DE19733560A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen ElementsInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10, d. h. ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezo
elektrischen Elements, wobei der das piezoelektrische Element
ladende Ladestrom bzw. der das piezoelektrische Element ent
ladende Entladestrom über ein induktive Eigenschaften aufwei
sendes Bauelement geführt wird.
Bei den vorliegend näher betrachteten piezoelektrischen Ele
menten handelt es sich insbesondere, aber nicht ausschließ
lich um als Aktoren bzw. Stellglieder verwendete piezoelek
trische Elemente. Piezoelektrische Elemente lassen sich für
derartige Zwecke einsetzen, weil sie bekanntermaßen die
Eigenschaft aufweisen, sich in Abhängigkeit von einer daran
angelegten Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen.
Die praktische Realisierung von Stellgliedern durch piezo
elektrische Elemente erweist sich insbesondere dann von Vor
teil, wenn das betreffende Stellglied schnelle und/oder häu
fige Bewegungen auszuführen hat.
Der Einsatz von piezoelektrischen Elementen als Stellglied
erweist sich unter anderem bei Kraftstoff-Einspritzdüsen für
Brennkraftmaschinen als vorteilhaft zur Einsetzbarkeit von
piezoelektrischen Elementen in Kraftstoff-Einspritzdüsen wird
beispielsweise auf die EP 0 371 469 B1 und die EP 0 379 182
B1 verwiesen.
Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Verbraucher, welche
sich, wie vorstehend bereits angedeutet wurde, entsprechend
dem jeweiligen Ladungszustand bzw. der sich daran einstellen
den oder angelegten Spannung zusammenziehen und ausdehnen.
Das Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements kann
unter anderem über ein induktive Eigenschaften aufweisendes
Bauelement wie beispielsweise eine Spule erfolgen, wobei
diese Spule in erster Linie dazu dient, den beim Laden auf
tretenden Ladestrom und den beim Entladen auftretenden Ent
ladestrom zu begrenzen. Eine solche Anordnung ist in Fig. 8
veranschaulicht.
Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element
ist in der Fig. 8 mit dem Bezugszeichen 101 bezeichnet. Es
ist Bestandteil eines über einen Ladeschalter 102 schließ
baren Ladestromkreises und eines über einen Entladeschalter
106 schließbaren Entladestromkreises, wobei der Ladestromkreis
aus einer Serienschaltung des Ladeschalters 102, einer Diode
103, einer Ladespule 104, des piezoelektrischen Elements 101,
und einer Spannungsquelle 105 besteht, und wobei der
Entladestromkreis aus einer Serienschaltung des Entlade
schalters 106, einer Diode 107, einer Entladespule 108 und
des piezoelektrischen Elements 101 besteht.
Die Diode 103 des Ladestromkreises verhindert, daß im Lade
stromkreis ein das piezoelektrische Element entladender Strom
fließen kann. Die Diode 103 und der Ladeschalter 102 sind ge
meinsam als ein Halbleiterschalter realisierbar.
Die Diode 107 des Entladestromkreises verhindert, daß im Ent
ladestromkreis ein das piezoelektrische Element ladender
Strom fließen kann. Die Diode 107 und der Ladeschalter 106
sind wie die Diode 103 und der Ladeschalter 102 gemeinsam als
ein Halbleiterschalter realisierbar.
Wird der normalerweise geöffnete Ladeschalter 102 geschlos
sen, so fließt im Ladestromkreis ein Ladestrom, durch welchen
das piezoelektrische Element 101 geladen wird; die im piezo
elektrischen Element 101 gespeicherte Ladung bzw. die sich an
diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktu
ellen äußeren Abmessungen des piezoelektrischen Elements 101
werden nach dem Laden desselben im wesentlichen unverändert
beibehalten.
Wird der normalerweise ebenfalls geöffnete Entladeschalter
106 geschlossen, so fließt im Entladestromkreis ein Entlade
strom, durch welchen das piezoelektrische Element 101 ent
laden wird; der Ladezustand des piezoelektrischen Elements
101 bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und
damit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezoelek
trischen Elements 101 werden nach dem Entladen desselben im
wesentlichen unverändert beibehalten.
Ein derartiges Laden und Entladen von piezoelektrischen Ele
menten ist vorteilhaft, weil es mangels nennenswerter ohm
scher Widerstände im Ladestromkreis und im Entladestromkreis
verlustleistungsarm und unter nur relativ geringer Wärme
entwicklung erfolgen kann.
Andererseits sind aber das Ausmaß und der zeitliche Verlauf
des Ladens und des Entladens häufig nicht ideal. Störend sind
vor allem zeitlich variierende Lade- und Entladegeschwindig
keiten, mehr oder weniger stark ausgeprägte Einschwingvor
gänge und ein nur teilweises oder zu starkes Laden und/oder
Entladen des piezoelektrischen Elements, wodurch beim Ent
laden sogar ein Aufladen mit entgegengesetzter Polarität er
folgen kann.
Es dürfte einleuchten, daß dies nicht nur eine nicht unerheb
liche Belastung für das zu ladende bzw. zu entladende piezo
elektrische Element darstellt, sondern auch dessen bestim
mungsgemäßen Gebrauch beeinträchtigen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
bzw. die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patent
anspruchs 10 derart weiterzubilden, daß das Laden und das
Entladen von piezoelektrischen Elementen schonend für diese
und einfach an die individuellen oder wechselnde Verhältnisse
anpaßbar durchgeführt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen
den Teil des Patentanspruchs 1 (Verfahren) und durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 10 (Vorrichtung) be
anspruchten Merkmale gelöst.
