DE60005786T2

DE60005786T2 - Optimierung von Einspritzsystemen, die piezoelektrische Elemente verwenden , durch Kompensation der Temperaturabhängigkeit

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Publication number: DE60005786T2
Application number: DE60005786T
Authority: DE
Inventors: Johannes-Joerg Rueger; Udo Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-04-01
Filing date: 2000-04-01
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2020-04-02
Also published as: EP1138906A1; EP1138906B1; DE60005786D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen einer Aktivierungsspannung zum Laden eines piezoelektrischen Elements unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen Hysterese des piezoelektrischen Elements. Das Kraftstoffeinspritzsystem und das Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5 sind aus DE 198 05 184 A bekannt.
Die vorliegenden piezoelektrischen Elemente, die hier näher betrachtet werden, sind insbesondere, aber nicht ausschließlich, als Aktuatoren verwendete piezoelektrische Elemente. Piezoelektrische Elemente können für solche Zwecke verwendet werden, da sie bekannterweise die Eigenschaft aufweisen, daß sie sich als Funktion einer an sie angelegten oder in ihnen auftretenden Spannung zusammenziehen oder ausdehnen.
Die praktische Umsetzung von Aktuatoren unter Verwendung von piezoelektrischen Elementen stellt sich insbesondere dann als vorteilhaft heraus, wenn der in Frage kommende Aktuator schnelle und/oder häufige Bewegungen ausführen muß.
Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Elemente, die, wie oben bereits teilweise angedeutet wurde, sich gemäß dem bestimmten Ladungszustand oder der Spannung, der oder die darin auftritt oder daran angelegt wird, zusammenziehen und ausdehnen. Im Fall einer Kraftstoffeinspritzdüse wird die Ausdehnung und Zusammenziehung piezoelektrischer Elemente zum Steuern von Ventilen zu verwenden, die den geradlinigen Hub von Einspritznadeln steuern. Aus den deutschen Patentanmeldungen DE 197 42 073 A1 und DE 197 29 844 A1 , die durch Bezugnahme hier aufgenommen sind, sind piezoelektrische Elemente mit doppeltwirkenden Doppelsitzventilen zum Steuern von Einspritznadeln in einem Kraftstoffeinspritzsystem bekannt.
Kraftstoffeinspritzsysteme, die piezoelektrische Elemente als Aktuatoren verwenden, sind durch die Tatsache gekennzeichnet, daß piezoelektrische Elemente in einer ersten Annäherung eine proportionale Beziehung zwischen angelegter Spannung und der geradlinigen Ausdehnung aufweisen. Bei einer Kraftstoffeinspritzdüse beispielsweise, die als ein doppeltwirkendes Doppelsitzventil implementiert ist, um den geradlinigen Hub einer Nadel für die Kraftstoffeinspritzung in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors zu steuern, ist die in einen entsprechenden Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge eine Funktion der Zeit, während der das Ventil offen ist, und wie weit das Ventil offen ist. Bei der Verwendung eines piezoelektrischen Elements ist die eingespritzte Kraftstoffmenge eine Funktion der an das piezoelektrische Element angelegten Aktivierungsspannung und der zeitlichen Steuerung der angelegten Spannung.
11 ist eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems, das als Aktuator ein piezoelektrisches Element 2010 verwendet. Unter Bezugnahme auf 11 wird das piezoelektrische Element 2010 bestromt, damit es sich als Reaktion auf eine gegebene Aktivierungsspannung ausdehnt und zusammenzieht. Das piezoelektrische Element 2010 ist an einen Kolben 2015 gekoppelt. Im ausgedehnten Zustand bewirkt das piezoelektrische Element 2010, daß der Kolben 2015 in einen Hydraulikadapter 2020 ragt, der ein Hydraulikfluid, beispielsweise Kraftstoff, enthält. Infolge der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements wird ein doppeltwirkendes Steuerventil 2025 hydraulisch von dem Hydraulikadapter 2020 weggedrückt, und der Ventilstopfen 2035 wird aus einer ersten geschlossenen Position 2040 weggedrückt. Die Kombination aus doppeltwirkendem Steuerventil 2025 und Hohlbohrung 2050 wird oftmals als doppeltwirkendes Doppelsitzventil bezeichnet, weil das doppeltwirkende Steuerventil 2025 in seiner ersten geschlossenen Position 2040 ruht, wenn sich das piezoelektrische Element 2010 in einem nichtangeregten Zustand befindet. Wenn andererseits das piezoelektrische Element 2010 vollständig ausgefahren ist, ruht es in seiner zweiten geschlossenen Position 2030. Die letztere Position des Ventilstopfens 2035 ist schematisch in 11 mit Umrißlinien dargestellt.
Es ist wichtig, eine Aktivierungsspannung mit ausreichender Präzision zu bestimmen und anzulegen, damit beispielsweise ein entsprechender Ventilstopfen zum entsprechenden Zeitpunkt im Kraftstoffeinspritzzyklus präzise positioniert wird. Es ist somit wichtig, daß man in der Lage ist, verschiedene Probleme in der die piezoelektrischen Elemente ansteuernden elektrischen Schaltung zu erfassen. Ein derartiges Problem ist ein Kurzschluß zur Batteriespannung innerhalb oder an den Anschlüssen von einem oder mehreren der piezoelektrischen Elemente.
Das Kraftstoffeinspritzsystem umfaßt eine Einspritznadel 2070, die das Einspritzen von Kraftstoff von einer unter Druck stehenden Kraftstoffversorgungsleitung 2060 in den nichtgezeigten Zylinder gestattet. Wenn das piezoelektrische Element 2010 nicht angeregt ist oder wenn es vollständig ausgefahren ist, ruht das doppeltwirkende Steuerventil 2025 jeweils in seiner ersten geschlossenen Position 2040 und in seiner zweiten geschlossenen Position 2030. In beiden Fällen hält der Hydraulikraildruck die Einspritznadel 2070 in einer geschlossenen Position. Somit tritt das Kraftstoffgemisch nicht in den nichtgezeigten Zylinder ein. Wenn umgekehrt das piezoelektrische Element 2010 angeregt wird, so daß sich das doppeltwirkende Steuerventil 2025 bezüglich der Hohlbohrung 2050 in der sogenannten Mittelposition befindet, kommt es zu einem Druckabfall in der unter Druck stehenden Kraftstoffversorgungsleitung 2060, so daß die Einspritznadel 2070 vollständig angehoben wird, was eine Kraftstoffeinspritzung in den nichtgezeigten Zylinder gestattet.
Es hat sich herausgestellt, daß es schwierig ist, eine Aktivierungsspannung mit ausreichender Präzision zu bestimmen und anzulegen, so daß beispielsweise ein entsprechender Ventilstopfen für einen größten Kraftstofffluß präzise positioniert wird.
Eine Aufgabe der Erfindung ist somit eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden eines in einem Kraftstoffeinspritzsystem verwendeten piezoelektrischen Elements, so daß ein Aktivierungsspannungspegel für ein piezoelektrisches Element mit ausreichender Präzision eingestellt wird, um beispielsweise einen Ventilstopfen für einen größten Kraftstofffluß präzise zu positionieren. Das jeweilige piezoelektrische Element kann eines von mehreren piezoelektrischen Elementen sein, die in einem System wie etwa einem Kraftstoffeinspritzsystem verwendet werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung über die Merkmale erzielt, die in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 (Vorrichtung) und im kennzeichnenden Teil von Anspruch 5 (Verfahren) beansprucht werden.
