DE19854789A1 - 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 piezoelektrischen Elements.
Bei den vorliegend näher betrachteten piezoelektrischen
Elementen handelt es sich insbesondere, aber nicht
ausschließlich um als Aktoren bzw. Stellglieder
verwendete piezoelektrische 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
piezoelektrische Elemente erweist sich insbesondere
dann von Vorteil, wenn das betreffende Stellglied
schnelle und/oder häufige 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 einstellenden 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 auftretenden Ladestrom und den beim
Entladen auftretenden Entladestrom 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 schließbaren 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
Entladeschalters 106, einer Diode 107, einer
Entladespule 108 und des piezoelektrischen Elements 101
besteht.
Die Diode 103 des Ladestromkreises verhindert, daß im
Ladestromkreis ein das piezoelektrische Element
entladender Strom fließen kann. Die Diode 103 und der
Ladeschalter 102 sind gemeinsam als ein
Halbleiterschalter realisierbar.
Die Diode 107 des Entladestromkreises verhindert, daß
im Entladestromkreis 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
geschlossen, so fließt im Ladestromkreis ein Ladestrom,
durch welchen das piezoelektrische Element 101 geladen
wird; die im piezoelektrischen Element 101 gespeicherte
Ladung bzw. die sich an diesem dadurch einstellende
Spannung und damit auch die aktuellen 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 Entladestrom, durch welchen das
piezoelektrische Element 101 entladen 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.
Allerdings ist es bei dieser und anderen Anordnungen
zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen
bislang noch nicht gelungen, das Laden und Entladen so
ablaufen zu lassen, daß der Ladezustand des
piezoelektrischen Elements nach dem Laden und Entladen
desselben und/oder die Zeit, während welcher das
piezoelektrische Element geladen oder entladen werden
muß, um einen bestimmten Ladungszustand zu erreichen,
immer und überall genau die gewünschten Werte annehmen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 bzw. die Vorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 10 derart
weiterzubilden, daß das Laden und das Entladen von
piezoelektrischen Elementen stets wunschgemäß schnell
und weit durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 (Verfahren)
und durch die im kennzeichnenden Teil des
Patentanspruchs 10 (Vorrichtung) beanspruchten Merkmale
gelöst.
Demnach ist vorgesehen,
- - daß der das piezoelektrische Element ladende Ladestrom bzw. der das piezoelektrische Element entladende Entladestrom unter Berücksichtigung der Kapazität des piezoelektrischen Elements eingestellt wird (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 1) bzw.
- - daß eine Steuer- oder Regeleinrichtung vorgesehen ist, welche dazu ausgelegt ist, den das piezoelektrische Element ladenden Ladestrom bzw. den das piezoelektrische Element entladenden Entladestrom unter Berücksichtigung der Kapazität des piezoelektrischen Elements einzustellen (kennzeich nender Teil des Patentanspruchs 10).
Dadurch können Einflüsse von Toleranzen, Veränderungen
und Schwankungen der Kapazität des piezoelektrischen
Elements auf den Umfang und die Geschwindigkeit des
Ladens und Entladens desselben eliminiert werden. Dies
ist sehr bedeutsam, weil die Kapazität des
piezoelektrischen Elements und damit auch die sich beim
Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements
einstellende Spannung bzw. die Zeit, während welcher
das piezoelektrische Element geladen bzw. entladen
werden muß, um eine vorbestimmte Spannung zu erreichen,
und schließlich auch die durch das Laden bzw. Entladen
bewirkte Längenänderung des piezoelektrischen Elements
stark von verschiedenerlei Faktoren wie beispielsweise
der Temperatur, der vom piezoelektrischen Element
aufzubringenden Kraft, dem Alter des piezoelektrischen
Elements etc. abhängen. Durch die Eliminierung dieser
Abhängigkeiten kann erreicht werden, daß der
Ladezustand des piezoelektrischen Elements nach dem
Laden und Entladen desselben und/oder die Zeit, während
welcher das piezoelektrische Element geladen oder
entladen werden muß, um einen bestimmten Ladungszustand
zu erreichen, immer und überall genau die gewünschten
Werte annehmen.
