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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer
kapazitiven Last, insbesondere eines piezoelektrischen Aktors für ein Einspritzventil
einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines
solchen Ansteuerverfahrens.
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Insbesondere
die in letzter Zeit strenger gewordenen Abgasnormen für Motoren
haben in der Kraftfahrzeugindustrie die Entwicklung von Kraftstoffinjektoren
mit schnell und verzögerungsfrei
ansprechenden Stellgliedern bzw. Aktoren ausgelöst. Bei der praktischen Realisierung
derartiger Stellglieder haben sich insbesondere piezoelektrische
Elemente (kurz: Piezoaktoren) als vorteilhaft erwiesen. Derartige
Piezoelemente sind üblicherweise
als ein Stapel von Piezokeramikscheiben zusammengesetzt, die über eine
elektrische Parallelschaltung betrieben werden, um die für einen
ausreichenden Hub notwendigen elektrischen Feldstärken erreichen
zu können.
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Beim
Ansteuern einer kapazitiven Last wie eines Piezoaktors, der zur
Betätigung
eines Einspritzventils Verwendung findet, d. h. beim Aufladen und
Entladen der kapazitiven Last mittels eines elektrischen Laststroms,
werden erhebliche Anforderungen an die Ansteuerelektronik gestellt.
Ein mittels eines Piezoaktors betätigtes Einspritzventil wird
in Brennkraftmaschinen zum Einspritzen von Kraftstoff (z. B. Benzin,
Diesel etc.) in einen Brennraum eingesetzt. Hierbei werden sehr
hohe Anforderungen an ein exaktes und reproduzierbares Öffnen und
Schließen
des Ventils und damit auch an die Ansteuerelektronik gestellt. So
müssen
dabei Spannungen im Bereich von bis zu mehreren 100 V und kurzzeitig
Lastströme
zum Laden und Entladen von mehr als 10 A bereitgestellt werden.
Die Ansteuerung erfolgt meist in Bruchteilen von Millisekunden.
Gleichzeitig sollte während
dieser Ladevorgänge
und Entladevorgänge der
Strom und die Spannung dem Stellglied möglichst kontrolliert zugeführt werden.
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Aus
der
DE 199 44 733
A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors bekannt,
bei welcher der Aktor von einem Ladekondensator über einen Transformator geladen
wird. Hierzu wird ein auf der Primärseite des Transformators angeordneter
Ladeschalter mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal angesteuert.
Der Ladeschalter, wie auch ein Entladeschalter sind dort als steuerbare
Halbleiterschalter ausgeführt.
Dem Piezoaktor werden beim Laden und Entladen vorgegebene Energiepakete
zugeführt
bzw. entnommen. Die bekannte Anordnung basiert auf dem Prinzip eines "bidirektionalen Sperrwandlers" und ermöglicht eine exakte
Zumessung von Energieportionen beim Laden und Entladen des Piezoaktors.
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In
der
DE 198 14 594
A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen
eines einzigen piezoelektrischen Elements beschrieben. Diese bekannte
Ansteuerschaltung basiert auf einer Halbbrücken-Endstufe, die über eine
Induktivität
(Drossel) das Piezoelement ansteuert, wobei diese Drossel in erster
Linie dazu dient, den beim Laden auftretenden Ladestrom und den
beim Entladen auftretenden Entladestrom zu begrenzen.
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Das
Laden und Entladen erfolgt getaktet, d. h. unter wiederholtem Öffnen und
Schließen
eines Ladeschalters während
des Ladens bzw. eines Entladeschalters während des Entladens. Dies ermöglicht wieder
eine exakte Zumessung von Energieportionen beim Laden und Entladen
des Piezoaktors.
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Aus
der
DE 199 52 950
A1 ist eine Ansteuereinheit für einen Piezoaktor bekannt,
bei welcher der Piezoaktor von einer als "Fly-Back-Konverter" ausgebildeten Endstufe angesteuert
wird. Der hierbei verwendete Fly-Back-Konverter mit einem Transformator
ermöglicht,
die bei einem Ladevorgang eingespeiste elektrische Energie beim
Entladen größtenteils
zurückzugewinnen,
im Konverter zwischenzuspeichern und beim nachfolgenden Ladevorgang wiederzuverwenden.
Zum Laden des Piezoaktors wird ein in Reihe zur Primärseite des
Transformators angeordneter Ladeschalter intermittierend betrieben. Bei
geschlossenem Ladeschalter wird der primärseitig fließende Strom
mit einem Referenzstromwert verglichen. Wenn der Primärstrom den
Referenzstromwert erreicht, so wird der Ladeschalter wieder geöffnet. Dieser
Vorgang wiederholt sich mehrmals, so dass jeder Ladevorgang durch
zeitlich aufeinanderfolgende (sekundärseitige) Teilladestrompulse entsprechend
zeitlich aufeinanderfolgenden Teilladeleistungspulsen bewerkstelligt
wird. Das zeitliche Integral jedes sekundärseitigen Teilladeleistungspulses
stellt einen Energiepuls auf der Sekundärseite des Transformators dar,
dessen Wert durch den aktuellen Referenzstromwert definiert wird.
In einer ersten Ausführungsform
(
2) wird der Referenzstromwert
während
des Ladevorgangs auf einen konstanten Wert festgelegt, so dass auf
der Sekundärseite
zeitlich aufeinanderfolgende Pulse konstanter Energie zum Aufladen
des Piezoaktors erzeugt werden. In einer weiteren Ausführungsform
(
3) wird der Ladevorgang
mit einem relativ großen
Energiepuls begonnen, dem sukzessive kleiner werdende Energiepulse
nachfolgen. In einer noch weiteren Ausführungsform (
4)
wird ein im Wesentlichen cosinusförmiger Verlauf des Referenzstromwerts vorgegeben.
