoffmenge zugeführt.

Dieser Fehler kann beispielsweise bei einem Kabelbruch in der Verbindung zwischen dem Steller und dem Steuergerät auftreten. Des weiteren kann dieser Fehler auftreten, wenn in dem Steuergerät ein Defekt auftritt. Ein solcher Defekt liegt beispielsweise bei einem fehlerhaften Endstufenschalter vor. Des weiteren tritt ein solcher Fehler auf, wenn sich die Steckverbindung am Steuergerät und/oder am Piezoaktor gelöst hat.

Solche Fehler können von dem Steuergerät erkannt werden, eine gezielte Entladung durch das Steuergerät ist aber aufgrund der aufgetrennten Verbindung zum Piezoaktor nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Steller mit einem kapazitiven Element sicherheitskritische Zustände zu vermeiden. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Dadurch, daß parallel zu dem kapazitiven Element ein ohmscher Widerstand geschaltet ist, kann das kapazitive Element definiert entladen und ein sicherheitskritischer Zustand vermieden werden. Diese definierte Entladung kann entweder permanent oder bei Überschreitung einer vorgegebenen maximalen Ansteuerdauer erfolgen. Ein zusätzlicher Eintrag von Kraftstoff in den Zylinder kann damit so begrenzt werden, daß eine Schädigung des Motors sicher verhindert werden kann. Da der Fehler nur den jeweilige Zylinder betrifft, kann Brennkraftmaschine im Notbetrieb weiter betrieben werden.

Des weiteren ist vorteilhaft, daß sich ein erhöhter Berührschutz ergibt. Dies bedeutet, daß sich das kapazitive Element nach einer vorgegebenen Zeit in seinem entladenden Zustand befindet. Bei nötig werdenden Arbeiten in räumlicher Nähe zur Brennkraftmaschine ergibt sich dadurch ein erheblicher Sicherheitsgewinn.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung

In der Fig. 1 ist eine erste und in Fig. 2 eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Steller mit einem kapazitiven Element mit 100 dargestellt. Solche Steller werden häufig auch als Injektoren bezeichnet und dienen zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen. Dabei besteht zwischen der Stellgröße, d. h. die Längenausdehnung des kapazitiven Elements und der anliegenden Spannung beispielsweise ein linearer Zusammenhang.

Zur Vereinfachung sind die mechanischen Bauteile nicht dargestellt. Es ist lediglich das kapazitive Element 100a dargestellt. Dieses steht über einen ersten Anschluß mit Masse und über einen zweiten Anschluß mit einem Endstufenschalter 110 in Verbindung. Der Endstufenschalter 110 verbindet den zweiten Anschluß des kapazitiven Elements mit einer Energieversorgung 120. Der Endstufenschalter 110 wird von einer Steuerung 130 mit Ansteuersignalen beaufschlagt. Erfindungsgemäß wird zu dem parallel kapazitiven Element 100a ein ohmscher Widerstand 100b geschaltet. Das kapazitive Element 100a, der ohmsche Widerstand 100b und der Steller 100 und/oder ein elektrisches Verbindungsmittel bilden eine bauliche Einheit.

Die Energieversorgung 120 ist lediglich schematisch dargestellt. Entsprechendes gilt auch für den Endstufenschalter 110.

Durch entsprechendes Ansteuern des Endstufenschalters 110 wird das kapazitive Element 100a auf eine bestimmte Spannung aufgeladen und anschließend wieder entladen. Die Zeitdauer, in der sich das kapazitive Element auf einem bestimmten Spannungspegel befindet, d. h. eine bestimmte Spannung an dem kapazitiven Element 100a anliegt, wird üblicherweise als Ansteuerdauer bezeichnet. Diese Ansteuerdauer bestimmt die eingespritzte Kraftstoffmenge.

Der Endstufenschalter 110, die Energieversorgung 120 und die Steuerung 130 sind in der Regel in einem Steuergerät zusammengefaßt, das getrennt von dem Steller angeordnet ist. Das steuergerät und der Steller sind über Leitungen verbunden. Das elektrische Verbindungsmittel ist beispielsweise als Stecker ausgebildet, der den Steller mit der Leitung verbindet.