Dies erweist sich in zweifacher Hinsicht als
vorteilhaft: einerseits, weil das piezoelektrische
Element das dieses enthaltende System immer exakt
gleich anregt, und andererseits weil dadurch verhindert
wird, daß das das piezoelektrische Element enthaltende
System aufgrund von Abweichungen vom wunschgemäßen
Bewegungsablauf des piezoelektrischen Elements (zu
schnelles oder zu langsames und/oder zu weites oder zu
geringes Ausdehnen oder Zusammenziehen desselben) in
Schwingungen versetzt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den
Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung und den
Figuren entnehmbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 zwei Anordnungen zum Laden und Entladen eines
piezoelektrischen 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 Verhältnisse,
Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der sich
während einer zweiten Ladephase (Ladeschalter 3 wieder
geöffnet) in der Anordnung nach Fig. 1 einstellenden
Verhältnisse,
Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung der sich
während einer ersten Entladephase (Entladeschalter 5
geschlossen) 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 Anordnung gemäß Fig. 1 einstellenden Spannungs-
und Stromverläufen,
Fig. 7 eine herkömmliche Anordnung zum Laden und
Entladen eines piezoelektrischen Elements, und
Fig. 8 den zeitlichen Verlauf von sich beim Betrieb
der Anordnung gemäß Fig. 1 einstellenden Spannungs-
und Stromverläufen.
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 piezoelektrischen 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 Ansprechen auf das Entladen
zusammenziehen. Die Erfindung ist selbstverständlich
jedoch auch dann anwendbar, wenn dies gerade umgekehrt
ist.
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene
Vorrichtung zeichnen sich unter anderem dadurch aus,
daß der das piezoelektrische Element ladende Ladestrom
und der das piezoelektrische Element entladende
Entladestrom unter Berücksichtigung der Kapazität des
piezoelektrischen Elements eingestellt werden.
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 bezeichnet.
Wie aus der Fig. 1a ersichtlich ist, liegt der eine
der Anschlüsse 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
(beispielsweise 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 umgesetzt
und als Versorgungsspannung bereitgestellt.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist in
Fig. 1b dargestellt. Bereits in Fig. 1a beschriebene
Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen
gekennzeichnet. Bei dieser Ausführungsform ist zwischen
den Schaltern 3 und 5 und dem piezoelektrischen Element
ein Filtermittel 10 und eine Diode 20 angeordnet. Die
Anode der Diode 20 ist mit dem einen Anschluß des
piezoelektrischen Elements 1 verbunden. Die Kathode der
Diode 20 ist mit der Spule 2 verbunden. Das
Filtermittel 20 ist zum einen mit den beiden
Anschlüssen der Diode 20 und zum anderen mit den beiden
Anschlüssen der Diode 6 verbunden.
Das am Ausgang der Endstufe geschaltete Filtermittel
bewirkt eine Glättung der Stromverläufe und der
Spannungsverläufe. Hierdurch ergibt sich ein Verlauf
des Stroms und der Spannung entsprechend einer
Schwingkreisansteuerung. Dadurch können die
elektromagnetischen Störungen minimiert werden. Die
beim Abschalten des Ladeschalters 3 und/oder des
Endladeschalters 5 auftretenden Spitzen im Stromverlauf
werden dadurch geglättet.
Die Diode 20 besitzt eine Schutzfunktion. Die Diode 20
verhindert negative Spannungen, die das
piezoelektrische Element beschädigen können.
In der dargestellten Ausführungsform umfaßt das
Filtermittel 20 eine Induktivität, die in Reihe mit der
Spule 2 geschaltet ist. Ferner ist eine Kapazität 11
parallel zu den Dioden 20 bzw. 6 geschaltet.
Bei einer vereinfachten Ausführungsform kann die
Induktivität 12 auch weggelassen werden. Dies gilt auch
für die Diode 20.
Bauelemente können auch dadurch eingespart werden, daß
die Spule 2 und die Induktivität 12 eine bauliche
Einheit bilden, das heißt, daß lediglich eine Spule mit
einem Mittelabgriff vorgesehen ist.
Das Laden und das Entladen des piezoelektrischen
Elements 1 erfolgen im betrachteten Beispiel getaktet.
