DE19814594A1

DE19814594A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements

Info

Publication number: DE19814594A1
Application number: DE19814594A
Authority: DE
Inventors: Johannes-Joerg Rueger; Joerg Reineke; Alexander Hock
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1998-04-01
Publication date: 1999-10-07
Also published as: JPH11354853A

Abstract

Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, daß der Ladevorgang bzw. der Entladevorgang bereits eine gewisse Zeit vor dem Erreichen der gewünschten Spannung am piezoelektrischen Element beendet wird. Das piezoelektrische Element kann dadurch im Ergebnis exakt wunschgemäß weit geladen bzw. entladen werden; infolge des nicht sprungartig auf Null abfallenden Lade- bzw. Entladestromes wird das piezoelektrische Element nämlich auch eine gewisse Zeit nach dem Beenden des Ladens bzw. Entladens weiter geladen bzw. entladen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8, d. h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektri schen 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. 11 veranschaulicht.

Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element ist in der Fig. 11 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 107 des Entladestromkreises verhin dert, daß im Entladestromkreis ein das piezoelektrische Ele ment ladender Strom fließen kann.

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.

Zur Behebung dieser Nachteile kann vorgesehen werden, das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements getaktet, d. h. unter wiederholtem Öffnen und Schließen des Ladeschal ters während des Ladens bzw. unter wiederholtem Öffnen und Schließen des Entladeschalters während des Entladens durch zuführen.

Durch das getaktete Laden bzw. Entladen ändern sich die Funk tion und Wirkungsweise der Ladespule 104 und der Entladespule 108.

Beim nicht getakteten Laden bzw. Entladen wirken die Lade spule 104 und die Entladespule 108 als das induktive Element eines im Zusammenwirken mit dem piezoelektrische Element ge bildeten LC-Reihenschwingkreises, wobei die Induktivität des induktiven Elements und die Kapazität des piezoelektrischen Elements den Verlauf und den Umfang des Ladens und des Ent laden bestimmen (geladen und entladen wird jeweils nur mit der ersten Stromhalbwelle der ersten Schwingkreisschwingung, denn ein Weiterschwingen des Schwingkreises wird durch die im Ladestromkreis und Entladestromkreis enthaltenen Dioden unterbunden).

Beim getakteten Laden und Entladen werden die Ladespule 104 und der Entladespule 108 hingegen 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.

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.

Die Genauigkeit, mit welcher das piezoelektrische Element durch ein derartiges Laden und Entladen auf eine gewünschte Spannung gebracht wird, ist aber immer noch nicht in allen Fällen ausreichend.

Eine noch höhere Genauigkeit ist beispielsweise oftmals er forderlich, wenn das piezoelektrische Element als Aktor in einer Kraftstoff-Einspritzdüse einer Brennkraftmaschine ver wendet wird. Die Spannung, auf die das piezoelektrische Element durch das Laden und Entladen gebracht wird, bestimmt nämlich die Kraftstoffmenge, die pro Einspritzvorgang ein gespritzt wird, und für eine optimale Funktion der Brenn kraftmaschine muß diese Kraftstoffmenge mit hoher Genauigkeit einer vorgegebenen Soll-Kraftstoffmenge entsprechen, was insbesondere bei kleinen Kraftstoffmengen (wie sie beispiels weise bei der Voreinspritzung vorkommen) bislang nicht immer voll zufriedenstellend gelungen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 derart weiterzubilden, daß das piezoelektrische Element auf einfache Weise exakt auf einen wunschgemäßen Wert geladen und entladen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen den Teil des Patentanspruchs 1 (Verfahren) bzw. die im kenn zeichnenden Teil des Patentanspruchs 8 (Vorrichtung) bean spruchten Merkmale gelöst.

Demnach ist vorgesehen,

- daß der Ladevorgang bzw. der Entladevorgang bereits eine gewisse Zeit vor dem Erreichen der gewünschten Spannung am piezoelektrischen Element beendet wird (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 1) bzw.
- daß eine Lade- oder Entlade-Steuereinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, den Ladevorgang bzw. den Ent ladevorgang bereits eine gewisse Zeit vor dem Erreichen der gewünschten Spannung am piezoelektrischen Element zu be enden (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 8).