Demnach ist vorgesehen,
- - daß ein im Ladestromkreis vorgesehener Schalter bzw. ein im Entladestromkreis vorgesehener Schalter während des Ladens bzw. Entladens derart wiederholt betätigt wird, daß das piezoelektrische Element durch einen vorgegebenen mittleren Lade- bzw. Entladestrom auf eine vorgegebene Spannung ge bracht wird (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 1) bzw.
- - daß eine Steuer- oder Regeleinrichtung vorgesehen ist, wel che dazu ausgelegt ist, einen im Ladestromkreis vorgesehenen Schalter bzw. einen im Entladestromkreis vorgesehenen Schal ter während des Ladens bzw. Entladens derart wiederholt zu betätigen, daß das piezoelektrische Element durch einen vor gegebenen mittleren Lade- bzw. Entladestrom auf eine vorgege bene Spannung gebracht wird (kennzeichnender Teil des Patent anspruchs 10)
Durch das wiederholte Öffnen und Schließen der jeweiligen
Schalter wird ein getaktetes Laden bzw. Entladen durch
geführt. Dadurch ändern sich die Funktion und Wirkungsweise
des die induktiven Eigenschaften aufweisenden Bauelements.
Bisher wirkte es als das induktive Element eines im Zusammen
wirken mit dem piezoelektrische Element gebildeten LC-Reihen
schwingkreises, wobei die Induktivität des induktiven Ele
ments und die Kapazität des piezoelektrischen Elements allein
den Verlauf und den Umfang des Ladens und des Entladen be
stimmten (geladen und entladen werden konnte jeweils nur mit
der ersten Stromhalbwelle der ersten Schwingkreisschwingung,
denn ein Weiterschwingen des Schwingkreises wird durch die im
Ladestromkreis und Entladestromkreis enthaltenen Dioden un
terbunden).
Jetzt (bei der getakteten Ansteuerung) wird das die induk
tiven Eigenschaften aufweisende Element als ein Energie
zwischenspeicher
verwendet, der abwechselnd von der Strom
versorgungsquelle (beim Laden) bzw. vom piezoelektrischen
Element (beim Entladen) zugeführte elektrische Energie (in
Form von magnetischer Energie) speichert und - nach einer
entsprechenden Schalterbetätigung - die gespeicherte Energie
in Form von elektrischer Energie an das piezoelektrische Ele
ment (beim Laden) bzw. einen anderen Energiespeicher oder
einen elektrischen Verbraucher (beim Entladen) abgibt, wobei
die Zeitpunkte und die Dauer (und damit auch der Umfang) der
Energiespeicherung und der Energieabgabe durch die Schalter
betätigung(en) bestimmt werden.
Dadurch kann das piezoelektrische Element in beliebig vielen,
beliebig großen und in beliebigen zeitlichen Abständen auf
einanderfolgenden Stufen wunschgemäß weit geladen und ent
laden werden.
Als Folge dessen können sowohl das Ausmaß als auch der zeit
liche Verlauf des Ladens und/oder des Entladens wunschgemäß
beeinflußt werden, und zwar weitgehend unabhängig von den
technischen Daten des die induktiven Eigenschaften aufweisen
den Bauelements und des piezoelektrischen Elements.
Nutzt man die gegebenen Möglichkeiten dahingehend aus, daß
man die Schalter derart wiederholt öffnet und schließt, daß
das piezoelektrische Element durch einen vorgegebenen mittle
ren Lade- bzw. Entladestrom auf eine vorgegebene Spannung ge
bracht wird, so können das Laden und das Entladen von piezo
elektrischen Elementen schonend für diese und einfach an die
individuellen und wechselnden Verhältnisse anpaßbar durch
geführt werden.
Die zumindest teilweise Entkopplung des Ausmaßes und des
zeitlichen Verlaufs des Ladens und/oder des Entladens von den
technischen Daten des die induktiven Eigenschaften aufweisen
den Elements und des piezoelektrischen Elements ermöglicht es
darüber hinaus, nur ein einziges induktive Eigenschaften auf
weisendes Element vorzusehen und dieses sowohl zum Laden als
auch zum Entladen des piezoelektrischen Elements zu verwen
den; beim eingangs beschriebenen herkömmlichen Verfahren zum
Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements ist eine
Zusammenfassung der Ladespule und der Entladespule nicht ohne
weiteres möglich, weil diese vorzugsweise unterschiedliche
Induktivitäten aufweisen.
Das die induktiven Eigenschaften aufweisende Element kann bei
Bedarf sehr klein ausgebildet werden; die geringe Energie
speicherkapazität bzw. das schnelle Erreichen der Sättigung
kann durch Vorsehen einer erhöhten Anzahl von Lade- und/oder
Entladetakten ausgeglichen werden.
Dadurch läßt sich die Anordnung zum Laden und Entladen von
piezoelektrischen Elementen trotz deren verbesserter Funktion
erheblich kleiner aufbauen als es bislang möglich war.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie
len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 eine gegenüber herkömmlichen Anordnungen vereinfacht
aufgebaute Anordnung zum Laden und Entladen eines
piezoelektrischen Elements,
Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während
einer ersten Ladephase (Ladeschalter 3 geschlossen)
in der Anordnung nach Fig. 1 einstellenden Verhält
nisse,
Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während
einer zweiten Ladephase (Ladeschalter 3 wieder ge
öffnet) in der Anordnung nach Fig. 1 einstellenden
Verhältnisse,
Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während
einer ersten Entladephase (Entladeschalter 5 ge
schlossen) in der Anordnung nach Fig. 1 einstellen
den Verhältnisse,
Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während
einer zweiten Entladephase (Entladeschalter 5 wieder
geöffnet) in der Anordnung nach Fig. 1 einstellenden
Verhältnisse,
Fig. 6 den zeitlichen Verlauf von sich bei der erfindungs
gemäßen Ansteuerung der Anordnung gemäß Fig. 1 ein
stellenden Spannungs- und Stromverläufen,
Fig. 7 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs
der sich an einem piezoelektrischen Element während
des Ladens einstellenden Spannung, und
Fig. 8 eine herkömmliche Anordnung zum Laden und Entladen
eines piezoelektrischen Elements.