D.h., der Ladeschalter 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 Elements 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 Ladungszustand
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
Energiefluß in die Spule 2 wird dabei durch die
positive Potentialdifferenz zwischen dem Kondensator 9
und dem piezoelektrischen 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 Energiezufuhr zum piezoelektrischen
Element erhöhen sich die an diesem einstellende
Spannung und dessen äußere Abmessungen. Nach erfolgtem
Energietransport von der Spule 2 zum piezoelektrischen
Element 1 ist wieder der vorstehend bereits erwähnte
stationäre Zustand der Schaltung nach Fig. 1 erreicht.
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 Energie und die neu zugeführte Energie
summieren sich), und dementsprechend 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 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 Energietransfer 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 Element 1, dem Kondensator 9, der
Diode 4 und der Spule 2 bestehender 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 Kondensator 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 gewünschten zeitlichen Verlauf des Entladevorgangs)
wird der Entladeschalter 5 erneut geschlossen und
wieder geöffnet, wobei 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
piezoelektrischen Element einstellende Spannung und
dessen äußere Abmessungen ebenfalls ab.
Wiederholt man das beschriebene Schließen und Öffnen
des Entladeschalters 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 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 Anordnung, sondern für alle Anordnungen,
durch welche ein vergleichbares Laden und/oder Entladen
von piezoelektrischen Elementen durchführbar ist; die
besagten Anordnungen müssen dabei im wesentlichen "nur"
für ein getaktetes Laden und Entladen eines oder auch
mehrerer piezoelektrischer Elemente geeignet 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 Schwingkreisschwingung, denn
ein Weiterschwingen des Schwingkreises wird durch die
im Ladestromkreis und Entladestromkreis enthaltenen
Dioden unterbunden).
Im Gegensatz hierzu wird bei zum getakteten Laden und
Entladen ausgelegten Anordnungen (beispielsweise bei
Anordnungen nach Art der Fig. 1) die Spule (oder ein
anderes induktive Eigenschaften aufweisendes Element)
als ein Energie-Zwischenspeicher verwendet, der
abwechselnd von der Stromversorgungsquelle (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 elektrischen
Verbraucher (beim Entladen) abgibt, wobei die Zeit
punkte und die Dauer (und damit auch der Umfang) der
Energiespeicherung und der Energieabgabe durch die
Schalterbetätigung(en) bestimmt werden.
Dadurch kann das piezoelektrische Element in beliebig
vielen, beliebig großen und in beliebigen zeitlichen
Abständen aufeinanderfolgenden Stufen wunschgemäß weit
geladen und entladen werden.
Nutzt man die gegebenen Möglichkeiten dahingehend aus,
daß man die Schalter derart wiederholt öffnet und
schließt, daß das piezoelektrische Element durch einen
vorgegebenen mittleren Lade- bzw. Entladestrom auf eine
vorgegebene Spannung gebracht wird, so können das Laden
und das Entladen von piezoelektrischen Elementen
schonend für diese und einfach an die individuellen und
wechselnden Verhältnisse anpaßbar durchgeführt 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
entladende piezoelektrische Element dadurch unter
Einhaltung eines vorgegebenen mittleren (Lade- bzw.
Entlade-)Stromflusses 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 geschlossen sind, und die
Zeiten, während welcher die jeweiligen 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 Kapazität des zu ladenden bzw. zu
entladenden piezoelektrischen Elements festgelegt,
wobei jedoch der Ladestrom und der Entladestrom während
eines jeweiligen Lade- bzw. Entladevorganges im
wesentlichen konstant gehalten werden; gegebenenfalls
erforderliche Veränderungen des Lade- und/oder Ent
ladestromes können bei Bedarf aber auch während eines
Lade- bzw. Entladevorganges durchgeführt werden.
Die Kapazität des piezoelektrischen Elements, in
Abhängigkeit von welcher der Ladestrom bzw. der
Entladestrom verändert werden, wird im betrachteten
Beispiel nicht direkt gemessen, sondern über das Ausmaß
bestimmt, um das sich das piezoelektrische Element beim
Laden bzw. Entladen desselben ausdehnt bzw.
zusammenzieht. Dabei macht man von der Erkenntnis Ge
brauch, daß die durch das Laden bzw. Entladen des
piezoelektrischen Elements verursachte Längenänderung
desselben proportional 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 bestimmten Strom
geladen oder entladen wird, im wesentlichen aus
schließlich von der Kapazität des piezoelektrischen
Elementes abhängt.