Dadurch, daß das Laden bzw. Entladen des piezoelektrischen Elements nicht erst bei Erreichen der gewünschten Spannung beendet wird, kann verhindert werden, daß das piezoelektri sche Element weiter als gewünscht geladen oder entladen wird. Das piezoelektrische Element wird nämlich durch den bei der Beendigung des Lade- bzw. Entladevorganges nicht sprungartig auf Null zurückgehenden Lade- bzw. Entladestrom auch noch eine gewisse Zeit nach der Beendigung des Lade- bzw. Entlade vorganges weiter geladen bzw. entladen. Beendet man den Lade- bzw. Entladevorgang zum richtigen Zeitpunkt vor dem Erreichen der gewünschten Spannung, so kann dadurch im Ergebnis genau die gewünschte Spannung am piezoelektrischen Element erreicht werden.

Das piezoelektrische Element kann so auf einfache Weise exakt auf einen wunschgemäßen Wert geladen und entladen 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 Figuren näher erläutert. Es zei gen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anord nung 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 die zeitlichen Verläufe des Ladestroms und der sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung beim Laden des piezoelektrischen Elements durch die Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 7 ein Kennlinienfeld zur Veranschaulichung der sich zwischen verschiedenen elektrischen Größen beim Laden des piezoelektrischen Elements durch die Anordnung gemäß Fig. 1 einstellenden Zusammenhänge,

Fig. 8 ein weiteres Kennlinienfeld zur Veranschaulichung der sich zwischen verschiedenen elektrischen Größen beim Laden des piezoelektrischen Elements durch die Anord nung gemäß Fig. 1 einstellenden Zusammenhänge,

Fig. 9 ein Kennlinienfeld zur Veranschaulichung der sich zwischen verschiedenen elektrischen Größen beim Ent laden des piezoelektrischen Elements durch die Anord nung gemäß Fig. 1 einstellenden Zusammenhänge,

Fig. 10 ein weiteres Kennlinienfeld zur Veranschaulichung der sich zwischen verschiedenen elektrischen Größen beim Entladen des piezoelektrischen Elements durch die Anordnung gemäß Fig. 1 einstellenden Zusammen hänge, und

Fig. 11 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.

Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine Anordnung be schrieben, durch die ein oder mehrere piezoelektrische Ele mente genau wunschgemäß weit geladen und entladen werden kön nen.

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 über einen (Meß-) Widerstand 15 dauerhaft auf Masse (ist über den Widerstand 15 mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle verbunden), wohin gegen der andere der Anschlüsse des piezoelektrischen Ele ments über eine (zugleich als Ladespule und Entladespule wir kende) Spule 2 und eine Parallelschaltung aus einem (im be trachteten Beispiel durch einen Transistor gebildeten) Lade schalter 3 und einer Diode 4 mit dem zweiten Pol der Span nungsquelle und über die Spule 2 und eine Parallelschaltung aus einem (im betrachteten Beispiel ebenfalls durch einen Transistor gebildeten) 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. Bei den Darstellungen in den Fig. 2 bis 5 wurde der zur (Ent-)Ladestrommessung benö tigte Widerstand 15 unberücksichtigt gelassen; dessen Einfluß kann für die vorliegenden Betrachtungen jedoch vernachlässigt werden.

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 i_LE(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 i_LA(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 i_EE(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 i_EA(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.

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, wobei sich die Zeiten, während welcher die jeweiligen Schal ter geschlossen sind, und die Zeiten, während welcher die jeweiligen Schalter geöffnet sind, gleich oder unterschied lich lang sein können und selbst innerhalb eines jeweiligen Lade- bzw. Entladevorganges beliebig verändert werden können.

Die Betätigung des Ladeschalters 3 und des Entladeschalters 5 wird durch eine Regeleinrichtung 10 veranlaßt; die von der Regeleinrichtung 10 ausgegebenen Schalterbetätigungssignale werden dem Ladeschalter 3 und dem Entladeschalter 5 über Treiber 11 und 12 zugeführt.

Die Regeleinrichtung 10 öffnet und schließt den Ladeschalter 3 und den Entladeschalter 5 unter anderem in Abhängigkeit von der sich am piezoelektrischen Element 1 einstellenden Span nung und der Größe des Ladestromes bzw. Entladestromes; die sich am piezoelektrischen Element 1 einstellende Spannung erhält die Regeleinrichtung 10 von einer Spannungsmeßeinrich tung 13, und die Größe des Ladestromes bzw. Entladestromes von einer Strommeßeinrichtung 14.

