CN1234912A - 控制容性执行机构的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

为了在很大的温度范围内实现例如用于内燃机的汽油喷射阀门的容性执行机构的恒定的位移ds,该执行机构被充电,其中,在该执行机构上输入一预定的能量,也就是说一个电容被确定的放到。替换的方案是输入到该执行机构的电流和其上的压降进行相乘,结果被积分,并且积分值与一个预定的理论值进行比较。如果积分值达到或者超过理论值,该充电过程结束。

Description

控制容性执行机构的方法和装置
本发明涉及用于控制容性执行机构，尤其是控制压电驱动的内燃机的汽油喷射阀门的方法和装置。
压电执行机构由多个陶瓷层组成，并且构成所谓的“叠层”，其在施加一电压时，它的尺寸，尤其是长度s通过位移ds进行改变，或者在机械压力或者拉伸时，产生一电压。
已经公知了各种方法用于控制具有电特性，例如容性的压电执行机构，其中在压电执行机构上的电压被检测。作为结束充电的标准，在所有的方法中如果一个横跨压电执行机构的一确定的电压被达到，除非提供足够的执行机构位移ds的精确的测量。此例子已经在现有的德国专利申请1932872.1中进行描述。
此类压电叠层的电特性通过所处的温度进行改变。如果温度上升其电容增大，则位移也增大。在温度从大约-40℃到+150℃时的自动应用中，观察到此改变的系数可以达到2。
如果压电执行机构在所有的工作点例如被充电到一个恒定的电压，该电压在低温时能够产生必需的位移ds，那么在高温时得到的位移明显地大于所必需的-其在以恒定的汽油压力进行喷射的汽油喷射阀门中产生明显更多的汽油量，或者相反。因为在高温时压电叠层的电容同样是需要大的，则需要更多的电荷和能量(E=1/2CU)。
从US5387834中公知了一个用于矩阵压力器的压电元件的控制电路，其中一个温度传感器检测压电元件的温度。该压电元件的控制通过充电时间实现，该充电时间与时间有关的存储在一个表格中。
本发明的任务是如此没有应用温度传感器地实现容性执行机构的控制，在所有的执行机构工作的温度范围内达到一个尽可能恒定的位移ds。本发明的任务也在于提供一个用于实施此方法的装置。
此任务按照本发明通过在权利要求1中的特征解决。
通过试验示出了传输到容性执行机构的能量表示了一个比施加的电压精确得多的用于位移ds的措施，并且以恒定的能量在所需的温度范围内的充电产生了非常恒定的位移。该位移在确定的温度下与所施加的电压进行线性的改变。如果温度改变，该位移也在保持一致的电压下进行改变。以此该位移正比于所施加的能量的2倍(ds≈e2)进行改变，而与温度无关。
在大量连续生产压电叠层的情况下，该各个压电层的层厚度不是精确相等的。例如可以通过具有恒定的长度s的各叠层进行生产不同数量的层。如果一个坏的汽油阀门进行替换的话，此不同的叠层然后也可以进行使用。在此不同的叠层以恒定的电压进行充电时已经在相等的温度下得到不同的位移ds。本发明的控制方法的其他优点在于，在以恒定的能量进行控制时，此不同的叠层不只在确定的温度，而且在所有的上面所述的温度范围内具有一个近似相等的恒定的位移ds。
该容性执行机构被输入一确定的能量，这是以不同的方式实现的，例如通过相应充电的电容的再充电或者通过从一个能量源中得出的测量值或者输入到执行机构的能量。
用于对通过压电执行机构驱动的的汽油喷射阀门进行充电的两个实施例下面借助于附图进行详细地描述。
图1：第一实施例的电路，
图2：一个流程图，表示了按照图1的电路的工作方式，
图3：第二实施例的示意电路图，