Der Zusammenhang zwischen der Längenänderung des
piezoelektrischen Elements, der sich am
piezoelektrischen Element einstellenden Spannung, und
der Kapazität des piezoelektrischen Elements läßt sich
mathematisch durch
ausdrücken, wobei
Δl die Längenänderung am piezoelektrischen Element
d33 die piezoelektrische Ladungskonstante
u die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung
Cp die Kapazität des piezoelektrischen Elements
in der (Ent-)Ladestrom beim aktuellen (Ent-) Ladevorgang, und
tn die (Ent-)Ladezeit beim aktuellen (Ent-) Ladevorgang
repräsentieren.
Δl die Längenänderung am piezoelektrischen Element
d33 die piezoelektrische Ladungskonstante
u die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung
Cp die Kapazität des piezoelektrischen Elements
in der (Ent-)Ladestrom beim aktuellen (Ent-) Ladevorgang, und
tn die (Ent-)Ladezeit beim aktuellen (Ent-) Ladevorgang
repräsentieren.
Entspricht die Längenänderung, die das piezoelektrische
Element beim Laden oder Entladen des piezoelektrischen
Elements mit einem vorbestimmten Lade- oder
Entladestrom nach einer bestimmten Zeit erreicht, nicht
einem Soll-Wert, so wird aus der Abweichung des Ist-
Wertes vom Soll-Wert ein Korrekturfaktor berechnet, mit
dem der verwendete Lade- oder Entladestrom
multipliziert werden muß, um den Strom zu ermitteln,
mit dem das piezoelektrische Element die vorbestimmte
Zeit geladen oder entladen werden muß, um die Soll-
Längenänderung zu erfahren; der zu verwendende Lade-
oder Entladestrom kann selbstverständlich auch durch
Nachschlagen in einer entsprechenden Tabelle oder auf
sonstige Art und Weise ermittelt werden. Um zu große
Sprünge im Lade- bzw. Entladestrom zu vermeiden, können
Dämpfungsfaktoren und/oder Schwellenwerte für den
Korrekturfaktor und/oder den Lade- oder Entladestrom
vorgesehen werden.
Noch einfacher ist es, wenn die Anpassung des Lade-
bzw. Entladestromes an die Kapazität des
piezoelektrischen Elements nicht basierend auf der
Längenänderung des piezoelektrischen Elements, sondern
basierend auf der Zeit erfolgt, während welcher das
piezoelektrische Element geladen bzw. entladen werden
muß, bis sich an diesem eine vorbestimmte Spannung
einstellt. Der besagte Korrekturfaktor, mit dem der
beim (n-1)ten Lade- bzw. Entladevorgang verwendete
Strom in-1 multipliziert werden muß, um zu ermitteln,
mit welchem Strom in das piezoelektrische Element beim
nächsten (n-ten) Lade- oder Entladevorgang die
vorbestimmte Zeit geladen oder entladen werden muß, um
auf die vorbestimmte Spannung gebracht zu werden,
ergibt sich dann zu
wobei
tn-1 die Zeit ist, während welcher das piezoelektrische Element mit dem Strom in-1 geladen oder entladen werden mußte, um auf die vorbestimmte Spannung gebracht zu werden, und
tsoll die Zeit ist, nach welcher das piezoelektrische Element beim Laden oder Entladen auf die vorbestimmte Spannung gebracht sein sollte.
tn-1 die Zeit ist, während welcher das piezoelektrische Element mit dem Strom in-1 geladen oder entladen werden mußte, um auf die vorbestimmte Spannung gebracht zu werden, und
tsoll die Zeit ist, nach welcher das piezoelektrische Element beim Laden oder Entladen auf die vorbestimmte Spannung gebracht sein sollte.
D.h., der beim n-ten Lade- oder Entladevorgang zu
verwendende Lade- bzw. Entladestrom in errechnet sich
zu
Auch hier können natürlich Dämpfungsfaktoren oder
Schwellenwerte für den Korrekturfaktor und/oder den
Lade- oder Entladestrom vorgesehen werden.