Der Ladeschalter 3 und der Entladeschalter 5 werden so betä tigt, daß der Ladestrom bzw. der Entladestrom zwischen einem Maximalwert i_max und einem Minimalwert i_min Pendeln. Der Maxi malwert i_max und der Minimalwert i_min werden dabei so fest gelegt, daß das piezoelektrische Element 1 durch das Laden bzw. Entladen innerhalb einer bestimmten Zeit auf eine be stimmte Spannung gebracht wird.

Wird das piezoelektrische Element wie vorliegend als Aktor in einer Kraftstoff-Einspritzdüse eines Common Rail Injectors einer Brennkraftmaschine eingesetzt, so variieren die be stimmte Zeit und die bestimmte Spannung insbesondere in Abhängigkeit von

1. der pro Einspritzvorgang einzuspritzenden Kraftstoffmenge,
2. der Motordrehzahl,
3. dem Druck im Rail, und
4. der Motortemperatur.

Der sich beim Laden des piezoelektrischen Elements ergebende Verlauf des Ladestromes und die sich als Folge dessen am piezoelektrischen Element einstellende Spannung sind in Fig. 6 veranschaulicht, wobei der Ladestromverlauf durch die Kurve B und der Spannungsverlauf durch die Kurve A repräsentiert werden.

Aus der Fig. 6 sind auch die Verhältnisse ersichtlich, die sich einstellen, wenn der Ladevorgang zum Zeitpunkt t_A durch Öffnen und Geöffnetlassen des Ladeschalters 3 beendet wird.

Die Beendigung des Ladevorganges bewirkt, daß der Ladestrom auf Null zurückgeht. Wie aus der Fig. 6 ersichtlich ist, vollzieht sich der Rückgang des Ladestromes dabei jedoch nicht etwa sprungartig, sondern nur allmählich innerhalb einer Zeitspanne t₀. Dies hat zur Folge, daß die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung auch nach dem Beenden des Ladevorganges weiter ansteigt, wobei dieser wei tere Anstieg andauert, bis der Ladestrom auf Null abgesunken ist; die sich am piezoelektrischen Element einstellende Span nung steigt innerhalb der Zeitspanne t₀ von der zum Zeitpunkt t_A eingenommenen Größe U_A auf den sich nicht mehr ändernden Wert U_End.

Entsprechendes gilt auch für das Entladen des piezoelektri schen Elements.

Die Regeleinrichtung 10 ist im vorliegend betrachteten Bei spiel dazu ausgelegt, das Laden des piezoelektrischen Ele ments (durch Öffnen und Geöffnetlassen des Ladeschalters 3) bzw. das Entladen des piezoelektrischen Elements (durch Öff nen und Geöffnetlassen des Entladeschalters 5) zu einem Zeit punkt zu beenden, zu dem davon ausgegangen werden kann, daß die Spannung U_End, die sich durch das nach dem Beenden des Lade- bzw. Entladevorganges erfolgende weitere Laden bzw. Entladen des piezoelektrische Element ergibt, genau die ge wünschte Spannung ist, auf die das piezoelektrische Element durch das Laden bzw. Entladen desselben gebracht werden soll.

Dies wird im vorliegend betrachteten Beispiel dadurch reali siert, daß unter Berücksichtigung des momentanen (Ent-) Ladestromes i(t) und der sich momentan am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung u_p(t) fortlaufend die (End-) Spannung u_End bestimmt wird, die sich ergeben würde, wenn der (Ent-)Ladevorgang durch Öffnen und Geöffnetlassen des (Ent-) Ladeschalters augenblicklich beendet werden würde, und daß der (Ent-)Ladevorgang beendet wird, sobald die End-Spannung u_End die (Soll-)Spannung erreicht hat, auf die das piezoelek trische Element durch das (Ent-)Laden gebracht werden soll. Anders als in solchen Fällen üblich wird also nicht die mo mentane Ist-Spannung, sondern die im Voraus ermittelte End- Spannung u_End mit der Soll-Spannung verglichen.

