DE10120143A1 - Verfahren zur Steuerung mindestens eines kapazitiven Stellglieds und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Steuerung mindestens eines kapazitiven Stellglieds und Schaltungsanordnung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Abstract
Ein kapazitives Stellglied, insbesondere ein piezoelektrisches Element, wird üblicherweise durch wiederholtes Betätigen eines Ladeschalters oder eines Entladeschalters über ein induktives Bauelement geladen bzw. entladen, wobei während des Ladevorgangs Ladung aus einem Speicherkondensator entnommen wird und während des Entladevorgangs Ladung dem Speicherkondensator zugeführt wird. Der Speicherkondensator wird dabei vor Beginn des Ladevorgangs aus einer Gleichspannungsquelle über einen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler auf eine für den Betrieb erforderliche Betriebsspannung geladen. Das neue Verfahren soll mit geringerem Schaltungsaufwand durchführbar sein. DOLLAR A Beim neuen Verfahren wird der Speicherkondensator ohne die Verwendung eines Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler in sich wiederholenden Zeitintervallen über das induktive Bauelement auf die Betriebsspannung geladen, indem in diesen Zeitintervallen das Stellglied oder, bei der Verwendung mehrerer Stellglieder, jedes Stellglied deaktiviert wird, eine Versorgungsspannung an einen mit dem Stellglied oder den Stellgliedern verbundenen Anschluß des induktiven Bauelements angelegt wird und der Entladeschalter wiederholt betätigt wird. DOLLAR A Steuerung von Einspritzventilen in Brennkraftmaschinen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung mindestens eines kapazitiven
Stellglieds gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Schaltungsan
ordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise aus
der DE 197 33 560 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein kapazitives Stellglied
durch wiederholtes Betätigen eines Ladeschalters oder eines Entladeschalters über
ein induktives Bauelement geladen bzw. entladen, wobei während Ladevorgangs
Ladung aus einem Speicherkondensator entnommen und über das induktive Bau
element dem Stellglied zugeführt wird und wobei während des Entladevorgangs La
dung dem Stellelement entnommen und teilweise dem Speicherkondensator über
das induktive Bauelement zugeführt wird. Der Speicherkondensator wird dabei vor
Beginn des Ladevorgangs aus einer Gleichspannungsquelle über einen Gleichspan
nungs-Gleichspannungs-Wandler auf eine für den Betrieb erforderliche Betriebs
spannung geladen. Als nachteilig erweist sich hierbei der hohe Schaltungsaufwand
und Platzbedarf der zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Schaltungsan
ordnung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das auf einfache Weise mit geringem Schal
tungs- und Kostenaufwand durchführbar ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe
zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und durch die Merk
male des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun
gen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein kapazitives Stellglied oder jeweils eines von mehreren
kapazitiven Stellgliedern während eines Ladevorgangs durch wiederholtes Betätigen
eines Ladeschalters über ein induktives Bauelement geladen oder während eines
Entladevorgangs durch wiederholtes Betätigen eines Entladeschalters über das glei
che induktive Bauelement entladen, wobei beim Ladevorgang Ladung aus einem
Speicherkondensator entnommen wird und beim Entladevorgang Ladung dem Spei
cherkondensator zugeführt wird und wobei der Speicherkondensator über das in
duktive Bauelement, vorzugsweise in sich wiederholenden Zeitintervallen, auf eine
Betriebsspannung geladen wird, indem bei deaktiviertem Stellglied oder deaktivier
ten Stellgliedern eine Versorgungsgleichspannung an einen Anschluß des indukti
vern Bauelements angelegt wird und der Entladeschalter wiederholt betätigt wird.
Damit ist es nicht mehr erforderlich, einen aufwendigen und kostspieligen Gleich
spannungs-Gleichspannungs-Wandler zum Laden des Speicherkondensators vorzu
sehen.