Genauer gesagt hat es sich gezeigt, daß zur präzisen Positionierung des Ventilstopfens ein temperaturabhängiger Hystereseeffekt berücksichtigt werden muß. Beispielsweise besitzt das piezoelektrische Element bei verschiedenen Temperaturen verschiedene Hubweg- oder Hubcharakteristiken bei verschiedenen Spannungen, je nachdem, ob sich die Spannung von einem niedrigeren oder einem höheren Wert aus der Aktivierungsspannung annähert. Wenn dieser Effekt nicht berücksichtigt wird, würden die Position des Steuerventils und der Kraftstoffeinspritzvorgang mit reduzierter Präzision funktionieren.
Um den Effekt der Temperatur des piezoelektrischen Elements zu bestimmen, werden Kennlinienkurven verwendet. Diese Kennlinienkurven verwenden die piezoelektrische Temperatur als ein Eingabeparameter zusätzlich zu einer Reihe anderer Parameter. Da jedoch die Temperatur des piezoelektrischen Elements nur schwer direkt gemessen werden kann, kann statt dessen vorteilhafterweise seine Kapazität verwendet werden. Die Kapazität des piezoelektrischen Elements kann bei jedem Ansteuersignal auf einer Basis Zylinder für Zylinder gemessen werden. Das heißt, die Ansteuerspannung oder die fließenden Ladungsmengen oder der mittlere Strom können mit der Lade/Entladezeit multipliziert werden, damit man die Kapazität des piezoelektrischen Elements erhält. Da die Kapazität des piezoelektrischen Elements auch ein Temperaturverhalten aufweist, kann mit der Kapazität die Temperatur des piezoelektrischen Elements und wiederum der gewünschte größte Hub des piezoelektrischen Elements abgeleitet werden.
Diese Erfindung sorgt als solche für eine Kompensierung der Temperaturhystereseeffekte der piezoelektrischen Elemente. Ein resultierender Vorteil besteht darin, daß durch Berücksichtigung dieser Effekte der größte Aktuatorhub mit erheblich größerer Genauigkeit geschätzt werden kann, so daß die Aktivierungsspannung entsprechend eingestellt werden kann.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen Aktivierungsspannung und eingespritztem Kraftstoffvolumen in einem festen Zeitraum für das Beispiel eines doppeltwirkenden Steuerventils darstellt;
2 ein schematisches Profil eines beispielhaften Steuerventilhubs und eines entsprechenden Düsennadelhubs für das Beispiel eines doppeltwirkenden Steuerventils;
3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung, in der die vorliegenden Erfindung umgesetzt werden kann;
4a eine Darstellung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer ersten Ladephase (Ladeschalter 220 geschlossen) im Kreis von 3 auftreten;
4b eine Darstellung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer zweiten Ladephase (Ladeschalter 220 wieder offen) im Kreis von 3 auftreten;
4c eine Darstellung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer ersten Entladephase (Entladeschalter 230 geschlossen) im Kreis von 3 auftreten;
4d eine Darstellung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer zweiten Entladephase (Entladeschalter 230 wieder offen) im Kreis von 3 auftreten;
5 ein Blockschaltbild von Komponenten des Aktivierungs-IC E, der auch in 3 gezeigt ist;
6 ein Blockschaltbild von Softwaremodulen, die in der Steuereinheit D und dem Aktivierungs-IC E umgesetzt sind, die auch in 3 gezeigt sind, sowie die Kopplung zwischen diesen Modulen, einem Kraftstoffeinspritzsystem und einem entsprechenden Verbrennungsmotor;
7 ein schematisches Blockschaltbild eines Verfahrens zum Bestimmen des unerwünschten Spannungsoffsets aufgrund von Temperaturhystereseeffekten;
8 eine graphische Darstellung, die zwei beispielhaften Aktuatorhysteresekurven als Funktion der Temperatur und Spannung zeigen;
9 eine graphische Darstellung, die die Ausdehnung eines piezoelektrischen Elements über die Zeit als Funktion der Ansteuerspannung zeigt; und
10 ein Schemadiagramm des Verfahrens zum Bestimmen einer Offsetspannung an drei bestimmten Punkten des Kraftstoffeinspritzprozesses.
11 zeigt eine schematische Darstellung eines durch ein piezoelektrisches Element betätigten Kraftstoffeinspritzventils.
1 zeigt eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Aktivierungsspannung und dem eingespritzten Kraftstoffvolumen während eines vorgewählten festen Zeitraums für eine beispielhafte Kraftstoffeinspritzanlage zeigt, die piezoelektrische Elemente verwendet, die auf doppeltwirkende Steuerventile wirken. Die y-Achse stellt das während des vorgewählten festen Zeitraums in eine Zylinderkammer eingespritzte Kraftstoffvolumen dar. Die x-Achse stellt die Aktivierungsspannung dar, die an das entsprechende piezoelektrische Element angelegt oder in diesem gespeichert wird, das zum Verschieben eines Ventilstopfens des doppeltwirkenden Steuerventils verwendet wird.
Bei x = 0, y = 0 beträgt die Aktivierungsspannung Null, und der Ventilstopfen sitzt in einer ersten geschlossenen Position, um während des vorgewählten festen Zeitraums das Strömen von Kraftstoff zu verhindern. Bei über Null liegenden Werten der Aktivierungsspannung bewirken die dargestellten Werte der Aktivierungsspannung bis zu dem als U_opt angegebenen Punkt auf der x-Achse das Verschieben des Ventilstopfens weg von der ersten geschlossenen Position und zu der zweiten geschlossenen Position auf eine Weise, die zu einem größeren Volumen an eingespritztem Kraftstoff für den festen Zeitraum führt, wenn sich die Aktivierungsspannung U_opt annähert, bis zu dem Wert für das Volumen, der auf der y-Achse durch Q_e,max angegeben ist. Der dem größten Volumen für den eingespritzten Kraftstoff während des festen Zeitraums entsprechende Punkt Q_e,max stellt den Wert der Aktivierungsspannung für das Anlegen an das piezoelektrische Element oder das Laden des piezoelektrischen Elemente dar, der eine optimale Verschiebung des Ventilstopfens zwischen dem ersten und zweiten Ventilsitz ergibt, d. h. der ersten und zweiten geschlossenen Position.
Wie in der graphischen Darstellung von 1 gezeigt, nimmt das während des festen Zeitraums eingespritzte Kraftstoffvolumen für über U_opt liegende Werte der Aktivierungsspannung ab, bis es Null erreicht. Dies stellt eine Verschiebung des Ventilstopfens von dem optimalen Punkt zu der zweiten geschlossenen Position des doppeltwirkenden Steuerventils dar, bis der Ventilstopfen wieder die zweite geschlossene Position erreicht. Somit veranschaulicht die graphische Darstellung von 1, daß man ein größtes Kraftstoffeinspritzvolumen erhält, wenn die Aktivierungsspannung bewirkt, daß das piezoelektrische Element den Ventilstopfen zum optimalen Punkt verschiebt.
Die vorliegende Erfindung lehrt, daß der Wert für U_opt an einem beliebig gegebenen Zeitpunkt für ein bestimmtes piezoelektrisches Element durch die Arbeitskennlinie des jeweiligen piezoelektrischen Elements zu diesem Zeitpunkt beeinflußt wird. Das heißt, das durch das piezoelektrische Element für eine bestimmte Aktivierungsspannung bewirkte Verschiebungsausmaß variiert als Funktion der Arbeitskennlinie des jeweiligen piezoelektrischen Element. Um während eines gegebenen festen Zeitraums ein größtes Kraftstoffeinspritzvolumen Q_e,max zu erzielen, sollte die Aktivierungsspannung, die an das piezoelektrische Element angelegt wird oder in diesem auftritt, auf einen Wert eingestellt sein, der für die gegenwärtige Arbeitskennlinie des jeweiligen piezoelektrischen Elements relevant ist, um U_opt zu erzielen.
