DE60022734T2

DE60022734T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Brennstoffeinspritzverfahrens

Info

Publication number: DE60022734T2
Application number: DE2000622734
Authority: DE
Inventors: Johannes-Joerg Rueger; Wolfgang Stoecklein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-04-01
Filing date: 2000-04-01
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2020-04-02
Also published as: EP1138909B1; DE60022734D1; EP1138909A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 7, d.h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung einer Korrektur an einem Kraftstoffeinspritzsystem.
Die vorliegenden piezoelektrischen Elemente, die in größerem Detail betrachtet werden, sind insbesondere, aber nicht ausschließlich, als Stellglieder verwendete piezoelektrische Elemente. Piezoelektrische Elemente können für solche Zwecke benutzt werden, da sie bekanntlich die Eigenschaft besitzen, als Funktion einer daran angelegten oder darin auftretenden Spannung zu kontrahieren oder zu expandieren.
Die praktische Implementierung von Stellgliedern durch Verwendung piezoelektrischer Elemente erweist sich insbesondere dann vorteilhaft, wenn das fragliche Stellglied schnelle und/oder häufige Auslenkungen ausführen muß.
Die Verwendung piezoeletrischer Elemente als Stellglieder erweist sich u.a. besonders in Kraftstoffeinspritzdüsen für Verbrennungsmotoren als vorteilhaft. Es wird zum Beispiel auf EP 0 371 469 B1 und EP 0 379 182 B1 bezüglich der Verwendbarkeit piezoelektrischer Elemente in Kraftstoffeinspritzdüsen Bezug genommen. Eine Steuerung eines piezoelektrischen Einspritzers, die eine an das piezoelektrische Element angelegte Spannung auf einen vorbestimmten Wert steuert, ist aus EP-A-464 443 bekannt. Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Elemente, die, wie bereits oben teilweise erwähnt, gemäß dem darin auftretenden oder daran angelegten Ladungszustand bzw. der darin auftretenden oder daran angelegten Spannung kontrahieren und expandieren. Bei dem Beispiel einer Kraftstoffeinspritzdüse dient die Expansion und Kontraktion piezoelektrischer Elemente zur Steuerung von Ventilen, die den linearen Hub von Einspritznadeln manipulieren.
In einer Kraftstoffeinspritzdüse, die zum Beispiel als doppelt wirkendes Doppelsitzventil zur Steuerung des linearen Hub einer Nadel für die Kraftstoffeinspritzung in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors implementiert wird, ist die Menge an in einen entsprechenden Zylinder eingespritztem Kraftstoff eine Funktion der Zeit, für die das Ventil, und im Fall der Verwendung eines piezoelektrischen Elements einer an das piezoelektrische Element angelegten Aktivierungsspannung. Wenn sich der Ventilstopfen des Ventils in einem der beiden Sitze des Doppelsitzventils befindet, bleibt oder wird die Düsennadel geschlossen. Wenn sich der Ventilstopfen in einer Zwischenposition zwischen den Sitzen befindet, bleibt oder wird die Düsennadel offen. Das Ziel besteht darin, mit hoher Genauigkeit ein gewünschtes Kraftstoffeinspritzvolumen zu erzielen, und zwar insbesondere bei kleinen Einspritzvolumen zum Beispiel während der Voreinspritzung.
Bei dem Beispiel eines Doppelsitzventils soll das piezoelektrische Element so durch den Effekt einer Aktivierungsspannung expandiert oder kontrahiert werden, daß ein gesteuerter Ventilstopfen in der Mitte zwischen den beiden Sitzen des Doppelsitzventils positioniert wird, um die entsprechende Einspritznadel während eines festgelegten Zeitraums für maximalen Kraftstofffluß zu positionieren. Es hat sich als schwierig erwiesen, eine für alle Einspritzelemente und während der gesamten Lebensdauer des Einspritzsystems genau genug eine Aktivierungsspannung zu bestimmen und anzuwenden, so daß der entsprechende Ventilstopfen präzise für maximalen Kraftstofffluß positioniert wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Entwicklung der in dem Oberbegriff von Anspruch 1 definierten Vorrichtung und des in dem Oberbegriff von Anspruch 7 definierten Verfahrens dergestalt, daß ein Aktivierungsspannungspegel für ein piezoelektrisches Element mit ausreichender Präzision bestimmt und festgelegt wird, um einen Ventilstopfen präzise für maximalen Kraftstofffluß zu positionieren. Das piezoelektrische Element kann eines von mehreren piezoelektrischen Elementen sein, die als Stellglieder in einem System wie zum Beispiel einem Kraftstoffeinspritzsystem verwendet werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung mittels der in Anspruch 1 (Vorrichtung) und in Anspruch 7 (Verfahren) beanspruchten Merkmale gelöst.
Diese sehen folgendes vor:

– Bestimmung einer Spannungsdifferenzabweichung in bezug auf einen gewünschten Wert nach einer vorbestimmten Zeit in bezug auf eine Aktivierung des piezoelektrischen Elements für eine an ein piezoelektrisches Element angelegte Spannung und Anwenden einer Korrektur auf ein Ansteuersignal für piezoelektrische Elemente auf der Basis der Spannungsdifferenzabweichung.

Die Menge der zur Auslenkung der Ventilnadel notwendigen Kraft ist eine Funktion der Betriebskenngrößen des Kraftstoffeinspritzsystems, zum Beispiel des auf das Steuerventil an der Kraftstoffeinspritzdüse angewandten Kraftstoffdrucks, der Temperatur und so weiter. Die Last auf dem piezoelektrischen Element aus dem entsprechenden Ventil und der Betrag der Verschiebung des piezoelektrischen Elements als Reaktion auf ein Anlegen einer bestimmten Aktivierungsspannung sind auch Funktion zum Beispiel des auf das Ventil angewandten Kraftstoffdrucks.
Im Fall eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems ist der Kraftstoffdruck an einer beliebigen bestimmten Kraftstoffeinspritzdüse für einen Zylinder ungefähr gleich dem Kraftstoffdruck in dem Common Rail. Der auf die Ventile des Verbrennungsmotors wirkende Common-Rail-Kraftstoffdruck kann sich als Funktion des Arbeitspunkts in dem Kraftstoffeinspritzsystem signifikant ändern, was zu beträchtlichen Änderungen der auf das Ventil wirkenden Kräfte führt.
Folglich wird bei diesem Beispiel der Aktivierungsspannungspegel für ein piezoelektrisches Element, der sich für eine Verschiebung des Elements eignet, die ausreicht, um die Einspritznadel zu einer für maximalen Kraftstofffluß optimalen Mittelposition zu bewegen, in dem Beispiel eines doppelt wirkenden Ventils durch Kraftstoffdruckpegel und Änderungen des Pegels beeinflußt.
Bei einem gegebenen Aktivierungsspannungspegel, der als Funktion einer Betriebskenngröße des Kraftstoffeinspritzsystems, wie zum Beispiel des Kraftstoffdrucks, festgelegt wird, kann das Steuerventil unabhängig von dem Rail-Druck und deshalb von dem Betriebszustand des Systems mit ausreichender Genauigkeit gesteuert werden. Die Aktivierungsspannung, die zu einem beliebigen bestimmten Zeitpunkt an ein piezoelektrisches Element angelegt wird, wird relativ zu dem Rail-Druck zum Zeitpunkt der Aktivierung angemessen sein, so daß die Einspritznadel durch das Steuerventil ordnungsgemäß für maximales Einspritzvolumen positioniert wird. Auf diese Weise kann man ein gewünschtes Einspritzvolumen mit ausreichender Genauigkeit auch dann erreichen, wenn das Einspritzvolumen klein oder das Einspritzprofil komplex ist.
