-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuerschaltung für piezoelektrische
Stellglieder bzw. Piezoaktoren.
-
Bei
einem piezoelektrischen Stellglied bzw. Piezoaktor wird der bei
Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT) oder einem anderen piezoelektrischen
Material auftretende piezoelektrische Effekt ausgenutzt. Ein solcher
Piezoaktor dient z. B. bei einer Brennkraftmaschine zum Schalten
des Schaltventils eines Kraftstoffinjektors. Hierbei besitzt ein
Piezoaktor im wesentlichen einen Kondensatoraufbau, der im Prinzip
eine Schicht mit piezoelektrischen Eigenschaften und zwei Elektrodenschichten
umfasst, wobei die piezoelektrische Schicht aus einem piezoelektrischen
Material besteht und zwischen den Elektrodenschichten angeordnet
ist. Bei der Aufladung eines Piezoaktors erfolgt eine Expansion,
während
bei der Entladung eines Piezoaktors eine Kontraktion erfolgt. Ein
Piezoaktor umfasst meist einen Piezoelementstapel (vereinfacht als
Piezostapel bezeichnet), über
den nur bei seiner Expansion oder Kontraktion ein elektrischer Strom
fließt.
-
Eine
Piezoaktor-Ansteuerschaltung steuert einen Piezoaktor zur Aufladung
oder Entladung derart an, dass ein Expansion oder Kontraktion des
Piezoaktors erfolgen kann. Eine typische Piezoaktor-Ansteuerschaltung
umfasst einen ersten Stromkreis, einen zweiten Stromkreis, einen
Ladeschalter und einen Entladeschalter. Der erste Stromkreis verbindet eine
Stromversorgungseinrichtung und einen Piezoaktor über eine
Induktivität
bzw. Induktionsspule, während
der zweite Stromkreis die Induktionsspule und den Piezoaktor unter
Umgehung der Stromversorgungseinrichtung miteinander verbindet.
Der Ladeschalter wird von einem Stromregler gebildet, der den ersten
Stromkreis herstellt oder unterbricht, während der Entladeschalter den
zweiten Stromkreis herstellt oder unterbricht.
-
Wenn
der Piezoaktor zur Aufladung angesteuert wird, wird der Ladeschalter
wiederholt derart eingeschaltet und abgeschaltet, dass im Einschaltzustand
des Ladeschalters ein ansteigender Ladestrom über den ersten Stromkreis fließt und im
Abschaltzustand des Ladeschalters ein in Bezug auf den Spitzenstrom
abnehmender Ladestrom über
den zweiten Stromkreis fließt.
Der Piezoaktor wird hierbei mit Hilfe eines Abwärts-Zerhackersystems (Spannungsverringerungs-Zerhackersystems)
aufgeladen. Wenn der Piezoaktor zur Entladung angesteuert wird,
wird der Entladeschalter wiederholt derart eingeschaltet und abgeschaltet,
dass im Einschaltzustand des Entladeschalters ein ansteigender Entladestrom über den zweiten
Stromkreis fließt
und im Abschaltzustand des Entladeschalters ein in Bezug auf den
Spitzenstrom abnehmender Entladestrom über den ersten Stromkreis fließt.
-
Aus
der
JP 2002-136
156 A ist eine Piezoaktor-Ansteuerschaltung bekannt, die einen
Ladeschalter und eine Schalter-Steuereinrichtung zur Steuerung dieses
Schalters usw. umfasst. Wenn bei dieser Ansteuerschaltung die Ansteuerung
eines Piezoaktors zur Aufladung erfolgt, wird im Piezoaktor Energie gespeichert.
Die Schalter-Steuereinrichtung
ist hierbei derart eingestellt, dass die Einschaltperioden des Ladeschalters
gleichförmig
sind und dass die Aufladung endet, wenn nach dem Beginn der Ansteuerung eine
vorgegebene Zeitdauer vergangen ist. Auf diese Weise werden bei
der bekannten Ansteuerschaltung Schwankungen der in dem Piezoaktor
gespeicherten Energie verhindert, wenn sich die elektrostatische Kapazität des Piezoaktors
temperaturabhängig
verändert.
-
Diese
aus der
JP 2002-136
156 A bekannte Piezoaktor-Ansteuerschaltung erweist sich jedoch als
unzureichend, wenn ein mit einer solchen Schaltungsanordnung ausgestattetes
Kraftfahrzeug bei derart extremen Temperaturen eingesetzt wird,
dass eine übermäßige Änderung
der Kapazität
des Piezoaktors auftritt. Bei der Schaltungsanordnung des Abwärts-Zerhackersystems
wird die Ladegeschwindigkeit von der Differenz zwischen der von
der Spannungsquelle abgegebenen Spannung und der am Piezoaktor abfallenden
Spannung bestimmt. Wenn somit die Kapazität des Piezoaktors z. B. zu
niedrig ist, steigt die Spannung am Piezoaktor bereits im Anfangsabschnitt
der Aufladungsperiode beträchtlich an,
sodass dem Piezoaktor kein ausreichender Strom mehr zugeführt werden
kann.
-
Die
Druckschrift
DE 101
14 421 A1 beschreibt, dass ein kapazitives Stellglied,
insbesondere ein piezoelektrischer Aktuator, üblicherweise mit einem auf
einen konstanten mittleren Wert geregelten Steuerstrom solange geladen
bzw. entladen wird, bis am Stellglied eine vorgegebene Spannung
anliegt. Aus diesem Lade- bzw. Entladevorgang resultiert eine Hubbewegung
um einen vom Steuerstrom abhängigen
Hub. Dieses Verfahren soll die freie Vorgabe des Hubverlaufs ermöglichen.