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Problematisch
ist beim vergleichsweise raschen Ansteuern der kapazitiven Last,
wie es insbesondere z. B. für
die Betätigung
eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine erforderlich ist,
die Gefahr eines Nachschwingens des Aktors auf Grund von mechanischen
und/oder elektrischen Resonanzen am Ende jedes Lade- bzw. Entladevorgangs.
Bei der Ansteuerung eines Aktors dergestalt, dass nach einer Ladephase
eine Haltephase und schließlich
eine Entladephase folgt, kann es z. B. zu einem Nachschwingen in
der Haltephase und/oder zu Unstetigkeiten beim Aktivieren bzw. Deaktivieren
des Aktors kommen. Dies umso mehr, je rascher die durch eine getaktete
Bestromung bewirkten Lade- und Entladevorgänge stattfinden. Außerdem besitzen
viele kapazitive Lasten in der Praxis eine veränderliche Großsignalkapazität bzw. Nicht-Linearitäten, was
einen besonders gut definierten Verlauf des Energieeintrags bzw.
Energieaustrags erschwert und die oben erwähnten Schwing- bzw. Nachschwingeffekte
tendenziell vergrößert und
verkompliziert. Wenn es sich bei der kapazitiven Last um einen Piezostapel
handelt, so kommen neben den Nicht-Linearitäten in der Praxis Polarisationsverluste,
Kriecheffekte etc. hinzu. Bei der Ansteuerung eines Aktors für ein Einspritzventil
einer Brennkraftmaschine kommen schließlich noch Einflüsse der Übertragungsfunktionen
von weiteren Koppelelementen (z. B. hydraulische Umsetzer, hydraulische
Spielausgleiche, Hebel, Koppelstangen etc.) hinzu.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei denen die
Neigung zum Nachschwingen der angesteuerten Last vermindert ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einem Verfahren nach Anspruch 1 bzw. einer Vorrichtung nach
Anspruch 14. Die abhängigen
Ansprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Einhüllende
der Teilladeleistungspulse beim Ladevorgang in einer Anfangsphase
streng monoton ansteigt und die Steigung der Einhüllenden
hierbei monoton abfällt.
Eine wesentliche Besonderheit dieser Anfangsphase der "Leistungskurve" besteht darin, dass
die Vorzeichen einerseits der zeitlichen Veränderung und andererseits der
zeitlichen Veränderung der
Steigung einander entgegengesetzt sind.
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Es
hat sich herausgestellt, dass eine derart geformte Anstiegsflanke
der Leistungskurve (Einhüllende)
am Anfang des getakteten Ladevorgangs die Neigung zum Nachschwingen
erheblich reduziert. Darüber
hinaus verbessert sich auch die Gleichmäßigkeit des Energieeintrags
beim Ladevorgang.
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Zur
schaltungstechnischen Realisierung des erfindungsgemäßen Verlaufs
der Leistungskurve eignen sich prinzipiell an sich bekannte Schaltungskonzepte,
bei denen eine entsprechende Endstufe zur Erzeugung des Laststroms
getaktet betrieben wird. In derartigen Endstufen bzw. Schaltwandlern
werden zumeist induktive Elemente benutzt, um die kapazitive Last
kontrolliert aufzuladen (z. B. Fly-Back-, Buck-Boost- oder SEPIC-Konverter).
Der Ladevorgang setzt sich dabei aus einer Vielzahl von einzelnen
Teilladevorgängen
zusammen, wobei jeder Teilladevorgang einen zur Last fließenden Teilladestrompuls
bzw. einen zur Last übertragenen
Teilladeleistungspuls darstellt. Bei dem erfindungsgemäßen Betrieb
einer solchen Endstufe variiert die transferierte Energie der einzelnen
Teilladeleistungspulse in der Anfangsphase jedes Ladevorgangs in
der oben beschriebenen Weise.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Einhüllende
der Teilladeleistungspulse beim Ladevorgang in einer Endphase streng
monoton abfällt
und die Steigung der Einhüllenden
hierbei monoton ansteigt. In diesem Fall besitzt die Einhüllende der
Teilladeleistungspulse insgesamt (über Anfangs- und Endpulse betrachtet) etwa
die Form einer Haifischflosse. Damit können die oben erwähnten nachteiligen
Effekte weiter reduziert werden. Dies beruht darauf, dass dann auch
für die Endphase
des Ladevorgangs ein zeitlicher Verlauf der Einhüllenden vorliegt, bei welchem
die zeitliche Veränderung
und die zeitliche Veränderung
der Steigung stetig sind und umgekehrte Vorzeichen besitzen.
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Die
Endphase kann hierbei der Anfangsphase des Ladevorgangs unmittelbar
nachfolgen. Alternativ kann zwischen dem Ende der Anfangsphase und
dem Beginn der Endphase eine weitere Phase vorgesehen sein, in welcher
die Steigung der Einhüllenden
bevorzugt konstant ist. Eine solche konstante Steigung kann z. B.
den Wert 0 besitzen oder einen Wert, welcher der Steigung am Ende
der Anfangsphase entspricht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind für
den Ladevorgang mehr als zehn Teilladestrompulse (und dementsprechend
mehr als zehn Teilladeleistungspulse) vorgesehen. Bevorzugt entfallen
wenigstens 30% dieser Pulse auf die Anfangsphase des Ladevorgangs.
Bei Vorsehen der oben erwähnten Endphase
entfallen ebenfalls wenigstens 30% der Pulse auf diese Endphase.
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Bevorzugt
unterliegen die einzelnen Teilladestrompulse bzw. Teilladeleistungspulse
einem periodischen Raster, d. h. folgen im Zeitverlauf periodisch aufeinander.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Laststrom beim Ladevorgang durch Glättung von
sekundärseitig
an einem Transformator induzierten Teilladestrompulsen bzw. Teilladeleistungspulsen
für die
kapazitive Last bereitgestellt wird. Hierbei ist weiter bevorzugt,
dass zu diesem Zweck die Primärseite
des Transformators mit einem getakteten Primärstrom beaufschlagt wird und
dieser Primärstrom
jeweils zwischen Primärstrompulsen
stark absinkt, z. B. im Wesentlichen auf 0 absinkt oder z. B. auf
einen Wert im Bereich von +/–10%
des vorangegangenen Strommaximums im Primärstrom absinkt.