Bei einer Unterbrechung der Leitung bzw. bei einer Fehlfunktion eines der Bauteile kann der Fall eintreten, daß der Steller sich ständig in einer bestimmten Position befindet, da der Steller nicht mehr entladen wird bzw. entladen werden kann. Um in diesem Fall eine entsprechende Entladung des kapazitiven Elements zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Widerstand 100b parallel zu dem kapazitiven Element 100a geschaltet ist. Dabei ist der Widerstand in räumlicher Nähe zu dem kapazitiven Element vorzugsweise im Injektor angeordnet, damit die Verbindungsleitungen möglichst kurz sind.

Der Widerstand ist so dimensioniert, daß die Zeitkonstante, des sich aus dem kapazitiven Element 100a und dem ohmschen Widerstand 100b ergebenden RC-Gliedes so groß ist, daß innerhalb der üblichen Ansteuerdauer, die für eine fehlerfreie Einspritzung üblich ist, keine signifikante Entladung des kapazitiven Elements auftritt. Andererseits ist die Zeitkonstante so bemessen, daß innerhalb der Zeit, die maximal zur Verfügung steht, bis das Ventil sicher geschlossen sein muß, um den Motor nicht zu beschädigen, das kapazitive Element ausreichend entladen ist.

Innerhalb einer Entladezeit, die im wesentlichen durch die Zeitkonstante bestimmt ist, hat sich das kapazitive Element 100a so weit entladen, daß der Steller eine sichere Stellung einnimmt, d. h. die Einspritzung endet.

Die Zeitkonstante ist so gewählt, daß die Entladezeit größer ist als die maximal mögliche Ansteuerdauer des Stellers. Die maximal mögliche Ansteuerdauer ist die Ansteuerdauer, die im fehlerfreien Betrieb nicht überschritten wird.

Um ein sicheres Schließen des Steuerventils zu gewährleisten, muß das kapazitive Element nicht vollständig entladen werden. Eine deutliche Absenkung der Spannung ist ausreichend. Bei einem Fehler, der eine Entladung des Kondensators verhindert, führt der parallel zu dem kapazitiven Element angeordnete Widerstand zu einer automatischen Entladung, so daß das Steuerventil schließt. Des weiteren kann das Fahrzeug mit den nicht vom Fehler betroffenen Stellern weiter betrieben werden. Des weiteren wird die Hochspannung am Steller innerhalb kurzer Zeit abgebaut, was die Sicherheit erheblich verbessert.

Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, daß nur sehr wenige Bauelemente notwendig sind. Diese Ausführungsform stellt eine sehr einfache und kostengünstige Lösung dar, da lediglich passive Bauelemente nötig sind. Bei dieser Ausführungsform erfolgt eine permanente Entladung.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform ist in Fig. 2 beschrieben, bei der bei Überschreiten einer vorgegebenen maximalen Ansteuerdauer das kapazitive Element schnell entladen wird.

Bereits in Fig. 1 beschriebene Elemente sind in Fig. 2 mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Parallel zu dem kapazitiven Element ist eine Reihenschaltung bestehend aus einem Schaltmittel S1 und einem Widerstand R2 geschaltet. Dabei handelt es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen MOS-FET, dessen Drain-Anschluß mit dem zweiten Anschluß des kapazitiven Elements und dessen Source-Anschluß mit dem Widerstand R2 verbunden ist. Der Gate-Anschluß des Schaltmittels S1 ist mit einem Widerstand R1 und einem Kondensator C1 verbunden. Der Widerstand R1 verbindet den Gate-Anschluß des Schaltmittels S1 mit dem Drain-Anschluß des Schaltermittels S1. Der Kondensator C1 verbindet den Gate-Anschluß des Schaltermittels S1 mit dem Masseanschluß.

Ferner ist parallel zu dem Widerstand R1 eine Diode D1 geschaltet, deren Kathode mit dem zweiten Anschluß des kapazitiven Elements verbunden ist.

Die Anordnung des Widerstandes R2 ist nur beispielhaft dargestellt. Der Widerstand kann auch am Drain-Anschluß des Schaltmittels S1 angeordnet sein.

Bei geeigneter Dimensionierung des Widerstandes R1 kann der Kondensator C1 entfallen. Seine Funktion wird dann von der Gatekapazität des MOSFET S1 übernommen.