Dies wird gemäß der Druckschrift
erreicht, indem eine von der Ladung des Stellglieds abhängige Größe als Regelgröße erfasst
wird, die vorzugsweise zusätzlich
auch vom Steuerstrom abhängig
ist, und indem die Regelgröße durch
Steuerung des Steuerstroms einer Führungsgröße nachgeregelt wird, deren
zeitlicher Verlauf derart vorgegeben wird, daß aus der Regelung der Regelgröße ein vorgegebener
zeitlicher Verlauf des Hubs resultiert.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Ansteuerschaltung
für Piezoaktoren anzugeben,
durch die eine zweckmäßige und
zuverlässige
Steuerung der Energiespeicherung in einem Piezoaktor gewährleistet
ist.
-
Diese
Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Piezoaktor-Ansteuerschaltung
wird eine von einer Stromversorgungseinrichtung gespeiste Entladung
je Zeiteinheit erfasst, die über
einen Bereich eines ersten Stromkreises erfolgt, der keinen Teil
eines zweiten Stromkreises bildet. Die Ansteuerschaltung setzt hierbei
einen Sollwert für
die Entladung fest. Bei der Ansteuerung eines Piezoaktors zu dessen
Aufladung wird ein Ladeschalter derart gesteuert, dass die erfasste
Entladung dem Sollwert entspricht. Der Ladeschalter wird dann abgeschaltet,
wenn nach dem Beginn der Ansteuerung des Piezoaktors eine vorgegebene Zeitdauer
vergangen ist.
-
Die
Einschaltdauer des Ladeschalters wird hierbei derart eingestellt,
dass die von der Stromversorgungseinrichtung gespeiste Entladung
je Zeiteinheit dem Sollwert entspricht. Auch bei Änderungen bzw.
Schwankungen der Kapazität
des Piezoaktors wird somit dem Piezoaktor ein ausreichender Strom zugeführt, sodass
eine korrekte Aufladung des Piezoaktors gewährleistet ist.
-
Da
sich bei der Aufladung die Spannung am Piezoaktor ändert, ist
eine genaue Ermittlung der Änderung
der im Piezoaktor gespeicherten Energie auf der Basis einer Entladung
je Zeiteinheit, die über
die gemeinsamen Bereiche der über
den Piezoaktor und zum Piezoaktor führenden beiden Stromkreise
erfolgt, mit Schwierigkeiten verbunden. Da jedoch die Ausgangsspannung
der Stromversorgungseinrichtung weitgehend konstant ist, kann die
Energieänderung
relativ einfach und genau auf der Basis der von der Stromversorgungseinrichtung
gespeisten Entladung je Zeiteinheit ermittelt werden. Auf diese
Weise kann der Piezoaktor genau auf einen Energie-Sollwert aufgeladen
werden, indem lediglich die Aufladungsansteuerung nach Ablauf der
vorgegebenen Zeitdauer beendet wird.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die zugehörigen
Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
-
1 ein
Schaltbild einer Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
2 ein
Steuerdiagramm, das Betrieb und Wirkungsweise der Piezoaktor-Ansteuerschaltung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
veranschaulicht,
-
3 ein
Schaltbild einer Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
4 eine
erste grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Wirkungsweise
der Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel,
-
5 eine
zweite grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Wirkungsweise
der Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel,
-
6 eine
dritte grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Wirkungsweise
der Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel,
-
7 eine
grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der
Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß einer
Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels,
-
8 eine
grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der
Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß einer
weiteren Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels,
-
9 ein
Schaltbild einer Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, und
-
10 ein
Steuerdiagramm, das Betrieb und Wirkungsweise der Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
veranschaulicht.
-
Erstes Ausführungsbeispiel
-
1 zeigt
eine Piezoaktor-Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines Piezoaktors 2,
der in jeweilige Kraftstoffinjektoren einer Brennkraftmaschine eingebaut
ist. Hierbei kann jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein solcher
Kraftstoffinjektor zugeordnet sein, wobei eine der Anzahl der Zylinder
entsprechende Anzahl von Piezoaktoren 2 in Parallelschaltung
vorgesehen ist. Die Brennkraftmaschine umfasst außerdem in
Reihenschaltung angeordnete Zylinderwählschalter, die jeweils einem
der Piezoaktoren 2 zugeordnet sind. Beim Einschalten eines
der Wählschalter
erfolgt eine selektive Ansteuerung des zugehörigen Piezoaktors, sodass über den
zugehörigen
Kraftstoffinjektor eine Kraftstoffeinspritzung in den entsprechenden
Zylinder erfolgen kann. Der Piezoaktor-Ansteuerschaltung wird ein
externes Ansteuersignal zur Bestimmung des Zeitpunkts des Beginns der
Aufladungsansteuerung und des Zeitpunkts des Beginns der Entladungsansteuerung
für den
Piezoaktor 2 zugeführt.
Dieses Ansteuersignal bestimmt die Ventil-Öffnungszeit
und die Ventil-Schließzeit
für den
Kraftstoffinjektor bzw. die Kraftstoffinjektoren. Die Zeitdauer
von der Ventil-Öffnungszeit
bis zu der Ventil-Schließzeit bestimmt
hierbei eine Kraftstoff-Einspritzperiode.