Vorteilhafte Entwicklungen der vorliegenden Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren hervor.
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher mit Bezug auf Ausführungsbeispiele erläutert, wobei auf die Figuren Bezug genommen wird. Es zeigen:
1 einen Graph der Beziehung zwischen Aktivierungsspannung und eingespritztem Kraftstoffvolumen in einem festen Zeitraum für das Beispiel eines doppelt wirkenden Steuerventils;
2 ein schematisches Profil eines beispielhaften Steuerventilhubs und einer entsprechenden Düsennadelhebung für das Beispiel eines Doppelsteuerventils;
3A, B Graphen der Beziehung zwischen Aktivierungsspannung und Rail-Druck;
4 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für eine Anordnung, in der die vorliegende Erfindung implementiert werden kann;
5A eine Abbildung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer ersten Ladephase (Ladeschalter 220 geschlossen) in der Schaltung von 4 auftreten;
5B eine Abbildung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer zweiten Ladephase (Ladeschalter 220 wieder offen) in der Schaltung von 4 auftreten;
5C eine Abbildung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer ersten Entladephase (Entladeschalter 230 geschlossen) in der Schaltung von 4 auftreten;
5D eine Abbildung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer zweiten Entladephase (Entladeschalter 230 wieder offen) in der Schaltung von 4 auftreten;
6 ein Blockschaltbild von Komponenten des Aktivierungs-ICE, das auch in 4 gezeigt ist;
7 ein Schaltbild eines Common-Rail-Kraftstoffeinspritzers mit einem piezoelektrisch betätigten Servoventil; und
8 Graphen der an das piezoelektrische Element angelegten Spannung als Funktion der Zeit, der Stellgliedauslenkung als Funktion der Zeit, der Ventilauslenkung als Funktion der Zeit und der Düsennadelauslenkung als Funktion der Zeit.
1 zeigt einen Graphen der Beziehung zwischen der Aktivierungsspannung U und einem eingespritzten Kraftstoffvolumen Q während eines vorgewählten festen Zeitraums für ein beispielhaftes Kraftstoffeinspritzsystem, das auf doppelt wirkende Steuerventile wirkende piezoelektrische Elemente verwendet. Die Y-Achse repräsentiert das Volumen von in eine Zylinderkammer während des vorgewählten festen Zeitraums eingespritzten Kraftstoffs. Die X-Achse repräsentiert die Aktivierungsspannung U, die an das entsprechende piezoelektrische Element, mit dem ein Ventilstopfen des doppelt wirkenden Steuerventils verschoben wird, angelegt oder darin gespeichert wird.
Bei x=0, y=0 ist die Aktivierungsspannung 0 und der Ventilstopfen sitzt in einer ersten geschlossenen Position, um den Kraftstofffluß während des vorgewählten festen Zeitraums zu verhindern. Für Werte der Aktivierungsspannung U von mehr als Null, bis zu dem als U_opt angegebenen X-Achsenpunkt, bewirken die repräsentierten Werte der Aktivierungsspannung die Verschiebung des Ventilstopfens von dem ersten Sitz weg in Richtung des zweiten Sitzes auf eine Weise, die zu einem größeren Volumen an eingespritztem Kraftstoff für den festen Zeitraum führt, wenn sich die Aktivierungsspannung U_opt nähert, bis zu dem wert für das Volumen, der auf der Y-Achse durch Q_max angegeben ist. Der Punkt Q_max, der dem größten Volumen für den eingespritzten Kraftstoff während des festen Zeitraums entspricht, repräsentiert den Wert der Aktivierungsspannung, die an das piezoelektrische Element angelegt wird oder dieses aufladen soll, der zu einer optimalen Verschiebung des Ventilstopfens zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilsitz führt.
Wie in dem Graph von 1 gezeigt, nimmt für Werte der Aktivierungsspannung von mehr als U_opt das Volumen an während des festen Zeitraums eingespritztem Kraftstoff ab, bis es Null erreicht. Dies repräsentiert eine Verschiebung des Ventilstopfens von dem optimalen Punkt in Richtung des zweiten Sitzes des Doppelsitzventils, bis der Ventilstopfen an dem zweiten Ventilsitz sitzt. Der Graph von 1 zeigt also, daß ein maximales Volumen der Kraftstoffeinspritzung auftritt, wenn die Aktivierungsspannung bewirkt, daß das piezoelektrische Element den Ventilstopfen zu dem optimalen Punkt verschiebt.
Die vorliegende Erfindung lehrt, daß der Wert für U_opt zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt durch die Betriebskenngrößen des Kraftstoffeinspritzsystems zu diesem Zeitpunkt, wie zum Beispiel dem Kraftstoffdruck, beeinflußt wird. Das heißt, wieviel Verschiebung durch das piezoelektrische Element für eine bestimmte Aktivierungsspannung verursacht wird, variiert als Funktion des Kraftstoffdrucks. Um folglich ein maximales Volumen der Kraftstoffeinspritzung (Q_max) während eines gegebenen festen Zeitraums zu erzielen, sollte folglich die Aktivierungsspannung, die an das piezoelektrische Element angelegt oder darin auftritt, auf einen Wert gesetzt werden, der für einen aktuellen Kraftstoffdruck relevant ist, um U_opt zu erzielen.
2 zeigt einen Doppelgraphen, der ein schematisches Profil eines beispielhaften Steuerventilhubs repräsentiert, um die Funktionsweise des oben besprochenen Doppelsitzventils zu illustrieren. In dem oberen Graphen von 2 repräsentiert die X-Achse die Zeit und die Y-Achse die Verschiebung des Ventilstopfens (Ventilhebung). In dem unteren Graphen von 2 repräsentiert die X-Achse wieder die Zeit, während die Y-Achse eine Düsennadelhebung zur Bereitstellung von Kraftstofffluß repräsentiert, die sich aus der Ventilhebung des oberen Graphen ergibt. Der obere und der untere Graph sind miteinander ausgerichtet, um zeitlich zusammenzufallen wie durch die jeweiligen X-Achsen repräsentiert wird.
Während eines Einspritzzyklus wird das piezoelektrische Element geladen, was zu einer Expansion des piezoelektrischen Elements führt, wie ausführlicher beschrieben werden wird, und wodurch bewirkt wird, daß sich der entsprechende Ventilstopfen für einen Voreinspritzhub, wie in dem oberen Graphen von 2 gezeigt, von dem ersten Sitz zu dem zweiten Sitz bewegt. Der untere Graph von 2 zeigt eine kleine Einspritzung von Kraftstoff, die auftritt, während sich der Ventilstopfen zwischen den beiden Sitzen des Doppelsitzventils bewegt, wobei das Ventil geöffnet und geschlossen wird, während sich der Stopfen zwischen den Sitzen bewegt. Im allgemeinen kann das Laden des piezoelektrischen Elements in zwei Schritten geschehen. Der erste Schritt besteht darin, es bis auf eine bestimmte Spannung aufzuladen und zu bewirken, daß sich das Ventil öffnet, und der zweite Schritt besteht darin, es weiter aufzuladen und zu bewirken, daß sich das Ventil wieder an dem zweiten Sitz schließt. Zwischen den beiden Schritten kann im allgemeinen eine bestimmte Zeitverzögerung bestehen.
