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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Piezoaktor-Ansteuerschaltung sowie auf ein Piezoaktor-Ansteuerverfahren
zur Aufladung und Entladung eines piezoelektrischen Stellgliedes
bzw. Piezoaktors, bei dem der bei Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik
(PZT) oder einem anderen piezoelektrischen Material auftretende
piezoelektrische Effekt ausgenutzt wird. Ein solcher Piezoaktor
findet z.B. bei einem Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine
Verwendung, d.h., in einem solchen Fall dient der Piezoaktor als
Einrichtung zur jeweiligen Umschaltung des Kraftstoffinjektors zwischen
einem Kraftstoffeinspritzzustand und einem Zustand, bei dem die
Kraftstoffeinspritzung unterbrochen bzw. beendet ist. Hierbei besitzt
der Piezoaktor im wesentlichen einen Kondensatoraufbau aus Schichten
mit piezoelektrischen Eigenschaften, die jeweils aus einem piezoelektrischen
Material und Elektrodenschichten bestehen und abwechselnd in Form
einer Schichtanordnung bzw. eines Laminats übereinander geschichtet sind.
Bei der Aufladung eines Piezoaktors erfolgt eine Expansion, während bei der
Entladung eines Piezoaktors eine Kontraktion erfolgt, sodass ein
Piezoaktor einen Aktor (ein Stellglied) darstellt, über den
nur bei seiner Expansion oder Kontraktion ein elektrischer Strom
fließt.
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Eine
Piezoaktor-Ansteuerschaltung stellt eine Schaltungsanordnung dar,
die durch Aufladung und Entladung des Piezoaktors eine Umschaltung des
Betriebszustands des Piezoaktors von einem Expansionszustand in
einen Kontraktionszustand und umgekehrt herbeiführt. Üblicherweise umfasst eine Piezoaktor-Ansteuerschaltung
eine Stromversorgungseinrichtung, eine Stromeinstellschaltung und eine
Aufladungs-/Entladungs-Regelschaltung.
Die Stromeinstellschaltung stellt eine Schaltungsanordnung dar,
die den in den Piezoaktor in seiner Eigenschaft als elektrisches
Ladungsaufnahmeelement hineinfließenden elektrischen Strom und
den aus dem Piezoaktor in seiner Eigenschaft als elektrisches Ladungsabgabeelement
herausfließenden
elektrischen Strom steuert. Die Aufladungs-/Entladungs-Regelschaltung
dient zur Steuerung der Stromeinstellschaltung bei der Ansteuerung
des Piezoaktors.
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Die
Ansteuerspannung des Piezoaktors muss ausreichend hoch bemessen
sein, um das für die
Expansion des Piezoaktors erforderliche elektrische Feld erzeugen
zu können.
Bei einer üblichen
Piezoaktor-Ansteuerschaltung findet daher ein Gleichspannungswandler
zur Anhebung einer üblichen
Batteriespannung von 12 V auf eine Hochspannung von zumindest 150
V Verwendung, die zur Ansteuerung des Piezoaktors erforderlich ist.
Die von dem Gleichspannungswandler erzeugte Hochspannung wird sodann
einem Kondensator zu dessen Aufladung zugeführt, der dann als Stromversorgungseinrichtung bzw.
