DE10120143A1 - Verfahren zur Steuerung mindestens eines kapazitiven Stellglieds und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Ein kapazitives Stellglied, insbesondere ein piezoelektrisches Element, wird üblicherweise durch wiederholtes Betätigen eines Ladeschalters oder eines Entladeschalters über ein induktives Bauelement geladen bzw. entladen, wobei während des Ladevorgangs Ladung aus einem Speicherkondensator entnommen wird und während des Entladevorgangs Ladung dem Speicherkondensator zugeführt wird. Der Speicherkondensator wird dabei vor Beginn des Ladevorgangs aus einer Gleichspannungsquelle über einen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler auf eine für den Betrieb erforderliche Betriebsspannung geladen. Das neue Verfahren soll mit geringerem Schaltungsaufwand durchführbar sein. DOLLAR A Beim neuen Verfahren wird der Speicherkondensator ohne die Verwendung eines Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler in sich wiederholenden Zeitintervallen über das induktive Bauelement auf die Betriebsspannung geladen, indem in diesen Zeitintervallen das Stellglied oder, bei der Verwendung mehrerer Stellglieder, jedes Stellglied deaktiviert wird, eine Versorgungsspannung an einen mit dem Stellglied oder den Stellgliedern verbundenen Anschluß des induktiven Bauelements angelegt wird und der Entladeschalter wiederholt betätigt wird. DOLLAR A Steuerung von Einspritzventilen in Brennkraftmaschinen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung mindestens eines kapazitiven Stellglieds gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Schaltungsan­ ordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise aus der DE 197 33 560 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein kapazitives Stellglied durch wiederholtes Betätigen eines Ladeschalters oder eines Entladeschalters über ein induktives Bauelement geladen bzw. entladen, wobei während Ladevorgangs Ladung aus einem Speicherkondensator entnommen und über das induktive Bau­ element dem Stellglied zugeführt wird und wobei während des Entladevorgangs La­ dung dem Stellelement entnommen und teilweise dem Speicherkondensator über das induktive Bauelement zugeführt wird. Der Speicherkondensator wird dabei vor Beginn des Ladevorgangs aus einer Gleichspannungsquelle über einen Gleichspan­ nungs-Gleichspannungs-Wandler auf eine für den Betrieb erforderliche Betriebs­ spannung geladen. Als nachteilig erweist sich hierbei der hohe Schaltungsaufwand und Platzbedarf der zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Schaltungsan­ ordnung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das auf einfache Weise mit geringem Schal­ tungs- und Kostenaufwand durchführbar ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und durch die Merk­ male des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein kapazitives Stellglied oder jeweils eines von mehreren kapazitiven Stellgliedern während eines Ladevorgangs durch wiederholtes Betätigen eines Ladeschalters über ein induktives Bauelement geladen oder während eines Entladevorgangs durch wiederholtes Betätigen eines Entladeschalters über das glei­ che induktive Bauelement entladen, wobei beim Ladevorgang Ladung aus einem Speicherkondensator entnommen wird und beim Entladevorgang Ladung dem Spei­ cherkondensator zugeführt wird und wobei der Speicherkondensator über das in­ duktive Bauelement, vorzugsweise in sich wiederholenden Zeitintervallen, auf eine Betriebsspannung geladen wird, indem bei deaktiviertem Stellglied oder deaktivier­ ten Stellgliedern eine Versorgungsgleichspannung an einen Anschluß des indukti­ vern Bauelements angelegt wird und der Entladeschalter wiederholt betätigt wird.

Damit ist es nicht mehr erforderlich, einen aufwendigen und kostspieligen Gleich­ spannungs-Gleichspannungs-Wandler zum Laden des Speicherkondensators vorzu­ sehen.

Das Stellglied oder jedes der Stellglieder wird vorteilhafterweise deaktiviert, indem es stromlos geschaltet wird, d. h. indem ein durch das zu deaktivierende Stellglied führender Strompfad unterbrochen wird. Vorzugsweise wird ein Stellglied oder jedes der Stellglieder erst nach Beendigung des Ladevorgangs oder Entladevorgangs, durch das es geladen bzw. entladen wird, zur Deaktivierung freigegeben. Bei der Verwendung mehrerer Stellglieder werden vorzugsweise nicht mehrere der Stellglie­ der gleichzeitig aktiviert, so daß die Stellglieder in unterschiedlichen Zeitintervallen geladen oder entladen werden.