2 zeigt eine doppelte graphische Darstellung, die ein schematisches Profil eines beispielhaften Steuerventilhubs darstellt, um den oben erörterten Betrieb des doppeltwirkenden Steuerventils darzustellen. In der oberen graphischen Darstellung von 2 stellt die x-Achse die Zeit und die y-Achse die Verschiebung des Ventilstopfens (Ventilhub) dar. In der unteren graphischen Darstellung von 2 stellt die x-Achse wieder die Zeit dar, während die y-Achse einen Einspritzdüsennadelhub zur Bereitstellung von Kraftstofffluß darstellt, der sich aus dem Ventilhub der oberen graphischen Darstellung ergibt. Die obere und die untere graphische Darstellung sind aufeinander ausgerichtet, so daß sie zeitlich zusammenfallen, wie durch die jeweiligen x-Achsen dargestellt.
Während eines Einspritztaktes wird das piezoelektrische Element geladen, was zu seiner Ausdehnung führt, wie ausführlicher beschrieben werden wird, und was bewirkt, daß sich der entsprechende Ventilstopfen von der ersten geschlossenen Position zur zweiten geschlossenen Position für einen Voreinspritzhub bewegt, wie in der oberen graphischen Darstellung von 2 gezeigt. Die untere graphische Darstellung von 2 zeigt eine geringe Kraftstoffeinspritzung, zu der es kommt, wenn sich der Ventilstopfen zwischen den beiden Sitzen des doppeltwirkenden Steuerventils bewegt, wodurch das Ventil geöffnet und geschlossen wird, wenn sich der Stopfen zwischen der ersten und zweiten geschlossenen Position bewegt. Das Laden des piezoelektrischen Elements kann allgemein in zwei Schritten erfolgen: der erste besteht darin, es auf eine bestimmte Spannung zu laden und zu bewirken, daß sich das Ventil öffnet, und der zweite besteht darin, es weiter zu laden, und zu bewirken, daß sich das Ventil wieder in der zweiten geschlossenen Position schließt. Zwischen diesen Schritten kann im allgemeinen eine bestimmte zeitliche Verzögerung auftreten.
Nach einer vorgewählten Zeitdauer wird dann ein Entladevorgang ausgeführt, wie unten näher erläutert wird, um die Ladung im piezoelektrischen Element so zu reduzieren, daß es sich zusammenzieht, was ebenfalls ausführlicher beschrieben wird und bewirkt, daß sich der Ventilstopfen von der zweiten geschlossenen Position wegbewegt und an einem Punkt in der Mitte zwischen den beiden Sitzen anhält. Wie in 1 angedeutet, soll die Aktivierungsspannung im piezoelektrischen Element einen Wert gleich U_opt erreichen, der einem optimalen Punkt des Ventilhubs entspricht, und dadurch soll während des einer Haupteinspritzung zugeteilten Zeitraums ein größter Kraftstofffluß Q_e,max erreicht werden. Die obere und die untere graphische Darstellung von 2 zeigen das Halten des Ventilhubs an einem Punkt in der Mitte, was zu einer Kraftstoffhaupteinspritzung führt.
Am Ende des Zeitraums für die Haupteinspritzung wird das piezoelektrische Element auf eine Aktivierungsspannung von 0 entladen, was zu einem weiteren Zusammenziehen des piezoelektrischen Elements führt und bewirkt, daß sich der Ventilstopfen von der optimalen Position weg zur ersten geschlossenen Position bewegt, wodurch das Ventil geschlossen und der Kraftstofffluß gestoppt wird, wie in der oberen und unteren graphischen Darstellung von 2 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Ventilstopfen wieder in einer Position, um einen weiteren Takt aus beispielsweise Voreinspritzung und Haupteinspritzung zu wiederholen, wie gerade oben beschrieben wurde. Natürlich kann ein beliebiger anderer Einspritztakt ausgeführt werden.
3 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für eine Anordnung, bei der die vorliegende Erfindung umgesetzt werden kann.
4 zeigt einen ausführlichen Bereich A und einen nichtausführlichen Bereich B, deren Trennung durch eine gestrichelte Linie c angegeben ist. Der ausführliche Bereich A umfaßt eine Schaltung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60. Bei dem betrachteten Beispiel sind diese piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 Aktuatoren in Kraftstoffeinspritzdüsen (insbesondere in sogenannten Common-Rail-Injektoren) eines Verbrennungsmotors. Piezoelektrische Elemente können für diese Zwecke verwendet werden, da sie bekannterweise, und wie oben erörtert, die Eigenschaft besitzen, daß sie sich als eine Funktion einer an sie angelegten oder in ihnen auftretenden Spannung zusammenziehen oder ausdehnen. In der beschriebenen Ausführungsform werden sechs piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 verwendet, um innerhalb eines Verbrennungsmotors sechs Zylinder unabhängig zu steuern; eine beliebige andere Anzahl piezoelektrischer Elemente könnte somit einem anderen Zweck entsprechen.
Der nichtausführliche Bereich B umfaßt eine Steuereinheit D und einen Aktivierungs-IC E, die beide die Elemente innerhalb des ausführlichen Bereichs A steuern, sowie ein Meßsystem F zum Messen von Arbeitskennlinien wie etwa beispielsweise Kraftstoffdruck und Drehzahl (Upm) des Verbrennungsmotors zur Eingabe und Verwendung durch die Steuereinheit D gemäß der vorliegenden Erfindung, wie unten ausführlich beschrieben wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Steuereinheit D und der Aktivierungs-IC E so programmiert, daß sie die Aktivierungsspannungen für piezoelektrische Elemente als Funktion der Arbeitskennlinien jedes einzelnen piezoelektrisches Elements steuern.
Die folgende Beschreibung stellt zunächst die einzelnen Elememte innerhalb des ausführlichen Bereichs A vor. Dann werden die Vorgänge des Ladens und Entladens der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 allgemein beschrieben. Schließlich wird die Art und Weise, wie beide Vorgänge mit Hilfe der Steuereinheit D und des Aktivierungs-IC E gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert werden, ausführlich beschrieben.
Die Schaltung im ausführlichen Bereich A umfaßt sechs piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60.
Die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 sind in eine erste Gruppe G1 und eine zweite Gruppe G2 mit jeweils drei piezoelektrischen Elementen unterteilt (d. h. piezoelektrische Elemente 10, 20 und 30 in der ersten Gruppe G1 bzw. 40, 50 und 60 in der zweiten Gruppe G2). Die Gruppen G1 und G2 sind Bestandteile von Schaltungsteilen, die parallel zueinander geschaltet sind. Mit Gruppenwahlschaltern 310, 320 kann festgelegt werden, jeweils welche der Gruppen G1, G2 der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 durch eine gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung entladen wird (allerdings sind die Gruppenwahlschalter 310, 320 für die Ladevorgänge ohne Bedeutung, wie unten näher erläutert wird).
Die Gruppenwahlschalter 310, 320 sind zwischen einer Spule 240 und den jeweiligen Gruppen G1 und G2 (ihren spulenseitigen Anschlüssen) angeordnet und als Transistoren implementiert. Seitentreiber 311, 321 sind implementiert, die von dem Aktivierungs-IC E empfangene Steuersignale in Spannungen umwandeln, die je nach Erfordernis für das Schließen und Öffnen der Schalter in Frage kommen.
Die Dioden 315 bzw. 325 (die als Gruppenwahldioden bezeichnet werden) sind parallel zu den Gruppenwahlschaltern 310, 320 vorgesehen. Wenn die Gruppenwahlschalter 310, 320 beispielsweise als MOSFETs oder IGTBs implementiert sind, können diese Gruppenwahldioden 315 und 325 durch die parasitären Dioden selbst dargestellt werden. Die Dioden 315, 325 umgehen während der Ladevorgänge die Gruppenwahlschalter 310, 320. Die Funktionalität der Gruppenwahlschalter 310, 320 ist somit darauf reduziert, nur für den Entladevorgang eine Gruppe G1, G2 piezoelektrischer Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 zu wählen.
