устройство и способ для управления по меньшей мере одним емкостным исполнительным элементом

Формула изобретения

1. Устройство для управления с помощью схемы управления ST по меньшей мере одним пьезоэлектрическим исполнительным элементом Р1-Р_n, в частности, приводимого в действие пьезоэлектрически клапана впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания, содержащее расположенный между положительным полюсом +SNT и отрицательным полюсом -SNT управляемого, не соединенного с потенциалом корпуса источника напряжения SNT и заряжаемый от него зарядный конденсатор С1, подключенную параллельно зарядному конденсатору С1 последовательную схему из соединенного с положительным полюсом +SNT пропускающего в направлении от него ток зарядного переключателя X1 и соединенного с отрицательным полюсом -SNT, пропускающего в направлении к нему ток разрядного переключателя Х2, расположенный между отрицательным полюсом -SNT и соединением с корпусом GND перезарядный конденсатор С2, расположенную между точкой соединения зарядного переключателя X1 и разрядного переключателя Х2 и соединением с корпусом GND последовательную схему из соединенной с зарядным переключателем X1 колебательной катушки L, первого исполнительного элемента Р1 и первого управляемого переключателя Т1 в виде мощного полевого МОП-транзистора, причем для каждого другого исполнительного элемента включена параллельно последовательной схеме из первого исполнительного элемента Р1 и первого переключателя Т1 в виде мощного полевого МОП-транзистора последовательная схема из этого исполнительного элемента Р2 - Рn и другого переключателя Т2 - Тn в виде мощного полевого МОП-транзистор, расположенный параллельно всем последовательным схемам из исполнительного элемента и переключателя в виде мощного полевого МОП-транзистора диод D, пропускающий ток в направлении от соединения с корпусом GND к колебательной катушке L.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контакт не соединенного с корпусом отрицательного полюса -SNT служит в качестве точки измерения напряжения U_C2 на перезарядном конденсаторе С2.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулируемый схемой управления ST источник питания SNT является коммутационным блоком питания.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема управления ST является частью управляемого микропроцессором прибора управления двигателем.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зарядный переключатель Х1 и разрядный переключатель Х2 являются управляемыми, электронными, пропускающими ток только в одном направлении переключателями с по меньшей мере одним полупроводниковым элементом.

6. Способ работы устройства по п.1, отличающийся тем, что каждый из подлежащих приведению в действие исполнительный элемент Р1 - Рn через колебательную катушку L заряжают номинальным напряжением Us от последовательной схемы зарядного конденсатора С1 и перезарядного конденсатора С2 и снова разряжают в перезарядный конденсатор С2, и что перед следующим зарядным циклом заряжают зарядный конденсатор С1 на напряжение U_C1 = Us - U_C2, соответствующее разнице между номинальным напряжением Us и напряжением U_C2 на перезарядном конденсаторе C2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для управления с помощью схемы управления по меньшей мере одним емкостным исполнительным элементом, в частности, приводимого в действие пьезоэлектрически клапана впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания, согласно признакам пунктов 1 или 2 формулы изобретения. Изобретение относится также к способу работы этого устройства.

Из EP 0464443 A1 известен пьезоэлектрический исполнительный элемент, который заряжается из конденсатора через зарядную катушку. Часть приложенной энергии при разрядке пьезоэлектрического исполнительного элемента отдается через разрядную катушку обратно в конденсатор, в то время как последняя часть, также через разрядную катушку, уничтожается за счет короткого замыкания. При разрядке на пьезоэлектрическом исполнительном элементе находится отрицательное напряжение.

Из DE 3621541 A1 известна драйверная схема для пьезоэлектрического исполнительного элемента клапана впрыска топлива, который заряжается через подключенную к источнику напряжения последовательную схему из двух конденсаторов и одной зарядной катушки и разряжается через разрядную катушку в один из конденсаторов. В альтернативном варианте выполнения исполнительный элемент заряжается через подключенные к источнику напряжения конденсатор и зарядную катушку; при разрядке накопленная в пьезоэлектрическом исполнительном элементе энергия уничтожается через разрядную катушку.

В основе изобретения лежит задача создать устройство, работающее с минимальными потерями и имеющее простую конструкцию, для управления по меньшей мере одним емкостным исполнительным элементом, на котором не должно возникать отрицательное напряжение.