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Im
Hinblick auf die zu vermindernde Nachschwingneigung hat es sich
als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Steigung der Einhüllenden
in der Anfangsphase des Ladevorgangs um mindestens einen Faktor
2 abfällt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
wird ein Maximum der Einhüllenden
während
des Ladevorgangs zu einem Zeitpunkt erreicht, der 30% bis 70% der
Dauer des Ladevorgangs vom Beginn des Ladevorgangs entfernt ist.
Damit wird ein gewisser Mindestabstand des Maximums der "Leistungskurve" sowohl vom Beginn
als auch vom Ende des Ladevorgangs sichergestellt, womit ein extrem
rascher Anstieg auf das Maximum bzw. ein extrem rascher Abfall nach
dem Maximum vermieden werden kann, insbesondere wenn auch für die Endphase
der Verlauf der Einhüllenden
vorgesehen ist, bei welchem die Änderung
im Wert der Einhüllenden
und die Änderung
in der Steigung der Einhüllenden
umgekehrtes Vorzeichen besitzen.
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In
der Praxis ist es oftmals erwünscht,
die Gesamtladeener gie, d. h. die bei einem Ladevorgang in die Last
eingespeicherte Energie, einzustellen. Bei der Erfindung haben sich
hierfür
zwei Möglichkeiten als
besonders vorteilhaft herausgestellt. Zum einen kann vorgesehen
sein, dass der Betrag eines während
des Ladevorgangs erreichten Maximums der Einhüllenden betriebsmäßig variierbar
ist. Zum anderen kann, alternativ oder zusätzlich, derjenige Zeitpunkt
betriebsmäßig variierbar
sein, zu welchem ein Maximum der Einhüllenden während des Ladevorgangs erreicht
wird. In beiden Fällen
kann das Maximum der Einhüllenden
beispielsweise am Ende der Anfangsphase des Ladevorgangs erreicht
werden.
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Der
gemäß der Erfindung
vorgesehene besondere Anstieg der Einhüllenden in der Anfangsphase
des Ladevorgangs kann beispielsweise im Wesentlichen exponentiell
vorgesehen sein. Ein solcher im Wesentlichen exponentieller Verlauf
eignet sich auch zur Realisierung der oben beschriebenen Endphase
des Ladevorgangs (dann jedoch abfallend statt ansteigend). In einer
Ausführungsform
besitzt die Einhüllende
sowohl in der Anfangsphase des Ladevorgangs als auch in der Endphase
des Ladevorgangs einen im Wesentlichen exponentiellen Verlauf. Wie
es unten noch erläutert
wird, besitzen exponentielle Teilverläufe der Einhüllenden
auch den praktischen Vorteil einer schaltungstechnisch einfachen Realisierbarkeit.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Entladevorgang
durch zeitlich aufeinanderfolgende Teilentladestrompulse entsprechend
zeitlich aufeinanderfolgenden Teilentladeleistungspulsen bewerkstelligt
wird, wobei die Einhüllende
der Teilentladeleistungspulse beim Entladevorgang in einer Anfangsphase
streng monoton abfällt und
die Steigung der Einhüllenden
hierbei monoton ansteigt.
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Dies
bedeutet, dass die Anfangsphase des Entladevorgangs eine Qualität (Verlauf
der Leistungskurve) besitzt, welche der Anfangsphase des Ladevorgangs
entspricht, nämlich
mit einem betragsmäßigen streng
monotonen Anstieg der Einhüllenden
bei gleichzeitig betragsmäßig absinkender
Steigung. Es ist verständlich,
dass durch diese Weiterbildung der Erfindung die für den Ladevorgang
beschriebenen Vorteile sich auch auf die Entladephase übertragen
lassen, da das Entladen der Last gewissermaßen der dem Laden entgegengesetzte
(umgekehrte) Vorgang ist. In der Praxis ist jedoch der Ladevorgang
bzw. eine Reduktion von Diskontinuitäten bzw. Schwingung beim und
unmittelbar nach dem Ladevorgang oftmals von größerer Relevanz. Dies beispielsweise
dann, wenn es sich bei der kapazitiven Last um den Aktor eines Einspritzventils
einer Brennkraftmaschine handelt. In diesem Fall ist z. B. ein Nachschwingen
des Aktors nach der Ladephase (also z. B. in einer mehr oder weniger
andauernden Haltephase des Aktors) sehr problematisch, wenn es im Rahmen
einer Einspritzmengenregelung darum geht, den tatsächlichen
Verlauf des Einspritzventilhubs zu ermitteln (z. B. zu detektieren),
insbesondere die Zeitpunkte des Erreichens der Vollöffnung und
des Beginns des Ventilschließvorgangs
(am Ende der Haltephase). Insbesondere Schwingungen des Aktorhubs
in der Haltephase können
die Aussagekraft einer solchen Istwerterfassung erheblich schmälern. Demgegenüber spielt
in der Praxis ein Nachschwingen am Ende des Entladevorgangs eine
untergeordnete Rolle, da zu diesem Zeitpunkt das Einspritzventil geschlossen
wird und auch bei einem Nachschwingen des Aktorhubs (mit nicht allzu
großer
Amplitude) geschlossen bleibt. Anders ausgedrückt sind bei einem aktorbetätigten Kraftstoffeinspritzventil
unkontrollierbare bzw. nicht gut definierte Schwingungen umso problematischer,
je größer der
aktuelle Aktorhub bzw. Einspritzventilhub (bzw. Steuerventilhub
bei einem Servoventil) ist.