Nach einem vorgewählten Zeitraum wird dann eine Entladeoperation durchgeführt, wie später ausführlicher erläutert werden wird, um die Ladung in dem piezoelektrischen Element zu reduzieren, so daß es kontrahiert, wie ebenfalls ausführlicher beschrieben werden wird, wodurch bewirkt wird, daß sich der Ventilstopfen von dem zweiten Sitz wegbewegt und an einen Mittelpunkt zwischen den beiden Sitzen hält. Wie in 1 angegeben, soll die Aktivierungsspannung in dem piezoelektrischen Element einen Wert erreichen, der U_opt gleich ist, um einem optimalen Punkt der Ventilhebung zu entsprechen und dadurch einen maximalen Kraftstofffluß Q_max während des einer Haupteinspritzung zugeteilten Zeitraums zu erhalten. Der obere und der untere Graph von 2 zeigen das Halten der Ventilhebung auf einen Mittelpunkt, was zu einer Hauptkraftstoffeinspritzung führt.
Am Ende des Zeitraums für die Haupteinspritzung wird das piezoelektrische Element auf eine Aktivierungsspannung von Null entladen, was zu einer weiteren Kontraktion des piezoelektrischen Elements führt, um zu bewirken, daß sich der Ventilstopfen von der optimalen Position weg in Richtung des ersten Sitzes bewegt, wobei das Ventil geschlossen und der Kraftstofffluß gestoppt wird, wie in dem oberen und unteren Graph von 2 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Ventilstopfen wieder in einer Position zum Wiederholen eines weiteren Zyklus von Voreinspritzung und Haupteinspritzung, wie zum Beispiel gerade oben beschrieben. Natürlich kann auch jeder beliebige andere Einspritzzyklus durchgeführt werden.
3A und B zeigen Graphen, die die Beziehung zwischen Aktivierungsspannungspegeln und Rail-Druck gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zum Beispiel wie in 2 gezeigt während einer Haupteinspritzung darstellen. In den Graphen von 3A und 3B ist jeweils die Aktivierungsspannung in Prozent aufgetragen, die an ein piezoelektrisches Element angelegt oder darin gespeichert wird, wobei sich die Verschiebung der Düsennadel aus der Expansion oder Kontraktion des piezoelektrischen Elements aufgrund der Aktivierungsspannung und der dieser entsprechenden Ventilhebung ergibt bzw. dem relativen Kraftstoffdruck in dem Common Rail während der in 3A bzw. 3B abgebildeten bestimmten Zyklen. Der Graph in 3B ist nur insofern von dem Graphen 3A verschieden, als er ein Beispiel für einen höheren relativen Rail-Druck darstellt.
In jedem der in 3A bzw. 3B gezeigten Zyklen soll die Ventilhebung ein Betrag sein, der zu einer Position in der Mitte zwischen den beiden Ventilsitzen führt, wie oben beschrieben, wie in 3A und 3B gezeigt, muß, wenn der Rail-Druck eine Spitze erreicht, die Aktivierungsspannung den optimalen Pegel erreichen, um eine Mittelverschiebung zu erreichen.
4 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer Anordnung, in der die vorliegende Erfindung implementiert werden kann.
4 zeigt einen detaillierten Bereich A und einen nichtdetaillierten Bereich, deren Trennung durch eine gestrichelte Linie c dargestellt ist. Der detaillierte Bereich A umfaßt eine Schaltung zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60. In dem betrachteten Beispiel sind diese piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 Stellglieder in Kraftstoffeinspritzdüsen (insbesondere in sogenannten Common-Rail-Einspritzern) eines Verbrennungsmotors. Piezoelektrische Elemente können für solche Zwecke verwendet werden, da sie bekanntlich und wie oben besprochen die Eigenschaft besitzen, sich als Funktion einer daran angelegten oder darin auftretenden Spannung zu kontrahieren oder zu expandieren. Der Grund dafür, sechs piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 in der beschriebenen Ausführungsform zu nehmen, besteht darin, unabhängig sechs Zylinder in einem Verbrennungsmotor zu steuern; daher könnte jede beliebige andere Anzahl piezoelektrischer Elemente zu jedem beliebigen anderen Zweck passen.
Der nichtdetaillierte Bereich B umfaßt eine Steuereinheit D und ein Aktivierungs-IC E, wobei durch beide die Elemente in dem ausführlichen Bereich A gesteuert werden, sowie ein Meßsystem F zur Messung von Systembetriebskenngrößen wie zum Beispiel Rail-Druck. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Steuereinheit D und das Aktivierungs-IC E so programmiert, daß Aktivierungsspannungen für piezoelektrische Elemente als Funktion gemessener oder erfaßter Werte von Betriebskenngrößen des Kraftstoffeinspritzsystems, wie zum Beispiel des Kraftstoffdrucks eines Common-Rail-Systems, der durch das Meßsystem F gemessen wird, gesteuert werden.
Die folgende Beschreibung führt zunächst die einzelnen Elemente in dem ausführlichen Bereich A ein. Dann werden die Prozeduren des Ladens und des Entladens der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 allgemein beschrieben. Als letztes wird ausführlich beschrieben, wie beide Prozeduren mittels der Steuereinheit D und des Aktivierungs-IC E gesteuert werden.
Die Schaltung in dem 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 verteilt, wobei jede drei piezoelektrische Elemente umfaßt (d.h. die piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 in der ersten Gruppe G1 und die Elemente 40, 50 und 60 in der zweiten Gruppe G2). Die Gruppen G1 und G2 sind Bestandteile von miteinander parallel geschalteten Schaltungsteilen. Mit Gruppenwahlschaltern 310, 320 kann man festlegen, welche der Gruppen G1, G2 piezoelektrischer Elemente 10, 20 und 30 und 40, 50 und 60 in jedem Fall durch eine gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung entladen wird (die Gruppenwahlschalter 310, 320 sind jedoch für Ladeprozeduren bedeutungslos, wie später ausführlicher erläutert werden wird).
Die Gruppenwahlschalter 310, 320 sind zwischen einer Spule 240 und den jeweiligen Gruppen G1 und G2 (ihren spulenseitigen Anschlüssen) angeordnet und werden als Transistoren implementiert. Es werden Seitentreiben 311, 321 implementiert, die aus dem Aktivierungs-IC E empfangene Steuersignale in Spannungen transformieren, die für das Schließen und Öffnen der Schalter je nach Bedarf in Betracht kommen.
Die Dioden 315 und 325 (die als Gruppenauswahldioden bezeichnet werden) werden jeweils parallel mit den Gruppenauswahlschaltern 310, 320 vorgesehen. Wenn die Gruppenauswahlschalter 310, 320 zum Beispiel als MOSFETs oder IGBTs implementiert werden, können diese Gruppenauswahldioden 315 und 325 durch die parasitären Dioden selbst gebildet werden. Die Dioden 315, 325 umgehen die Gruppenwahlschalter 310, 320 während Ladeprozeduren. Die Funktionalität der Gruppenauswahlschalter 310, 320 wird daher reduziert, um eine Gruppe G1, G2 piezoelektrischer Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 nur für eine Entladeprozedur zu wählen.