图4：第三实施例的示意电路图，和
图5：一个流程图，表示了按照图3和4的电路的工作方式。
图1示出了借助于一般的微处理器控制的控制电路ST控制一个没有示出了内燃机的汽油喷射阀门的压电执行机构P的原理电路图。
在能量源的正电极+V和负电极GND之间是一个串联电路，该串联电路含有一个可控的、电子的、只在一个方向导通的能量开关T1和一个电容C。
在其他的描述中，即开关X1到X4中，涉及电子的、只在一个方向导通的由至少一个半导体元件组成的开关，优选是一个晶闸管开关，其被控制电路ST控制。
在能量开关X1=1的导通状态中，电容C被能量源充电。
与电容C并联的是一个串联电路，其含有一个与能量开关X1相连的振荡线圈L和一个充电停止开关X3，其功能在以后进行解释。
与充电停止开关X3并联的是一个串联电路，其含有一个在从振荡线圈L方向上导通的充电开关X2和一个在到振荡线圈方向上的导通的放电开关X4的并联电路和一个由执行机构P和二极管D所组成的并联电路，该二极管在到充电开关D2的方向上导通。
开关X1到X4由微处理器控制的控制电路ST与外部控制信号st相关的进行控制。
在控制电路ST中存储了用于电容电压Uc的上和下理论值Ucmax和Ucmin，其分别在或者电容C或者执行机构P被充电之后输入到比较器电路K的一个输入端，在其另一个输入端上施加电容电压Uc。比较器电路K的输出信号k作为另一个输入信号输入到控制电路ST。
借助于图2示出的流程图，用于驱动按照图1的电路的实施例的装置的方法从开始的状态(状态Ⅰ)出发，其中电容C被完全充电到电压Uc=Ucmax，所有的开关X1到X4是不导通的，并且振荡线圈L是无电流的。
在外部的控制信号st=1(状态Ⅱ)开始时，充电开关X2启动(无电流控制)。以此电容C通过振荡线圈L开始放电到如起电容作用的执行机构P并且该执行机构被充电(状态Ⅲ)，这起作为压电执行机构的长时间改变的作用。在压电执行机构上的电压上升。
只要电压Uc低于比较器K的输入端上的理论值Ucmin(状态Ⅳ)，充电过程结束，充电开关X2不导通，X2=0，并且充电停止开关X3导通(X3=1，状态Ⅴ)。振荡电路L-C继续振荡，直到振荡线圈L没有电流。
从电压Ucmax到Ucmin的电容C的放电相应于确定的能量的释放，电容容量的改变较小的依赖于温度。
执行机构P的充电状态被保持，直到施加了控制信号st。如果产生了振荡(st=0，状态Ⅵ)，执行机构必需放电。以此充电停止开关X3不导通地控制，X3=0，并且放电开关导通，X4=1(状态Ⅶ)。现在执行机构P通过振荡线圈L向电容C进行放电。如果执行机构放电低于二极管D的阙值电压，其接收电流；振荡电路L-C继续振荡，直到振荡线圈没有电流。开关X4不导通。
为了对电容C进行再充电(状态Ⅸ)，该理论值Ucmax被施加到比较器电路K，并且能量开关X1一直导通，直到电容电压Uc超过理论值。以此执行机构P的充电循环结束。
图1示出了借助于一般的微处理器控制的控制电路ST控制一个没有示出了内燃机的汽油喷射阀门的压电执行机构P的第二个实施例。
在能量源V的正电极+V和负电极GND之间是一个串联电路，其含有一个由控制电路ST控制的电子开关T1、一个限流元件例如电阻R(或者一个线圈)和一个具有长度s的汽油喷射阀门的压电执行机构。另一个电子开关T2与由压电执行机构P和电阻R组成的串联电路进行并联。
电子晶体管开关T1和T2由控制电路ST进行控制，其例如从一个电机控制设备(其中也能够集成了一个控制电路)得到一个用于喷射持续的外部控制信号st。另外在开关T1导通的情况下，在压电执行机构P中流过的通过电阻R限制的电流i和在压电执行机构P中下降的电压u被测量，并且该控制电路ST被另一个输入值进行输入。