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Wenngleich
also der Entladevorgang bei der Lastansteuerung im speziellen Fall
der Ansteuerung eines Einspritzventilaktors geringere Relevanz besitzt,
so können
alle oben für
den Ladevorgang beschriebenen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen
ganz allgemein auch für
den Entladevorgang zur weiteren Verbesserung der Ansteuerung herangezogen
werden.
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Die
Einhüllende
der Teilentladeleistungspulse kann gewissermaßen im Wesentlichen eine "punktsymmetrische
Version" der Einhüllenden
der Teilladeleistungspulse sein, wobei sich (unter Berücksichtigung
des "umgekehrten
Vorzeichens beim Entladen")
sämtliche
in den Ansprüchen
2 bis 11 beschriebenen Weiterbildungsaspekte realisieren lassen.
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So
kann beispielsweise die Einhüllende
der Teilentladeleistungspulse beim Entladevorgang in einer Endphase
streng monoton ansteigen und die Steigung der Einhüllenden
hierbei monoton abfallen (vgl. Anspruch 2).
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Eine
besonders bevorzugte Verwendung der Erfindung ist die Ansteuerung
eines Piezoaktors für ein
Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit einer
Kraftstoffeinspritzung während
eines Einspritzintervalles in einer Einspritzsequenz umfassend mehrere
Einzeleinspritzungen. Der Begriff "Einspritzintervall" bezeichnet hierbei denjenigen Zeitraum
im (zyklischen) Betrieb der Brennkraftmaschine, in welchem der Brennkammer
Kraftstoff zuzuführen
ist. In diesem Einspritzintervall können z. B. eine oder mehrere
Haupteinspritzungen (bei einer Brennkraftmaschine herkömmlicher
Bauart z. B. bei einem Kurbelwinkel von 0° OT) erfolgen, wohingegen eine
oder mehrere gegebenenfalls vorgesehene Voreinspritzungen und/oder
Nacheinspritzungen merklich vor bzw. nach der oder den Haupteinspritzungen erfolgen
können.
Ein weiteres typisches Charakteristikum der Vor- und Nacheinspritzungen
ist deren im Vergleich zu einer Haupteinspritzung wesentlich geringerer
Maximalwert der Einzeleinspritzmenge. Dies bedingt wiederum einen
im Vergleich zu Vor- und Nacheinspritzungen typischerweise erheblich
größeren Maximalwert
der Einspritzventilöffnungsdauer (Einspritzdauer)
bei Haupteinspritzungen. Die Genauigkeit der in einem Einspritzintervall
eingespritzten Kraftstoffmenge lässt
sich mit der Erfindung wesentlich verbessern.
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Die
mit der Erfindung beispielsweise erzielbare Reduktion der Schwingneigung
des Ventilantriebs erhöht
bereits an sich die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung. Der Einsatz
der Erfindung in Verbindung mit einer Einspritzmengenregelung, bei der
eine Abweichung zwischen einer Soll-Kraftstoffeinspritzmenge und
einer Ist-Kraftstoffeinspritzmenge erfasst und für eine nachfolgende Einspritzung
bei deren Ansteuerung berücksichtigt
wird, bietet den weiteren Vorteil, dass die Ist-Kraftstoffeinspritzmenge tendenziell
genauer erfasst werden kann, was letztlich die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung weiter
erhöht.
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Eine
bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst Mittel zur Vorgabe eines zeitabhängigen Teilladeenergievorgabewerts
während
des Ladevorgangs und eine Endstufe zur Erzeugung der Teilladeleistungspulse
des Laststroms, deren Energie jeweils dem aktuell vorgegebenen Teilladeenergievorgabewert
entspricht.
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Gemäß eines
bevorzugten Konzepts wird in der Endstufe zumindest während eines
Ladevorgangs eine Induktivität
mit einem Strom beaufschlagt, der zwischen einem Minimalwert (z.
B. we nigstens annähernd
0) und einem Maximalwert pendeln gelassen wird (z. B. periodisch),
wobei der zeitabhängig
vorgegebene Teilladeenergievorgabewert dem Maximalstrom entspricht.
Dies bedeutet, dass mit jeder Bestromung der Induktivität in derselben eine
Energie eingespeichert wird, die proportional zum Quadrat des Maximalstromwerts
ist. Diese in der Induktivität
zwischengespeicherte Energie wird gemäß des Konzepts dann direkt
oder indirekt (über eine
induktiv gekoppelte zweite Induktivität) und über ein glättendes Ausgangsfilter zur
kapazitiven Last umgeschwungen. Ein erfindungsgemäßer zeitlicher Verlauf
des Teilladeenergievorgabewerts bzw. des Maximalstromwerts (z. B.
exponentiell) ermöglicht dann
eine Leistungsbeaufschlagung der Last, deren Verlauf die gewünschte Form
(z. B. wieder exponentiell) besitzt.
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Die
hierbei verwendete Endstufe kann in vielfältiger Weise realisiert sein.
Geeignete Schaltungskonzepte sind dem Fachmann allgemein bekannt.
In einer Ausführungsform
ist die Endstufe beispielsweise als ein Hoch- und Tiefsetzsteller (Buck-Boost-Konverter)
ausgeführt.
Hierbei können ein
Ladeschalter und ein Entladeschalter als Halbbrücke zwischen den Anschlüssen einer
Versorgungsspannungsquelle angeordnet sein, um an einem Abgriff
zwischen den Schaltern eine Lastansteuerspannung einzustellen, welche
z. B. über
ein strombegrenzendes Bauteil (z. B. Drosselspule) die kapazitive
Last beaufschlagt. Bei Verwendung von Halbleiterschaltern für den Lade- und Entladeschalter
sind diese beispielsweise als Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFETs)
oder als Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren
(IGBTs) ausgebildet. Die Steueranschlüsse dieser Halbleiterschalter
werden dann von einer Steuereinheit mit einem geeigneten Steuersignal
beaufschlagt, so dass die Einhüllende
der Teilladeleistungspulse (und gegebenenfalls der Teilentladeleistungspulse)
die oben beschriebene besondere Form besitzt.