Innerhalb jeder Gruppe G1, G2 werden die piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 als Bestandteile der Piezozweige 110, 120 und 130 (Gruppe G1) und 140, 150 und 160 (Gruppe G2) angeordnet, die parallelgeschaltet sind. Jeder Piezozweig umfaßt eine Reihenschaltung aus einer ersten Parallelschaltung mit einem piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 und 60 bzw. einem Widerstand 13, 23, 33, 43, 53 und 63 (die als Zweigwiderstände bezeichnet werden) und eine zweite Parallelschaltung aus einem Selektorschalter, der als Transistor 11, 21, 31, 41, 51 und 61 (bezeichnet als Zweigauswahlschalter) bzw. einer Diode 12, 22, 32, 42, 52 und 62 (bezeichnet als Zweigdioden) implementiert wird.
Die Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53 und 63 bewirken, daß sich jedes entsprechende piezoelektrische Element 10, 20, 30, 40, 50 und 60 während und nach einer Ladeprozedur selbst kontinuierlich entlädt, da sie beide Anschlüsse jedes kapazitiven piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 und 60 miteinander verbinden. Die Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53 und 63 sind jedoch groß genug, damit diese Prozedur im Vergleich zu den gesteuerten Lade- und Entladeprozeduren wie nachfolgend beschrieben langsam wird. Es ist daher immer noch eine vernünftige Annahme, die Ladung eines beliebigen piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 als nach einer Ladeprozedur innerhalb einer relevanten Zeit unveränderlich zu betrachten (der Grund dafür, dennoch die Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53 und 63 zu implementieren, besteht darin, übrige Ladungen auf den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 im Fall eines Ausfall des Systems oder anderer Ausnahmesituationen zu vermeiden). Daher können die Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53 und 63 in der folgenden Beschreibung vernachlässigt werden.
Die Paare aus Zweigauswahlschaltern und Zweigdiode in den einzelnen Piezozweigen 110, 120, 130, 140, 150 und 160, d.h. der Auswahlschalter 11 und die Diode 12 in dem Piezozweig 110, der Auswahlschalter 21 und Diode 22 in dem Piezozweig 120 und so weiter können mit elektronischen Schaltern (d.h. Transistoren) mit parasitären Dioden implementiert werden, wie zum Beispiel MOSFETs oder IGBTs (wie oben für die Paare aus Gruppenauswahlschalter und Diode 310 und 315 bzw. 320 und 325 erwähnt).
Mit den Zweigauswahlschaltern 11, 21, 31, 41, 51 und 61 kann man festlegen, welches der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 in jedem Fall durch eine gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung geladen wird: in jedem Fall sind die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, die geladen werden, alle diejenigen, deren Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 oder 61 während der Ladeprozedur geschlossen sind, was später beschrieben wird. Gewöhnlich ist zu jedem gegebenen Zeitpunkt nur einer der Zweigwahlschalter geschlossen.
Die Zweigdioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 dienen zum Umgehen der Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 während Entladeprozeduren. In dem betrachteten Beispiel für Ladeprozeduren kann daher jedes beliebige einzelne piezoelektrische Element ausgewählt werden, während für Entladeprozeduren entweder die erste Gruppe G1 oder die zweite Gruppe G2 von piezoelektrischen Elementen 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 oder beide gewählt werden müssen.
Wieder mit Bezug auf die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 selbst können die Zweigwahl-Piezoanschlüsse 15, 25, 35, 45, 55, 65 jeweils entweder durch die Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 und 61 oder durch die entsprechenden Dioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 und in beiden Fällen zusätzlich durch den Widerstand 300 mit Masse verbunden werden.
Der Zweck des Widerstands 300 ist das Messen der Ströme, die während des Ladens und Entladens der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zwischen den Zweigwahl-Piezoanschlüssen 15, 25, 35, 45, 55 bzw. 65 und Masse fließen. Eine Kenntnis dieser Ströme ermöglicht ein gesteuertes Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60. Insbesondere ist es durch Schließen und Öffnen des Ladeschalters 220 und des Entladeschalters 230 auf eine von dem Betrag der Ströme abhängige Weise möglich, den Ladestrom und Entladestrom auf vordefinierte Durchschnittswerte zu setzten und/oder zu verhindern, daß sie vordefinierte Maximal- und/oder Minimalwerte übersteigen bzw. unter diese fallen, wie später ausführlicher erläutert werden wird.
In dem betrachteten Beispiel erfordert die Messung selbst ferner eine Spannungsquelle 621, die zum Beispiel eine Gleichspannung von 5 V liefert, und einen als zwei Widerstände 622 und 623 implementierten Spannungsteiler. Dadurch soll das Aktivierungs-IC E (wodurch die Messungen durchgeführt werden) vor negativen Spannungen geschützt werden, die andernfalls an dem Meßpunkt 620 auftreten könnten und die mittels des Aktivierungs-IC nicht behandelt werden können: Solche negativen Spannungen können mittels Addition mit einer positiven Spannungseinrichtung, die durch die Spannungsquelle 621 und die Spannungsteilerwiderstände 622 und 623 geliefert wird, in positive Spannungen verwandelt werden.
Der andere Anschluß jedes piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 und 60 d.h. der Gruppenauswahl-Piezoanschluß 14, 24, 34, 44, 54 bzw. 64, kann über den Gruppenauswahlschalter 310 bzw. 320 oder über die Gruppenauswahldioden 315 bzw. 325 sowie über eine Spule 240 und eine Parallelschaltung, die aus einem Ladeschalter 220 und einer Ladediode 221 besteht, mit dem Pluspol einer Spannungsquelle oder als Alternative oder zusätzlich über den Gruppenauswahlschalter 310 bzw. 320 oder über die Diode 315 bzw. 325 sowie über die Spule 240 und eine Parallelschaltung, die aus einem Endladeschalter 230 oder einer Entladediode 231 besteht, mit Masse verbunden werden. Der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 werden zum Beispiel als Transistoren implementiert, die über Seitentreiber 222 bzw. 232 gesteuert werden.
Die Spannungsquelle umfaßt ein Element mit kapazitiven Eigenschaften, wobei es sich bei dem betrachteten Beispiel um den (Puffer-)Kondensator 210 handelt. Der Kondensator 210 wird durch eine Batterie 200 (zum Beispiel eine Kraftfahrzeugbatterie) und einen signalabwärts davon gelegenen Gleichspannungswandler 201 geladen. Der Gleichspannungswandler 201 verwandelt die Batteriespannung (zum Beispiel 12 V) in im wesentlichen jede beliebige andere Gleichspannung (zum Beispiel 250 V) und lädt den Kondensator 210 auf diese Spannung auf. Der Gleichspannungswandler 201 wird mittels eines Transistorschalters 202 und eines Widerstands 203 gesteuert, der für aus einem Meßpunkt 630 genommene Strommessungen verwendet wird.
Zu Überprüfungszwecken wird eine weitere Stommessung an einem Meßpunkt 650 durch das Akivierungs-IC E sowie durch Widerstände 651, 652 und 653 und eine 5 V-Gleichspannungsquelle, zum Beispiel 654, ermöglicht; darüber hinaus wird eine Spannungsmessung an einem Meßpunkt 640 durch das Aktivierungs-IC E sowie durch Spannungsteilerwiderstände 641 und 642 erlaubt.