Die piezoelektrischen Elemente, deren Laden und Entladen im
folgenden näher beschrieben wird, sind beispielsweise als
Stellglieder in Kraftstoff-Einspritzdüsen (insbesondere in
sogenannten Common Rail Injektoren) von Brennkraftmaschinen
einsetzbar. Auf einen derartigen Einsatz der piezoelektri
schen Elemente besteht jedoch keinerlei Einschränkung; die
piezoelektrischen Elemente können grundsätzlich in beliebigen
Vorrichtungen für beliebige Zwecke eingesetzt werden.
Es wird davon ausgegangen, daß sich die piezoelektrischen
Elemente im Ansprechen auf das Laden ausdehnen und im An
sprechen auf das Entladen zusammenziehen. Die Erfindung ist
selbstverständlich jedoch auch dann anwendbar, wenn dies
gerade umgekehrt ist.
Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine gegenüber her
kömmlichen Anordnungen vereinfachte Anordnung zum Laden und
Entladen eines piezoelektrischen Elements beschrieben, wobei
die Vereinfachung in erster Linie durch den Einsatz des
erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vor
richtung ermöglicht wird.
Das piezoelektrische Element, das es im betrachteten Beispiel
zu laden gilt, ist in der Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 1 be
zeichnet.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, liegt der eine der An
schlüsse des piezoelektrischen Elements 1 dauerhaft auf Masse
(ist mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle verbunden),
wohingegegen der andere der Anschlüsse des piezoelektrischen
Elements über eine (zugleich als Ladespule und Entladespule
wirkende) Spule 2 und eine Parallelschaltung aus einem Lade
schalter 3 und einer Diode 4 mit dem zweiten Pol der
Spannungsquelle und über die Spule 2 und eine Parallel
schaltung aus einem Entladeschalter 5 und einer Diode 6 mit
dem ersten Pol der Spannungsquelle verbunden ist.
Die Spannungsquelle besteht aus einer Batterie 7 (beispiels
weise einer KFZ-Batterie), einem dieser nachgeschalteten
Gleichspannungswandler 8, und einem diesem nachgeschalteten,
als Pufferkondensator dienenden Kondensator 9. Durch diese
Anordnung wird die Batteriespannung (beispielsweise 12 V) in
eine im wesentlichen beliebige andere Gleichspannung umge
setzt und als Versorgungsspannung bereitgestellt.
Das Laden und das Entladen des piezoelektrischen Elements 1
erfolgen im betrachteten Beispiel getaktet. D.h., der Lade
schalter 3 und der Entladeschalter 5 werden während des Lade-
bzw. Entladevorganges wiederholt geschlossen und geöffnet.
Die sich dabei einstellenden Verhältnisse werden nachfolgend
unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 5 erläutert, von denen
die Fig. 2 und 3 das Laden des piezoelektrischen Elements
1, und die Fig. 4 und 5 das Entladen des piezoelektrischen
Elements 1 veranschaulichen.
Der Ladeschalter 3 und der Entladeschalter 5 sind, wenn und
solange kein Laden oder Entladen des piezoelektrischen Ele
ments 1 erfolgt, geöffnet. In diesem Zustand befindet sich
die in der Fig. 1 gezeigte Schaltung im stationären Zustand.
D.h., das piezoelektrische Element 1 behält seinen Ladungs
zustand im wesentlichen unverändert bei, und es fließen keine
Ströme.
Mit dem Beginn des Ladens des piezoelektrischen Elements 1
wird der Ladeschalter 3 wiederholt geschlossen und geöffnet;
der Entladeschalter 5 bleibt hierbei geöffnet.
Beim Schließen des Ladeschalters 3 stellen sich die in der
Fig. 2 gezeigten Verhältnisse ein. D.h., es wird ein aus
einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 1,
dem Kondensator 9 und der Spule 2 bestehender geschlossener
Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 2 durch
Pfeile angedeuteter Strom iLE(t) fließt. Dieser Stromfluß be
wirkt, daß in der- Spule 2 Energie gespeichert wird. Der Ener
giefluß in die Spule 2 wird dabei durch die positive Poten
tialdifferenz zwischen dem Kondensator 9 und dem piezoelek
trischen Element 1 bewirkt.
Beim kurz (beispielsweise einige µs) nach dem Schließen des
Ladeschalters 3 erfolgenden Öffnen desselben stellen sich die
in der Fig. 3 gezeigten Verhältnisse ein. D.h., es wird ein
aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element
1, der Diode 6 und der Spule 2 bestehender geschlossener
Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 3 durch
Pfeile angedeuteter Strom iLA(t) fließt. Dieser Stromfluß be
wirkt, daß in der Spule 2 gespeicherte Energie vollständig in
das piezoelektrische Element 1 fließt. Entsprechend der Ener
giezufuhr zum piezoelektrischen Element erhöhen sich die an
diesem einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen.