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Wenn
die Einhüllende
des Ladevorgangs und/oder die Einhüllende des Entladevorgangs
einen exponentiell verlaufenden Abschnitt besitzen soll, so kann
dieser Abschnitt in schaltungstechnisch besonders einfacher Weise
dadurch realisiert werden, dass die Mittel zur Vorgabe des zeitabhängigen Teilladeenergiewerts
ein mit einer Vorgabespannung beaufschlagtes RC-Glied umfassen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben. Es stellen dar:
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1 ist
ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines Piezoaktors,
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2 ist
eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs von Teilladeleistungspulsen
und deren Einhüllender
bei einem Ladevorgang,
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3 ist
eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs mehrer Lade- und Entladevorgänge, wobei
sowohl die Einhüllenden
der Leistungspulse (3 oben) als auch die daraus
resultieren Hübe
(3 unten) des Piezoaktors dargestellt sind,
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4a ist
eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Aktorhubs bei einer
herkömmlichen
Aktoransteuerung,
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4b ist
eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Aktorhubs bei einer
erfindungsgemäßen Aktoransteuerung,
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5a ist
eine Darstellung zur Veranschaulichung der Variation der Gesamtladeenergie
mittels einer Variation eines Umschaltzeitpunkts zwischen Anfangsphase
und Endphase des Ladevorgangs,
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5b ist
eine Darstellung zur Veranschaulichung der Variation der Gesamtladeenergie
mittels einer Variation des Betrags eines Maximums der Einhüllenden
während
des Ladevorgangs, und
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6 ist
ein Prinzipschaltbild zur Veranschaulichung einer schaltungstechnisch
einfachen Erzeugung von Exponentialverläufen, wie sie zur Formung des
Lade- bzw. Entladeverlaufs verwendbar sind.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild einer Schaltung 10 zum Ansteuern eines
Piezoaktors P, der mit einer Endstufe 14 der Schaltung 10 verbunden
ist. Die Endstufe 14 liefert einen den Piezoaktor P aufladenden
bzw. entladenden Strom Ip.
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Die
Endstufe 14 kann als herkömmlicher Schaltwandler bzw.
als Buck-Boost-, als Flyback- oder als SEPIC-Konverter ausgeführt sein
und liefert den Strom abhängig
von einem Steuersignal S (z. B. eine oder mehrere Steuerspannungen),
das von einer Steuereinheit 12 der Schaltung 10 basierend
auf einer Ansteuervorgabe und unter Berücksichtigung von Messgrößen, die
im Bereich der Endstufe 14 und/oder dem Bereich des Piezoaktors
P (z. B. Piezospannung Up und/oder Piezostrom Ip) ermittelt werden.
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Die
Schaltung 10 bildet einen Teil eines so genannten Motorsteuergeräts für eine Brennkraftmaschine
und dient zum Ansteuern einer Mehrzahl von Piezoaktoren einer Kraftstoffeinspritzanlage.
Der Einfachheit der Darstellung halber ist in 1 lediglich
einer der durch Laden und Entladen anzusteuernden Piezoaktoren P
dargestellt. In an sich wohlbekannter Weise können mit einer Endstufe bzw.
einer so genannten "Bank" einer Endstufe mehrere
Injektoren angesteuert werden, z. B. durch Anordnung von Auswahlschaltern
in der Leitungsverbindung zwischen der Endstufe und den einzelnen
Piezoaktoren P.
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Zur
Erzeugung einer Einspritzung muss die elektrische Endstufe 14 den
Piezoaktor P des betreffenden Injektors laden (Ladevorgang), anschließend diese
elektrische Ladung für
eine bestimmte Zeit im Aktor belassen (Haltephase) und danach den
Aktor wieder entladen (Entladevorgang). Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
wird das Potential eines negativen Aktorpols ("Lowside") des mittels eines nicht dargestellten
Auswahlschalters ausgewählten Aktors
während
der Einspritzung auf elektrischem Massepotenzial GND gehalten, wohingegen
ein positiver Aktorpol ("Highside") während des
Ladevorgangs und des Entladevorgangs ein veränderliches Potenzial besitzt.
Typischerweise wird der positive Aktorpol beim Ladevorgang bezogen
auf den negativen Aktorpol auf eine Spannung von z. B. 150 V gebracht.
Die damit einhergehende Verlängerung
der Piezokeramik wird zumeist nicht unmittelbar zur Betätigung des
eigentlichen Kraftstoffeinspritzventils verwendet, sondern wirkt
auf ein so genanntes Steuerventil ein, durch welches die hydraulischen
Druckverhältnisse
im Bereich eines Einspritzventilkörpers (Düsennadel) verändert werden
können,
um diesen Ventilkörper
hydraulisch, durch den Druck des dem In jektor zugeführten Kraftstoffs,
betätigen
zu können (Servoprinzip).
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Zur
Verminderung von Schadstoffen und Motorgeräusch und zur Vergrößerung der
Motorleistung ist es wünschenswert,
dass die Injektoren sowohl sehr kleine, exakt bemessene, als auch
sehr große Kraftstoffeinspritzmengen
in den Brennraum der betreffenden Brennkraftmaschine einspritzen
können, und
zwar auch noch nach vielen Betriebszyklen. Der in dem Einspritzintervall
der betreffenden Brennkraftmaschine einzuspritzende Kraftstoff wird
außerdem zumeist
in einer Einspritzsequenz umfassend mehrere Einzeleinspritzungen
(Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungen) eingespritzt.