-
Eine
Stromversorgungseinrichtung 1 wird von einem Gleichspannungswandler
gebildet, der die Ausgangsspannung einer Fahrzeugbatterie 11 erhöht. Die
Batteriespannung kann hierbei 12 V betragen. Ein Pufferkondensator 12 mit
einer ausreichenden elektrostatischen Kapazität wird mit der erhöhten Spannung
aufgeladen und gibt eine Spannung ab, mit der die Aufladung des
Piezoaktors 2 erfolgen kann. Die Fahrzeugbatterie 11 und
der Pufferkondensator 12 sind über eine Verstärkungs-Induktionsspule 13 (Verstärkungsinduktivität) und eine
Diode 14 miteinander verbunden. Dem Pufferkondensator 12 und der
Diode 14 ist ein Schalter 15 parallel geschaltet, der
zur Aufladung des Pufferkondensators 12 ein- und abgeschaltet
werden kann. Die Diode 14 verhindert eine Entladung des
Pufferkondensators 12.
-
Ein
erster Stromkreis 31 verbindet den Pufferkondensator 12 über eine
Induktionsspule (Induktivität) 301 mit
dem Piezoaktor 2. Der Stromkreis 31 umfasst ein
erstes Schaltelement 4a, das in Reihe zwischen den Pufferkondensator 12 und
die Induktionsspule 301 geschaltet ist. Dieses Schaltelement 4a wird
von einem MOS-Feldeffekttransistor
gebildet, der eine erste parasitäre
Diode 41a umfasst. Die parasitäre Diode 41a ist hierbei
derart geschaltet, dass sie durch die am Pufferkondensator 12 anstehende Pufferkondensatorspannung
in Sperrrichtung vorgespannt wird.
-
Die
Induktionsspule 301 und der Piezoaktor 2 sind
miteinander über
einen zweiten Stromkreis 32 verbunden, der ein zweites
Schaltelement 4b aufweist, das mit einem zwischen der Induktionsspule 301 und
der ersten Schalteinrichtung 4a liegenden Verbindungspunkt
verbunden ist. Der zweite Stromkreis 32 bildet einen geschlossenen
Stromkreis, der die Stromversorgungseinrichtung 1 und das
erste Schaltelement 4a umgeht und über die Induktionsspule 301,
den Piezoaktor 2 und das zweite Schaltelement 4b führt. Das
zweite Schaltelement 4b wird hierbei von einem MOS-Feldeffekttransistor
gebildet, der eine zweite parasitäre Diode 41b aufweist.
Diese parasitäre
Diode 41b ist derart geschaltet, dass sie von der Pufferkondensatorspannung
in Sperrrichtung vorgespannt wird.
-
Den
Gate-Elektroden der Schaltelemente 4a und 4b werden
Steuersignale zugeführt,
durch die die Schaltelemente 4a und 4b zur Regelung
des dem Piezoaktor 2 zugeführten oder vom Piezoaktor 2 abgegebenen
Piezoaktorstroms durchgeschaltet und gesperrt werden. Das erste
Schaltelement 4a bildet hierbei einen Ladeschalter zur
Aufladungsansteuerung des Piezoaktors 2, während das
zweite Schaltelement 4b einen Entladeschalter zur Entladungsansteuerung
des Piezoaktors 2 bildet.
-
Ein
Widerstand 51 ist als Entladestromdetektor zwischen den
Pufferkondensator 12 und Masse geschaltet. Der Widerstand 51 besitzt
einen geringen Widerstandswert, der z. B. 0,01 Ω betragen kann. Der vom Pufferkondensator 12 abgegebene
und über den
ersten Stromkreis 31 fließende Pufferkondensatorstrom
wird auf der Basis der am Widerstand 51 abfallenden Spannung
ermittelt. Der Pufferkondensatorstrom stellt hierbei eine Entladung
je Zeiteinheit dar.
-
Eine
Mittelwertbildungsschaltung 52 umfasst einen Operationsverstärker 521,
einen Widerstand 522 und einen Kondensator 523.
Die am Widerstand 51 abfallende Spannung, die das Pufferkondensatorstrom-Messsignal
darstellt, wird dem Operationsverstärker 521 zugeführt. Der
Widerstand 522 und der Kondensator 523 bilden
Elemente eines Integrators zur Integration des Ausgangssignals des
Operationsverstärkers 521,
das dem Pufferkondensatorstrom proportional ist. Die sich als Ausgangssignal
des Integrators ergebende Spannung am Kondensator 523 stellt
dann das von der Mittelwertbildungsschaltung 52 abgegebene
Mittelwertsignal dar.
-
Dieses
Mittelwertsignal wird von einer Schalter-Steuerschaltung 7 zur Steuerung
des Ladeschalters 4a verwendet. Die Schalter-Steuerschaltung 7 steuert
sowohl den Ladeschalter 4a als auch den Entladeschalter 4b,
jedoch ist zur Vereinfachung der Beschreibung der zur Steuerung
des Entladeschalters 4b dienende Teil der Schalter-Steuerschaltung 7 nicht
dargestellt.