在控制电路ST中-划线部分所示-一个乘法器X、一个积分器I和一个比较器K相互进行串联设置，其中乘法器X的输出端与积分器I的输入端相连接，并且积分器的输出端与比较器K的输入端相连接。比较器K的另一个输入端被输入一个用于希望的能量的理论值G。
借助于附图5示出的流程图描述了一用于驱动图3的电路图的方法，其也能够应用于另一个下面所描述的按照图4的电路，从开始状态(状态0)出发，其中两个开关T1和T2是不导通的。T1=0表示不导通；T2=1表示导通。这也同样适用于T2。对于信号st和k为：“1”表示含有，“0”表示不含有。
通过从0到1的交替(状态Ⅰ)的控制信号st的开始，开关T1被电流导通地控制。以此开始了一个通过电阻R限流的电流i从电压源的正极+V通过开关T1和压电执行机构P到负极GND的流动。在压电执行机构P上形成了一个电压：压电执行机构在位移ds上膨胀到长度s+ds，并且打开了喷射阀门(状态Ⅱ)，以使汽油进行喷射。从控制信号st的开始边沿st’激发，同时积分器I放电。在每一个喷射过程开始之后的输出信号e=0。
输入到控制电路St的测量信号i和u在乘法器X进行相乘，并且其输出端的结果P随后在同样放电的积分器I中进行积分。积分器I的输出信号e输入到压电执行机构P的能量e=∫uidt，并且输入到比较器K，在其中与理论值G进行比较。只要达到或者超过理论值，比较器就输出一个数字输出信号k=1(状态Ⅲ)。通过此比较器输出信号k=1，该控制电路ST使开关T1控制到不导通(状态Ⅳ)，以此压电执行机构P的充电过程结束。
压电执行机构达到了所希望的位移(ds≈e2)，并且以此实现汽油喷射阀门的希望的打开，因为恒定的汽油压力，该喷射的汽油量正比于压电执行机构的打开时间。汽油喷射阀门保持打开相应于能量e所设置的位移如此长的时间，直到控制信号st消失，st=0(状态Ⅴ)。
如果控制信号st=0，由控制电路ST对开关T2进行导通地控制(状态Ⅵ)，以此压电执行机构通过电阻R进行放电并且汽油喷射阀门关闭。以此喷射过程结束。随后的所有的其他的喷射过程都以同样的方式进行。
图4示出了一个具有相对于图3的电路的改变的按照本发明的电路的简化的实施例，在压电执行机构P的电流路径上提供一个恒定电流源Q，以此压电执行机构P以恒定的电流i=const进行充电。因为已知的电流强度，该电流测量和乘法器X被取消，并且以此经济地进行相乘u×i。在控制信号st旁边的控制电路ST的单一的输入值u被输入到积分器I，其输出信号e正比于所存储的能量。此电路的其他功能相应于图1所述的电路。电阻或者限流元件在此只是用于限制放电电流，并且以此设置在压电执行机构P和开关T2之间。
能量的获得能够如图1和2所示的实施例借助于压电执行机构上的能量实现或者借助于由能量源释放的能量实现。

Claims (7)

1．通过一个为预定的、确定的执行机构位移(ds)设置的能量(e)用于控制容性执行机构(P)的，尤其是压电驱动的内燃机的汽油喷射阀门的方法，
其特征在于，
执行机构(P)由一个由能量源(V)向预定的上电压理论值(Ucmax)充电的电容(C)一直进行充电，直到电容(C)放电到一个预定的下电压理论值(Ucmin)。
2．用于对容性执行机构(P)充电的，尤其是压电驱动的内燃机的汽油喷射阀门的方法，具有一个为预定的、确定的执行机构位移(ds)设置的能量(e)，
其特征在于，
