DE19805184A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der Temperatur eines piezoelektrischen Elements - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der Temperatur 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 6, d. h. ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Ermitteln der Temperatur eines piezo
elektrischen Elements.
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. 7
veranschaulicht.
Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element
ist in der Fig. 7 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 Ladestomkreis
aus einer Serienschaltung des Ladeschalters 102, einer Diode
103, einer Ladespule 104, des piezoelektrischen Elements 101,
und einer Spannungsquelle 105 besteht, und wobei der Entlade
stromkreis aus einer Serienschaltung des Entladeschalters
106, einer Diode 107, einer Entladespule 108 und des piezo
elektrischen 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 piezo
elektrischen Elements 101 werden nach dem Entladen desselben
im wesentlichen unverändert beibehalten.
Durch die in der Fig. 7 gezeigte Anordnung läßt sich das
piezoelektrische Element 101 mit relativ geringem Aufwand
laden und entladen.
Das Verhalten des piezoelektrischen Elements, insbesondere
die durch das Laden und Entladen bewirkte Längenänderung (der
Hub) desselben ist allerdings stark temperaturabhängig. Damit
piezoelektrische Elemente als Stellglieder bzw. Aktoren in
Kraftstoff-Einspritzdüsen eingesetzt werden können, müssen
sie abhängig von deren Temperatur geladen und entladen wer
den. Zur Erfassung der Temperatur des piezoelektrischen
Elements kann beispielsweise ein Temperatursensor verwendet
werden, der auf das piezoelektrische Element aufgeklebt wird.
Dies ist jedoch relativ aufwendig und kann das betreffende
piezoelektrische Element auch in seiner Funktion beeinflus
sen.
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 6 derart weiterzubilden, daß sich die Temperatur
von piezoelektrischen Elementen möglichst einfach und ohne
Beeinflussung deren Funktion ermitteln läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen
den Teil des Patentanspruchs 1 (Verfahren) und durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 6 (Vorrichtung) be
anspruchten Merkmale gelöst.
Demnach ist vorgesehen,
- - die Kapazität des piezoelektrischen Elements bei der ge suchten Temperatur zu ermitteln, und die gesuchte Tempera tur des piezoelektrischen Elements basierend auf der er mittelten Kapazität und der Temperaturabhängigkeit der Kapazität zu bestimmen (kennzeichnender Teil des Patent anspruchs 1) bzw.
- - Mittel zum Ermitteln der Kapazität des piezoelektrischen Elements bei der gesuchten Temperatur und zum Bestimmen der gesuchten Temperatur des piezoelektrischen Elements basie rend auf der ermittelten Kapazität und der Temperaturabhän gigkeit der Kapazität vorzusehen (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 6).
Die Ermittlung der Temperatur des piezoelektrischen Elements
auf dem Umweg über dessen Kapazität und deren Temperatur
abhängigkeit erweist sich als relativ einfach, weil
- 1) die Abhängigkeit der Kapazität des piezoelektrischen Elements von dessen Temperatur nahezu linear ist, und
- 2) die Ermittlung der Kapazität des piezoelektrischen Ele ments mit relativ geringem Aufwand durchführbar ist (die Kapazität läßt sich beispielsweise aus bei einem Lade- oder Entladevorgang ermittelten oder verwendeten Werten des (Ent-)Ladestroms, der (Ent-)Ladezeit und der sich dabei am piezoelektrischen Element einstellenden Span nung oder der sich dadurch ergebenden Längenänderung des piezoelektrischen Elements berechnen).
Auf das Vorsehen eines Temperatursensors kann verzichtet wer
den; die Temperatur kann auch ohne einen solchen Sensor, also
einfach und gänzlich ohne Beeinflussung der Funktion des
piezoelektrischen Elements ermittelt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter
ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Figuren ent
nehmbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie
len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 eine Anordnung zum Laden und Entladen eines piezo
elektrischen Elements mit einstellbarem Lade- bzw.
Entladestrom,
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 beim Betrieb der An
ordnung gemäß Fig. 1 einstellenden Spannungs- und
Stromverläufen, und
Fig. 7 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 ge
rade umgekehrt ist.