Spannungsquelle für
den Piezoaktor dient. Außerdem
umfasst die Piezoaktor-Ansteuerschaltung einen
ersten Stromkreis, einen zweiten Stromkreis, einen Ladeschalter
und einen Entladeschalter. Der erste Stromkreis verbindet den Kondensator über eine
Induktivität
bzw. Induktionsspule mit dem Piezoaktor, während der zweite Stromkreis
die Induktionsspule mit dem Piezoaktor unter Umgehung des Kondensators
verbindet. Der Ladeschalter dient zum Einschalten und Abschalten
des über
den ersten Stromkreis fließenden
elektrischen Stroms, während
der Entladeschalter zum Einschalten und Abschalten des über den
zweiten Stromkreis fließenden
elektrischen Stroms dient. Bei einem Ansteuervorgang zur Aufladung
des Piezoaktors wird der Ladeschalter wiederholt eingeschaltet und
abgeschaltet. Während
einer Einschaltzeit des Ladeschalters fließt ein allmählich auf einen Spitzenwert
ansteigender Ladestrom über den
ersten Stromkreis, während
bei einer Abschaltzeit des Ladeschalters der dann in Bezug auf den Spitzenwert
allmählich
abnehmende Ladestrom über den
zweiten Stromkreis geführt
wird. Bei einem Ansteuervorgang zur Entladung des Piezoaktors wird dagegen
der Entladeschalter wiederholt eingeschaltet und abgeschaltet. Während einer
Einschaltzeit des Entladeschalters fließt ein allmählich auf einen Spitzenwert
ansteigender Entladestrom über
den zweiten Stromkreis, während
bei einer Abschaltzeit des Entladeschalters der dann in Bezug auf
den Spitzenwert allmählich
abnehmende Entladestrom über den
ersten Stromkreis geführt
wird.
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Im übrigen ist
bereits ein Keramikkondensator mit einem ähnlichen Aufbau wie eine Piezoelement-Schichtanordnung
(Piezostapel) und jeweiligen Schichten mit einer Dicke von nur einigen
Mikrometern in der Praxis als Kondensator verwendet worden, wobei
auch Fortschritte in Bezug auf die Herstellung eines solchen Piezostapels
in Form einer Dünnschichtanordnung
erzielt worden sind, sodass nun auch eine Niederspannungs-Ansteuerung
in Betracht gezogen werden kann. Allerdings ist die Batterie eines
Kraftfahrzeugs einer zunehmenden Belastung durch den von einer immer
größer werdenden
Anzahl von elektronischen Geräten
im Kraftfahrzeug verursachten hohen Stromverbrauch ausgesetzt, sodass eine
Anhebung der Batteriespannung zur Verringerung von Verlusten ebenfalls
in Betracht gezogen wird. Darüber
hinaus findet bei einem Hybrid-Kraftfahrzeug bereits ein Hochspannungs-Batteriesystem Verwendung,
sodass auch ein Schaltungsaufbau der Ansteuerschaltung ohne Verwendung
eines Gleichspannungswandlers möglich
erscheint.
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Aus
der JP-A 2002-101 673 ist in diesem Zusammenhang eine Piezoaktor-Ansteuerschaltung bekannt,
bei der anstelle der Verwendung eines Gleichspannungswandlers ein
Transformator zwischen eine Batterie und einen Piezoaktor geschaltet ist,
sodass eine von dem Transformator erzeugte hohe Ansteuerspannung
dem Piezoaktor zugeführt werden
kann. Die Schaltungsanordnung umfasst außerdem einen Ladeschalter,
der in einem die Batterie mit der Primärwicklung des Transformators
verbindenden Stromkreis angeordnet ist, sowie einen Entladeschalter,
der in einem den Piezoaktor mit der Sekundärwicklung des Transformators
verbindenden Stromkreis angeordnet ist. Bei einem Aufladungsvorgang
des Piezoaktors wird der Ladeschalter zur Zuführung eines elektrischen Stroms
von der Batterie zu der Primärwicklung
eingeschaltet und sodann abgeschaltet, um der Sekundärwicklung
einen Rücklaufstrom
zuzuführen.
Bei einem Entladungsvorgang des Piezoaktors wird dagegen der Entladeschalter zur
Zuführung
eines elektrischen Stroms vom Piezoaktor zu der Sekundärwicklung
eingeschaltet und sodann abgeschaltet, um der Primärwicklung
einen Rücklaufstrom
zuzuführen.