Innerhalb jeder Gruppe G1 bzw. G2 sind die piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 als Bestandteile von piezoelektrischen Verzweigungen 110, 120 und 130 (Gruppe G1) und 140, 150 und 160 (Gruppe G2) angeordnet, die parallel geschaltet sind. Jede piezoelektrische Verzweigung umfaßt eine Reihenschaltung, die aus einer ersten Parallelschaltung aus einem piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 und einem Widerstand 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 (als Verzweigungswiderstände bezeichnet) besteht und aus einer zweiten Parallelschaltung, die aus einem als ein Transistor 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 (als Verzweigungswahlschalter bezeichnet) implementierten Wahlschalter und einer Diode 12, 22, 32, 42, 52 bzw. 62 (als Verzweigungsdioden bezeichnet) besteht.
Die Verzweigungswiderstände 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 bewirken, daß sich alle entsprechenden piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 während und nach einem Ladevorgang selbstständig und kontinuierlich entladen, da sie beide Anschlüsse jedes kapazitiven piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 miteinander verbinden. Die Verzweigungswiderstände 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 sind jedoch ausreichend groß, damit dieser Vorgang im Vergleich zu den gesteuerten Lade- und Entladevorgängen, wie sie unten beschrieben sind, langsam wird. Man kann somit immer noch vernünftigerweise davon ausgehen, daß sich die Ladung eines beliebigen piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 innerhalb einer relevanten Zeit nach einem Ladevorgang nicht ändert (dennoch werden die Verzweigungswiderstände 13, 23, 33, 43, 53 und 63 implementiert, um im Fall eines Versagens des Systems oder anderer Ausnahmesituationen zurückbleibende Ladungen auf den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zu vermeiden). Somit können die Verzweigungswiderstände 13, 23, 33, 43, 53 und 63 in der folgenden Beschreibung vernachlässigt werden.
Die Verzweigungswahlschalter-/Verzweigungsdioden-Paare in den einzelnen piezoelektrischen Verzweigungen 110, 120, 130, 140, 150 bzw. 160, d. h. Wahlschalter 11 und Diode 12 in der piezoelektrischen Verzweigung 110, Wahlschalter 21 und Diode 22 in der piezoelektrischen Verzweigung 120 usw., können mit elektronischen Schaltern (d. h. Transistoren) mit parasitären Dioden implementiert werden, beispielsweise MOSFETs oder IGBTs (wie oben für die Gruppenwahlschalter-/Dioden-Paare 310 und 315 bzw. 320 und 325 angegeben).
Mit den Verzweigungswahlschaltern 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 kann festgelegt werden, welches der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 jeweils durch eine gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung geladen wird: in jedem Fall werden alle diejenigen piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 geladen, deren Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 oder 61 während des unten beschriebenen Ladevorgangs geschlossen sind. Üblicherweise ist immer nur einer der Verzweigungswahlschalter geschlossen.
Die Verzweigungsdioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 dienen dazu, die Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 während der Entladevorgänge zu umgehen. Bei den für Entladevorgänge betrachteten Beispielen kann somit jedes einzelne piezoelektrische Element gewählt werden, während für Entladevorgänge entweder die erste Gruppe G1 oder die zweite Gruppe G2 piezoelektrischer Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 oder beide gewählt werden müssen.
Wieder zu den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 selbst zurückkehrend, können die piezoelektrischen Verzweigungswahlanschlüsse 15, 25, 35, 45, 55 bzw. 65 entweder durch die Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 oder durch die entsprechenden Dioden 12, 22, 32, 42, 52 bzw. 62 oder in beiden Fällen zusätzlich durch einen Widerstand 300 mit Masse verbunden werden.
Der Zweck des Widerstands 300 besteht darin, die Ströme zu messen, die während des Ladens und Entladens der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zwischen den piezoelektrischen Verzweigungswahlanschlüssen 15, 25, 35, 45, 55 bzw. 65 und Masse fließen. Wenn diese Ströme bekannt sind, können die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 gesteuert geladen und entladen werden. Wenn insbesondere der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 auf eine Weise geschlossen und geöffnet werden, die von der Größe der Ströme abhängt, können der Ladestrom und der Entladestrom auf vordefinierte Mittelwerte eingestellt und/oder daran gehindert werden, vorbestimmte Höchts- und/oder Mindestwerte zu übersteigen bzw. darunter abzufallen, wie unten näher erläutert wird.
Bei dem betrachteten Beispiel erfordert die Messung selbst weiterhin eine Spannungsquelle 621, die beispielsweise eine Gleichspannung von 5 V liefert, und einen Spannungsteiler in Form von zwei Widerständen 622 und 623. Dies soll den Aktivierungs-IC E (durch den die Messungen vorgenommen werden) vor negativen Spannungen schützen, die ansonsten am Meßpunkt 620 auftreten könnten und nicht mit Hilfe des Aktivierungs-IC E gehandhabt werden könnten: solche negativen Spannungen werden durch Hinzufügung einer positiven Spannungskonfiguration, die durch die Spannungsquelle 621 und die Spannungsteilerwiderstände 622 und 623 geliefert wird, in positive Spannungen geändert.
Der andere Anschluß jedes piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 und 60, d. h. der piezoelektrische Gruppenwahlanschluß 14, 24, 34, 44, 54 bzw. 64, kann mit dem Pluspol einer Spannungsquelle verbunden werden, und zwar über den Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 oder über die Gruppenwahldiode 315 bzw. 325 sowie über eine Spule 240 und eine Parallelschaltung, die aus einem Ladeschalter 220 und einer Ladediode 221 besteht, und alternativ oder zusätzlich mit Masse verbunden sein, und zwar über den Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 oder über die Diode 315 bzw. 325 sowie über die Spule 240 und eine Parallelschaltung, die aus einem Entladeschalter 320 oder einer Entladediode 231 besteht. Der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 sind beispielsweise als Transistoren ausgeführt, die über die Seitentreiber 222 bzw. 232 gesteuert werden.
Die Spannungsquelle umfaßt ein Element mit kapazitiven Eigenschaften, das bei den betrachteten Beispielen der (Puffer-)Kondensator 210 ist. Der Kondensator 210 wird durch eine Batterie 200 (beispielsweise eine Kraftfahrzeugbatterie) und einem nachgeschalteten Gleichspannungswandler 201 geladen. Der Gleichspannungswandler 201 wandelt die Batteriespannung (beispielsweise 12 V) in eine im wesentlichen beliebig andere Gleichspannung (beispielsweise 250 V) um und lädt den Kondensator 210 auf diese Spannung auf. Der Gleichspannungswandler 201 wird mit Hilfe des Transistorschalters 202 und des Widerstandes 203 gesteuert, der für an einem Meßpunkt 630 vorgenommene Strommessungen verwendet wird.
Zum Gegencheck wird durch den Aktivierungs-IC E sowie durch die Widerstände 651, 652 und 653 und eine Quelle 654 mit einer Gleichspannung von beispielsweise 5 V eine weitere Strommessung an einem Meßpunkt 650 gestattet; zudem wird eine Spannungsmessung an einem Meßpunkt 640 durch den Aktivierungs-IC E sowie durch Spannungsteilerwiderstände 641 und 642 gestattet.
Ein Widerstand 330 (der als ein Totalentladewiderstand bezeichnet wird), ein als ein Transistor 331 implementierter Stoppschalter (als Stoppschalter bezeichnet) und eine Diode 332 (als Totalentladediode bezeichnet) dienen schließlich dazu, die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zu entladen (falls sie durch den „normalen" Entladevorgang wie weiter unten beschrieben noch nicht entladen worden sind). Der Stoppschalter 331 wird bevorzugt nach „normalen" Entladevorgängen (zyklische Entladung über den Entladeschalter 230) geschlossen. Er verbindet dadurch die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 durch die Widerstände 330 und 300 mit Masse und entfernt somit etwaige Restladungen, die in den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 vorhanden sein könnten. Die Totalentladediode 332 verhindert, daß negative Spannungen an den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 auftreten, die unter einigen Umständen dadurch beschädigt werden könnten.