Эта задача решается согласно изобретению с помощью признаков пунктов 1 или 2 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения отражены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Преимуществом является, среди прочего то, что источник напряжения может быть выполнен для выходного напряжения, которое меньше напряжения заряда для исполнительного элемента, и что зарядка и разрядка каждого исполнительного элемента происходит полной полуволной синусоидального тока. За счет этого исполнительный элемент достигает рабочего напряжения и тем самым своего конечного хода с более "медленной" скоростью (при максимальном значении косинусоидального колебания). За счет этого в частотном спектре возникают только частоты ниже основной частоты, равной - при работе приводимого в действие пьезоэлектрически клапана впрыска топлива - максимально 300 Гц, благодаря чему почти не возникает проблем электромагнитной совместимости. С помощью регулирования источника напряжения, предпочтительно, коммутационного блока питания происходит простая зарядка исполнительного элемента. Нет также необходимости в элементах дозарядки, поскольку источник питания всегда соединен с зарядным конденсатором. Кроме того, колебательную катушку можно из предусмотренного для схемы корпуса перенести ближе к исполнительным элементам, поскольку между ней и исполнительными элементами нет переключателя.

Примеры выполнения изобретения поясняются ниже подробней с помощью схематичных чертежей, на которых изображено:

фиг. 1 - схема первого примера выполнения,

фиг. 2 - блок-схема программы и

фиг. 3 - схема второго примера выполнения.

На фиг. 1 показана схема первого примера выполнения согласно изобретению для управления не изображенными n клапанами впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания через пьезоэлектрические исполнительные элементы P1-Pn с помощью схемы управления ST, которая является частью не изображенного прибора управления двигателем, управляемого микропроцессором.

Между положительным полюсом +SNT и отрицательным полюсом -SNT управляемого, не соединенного с потенциалом корпуса источника напряжения SNT, предпочтительно, коммутационного блока питания присоединен зарядный конденсатор C1. Параллельно зарядному конденсатору C1 подключена последовательная схема из соединенного с положительным полюсом +SNT, пропускающего в направлении от него ток зарядного переключателя X1 и соединенного с отрицательным полюсом -SNT, пропускающего в направлении к нему ток разрядного переключателя X2.

Переключатели X1 и X2 представляют электронные, только в одном направлении пропускающие ток, состоящие по меньшей мере из одного полупроводникового элемента переключатели, предпочтительно, тиристорные переключатели, которые переключают в проводящее состояние с помощью схемы управления.

Между не соединенным с потенциалом корпуса отрицательным полюсом -SNT коммутационного блока питания и соединением с корпусом GND схемы расположен перезарядный конденсатор C2.

Между точкой соединения зарядного переключателя X1 и разрядного переключателя X2 и соединением с корпусом GND расположена последовательная схема из соединенной с зарядным переключателем X1 колебательной катушки L, первого исполнительного элемента P1 и первого управляемого переключателя T1 в виде мощного полевого МОП-транзистора.

Параллельно последовательной схеме из исполнительного элемента P1 и переключателя T1 в виде мощного полевого МОП-транзистора расположен диод D, пропускающий ток в направлении от соединения с корпусом GND к колебательной катушке L.

Для каждого другого исполнительного элемента P2 - Pn включена параллельно последовательной схеме из первого исполнительного элемента P1 и первого переключателя T1 в виде мощного полевого МОП-транзистора последовательная схема из этого исполнительного элемента и другого переключателя T2 - Tn в виде мощного полевого МОП-транзистора.

Переключатели в виде мощных полевых МОП-транзисторов содержат обычно инверсные диоды, функцию которых, как будет показано ниже, используют при работе устройства согласно изобретению.

Переключатели X1, X2 и T1-Tn управляются схемой управления ST в зависимости от управляющих сигналов st прибора управления двигателем, от в данном примере выполнения заложенного в схеме управления ST или подводимого к ней от прибора управления двигателем номинального значения Us напряжения, с которым должны заряжаться исполнительные элементы P1-Pn, и от действительного значения U_C2 напряжения на перезарядном конденсаторе C2. Контакт не соединенного с потенциалом корпуса отрицательного полюса -SNT служит одновременно как точка измерения напряжения U_C2 на перезарядном конденсаторе C2. Зарядный конденсатор C1 можно рассматривать как выходной конденсатор коммутационного блока питания SNT.