Nach erfolgtem Energietransport von der Spule 2 zum piezo
elektrischen Element 1 ist wieder der vorstehend bereits
erwähnte stationäre Zustand der Schaltung nach Fig. 1 er
reicht.
Dann oder auch schon vorher oder auch erst später (je nach
dem gewünschten zeitlichen Verlauf des Ladevorgangs) wird der
Ladeschalter 3 erneut geschlossen und wieder geöffnet, wobei
sich die vorstehend beschriebenen Vorgänge wiederholen. Durch
das erneute Schließen und Öffnen des Ladeschalters 3 nimmt
die im piezoelektrischen Element 1 gespeicherte Energie zu
(die im piezoelektrischen Element bereits gespeicherte Ener
gie und die neu zugeführte Energie summieren sich), und dem
entsprechend nehmen die sich am piezoelektrischen Element
einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen zu.
Wiederholt man das beschriebene Schließen und Öffnen des
Ladeschalters 3 eine Vielzahl von Malen, so steigen die sich
am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die
Ausdehnung des piezoelektrischen Elements stufenweise an
(siehe hierzu die Kurve A der später noch genauer erläuterten
Fig. 6).
Wurde der Ladeschalter 3 eine vorbestimmte Anzahl von Malen
geschlossen und geöffnet und/oder hat das piezoelektrische
Element 1 den gewünschten Ladezustand erreicht, so wird das
Laden des piezoelektrischen Elements durch Offenlassen des
Ladeschalters 3 beendet.
Soll das piezoelektrische Element 1 wieder entladen werden,
so wird dies durch ein wiederholtes Schließen und Öffnen des
Entladeschalters 5 bewerkstelligt; der Ladeschalter 3 bleibt
hierbei geöffnet.
Beim Schließen des Entladeschalters 5 stellen sich die in der
Fig. 4 gezeigten Verhältnisse ein. D.h., es wird ein aus
einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 1 und
der Spule 2 bestehender geschlossener Stromkreis gebildet, in
welchem ein wie in der Figur durch Pfeile angedeuteter Strom
iEE(t) fließt. Dieser Stromfluß bewirkt, daß die im piezoelek
trischen Element gespeicherte Energie (ein Teil derselben) in
die Spule 2 transportiert wird. Entsprechend dem Energie
transfer vom piezoelektrischen Element 1 zur Spule 2 nehmen
die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung
und dessen äußere Abmessungen ab.
Beim kurz (beispielsweise einige µs) nach dem Schließen des
Entladeschalters 5 erfolgenden Öffnen desselben stellen sich
die in der Fig. 5 gezeigten Verhältnisse ein. D.h., es wird
ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Ele
ment 1, dem Kondensator 9, der Diode 4 und der Spule 2 beste
hender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie
in der Figur durch Pfeile angedeuteter Strom iEA(t) fließt.
Dieser Stromfluß bewirkt, daß in der Spule 2 gespeicherte
Energie vollständig in den Kondensator 9 zurückgespeist wird.
Nach erfolgtem Energietransport von der Spule 2 zum Kondensa
tor 9 ist wieder der vorstehend bereits erwähnte stationäre
Zustand der Schaltung nach Fig. 1 erreicht.
Dann oder auch schon vorher oder erst später (je nach dem ge
wünschten zeitlichen Verlauf des Entladevorgangs wird der
Entladeschalter 5 erneut geschlossen und wieder geöffnet, wo
bei sich die vorstehend beschriebenen Vorgänge wiederholen.
Durch das erneute Schließen und Öffnen des Entladeschalters 5
nimmt die im piezoelektrischen Element 1 gespeicherte Energie
weiter ab, und dementsprechend nehmen die sich am piezoelek
trischen Element einstellende Spannung und dessen äußere Ab
messungen ebenfalls ab.
Wiederholt man das beschriebene Schließen und Öffnen des Ent
ladeschalters 5 eine Vielzahl von Malen, so nehmen die sich
am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die
Ausdehnung des piezoelektrischen Elements stufenweise ab
(siehe hierzu die Kurve A in der Fig. 6).
Wurde der Entladeschalter 5 eine vorbestimmte Anzahl von Ma
len geschlossen und geöffnet und/oder hat das piezoelektri
sche Element den gewünschten Entladezustand erreicht, so wird
das Entladen des piezoelektrischen Elements durch Offenlassen
des Entladeschalters 5 beendet.
Das Ausmaß und der Verlauf des Ladens und des Entladens sind
durch die Häufigkeit und die Dauer des Öffnens und Schließens
des Ladeschalters 3 und des Entladeschalters 5 bestimmbar.
Dies gilt nicht nur für die in der Fig. 1 gezeigte Anord
nung, sondern für alle Anordnungen, durch welche ein ver
gleichbares Laden und/oder Entladen von piezoelektrischen
Elementen durchführbar ist; die besagten Anordnungen müssen
dabei im wesentlichen "nur" für ein getaktetes Laden und Ent
laden eines oder auch mehrerer piezoelektrischer Elemente ge
eignet sein.
Die Betätigung des Ladeschalters 3 und des Entladeschalters 5
erfolgt durch eine in der Fig. 1 nicht gezeigte Steuer- oder
Regeleinrichtung. Diese Steuer- oder Regeleinrichtung führt
ein derartiges Öffnen und Schließen des Ladeschalters 3 und
des Entladeschalters 5 durch, daß das zu ladende bzw. zu ent
ladende piezoelektrische Element dadurch unter Einhaltung
eines vorgegebenen mittleren (Lade- bzw. Entlade-)Strom
flusses auf eine vorgegebene Spannung gebracht wird.