-
Der
zur Steuerung des Ladeschalters 4a dienende Teil der Schalter-Steuerschaltung 7 umfasst einen
Vergleicher 71, Widerstände 72 und 73,
ein UND-Glied 74 sowie eine monostabile Kippstufe 75. Das
Mittelwertsignal wird hierbei dem negativen Eingang des Vergleichers 71 zugeführt. Dem
positiven Eingang des Vergleichers 71 wird über den
Widerstand 72 das Ausgangssignal eines Bezugsspannungsgenerators 61 zugeführt, der
eine Sollwert-Ausgabeeinrichtung
darstellt. Der Bezugsspannungsgenerator 61 erzeugt hierbei
eine konstante Bezugsspannung. Der Widerstand 73 ist zwischen den
positiven Eingang und den Ausgang des Vergleichers 71 geschaltet.
Die Spannungseingabe in den positiven Eingang erfolgt durch die
Widerstände 72 und 73 mit
einer Hysterese.
-
Wenn
das Mittelwertsignal ausreichend niedrig ist, wird vom Vergleicher 71 ein
Ausgangssignal mit dem logischen Pegel 1 abgegeben. Überschreitet das
Mittelwertsignal jedoch einen oberen Schwellenwert, nimmt der logische
Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers 71 den Wert
0 an und die dem positiven Eingang zugeführte Spannung fällt auf
einen niedrigeren Schwellenwert ab, wodurch sich eine Hysterese
ergibt. Der obere Schwellenwert stellt die Summe aus der Bezugsspannung
und dem Hystereseverlust dar. Der untere Schwellenwert ist durch
die Subtraktion des Hystereseverlustes von der Bezugsspannung gegeben.
Wenn das Mittelwertsignal von einem über dem oberen Schwellenwert
liegenden Wert auf einen unter dem unteren Schwellenwert liegenden
Wert abfällt,
geht der logische Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers 71 auf
den Wert 1 über
und die dem positiven Eingang zugeführte Spannung steigt auf den
oberen Schwellenwert an.
-
Die
vom Vergleicher 71 und der monostabilen Kippstufe 75 abgegebenen
Signale werden dem UND-Glied 74 zugeführt, das ein Ausgangssignal
erzeugt, das einer Ansteuerschaltung 8 für den Ladeschalter 4a zugeführt wird.
Bei dem logischen Pegel 1 des Ausgangssignals des UND-Glieds 74 schaltet die
Ansteuerschaltung 8 den Ladeschalter 4a durch. Wenn
die monostabile Kippstufe 75 von der Anstiegsflanke des
externen Ansteuersignals gekippt wird, gibt sie einen Impuls mit
einer Dauer von 150 Mikrosekunden ab. Wenn somit das Ansteuersignal auf
den logischen Pegel 1 übergeht,
wird der Ladeschalter 4a in Abhängigkeit von dem Betrag des
Mittelwertsignals direkt nach dem Signalanstieg für 150 Mikrosekunden
durchgeschaltet und sodann gesperrt. Wenn die monostabile Kippstufe 75 keinen Impuls
abgibt, wird der Ladeschalter 4a im Sperrzustand gehalten.
Der von der monostabilen Kippstufe 75 abgegebene Impuls
bestimmt somit eine Ladeperiode, während der eine Aufladung des
Piezoaktors 2 erfolgt.
-
2 zeigt
ein Steuerdiagramm, das die Wirkungsweise der Piezoaktor-Ansteuerschaltung bei
der Aufladung des Piezoaktors 2 zur Expansion ausgehend
von einem Zustand veranschaulicht, bei dem der Ladeschalter 4a und
der Entladeschalter 4b abgeschaltet bzw. gesperrt sind,
die Piezoaktorspannung 0 Volt beträgt und im Piezoaktor 2 keine
Energie gespeichert ist. Beim Anstieg des Ansteuersignals auf den
logischen Pegel 1 wird die monostabile Kippstufe 75 gekippt,
die sodann einen Impuls zur Bestimmung der Ladeperiode abgibt, während der die
Aufladung des Piezoaktors 2 erfolgt. Das von der Mittelwertbildungsschaltung 52 abgegebene
Mittelwertsignal beträgt
zu diesem Zeitpunkt 0 Volt. Das Ausgangssignal des Vergleichers 71 besitzt
daher den logischen Pegel 1. Demzufolge wird der Ladeschalter 4a durchgeschaltet,
sodass die Aufladung des Piezoaktors 2 über den ersten Stromkreis 31 einsetzt.
Hierbei steigen der Pufferkondensatorstrom und der Piezoaktorstrom
beide an. Mit fortschreitender Aufladung steigt die Piezoaktorspannung
an, sodass die Ansteuerleistung ansteigt.
-
Hierbei
führt der über den
Widerstand 51 fließende
Pufferkondensatorstrom zu einem Anstieg des von der Mittelwertbildungsschaltung 52 erzeugten Mittelwertsignals.
Wenn das Mittelwertsignal dann den oberen Schwellenwert überschreitet,
geht der logische Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers 71 auf
den Wert 0 über,
sodass der Ladeschalter 4a abgeschaltet bzw. gesperrt wird.
Auf Grund der in der Induktionsspule 301 gespeicherten
Energie fließt
jedoch ein allmählich
abfallender ungesteuerter Strom (sogenannter Schwungradstrom) zum
Piezoaktor 2 über
den zweiten Stromkreis 32, der über die zweite parasitäre Diode 41b führt. Während dieser Schwungradstrom
zum Piezoaktor 2 fließt,
verringert sich allmählich
die Ansteuerleistung, sodass über den
Pufferkondensator 12 kein Strom mehr fließt. Der Pufferkondensator 12 ist
in einem Bereich des ersten Stromkreises 31 angeordnet,
der keinen Teil des zweiten Stromkreises 32 bildet. Auf
diese Weise setzt eine Entladung des Kondensators 523 der
Mittelwertbildungsschaltung 52 ein, sodass das Mittelwertsignal
allmählich
mit einer der Zeitkonstanten des Integrators entsprechenden Geschwindigkeit
abfällt.