Alle piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 oder ein beliebiges wird über eine einzelne Lade- und Entladevorrichtung (die alle Gruppen und deren piezoelektrischen Elemente gemein haben) geladen und entladen. Bei den betrachteten Beispielen besteht die gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung aus der Batterie 200, dem Gleichspannungswandler 201, dem Kondensator 210, dem Ladeschalter 220 und dem Entladeschalter 230, der Ladediode 221 und der Entladediode 231 sowie der Spule 240.
Das Laden jedes piezoelektrischen Elements funktioniert genauso wie das Entladen und wird nachfolgend unter Bezugnahme lediglich auf das erste piezoelektrische Element 10 erläutert.
Die während der Lade- und Entladevorgänge auftretenden Zustände werden unter Bezugnahme auf die 4a bis 4d erläutert, wobei die 4a und 4b das Laden des piezoelektrischen Elements 10 und die 4c und 4d das Entladen des piezoelektrischen Elements 10 darstellen.
Die Wahl eines oder mehrerer bestimmter piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, die geladen oder entladen werden sollen, der Ladevorgang, wie er nachfolgend beschrieben wird, sowie der Entladevorgang werden durch den Aktivierungs-IC E und die Steuereinheit D gesteuert, indem eine oder mehrere der oben vorgestellten Schalter 11, 21, 31, 41, 51, 61; 310, 320; 220, 230 und 331 geöffnet oder geschlossen werden. Die Wechselwirkungen zwischen den Elementen in dem ausführlichen Bereich A einerseits und dem Aktivierungs-IC E und der Steuereinheit D andererseits werden unten ausführlicher beschrieben.
Hinsichtlich des Ladevorgangs muß zunächst ein beliebiges piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, das geladen werden soll, gewählt werden. Damit ausschließlich das erste piezoelektrische Element 10 geladen wird, wird der Verzweigungswahlschalter 11 der ersten Verzweigung 110 geschlossen, wohingegen alle anderen Verzweigungswahlschalter 21, 31, 41, 51 und 61 geöffnet bleiben. Damit ausschließlich nur ein beliebiges anderes piezoelektrisches Element 20, 30, 40, 50, 60 geladen wird oder um gleichzeitig mehrere einzelne zu laden, würden sie gewählt werden, indem die entsprechenden Verzweigungswahlschalter 21, 31, 41, 51 und/oder 61 geschlossen werden.
Dann kann der Ladevorgang selbst stattfinden:
Bei dem betrachteten Beispiel erfordert der Ladevorgang allgemein zwischen dem Kondensator 210 und dem piezoelektrischen Gruppenwahlanschluß 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10 eine positive Potentialdifferenz. Solange der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 jedoch offen sind, kommt es zu keinem Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elements 10: In diesem Zustand befindet sich die in 3 gezeigte Schaltung in einem eingeschwungenen Zustand, das heißt, das piezoelektrische Element 10 behält seinen Ladungszustand auf im wesentlichen unveränderte Weise bei, und es fließt kein Strom.
Um das piezoelektrische Element 10 zu laden, wird der Ladeschalter 220 geschlossen. Theoretisch könnte das erste piezoelektrische Element 10 lediglich durch diesen Vorgang geladen werden. Dies würde jedoch große Ströme erzeugen, die die beteiligten Elemente beschädigen könnten. Die auftretenden Ströme werden deshalb am Meßpunkt 620 gemessen, und der Schalter 220 wird wieder geöffnet, sobald die erfaßten Ströme eine bestimmte Grenze übersteigen. Um eine beliebige gewünschte Ladung auf dem ersten piezoelektrischen Element 10 zu erhalten, wird somit der Ladeschalter 220 wiederholt geschlossen und geöffnet, wohingegen der Entladeschalter 230 offenbleibt.
Ausführlicher ausgedrückt: Wenn der Ladeschalter 220 geschlossen ist, treten die in 4a gezeigten Zustände auf, das heißt, es wird ein geschlossener Kreis gebildet, der eine Reihenschaltung, die aus dem piezoelektrischen Element 10, dem Kondensator 210 und der Spule 240 besteht, umfaßt und in der ein Strom i_LE(t) fließt, wie durch die Pfeile in 4a angedeutet. Durch diesen Stromfluß werden beide positiven Ladungen zum dem piezoelektrischen Gruppenwahlanschluß 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10 gebracht, und Energie wird in der Spule 240 gespeichert.
Wenn sich der Ladeschalter 220 kurz öffnet (beispielsweise für einige wenige μs), nachdem er geschlossen worden ist, treten die in 4b gezeigten Zustände ein: Es wird ein geschlossener Kreis gebildet, der eine aus dem piezoelektrischen Element 10, der Ladediode 221 und der Spule 240 bestehende Reihenschaltung umfaßt und in der ein Strom i_LA(t) fließt, wie durch die Pfeile in 4b angedeutet. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß in der Spule 240 gespeicherte Energie in das piezoelektrische Element 10 fließt. Entsprechend der Energiezufuhr zu dem piezoelektrischen Element 10 nehmen die im letzteren auftretende Spannung und dessen Außenabmessungen zu. Nachdem der Energietransport von der Spule 240 zum piezoelektrischen Element 10 stattgefunden hat, wird wieder der eingeschwungene Zustand der Schaltung, wie in 3 gezeigt und bereits beschrieben, erreicht.
Der Ladeschalter 220 wird (je nach dem gewünschten Zeitprofil des Ladevorgangs) zu diesem Zeitpunkt oder früher oder später wieder geschlossen und wieder geöffnet, so daß die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden. Infolge des erneuten Schließens und erneuten Öffnens des Ladeschalters 220 nimmt die im piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie zu (die bereits im piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie und die neu zugeführte Energie werden zusammenaddiert), und die am piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und seine Außenabmessungen nehmen dementsprechend zu.
Wenn das obenerwähnte Schließen und Öffnen des Ladeschalters 220 viele Male wiederholt wird, nehmen die am piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 10 in Stufen zu.
Nachdem der Ladeschalter 220 mit einer vordefinierten Häufigkeit geschlossen und geöffnet worden ist und/oder nachdem das piezoelektrische Element 10 den gewünschten Ladezustand erreicht hat, wird das Laden des piezoelektrischen Elements beendet, indem der Ladeschalter 220 offenbleibt.
Hinsichtlich des Entladevorgangs werden bei dem betrachteten Beispiel die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 wie folgt in Gruppen (G1 und/oder G2) entladen:
Zunächst wird der oder werden die Gruppenwahlschalter 310 und/oder 320 in der Gruppe oder den Gruppen G1 und/oder G2, deren piezoelektrische Elemente entladen werden sollen, geschlossen (die Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 61 beeinflussen nicht die Wahl der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 für den Entladevorgang, da sie in diesem Fall durch die Verzweigungsdioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 umgangen werden). Damit das piezoelektrische Element 10 als Teil der ersten Gruppe G1 entladen wird, wird somit der erste Gruppenwahlschalter 310 geschlossen.
Wenn der Entladeschalter 230 geschlossen wird, treten die in 4c gezeigten Zustände auf: Es wird ein geschlossener Kreis gebildet, der eine aus dem piezoelektrischen Element 10 und der Spule 240 bestehende Reihenschaltung umfaßt und in dem ein Strom i_EE(t) fließt, wie durch die Pfeile in 4c angedeutet. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß die im piezoelektrischen Element gespeicherte Energie (ein Teil davon) in die Spule 240 transportiert wird. Entsprechend der Energieübertragung vom piezoelektrischen Element 10 zur Spule 240 nehmen die am piezoelektrischen Element 10 anliegende Spannung und seine Außenabmessungen ab.
