DE102004015002A1

DE102004015002A1 - Verfahren und Anordnung zum Betreiben eines kapazitiven Stellgliedes

Info

Publication number: DE102004015002A1
Application number: DE200410015002
Authority: DE
Inventors: Josef Aspelmayr; Thomas Franz; Harald Gegenfurtner; Walter Schrod
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-10-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zum Betreiben eines kapazitiven Stellgliedes (P), das mechanisch mit einer Stelleinrichtung zusammenwirkt, insbesondere zum Betreiben eines Piezoelements bzw. Piezostapels einer Kraftstoffzumesseinrichtung einer Brennkraftmaschine, bei dem das kapazitive Stellglied (P) mittels einer Versorgungsspannung (V) mit einer vorgebbaren Ladungsmenge zur Steuerung eines Expansionshubs beaufschlagt wird und bei dem die Ladungsmenge zur Steuerung eines Kompressionshubs über einen Entladestromkreis abgeführt wird.
Es wird vorgeschlagen, dass im Entladestromkreis ein Unterbrechungsschalter (S4) zur Steuerung des Kompressionshubs des kapazitiven Stellgliedes (P) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Stellgliedes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Anordnung zum Betreiben eines kapazitiven Stellgliedes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Kapazitive Stellglieder bzw. Piezo-Stellglieder werden in einer Anordnung aus zahlreichen gestapelten Scheiben zur Ventilbetätigung bei Kraftstoffinjektoren von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Derartige Stellglieder werden üblicherweise durch Zuleiten und/oder Ableiten eines elektrischen Betätigungsstromes über eine unmittelbar mit dem Stellglied verbundene elektrische Leitung betätigt. Sie verändern dabei in Abhängigkeit von der zugeführten oder abgeführten Ladung ihre Position oder ihre Abmessungen, so dass sie in der Lage sind, als Betätigungseinrichtung zu fungieren bzw. auf eine solche einzuwirken. In der Praxis verursachen derartige piezoelektrischen Stellglieder erhebliche Geräuschemissionen, die insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen störend sein können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Anordnung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes zur Verfügung zu stellen, das/die einen geräuschärmeren Betrieb des Stellgliedes ermöglicht.
Diese Aufgabe wird insbesondere durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Weiterbil dungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
Es wird vorgeschlagen, im Entladestromkreis einen Unterbrechungsschalter zur Steuerung des Kompressionshubs des kapazitiven Stellgliedes anzuordnen. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Kompressionshub und/oder Teile davon durch Öffnen eines Unterbrechungsschalters im Entladestromkreis verzögerbar ist oder verzögert wird. Insbesondere wird der Kompressionshub durch mehrfaches Öffnen und Schließen des Unterbrechungsschalters in mehrere Teilhübe unterteilt.
Das erfindungsgemäße Verfahren, wie es insbesondere im Patentanspruchs 1 definiert ist, ermöglicht es, das kapazitive Stellglied mittels mehreren Teilkompressionshüben zu entladen, so dass keine plötzliche Entladung und damit schlagartige Kompression des Stellgliedes erfolgt, sondern mehrere Teilentladungen möglich sind. Insbesondere beim Einsatz des kapazitiven Stellgliedes in Kraftstoffeinspritzventilen können deren Geräuschemissionen reduziert werden. Durch die Teilentladung des Piezoelements kann ein drosselnder Betrieb eines Einspritzventils am Ende eines Einspritzvorganges erreicht werden, woraus eine Reduzierung der Geräuschemissionen resultiert. Die Realisierung erfolgt insbesondere durch eine Verzögerung des Kompressionshubs, durch Öffnen eines Unterbrechungsschalters in einem Entladestromkreis des kapazitiven Stellgliedes. Durch Betätigung dieses Unterbrechungsschalters kann das kapazitive Stellglied während eines Kompressionshubs in mehreren Abschnitten teilentladen werden, bis es schließlich vollständig entladen ist.
Bei jedem Schließen des Unterbrechungsschalters wird ein Teil der im kapazitiven Stellglied gespeicherten Ladung ab geführt, wodurch eine teilweise Kompression des Stellgliedes erfolgt. Durch mehrmaliges Öffnen und Schließen des Unterbrechungsschalters werden entsprechende Teilmengen der im kapazitiven Stellglied gespeicherten Ladung abgeführt.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zum Betreiben eines kapazitiven Stellgliedes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sieht vor, dass im Entladestromkreis, dem sog. Umschwingkreis, ein Unterbrechungsschalter zur Steuerung des Kompressionshubs des Stellgliedes angeordnet ist. Durch insbesondere zyklisches Öffnen und Schließen des Schalters kann eine Entladung des Stellgliedes in mehreren Teilen erfolgen, so dass eine stufenweise Kompression des Stellgliedes nach einer vorausgehenden Expansion ermöglicht ist.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf die Beispiele beschränkt. Die einzelnen, schematisch zu verstehenden Figuren der Zeichnung zeigen:
1 bis 4 Prinzipschaltbilder zur Ansteuerung und zum Betreiben eines kapazitiven Stellgliedes,
5 qualitative Diagramme zur Verdeutlichung der Spannungen und Ströme während eines Expansions- und Kompressionshubs des kapazitiven Stellgliedes.