Durch wiederholtes Einschalten und Abschalten des Ladeschalters
kann der Aufladungs-Ansteuervorgang des Piezoaktors beschleunigt
werden, während
durch wiederholtes Einschalten und Abschalten des Entladeschalters
der Entladungs-Ansteuervorgang des Piezoaktors beschleunigt werden
kann.
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Hierbei
verändern
sich jedoch die von dem Kondensator und der Batterie abgegebenen
Spannungen, d.h., es treten Änderungen
der von der Spannungsversorgungseinrichtung abgegebenen Spannung
und/oder der Kapazität
des Piezoaktors auf, sodass die Aufladungs- und Entladungsvorgänge nicht
gleichförmig
verlaufen. So treten z.B. zeitliche Streuungen bei der Zeitdauer
auf, die zum Erreichen einer vorgegebenen elektrischen Ladungsmenge
bei einem Aufladungsvorgang erforderlich ist, sodass die Expansions-
und Kontraktionsvorgänge
des Piezoaktors ungleichmäßig verlaufen
und hierdurch z.B. ungleichmäßige Expansions-
und Kontraktionsgeschwindigkeiten erhalten werden. Wenn der Piezoaktor
in Verbindung mit einem Kraftstoffinjektor Verwendung findet, besteht
somit die Gefahr, dass sich die Dosierungsgenauigkeit der eingespritzten
Kraftstoffmenge sowie die Steuerung des Einspritzzeitpunktes verschlechtern,
was insbesondere bei Mehrfach-Einspritzvorgängen mit
intermittierender Einspritzung einer jeweiligen kleinen Einspritzmenge
ein Problem darstellt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Piezoaktor-Ansteuerschaltung
anzugeben, mit deren Hilfe gleichförmige Aufladungs- und Entladungsvorgänge zur
gleichmäßigen Ansteuerung
eines Piezoaktors und die Beendigung von Aufladungs- und Entladungsvorgängen in
vorgegebenen Zeiten erzielbar sind.
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Diese
Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Piezoaktor-Ansteuerschaltung
zur Aufladung und Entladung eines Piezoaktors umfasst eine elektrische
Lastmesseinrichtung sowie eine Sollwert-Einstelleinrichtung. Die elektrische
Lastmesseinrichtung dient zur Ermittlung der elektrischen Last des
Piezoaktors bei jeweiligen Zeitpunkten während einer Ansteuerperiode
des Piezoaktors, bei der eine Aufladung oder Entladung des Piezoaktors
erfolgt. Die Sollwert-Einstelleinrichtung dient zur Einstellung
eines Sollwertes der elektrischen Last des Piezoaktors für jeden
dieser Zeitpunkte während
der Ansteuerperiode des Piezoaktors. Ein Messwert der elektrischen
Last des Piezoaktors wird dann bei jedem der Zeitpunkte in der Ansteuerperiode
des Piezoaktors auf den Sollwert der elektrischen Last des Piezoaktors
eingeregelt.
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Alternativ
umfasst ein Piezoaktor-Ansteuerverfahren zur Aufladung und Entladung
eines Piezoaktors einen Mess- bzw. Ermittlungsschritt, einen Einstellschritt
sowie einen Regelschritt. Bei dem Mess- bzw. Ermittlungsschritt
wird die elektrische Last eines Piezoaktors bei jeweiligen Zeitpunkten während einer
Ansteuerperiode des Piezoaktors ermittelt, bei der eine Aufladung
oder Entladung des Piezoaktors erfolgt. Bei dem Einstellschritt
wird ein Sollwert der elektrischen Last des Piezoaktors für jeden
der Zeitpunkte in der Ansteuerperiode des Piezoaktors eingestellt,
während
bei dem Regelschritt ein Messwert der elektrischen Last des Piezoaktors
auf den Sollwert der elektrischen Last des Piezoaktors bei jedem
der Zeitpunkte in der Ansteuerperiode des Piezoaktors eingeregelt
wird.