Als letztes dienen ein Widerstand 330 (der als Gesamtentladewiderstand bezeichnet wird), ein als ein Transistor 331 implementierter Stoppschalter (der als Stoppschalter bezeichnet wird) und eine Diode 332 (die als Gesamtentladediode bezeichnet wird) zum Entladen der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 (für den Fall, daß sie nicht wie später weiter beschrieben durch die „normale" Entladeoperation entladen werden). Der Stoppschalter 331 wird vorzugsweise nach „normalen" Entladeprozeduren (zyklisches Entladen 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 verbleiben könnten. Die Gesamtentladediode 332 verhin dert das Auftreten negativer Spannungen an den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60, die in bestimmten Umständen durch diese beschädigt werden könnten.
Das Laden und Entladen aller der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 oder eines beliebigen bestimmten wird mittels einer einzigen (allen Gruppen und ihren piezoelektrischen Elementen gemeinsamen) Lade- und Entladevorrichtung erreicht. In dem betrachteten Beispiel umfaßt die gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung eine Batterie 200, einen Gleichspannungswandler 201, einen Kondensator 210, einen Ladeschalter 220 und einen Entladeschalter 230, eine Ladediode 221 und eine Entladediode 231 und eine Spule 240.
Das Laden und Entladen jedes piezoelektrischen Elements funktioniert genauso und wird im folgenden unter Bezugnahme auf nur das erste piezoelektrische Element 10 erläutert.
Die während der Lade- und Entladeprozeduren auftretenden Bedingungen werden mit Bezug auf 5A bis 5D erläutert, wovon 5A und 5B das Laden des piezoelektrischen Elements 10 und 5C und 5D das Entladen des piezoelektrischen Elements 10 darstellen.
Die Auswahl eines oder mehrerer bestimmter zu ladender oder zu entladender piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, die im folgenden beschriebene Ladeprozedur sowie die Entladeprozedur werden mittels Öffnen oder Schließen eines oder mehrerer der oben eingeführten Schalter 11, 21, 31, 41, 51, 61; 310, 320; 220, 230 und 331 durch das Aktivierung-IC E und die Steuereinheit D angesteuert. Die Wechselwirkungen zwischen den Elementen in dem detaillierten Bereich A einerseits und dem Aktivierungs-IC E und der Steuer einheit D andererseits werden später ausführlicher beschrieben.
Bezüglich der Ladeprozedur muß zuerst ein beliebiges bestimmtes piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, das geladen werden soll, ausgewählt werden. Um ausschließlich das erste piezoelektrische Element 10 zu laden, wird der Zweigwahlschalter 11 des ersten Zweigs 110 geschlossen, während alle anderen Zweigwahlschalter 21, 31, 41, 51 und 61 geöffnet bleiben. Um ausschließlich ein beliebiges anderes piezoelektrisches Element 20, 30, 40, 50, 60 oder um mehrere gleichzeitig zu laden, würden sie durch Schließen der entsprechenden Zweigwahlschalter 21, 31, 41, 51 und/oder 61 ausgewählt.
Dann kann die Ladeprozedur selbst stattfinden:
Im allgemeinen erfordert innerhalb des betrachteten Beispiels die Ladeprozedur eine positive Potentialdifferenz zwischen dem Kondensator 210 und dem Gruppenwahl-Piezoanschluß 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10. So lange der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 offen sind, findet jedoch kein Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elements 10 statt: In diesem Zustand befindet sich die in 4 gezeigte Schaltung in einem stationären Zustand, d.h. das piezoelektrische Element 10 behält seinen Ladungszustand auf im wesentlichen unveränderte Weise bei und es fließen keine Ströme.
Um das erste piezoelektrische Element 10 zu laden, wird der Ladeschalter 220 geschlossen. Theoretisch sollte das erste piezoelektrische Element 10 einfach dadurch geladen werden. Es würden dadurch aber große Ströme produziert, die die beteiligten Elemente beschädigen könnten. Deshalb mißt man die auftretenden Ströme an dem Meßpunkt 620 und der Schalter 220 wird wieder geöffnet, sobald die detektierten Ströme eine bestimmte Grenze übersteigen. Um eine beliebige gewünschte Ladung auf dem ersten piezoelektrischen Element 10 zu erzielen, wird daher der Ladeschalter 220 wiederholt geschlossen und geöffnet, während der Entladeschalter 230 offen bleibt.
Ausführlicher treten, wenn der Ladeschalter 220 geschlossen wird, die in 5A gezeigten Bedingungen auf, d.h. es wird ein geschlossener Schaltkreis aus einer Reihenschaltung des piezoelektrischen Elements 10, des Kondensators 210 und der Spule 240 gebildet, in der wie durch Pfeile in 5A angegeben ein Strom i_LE(t) fließt. Als Folge dieses Stromflusses werden sowohl positive Ladungen zu dem Gruppenauswahl-Piezoanschluß 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10 gebracht als auch Energie in der Spule 240 gespeichert.
Wenn sich der Ladeschalter 220 kurz (zum Beispiel einige wenige •s) öffnet, nachdem er sich geschlossen hat, treten die in 5B gezeigten Bedingungen auf: Es wird ein geschlossener Schaltkreis aus einer Reihenschaltung mit dem piezoelektrischen Element 10, der Ladediode 221 und der Spule 240 gebildet, indem wie in 5B durch Pfeile angegeben ein Strom i_LA(t) fließt. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß in der Spule 240 gespeicherte Energie in das piezoelektrische Element 10 fließt. Entsprechend der Energiezuführung in das piezoelektrische Element 10 nehmen die darin auftretende Spannung und seine äußeren Abmessungen zu. Nachdem der Energietransport aus der Spule 240 in das piezoelektrische Element 10 stattgefunden hat, wird wieder der in 4 gezeigte und bereits beschriebene stationäre Zustand der Schaltung erreicht.
Zu diesem Zeitpunkt oder (abhängig von dem gewünschten Zeitprofil der Ladeoperation) früher oder später wird der Ladeschalter 220 nochmals geschlossen und wieder geöffnet, so daß die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden. Als Ergebnis des erneuten Schließens und erneuten Öffnens des Ladeschalters 220 nehmen die in dem piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie (die bereits in dem piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie und die neu zugeführte Energie werden miteinander addiert) und die an dem piezoelektrischen Element auftretende Spannung und seine äußeren Abmessungen entsprechend zu.
Wenn das erwähnte Schließen und Öffnen des Ladeschalters 220 vielmals wiederholt wird, steigen die an dem piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und die Expansion des piezoelektrischen Elements 10 schrittweise an.
Nachdem sich der Ladeschalter 220 eine vordefinierte Anzahl von Malen geschlossen und geöffnet hat und/oder sobald das piezoelektrische Element 10 den gewünschten Ladungszustand erreicht hat, wird das Laden des piezoelektrischen Elements beendet, indem der Ladeschalter 220 offen gelassen wird.
Mit Bezug auf die Entladeprozedur werden in dem betrachteten Beispiel die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 folgendermaßen in Gruppen (G1 und/oder G2) entladen:
Als erstes wird der Gruppenwahlschalter bzw. werden die Gruppenwahlschalter 310 und/oder 320 der Gruppe oder Gruppen G1 und/oder G2, deren piezoelektrische Elemente entladen werden sollen, geschlossen (die Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 61 beeinflussen nicht die Auswahl der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 für die Entladeprozedur, da sie in diesem Fall durch die Zweigdioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 umgangen werden). Um das piezoelektrische Element 10 als Teil der ersten Gruppe G1 zu entladen, wird daher der erste Gruppenwahlschalter 310 geschlossen.