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Die
in der Praxis geforderten engen Mengentoleranzen sind am besten
mittels einer geschlossenen Regelschleife realisierbar, bei der
man z. B. indirekt die Einspritzmenge mittels eines geeigneten Sensors
misst und die Steuerparameter für
die nächste
Einspritzung entsprechend anpasst.
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Die
Steuereinheit 12 bewirkt einen getakteten Betrieb der Endstufe 14 dergestalt,
dass jeder Ladevorgang und jeder Entladevorgang sich jeweils aus
vielen einzelnen Teilladevorgängen
bzw. Teilentladevorgängen
zusammensetzt. Die daraus resultierenden hohen Frequenzen erlauben
die Verwendung von kleineren und billigeren Blindelementen im Bereich
der Endstufe 14.
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2 veranschaulicht
die zeitliche Aufeinanderfolge von Teilladeleistungspulsen p1, p2,
... pn, die in der Gesamtheit (n Pulse) einen Ladeleistungsverlauf
hervorrufen, der sich am einfachsten durch die Einhüllende E
der einzelnen Teilladeleistungspulse charakterisieren lässt. Im
dargestellten Aus führungsbeispiel
folgen diese einzelnen Leistungspulse bzw. Strompulse mit einer
festen vorgegebenen Periode Tp aufeinander.
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Die
Einhüllende
E der Ladeleistungspulse p1, p2, ... pn besitzt hierbei eine besondere
Form mit zwei verschiedenen zeitlichen Verlaufsphasen vor und hinter
einem "Umschaltzeitpunkt" ts:
In einer
Anfangsphase steigt die Einhüllende
E beim Ladevorgang streng monoton an, wobei die Steigung der Einhüllenden
E gleichzeitig monoton abfällt.
Diese Anfangsphase endet bei ts mit einer Steigung, die etwa um
einen Faktor 10 gegenüber
derjenigen Steigung reduziert ist, mit welcher der Ladevorgang begann.
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Am
Ende der Anfangsphase (bei ts) bildet die Einhüllende E ein Maximum, an welches
sich unmittelbar eine Endphase des Ladevorgangs anschließt, in welcher
die Einhüllende
E streng monoton abfällt, wobei
die Steigung der Einhüllenden
E hierbei gleichzeitig monoton ansteigt.
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Die
Einhüllende
E beim Ladevorgang besitzt somit insgesamt etwa die Form einer Haifischflosse, wobei
im dargestellten Beispiel die Anfangsphase (Anstiegsflanke) wie
auch die Endphase (Abstiegsflanke) jeweils etwa aus der Hälfte der
Leistungspulse p1, p2, ... pn gebildet sind.
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Durch
ein in 1 nicht dargestelltes, am Ausgang der Endstufe 14 vorgesehenes
Filter (z. B. passives Tiefpassfilter) kommt es bei der Bestromung
des Piezoaktors P zu einer gewissen Glättung der in 2 dargestellten
Strom- bzw. Leistungspulse, wobei jedoch die Einhüllende der
am Piezoaktor P messbaren "Leistungskurve" bzw. die "zeitlich gemittelte
Leistung" die oben
beschriebene Qualität (Haifischflosse)
beibehält.
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3 zeigt
den zeitlichen Verlauf der Leistungsbeaufschlagung des Piezoaktors
P über
einen längeren
Zeitraum, in welchem zwei Einspritzungen (z. B. Haupteinspritzungen
einer Einspritzsequenz) erfolgen. In 3 oben ist
der zeitliche Verlauf (Einhüllende
E) der Endstufenleistung Pp gegen die Zeit t aufgetragen, wohingegen
in 3 unten der daraus resultierende Hub s des Piezoaktors
P in Abhängigkeit
von der Zeit t aufgetragen ist.
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Die
erste Einzeleinspritzung wird durch eine Leistungspulsfolge unter
Wahl einer Einhüllenden
E der mit Bezug auf 2 beschriebenen Art initiiert. Nach
einer von der Steuereinheit 12 vorbestimmten Zeitdauer
(Haltephase) erfolgt ein getaktetes Entladen des Aktors P mit einer
Einhüllenden
der Teilentladeleistungspulse, welche im Wesentlichen eine punktsymmetrische
Version der oben beschriebenen Einhüllenden E beim Laden darstellt.
Der Ladevorgang, die Haltephase und der Entladevorgang führen zu
dem in 3 unten schematisch dargestellten Verlauf des
Aktorhubs s(t), der sich im dargestellten Zeitraum noch ein zweites
Mal ergibt.
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Durch
die Wahl der "Haifischflossenform" für den zeitlichen
Verlauf der Lade- bzw. Entladeleistungskurven kommt es vorteilhaft
zu einer Verringerung der durch das getaktete Ansteuerprinzip bedingten
Schwingungsneigung im Aktorhub s(t). Diese vorteilhafte Wirkung
im Vergleich zu einer herkömmlichen
(z. B. rechteckigen) Form der Leistungskurve beim Laden ist schematisch
mittels der 4a und 4b veranschaulicht.
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4a zeigt
schematisch den zeitabhängigen
Verlauf des Aktorhubs s(t) für
eine herkömmliche gepulste
Ansteuerung. Daraus ist ersichtlich, dass dieser Stellgröße s sowohl
beim Anstieg (Ladevorgang) als auch danach (Haltephase) eine mehr
oder weniger große
Schwingung überlagert
ist, welche sich negativ auf die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung
der Einspritzung als auch auf die Genauigkeit der Erfassung der
tatsächlichen
Einspritzmenge dieser Einspritzung auswirkt.
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4b zeigt
demgegenüber
schematisch den zeitabhängigen
Aktorhub s(t) bei einer erfindungsgemäßen Ansteuerung mit haifischflossenförmigen Einhüllenden
der Leistungspulsfolgen beim Ladevorgang und Entladevorgang. Daraus
ist ersichtlich, dass insbesondere die Unstetigkeiten in der Ladephase
(Anstieg von s(t)) und die Nachschwingamplitude in der Haltephase
(Plateau von s(t)) verringert sind, wodurch die Genauigkeit der
Kraftstoffzumessung, insbesondere bei Verwendung einer Kraftstoffmengenregelung,
verbessert ist.