Bei der in 1 dargestellten Prinzipschaltung einer Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes P, beispielsweise eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine, ist eine Energiequelle vorgesehen, welche in diesem Ausführungsbeispiel einen von einem Bordnetz gespeisten DC/DC-Wandler V mit einstellbarer Ausgangsspannung und einen auf dessen jeweilige Ausgangsspannung aufge ladenen Ladekondensator C aufweist. Die Spannungsquelle V kann allgemein als Leistungsendstufe bezeichnet werden. In Serie zu einem Ladekondensator C befindet sich eine Spule L, über die das kapazitive Stellglied P bei (ebenfalls in Serie zu der Spannungsquelle V und zu dem Stellglied P geschalteten) geschlossenen Schaltern S1, S2 und S4 geladen wird (2). Parallel zu dem Stellglied P und zu dem Schalter S2 ist ein Schutzschalter S5 geschaltet.
Soll das kapazitive Stellglied P entladen werden, so ist der Ladeschalter S1 geöffnet und statt dessen der Entladeschalter S3 geschlossen (3). Die Entladung erfolgt hierbei ebenfalls über die in Reihe geschaltete Spule L sowie den Ladekondensator C.
Um je nach Bedarf eine schlagartige Entladung des kapazitiven Stellgliedes P zu verhindern, befindet sich ein zusätzlicher Unterbrechungsschalter S4 in diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem kapazitiven Stellglied und dem Lade- bzw. Entladestromkreis. Bei anderen Ausführungsformen kann der Schalter alternativ an anderen Stellen vorgesehen sein. Es können auch mehrere zusätzliche Unterbrechungsschalter vorgesehen sein.
Der Unterbrechungsschalter S4 kann z. B. getaktet geöffnet werden, wobei bei geöffnetem Unterbrechungsschalter S4 der Entladestrom lediglich zwischen dem Schalter S3, dem Kondensator C und der Spule L sowie einer Diode D fließen kann, die den Stromfluss in der Resonanzspule steuert, so dass keine Überspannungen entstehen können (4).
Soll nach dem Kompressionshub des kapazitiven Stellgliedes P entsprechend 3 und 4 das Stellglied P vollständig entladen werden, so kann zusätzlich der Schutzschalter S5 geschlossen werden, wodurch die im Stellglied gespeicherte Ladung vollständig abgeleitet werden kann.
5 verdeutlicht die entsprechenden Betriebsstellungen der Schalter S1 bis S5 sowie die zugehörigen Ströme in den einzelnen Stromkreisen. Betrachtet wird ein vollständiger Lade- und Entladezyklus des Stellgliedes P über der Zeit t.
Zum Beginn des Expansionshubs des kapazitiven Stellgliedes P wird der in Serie mit diesem befindliche Schalter S2 geschlossen, was durch die Schaltflanke zum Zeitpunkt t₁ deutlich wird. Zum gleichen Zeitpunkt t₁ werden auch der Ladeschalter S1 und (falls vorhanden) der Unterbrechungsschalter S4 geschlossen. Der Spulenstrom I_L steigt ab diesem Zeitpunkt an, ebenso der Ladestrom I_l und die Ladespannung U_l am Stellglied P. Sobald die Ladespannung U₁ zum Zeitpunkt t₂ einen Maximalwert erreicht hat, sinken der Spulenstrom I_L sowie der Ladestrom I_l wieder auf Null.
Wenn zu einem bestimmten Zeitpunkt t₃ der Einspritzvorgang des Ventils beendet werden soll, wird der Ladeschalter S1 wieder geöffnet, wobei gleichzeitig der Entladeschalter S3 geschlossen wird. Dabei bleibt auch der Unterbrechungsschalter S4 geschlossen, damit der Entladestrom zunächst ungehindert über das Stellglied P und die geschlossen Schalter S3 und S4 fließen kann. Der Spulenstrom I_L und der Ladestrom I_l wird negativ, und die Ladespannung U_l fällt ab.