Die Anpassung des Lade- bzw. Entladestromes an die
Kapazität des zu ladenden oder zu entladenden
piezoelektrischen Elementes basierend auf der Zeit, die
zum Erreichen einer vorbestimmten Spannung benötigt
wird, ist einfacher als eine Anpassung basierend auf
der Längenänderung des piezoelektrischen Elements, weil
die Messung von Spannung und Zeit einfacher ist als die
Messung der Längenänderung des piezoelektrischen
Elements.
Unabhängig davon, worauf die Anpassung basiert, kann
erreicht werden, daß das piezoelektrische Element durch
das Laden und Entladen während einer vorbestimmten Zeit
eine vorbestimmte Längenänderung erfährt. Dies ist sehr
vorteilhaft, weil
- 1) das piezoelektrische Element das dieses enthaltende System immer exakt gleich anregt, und
- 2) dadurch verhindert wird, daß das das piezoelektrische Element enthaltende System aufgrund von Abweichungen vom wunschgemäßen Bewegungsablauf des piezoelektrischen Elements (zu schnelles oder zu langsames und/oder zu weites oder zu geringes Ausdehnen oder Zusammenziehen desselben) in Schwingungen versetzt wird.
Daß der so festgelegte Lade- bzw. Entladestrom
tatsächlich auch fließt, kann durch eine
Steuereinrichtung oder eine Regeleinrichtung erreicht
werden, 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
piezoelektrischen Elements wie es in Fig. 6
beispielhaft veranschaulicht ist.
In der Fig. 6 repräsentiert
- - die mit A bezeichnete Kurve den Verlauf der sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung,
- - die mit B bezeichnete Kurve den Ladestrom bzw. den Entladestrom, durch den das piezoelektrische Element geladen bzw. entladen wird,
- - die mit C bezeichnete Kurve den Schaltzustand des Ladeschalters, und
- - die mit D bezeichnete Kurve den Schaltzustand des Entladeschalters.
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 piezoelektrischen Element eine im Mittel
gleichmäßig auf einen vorgegebenen Endwert ansteigende
Spannung (Kurve A) einstellt; aus dem wie gezeigt
erfolgenden wiederholten Schließen und Öffnen des
Entladeschalters (Kurve D) resultiert ein zwar
schwankender, aber im Mittel gleichbleibend großer
Entladestrom (Kurve B), durch den sich im betrachteten
Beispiel am piezoelektrischen Element eine im Mittel
gleichmäßig 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 entladen ist, sind im betrachteten Beispiel
variabel und können nicht nur in Abhängigkeit von der
Kapazität des piezoelektrischen Elements, sondern
zusätzlich insbesondere in Abhängigkeit von der pro
Einspritzvorgang einzuspritzenden Kraftstoffmenge, der
Motordrehzahl, dem Druck im Rail oder der
Motortemperatur festgelegt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Laden
und das Entladen des piezoelektrischen Elements 1 mit
einer mehrstufigen Ansteuerung. D.h., der Ladeschalter
3 bzw. der Entladeschalter 5 werden während des Lade-
bzw. Entladevorganges mehrmals geschlossen und
geöffnet. Bei der dargestellten Ausführungsform erfolgt
eine zweistufige Ansteuerung, das heißt der Lade
schalter 3 bzw. der Entladeschalter 5 werden jeweils
zweimal angesteuert.
In der Fig. 8 repräsentiert
- - die mit A bezeichnete Kurve den Verlauf der sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung,
- - die mit B bezeichnete Kurve den Ladestrom bzw. den Entladestrom, durch den das piezoelektrische Element geladen bzw. entladen wird,
- - die mit C bezeichnete Kurve den Schaltzustand des Ladeschalters, und
- - die mit D bezeichnete Kurve den Schaltzustand des Entladeschalters.