-
Wenn
das Mittelwertsignal unter den unteren Schwellenwert abfällt, geht
der logische Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers 71 wieder
auf den Wert 1 über,
sodass der Ladeschalter 4a wieder durchgeschaltet wird.
Dieser Vorgang wiederholt sich, sodass das Mittelwertsignal im wesentlichen konstant
gehalten wird. Hierbei wird der mittlere Pufferkondensatorstrom
von der von dem Bezugsspannungsgenerator 61 abgegebenen
Bezugsspannung bestimmt, wobei der Bezugsspannungsgenerator 61 einen
Sollwert für
den mittleren Pufferkondensatorstrom während der Einschaltperioden
des Ladeschalters 4a abgibt.
-
Der
Pufferkondensatorstrom verändert
sich zwar während
des Einschaltzustands des Ladeschalters 4a, jedoch stellt
das Mittelwertsignal den mittleren Pufferkondensatorstrom dar. Wenn
somit das Mittelwertsignal im Bereich zwischen dem oberen und dem
unteren Schwellenwert liegt, ist der Pufferkondensatorstrom im wesentlichen
konstant. Die vom Pufferkondensator 12 zugeführte Ladung
steigt somit im wesentlichen direkt proportional zu der Zeit an,
die seit dem Beginn der Aufladung vergangen ist. Da die Pufferkondensatorspannung
relativ stabil ist, steigt somit die im Piezoaktor 2 gespeicherte
Energie im wesentlichen direkt proportional zu der Zeit an, die seit
dem mit der Zuführung
des Ansteuersignals einsetzenden Beginn der Aufladung verstrichen
ist. Die gespeicherte Energie ergibt sich hierbei aus dem Integrationswert
der vom Pufferkondensator 12 zugeführten Leistung.
-
Wenn
der von der monostabilen Kippstufe 75 abgegebene Impuls
endet, geht der logische Pegel des dem UND-Glied 74 zugeführten Signals
auf den Wert 0 über,
wodurch der Ladeschalter 4a abgeschaltet bzw. gesperrt
und die Aufladung des Piezoaktors 2 beendet wird.
-
Wie
vorstehend beschrieben, steigt die in dem Piezoaktor 2 gespeicherte
Energie direkt proportional zu der Einschaltdauer des Ansteuersignals an,
d. h., proportional zu der Zeit, die nach dem Beginn der Aufladung
vergeht.
-
Auch
wenn sich die Kapazität
des Piezoaktors 2 verändert,
erfolgt somit ein gleichmäßiger Aufladungsvorgang
zur Speicherung von Energie. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit
nach dem Beginn der Aufladung wird der Ladeschalter 4a abgeschaltet bzw.
gesperrt. Die zum Zeitpunkt der Abschaltung des Ladeschalters 4a und
damit bei Beendigung der Aufladung gespeicherte Energie kann somit
konstant gehalten werden.
-
Auf
diese Weise wird ein gleichmäßiger Aufladungsvorgang
des Piezoaktors 2 in Verbindung mit einem konstanten Wert
der abschließend
gespeicherten Energie erhalten. Hierdurch lassen sich Abweichungen
des Ausdehnungsverhaltens des Piezoaktors 2 gering halten,
sodass die Kraftstoff-Einspritzzeit,
die Kraftstoff-Einspritzmenge usw. konstant gehalten werden können.
-
Die
Einschaltperioden des Ladeschalters 4a sind derart vorgegeben,
dass der mittlere Pufferkondensatorstrom während dieser Perioden dem durch die
Bezugsspannung bestimmten Sollwert entspricht. Auch bei Änderungen
bzw. Schwankungen der Kapazität
des Piezoaktors 2 wird somit dem Piezoaktor 2 ein
ausreichender Strom zugeführt,
sodass eine korrekte Aufladung erfolgt.
-
Die Änderung
der im Piezoaktor 2 gespeicherten Energie lässt sich
als Produkt der Piezoaktorspannung und des Piezoaktorstroms ausdrücken, der über die
gemeinsamen Teile der Stromkreise 31 und 32 fließt, die über den
Piezoaktor 2 führen.
Eine genaue Ermittlung dieses Produkts ist allerdings mit Schwierigkeiten
verbunden, da sich die Piezoaktorspannung durch die Aufladung verändert. Die Änderung
der im Piezoaktor 2 gespeicherten Energie lässt sich
jedoch auch als Produkt des Pufferkondensatorstroms und der im wesentlichen
konstanten Pufferkondensatorspannung ausdrücken. Die Energieänderung
kann somit relativ leicht und genau ermittelt werden, indem diese Änderung
mit Hilfe der Entladung pro Zeiteinheit des Pufferkondensators 12 bestimmt
wird. Durch Ausnutzen des Umstands, dass die die Ansteuerleistung
bestimmende Pufferkondensatorspannung im wesentlichen konstant ist,
kann somit die Energieänderung
einfacher als Entladung pro Zeiteinheit mit Hilfe des Pufferkondensatorstroms bestimmt
werden.