Wenn der Entladeschalter 230 geschlossen ist, treten die in 5C gezeigten Bedingungen auf: Es wird ein geschlossener Schaltkreis aus einer Reihenschaltung mit dem piezoelektrischen Element 10 und der Spule 240 gebildet, worin wie durch Pfeile in 5C angegeben ein Strom i_EE(t) fließt. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß die in dem piezoelektrischen Element gespeicherte Energie (ein Teil davon) in die Spule 240 transportiert wird. Entsprechend dem Energietransfer aus dem piezoelektrischen Element 10 zu der Spule 240 nehmen die an dem piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und seine äußeren Abmessungen ab.
Wenn sich der Entladeschalter 230 kurz (zum Beispiel einige wenige μs) öffnet, nachdem er sich geschlossen hat, treten die in 5D gezeigten Bedingungen auf: Es wird ein geschlossener Schaltkreis aus einer Reihenschaltung mit dem piezoelektrischen Element 10, dem Kondensator 210, der Entladediode 231 und der Spule 240 gebildet, indem wie durch Pfeile in 5D ein Strom i_EA(t) fließt. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß in der Spule 240 gespeicherte Energie wieder in den Kondensator 210 zurückgeführt wird. Nachdem der Energietransport aus der Spule 240 zu dem Kondensator 210 stattgefunden hat, wird wieder der in 4 gezeigte und bereits beschriebene stationäre Zustand der Schaltung erreicht.
Zu diesem Zeitpunkt oder (abhängig von dem gewünschten Zeitprofil der Entladeoperation) früher oder später wird der Entladeschalter 230 nochmals geschlossen und wieder geöffnet, so daß die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden. Als Ergebnis des erneuten Schließens und erneuten Öffnens des Entladeschalters 230 nimmt die in dem piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie weiter ab und die an dem piezoelektrischen Element auftretende Spannung und seine äußeren Abmessungen nehmen auch entsprechend ab.
Wenn das oben erwähnte Schließen und Öffnen des Entladeschalters 230 vielmals wiederholt wird, nehmen die an dem piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und die Expansion des piezoelektrischen Elements 10 schrittweise ab.
Nachdem sich der Entladeschalter 230 eine vordefinierte Anzahl von Malen geschlossen und geöffnet und/oder das piezoelektrische Element den gewünschten Entladezustand erreicht hat, wird das Entladen des piezoelektrischen Elements 10 durch Offenlassen des Entladeschalters 230 beendet.
Die Wechselwirkung zwischen dem Aktivierungs-IC E und der Steuereinheit D einerseits und den Elementen in dem ausführlichen Bereich A andererseits wird durch Steuersignale durchgeführt, die von dem Aktivierungs-IC E über Zweigwahlsteuerleitungen 410, 420, 430, 440, 450, 460, Gruppenwahlsteuerleitungen 510, 520, die Stoppschaltersteuerleitung 530, die Ladeschaltersteuerleitung 540 und Entladeschaltersteuerschaltung 550 und die Steuerleitung 560 zu Elementen in dem ausführlichen Bereich A gesendet werden. Andererseits werden Sensorsignale an den Meßpunkten 600, 610, 620, 630, 640, 650 in dem ausführlichen Bereich A erhalten, die über Sensorleitungen 700, 710, 720, 730, 740, 750 zu den Aktivierungs-IC E gesendet werden.
Mit den Steuerleitungen werden Spannungen an die Transistorbasen angelegt oder nicht angelegt, um piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 auszuwählen, um Lade- oder Entladeprozeduren einzelner oder mehrerer piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 wie oben beschrieben mittels Öffnen und Schließen der entsprechenden Schalter durchzuführen. Insbesondere dienen die Sensorsignale zur Bestimmung der resultierenden Spannung der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 von den Meßpunkten 600, 610 und der Lade- und Entladeströme von dem Meßpunkt 620. Mit der Steuereinheit D und dem Aktivierungs-IC E werden beide Arten von Signalen kombiniert, um eine Wechselwirkung beider durchzuführen, wie nun ausführlich unter Bezugnahme auf 4 und 6 beschrieben werden wird.
Wie in 4 angegeben, werden die Steuereinheit D und das Aktivierungs-IC E miteinander mittels eines parallelen Busses 840 und zusätzlich mittels eines seriellen Busses 850 verbunden. Der parallele Bus 840 dient insbesondere zur Übertragung von Steuersignalen von der Steuereinheit D zu dem Aktivierungs-IC E, während der serielle Bus 850 für langsameren Datentransfer benutzt wird.
In 6 sind bestimmte Komponenten angegeben, die das Aktivierungs-IC E umfaßt: eine Logikschaltung 800, ein RAM-Speicher 810, ein Digital/Analog-Umsetzersystem 820 und ein Komparatorsystem 830. Ferner ist angegeben, daß der (für Steuersignale benutzte) 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, mit dem Komparatorsystem 830 und mit den Signalleitungen 410, 420, 430, 440, 450 und 460; 510 und 520; 530; 540, 550 und 560 verbunden. Der RAM-Speicher 810 ist mit der Logikschaltung 800 sowie mit dem Digital/Analog-Umsetzersystem 820 verbunden. Das Digital/Analog-Umsetzersystem 820 ist ferner mit dem Komparatorsystem 830 verbunden. Das Komparatorsystem 830 ist ferner mit den Sensorleitungen 700 und 710; 720; 730, 740 und 750 und, wie bereits erwähnt, mit der Logikschaltung 800 verbunden.
Die oben aufgelisteten Komponenten können folgendermaßen zum Beispiel in einer Ladeprozedur verwendet werden:
Mittels der Steuereinheit D wird ein bestimmtes piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 bestimmt, das auf eine bestimmte Zielspannung aufgeladen werden soll. Daher wird zuerst der Wert der Zielspannung (ausgedrückt durch eine digitale Zahl) über den langsameren seriellen Bus 850 zu dem RAM-Speicher 810 gesendet. Die Zielspannung kann zum Beispiel der in einer Haupteinspritzung verwendete Wert für U_opt sein, wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben. Später oder gleichzeitig wird ein dem bestimmten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, das ausgewählt werden soll, entsprechender Code und die Adresse der gewünschten Spannung in dem RAM-Speicher 810 über den parallelen Bus 840 zu der Logikschaltung 800 gesendet. Später wird über den parallelen Bus 840 ein Strobe-Signal zu der Logikschaltung 800 gesendet, das das Startsignal für die Ladeprozedur gibt.