Hierzu werden der Ladeschalter 3 bzw. der Entladeschalter 5
zu bestimmten Zeitpunkten geöffnet und geschlossen, wobei
sich die Zeiten, während welcher die jeweiligen Schalter ge
schlossen sind, und die Zeiten, während welcher die jeweili
gen Schalter geöffnet sind, gleich oder unterschiedlich lang
sein können und selbst innerhalb eines jeweiligen Lade- bzw.
Entladevorganges beliebig verändert werden können.
Die Dauer und die Häufigkeit des Öffnens und Schließens des
Ladeschalters 3 und des Entladeschalters 5 hängen vom Aufbau
und den technischen Daten der das piezoelektrische Element
ladenden bzw. entladenden Anordnung sowie dem angestrebten
Ausmaß und dem angestrebten Verlauf des Ladens und Entladens
ab, wobei das optimale Ausmaß und der optimale Verlauf des
Ladens bzw. Entladens ihrerseits wiederum von den momentanen
Betriebsbedingungen der Einrichtung abhängen, in welcher das
piezoelektrische Element eingesetzt wird.
Wird das piezoelektrische Element wie vorliegend als Aktor in
einer Kraftstoff-Einspritzdüse eines Common Rail Injectors
einer Brennkraftmaschine eingesetzt, so variieren das erfor
derliche Ausmaß und der erforderliche Verlauf des Ladens und
des Entladens insbesondere in Abhängigkeit von
- 1) der pro Einspritzvorgang einzuspritzenden Kraftstoffmenge,
- 2) der Motordrehzahl,
- 3) dem Druck im Rail, und
- 4) der Motortemperatur;
von diesen Parametern hängt es ab, innerhalb welcher Zeit das
zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element wie
weit geladen bzw. entladen werden sollte bzw. muß, also wel
cher Ladestrom bzw. Entladestrom fließen muß, um das piezo
elektrische Element spätestens nach der zur Verfügung stehen
den Zeit wunschgemäß weit geladen oder entladen zu haben.
Daß der so oder anders festgelegte Lade- bzw. Entladestrom
tatsächlich auch fließt, kann durch eine Steuereinrichtung
oder eine Regeleinrichtung erreicht werden, wobei der Strom
fluß jedoch sowohl bei der Steuerung als auch bei der Rege
lung durch ein entsprechend häufiges und langes Öffnen und
Schließen des Ladeschalters bzw. des Entladeschalters ein
gestellt wird.
Bei der Steuerung muß vorab eine Festlegung der Ein- und Aus
schaltzeitpunkte und/oder der Dauer der jeweiligen Schalt
zustände des Ladeschalters und des Entladeschalters erfolgen
oder zumindest eine Rechenvorschrift zur Berechnung derselben
ermittelt werden. Hierzu wird für die das piezoelektrische
Element ladende und entladende Anordnung einschließlich des
piezoelektrischen Elements, also beispielsweise für die in
der Fig. 1 gezeigte Anordnung ein Modell (Ersatzschaltbild)
gebildet bzw. erstellt. Für die in diesem Modell interessie
renden Größen, also insbesondere für den das piezoelektrische
Element ladenden und entladenden Strom und die sich am piezo
elektrischen Element als Folge dessen einstellende Spannung
werden Gleichungen (Differentialgleichungen) aufgestellt, und
aus diesen Gleichungen läßt sich schließlich berechnen, zu
welchen Zeitpunkten der Ladeschalter und der Entladeschalter
geöffnet und geschlossen werden müssen bzw. wie lange der
Ladeschalter und der Entladeschalter jeweils geöffnet und
geschlossen bleiben müssen, um das piezoelektrische Element
durch den vorgegebenen Strom auf die vorgegebene Spannung zu
bringen.
Die Schaltzeitpunkte für den Ladeschalter und den Entlade
schalter können im voraus berechnet und in einem Speicher der
Steuereinrichtung abgelegt werden. Die gespeicherten Daten
können dann während des Betriebs des piezoelektrischen Ele
ments aus dem Speicher ausgelesen und zur Schalterbetätigung
verwendet werden.
Die Schaltzeitpunkte für den Ladeschalter und den Entlade
schalter können aber auch vor jeder Einspritzung aktuell be
rechnet werden.
In beiden Fällen, d. h. sowohl bei der Vorab-Berechnung der
Schaltzeitpunkte als auch bei der aktuellen Berechnung der
Schaltzeitpunkte können diese für verschiedene Betriebs
zustände berechnet werden, in welche insbesondere die vor
stehend bereits genannten Parameter eingehen, von welchen der
anzustrebende Umfang und der anzustrebende Verlauf des Ladens
und Entladens abhängen.
Im Ergebnis gelangt man sowohl bei der Vorab-Berechnung der
Schaltzeitpunkte als auch bei der aktuellen Berechnung der
Schaltzeitpunkte zu einem Laden und Entladen des piezoelek
trischen Elements wie es in Fig. 6 beispielhaft veranschau
licht ist.
In der Fig. 6 repräsentiert
- - die mit A bezeichnete Kurve den Verlauf der sich am piezo elektrischen Element einstellenden Spannung,
- - die mit B bezeichnete Kurve den Ladestrom bzw. den Entlade strom, durch den das piezoelektrische Element geladen bzw. entladen wird,
- - die mit C bezeichnete Kurve den Schaltzustand des Lade schalters, und
- - die mit D bezeichnete Kurve den Schaltzustand des Entlade schalters.