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Hierbei
kann als elektrische Last die Ansteuerleistung des Piezoaktors,
der in den Piezoaktor fließende
Ansteuerstrom bzw. Treiberstrom, die Spannung zwischen den Anschlüssen des
Piezoaktors oder die Ansteuerenergie in Betracht gezogen werden.
Die Ansteuerenergie wird dann durch Integration der Ansteuerleistung
des Piezoaktors über
die seit dem Beginn einer Ansteuerperiode des Piezoaktors vergangene
Zeit berechnet.
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Da
die Ansteuerleistung bei der Ansteuerung des Piezoaktors bei jedem
Zeitpunkt der Ansteuerperiode auf einem angenommenen bzw. vorgegebenen Ansteuerleistungs-Sollwert
gehalten wird, werden unabhängig
von Schwankungen der von der Strom- bzw. Spannungsversorgungseinrichtung
abgegebenen Spannung und Änderungen
der Kapazität
des Piezoaktors gleichmäßige Aufladungs-
und Entladungsvorgänge
erhalten. Außerdem
wird eine Soll-Energiemenge nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer
dem Piezoaktor zugeführt
oder vom Piezoaktor wiedergewonnen. Auf diese Weise lässt sich ein
ungleichmäßiges Verhalten
des Piezoaktors weitgehend unterbinden. Anstelle einer Messung und Regelung
der Ansteuerleistung bei der Ansteuerung des Piezoaktors kann eine
gleichförmige
Ansteuerung des Piezoaktors auch durch Messung und Regelung des
Ansteuerstroms, der zwischen seinen Anschlüssen auftretenden Spannung
oder der Ansteuerenergie erfolgen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Schaltbild einer Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 den Verlauf von jeweiligen
Steuervorgängen
bei der Piezoaktor-Ansteuerschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 eine grafische Darstellung
von zeitabhängigen Änderungen
der Dehnung eines Piezoaktors,
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4 ein Schaltbild einer Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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5 den Verlauf von jeweiligen
Steuervorgängen
bei der Piezoaktor-Ansteuerschaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
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6 ein Schaltbild einer Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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7 den Verlauf von jeweiligen
Steuervorgängen
bei der Piezoaktor-Ansteuerschaltung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
und
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8 ein Schaltbild einer Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Gemäß 1 ist ein von einer Piezoaktor-Ansteuerschaltung
angesteuerter Piezoaktor 2 z.B. in einem Injektor zur Kraftstoffeinspritzung
einer Brennkraftmaschine angeordnet. Wenn jedem Zylinder der Brennkraftmaschine
ein solcher Injektor zugeordnet ist, ist eine der Anzahl der Zylinder
entsprechende Anzahl von Piezoaktoren 2 in Parallelschaltung
vorgesehen, wobei mit jedem Piezoaktor 2 ein Zylinder-Wählschalter
auf der Basis 1 : 1 in Reihe geschaltet ist. Wenn hierbei Kraftstoff
in einen bestimmten Zylinder einzuspritzen ist, wird der mit dem
diesem Zylinder zugeordneten spezifischen Piezoaktor 2 verbundene
Zylinder-Wählschalter
zur selektiven Ansteuerung nur dieses spezifischen Piezoaktors 2 eingeschaltet.
Der Piezoaktor-Ansteuerschaltung wird
von einer elektrischen Steuereinheit ECU 9 ein Ansteuersignal
zugeführt,
das den Startzeitpunkt eines Vorgangs zur Aufladung und Entladung
des Piezoaktors 2 vorgibt, d.h., das Ansteuersignal legt
die Ventil-Schließzeiten
und Ventil-Öffnungszeiten
eines Injektors der Brennkraftmaschine fest. Hierbei bestimmt die
jeweilige Dauer der Ansteuersignale die Länge der Ventil-Schließperioden
und Ventil-Öffnungsperioden.