Способ работы описанного устройства поясняется ниже с помощью фиг. 2. В последующем тексте этапы I-X по фиг. 2 обозначаются только римскими цифрами. Исходя из положения I, в котором, например, зарядный конденсатор C1 заряжен до _C2 = +60 В и перезарядный конденсатор C2 до U_C2 = +100 В, таким образом, вместе в последовательном включении до номинального напряжения Us = +160 В, колебательная катушка L не проводит ток, все переключатели X1, X2 и T1 - Tn являются не проводящими (высокоомными) и все исполнительные элементы P1 - Pn разряжены, необходимо привести в действие исполнительный элемент P1, чтобы через соответствующий клапан впрыска впрыснуть топливо в цилиндр. Значение номинального напряжения Us заведено в схему управления ST или задается ей не изображенным прибором управления двигателем.

Сперва схема управления выбирает соответствующий исполнительный элемент (II) тем, что она переключает в проводящее состояние приданный ему переключатель T1 в виде мощного полевого МОП-транзистора. T1 может оставаться проводящим (низкоомным) в угле поворота коленвала KW = 720^o/Z (Z равно числу цилиндров), что составляет, например, для четырехцилиндрового двигателя 180^o и для шестицилиндрового двигателя 120^o. В начале впрыска, которое задается началом управляющего сигнала st (III), схема управления ST зажигает зарядный переключатель X1 (IV). За счет этого разряжается приложенное к последовательной схеме из C1 и C2 напряжение Us = +160 В (смотри выше) во время полной синусной полуволны через колебательную катушку L в исполнительный элемент P1, и он открывает не изображенный клапан впрыска. Источник напряжения - коммутационный блок питания SNT - остается соединенным с зарядным конденсатором C1, так что он также подает энергию в колебательный контур.

После зарядки запирается зарядный переключатель X1 (V), исполнительный элемент P1 остается заряженным. На перезарядном конденсаторе C2 остается зависящее от емкости отрицательное остаточное напряжение (например, -10 В), которое необходимо для того, чтобы можно было снова полностью разрядить исполнительный элемент P1 при разрядке. Для разрядки исполнительного элемента в конце управляющего сигнала st (VI) зажигается разрядный переключатель X2 (VII). Контур разрядки замыкается через инверсный диод переключателя T1 в виде мощного полевого МОП-транзистора. Накопленная в исполнительном элементе энергия переходит через колебательную катушку L обратно в конденсатор C2, который заряжается, например, снова до U_C2 = +100 В и может быть использован для следующего цикла. Как только исполнительный элемент разряжается до порогового напряжения диода D, включенного параллельно "активному" каналу, то еще текущий ток продолжает течь через этот диод, за счет чего предотвращается зарядка исполнительного элемента до отрицательного напряжения. Затем гасится разрядный переключатель X2 (VIII).

Для цикла зарядки следующего исполнительного элемента необходимо сперва компенсировать возникшие потери. Для этого измеряют на отрицательном полюсе -SNT коммутационного блока питания SNT напряжение U_C2 перезарядного конденсатора C2 (IX) и затем устанавливают (регулируют) коммутационный блок питания SNT на величину выходного напряжения, которое соответствует разнице между номинальным значением Us = +160 В и измеренным напряжением _C2 = 100 В. До этого напряжения U_C1 соответственно подзаряжается соединенный с коммутационным блоком питания зарядный конденсатор C1 (X). Тем самым для следующего процесса зарядки на последовательной схеме из конденсаторов C1 и C2 имеется в распоряжении снова полное напряжение Us = 160 В (I).

Если устройство включают в работу после длительного перерыва, то сперва перезарядный конденсатор C2 разряжен и зарядный конденсатор C1 заряжается до максимального выходного напряжения коммутационного блока питания SNT, например, +75 В. Происходит переходной процесс, который длится несколько циклов зарядки, пока поставляемое обратно при разрядке исполнительного элемента напряжение на перезарядном конденсаторе C2 после каждого процесса перезарядки не достигнет принятого "стационарного" значения _C2 = +100 В.

Пример выполнения устройства по фиг. 3, принцип действия которого полностью соответствует принципу действия устройства по фиг. 1, отличается только в некоторых позициях от примера выполнения по фиг. 1. Отличие состоит в том, что здесь отрицательный полюс коммутационного блока питания SNT соединен с корпусом GND схемы, и что в соответствии с этим перезарядный конденсатор C2 перемещен в место между точкой соединения зарядного переключателя X1 с разрядным переключателем X2 и колебательной катушкой L.

При опорном потенциале на корпусе упрощается разработка коммутационного блока питания. В этом варианте схемы разрядный переключатель X2 также получает соединение с корпусом, за счет чего его управление можно осуществлять без дополнительного преобразователя.