Wenn sich der Entladeschalter 230 kurz öffnet (beispielsweise für einige wenige μs), nachdem er geschlossen worden ist, treten die in 4D gezeigten Zustände auf: Es wird ein geschlossener Kreis gebildet, der eine aus dem piezoelektrischen Element 10, dem Kondensator 210, der Entladediode 231 und der Spule 240 bestehende Reihenschaltung umfaßt und in dem ein Strom i_EA(t) fließt, wie durch die Pfeile in 4D angedeutet. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß in der Spule 240 gespeicherte Energie in den Kondensator 210 zurückgeführt wird. Nachdem der Energietransport von der Spule 240 zum Kondensator 210 stattgefunden hat, wird der eingeschwungene Zustand der Schaltung, wie in 3 gezeigt und bereits beschrieben, wieder erreicht.
Je nach dem gewünschten Zeitprofil des Entladevorgangs wird der Entladeschalter 230 zu diesem Zeitpunkt oder früher oder später wieder geschlossen und wieder geöffnet, so daß die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden. Infolge des erneuten Schließens und erneuten Öffnens des Entladeschalters 230 nimmt die im piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie weiter ab, und die am piezoelektrischen Element auftretende Spannung und seine Außenabmessungen nehmen ebenfalls dementsprechend ab.
Falls das obenerwähnte Schließen und Öffnen des Entladeschalters 230 mehrmals wiederholt wird, nehmen die am piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 10 in Schritten ab.
Nachdem der Entladeschalter 230 mit einer vordefinierten Häufigkeit geschlossen und geöffnet worden ist und/oder nachdem das piezoelektrische Element den gewünschten Entladezustand erreicht hat, wird das Entladen des piezoelektrischen Elements 10 beendet, indem der Entladeschalter 230 offengelassen wird.
Die Wechselwirkung zwischen dem Aktivierungs-IC E und der Steuereinheit D einerseits und den Elementen innerhalb des ausführlichen Bereichs A andererseits erfolgt durch Steuersignale, die von der integrierten Aktivierungsschaltung (IC) E zu Elementen innerhalb des ausführlichen Bereichs A gesendet werden, und zwar über Verzweigungsauswahlsteuerleitungen 410, 420, 430, 440, 450, 460, Gruppenwahlsteuerleitungen 510, 520, Stoppschaltersteuerleitung 530, Ladeschaltersteuerleitung 540 und Entladeschaltersteuerleitung 550 und Steuerleitung 560. Andererseits erhält man an Meßpunkten 600, 610, 620, 630, 640, 650 innerhalb des ausführlichen Bereichs A Sensorsignale, die über Sensorleitungen 700, 710, 720, 730, 740, 750 zum Aktivierungs-IC E übertragen werden.
Über die Steuerleitungen werden an die Transistorbasen Spannungen angelegt oder nicht, um piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 zu wählen, damit die Lade- oder Entladevorgänge einzelner oder mehrerer piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 mit Hilfe des Öffnens und Schließens der entsprechenden Schalter wie oben beschrieben durchgeführt werden. Die Sensorsignale werden insbesondere dazu verwendet, die resultierende Spannung der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 an Meßpunkten 600 bzw. 610 und den Lade- und Entladestrom am Meßpunkt 620 zu bestimmen. Mit der Steuereinheit D und dem Aktivierungs-IC E werden beide Arten von Signalen verknüpft, um eine Wechselwirkung von beiden vorzunehmen, wie nun ausführlich unter Bezugnahme auf die 3 und 5 beschrieben wird.
Wie in 3 gezeigt, sind die Steuereinheit D und der Aktivierungs-IC E mit Hilfe eines parallelen Busses 840 und zusätzlich mit Hilfe eines seriellen Busses 850 miteinander verbunden. Der parallele Bus 840 wird insbesondere für die schnelle Übertragung von Steuersignalen von der Steuereinheit D zum Aktivierungs-IC E verwendet, wohingegen der serielle Bus 850 für eine langsamere Datenübertragung verwendet wird.
In 5 sind einige Komponenten gezeigt, die der Aktivierungs-IC E umfaßt: eine Logikschaltung 800, einen RAM-Speicher 810, ein Digital-Analog-Umsetzersystem 820 und ein Vergleichersystem 830. Es ist zudem gezeigt, daß der (für Steuersignale verwendete) schnelle parallele Bus 840 mit der Logikschaltung 800 des Aktivierungs-IC E verbunden ist, während der langsamere serielle Bus 850 mit dem RAM-Speicher 810 verbunden ist. Die Logikschaltung 800 ist mit dem RAM-Speicher 810, dem Vergleichersystem 830 und den Signalleitungen 410, 420, 430, 440, 450 und 460; 510 und 520; 530; 540, 550 und 560 verbunden. Der RAM-Speicher 810 ist sowohl mit der Logikschaltung 800 als auch mit dem Digital-Analog-Umsetzersystem 820 verbunden. Das Digital-Analog-Umsetzersystem 820 ist weiterhin mit dem Vergleichersystem 830 verbunden. Das Vergleichersystem 830 ist weiterhin mit den Sensorleitungen 700 und 710; 720; 730, 740 und 750 und, wie bereits erwähnt, mit der Logikschaltung 800 verbunden.
Die oben aufgeführten Komponenten können bei einem Ladevorgang beispielsweise wie folgt verwendet werden:
Mit Hilfe der Steuereinheit D wird ein bestimmtes piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 festgelegt, das auf eine bestimmte Zielspannung geladen werden soll. Somit wird zunächst der Wert der Zielspannung (durch eine digitale Zahl ausgedrückt) über den langsameren seriellen Bus 850 zum RAM-Speicher 810 übertragen. Die Zielspannung kann beispielsweise der bei einer Haupteinspritzung verwendete Wert für U_opt sein, wie oben bezüglich 1 beschrieben. Später oder gleichzeitig werden über den parallelen Bus 840 ein Code, der dem jeweiligen auszuwählenden piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 entspricht, und die Adresse der gewünschten Spannung im RAM-Speicher 810 zur Logikschaltung 800 übertragen. Später wird ein Strobe-Signal über den parallelen Bus 840 zur Logikschaltung 800 gesendet, das das Startsignal für den Ladevorgang gibt.
Das Startsignal bewirkt zunächst, daß die Logikschaltung 800 sich den digitalen Wert der Zielspannung vom RAM-Speicher 810 holt und ihn zu dem Digital-Analog-Umsetzersystem 820 schickt, wodurch an einem analogen Ausgang der Umsetzer 820 die gewünschte Spannung auftritt. Außerdem ist der nichtgezeigte analoge Ausgang mit dem Vergleichersystem 830 verbunden. Die Logikschaltung 800 wählt zusätzlich dazu entweder den Meßpunkt 600 (für ein beliebiges der piezoelektrischen Elemente 10, 20 oder 30 der ersten Gruppe G1) oder den Meßpunkt 610 (für ein beliebiges der piezoelektrischen Elemente 40, 50 oder 60 der zweiten Gruppe G2) für das Vergleichersystem 830 aus. Daraus ergibt sich, daß die Zielspannung und die aktuelle Spannung an dem gewählten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 durch das Vergleichersystem 830 verglichen werden. Die Ergebnisse des Vergleichs, d. h. die Differenzen zwischen der Zielspannung und der aktuellen Spannung, werden zur Logikschaltung 800 übertragen. Dadurch kann die Logikschaltung 800 den Vorgang stoppen, sobald die Zielspannung und die aktuelle Spannung einander gleich sind.