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung
sind im betrachteten Beispiel insbesondere dazu ausgelegt,
den das piezoelektrische Element ladenden Ladestrom und den
das piezoelektrische Element entladenden Entladestrom unter
Berücksichtigung der Temperatur des piezoelektrischen Ele
ments einzustellen, wobei die Ermittlung der Temperatur des
piezoelektrischen Elements durch Ermitteln der Kapazität des
piezoelektrischen Elements bei der gesuchten Temperatur, und
Bestimmen der gesuchten Temperatur des piezoelektrischen Ele
ments basierend auf der ermittelten Kapazität und der Tempe
raturabhängigkeit der Kapazität erfolgt.
Eine Anordnung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen
Elements mit einstellbarem Lade- und Entladestrom ist in
Fig. 1 gezeigt und wird nachfolgend unter Bezugnahme darauf
beschrieben.
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),
wohingegen 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 während einer vorbestimmten Zeit
und/oder eine vorbestimmte Anzahl von Malen geschlossen und
geöffnet und/oder hat das piezoelektrische Element 1 den ge
wünschten Ladezustand erreicht, so wird das Laden des piezo
elektrischen 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 während einer vorbestimmten Zeit
und/oder eine vorbestimmte Anzahl von Malen geschlossen und
geöffnet und/oder hat das piezoelektrische Element den ge
wünschten Entladezustand erreicht, so wird das Entladen des
piezoelektrischen Elements durch Offenlassen des Entlade
schalters 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.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß Anordnungen nach Art der
Fig. 7 nicht für ein getaktetes Laden und/oder Entladen von
piezoelektrischen Elementen ausgelegt sind. Dort wirken die
Lade- und Entladespulen nämlich als das induktive Element
eines im Zusammenwirken mit dem piezoelektrische Element
gebildeten LC-Reihenschwingkreises, wobei die Induktivität
des induktiven Elements und die Kapazität des piezoelektri
schen Elements allein den Verlauf und den Umfang des Ladens
und des Entladens bestimmen (geladen und entladen werden kann
jeweils nur mit der ersten Stromhalbwelle der ersten Schwing
kreisschwingung, denn ein Weiterschwingen des Schwingkreises
wird durch die im Ladestromkreis und Entladestromkreis ent
haltenen Dioden unterbunden).
Im Gegensatz hierzu wird bei zum getakteten Laden und Ent
laden ausgelegten Anordnungen (beispielsweise bei Anordnungen
nach Art der Fig. 1) die Spule (oder ein anderes induktive
Eigenschaften aufweisendes Element) als ein Energie-Zwischen
speicher verwendet, der abwechselnd von der Stromversorgungs
quelle (beim Laden) bzw. vom piezoelektrischen Element (beim
Entladen) zugeführte elektrische Energie (in Form von magne
tischer Energie) speichert und - nach einer entsprechenden
Schalterbetätigung - die gespeicherte Energie in Form von
elektrischer Energie an das piezoelektrische Element (beim
Laden) bzw. einen anderen Energiespeicher oder einen elektri
schen Verbraucher (beim Entladen) abgibt, wobei die Zeit
punkte und die Dauer (und damit auch der Umfang) der Energie
speicherung und der Energieabgabe durch die Schalterbetäti
gung(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.
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 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.
Der Lade- bzw. Entladestrom, der sich dabei einstellen soll,
wird im betrachteten Beispiel unter Berücksichtigung der
Temperatur des zu ladenden bzw. zu entladenden piezoelektri
schen Elements festgelegt, wobei jedoch der Ladestrom und der
Entladestrom während eines jeweiligen Lade- bzw. Entlade
vorganges im wesentlichen konstant gehalten werden; gegebe
nenfalls erforderliche Veränderungen des Lade- und/oder Ent
ladestromes können bei Bedarf aber auch während eines Lade-
bzw. Entladevorganges durchgeführt werden.
Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, wird die Temperatur des
piezoelektrischen Elements im betrachteten Beispiel über des
sen Kapazität und deren Temperaturabhängigkeit bestimmt.
Die Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Elements
kann durch eine Versuchsmessung bestimmt werden; die Meß
ergebnisse können in einer Tabelle abgelegt werden oder zur
Aufstellung einer Umrechnungsvorschrift verwendet werden.