Das Stellglied oder jedes der Stellglieder wird vorteilhafterweise deaktiviert, indem
es stromlos geschaltet wird, d. h. indem ein durch das zu deaktivierende Stellglied
führender Strompfad unterbrochen wird. Vorzugsweise wird ein Stellglied oder jedes
der Stellglieder erst nach Beendigung des Ladevorgangs oder Entladevorgangs,
durch das es geladen bzw. entladen wird, zur Deaktivierung freigegeben. Bei der
Verwendung mehrerer Stellglieder werden vorzugsweise nicht mehrere der Stellglie
der gleichzeitig aktiviert, so daß die Stellglieder in unterschiedlichen Zeitintervallen
geladen oder entladen werden.
Das Verfahren läßt sich mit einer einfachen Schaltungsanordnung durchführen. Eine
derartige Schaltungsanordnung umfaßt einen Ausgangsanschluß, an den das Stell
glied oder die Stellglieder angeschlossen ist bzw. sind und der über das induktive
Bauelement mit einem Schaltungsknoten verbunden ist, welcher seinerseits über
den Ladeschalter und eine dazu parallel geschaltete erste Diode mit dem Speicher
kondensator verbunden ist sowie über den Entladeschalter und eine dazu parallel
geschaltete zweite Diode mit einem vorzugsweise auf einem Bezugspotential liegen
dem Spannungsversorgungsanschluß verbunden ist. Dem Stellglied oder jedem der
Stellglieder ist dabei ein eigener Auswahlschalter zur Aktivierung oder Deaktivierung
des jeweiligen Stellglieds zugeordnet, wobei das Stellglied oder jedes der Stellglie
der in einem eigenen den Ausgangsanschluß mit dem Spannungsversorgungsan
schluß verbindenden Stromzweig zu dem ihm jeweils zugeordneten Auswahlschalter
in Reihe geschaltet ist. An den Ausgangsanschluß ist vorzugsweise eine zuschaltba
re Gleichspannungsquelle angeschlossen, mit der im zugeschalteten Zustand die
Versorgungsgleichspannung an den Ausgangsanschluß anlegt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist das Stellglied oder
ist jedes der Stellglieder als piezoelektrische Element ausgeführt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur näher be
schrieben.
Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung zur Steuerung mehrerer Stellglieder P1,
P2, . . . Pn.
Mit den Stellgliedern P1, P2, . . . Pn werden in einer Brennkraftmaschine mit Kraft
stoffdirekteinspritzung Einspritzventile betätigt. Die Stellglieder P1, P2, . . . Pn sind
dabei als piezoelektrische Elemente ausgeführt und weisen somit die Eigenschaft
auf, sich in Abhängigkeit der Änderung ihrer elektrischen Ladung auszudehnen oder
zusammenzuziehen. Die aus einem Ladevorgang oder Entladevorgang resultierende
Längenänderung eines Stellglieds wird dabei ausgenutzt, um ein Stellelement zu
bewegen, wodurch das durch dieses Stellelement betätigte Einspritzventil um einen
von der Ladungsänderung abhängigen Wert weiter geöffnet oder geschlossen wird.
Gemäß der Figur weist die Schaltungsanordnung zwischen einem Ausgangsanschluß
N0 und einem auf Massepotential liegenden Spannungsversorgungsanschluß N1
mehrere parallele Stromzweige auf, wobei in jedem der Stromzweige eines der
Stellglieder P1, P2, . . . Pn zu einem dem jeweiligen Stellglied P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn
zugeordneten Auswahlschalter S1 bzw. S2 bzw. . . . Sn in Reihe geschaltet ist. Zwi
schen den Ausgangsanschluß N0 und den Spannungsversorgungsanschluß N1 ist
ferner eine zuschaltbare Gleichspannungsquelle V geschaltet. Diese zuschaltbare
Gleichspannungsquelle V ist als Reihenschaltung aus einem Versorgungsschalter
SW0 und einer zur Erzeugung einer Versorgungsgleichspannung U0 vorgesehenen
Gleichspannungsquelle V0, beispielsweise einer Fahrzeugbatterie ausgeführt. Der
Ausgangsanschluß N0 ist zudem über ein als Spule L ausgebildetes induktives Bau
element mit einem Schaltungsknoten N3 verbunden, welcher seinerseits über einen
Ladeschalter SW1 und eine dazu parallel geschaltete erste Diode D1 mit einem er
sten Anschluß eines Speicherkondensators C0 verbunden ist sowie über einen Ent
ladeschalter SW2 und eine dazu parallel geschaltete zweite Diode D2 mit einem an
den Spannungsversorgungsanschluß N1 angeschlossenen zweiten Anschluß des
Speicherkondensators C0 verbunden ist. Die Dioden D1, D2 sind dabei im einge
schwungenen Zustand bei offenen Schaltern SW0, SW1, SW2, S1, S2, . . . Sn und
geladenem Speicherkondensator C0 in Sperrichtung gepolt. Die Schaltungsanord
nung umfaßt ferner eine in der Figur nicht gezeigte Steuereinheit zur Steuerung der
Schalter SW0, SW1, SW2, S1, S2, . . . Sn.