Das Startsignal bewirkt zuerst, daß die Logikschaltung 800 den digitalen Wert der Zielspannung aus dem RAM-Speicher 810 abruft und ihn auf das Digital/Analog-Umsetzersystem 820 legt, wodurch an einem analogen Ausgang der Umsetzer 820 die gewünschte Spannung auftritt. Darüber hinaus ist der (nicht gezeigte) analoge Ausgang mit dem Komparatorsystem 830 verbunden. Zusätzlich wählt die Logikschaltung 800 entweder den Meßpunkt 600 (für beliebige der piezoelektrischen Elemente 10, 20 oder 30 der ersten Gruppe G1) oder dem Meßpunkt 610 (für beliebige der piezoelektrischen Elemente 40, 50 oder 60 der zweiten Gruppe G2) für das Komparatorsystem 830. Als Ergebnis davon werden die Zielspannung und die vorliegenden Spannung an dem gewählten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 durch das Komparatorsystem 830 verglichen. Die Ergebnisse des Vergleichs, d.h. die Differenzen zwischen der Zielspannung und der vorliegenden Spannung, werden zu der Logikschaltung 800 gesendet. Dadurch kann die Logikschaltung 800 die Prozedur stoppen, sobald die Zielspannung und die vorliegende Spannung einander gleich sind.
Zweitens legt die Logikschaltung 800 ein Steuersignal an den Zweigwahlschalter 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 (alle Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 und 61 werden als sich vor dem Beginn der Ladeprozedur in dem beschriebenen Beispiel in einem offenen Zustand befindlich betrachtet). Dann legt die Logikschaltung 800 ein Steuersignal an den Ladeschalter 220 an, so daß der Schalter geschlossen wird. Ferner beginnt die Logikschaltung 800 mit der Messung etwaiger an dem Meßpunkt 620 auftretender Ströme (bzw. setzt diese fort). Hierzu werden die gemessenen Ströme durch das Komparatorsystem 830 mit einem etwaigen vordefinierten Maximalwert verglichen. Sobald die detektierten Ströme den vordefinierten Maximalwert erreichen, bewirkt die Logikschaltung 800, daß sich der Ladeschalter 220 wieder öffnet.
Wieder werden die verbleibenden Ströme an dem Meßpunkt 620 detektiert und mit einem etwaigen vordefinierten Minimalwert verglichen. Sobald der vordefinierte Minimalwert erreicht wurde, bewirkt die Logikschaltung 800, daß sich der Ladeschalter 220 wieder schließt und die Prozedur beginnt von neuem.
Das Öffnen und Schließen des Ladeschalters wird wiederholt, solange die detektierte Spannung an dem Meßpunkt 600 oder 610 unter der Zielspannung liegt. Sobald die Zielspannung erreicht ist, beendet die Logikschaltung die Fortsetzung der Prozedur.
Die Entladeprozedur findet auf eine entsprechende Weise statt: Nun wird die Auswahl des piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 mittels der Gruppenwahlschalter 310, 320 erreicht. Anstelle des Ladeschalters 220 wird der Entladeschalter 230 geöffnet und geschlossen und es soll eine vordefinierte Minimal-Zielspannung erreicht werden.
Die Zeitsteuerung der Lade- und Entladeoperationen und des Haltens von Spannungspegeln in den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 hängt von dem entsprechenden Ventilhub zur Realisierung einer bestimmten Einspritzung ab, wie zum Beispiel in 2 gezeigt.
Es versteht sich, daß die oben angegebene Beschreibung der Art und Weise des Stattfindens von Lade- oder Entladeprozeduren nur beispielhaft ist. Daher kann jede beliebige andere Prozedur, die die oben beschriebenen Schaltungen verwendet, oder andere Schaltungen könnten mit einem etwaigen gewünschten Zweck übereinstimmen, und eine beliebige entsprechende Prozedur kann anstelle des oben beschriebenen Beispiels verwendet werden.
Wie bereits erwähnt, hat es sich als schwierig erwiesen, mit ausreichender Präzision eine Aktivierungsspannung zu bestimmen und anzuwenden, die für alle Einspritzelemente und während der gesamten Lebensdauer des Einspritzsystems geeignet ist, so daß ein entsprechender Ventilstopfen präzise für maximalen Kraftstofffluß positioniert wird. Um in der Lage zu sein, die einzuspritzende Kraftstoffmenge mit so viel Präzision wie möglich zu dosieren, ist es erforderlich, das Servoventil exakt zu schalten. Eine der Schwierigkeiten, die beim exakten Schalten des Ventils auftreten können, ist auf die physischen Unterschiede bei den Größen der Ventilsitze in den Mehrfacheinspritzern zurückzuführen, die in einem beliebigen einzelnen Steuersystem verwendet werden. Diese physischen Unterschiede können auf Herstellungsungenauigkeiten zurückzuführen sein. Da Herstellungstoleranzen neben anderen Faktoren eine signifikante Rolle dabei spielen, in der Lage zu sein, die exakte erforderliche Kraftstoffmenge bereitzustellen, ist es erwünscht, in der Lage zu sein, diese Herstellungsungenauigkeiten in dem Steuersystem zu berücksichtigen und die Funktionsweise des Steuersystems entsprechend zu modifizieren. Ein Ansatz zur Überwachung der Auslenkung des Ventils könnte darin bestehen, zusätzliche Auslenkungssensoren an dem Servoventil vorzusehen, aber dieser Ansatz wäre jedoch kostspielig. Deshalb liefert die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung einer Korrektur an dem Ansteuersystem auf der Basis der Spannung, die an dem piezoelektrischen Element gemessen werden kann, und zum Verwenden dieser Korrektur zur Kompensation von Herstellungsungenauigkeiten. Genauer gesagt kompensiert die Erfindung Herstellungsungenauigkeiten in dem Servoventil.
7 zeigt ein Schaltbild eines Common-Rail-Einspritzers 1000 mit einem piezoelektrisch betätigten Servoventil 1030. Die Funktionsweise des Einspritzers 1000 wird auch in Verbindung mit 8 besprochen. 8 zeigt Graphen der an das piezoelektrische Element angelegten Spannung als Funktion der Zeit, die Stellgliedauslenkung als Funktion der Zeit, die Ventilauslenkung als Funktion der Zeit und die Düsennadelauslenkung als Funktion der Zeit. Jeder der Graphen in 8 ist in bezug auf die anderen Graphen in 8 so positioniert, daß interessierende Punkte auf den Zeitachsen jedes Graphen (den x-Achsen) für jeden Graph ausgerichtet sind.
Wie bereits besprochen, wird das piezoelektrische Element 1010 in einem spannungsgesteuerten Modus betrieben, d.h. die Spannung U ist anfänglich Funktion der Zeit, U = f(t), bis zum Zeitpunkt t₁. Bei diesem Betrieb expandiert das piezoelektrische Element 1010 und der Druck in dem Koppler 1020 nimmt zu. Das Ventil 1030 wird zuerst durch den Rail-Druck P_CR geschlossen gehalten. In einem nominalen Fall, d.h. mit nominaler Größe für den Ventilsitz 1035, wie später ausführlicher besprochen wird, öffnet sich das Ventil 1030 erst zum Zeitpunkt t₀, wenn der Druck in dem Koppler 1020 einen spezifischen Wert überschritten hat. Wenn die Spannung an dem piezoelektrischen Element 1010 einen spezifischen Wert erreicht hat, wird das piezoelektrische Element auf der Seite der Steuereinheit von der Spannungsquelle getrennt. Beginnend in diesem Moment t₁ ist die Ladung F auf dem piezoelektrischen Element 1010 ungefähr konstant, da es von der Spannungsquelle getrennt ist. Nachdem sich das Servoventil 1030 geöffnet hat, wird der Druck in der Steuerkammer 1050 freigegeben und die Nadel 1040 steigt aus ihrem Sitz an.