Die Ermittlung der End-Spannung u_End basiert im vorliegend be trachteten Beispiel auf der Erkenntnis, daß piezoelektrische Elemente in erster Näherung kapazitives Verhalten aufweisen. u_End läßt sich damit aus

berechnen, wobei
C_p die Kapazität des piezoelektrischen Elements,
i(t) den Ladestrom i_L(t) bzw. den Entladestrom i_E(t),
u_p0 die die sich zum Zeitpunkt t^Ades des Öffnens und Geöffnet lassens des (Ent-)Ladeschalters am piezoelektrischen Element einstellende Spannung (die Spannung U_A gemäß Fig. 6),
t_A den Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnetlassens des (Ent-) Ladeschalters, und
t₀ die Zeitspanne, innerhalb welcher der (Ent-)Ladestrom nach dem Öffnen und Geöffnetlassens des (Ent-)Lade schalters auf Null zurückgeht,
bezeichnen.

Da sich beim Laden nach dem Öffnen des Ladeschalters die in Fig. 3 gezeigten Verhältnisse einstellen, lassen sich der Ladestrom i_L(t) und die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung u_p(t) zu

errechnen, wobei
i₀ den Ladestrom zum Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnet lassens des Ladeschalters, und
L die Induktivität der Spule 2
bezeichnen und

gilt.

Damit errechnet sich die Zeitspanne t₀, innerhalb welcher der Ladestrom auf Null abgesunken ist, zu

Setzt man i_L(t) gemäß Gleichung (2), u_p(t) gemäß Gleichung (3), und t₀ gemäß Gleichung (5) in Gleichung (1) ein, so er gibt sich die gesuchte End-Spannung u_End zu

Die End-Spannung u_End ist eine Funktion des Ladestromes und der sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung zum Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnetlassens des Ladeschal ters; sie kann entweder nach Gleichung (6) jeweils aktuell berechnet oder einer entsprechenden Zuordnungstabelle ent nommen werden.

Die Ermittlung der sich beim Entladen des piezoelektrischen Elements einstellenden End-Spannung erfolgt analog zur Er mittlung der sich beim Laden des piezoelektrischen Elements einstellenden End-Spannung.

Da sich beim Entladen nach dem Öffnen des Entladeschalters die in Fig. 5 gezeigten Verhältnisse einstellen, lassen sich der Entladestrom i_E(t) und die sich am piezoelektrischen Ele ment einstellende Spannung u_p(t) zu

errechnen, wobei
C_B die Kapazität des Kondensators 9,
i₀ den Entladestrom zum Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnet lassens des Entladeschalters,
L die Induktivität der Spule 2, und
U_B0 die sich zum Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnetlassens des Entladeschalters am Kondensator 9 einstellende Span nung
bezeichnen und

gilt.

Damit errechnet sich die Zeitspanne t₀, innerhalb welcher der Entladestrom auf Null abgesunken ist, zu

Setzt man i_E(t) gemäß Gleichung (7), u_p(t) gemäß Gleichung (8), und t₀ gemäß Gleichung (10) in Gleichung (1) ein, so läßt sich auch die sich beim Entladen zu erwartende End- Spannung exakt im voraus ermitteln.

Wie beim Laden des piezoelektrischen Elements kann die zu er mittelnde End-Spannung entweder aktuell berechnet oder einer entsprechenden Zuordnungstabelle entnommen werden.

Die sich beim Entladen einstellende End-Spannung hängt im Gegensatz zu der sich beim Laden einstellenden End-Spannung zusätzlich von der sich zum Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnetlassens des Entladeschalters am Kondensator 9 ein stellenden Spannung U_B0, also von insgesamt drei unabhängigen Variablen ab. Die Abhängigkeit von der Spannung U_B0 kann je doch vernachlässigt werden, da diese Spannung gewöhnlich nur in einem sehr engen Spannungsbereich variiert und derartige Variationen keinen wesentlichen Einfluß auf die End-Spannung U_End haben. Damit sind auch beim Entladen des piezoelektri schen Elements "nur" der Entladestrom und die sich am piezo elektrischen Element einstellende Spannung zu berücksichti gen.