-
Die
Entladungsansteuerung des Piezoaktors 2 umfasst das Durchschalten
und Sperren des Entladeschalters 4b. Im durchgeschalteten
Zustand des Entladeschalters 4b steigt der Entladestrom
allmählich
an und fließt über den
zweiten Stromkreis 32. Im Sperrzustand des Entladeschalters 4b fällt der
Entladestrom allmählich
vom Spitzenstromwert ab und fließt auf Grund des sogenannten
Schwungradeffektes über
den ersten Stromkreis 31. Dieser Vorgang wiederholt sich,
sodass die im Piezoaktor 2 gespeicherte Energie im Pufferkondensator 12 wiedergewonnen
wird.
-
Der
Entladeschalter 4b wird abgeschaltet bzw. gesperrt, wenn
der über
den Piezoaktor 2 fließende
Strom einen dem Spitzenstrom entsprechenden oberen Schwellenwert
erreicht. Der Entladeschalter 4b wird durchgeschaltet,
wenn der über
den Piezoaktor 2 fließende
Strom einen unteren Schwellenwert erreicht. In ähnlicher Weise wie bei der
Steuerung des Ladeschalters 4a kann somit der Entladeschalter 4b durchgeschaltet
und gesperrt werden, indem ein Messsignal des Entladestroms mit
der Bezugsspannung ± dem
Hystereseverlust mit Hilfe eines eine Hysterese aufweisenden Vergleichers
verglichen wird. Die Entladeperiode kann durch verschiedene bekannte
Maßnahmen
beendet werden. So kann z. B. die Piezoaktorspannung erfasst und das
Ende der Entladungsperiode auf den Zeitpunkt festgelegt werden,
bei dem die gemessene Spannung im wesentlichen auf den Wert 0 abgefallen
ist.
-
Zweites Ausführungsbeispiel
-
3 zeigt
eine Piezoaktor-Ansteuerschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Diese Piezoaktor-Ansteuerschaltung weist einen ähnlichen
Aufbau wie das erste Ausführungsbeispiel
auf, wobei gleiche Bezugszahlen in den 1 und 3 Bauelemente
mit gleicher Wirkungsweise bezeichnen.
-
Die
Piezoaktor-Ansteuerschaltung gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
umfasst zusätzlich
eine Spannungsdetektorschaltung 62 zur Ermittlung der Pufferkondensatorspannung,
die zwei Widerstände 621 und 622 sowie
einen Pufferverstärker 623 umfasst.
Die Widerstände 621 und 622 sind
zur Teilung der Pufferkondensatorspannung in Reihe zwischen den
positiven Anschluss des Pufferkondensators 12 und Masse
geschaltet. Hierbei weisen die Widerstände 621 und 622 jeweils
einen hohen Widerstandswert von z. B. 900 kΩ bzw. 100 kΩ auf. Die geteilte Spannung
wird dem Pufferverstärker 623 zugeführt, der ein
Spannungsmesssignal abgibt. Die Piezoaktor-Ansteuerschaltung gemäß 3 umfasst
außerdem
eine Bezugsspannungs-Korrekturschaltung 63 zur Sollwertkorrektur,
die das Ausgangssignal des Pufferverstärkers 623 zur Korrektur
der Bezugsspannung verwendet.
-
Die
Bezugsspannungs-Korrekturschaltung 63 umfasst einen Operationsverstärker 631 und
drei Widerstände 632, 633 und 634,
wobei die vom Bezugsspannungsgenerator 61 abgegebene Bezugsspannung über den
ersten Widerstand 632 dem positiven Eingang des Operationsverstärkers 631 zugeführt wird.
Das von der Spannungsdetektorschaltung 62 abgegebene Spannungsmesssignal
wird über den
zweiten Widerstand 633 dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 631 zugeführt. Der
dritte Widerstand 634 ist zur Erzielung einer Gegenkopplung
zwischen den negativen Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers 631 geschaltet.
Der Operationsverstärker 631 gibt
ein Stromsteuersignal ab, das als Bezugsspannungs-Eingangssignal über den
Widerstand 72 dem positiven Eingang des Vergleichers 71 zugeführt wird.
Dieses Stromsteuersignal wird dahingehend korrigiert, dass es entsprechend
dem Spannungsmesssignal kleiner als die vom Bezugsspannungsgenerator 61 abgegebene Bezugsspannung
ist. Die Empfindlichkeit der Gegenkopplung wird hierbei vom Widerstandsverhältnis zwischen
den Widerständen 633 und 634 bestimmt.
-
Beim
Anstieg der Pufferkondensatorspannung steigt auch der Gegenkopplungsbetrag
des Operationsverstärkers 631 an,
sodass das Stromsteuersignal, das der Vergleicher 71 mit
dem Mittelwertsignal vergleicht, abfällt und sich der über den Pufferkondensator 12 fließende mittlere
Strom verringert. Wenn die Pufferkondensatorspannung abfällt, verringert
sich der Gegenkopplungsbetrag, sodass sich das Stromsteuersignal
der vom Bezugsspannungsgenerator 61 abgegebenen Bezugsspannung annähert und
der über
den Pufferkondensator 12 fließende mittlere Strom ein wenig
höher eingestellt wird.
-
Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
der Piezoaktor-Ansteuerschaltung ändert sich
die bis zum Ende der Aufladungsperiode gespeicherte Energie (der
Sollenergiewert) mit der Pufferkondensatorspannung. Die gemessene Änderung
der gespeicherten Energie ist in 4 veranschaulicht.