Aus dem zweimaligen Schließen und Öffnen des
Ladeschalters (Kurve C) resultiert ein zweimal
ansteigender und dann abfallender Ladestrom (Kurve B),
durch den sich im betrachteten Beispiel am piezo
elektrischen Element eine in zwei Stufen auf einen
vorgegebenen Endwert ansteigende Spannung (Kurve A)
einstellt; aus dem zweimaligen Schließen und Öffnen des
Entladeschalters (Kurve D) resultiert ein zweimal
abfallender und ansteigender Entladestrom (Kurve B),
durch den sich im betrachteten Beispiel am
piezoelektrischen Element eine in zwei Stufen auf einen
vorgegebenen Endwert abfallende Spannung (Kurve A)
einstellt.
Der Lade- bzw. Entladeströme, die Zeitdauern der
einzelnen Ansteuerungen aber auch die Spannung, auf die
das piezoelektrische Element zu laden bzw. zu entladen
ist, sind im betrachteten Beispiel variabel und können
nicht nur in Abhängigkeit von der Kapazität des
piezoelektrischen Elements, sondern zusätzlich
insbesondere in Abhängigkeit von der pro
Einspritzvorgang einzuspritzenden Kraftstoffmenge, der
Motordrehzahl, dem Druck im Rail oder der
Motortemperatur festgelegt werden.
Die Bauteile sind derart dimensioniert, daß das
gewünschte Spannungsniveau jeweils mit einem
Schaltvorgang erreicht wird. Dadurch können die Anzahl
der Schaltvorgänge reduziert werden. Dadurch ergeben
sich neben einem stetigen Spannungsverlauf geringe
elektromagnetische Störungen und geringe
Schaltverluste.
Ferner vereinfacht sich die Ansteuerung der
Leistungsschalter erheblich. Eine komplexe Berechnung
der Schaltzeiten kann entfallen.
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene
Vorrichtung ermöglichen es unabhängig von den
Einzelheiten deren praktischer Realisierung, daß das
Laden und das Entladen von piezoelektrischen Elementen
unter allen Umständen wunschgemäß schnell und weit
durchgeführt werden kann.
Claims (10)
1. Verfahren zum Laden und Entladen eines
piezoelektrischen Elements (1), dadurch gekennzeichnet,
daß der das piezoelektrische Element ladende Ladestrom
bzw. der das piezoelektrische Element entladende
Entladestrom unter Berücksichtigung der Kapazität des
piezoelektrischen Elements eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ladestrom bzw. der Entladestrom
unter Berücksichtigung der momentanen Kapazität des
piezoelektrischen Elements (1) verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ladestrom bzw. der Entladestrom
unter Berücksichtigung von Abweichungen der Kapazität
des piezoelektrischen Elements (1) von einem Sollwert
verändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abweichung der Kapazität des
piezoelektrischen Elements (1) vom Sollwert basierend
auf der Längenänderung des piezoelektrischen Elements
erfolgt, welche dieses beim Laden bzw. Entladen
erfährt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abweichung der Kapazität des
piezoelektrischen Elements (1) vom Sollwert basierend
auf der Zeit erfolgt, während welcher das
piezoelektrische Element geladen oder entladen werden
muß, um auf eine bestimmte Spannung gebracht zu werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bei einem
nächsten Lade- oder Entladevorgang zu verwendende Lade-
oder Entladestrom durch Multiplikation des beim
vorhergehenden Lade- oder Entladevorgang verwendeten
Lade- oder Entladestroms mit einem Korrekturfaktor
errechnet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor basierend auf
dem Verhältnis von Ist-Werten von beim oder nach einem
Lade- oder Entladevorgang gemessenen Größen und den
Soll-Werten dieser Größen berechnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor oder der Lade-
oder Entladestrom unter Verwendung von Schwellenwerten
oder Dämpfungsfaktoren in ihrer Größe oder
Größenveränderungen begrenzt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrom
bzw. der Entladestrom während eines Lade- bzw.
Entladevorganges im wesentlichen konstant gehalten
wird.
10. Vorrichtung zum Laden und Entladen eines
piezoelektrischen Elements (1), gekennzeichnet durch
eine Steuer- oder Regeleinrichtung, welche dazu
ausgelegt ist, den das piezoelektrische Element
ladenden Ladestrom bzw. den das piezoelektrische
Element entladenden Entladestrom unter Berücksichtigung
der Kapazität des piezoelektrischen Elements ein
zustellen.
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