Bei der Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung wird der Speicherkondensator C0
zunächst auf eine für die Steuerung der Stellglieder P1, P2, . . . Pn erforderliche Be
triebsspannung UC geladen, beispielsweise auf einen Spannungswert von ca. 100 V.
Hierzu werden die Auswahlschalter S1, S2, . . . Sn in den Stromzweigen der Stellglie
der P1, P2, . . . Pn geöffnet und die Stellglieder S1, S2, . . . Sn somit deaktiviert. Bei
deaktivierten Stellgliedern P1, P2, . . . Pn wird dann der Versorgungsschalter SW0
geschlossen und somit die Versorgungsgleichspannung U0 and den Ausgangsan
schluß N0 angelegt. Danach wird der Entladeschalter SW2 bei offenem Ladeschalter
SW1 wiederholt so oft betätigt, bis die gewünschte Betriebsspannung UC am Spei
cherkondensator C0 anliegt. Anschließend wird der Versorgungsschalter SW0 wie
der geöffnet. Während des Ladens des Speicherkondensators C0 wirkt der Teil der
Schaltungsanordnung, der die Spule L, die erste Diode D1, den Entladeschalter SW2
und den Speicherkondensator C0 umfaßt, als Hochsetzsteller, der die zwischen dem
Ausgangsanschluß N0 und dem Spannungsversorgungsanschluß N1 anliegende
Versorgungsgleichspannung U0 auf die am Speicherkondensator C0 abfallende Be
triebsspannung UC hochsetzt.
Zur Betätigung eines Einspritzventils wird das entsprechende Stellglied P1 bzw. P2
bzw. . . . Pn bei offenem Versorgungsschalter SW0, d. h. bei von den Stellgliedern P1,
P2, . . . Pn entkoppelter Gleichspannungsquelle V0, geladen und entladen. Ein Betäti
gungsvorgang kann dabei auch das mehrfache Laden und Entladen jeweiligen Stell
glieds umfassen.
Dabei wird das zu ladende oder entladende Stellglied P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn, sofern
es nicht schon aktiviert ist, durch Schließen des ihm zugeordneten Auswahlschalters
S1 bzw. S2 bzw. . . . Sn aktiviert und die übrigen Auswahlschalter werden, falls sie
nicht bereits offen sind, geöffnet, um die übrigen Stellglieder zu deaktivieren. Zum
Laden des aktivierten Stellglieds P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn wird dann der Ladeschalter
SW1 bei offenem Entladeschalter SW2 wiederholt betätigt. Entsprechend wird der
Entladeschalter SW2 bei offenem Ladeschalter SW1 wiederholt betätigt, um das
aktivierte Stellglied P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn zu entladen. Aufgrund der Polung der
Dioden D1, D2, ist erste Diode D1 beim Laden und die zweite Diode D2 beim Entla
den des aktivierten Stellglieds P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn stets gesperrt.
Somit wirkt der Teil der Schaltungsanordnung, der den Speicherkondensator C0,
den Ladeschalter SW1, die zweite Diode D2, die Spule L und das aktivierte Stellglied
P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn umfaßt, beim Ladevorgang, d. h. beim Laden des aktivierten
Stellglieds, als Tiefsetzsteller, mit dem die am Speicherkondensator C0 anliegende
Betriebsspannung UC in eine am aktivierten Stellglied anliegende Spannung umge
setzt wird. Diese am aktivierten Stellglied anliegende Spannung ist geringer als die
am Speicherkondensator C0 anliegende Betriebsspannung UC. Entsprechend wirkt
der Teil der Schaltungsanordnung, der den Speicherkondensator C0, den Entlade
schalter SW2, die erste Diode D1, die Spule L und das aktivierte Stellglied P1 bzw.