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Die 5a und 5b veranschaulichen zwei
Möglichkeiten
zur Variation der Gesamtladeenergie, mit welcher der Piezoaktor
P am Ende des Ladevorgangs geladen ist.
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Die
in 5a dargestellte Möglichkeit besteht darin, denjenigen
Zeitpunkt (Umschaltzeitpunkt ts) betriebsmäßig zu variieren, zu welchem
das Maximum der Einhüllenden
E erreicht wird. In diesem Fall ist die Dauer der Anfangsphase des
Ladevorgangs variabel. 5a veranschaulicht gestrichelt
eine zweite Ladeleistungskurve, bei welcher der Umschaltzeitpunkt
von ts auf ts' nach
hinten verlegt wurde und die Endphase (Abstiegsflanke) dementsprechend
später
beginnt. Der in 5a schraffierte Bereich charakterisiert
die Erhöhung
der Ge samtladeenergie durch diese Verschiebung des Umschaltzeitpunkts.
Falls gewünscht
kann die Gesamtdauer des Ladevorgangs hierbei unverändert belassen
werden, indem die Leistungskurve Pp(t) stets nach einer vorgegebenen
Gesamtdauer "abgeschnitten" wird (in 5a nicht
dargestellt).
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Bei
der in 5b dargestellten Möglichkeit wird
der Betrag des Maximums der Einhüllenden
E betriebsmäßig variiert
(unter Beibehaltung des Umschaltzeitpunkts ts). Damit wird der Betrag
der Leistung Pp sowohl in der Anfangsphase als auch der Endphase
des Ladevorgangs variiert. Dies ist in 5b am
Beispiel einer gestrichelt eingezeichneten Einhüllenden veranschaulicht, deren
Maximum um einen Betrag ΔPp
erhöht
wurde. Der schraffierte Bereich charakterisiert wieder die damit
einhergehende Erhöhung
der am Ende des Ladevorgangs erzielten Gesamtladeenergie. Zur Gewährleistung
einer unveränderten
Gesamtdauer des Ladevorgangs wird bei dem dargestellten Beispiel
die Leistungskurve Pp(t) nach einer vorgegebenen Gesamtdauer abgeschnitten.
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Die
in 5a und 5b dargestellten
Möglichkeiten
zur Variation der Gesamtladeenergie, sei es z. B. zur Darstellung
verschiedener Einspritzmengen bei einer Voreinspritzung und einer
Haupteinspritzung oder verschiedener Einspritzmengen für Haupteinspritzungen
von verschiedenen Einspritzintervallen, lassen sich selbstverständlich auch
miteinander kombinieren. Hierbei kann vorteilhaft größtenteils
die Haifischflossenform der Einhüllenden
E unabhängig
von der eingestellten Gesamtladeenergie erhalten bleiben.
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Wenn
zur Erhöhung
der Gesamtladeenergie der Umschaltzeitpunkt ts nach hinten verschoben wird
und hierbei die Gesamtladedauer unverändert gelassen wird, dann wird
irgendwann nur noch die steigende Flanke der Haifischflosse vom
Laden abgetastet. Dadurch verändert
sich zwar der Aktorhub-Verlauf, was z. B. die Detektierung von Spannungssensorsignalen
in der Haltephase eines Injektors stören kann. Zu bedenken ist jedoch,
dass höhere
Gesamtladeenergien (und damit z. B. ein nach hinten verschobener
Umschaltzeitpunkt) in der Regel nur bei vergleichsweise hohen Kraftstoffdrücken (z. B. "Raildruck" bei einem so genannten
Common-Rail-System) benötigt
werden, bei denen die Spannungssensorsignale ohnehin besser ausgeprägt sind
und somit trotz eines Aktornachschwingens oftmals ausreichend gut
ausgewertet werden können.
Auf diese Weise kann man mit einer veränderlichen Stromform bzw. Leistungskurve,
die fließend
variiert werden kann, zwischen einer "Haifischflosse mit steigendem und fallendem
Ast" und einer "Haifischflosse nur
mit steigendem Ast" die
Dynamik des Energiestellbereiches vergrößern und gleichzeitig bei kleinen
Energien die Vorteile der "vollständigen Haifischflosse" nutzen. Somit kann
die Stromform also den jeweiligen Bedürfnissen des gerade verwendeten
Arbeitspunktes angepasst werden.
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Die
im Bereich der Steuereinheit 12 (1) zu definierenden
Flankenformen der Einhüllenden
E bzw. deren Skalierung (z. B. wie in den 5a und 5b dargestellt)
können
beispielsweise jeweils einen exponentiellen Verlauf besitzen.
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Exponentielle
Verläufe
der Einhüllendenflanken
lassen sich in schaltungstechnisch sehr einfacher Weise z. B. mit
einem RC-Glied erzeugen.
Dies wird nachfolgend mit Bezug auf 6 erläutert.
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6 zeigt
einen Schaltungsblock zur Definition eines Signals (Uout), welches
die Haifischflossenform der oben beschriebenen Einhüllenden
E beim Ladevorgang aufweist.
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Der
Schaltungsblock umfasst zwei parallel zueinander angeordnete Widerstände R1 und
R2, von denen jeweils ein erster Anschluss mit einer fest vorgegebenen
Referenzspannung Uref1 bzw. Uref2 beaufschlagt wird. Die zweiten
Anschlüsse
der Widerstände
R1, R2 werden mittels eines steuerbaren Schaltelements S1, welches
in der Praxis durch eine Transistoranordnung implementiert ist,
wahlweise mit einem ersten Anschluss eines Kondensators C verbunden,
dessen zweiter Anschluss mit elektrischer Masse GND verbunden ist.