Mittels des Unterbrechungsschalters S4 kann zu einem Zeitpunkt t₄ bzw. in einem variablen Zeitraum um den Zeitpunkt t₄ eine Unterbrechung des Entladevorganges ausgelöst werden, der wahlweise durch ein- oder mehrfaches Öffnen des Schalters S4 unterbrochen werden kann. Der Entladestrom I_l geht auf Null, während die Ladespannung U_l bei geöffnetem Unterbrechungsschalter S4 auf einem Niveau verharrt, bis der Schalter wieder geschlossen und der Entladevorgang fortgesetzt wird. Der bei geöffnetem Schalter S4 durch die Diode D fließende Entladestrom wird durch die Kurve I_D verdeutlicht.
Nach einem abgeschlossenen Entladevorgang des Stellgliedes P wird eine evtl. noch vorhandene Restladung über ein Schließen des Schutzschalters S5 abgeleitet, was durch die Schaltflanke dieses Schalters zum Zeitpunkt t₅ und durch den entsprechenden Strom I_S5 verdeutlicht wird.
Durch die beschriebene Ansteuerung des kapazitiven Stellgliedes P kann beispielsweise ein drosselnder Betrieb eines Einspritzventils am Ende eines Einspritzvorganges erreicht werden, wodurch eine Geräuschemission des Ventils reduziert werden kann.
Durch Öffnen eines Entladestromkreises während des Entladevorganges wird der Kompressionshub des Stellgliedes P unterbrochen. Es bleibt die aktuell gespeicherte Energie auf dem Injektor erhalten (Teilhubniveau). Die Höhe des Teilhubniveaus ist abhängig von der Ansteuerdauer des Unterbrechungsschalters S4. Im Abschaltmoment des Unterbrechungsschalters S4 wird der Stromfluss durch die Freilaufdiode D aufrecht erhalten, so dass die Energie in der Spule L definiert abgebaut werden kann.
Durch Aktivieren des Schutzschalters S5 wird die Teilhub-Energie im kapazitiven Stellglied P abgebaut und dieses vollständig entladen. Das Stellglied P wird wieder in seine Ausgangslage komprimiert, wodurch das Einspritzventil geschlossen wird.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Stellgliedes (P), das mechanisch mit einer Stelleinrichtung zusammenwirkt, insbesondere zum Betreiben eines Piezoelements bzw. Piezostapels einer Kraftstoffzumesseinrichtung einer Brennkraftmaschine, bei dem das kapazitive Stellglied (P) mittels einer Versorgungsspannung (V) mit einer vorgebbaren Ladungsmenge zur Steuerung eines Expansionshubs beaufschlagt wird, und bei dem die Ladungsmenge zur Steuerung eines Kompressionshubs über einen Entladestromkreis abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressionshub und/oder Teile davon durch Öffnen eines Unterbrechungsschalters (S4) im Entladestromkreis verzögerbar ist oder verzögert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kapazitive Stellglied (P) durch Betätigen des Unterbrechungsschalters (S4) während des Kompressionshubs in Abschnitten teilentladen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schließen des Unterbrechungsschalters (S4) ein Teil der im kapazitiven Stellglied (P) gespeicherten Ladung abgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch mehrmaliges Öffnen und Schließen des Unterbrechungsschalters (S4) entsprechende Teilmengen der im kapazitiven Stellglied (P) gespeicherten Ladung abgeführt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Unterbrechungsschalter (S4) ein Lade- und Entladekreis auftrennbar ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei geöffnetem Unterbrechungsschalter (S4) die in einer Spule (L) gespeicherte Energie unter Stromfluss durch die Freilaufdiode (D) abgeleitet wird.
Anordnung zum Betreiben eines kapazitiven Stellgliedes (P), das mechanisch mit einer Stelleinrichtung zusammenwirkt, insbesondere zum Betreiben eines Piezoelements bzw. Piezostapels einer Kraftstoffzumesseinrichtung einer Brennkraftmaschine, bei dem das kapazitive Stellglied (P) mittels einer Versorgungsspannung (V) mit einer vorgebbaren Ladungsmenge zur Erzeugung eines Expansionshubs beaufschlagbar ist, und bei dem die im kapazitiven Stellglied (P) gespeicherte Ladungsmenge über einen schaltbaren Entladestromkreis abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Entladestromkreis ein Unterbrechungsschalter (S4) zur Steuerung des Kompressionshubs des kapazitiven Stellgliedes (P) angeordnet ist.
Anordnung nach dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Freilaufdiode (D) vorgesehen ist, so dass bei geöffnetem Unterbrechungsschalter (S4) die in einem induktiven Element, insbesondere einer Spule (L), der Anordnung gespeicherte Energie unter Stromfluss durch die Freilaufdiode (D) abgeleitet werden kann.