Zweitens legt die Logikschaltung 800 ein Steuersignal an den Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 oder 61 an, der einem beliebigen gewählten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 entspricht, so daß der Schalter geschlossen wird (es wird davon ausgegangen, daß sich alle Verzweigungsschalter 11, 21, 31, 41, 51 und 61 vor dem Einsetzen des Ladevorgangs in einem offenen Zustand befinden). Dann legt die Logikschaltung 800 an den Ladeschalter 220 ein Steuersignal an, so daß der Schalter geschlossen wird. Außerdem beginnt die Logikschaltung 800 mit dem Messen etwaiger am Meßpunkt 620 auftretender Ströme (oder setzt diese Messungen fort). Dazu werden die gemessenen Ströme vom Vergleichersystem 830 mit einem beliebigen vordefinierten Höchstwert verglichen. Sobald die erfaßten Ströme den vordefinierten Höchstwert erreichen, bewirkt die Logikschaltung 800, daß sich der Ladeschalter 220 wieder öffnet.
Wieder werden verbleibende Ströme am Meßpunkt 620 erfaßt und mit einem vordefinierten Mindestwert verglichen. Sobald der vordefinierte Mindestwert erreicht worden ist, bewirkt die Logikschaltung 800, daß sich der Ladeschalter 220 wieder schließt, und der Vorgang beginnt wieder von neuem.
Das Schließen und Öffnen des Ladeschalters 220 wird solange wiederholt, wie die erfaßte Spannung am Meßpunkt 600 oder 610 unter der Zielspannung liegt. Sobald die Zielspannung erreicht ist, setzt die Logikschaltung den Vorgang nicht weiter fort.
Der Entladevorgang findet auf entsprechende Weise statt: Die Wahl des piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 wird mit Hilfe des Gruppenwahlschalters 310 bzw. 320 erhalten, anstelle des Ladeschalters 220 wird der Entladeschalter 230 geöffnet und geschlossen, und eine vordefinierte Mindestzielspannung soll erreicht werden.
Die Taktsteuerung der Lade- und Entladevorgänge und das Halten der Spannungspegel in den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, wie beispielsweise der Zeitpunkt einer Haupteinspritzung, kann entsprechend einem Ventilhub erfolgen, wie beispielsweise in 2 gezeigt.
Es versteht sich, daß die oben angegebene Beschreibung, wie die Lade- oder Entladevorgänge ablaufen, lediglich beispielhaft sind. Somit könnte jeder andere Vorgang, der die oben beschriebenen Schaltungen oder andere Schaltungen verwendet, einem beliebigen gewünschten Zweck entsprechen, und anstelle des oben beschriebenen Beispiels kann jeder entsprechende Vorgang verwendet werden.
6 zeigt ein Konfiguration zum Steuern eines Verbrennungsmotors 2505. Diese Konfiguration umfaßt eine Grundspannungsberechnungseinheit 2500, die eine Grundspannung berechnet, die an die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 der im ausführlichen Bereich A von 6 enthaltenen Schaltung angelegt werden soll; der ausführliche Bereich A ist ebenfalls in 4 gezeigt. Die Grundspannungsberechnungseinheit 2500 berechnet eine Grundspannung in Abhängigkeit vom Druck p_rail in der unter Druck stehenden Kraftstoffzufuhrleitung des Kraftstoffeinspritzsystems. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Grundspannung über einen ersten Korrekturblock 2501 unter Verwendung eines Temperaturkorrekturwerts K_T korrigiert. Die Ausgabe des ersten Korrekturblocks 2501 ist eine korrigierte Grundspannung. Diese korrigierte Grundspannung wird bevorzugt durch einen zweiten oder nachfolgenden Korrekturblock 2502 unter Verwendung eines Alterungskorrekturwerts K_A korrigiert. Der erste und zweite Korrekturblock 2501 und 2502 sind bevorzugt Multiplizierer, das heißt, die Grundspannung wird mit dem Temperaturkorrekturwert K_T multipliziert, und die Ausgabe wird in den zweiten oder nachfolgenden Korrekturblock 2502 eingegeben und mit dem Alterungskorrekturwert K_A multipliziert. Der Alterungskorrekturwert K_A wird über eine Korrekturwertberechnungseinheit 2512 berechnet. Der Korrekturblock 2502 und die Korrekturwertberechnungseinheit 2512 sind Teil einer Kompensationseinheit 2511. Die Ausgabe des zweiten oder nachfolgenden Korrekturblocks 2502 wird bevorzugt weiter über einen dritten oder nachfolgenden Korrekturblock 2503 unter Verwendung eines Online-Korrekturwerts K₀ korrigiert. Der dritte oder nachfolgende Korrekturblock 2503 ist bevorzugt als ein Addierer implementiert, das heißt, der Online-Korrekturwert K₀ wird bevorzugt zur Ausgabe des zweiten oder nachfolgenden Korrekturblocks 2502 addiert. Die Ausgabe des dritten oder nachfolgenden Korrekturblocks 2503 wird bevorzugt durch eine Spannungs- und Spannungsgradientensteuerung 2504 hindurchgeleitet.
Die Grundspannungsberechnungseinheit 2500 und die Korrekturblöcke 2501, 2502 und 2503 sowie die Spannungs- und Spannungsgradientensteuerung 2504 sind Softwaremodule, die in der Steuereinheit D in 3 implementiert sind.
Die Spannungs- und Spannungsgradientensteuerung 2504 ist weiterhin in 6 über den seriellen Bus 850 mit dem in 3 gezeigten Aktivierungs-IC E verbunden. Der Aktivierungs-IC E ist mit der Schaltung im ausführlichen Bereich über die Signalleitungen 410, 420, 430, 440, 450, 460, 510, 520, 530, 540, 550, 560, 700, 710, 720, 730, 740 und 750 verbunden. Die Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsmotor 2505 wird über die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 der Schaltung innerhalb des in 3 gezeigten ausführlichen Bereichs A gesteuert. Die Drehzahl des Verbrennungsmotors 2505 wird gemessen und in eine Kraftstoffkorrektureinheit 2506 eingegeben. Die Kraftstoffkorrektureinheit 2506 umfaßt ein Frequenzanalysegerät, das die Frequenz der Drehzahl auswertet. Die Kraftstoffkorrektureinheit 2506 berechnet anhand dieser Frequenzanalyse für jeden einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors 2505 einen Kraftstoffkorrekturwert ΔQ_E.
Die in 6 gezeigte Konfiguration umfaßt auch eine Kraftstoffvolumenberechnungseinheit 2507, die ein gewünschtes Kraftstoffvolumen Q_E berechnet. Das gewünschte Kraftstoffvolumen wird über einen Addierer 2508 zu dem Kraftstoffvolumenkorrekturwert ΔQ_E addiert. Die Summe des gewünschten Kraftstoffvolumens Q_E und des Kraftstoffvolumenkorrekturwerts ΔQ_E wird einer Kraftstoffdosiereinheit 2509 zugeführt. Die Kraftstoffdosiereinheit berechnet den Zeitpunkt, an dem eine Spannung an die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 angelegt werden muß, damit Kraftstoff in den Verbrennungsmotor 2505 eingespritzt wird. Die Kraftstoffkorrektureinheit 2506, der Addierer 2508, die Kraftstoffvolumenberechnungseinheit 2507 und die Kraftstoffdosiereinheit 2509 sind in der Steuereinheit D implementiert. Zeitsignale, um zu signalisieren, wann eine Spannung an die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 angelegt werden muß, um Kraftstoff in den Verbrennungsmotor 2505 einzuspritzen, werden über den parallelen Bus 840 von der Kraftstoffdosiereinheit 2509 zum Aktivierungs-IC E übertragen.