P2 bzw. . . . Pn umfaßt, beim Entladevorgang, d. h. beim Entladen des aktivierten
Stellglieds, als Hochsetzsteller, mit dem die am aktivierten Stellglied anliegende
Spannung in die gegenüber dieser Spannung höhere Betriebsspannung UC umge
setzt wird.
Das aktivierte Stellglied P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn wird dabei durch einen zu ihm flie
ßenden oder von ihm abfließenden Stellstrom I, der über die Spule L geführt wird,
geladen bzw. entladen. Die Spule L wirkt hierbei als Energiespeicher, dem elektri
sche Energie vom Speicherkondensator C0 (beim Ladevorgang) bzw. vom aktivier
ten Stellglied P1 bzw. P2. bzw. . . . Pn (beim Entladevorgang) zugeführt wird. Diese
Energie wird in der Spule L als magnetische Energie gespeichert und nach einer
Betätigung des Ladeschalters SW1 (beim Ladevorgang) bzw. des Entladeschalters
SW2 (beim Entladevorgang) an das aktivierte Stellglied bzw. an den Speicherkon
densator C0 als elektrische Energie abgegeben. Die Zeitpunkte und die Dauer der
Energiespeicherung und Energieabgabe werden dabei durch die Schalterbetätigun
gen bestimmt. Der Stellstrom I läßt sich somit durch Variation der Dauer der Schalt
zeiten und der Schaltpausen des Lade- bzw. Entladeschalters SW1 bzw. SW2 steu
ern, wobei diese Steuerung vorteilhafterweise durch eine Regelung derart erfolgt,
daß die Länge des aktivierten Stellglieds P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn sich entsprechend
eines gewünschten zeitlichen Verlaufs ändert.
Aufgrund der Energieübertragung vom Speicherkondensator C0 über die Spule L
zum aktivierten Stellglied P1, bzw. P2, bzw. . . . Pn und vom aktvierten Stellglied P1,
bzw. P2, bzw. . . . Pn über die Spule L zurück zum Speicherkondensator C0 wird wäh
rend des Ladevorgangs Ladung dem Speicherkondensator C0 entnommen und wäh
rend des Entladevorgangs Ladung dem Speicherkondensator C0 wieder zurückge
führt. Allerdings wird aufgrund von ohmschen Verlusten nicht die gesamte dem
Speicherkondensator C0 während des Ladevorgangs entnommene Ladung während
des anschließenden Entladevorgangs wieder zurückgeführt. Dieser Ladungsverlust
läßt sich jedoch kompensieren, indem die Stellglieder P1, P2, . . . Pn in Zeitinterval
len, in denen keines der Stellglieder P1, P2, . . . Pn geladen oder entladen werden
soll, d. h. nach Beendigung eines Lade- oder Entladevorgangs und vor Beginn des
nächsten Lade- oder Entladevorgangs, deaktiviert werden, sofern sie nicht bereits
deaktiviert sind, und indem, wie bei der Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung,
bei deaktivierten Stellgliedern P1, P2, . . . Pn die Versorgungsgleichspannung U0
durch Schließen des Versorgungsschalters SW0 an den Ausgangsanschluß N0 an
gelegt wird und der Entladeschalter SW2 so oft betätigt wird, bis die Betriebsspan
nung UC den gewünschten Wert erreicht hat. Die Schaltungsanordnung wirkt in
diesen Zeitintervallen ebenfalls als Hochsetzsteller, mit dem die zwischen dem Aus
gangsanschluß N0 und dem Spannungsversorgungsanschluß N1 anliegende Span
nung in die am Speicherkondensator C0 anliegende Betriebsspannung UC hochge
setzt wird. Dabei wird die hochzusetzende Spannung nunmehr nicht wie beim Entla
den eines Stellglieds von diesem Stellglied sondern von einer zusätzlichen Energie
quelle, der Gleichspannungsquelle V0, bereitgestellt.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt somit
darin, daß sowohl beim Laden und Entladen der Stellglieder als auch beim Aufladen
und Nachladen des Speicherkondensators C0 die selbe Spule L als induktives Bau
element verwendet wird.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Schaltungsanordnung zur Steuerung
mehrerer Stellglieder P1, P2, . . . Pn eingesetzt; es ist jedoch selbstverständlich auch
denkbar, die Schaltungsanordnung zur Steuerung eines einzelnen Stellglieds einzu
setzen.