Die Ermittlung der Temperaturabhängigkeit braucht nur ein
einziges Mal durchgeführt zu werden; sofern die Temperatur
abhängigkeit veränderlich ist (sich beispielsweise abhängig
vom Alter oder der Gebrauchsdauer oder der Gebrauchshäufig
keit des piezoelektrischen Elements ändert), kann auch vor
gesehen werden, die Temperaturabhängigkeit in bestimmten
zeitlichen Abständen oder im Ansprechen auf bestimmte Ereig
nisse zu wiederholen.
Bei Kenntnis der Temperaturabhängigkeit der Kapazität des
piezoelektrischen Elements kann aus der momentanen Kapazität
des piezoelektrischen Elements dessen Temperatur bestimmt
werden.
Die Kapazität des piezoelektrischen Elements wird im betrach
teten Beispiel nicht direkt gemessen, sondern unter Verwen
dung der bei einem Ladevorgang oder einem Entladevorgang er
mittelten bzw. verwendeten Werte des (Ent-)Ladestroms, der
(Ent-)Ladezeit und der sich dadurch am piezoelektrischen Ele
ment einstellenden Spannung berechnet. Dabei erweist es sich
als vorteilhaft, wenn das (Ent-)Laden unter Verwendung eines
bekannten (Ent-)Ladestromes erfolgt und andauert, bis sich am
piezoelektrischen Element eine vorbestimmte Spannung ein
stellt; dann müssen nämlich "nur" die (Ent-)Ladezeit und die
sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung ge
messen bzw. überwacht werden, was mit einfachen Mitteln und
ohne Beeinflussung der Funktion des piezoelektrischen Ele
ments möglich ist.
Die Formel, nach welcher sich die Kapazität des piezoelektri
schen Elements aus den genannte Größen berechnen läßt, lautet
wobei
CP die Kapazität des piezoelektrischen Elements
I den (Ent-)Ladestrom
Δt die (Ent-)Ladezeit, und
UP die sich am piezoelektrischen Element einstellende Span nung
repräsentieren.
CP die Kapazität des piezoelektrischen Elements
I den (Ent-)Ladestrom
Δt die (Ent-)Ladezeit, und
UP die sich am piezoelektrischen Element einstellende Span nung
repräsentieren.
Die Kapazität des piezoelektrischen Elements kann auch über
das Ausmaß bestimmt werden, um das sich das piezoelektrische
Element beim Laden bzw. Entladen desselben ausdehnt bzw.
zusammenzieht. Dabei kann man von dem Umstand Gebrauch
machen, daß die durch das Laden bzw. Entladen des piezoelek
trischen Elements verursachte Längenänderung desselben pro
portional zu der sich durch das Laden oder Entladen des
piezoelektrischen Elementes dort einstellenden Spannung ist,
und daß die Spannung, die sich am piezoelektrischen Element
einstellt, wenn dieses eine bestimmte Zeit mit einem bestimm
ten Strom geladen oder entladen wird, im wesentlichen aus
schließlich von der Kapazität des piezoelektrischen Elementes
abhängt.
Der Zusammenhang zwischen der Längenänderung des piezoeelek
trischen Elements, der sich am piezoelektrischen Element ein
stellenden Spannung, und der Kapazität des piezoelektrischen
Elements läßt sich mathematisch durch
ausdrücken, wobei
Δl die Längenänderung am piezoelektrischen Element
d33 die piezoelektrische Ladungskonstante
UP die sich am piezoelektrischen Element einstellende Span nung
CP die Kapazität des piezoelektrischen Elements
I der (Ent-)Ladestrom, und
tn die (Ent-)Ladezeit
repräsentieren.
Δl die Längenänderung am piezoelektrischen Element
d33 die piezoelektrische Ladungskonstante
UP die sich am piezoelektrischen Element einstellende Span nung
CP die Kapazität des piezoelektrischen Elements
I der (Ent-)Ladestrom, und
tn die (Ent-)Ladezeit
repräsentieren.