Die Abhängigkeit der End-Spannung U^End und der nach dem Be enden des (Ent-)Ladevorganges durch Öffnen und Geöffnetlassen des (Ent-)Ladeschalters erfolgenden Veränderung der sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung vom (Ent-) Ladestrom und der sich am piezoelektrischen Element einstel lenden Spannung zum Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnetlassens des (Ent-)Ladeschalters sind in den Fig. 7 bis 10 als Kennlinienfelder dargestellt, wobei die Fig. 7 und 8 das Laden des piezoelektrischen Elements, und die Fig. 9 und 10 das Entladen des piezoelektrischen Elements betreffen.

Die Fig. 4 bis 7 zeigen deutlich, daß die sich einstel lende End-Spannung sehr stark vom (Ent-)Ladestrom zum Zeit punkt des Öffnens und Geöffnetlassens des (Ent-)Ladeschalters abhängt und es folglich sehr bedeutsam ist, den Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnetlassens des (Ent-)Ladeschalters nicht nur in Abhängigkeit von der sich momentan am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung, sondern auch vom momentanen (Ent-)Ladestrom abhängig zu machen.

In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, daß es nicht sinnvoll ist, den (Ent-)Ladestrom durch Verkleinern des Ban des, innerhalb dessen er pendeln kann, weniger schwanken zu lassen. Dann müßte nämlich der (Ent-)Ladeschalter häufiger und in kürzeren zeitlichen Abständen betätigt werden, was einen erheblichen Anstieg der Verlustleistung zur Folge hätte.

Das vorstehend beschriebene Laden und Entladen von piezoelek trischen Elementen erfolgte unter Verwendung einer Regelein richtung (der Regeleinrichtung 10). Wenn der (Ent-)Ladestrom und die sich am piezoelektrischen Element einstellende Span nung ohne aktuelle Messung derselben, also beispielsweise rechnerisch oder unter Verwendung einer Tabelle bestimmbar sind, so kann anstelle einer Regeleinrichtung auch eine Steuereinrichtung verwendet werden. Dies hätte den Vorteil, daß auf die Spannungsmeßeinrichtung 13 und die Strommeß einrichtung 14 verzichtet werden kann.

Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung ermöglichen es unabhängig von den Einzelheiten der prakti schen Realisierung derselben, daß unter Verwendung derselben zu ladende oder zu entladende piezoelektrische Elemente exakt wunschgemäß weit geladen und entladen werden können.

Claims

1. Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements (1) auf eine gewünschte Spannung, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ladevorgang bzw. der Entladevorgang bereits eine gewisse Zeit vor dem Erreichen der gewünschten Spannung am piezoelektrischen Element beendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laden bzw. Entladen des piezoelektrischen Elements (1) unter wiederholtem Öffnen und Schließen eines im Ladestrom kreis vorgesehenen Ladeschalters (3) bzw. eines im Entlade stromkreis vorgesehenen Entladeschalters (5) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beenden des Ladevorganges bzw. des Entladevorganges durch Öffnen und Geöffnetlassen des Ladeschalters (3) bzw. des Ent ladeschalters (5) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Ladevorgang bzw. der Entlade vorgang zu einem Zeitpunkt beendet wird, zu dem davon aus gegangen werden kann, daß die sich am piezoelektrischen Ele ment (1) einstellende Spannung (u_p) infolge des nicht sprung artig auf Null abfallenden Lade- bzw. Entladestromes noch ge nau bis zum Erreichen der gewünschten Spannung ansteigt bzw. abfällt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß während des Ladens bzw. Entladens des piezoelektrischen Ele ments (1) fortlaufend die End-Spannung (u_End) ermittelt wird, auf die das piezoelektrische Element noch weiter geladen bzw. entladen werden würde, wenn der Ladevorgang bzw. der Entlade vorgang augenblicklich beendet werden würde.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die fortlaufend ermittelte End-Spannung (u_End) fortlaufend mit der Spannung verglichen wird, auf welche das piezoelektrische Element (1) durch das Laden bzw. Entladen gebracht werden soll.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß die End-Spannung (u_End) unter Berücksichtigung des momentanen Lade- bzw. Entladestroms und der sich momentan am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung ermittelt wird.

8. Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektri schen Elements (1) auf eine gewünschte Spannung, gekennzeich net durch eine Steuer- oder Regeleinrichtung (10), die dazu ausgelegt ist, den Ladevorgang bzw. den Entladevorgang be reits eine gewisse Zeit vor dem Erreichen der gewünschten Spannung am piezoelektrischen Element zu beenden.