Der Sollenergiewert steigt und fällt
mit der Pufferkondensatorspannung, da die vom Pufferkondensator 12 abgegebene
Ansteuerleistung der Pufferkondensatorspannung proportional ist.
Die in Abhängigkeit
von der Bezugsspannung erfolgende und gemessene Änderung der gespeicherten Energie
ist in 5 veranschaulicht, der zu entnehmen ist, dass
die gespeicherte Energie mit fallender Bezugsspannung abnimmt. Dies
beruht auf dem Umstand, dass sich bei abfallender Bezugsspannung
der Abschaltzeitpunkt des Ladeschalters 4a derart verändert, dass
das Mittelwertsignal abfällt
und der mittlere Pufferkondensatorstrom abnimmt.
-
Bei
dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Piezoaktor-Ansteuerschaltung
wird durch die Spannungsdetektorschaltung 62 und die Bezugsspannungs-Korrekturschaltung 63 eine
Gegenkopplungscharakteristik erhalten, durch die sich beim Anstieg der
Pufferkondensatorspannung (Stromversorgungsspannung) der vom Betrag
des Stromsteuersignals bestimmte Stromsteuerwert in der in 6 veranschaulichten
Weise verringert. Auf diese Weise wird der Stromsteuerwert automatisch
in Abhängigkeit von
der Pufferkondensatorspannung gesteuert, was einen weiteren Ausgleich
des Aufladungsvorgangs und damit eine Verringerung der Energieverluste
bei der Beendigung der Aufladung ermöglicht.
-
Wie
vorstehend beschrieben, kann der mittlere Pufferkondensatorstrom
durch Änderung
des Stromsteuerwertes verändert
werden. Die Energiespeicherung kann somit mit Hilfe der Bezugsspannungsvariablen
eingestellt werden. Bei einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem übt z. B.
der Injektor einen Common-Rail-(Kraftstoff-)Druck in einer Richtung
auf das Ventilelement und/oder das Bauteil zum Schalten des Injektors
aus. Bei diesem System ist der Piezoaktor derart angeordnet, dass
er bei seiner Aufladungsansteuerung in der entgegengesetzten Richtung wirkt.
Das Ventilelement usw. wird durch Umschaltung zwischen der Aufladungsansteuerung und
Entladungsansteuerung des Piezoaktors hin- und herbewegt. Der Common-Rail-Druck
wird in Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen eingestellt, sodass der Kraftstoff-Einspritzdruck eingestellt
werden kann. Durch den Common-Rail-Druck
verändern sich
jedoch die Betriebseigenschaften des Piezoaktors. Durch Änderung
der Bezugsspannung in Abhängigkeit
von dem Common-Rail-Druck kann daher der Einfluss dieses Drucks
zur Erzielung einer gleichmäßigen Bewegung
des Ventilelements aufgehoben werden. 7 zeigt
ein Beispiel für
die Beziehung zwischen der Bezugsspannung und der gespeicherten
Energie.
-
Da
die Bezugsspannung und die Dauer des von der monostabilen Kippstufe 75 abgegebenen
Impulses variabel sind, kann der Aufladungsvorgang dahingehend verändert werden,
dass die gespeicherte Energie im wesentlichen konstant ist. 8 zeigt
ein Beispiel für
einen Aufladungsvorgang, bei dem die Bezugsspannung und die Impulsdauer
(Aufladungsperiode) verändert
werden. In Bezug auf die gespeicherte Energie ist in 8 über der
Abszisse die Zeit nach dem Beginn der Aufladung aufgetragen, wobei
die jeweiligen Kurven Profile der gespeicherten Energie innerhalb
der Aufladungsperiode darstellen. In Bezug auf die Bezugsspannung
ist über
der Abszisse die Aufladungsperiode aufgetragen, wobei die Kurve
die Beziehung zwischen der Aufladungsperiode und der Bezugsspannung
darstellt. Die Bezugsspannung und die Aufladungsperiode sind derart
vorgegeben, dass ihr Produkt im wesentlichen konstant ist. Demzufolge
kann die während
der Aufladungsperiode gespeicherte Energie konstant sein und sich
der Aufladungsvorgang verändern.
Wenn hierbei die Referenzspannung niedrig und die Aufladungsperiode
lang sind, erfolgt die Energiespeicherung mit geringer Geschwindigkeit,
sodass eine langsame Expansion des Piezoaktors 2 erfolgt.
Dies ermöglicht
eine Steuerung der Einspritzrate eines Kraftstoff-Einspritzsystems
und damit eine dem jeweiligen Betriebszustand entsprechende optimale Kraftstoff-Einspritzung.
-
Die
Bezugsspannung und die Impulsdauer können entweder schrittweise
oder kontinuierlich verändert
werden. Wenn die Bezugsspannung und die Aufladungsperiode derart
eingestellt bzw. vorgegeben werden, dass ihr Produkt im wesentlichen
konstant ist, kann auch das Alterungsprofil (alterungsbedingte bzw.
alterungsabhängige
Profil) der Energie dahingehend verändert werden, dass die gespeicherte
Energie konstant bleibt.
-
Drittes Ausführungsbeispiel
-
9 zeigt
eine weitere Piezoaktor-Ansteuerschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, die ebenfalls einen ähnlichen Aufbau wie das erste
Ausführungsbeispiel
aufweist, wobei gleiche Bezugszahlen in den 1 und 9 Bauelemente
mit der gleichen Wirkungsweise bezeichnen.