Das Verfahren läßt sich mit einer einfachen Schaltungsanordnung durchführen. Eine derartige Schaltungsanordnung umfaßt einen Ausgangsanschluß, an den das Stell­ glied oder die Stellglieder angeschlossen ist bzw. sind und der über das induktive Bauelement mit einem Schaltungsknoten verbunden ist, welcher seinerseits über den Ladeschalter und eine dazu parallel geschaltete erste Diode mit dem Speicher­ kondensator verbunden ist sowie über den Entladeschalter und eine dazu parallel geschaltete zweite Diode mit einem vorzugsweise auf einem Bezugspotential liegen­ dem Spannungsversorgungsanschluß verbunden ist. Dem Stellglied oder jedem der Stellglieder ist dabei ein eigener Auswahlschalter zur Aktivierung oder Deaktivierung des jeweiligen Stellglieds zugeordnet, wobei das Stellglied oder jedes der Stellglie­ der in einem eigenen den Ausgangsanschluß mit dem Spannungsversorgungsan­ schluß verbindenden Stromzweig zu dem ihm jeweils zugeordneten Auswahlschalter in Reihe geschaltet ist. An den Ausgangsanschluß ist vorzugsweise eine zuschaltba­ re Gleichspannungsquelle angeschlossen, mit der im zugeschalteten Zustand die Versorgungsgleichspannung an den Ausgangsanschluß anlegt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist das Stellglied oder ist jedes der Stellglieder als piezoelektrische Element ausgeführt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur näher be­ schrieben.

Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung zur Steuerung mehrerer Stellglieder P1, P2, . . . Pn.

Mit den Stellgliedern P1, P2, . . . Pn werden in einer Brennkraftmaschine mit Kraft­ stoffdirekteinspritzung Einspritzventile betätigt. Die Stellglieder P1, P2, . . . Pn sind dabei als piezoelektrische Elemente ausgeführt und weisen somit die Eigenschaft auf, sich in Abhängigkeit der Änderung ihrer elektrischen Ladung auszudehnen oder zusammenzuziehen. Die aus einem Ladevorgang oder Entladevorgang resultierende Längenänderung eines Stellglieds wird dabei ausgenutzt, um ein Stellelement zu bewegen, wodurch das durch dieses Stellelement betätigte Einspritzventil um einen von der Ladungsänderung abhängigen Wert weiter geöffnet oder geschlossen wird.

Gemäß der Figur weist die Schaltungsanordnung zwischen einem Ausgangsanschluß N0 und einem auf Massepotential liegenden Spannungsversorgungsanschluß N1 mehrere parallele Stromzweige auf, wobei in jedem der Stromzweige eines der Stellglieder P1, P2, . . . Pn zu einem dem jeweiligen Stellglied P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn zugeordneten Auswahlschalter S1 bzw. S2 bzw. . . . Sn in Reihe geschaltet ist. Zwi­ schen den Ausgangsanschluß N0 und den Spannungsversorgungsanschluß N1 ist ferner eine zuschaltbare Gleichspannungsquelle V geschaltet. Diese zuschaltbare Gleichspannungsquelle V ist als Reihenschaltung aus einem Versorgungsschalter SW0 und einer zur Erzeugung einer Versorgungsgleichspannung U0 vorgesehenen Gleichspannungsquelle V0, beispielsweise einer Fahrzeugbatterie ausgeführt. Der Ausgangsanschluß N0 ist zudem über ein als Spule L ausgebildetes induktives Bau­ element mit einem Schaltungsknoten N3 verbunden, welcher seinerseits über einen Ladeschalter SW1 und eine dazu parallel geschaltete erste Diode D1 mit einem er­ sten Anschluß eines Speicherkondensators C0 verbunden ist sowie über einen Ent­ ladeschalter SW2 und eine dazu parallel geschaltete zweite Diode D2 mit einem an den Spannungsversorgungsanschluß N1 angeschlossenen zweiten Anschluß des Speicherkondensators C0 verbunden ist. Die Dioden D1, D2 sind dabei im einge­ schwungenen Zustand bei offenen Schaltern SW0, SW1, SW2, S1, S2, . . . Sn und geladenem Speicherkondensator C0 in Sperrichtung gepolt. Die Schaltungsanord­ nung umfaßt ferner eine in der Figur nicht gezeigte Steuereinheit zur Steuerung der Schalter SW0, SW1, SW2, S1, S2, . . . Sn.