Am ersten Anschluss des Kondensators C wird die Signalform Uout
bereitgestellt.
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Zu
Beginn des Ladevorgangs befindet sich der Umschalter S1 in der in 6 dargestellten Schaltstellung.
Die zweite Referenzspannung Uref2 ist z. B. zu 0 V (elektrische
Masse GND) gewählt,
so dass die Ausgangsspannung Uout bei 0 V liegt. Der Ladevorgang
beginnt mit dem Umschalten des Schalters S1 in diejenige Stellung,
in welcher der Kondensator C über
den Widerstand R1 mit der ersten Referenzspannung Uref1 verbunden
ist. Dies führt
zu einem exponentiellen Anstieg der am Kondensator C abfallenden
Spannung Uout (Anfangsphase des Ladevorgangs). Zu dem oben erwähnten Umschaltzeitpunkt
ts wird der Schalter S1 wieder in die in 6 dargestellte
Schaltstellung zurückgestellt,
so dass die im Kondensator C eingespeicherte Ladung über den
zweiten Widerstand R2 zurückfließt und die über den
Kondensator C abfallende Spannung Uout exponentiell wieder absinkt.
Es ergibt sich somit die oben beschriebene Haifischflossenform der Ausgangsspannung
Uout. Die Zeitkonstanten der exponentiellen Flanken werden hierbei
durch die Werte der Referenzspannungen, der Widerstände sowie des
Kondensators bestimmt.
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Die
oben mit Bezug auf die 5a und 5b erläuterten Skalierungen
der Einhüllenden
E können
bei dem Schaltungsblock gemäß 6 durch
eine entsprechende Variation (Skalierung) der Referenzspannung Uref1
bzw. eine Verschiebung des Zeitpunkts ts des Umschaltens des Schalters
S1 realisiert werden.
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In
einer Variante ist vorgesehen, dass die zweite Referenzspannung
Uref2 zusammen mit der ersten Referenzspannung Uref1 mitskaliert
wird. Dies kann z. B. dadurch realisiert sein, dass Uref2 an einem
Spannungsteiler abgegriffen wird, der mit Uref1 beaufschlagt wird.
Beispielsweise kann der Spannungsteiler derart dimensioniert sein,
dass Uref2 einem kleinen Bruchteil von Uref1 entspricht, z. B. etwa
1/10 Uref1. Die Referenzspannungen werden bevorzugt niederohmig
bzw. am Ausgang eines hierfür
vorgesehenen Trennverstärkers
(bzw. daran sich anschließenden
Spannungsteiler) bereitgestellt.
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Wenn
die am Ausgang des in 6 dargestellten Schaltungsblocks
bereitgestellte Spannung Uout die Einhüllende E der Teilladeleistungspulsfolge p1,
p2, ... pn darstellen soll, so muss dieses Signal schließlich in
geeigneter Weise zur Ansteuerung der Endstufe 14 eingesetzt
werden. Dies ist in einfacher Weise z. B. bei einer Endstufe umfassend
einen Transformator (z. B. nach dem Fly-Back-Prinzip) realisierbar,
indem das Signal Uout (bevorzugt wieder über einen impdanzerhöhenden Trennverstärker geführt) zur
Definition einer Einhüllenden
von Strompulsen auf der Primärseite
des Transformators herangezogen wird (z. B. als Maximalstromvorgabewert
eines zwischen einem Minimum und einem Maximum pendelnden Primärstroms).
Die exponentiellen Flanken einer solchen primärseitigen Einhüllenden
der Strompulse liefern dann sekundärseitig qualitativ entspreche
Flanken der Einhüllenden
der Leistungspulse, welche vom Transformator abgegeben und über ein glät tendes
Ausgangsfilter dem Piezoaktor P zugeführt werden.
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Zusammenfassend
bietet die erfindungsgemäße Ansteuerung
den Vorteil einer vergleichsweise robusten Formung eines gewünschten
Verlaufs des Aktorhubs s(t) und somit z. B. des Steuerventilhubs
in einem Servoeinspritzventil einer Einspritzanlage. In letzterem
Anwendungsbereich ergeben sich insbesondere folgende Vorteile:
- – Verminderte
Unstetigkeiten und Schwingungen beim Ausdehnen des Piezoaktors sorgen
für ein exakteres Öffnen des
Steuerventils, eine längere Lebensdauer
des Aktors und weniger Injetorgeräusch.
- – Ein
vermindertes Nachschwingen des Steuerventils in der Haltephase ermöglicht eine
leichtere Detektion von Sensoreffekten in Strom und Spannung und
verhindert Störungen
der Druckverhältnisse
im Steuerraum des Injektors.
- – Ein
vermindertes Nachschwingen des Steuerventils erniedrigt störende so
genannte "shot-to-shot"-Mengenabweichungen, da der Beginn des
Entladevorgangs nicht von der Haltephasenschwingung beeinflusst
wird.
- – Ein
stetigeres Schließen
des Steuerventils sorgt für
genauere Einspritzmengen, eine längere
Lebensdauer des Aktors und weniger Injektorgeräusch.
- – Die
Verlaufsformung der Ladeleistung bzw. Entladeleistung ist schaltungstechnisch
im Allgemeinen einfach zu realisieren, z. B. durch Zusammensetzung
aus Exponentialfunktionen. Des weiteren lässt sich die Verlaufsform der
Lade- bzw. Entladeleistung der momentan benötigten Energie zur Laufzeit
anpassen, ohne die vorteilhafte Charakteristik der Verlaufsform
hierdurch zu ändern.
- – Eine
einfach zu realisierende Laufzeit-variable Verlaufsformung schafft
eine große
Dynamik des Energieeinstellbereichs. Damit kann z. B. der Betrieb
von analog arbeitenden Proportionalventilen ermöglicht werden und/oder der
nutzbare Aktorhub vergrößert werden.