Im Nominalfall hat das Ventil 1030 zum Zeitpunkt t₁ eine spezifische Auslenkung h_V(t₁) erreicht. Außerdem hat das piezoelektrische Element 1010 eine spezifische Auslenkung h_A(t₁) erreicht. Die Ladung F auf dem piezoelektrischen Element liegt mit der Stellgliedauslenkung und der angelegten Spannung zum Zeitpunkt t₁ fest. Da das Ventil 1030 und das piezoelektrische Element 1010 noch keine Gleichgewichtsposition erreicht haben, fällt die Spannung U an dem piezoelektrischen Element wieder mit zunehmender Stellgliedauslenkung ab. Im Nominalfall, d.h. mit nominaler Größe für den Ventilsitz 1035, liegt eine bekannte Spannungsdifferenz U_desired(t₂) – U (t₁) vor. Die Auslenkung des piezoelektrischen Elements 1010 ist auch zum Zeitpunkt t₂ und t₁ bekannt. Die Graphen für die Spannung des piezoelektrischen Elements, die Stellgliedauslenkung, die Ventilauslenkung und die Düsennadelauslenkung als Funktion der Zeit, wenn der Ventilsitz d_seat eine nominale Größe aufweist, d.h. d_seat = d_N, sind durch die in der Legende von 8 angegebenen Linien dargestellt.
Wenn Herstellungsungenauigkeiten bestehen, zum Beispiel wenn der Ventilsitz d_seat zu groß ausgeführt wird, d.h. d_seat = d₂ mit d_N < d₂, öffnet sich das Ventil 1030 später als im Nominalfall, d.h. zu einem Zeitpunkt t₀ + •t, da ein höherer Kopplerdruck aufgebaut werden muß. Da die Düsennadelauslenkung auch zu einem späteren Zeitpunkt d.h. mit einer Verzögerung von •t von der nominalen Startzeit, beginnt, beginnt folglich auch der Kraftstoffeinspritzprozeß später. Auf diese Weise ist die eingespritzte Kraftstoffmenge zu klein. Die Graphen für die Spannung des piezoelektrischen Elements, die Stellgliedauslenkung, die Ventilauslenkung und die Düsennadelauslenkung als Funktion der Zeit, wenn der Ventilsitz d_seat zu groß ausgeführt wird, d.h. d_seat = d₂, sind ebenfalls durch in der Legende von 8 angegebene Linien dargestellt.
Da die Ventilauslenkung mit einer Zeitverzögerung von •t beginnt, ist die Ventilauslenkung und somit die Stellgliedauslenkung zum Zeitpunkt t₁ kleiner, was zu einer bestimmten Spannungsdifferenz U(t₂) – U(t₁) führt. Daraus kann eine Spannungsdifferenzabweichung bzw. ein Fehler •U = U (t₂) – U_desired(t₂) in bezug auf den Nominalfall bestimmt werden. Die Stellgliedauslenkung und die Ventilauslenkung sind eng miteinander verknüpft und aus diesem Grund kann die Ventilauslenkung zum Zeitpunkt t₁ abgeleitet werden.
Die Spannungsdifferenzabweichung ist somit ein Maß für die Zeitverzögerung •t und wiederum für den Sitzfehler des Ventils 1030. Da die Spannungsabweichung •U in der Steuereinheit D bestimmt wird, kann das Ansteuersignal des piezoelektrischen Elements (Spannung und Zeit des Ansteuersignals) für den nächsten Kraftstoffeinspritzprozeß so angepaßt werden, daß sich das Ventil 1030 und die Düsennadel 1040 zum spezifizierten Zeitpunkt öffnen.
Eine Spannungsdifferenzabweichung kann auch durch Vergleichen von an verschiedene Kraftstoffeinspritzer zu einem selben relativen Zeitpunkt in dem Einspritzzyklus jedes Einspritzers angelegten Spannungssignalen bestimmt werden. Zum Beispiel kann also für spezifische Einspritzer i und j eine Spannung aufgrund der Ladung des piezoelektrischen Elements an dem Einspritzer i an einem Punkt t_i2 oder u(t_i2) mit einer Spannung aufgrund der Ladung des piezoelektrischen Elements an dem Einspritzer j zum Zeitpunkt t_j2 oder u(t_j2) verglichen werden. Aus diesem Vergleich kann auch eine Spannungsdifferenzabweichung bestimmt werden. Mit der Spannungsdifferenzabweichung kann man bestimmen, ob ein Fehler in einem oder dem anderen Einspritzer vorliegt, oder wenn ein Einspritzer als eine gewünschte Spannung u(t_i2 oder t_j2) aufweisend behandelt wird, dann kann eine Korrektur auf das Ansteuersignal des piezoelektrischen Elements des anderen Einspritzers angewandt werden.

Claims

Kraftstoffeinspritzsystem mit einem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50, 60) zur Steuerung einer Menge an eingespritztem Kraftstoff durch Laden und/oder Entladen des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50, 60) auf eine Spannung, einer Steuereinheit (D) zum Bestimmen einer Spannungsdifferenzabweichung für die Spannung und zum Anwenden einer Korrektur auf ein Ansteuersignal für piezoelektrische Elemente auf der Basis der Spannungsdifferenzabweichung, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsdifferenzabweichung in bezug auf einen gewünschten Wert nach einem vorbestimmten Zeitraum in bezug auf eine Aktivierung des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50, 60) bestimmt wird.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsabweichung durch Vergleichen der Spannung mit einer gewünschten Spannung bestimmt wird.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsabweichung durch Vergleichen von Spannungen piezoelektrischer Elemente (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) verschiedener Kraftstoffeinspritzer zur selben relativen Zeit in dem Einspritzzyklus jedes Einspritzers bestimmt wird.
System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsdifferenzabweichung eine Zeitverzögerung bei der Auslenkungsstartzeit eines Ventils anzeigt.
System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsdifferenzabweichung einen Sitzfehler eines Ventils anzeigt.
System nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Ansteuersignal für piezoelektrische Elemente angewandte Korrektur eine Korrektur an einer Spannung des Ansteuersignals und/oder einer Zeit des Sendens des Ansteuersignals enthält.
Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zur Steuerung einer Menge an eingespritztem Kraftstoff durch Laden und/oder Entladen des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) auf eine Spannung, wobei eine Spannungsdifferenzabweichung bestimmt und auf der Basis der Spannungsdifferenzabweichung eine Korrektur eines Ansteuersignals für piezoelektrische Elemente angewandt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsdifferenzabweichung in bezug auf einen gewünschten Wert nach einem vorbestimmten Zeitraum in bezug auf eine Aktivierung des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50, 60) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsdifferenzabweichung eine Zeitverzögerung bei einer Auslenkungsstartzeit eines Ventils anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsdifferenzabweichung einen Sitzfehler eines Ventils anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Ansteuersignal für piezoelektrische Elemente angewandte Korrektur eine Korrektur an einer Spannung des Ansteuer signals und/oder einer Zeit des Sendens des Ansteuersignals enthält.
Verfahren nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsabweichung durch Vergleichen der Spannung mit einer gewünschten Spannung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsdifferenzabweichung durch Vergleichen von Spannungen piezoelektrischer Elemente verschiedener Kraftstoffeinspritzer zur selben relativen Zeit in dem Einspritzzyklus jedes Einspritzers bestimmt wird.