Bei der Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung wird der Speicherkondensator C0 zunächst auf eine für die Steuerung der Stellglieder P1, P2, . . . Pn erforderliche Be­ triebsspannung UC geladen, beispielsweise auf einen Spannungswert von ca. 100 V. Hierzu werden die Auswahlschalter S1, S2, . . . Sn in den Stromzweigen der Stellglie­ der P1, P2, . . . Pn geöffnet und die Stellglieder S1, S2, . . . Sn somit deaktiviert. Bei deaktivierten Stellgliedern P1, P2, . . . Pn wird dann der Versorgungsschalter SW0 geschlossen und somit die Versorgungsgleichspannung U0 and den Ausgangsan­ schluß N0 angelegt. Danach wird der Entladeschalter SW2 bei offenem Ladeschalter SW1 wiederholt so oft betätigt, bis die gewünschte Betriebsspannung UC am Spei­ cherkondensator C0 anliegt. Anschließend wird der Versorgungsschalter SW0 wie­ der geöffnet. Während des Ladens des Speicherkondensators C0 wirkt der Teil der Schaltungsanordnung, der die Spule L, die erste Diode D1, den Entladeschalter SW2 und den Speicherkondensator C0 umfaßt, als Hochsetzsteller, der die zwischen dem Ausgangsanschluß N0 und dem Spannungsversorgungsanschluß N1 anliegende Versorgungsgleichspannung U0 auf die am Speicherkondensator C0 abfallende Be­ triebsspannung UC hochsetzt.

Zur Betätigung eines Einspritzventils wird das entsprechende Stellglied P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn bei offenem Versorgungsschalter SW0, d. h. bei von den Stellgliedern P1, P2, . . . Pn entkoppelter Gleichspannungsquelle V0, geladen und entladen. Ein Betäti­ gungsvorgang kann dabei auch das mehrfache Laden und Entladen jeweiligen Stell­ glieds umfassen.

Dabei wird das zu ladende oder entladende Stellglied P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn, sofern es nicht schon aktiviert ist, durch Schließen des ihm zugeordneten Auswahlschalters S1 bzw. S2 bzw. . . . Sn aktiviert und die übrigen Auswahlschalter werden, falls sie nicht bereits offen sind, geöffnet, um die übrigen Stellglieder zu deaktivieren. Zum Laden des aktivierten Stellglieds P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn wird dann der Ladeschalter SW1 bei offenem Entladeschalter SW2 wiederholt betätigt. Entsprechend wird der Entladeschalter SW2 bei offenem Ladeschalter SW1 wiederholt betätigt, um das aktivierte Stellglied P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn zu entladen. Aufgrund der Polung der Dioden D1, D2, ist erste Diode D1 beim Laden und die zweite Diode D2 beim Entla­ den des aktivierten Stellglieds P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn stets gesperrt.

Somit wirkt der Teil der Schaltungsanordnung, der den Speicherkondensator C0, den Ladeschalter SW1, die zweite Diode D2, die Spule L und das aktivierte Stellglied P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn umfaßt, beim Ladevorgang, d. h. beim Laden des aktivierten Stellglieds, als Tiefsetzsteller, mit dem die am Speicherkondensator C0 anliegende Betriebsspannung UC in eine am aktivierten Stellglied anliegende Spannung umge­ setzt wird. Diese am aktivierten Stellglied anliegende Spannung ist geringer als die am Speicherkondensator C0 anliegende Betriebsspannung UC. Entsprechend wirkt der Teil der Schaltungsanordnung, der den Speicherkondensator C0, den Entlade­ schalter SW2, die erste Diode D1, die Spule L und das aktivierte Stellglied P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn umfaßt, beim Entladevorgang, d. h. beim Entladen des aktivierten Stellglieds, als Hochsetzsteller, mit dem die am aktivierten Stellglied anliegende Spannung in die gegenüber dieser Spannung höhere Betriebsspannung UC umge­ setzt wird.