Der Online-Korrekturwert K₀ wird durch eine Online-Optimierungseinheit 2510 berechnet. Die Online-Optimierungseinheit 2510 berechnet den Online-Korrekturwert K₀ auf der Basis des von der Kraftstoffkorrektureinheit 2506 berechneten Kraftstoffkorrekturwerts ΔQ_E.
Die Werte U_opt können sich als Funktion der Arbeitskennlinie des Kraftstoffeinspritzsystems ändern, wie etwa beispielsweise Kraftstoffdruck, wie in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit dem Titel „Method and Apparatus for Charging a Piezoelectric Element" (Anwaltsaktennummer 10744/11, eingereicht von dem Eigentümer der vorliegenden Erfindung am gleichen Datum hiermit und durch Bezugnahme in seiner Gänze hier aufgenommen) beschrieben, insbesondere um die Einspritzanlage, beispielsweise das Einspritzventil und das piezoelektrische Element, und sein Alter abzutasten.
7 zeigt eine Funktionsdarstellung, wie der Spannungsoffset bestimmt wird, der sich aus dem oben erörterten Temperaturhystereseabhängigkeitseffekt der piezoelektrischen Aktuatoren ergibt. Sie beginnt mit einer Kapazitätsbestimmung einschließlich der tatsächlichen Kapazität eines gegebenen piezoelektrischen Elements, die wie oben erörtert eine Funktion der Temperatur ist. Die aktuelle Kapazität C_Akt, die aktuelle Temperatur T_Akt und die Sollspannung U_soll werden dazu verwendet, die Hysteresekurve für ein gegebenes piezoelektrisches Element zu berechnen. Auf der Basis der resultierenden Kennlinienkurve kann ein Sollspannungsoffset ΔU_soll bestimmt werden, mit dem dann der Hub des piezoelektrischen Elements korrigiert werden kann.
8 zeigt eine Reihe der Aktuatorhub-Spannungshysterese-Kurven, die in 7 berechnet werden. Wie man in 8 sehen kann, werden bei verschiedenen Temperaturen des piezoelektrischen Elements (T₁ und T₂) die Kurven bezüglich des Hubs bei gegebenen Spannungen verschoben. Diese Verschiebungen bewirken eine unpräzise Ausdehnung des piezoelektrischen Elements, was einer ungenauen Positionierung der Düsennadel entspricht. Wie 7 anzeigte, wird zum Kompensieren dieser Temperaturabhängigkeit ein Spannungsoffset berechnet, der dann zu der an das piezoelektrische Element angelegten Spannung hinzugefügt oder von dieser subtrahiert wird.
9 zeigt eine graphische Darstellung der im Laufe der Zeit eines einzelnen Lade-/Entladetaktes an ein piezoelektrisches Element angelegten Spannung. Ausgehend von einer angelegten Spannung von 0, wird eine erste Spannung U_center1 an das piezoelektrische Element angelegt, die Spannung wird dann für eine eingestellte Zeit auf U_max hochgefahren, dann auf U_center2 herabgesetzt und schließlich wird die angelegte Spannung abgeklemmt. Wegen der Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Elements müssen bei jeder der drei identifizierten Spannungspunkte U_center1, U_max und U_center2 ein entsprechender Spannungsoffset berechnet werden, um den Temperaturhystereseeffekt zu kompensieren und die Düsennadel präzise zu positionieren.
10 zeigt ein Schemadiagramm des Verfahrens, das zum Bestimmen des Spannungsoffsets für jeden der identifizierten angelegten Spannungspunkte verwendet wird. Wie oben erwähnt wurde, kann die Temperatur des piezoelektrischen Elements nicht allgemein gemessen werden, weshalb statt dessen die Kapazität des piezoelektrischen Elements verwendet wird.
Zur Bestimmung der Spannungsoffsets wird das folgende Verfahren verwendet. Anfangs werden Basislinienmessungen durchgeführt und resultierende Hysteresekurven werden bei definierten Aktuatortemperaturen aufgezeichnet, wie in 8 gezeigt. Diese Basislinienkurven beispielsweise können an einem Prüfstand unter reproduzierbaren Bedingungen durchgeführt werden. Aus diesen Aktuatortemperaturen können die aktuellen Kapazitäten eines gegebenen Aktuators bestimmt werden.
Nachdem die Basislinienkurven für einen gegebenen Leitungsdruck p_rail bestimmt worden sind, kann eine Aktivierungssollspannung U_soll bei einer konstanten Temperatur bestimmt werden. Wie im Diagramm gezeigt, kann somit eine Anfangsaktivierungsspannung für jede der Spannungen U_center1, U_center2 Und U_max bei einer gegebenen konstanten Temperatur geschätzt werden. Danach kann jede dieser geschätzten Spannungen korrigiert werden, um die tatsächliche Temperatur des piezoelektrischen Elements zu berücksichtigen. Wie bereits erwähnt, kann die Temperatur vorteilhafterweise anhand einer gemessenen Kapazität C_mess des piezoelektrischen Elements bestimmt werden. Dann kann unter Verwendung der geschätzten Anfangsaktivierungsspannung und der Temperatur des piezoelektrischen Elements T_aktor unter Verwendung einer Kennlinienkurve KF1, KF2 und KF3 ein Korrekturfaktor F_k1, F_k2, F_kmax bestimmt werden. Der resultierende Korrekturfaktor F_k1, F_k2, F_kmax stellt die Änderung der geradlinigen Ausdehnung des piezoelektrischen Elements bezüglich eines Satzes von Basislinien- oder Standardbedingungen dar. Wenn die Änderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements bei seiner Arbeitstemperatur größer ist als die bei den Standardbedingungen, liegt der Quotient unter Eins. Ansonsten ist der Quotient größer als Eins.
Um den zum Korrigieren der Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Elements erforderlichen Spannungsoffset zu bestimmen, wird jeder Korrekturfaktor F_k1, F_k2, F_max mit den geschätzten Anfangsaktivierungsspannungen U_center1, U_center2 und U_max multipliziert. Dadurch wird die Ansteuerspannung im Hinblick auf die Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Elements korrigiert. Beispielsweise wird die Ansteuerspannung reduziert, wenn die geradlinige Ausdehnung für das gegebene piezoelektrische Element größer ist als die unter Standardbedingungen, oder erhöht, wenn die lineare Ausdehnung für das gegebene piezoelektrische Element kleiner ist als die unter Standardbedingungen.

Claims

Kraftstoffeinspritzsystem mit einem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zum Steuern der eingespritzten Kraftstoffmenge durch Laden und/oder Entladen des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60), wobei das Kraftstoffeinspritzsystem eine Steuereinheit (D) umfaßt, um eine Aktivierungsspannung zum Laden des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) als Funktion der Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (D) eine temperaturabhängige Hysteresekurve umfaßt, die den Aktuatorweg des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50, 60) zur Spannung am piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) in Beziehung setzt und zum Bestimmen der Aktivierungsspannung verwendet wird.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (D) die Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) bestimmt, indem sie die Kapazität des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) bestimmt.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierungsspannung zum Laden des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) eine Basiskennspannung und einen Spannungsoffset umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsoffset eine Funktion der Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) ist.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zum Steuern einer eingespritzten Kraftstoffmenge durch Laden und/oder Entladen des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60), wobei eine Aktivierungsspannung zum Laden des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) bestimmt wird, wobei die Aktivierungsspannung eine Funktion der Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine temperaturabhängige Hysteresekurve verwendet wird, um die Aktivierungsspannung zu bestimmen, wobei die Hysteresekurve den Aktuatorweg des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zur Spannung am piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) in Beziehung setzt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) bestimmt wird, indem die Kapazität des piezoelektrischen Elements bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierungsspannung zum Laden des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) eine Basiskennspannung und einen Spannungsoffset umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsoffset eine Funktion der Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) ist.