在从能量源(V)对执行机构(P)的充电过程期间，在执行机构(P)中流动的电流(i)和在执行机构(P)上截取的电压(u)相互相乘，电流(i)和电压(u)的结果(P=ui)通过时间进行积分(e=∫uidt)，
当积分值(e)达到或者超过预定的理论值(G)时，充电过程结束。
3．用于控制容性执行机构(P)的，尤其是压电驱动的内燃机的汽油喷射阀门的方法，具有一个为预定的、确定的执行机构位移(ds)设置的能量(e)，
其特征在于，
执行机构(P)以预定的恒定电流(i)进行充电，
在执行机构(P)上截取的电压(u)在充电过程期间通过时间进行积分(e=∫udt)，
当积分值(e)达到或者超过预定的理论值(G)时，充电过程结束。
4．用于实施按照权利要求1的方法的装置，
其特征在于，
在能量源的正极(+V)和负极(GND)之间设有一个电容(C)，其由能量源通过一个能量开关(X1)进行充电，
并联于电容(C)的串联电路含有一个与能量开关(X1)相连接的振荡线圈(L)和一个充电停止开关(X3)，
并联于充电停止开关(X3)的串联电路含有一个由到振荡线圈(L)导通的放电开关(X4)和一个从振荡线圈(L)导通的充电开关(X2)组成的并联电路和一个由执行机构(P)和二极管(D)组成的并联电路，该二极管在从负极(GND)的方向上是导通的，
含有一个比较器电路(K)，其中输入有电容(C)的电压(Uc)和一个上或者下理论值(Ucmax,Ucmin)，和
含有一个控制电路(ST)，其中存储了上或者下电压理论值(Ucmax,Ucmin)，其中输入有比较器电路(K)的输出信号(k)和外部控制信号(st)，并且其按照图2的流程图控制各开关(X1到X4)。
5．用于实施按照权利要求2的方法的装置，具有在电压源(V)的正极(+V)和负极(GND)之间设置的串联电路，该串联电路含有执行机构(P)、一个限流元件(R)和一个电子开关(T1)，
其特征在于，
含有一个控制电路(ST)，一个控制信号(st)作为输入值用于控制过程的开始、持续和结束，并且电流(i)和在执行机构(P)上截取的电压(u)的测量值输入到执行机构(P)，并且开关(T1)在控制信号(st)开始时被导通地控制，
该控制电路(ST)含有一个乘法器(X)，在其中，测量值电流(u)和电压(u)相互相乘，
含有一个积分器(I)，其将该结果(P=ui)进行积分(e=∫uidt)，
含有一个比较器(K)，其将积分值(e)与预定的理论值(G)进行比较，和
当积分值(e)达到或者超过理论值(G)时，该控制电路(ST)使该开关(T1)不导通地控制。
6．用于实施按照权利要求3的方法的装置，具有在电压源(V)的正极(+V)和负极(GND)之间设置的串联电路，该串联电路含有执行机构(P)和一个电子开关(T2)，
其特征在于，
在执行机构(P)的充电电路中含有一个恒定电流源(Q)，
含有一个控制电路(ST)，一个控制信号(st)作为输入值用于控制过程的开始、持续和结束，并且电流(i)和在执行机构(P)上截取的电压(u)的测量值输入到执行机构(P)，并且开关(T1)在控制信号(st)开始时被导通地控制，
该控制电路(ST)含有一个积分器(I)，其将测量值(u)进行积分(e=∫udt)，
含有一个比较器(K)，其将积分值(e)与预定的理论值(G)进行比较，和
当积分值(e)达到或者超过理论值(G)时，该控制电路(ST)使该开关(T1)不导通地控制。
7．用于实施按照权利要求5或者6的方法的装置，
其特征在于，
该积分器(I)从每一个控制信号(st)的接通边沿(st’)开始放电。
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