-
Die
Piezoaktor-Ansteuerschaltung gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
umfasst anstelle der Bezugsspannungs-Generatorschaltung 61 gemäß 1 eine
variable bzw. einstellbare Bezugsspannungs-Generatorschaltung 61A,
die durch den Übergang
des Ansteuersignals auf den logischen Pegel 1 angesteuert
wird. Durch diese Ansteuerung leitet die Bezugsspannungs-Generatorschaltung 61A eine erste
(Anfangs-)Aufladungsperiode ein, der eine mittlere Aufladungsperiode
folgt, an die sich sodann eine letzte End-Aufladungsperiode anschließt. Die
Bezugsspannungs-Generatorschaltung 61A gibt
hierbei eine erste Bezugsspannung und eine über der ersten Bezugsspannung
liegende zweite Bezugsspannung ab. Die erste Bezugsspannung wird
während
der ersten und der letzten Aufladungsperiode abgegeben, während die
zweite Bezugsspannung während
der mittleren Aufladungsperiode abgegeben wird.
-
10 zeigt
ein Steuerdiagramm, das die Wirkungsweise dieser Piezoaktor-Ansteuerschaltung während der
Aufladung und Expansion des Piezoaktors 2 veranschaulicht.
Diese Wirkungsweise entspricht im Prinzip der Wirkungsweise des
ersten Ausführungsbeispiels.
Während
der Anfangsaufladungsperiode wird der Pufferkondensatorstrom mit
Hilfe der ersten Bezugsspannung gesteuert, sodass die im Piezoaktor 2 gespeicherte
Energie langsam ansteigt. Während
der mittleren Aufladungsperiode wird mit Hilfe der zweiten Bezugsspannung
ein schnellerer Anstieg der im Piezoaktor 2 gespeicherten
Energie herbeigeführt.
Während
der letzten Aufladungsperiode wird mit Hilfe der ersten Bezugsspannung
wieder ein langsamer Anstieg der im Piezoaktor 2 gespeicherten
Energie bis zum Erreichen einer Konvergenz mit dem Sollenergiewert
herbeigeführt.
-
Die
Referenzspannungs-Generatorschaltung 61A gibt bei diesem
Ausführungsbeispiel
zwar nur zwei verschiedene Bezugsspannungen ab, jedoch kann auch
die Abgabe von drei oder mehr verschiedenen Bezugsspannungen oder
die Abgabe einer kontinuierlich variablen Bezugsspannung in Betracht
gezogen werden. Die Bezugsspannungs-Generatorschaltung 61A gibt
die höhere
Bezugsspannung zwar nur während
der mittleren Aufladungsperiode ab, jedoch kann auch die Abgabe
von geeigneten Bezugsspannungsmustern je nach den geforderten Betriebseigenschaften
in Betracht gezogen werden.
-
Obwohl
bei den vorstehend beschriebenen drei Piezoaktor-Ansteuerschaltungen das Messsignal des
Pufferkondensatorstroms jeweils in die Mittelwertbildungsschaltung 52 eingegeben
wird, kann bei jeder dieser Ansteuerschaltungen auch ein Multiplizierglied
zur Berechnung der Ansteuerleistung durch Multiplikation des Strommesssignals
des Pufferkondensatorstroms mit dem Spannungsmesssignal der Pufferkondensatorspannung
vorgesehen werden. Das die berechnete Ansteuerleistung bezeichnende Ausgangssignal
kann dann als die Entladung je Zeiteinheit des zugehörigen Pufferkondensators 12 in
die zugehörige
Mittelwertbildungsschaltung 52 eingegeben werden. Auf diese
Weise lassen sich wie im Falle des zweiten Ausführungsbeispiels die Auswirkungen von
Schwankungen der Pufferkondensatorspannung unterdrücken, sodass
die in dem zugehörigen
Piezoaktor 2 gespeicherte Energie mit höherer Genauigkeit konstant
gehalten werden kann.
-
Bei
den drei vorstehend beschriebenen Piezoaktor-Ansteuerschaltungen wird die Batteriespannung
jeweils von dem Gleichspannungswandler erhöht und der zugehörige Pufferkondensator 12 von der
erhöhten
Spannung aufgeladen. Alternativ kann der zugehörige Piezoaktor 2 jedoch
auch direkt von dem mit der Batteriespannung aufgeladenen Pufferkondensator 12 angesteuert
werden.
-
Wie
vorstehend beschrieben, umfasst die erfindungsgemäße Piezoaktor-Ansteuerschaltung
einen ersten Stromkreis (31) und einen zweiten Stromkreis
(32). Im Einschaltzustand eines Schalters (4a) wird
ein Piezoaktor (2) von einem Kondensator (12) über den
ersten Stromkreis (31) aufgeladen. Im Abschaltzustand des
Schalters (4a) wird der Piezoaktor (2) über den
zweiten Stromkreis (32) aufgeladen. Ein Stromdetektor (51)
erfasst den Strom, der vom Kondensator (12) über einen
Bereich des ersten Stromkreises (31) fließt, der
keinen Teil des zweiten Stromkreises (32) bildet. Eine
Schalter-Steuereinrichtung (7) steuert den Schalter (4a)
derart, dass der erfasste Strom einen Sollwert für eine vorgegebene Aufladungsperiode
darstellt. Auf diese Weise kann eine einfache und genaue Energieeinstellung
durch Ermittlung der Entladung des Kondensators (12) erfolgen,
bei der nur geringe Spannungsschwankungen auftreten.