Diese Schaltung arbeitet nun wie folgt. Liegt am kapazitiven Element 100a eine Spannung an, so wird mit dieser der Kondensator C1 über den Widerstand R1 geladen. Steigt die am Kondensator C1 anliegende Spannung über einen Schwellwert an, so wird das Schaltmittel S1 durchgeschaltet und das kapazitive Element 100a schnell über den Widerstand R2 entladen.

Das RC-Glied bestehend aus dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 ist, entsprechend wie das RC-Glied in Fig. 1 bestehend aus dem Widerstand 100b und dem kapazitiven Element 100a, dimensioniert. Dies bedeutet, daß der Kondensator C1 bei üblichen Ansteuerdauern nur so stark aufgeladen wird, daß das Schaltmittel S1 nicht schaltet. Übersteigt die Ansteuerdauer die maximal mögliche Ansteuerdauer, die einen schwellwert definiert, und/oder übersteigt die am Eingang des Schaltmittels S1 anliegende Spannung einen schwellwert, so verbindet das Schaltmittel S1 den Widerstand R2 mit dem kapazitiven Element 100a, wodurch dieses schnell entladen wird.

Die Spannung am Eingang des Schaltmittels S1 wird von dem Kondensator C1 bereitgestellt. Die am Kondensator C1 anliegende Spannung hängt von der Ansteuerdauer des Stellers ab. Bei zunehmender Ansteuerdauer steigt die Spannung am Kondensator C1 an.

Wird das kapazitive Element 100a im Rahmen der Ansteuerung, das heißt am Ende der Ansteuerung, entladen, so wird der Kondensator C1 ebenfalls entladen. Zu diesem Zweck ist die Diode D1 vorgesehen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß parallel zu dem kapazitiven Element 100a ein schaltbarer Widerstand, bestehend aus einem Schaltmittel S1 und einem Widerstand R2, geschaltet ist. Das Schaltmittel wird so angesteuert, daß das Schaltmittel einschaltet, wenn die an einem Eingang des Schaltmittels S1 anliegende Spannung einen sollwert übersteigt und/oder wenn die Ansteuerdauer des Stellers einen Sollwert übersteigt.

Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, daß anstelle der Elemente R1, D1 und C1 andere Bauteile vorgesehen sind, die eine entsprechende Funktion übernehmen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der ohmsche Widerstand R2, das Schaltmittel S1, der Widerstand R1, der Kondensator C1 und die Diode D1 mit dem kapazitiven Element bzw. dem Steller und/oder mit dem Stecker, der den Steller mit einer Leitung verbindet eine bauliche Einheit bilden.

Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist es, daß bei Ansteuerdauern, die kleiner als die Ansteuerdauer sind, bei der die Entladeschaltung auslöst, die an dem kapazitiven Element 100a anliegende Spannung nur unwesentlich beeinträchtigt wird. Dies bedeutet, bei üblichen Ansteuerdauern erfolgt keine Entladung des kapazitiven Elements 100a. Des weiteren wird bei Überschreiten der vorgegebenen maximalen Ansteuerdauer das kapazitive Element schnell und zuverlässig entladen, so daß die in den Zylinder eingebrachte zusätzliche Kraftstoffmenge sehr klein bleibt.

Claims (7)

1. Steller mit einem kapazitiven Element, wobei die Stellgröße des Stellers von der an dem kapazitiven Element anliegenden Spannung und/oder der Ansteuerdauer des Stellers abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem kapazitiven Element ein ohmscher Widerstand geschaltet ist.

2. Steller, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand derart dimensioniert ist, daß sich das kapazitive Element innerhalb einer Entladezeit entlädt.

3. Steller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladezeit größer ist als eine maximal mögliche Ansteuerdauer des Stellers.

4. Steller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand schaltbar ist.

5. Steller Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltmittel das kapazitive Element mit dem Widerstand verbindet, wenn die an einem Eingang des Schaltmittels anliegende Spannung einen schwellwert übersteigt und/oder wenn die Ansteuerdauer des Stellers einen Schwellwert übersteigt.

6. Steller nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Schaltmittels mit einem Kondensator verbunden ist, wobei die an dem Kondensator anliegende Spannung von der Ansteuerdauer des Steller abhängt.

7. Steller nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand und/oder das Schaltmittel mit dem Steller und/oder mit einem elektrischen Verbindungsmittel eine bauliche Einheit bildet.