Abhängig von der so oder anders ermittelten Temperatur des
piezoelektrischen Elements können je nach den individuellen
Erfordernissen der (Ent-)Ladestrom, die (Ent-)Ladezeit
und/oder die Spannung, auf die das piezoelektrische Element
zu bringen ist, variiert werden.
Die Einhaltung der festgelegten Werte wird durch Vorsehen
einer die Anordnung gemäß Fig. 1 steuernde Steuereinrichtung
oder regelnde Regeleinrichtung erreicht, wobei der Stromfluß
jedoch sowohl bei der Steuerung als auch bei der Regelung
durch ein entsprechend häufiges und langes Öffnen und
Schließen des Ladeschalters bzw. des Entladeschalters
eingestellt wird.
Im Ergebnis gelangt man sowohl bei der Steuerung als auch bei
der Regelung 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 im betrachteten Beispiel am piezo
elektrischen Element eine im Mittel gleichmäßig auf einen
vorgegebenen Endwert ansteigende Spannung (Kurve A) ein
stellt; aus dem wie gezeigt erfolgenden wiederholten
Schließen und Öffnen des Entladeschalters (Kurve D) re
sultiert ein zwar schwankender, aber im Mittel gleichbleibend
großer Entladestrom (Kurve B), durch den sich im betrachteten
Beispiel am piezoelektrischen Element eine im Mittel gleich
mäßig auf einen vorgegebenen Endwert abfallende Spannung
(Kurve A) einstellt.
Der mittlere Lade- bzw. Entladestrom, aber auch die Spannung,
auf die das piezoelektrische Element zu laden bzw. zu ent
laden ist, sind im betrachteten Beispiel variabel und können
nicht nur in Abhängigkeit von der Temperatur des piezoelek
trischen Elements, sondern zusätzlich insbesondere in Abhän
gigkeit von der pro Einspritzvorgang einzuspritzenden Kraft
stoffmenge, der Motordrehzahl, dem Druck im Rail oder der
Motortemperatur festgelegt werden.
Die Temperatur des piezoelektrischen Elements und die darauf
basierenden Veränderungen (Anpassungen) der veränderbaren
Parameter wird dabei vorzugsweise für jede Einspritzdüse
separat vorgenommen. Dadurch kann erreicht werden, daß der
Betrieb aller Einspritzdüsen unabhängig voneinander optimal
an die jeweiligen Verhältnisse anpaßbar ist.
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung
zum Ermitteln der Temperatur von piezoelektrischen Elementen
ermöglichen es dabei unabhängig von den Einzelheiten deren
praktischer Realisierung, die Temperatur von piezoelektri
schen Elementen einfach und ohne Beeinflussung deren Funktion
zu ermitteln.
Claims (6)
1. Verfahren zum Ermitteln der Temperatur eines piezo
elektrischen Elements (1), gekennzeichnet durch die Schritte:
Ermitteln der Kapazität des piezoelektrischen Elements bei
der gesuchten Temperatur, und Bestimmen der gesuchten Tempe
ratur des piezoelektrischen Elements basierend auf der er
mittelten Kapazität und der Temperaturabhängigkeit der Kapazi
tät.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kapazität des piezoelektrischen Elements (1) basierend
auf der Längenänderung des piezoelektrischen Elements berech
net wird, welche dieses beim Laden bzw. Entladen erfährt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kapazität des piezoelektrischen Elements (1) basierend
auf den während eines Ladevorganges oder Entladevorganges er
mittelten oder verwendeten Werten des Lade- oder Entlade
stromes, der Lade- oder Entladezeit und der sich dadurch am
piezoelektrischen Element einstellenden Spannung berechnet
wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (1)
als Aktor in einer Kraftstoff-Einspritzdüse einer Brennkraft
maschine verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperaturermittlung an jeder Kraftstoff-Einspritzdüse
durchgeführt wird.
6. Vorrichtung zum Ermitteln der Temperatur eines piezo
elektrischen Elements, gekennzeichnet durch Mittel zum
Ermitteln der Kapazität des piezoelektrischen Elements bei
der gesuchten Temperatur und zum Bestimmen der gesuchten Tem
peratur des piezoelektrischen Elements basierend auf der er
mittelten Kapazität und der Temperaturabhängigkeit der Kapazi
tät.
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