Das aktivierte Stellglied P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn wird dabei durch einen zu ihm flie­ ßenden oder von ihm abfließenden Stellstrom I, der über die Spule L geführt wird, geladen bzw. entladen. Die Spule L wirkt hierbei als Energiespeicher, dem elektri­ sche Energie vom Speicherkondensator C0 (beim Ladevorgang) bzw. vom aktivier­ ten Stellglied P1 bzw. P2. bzw. . . . Pn (beim Entladevorgang) zugeführt wird. Diese Energie wird in der Spule L als magnetische Energie gespeichert und nach einer Betätigung des Ladeschalters SW1 (beim Ladevorgang) bzw. des Entladeschalters SW2 (beim Entladevorgang) an das aktivierte Stellglied bzw. an den Speicherkon­ densator C0 als elektrische Energie abgegeben. Die Zeitpunkte und die Dauer der Energiespeicherung und Energieabgabe werden dabei durch die Schalterbetätigun­ gen bestimmt. Der Stellstrom I läßt sich somit durch Variation der Dauer der Schalt­ zeiten und der Schaltpausen des Lade- bzw. Entladeschalters SW1 bzw. SW2 steu­ ern, wobei diese Steuerung vorteilhafterweise durch eine Regelung derart erfolgt, daß die Länge des aktivierten Stellglieds P1 bzw. P2 bzw. . . . Pn sich entsprechend eines gewünschten zeitlichen Verlaufs ändert.

Aufgrund der Energieübertragung vom Speicherkondensator C0 über die Spule L zum aktivierten Stellglied P1, bzw. P2, bzw. . . . Pn und vom aktvierten Stellglied P1, bzw. P2, bzw. . . . Pn über die Spule L zurück zum Speicherkondensator C0 wird wäh­ rend des Ladevorgangs Ladung dem Speicherkondensator C0 entnommen und wäh­ rend des Entladevorgangs Ladung dem Speicherkondensator C0 wieder zurückge­ führt. Allerdings wird aufgrund von ohmschen Verlusten nicht die gesamte dem Speicherkondensator C0 während des Ladevorgangs entnommene Ladung während des anschließenden Entladevorgangs wieder zurückgeführt. Dieser Ladungsverlust läßt sich jedoch kompensieren, indem die Stellglieder P1, P2, . . . Pn in Zeitinterval­ len, in denen keines der Stellglieder P1, P2, . . . Pn geladen oder entladen werden soll, d. h. nach Beendigung eines Lade- oder Entladevorgangs und vor Beginn des nächsten Lade- oder Entladevorgangs, deaktiviert werden, sofern sie nicht bereits deaktiviert sind, und indem, wie bei der Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung, bei deaktivierten Stellgliedern P1, P2, . . . Pn die Versorgungsgleichspannung U0 durch Schließen des Versorgungsschalters SW0 an den Ausgangsanschluß N0 an­ gelegt wird und der Entladeschalter SW2 so oft betätigt wird, bis die Betriebsspan­ nung UC den gewünschten Wert erreicht hat. Die Schaltungsanordnung wirkt in diesen Zeitintervallen ebenfalls als Hochsetzsteller, mit dem die zwischen dem Aus­ gangsanschluß N0 und dem Spannungsversorgungsanschluß N1 anliegende Span­ nung in die am Speicherkondensator C0 anliegende Betriebsspannung UC hochge­ setzt wird. Dabei wird die hochzusetzende Spannung nunmehr nicht wie beim Entla­ den eines Stellglieds von diesem Stellglied sondern von einer zusätzlichen Energie­ quelle, der Gleichspannungsquelle V0, bereitgestellt.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt somit darin, daß sowohl beim Laden und Entladen der Stellglieder als auch beim Aufladen und Nachladen des Speicherkondensators C0 die selbe Spule L als induktives Bau­ element verwendet wird.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Schaltungsanordnung zur Steuerung mehrerer Stellglieder P1, P2, . . . Pn eingesetzt; es ist jedoch selbstverständlich auch denkbar, die Schaltungsanordnung zur Steuerung eines einzelnen Stellglieds einzu­ setzen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Steuerung mindestens eines kapazitiven Stellglieds (P1, P2, . . . Pn), das während eines Ladevorgangs durch wiederholtes Betätigen eines Ladeschalters (SW1) über ein induktives Bauelement (L) geladen oder während eines Entladevor­ gangs durch wiederholtes Betätigen eines Entladeschalters (SW2) über das induktive Bauelement (L) entladen wird, wobei beim Ladevorgang Ladung aus einem Spei­ cherkondensator (C0) entnommen wird und beim Entladevorgang Ladung dem Spei­ cherkondensator (C0) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Zeitintervall eine Versorgungsgleichspannung (U0) bei deaktiviertem Stell­ glied (P1) oder deaktivierten Stellgliedern (P1, P2, . . . Pn) an einen Anschluß (N0) des induktiven Bauelements (L) angelegt wird und der Speicherkondensator (C0) über das induktive Bauelement (L) durch wiederholtes Betätigen des Entladeschalters (SW2) geladen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkondensa­ tor (C0) in sich wiederholenden Zeitintervallen auf eine vorgegebene Betriebsspan­ nung (UC) geladen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch das Stellglied (P1) oder durch eines der Stellglieder (P1, P2, . . . Pn) führender Strompfad zur Deaktivierung dieses Stellglieds unterbrochen wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Steuerung mehrerer Stellglieder (P1, P2, . . . Pn) höchstens eines der Stell­ glieder gleichzeitig zum Laden oder Entladen aktiviert wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (P1) oder jedes der Stellglieder (P1, P2, . . . Pn) nur nach Beendigung des Ladevorgangs oder Entladevorgangs zur Deaktivierung freigegeben wird.