Claims (12)
1. Verfahren zur Steuerung mindestens eines kapazitiven Stellglieds (P1, P2, . . . Pn),
das während eines Ladevorgangs durch wiederholtes Betätigen eines Ladeschalters
(SW1) über ein induktives Bauelement (L) geladen oder während eines Entladevor
gangs durch wiederholtes Betätigen eines Entladeschalters (SW2) über das induktive
Bauelement (L) entladen wird, wobei beim Ladevorgang Ladung aus einem Spei
cherkondensator (C0) entnommen wird und beim Entladevorgang Ladung dem Spei
cherkondensator (C0) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens
einem Zeitintervall eine Versorgungsgleichspannung (U0) bei deaktiviertem Stell
glied (P1) oder deaktivierten Stellgliedern (P1, P2, . . . Pn) an einen Anschluß (N0) des
induktiven Bauelements (L) angelegt wird und der Speicherkondensator (C0) über
das induktive Bauelement (L) durch wiederholtes Betätigen des Entladeschalters
(SW2) geladen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkondensa
tor (C0) in sich wiederholenden Zeitintervallen auf eine vorgegebene Betriebsspan
nung (UC) geladen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch das
Stellglied (P1) oder durch eines der Stellglieder (P1, P2, . . . Pn) führender Strompfad
zur Deaktivierung dieses Stellglieds unterbrochen wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Steuerung mehrerer Stellglieder (P1, P2, . . . Pn) höchstens eines der Stell
glieder gleichzeitig zum Laden oder Entladen aktiviert wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das Stellglied (P1) oder jedes der Stellglieder (P1, P2, . . . Pn) nur nach Beendigung
des Ladevorgangs oder Entladevorgangs zur Deaktivierung freigegeben wird.
6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorheri
gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (P1) oder jedes der
Stellglieder (P1, P2, . . . Pn) mit einem Ausgangsanschluß (N0) verbunden ist, wobei
der Ausgangsanschluß (N0) über das induktive Bauelement (L) mit einem Schal
tungsknoten (N3) verbunden ist, der Schaltungsknoten (N3) über den Ladeschalter
(SW1) und eine dazu parallel geschaltete erste Diode (D1) mit dem Speicherkon
densator (C0) verbunden ist sowie über den Entladeschalter (SW2) und eine dazu
parallel geschaltete zweite Diode (D2) mit einem Spannungsversorgungsanschluß
(N1) verbunden ist, und daß dem Stellglied (P1) zu dessen Aktivierung oder Deakti
vierung ein Auswahlschalter (S1) zugeordnet ist oder den Stellgliedern (P1, P2, . . .
Pn) zu deren Aktivierung oder Deaktivierung jeweils ein Auswahlschalter (S1, S2, . . .
Sn) zugeordnet ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes
Stellglied (P1, P2, . . . Pn) in einem den Ausgangsanschluß (N0) mit dem Spannungs
versorgungsanschluß (N1) verbindenden Stromzweig zum zugeordneten Auswahl
schalter (S1, S2, . . . Sn) in Reihe geschaltet ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß
eine über einen Versorgungsschalter (SW0) zuschaltbare Gleichspannungsquelle (V)
zum Anlegen der Versorgungsgleichspannung (U0) an den Ausgangsanschluß (N0)
vorgesehen ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeich
net, daß jedes Stellglied (P1, P2, . . . Pn) als piezoelektrisches Element ausgeführt ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeich
net, daß der Spannungsversorgungsanschluß (N1) auf einem Bezugspotential liegt.
11. Schaltungsanordnung nach einem dem Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß das induktive Bauelement (L) als Spule ausgebildet ist.
12. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 zur
Steuerung von Stellgliedern (P1, P2, . . . Pn) in Einspritzventilen zur Kraftstoffdi
rekteinspritzung in Brennkraftmaschinen.
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