Aus dem wie gezeigt erfolgenden wiederholten Schließen und
Öffnen des Ladeschalters (Kurve C) resultiert ein zwar
schwankender, aber im Mittel gleichbleibend großer Ladestrom
(Kurve B), durch den sich am piezoelektrischen Element eine
im Mittel gleichmäßig auf einen vorgegebenen Endwert anstei
gende Spannung (Kurve A) einstellt; aus dem wie gezeigt er
folgenden wiederholten Schließen und Öffnen des Entladeschal
ters (Kurve D) resultiert ein zwar schwankender, aber im Mit
tel gleichbleibend großer Entladestrom (Kurve B), durch den
sich am piezoelektrischen Element eine im Mittel gleichmäßig
auf einen vorgegebenen Endwert abfallende Spannung (Kurve A)
einstellt.
Das Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements unter
Steuerung durch eine Steuereinrichtung hat gegenüber dem La
den und Entladen unter Regelung durch eine Regeleinrichtung
den Vorteil, daß keine Sensoren zur Verfolgung des Lade- bzw.
Entladestroms und der sich am piezoelektrischen Element ein
stellenden Spannung erforderlich sind, und daß Störgrößen
keinen Einfluß auf die Ansteuerung nehmen können.
Die "Datenspeicherlösung", bei welcher die Schalterbetäti
gungszeitpunkte (oder diese repräsentierende Größen) in einem
Speicher gespeichert sind, ist insofern vorteilhaft, als die
Steuereinrichtung nicht durch Rechenaufwand belastet wird und
Fehlberechnungen vor dem Speichern korrigiert werden können.
Andererseits hat die "Rechenlösung", bei welcher die Schal
terbetätigungszeitpunkte (oder diese repräsentierende Größen)
jeweils aktuell berechnet werden, den Vorteil, daß der Spei
cherplatzbedarf in der Steuereinrichtung gering ist und die
berechneten Daten mit vergleichsweise geringem Aufwand ganz
exakt auf die jeweiligen Verhältnisse (Betriebszustände) zu
geschnitten werden können.
Bei einer Betätigung des Ladeschalters und des Entladeschal
ters durch eine Regeleinrichtung werden zunächst der mittlere
(Soll-)Strom, durch den das piezoelektrische Element geladen
und entladen werden soll, und die (Soll-)Endspannung, auf die
das piezoelektrische Element gebracht werden soll, fest
gelegt. Bei dieser Festlegung wird dem Umstand Rechnung
getragen, daß das piezoelektrische Element innerhalb einer
vorgegebenen Zeitspanne auf eine gewünschte Spannung auf
geladen werden soll bzw. muß.
Wird das piezoelektrische Element wie vorliegend als Aktor in
einer Kraftstoff-Einspritzdüse eines Common Rail Injectors
einer Brennkraftmaschine eingesetzt, so variieren die vorge
gebene Zeit und die gewünschte Spannung insbesondere in Ab
hängigkeit von
- 1) der pro Einspritzvorgang einzuspritzenden Kraftstoffmenge,
- 2) der Motordrehzahl,
- 3) dem Druck im Rail, und
- 4) der Motortemperatur.
Bei einem durch die Regeleinrichtung erfolgenden geregelten
Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements müssen in
der Anordnung zum Laden und Entladen des piezoelektrischen
Elements, also beispielsweise in der Anordnung gemäß Fig. 1
Sensoren zur Erfassung des Lade- bzw. Entladestroms und der
sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung vor
gesehen werden.
Der Lade- und Entladestrom wird dann beispielsweise durch
einen Zwei-Punkt-Regler innerhalb eines Bandes um den Soll-
Strom Isoll gehalten, wobei das Band durch einen oberhalb des
Soll-Stroms gelegenen Maximal-Strom Imax und einen unterhalb
des Soll-Stroms gelegenen Minimal-Strom Imin definiert
(begrenzt) wird.
Der durch den Stromsensor gemessene tatsächliche Ladestrom
bzw. Entladestrom Iist wird laufend mit dem Maximal-Strom Imax
und dem Minimal-Strom Imin verglichen. Wird Iist kleiner als
Imin oder größer als Imax, entfernt sich Iist also zu weit von
Isoll, so wird durch die Regeleinrichtung eine veränderte
Betätigung des Ladeschalters bzw. Entladeschalters veranlaßt.
Ein zu hoher Strom kann durch ein kürzeres und/oder weniger
häufiges Schließen des Ladeschalters bzw. Entladeschalters
reduziert werden, und ein zu niedriger Strom kann durch ein
längeres und/oder häufigeres Schließen des Ladeschalters bzw.
Entladeschalters erhöht werden. Auf diese Weise kann das
piezoelektrische Element durch einen im Mittel etwa gleich
bleibend hohen Strom geladen und entladen werden.
Zugleich wird laufend die am piezoelektrischen Element gemes
sene Spannung Uist mit der Soll-Endspannung Usoll verglichen.
Der Ladevorgang bzw. der Entladevorgang wird beendet, sobald
Usoll von Uist erreicht wird. Das piezoelektrische Element kann
dadurch durch einen im Mittel etwa gleichbleibend hohen Strom
auf eine vorbestimmte Spannung gebracht werden.
Der Vergleich von Iist mit Imin und Imax und der Vergleich von
Uist mit Usoll wird in analogen oder digitalen Vergleichern
durchgeführt. Die Referenzwerte der Vergleicher, d. h. Imin,
Imax und Usoll sind variabel, vorzugsweise betriebspunktabhän
gig einstellbar; es können jedoch auch fest eingestellte
(nicht veränderliche) Werte sein.