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorheri­ gen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (P1) oder jedes der Stellglieder (P1, P2, . . . Pn) mit einem Ausgangsanschluß (N0) verbunden ist, wobei der Ausgangsanschluß (N0) über das induktive Bauelement (L) mit einem Schal­ tungsknoten (N3) verbunden ist, der Schaltungsknoten (N3) über den Ladeschalter (SW1) und eine dazu parallel geschaltete erste Diode (D1) mit dem Speicherkon­ densator (C0) verbunden ist sowie über den Entladeschalter (SW2) und eine dazu parallel geschaltete zweite Diode (D2) mit einem Spannungsversorgungsanschluß (N1) verbunden ist, und daß dem Stellglied (P1) zu dessen Aktivierung oder Deakti­ vierung ein Auswahlschalter (S1) zugeordnet ist oder den Stellgliedern (P1, P2, . . . Pn) zu deren Aktivierung oder Deaktivierung jeweils ein Auswahlschalter (S1, S2, . . . Sn) zugeordnet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Stellglied (P1, P2, . . . Pn) in einem den Ausgangsanschluß (N0) mit dem Spannungs­ versorgungsanschluß (N1) verbindenden Stromzweig zum zugeordneten Auswahl­ schalter (S1, S2, . . . Sn) in Reihe geschaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine über einen Versorgungsschalter (SW0) zuschaltbare Gleichspannungsquelle (V) zum Anlegen der Versorgungsgleichspannung (U0) an den Ausgangsanschluß (N0) vorgesehen ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß jedes Stellglied (P1, P2, . . . Pn) als piezoelektrisches Element ausgeführt ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Spannungsversorgungsanschluß (N1) auf einem Bezugspotential liegt.

11. Schaltungsanordnung nach einem dem Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das induktive Bauelement (L) als Spule ausgebildet ist.

12. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 zur Steuerung von Stellgliedern (P1, P2, . . . Pn) in Einspritzventilen zur Kraftstoffdi­ rekteinspritzung in Brennkraftmaschinen.