Die sich beim Laden und beim Entladen des piezoelektrischen
Elements unter Regelung durch die Regeleinrichtung ergebenden
Verhältnisse entsprechen den in der Fig. 6 dargestellten und
unter Bezugnahme darauf beschrieben Verhältnissen.
Verfolgt man den zeitlichen Verlauf der Ein- und/oder Aus
gangssignale der Vergleicher, so kann daraus auf besonders
einfache Art und Weise der zeitliche Verlauf und/oder Fort
schritt des Ladens oder Entladens ermittelt bzw. überwacht
werden. Weichen der ermittelte zeitliche Verlauf und/oder
Fortschritt des Ladens und/oder Entladens von einem bekannten
bestimmungsgemäßen Verlauf und/oder Fortschritt ab, so kann
daraus auf bestimmte Beschädigungen und Alterungserscheinun
gen des oder der jeweils zu ladenden oder entladenden piezo
elektrischen Elemente oder deren Zuleitungen geschlossen wer
den. Ein praktisches Beispiel wird nachfolgend unter Bezug
nahme auf die Fig. 7 beschrieben.
Die Fig. 7 zeigt stark schematisiert den bestimmungsgemäßen
Verlauf der sich an einem piezoelektrischen Element während
des Ladens desselben einstellenden Spannung. Die Spannung
steigt vom Beginn des Ladens an (Zeitpunkt t0) im wesent
lichen linear auf ihren Sollwert Usoll an; auf das Erreichen
des Sollwertes Usoll in, was bei dem betrachteten ordnungs
gemäß funktionierenden System zum Zeitpunkt ts der Fall ist,
wird der Ladevorgang beendet.
Die Zeit, während welcher das piezoelektrische Element gela
den wird bzw. werden muß, um auf die Spannung Usoll gebracht
zu werden, kann aus den Ein- und/oder Ausgangssignalen der
vorstehend bereits erwähnten Vergleicher ermittelt werden.
Im betrachteten Beispiel wird davon ausgegangen, daß es sich
bei dem zu ladenden piezoelektrischen Element um eine Viel
zahl von übereinandergestapelten Einzelelementen handelt.
Wird die Sollspannung ungefähr zum Zeitpunkt ts (innerhalb
eines sich von ts - Δt bis ts + Δt erstreckenden Toleranz
bereiches T) erreicht, so arbeiten das System und seine Kom
ponenten ordnungsgemäß.
Wird die Sollspannung vor ts - Δt erreicht, liegt also eine
gegenüber dem Normalfall verkürzte Ladezeit vor, so kann -
sofern das Laden unter den üblichen Bedingungen, insbesondere
mit dem üblichen Ladestrom durchgeführt wird - darauf ge
schlossen werden, daß das zu ladende piezoelektrische Element
beschädigt oder gealtert ist. Die verkürzte Ladezeit deutet
nämlich darauf hin, daß das zu ladende piezoelektrische Ele
ment eine gegenüber dem ungestörten Normalfall verringerte
Kapazität aufweist, was seinerseits wiederum ein Anzeichen
dafür ist, daß eines oder mehrere der übereinandergestapelten
piezoelektrischen Einzelelemente ausgefallen sind oder jeden
falls nicht mehr ihre ursprünglichen Eigenschaften besitzen.
Piezoelektrische Elemente weisen nämlich kapazitive Eigen
schaften auf, wobei sich die Gesamtkapazität aus der Summe
der Kapazitäten der piezoelektrischen Einzelelemente ergibt.
Verläuft die Verkürzung der Ladezeit sprungartig, so deutet
dies auf eine Beschädigung einzelner oder mehrerer piezoelek
trischer Einzelelemente hin. Stellt sich die Verkürzung der
Ladezeit nur allmählich ein, so kann eine Beschädigung oder
aber auch eine Alterung die Ursache sein.
Wird die Sollspannung nach ts + Δt erreicht, liegt also eine
gegenüber dem Normalfall verlängerte Ladezeit vor, so kann -
sofern das Laden unter den üblichen Bedingungen durchgeführt
wird - darauf geschlossen werden, daß die Zuleitung zum pie
zoelektrischen Element beschädigt ist; in diesem Fall kann
nämlich kein oder jedenfalls nicht der gewünschte Strom zum
piezoelektrischen Elementfließen.
Die selben Schlußfolgerungen lassen sich ziehen, wenn zusätz
lich oder alternativ verkürzte oder verlängerte Entladezeiten
detektiert werden.
Es erweist sich als günstig, wenn ungewöhnlich kurze oder
lange Lade- und/oder Entladezeiten zum Anlaß genommen werden,
vor einem möglichen Ausfall bzw. einer bereits eingetretenen
Verschlechterung des das betreffende piezoelektrische Element
enthaltenden Systems zu warnen.
Auf die beschriebene Art und Weise kann der Zustand des pie
zoelektrischen Elements allein durch eine Überwachung der
Lade- und/oder Entladezeiten desselben überprüft werden.
Erreicht die sich am piezoelektrischen Element einstellende
Spannung bereits vor oder erst nach einer vorbestimmten Zeit
nach einem bestimmten Ereignis oder Zeitpunkt die Sollspan
nung, so kann zweifelsfrei darauf geschlossen werden, daß das
piezoelektrische Element oder dessen Zuleitung aufgrund von
Defekten oder Alterungsprozessen nicht mehr ordnungsgemäß ar
beitet, wobei die Ursache hierfür sogar örtlich lokalisierbar
ist.
Die beschriebene Überwachung gestaltet sich erheblich ein
facher als bisher, wo eine Überprüfung des piezoelektrischen
Elements nur durch ein Vermessen desselben in einer Prüfvor
richtung erfolgen konnte; das piezoelektrische Element kann
im eingebauten Zustand während des normalen Betriebes über
wacht bzw. getestet werden, und die Überwachung bzw. der Test
kann im wesentlichen ohne komplizierte Zusatzeinrichtungen,
insbesondere auch ohne Strommesser oder dergleichen durch
geführt werden.
Anordnungen, die wie vorstehend beschrieben ansteuerbar sind,
können besonders einfach aufgebaut werden, da zum Laden und
zum Entladen des piezoelektrischen Elements mangels strenger
Anforderungen an die technischen Daten ein und dieselbe
Spule (bei der Anordnung gemäß Fig. 1 die Spule 2) verwend
bar ist. Dadurch kann die Anzahl der Bauelemente, insbeson
dere die Anzahl der von Haus aus relativ großen Spulen mini
mal gehalten werden. Anstelle der Spule(n) können bei ent
sprechend modifiziertem Schaltungsaufbau übrigens auch andere
induktive Eigenschaften aufweisende Bauelemente wie bei
spielsweise Übertrager, Transformatoren etc. verwendet wer
den.
Anstelle des einen piezoelektrischen Elements 1 können auf
die vorstehend beschriebene Art und Weise auch einzelne oder
mehrere piezoelektrische Elemente einer Vielzahl von parallel
angeordneten und über Auswahlschalter selektierbaren piezo
elektrischen Elementen geladen oder entladen werden.
Zusammenfassend kann abschließend festgestellt werden, daß
sich durch die wie beschrieben erfolgende Betätigung des
Ladeschalters und des Entladeschalters, genauer gesagt durch
das dadurch bewerkstelligte Laden und Entladen des piezoelek
trischen Elements durch einen vorgebbaren mittleren Lade-
bzw. Entladestrom auf eine vorgegebene Spannung ein für das
piezoelektrische Element schonendes und einfach an die indi
viduellen oder wechselnde Verhältnisse anpaßbares Laden und
Entladen durchführen läßt.
Claims (10)
1. Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen
Elements (1), wobei der das piezoelektrische Element ladende
Ladestrom bzw. der das piezoelektrische Element entladende
Entladestrom über ein induktive Eigenschaften aufweisendes
Bauelement (2) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein
im Ladestromkreis vorgesehener Schalter (3) bzw. ein im Ent
ladestromkreis vorgesehener Schalter (5) während des Ladens
bzw. Entladens derart wiederholt betätigt wird, daß das
piezoelektrische Element durch einen vorgegebenen mittleren
Lade- bzw. Entladestrom auf eine vorgegebene Spannung ge
bracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das piezoelektrische Element (1) als Aktor in einer Kraft
stoff-Einspritzdüse einer Brennkraftmaschine verwendet wird
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der mittlere Lade- bzw. Entladestrom und die vorgegebene
Spannung variabel sind und insbesondere in Abhängigkeit von
wenigstens der pro Einspritzvorgang einzuspritzenden Kraft
stoffmenge, der Motordrehzahl, dem Druck im Rail oder der
Motortemperatur festgelegt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Zeitpunkte, zu denen der zu be
tätigende Schalter (3, 5) geöffnet und geschlossen werden
muß, in einer Speichereinrichtung gespeichert sind und wäh
rend des Betriebs des piezoelektrischen Elements (1) aus die
ser ausgelesen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zeitpunkte, zu denen der zu betäti
gende Schalter (3, 5) geöffnet und geschlossen werden muß,
während des Betriebs des piezoelektrischen Elements (1)
aktuell berechnet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich
net, daß das Auslesen der Zeitpunkte, zu denen der zu betäti
gende Schalter (3, 5) geöffnet und geschlossen werden muß
bzw. die Berechnung derselben unter Berücksichtigung des
Betriebszustandes erfolgt, in welchem sich die das zu ladende
bzw. zu entladende piezoelektrische Element (1) enthaltende
Einrichtung zum betreffenden Zeitpunkt befindet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ladestrom bzw. der Entladestrom fort
laufend gemessen und durch ein entsprechendes Öffnen und
Schließen des zu betätigenden Schalters (3, 5) so nachgere
gelt wird, daß er innerhalb eines definierten Bandes um einen
Soll-Strom bleibt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Laden bzw. Entladen beendet wird, wenn eine Messung der
sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung er
gibt, daß diese eine Soll-Spannung erreicht hat.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich
net, daß die Zeit gemessen wird, die von einem bestimmten
Ereignis oder Zeitpunkt an vergeht, bis der Ladestrom bzw.
der Entladestrom die obere oder die untere Grenze des um den
Soll-Strom definierten Bandes erreicht hat oder bis die sich
am piezoelektrischen Element einstellende Spannung die Soll-
Spannung erreicht hat.
10. Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektri
schen Elements (1), wobei der das piezoelektrische Element
ladende Ladestrom bzw. der das piezoelektrische Element ent
ladende Entladestrom über ein induktive Eigenschaften aufwei
sendes Bauelement (2) geführt wird, gekennzeichnet durch eine
Steuer- oder Regeleinrichtung, welche dazu ausgelegt ist,
einen im Ladestromkreis vorgesehenen Schalter (3) bzw. einen
im Entladestromkreis vorgesehenen Schalter (5) während des
Ladens bzw. Entladens derart wiederholt zu betätigen, daß das
piezoelektrische Element durch einen vorgegebenen mittleren
Lade- bzw. Entladestrom auf eine vorgegebene Spannung ge
bracht wird.
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Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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8331 | Complete revocation |