Die elektronische Steuereinheit ECU 9 weist einen Mikrocomputer
auf und gibt die Ansteuersignale und andere Signale auf der Basis
von Messsignalen ab, die ihr von z.B. den Betriebszustand von Bauelementen
der Brennkraftmaschine erfassenden Sensoren zugeführt werden.
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Eine
Strom- bzw. Spannungsversorgungseinrichtung 1 umfasst eine
im Kraftfahrzeug angeordnete Batterie 11 sowie einen den
Anschlüssen
der Batterie 11 parallel geschalteten Kondensator 12. Diese
Spannungsversorgungseinrichtung 1 erzeugt eine Spannung
zur Aufladung des Piezoaktors 2. Für die Batterie 11 kann
z.B. ein Batteriesystem mit einer Ausgangsspannung von 42 V verwendet
werden. Der Kondensator 12 weist vorzugsweise eine ausreichende
elektrostatische Kapazität
auf.
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Die
Stromversorgungseinrichtung 1 ist mit dem Piezoaktor 2 über einen
ersten Stromkreis 31 mit einer Induktionsspule (Induktivität) 301 verbunden,
d.h., der erste Stromkreis 31 verbindet einen positiven
Anschluss der Stromversorgungseinrichtung 1 und des Kondensators 12 über die
Induktionsspule 301 mit dem positiven Anschluss des Piezoaktors 2. Der
erste Stromkreis 31 umfasst außerdem ein mit der Induktionsspule 301 in
Reihe geschaltetes erstes Schaltelement 4a in Form eines
MOS-Feldeffekttransistors (MOSFET), das zwischen der Stromversorgungseinrichtung 1 und
der Induktionsspule 301 angeordnet ist. Eine parasitäre Diode
(eine erste parasitäre
Diode) 41a des ersten Schaltelements 4a ist derart
geschaltet, dass die zwischen den Anschlüssen des Kondensators 12 auftretende
Spannung (Kondensatorspannung) der parasitären Diode 41a als
Sperr-Vorspannung
in der der Durchlassrichtung der parasitären Diode 41a entgegengesetzten
Richtung zugeführt
wird.
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Außerdem ist
die Induktionsspule 301 zwischen den Piezoaktor 2 und
einen zweiten Stromkreis 32 geschaltet, der ein zweites
Schaltelement 4b aufweist, das mit einem Verbindungspunkt
zwischen der Induktionsspule 301 und dem ersten Schaltelement 4a gekoppelt
ist, d.h., der zweite Stromkreis 32 verbindet den positiven
Anschluss des Piezoaktors 2 über die Induktionsspule 301 mit
Masse. Hierbei umgeht der zweite Stromkreis 32 die Stromversorgungseinrichtung 1 und
bildet in Verbindung mit der Induktionsspule 301, dem Piezoaktor 2 und
dem zweiten Schaltelement 4b einen geschlossenen Stromkreis. Das
zweite Schaltelement 4b besteht ebenfalls aus einem MOS-Feldeffekttransistor
(MOSFET). Eine parasitäre
Diode (eine zweite parasitäre
Diode) 41b des zweiten Schaltelements 4b ist derart
geschaltet, das die Kondensatorspannung des Kondensators 12 der parasitären Diode 41b als
Sperr-Vorspannung
in der der Durchlassrichtung der parasitären Diode 41b entgegengesetzten
Richtung zugeführt
wird.
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Der
Gate-Elektrode des ersten Schaltelements 4a wird von einer
ersten Treiberschaltung 8a ein Steuersignal zugeführt, während der
Gate-Elektrode des zweiten Schaltelements 4b von einer
zweiten Treiberschaltung 8b ein Steuersignal zugeführt wird.
Durch diese Steuersignale werden das erste Schaltelement 4a und
das zweite Schaltelement 4b jeweils durchgeschaltet und
gesperrt, um den Betrag des in den Piezoaktor 2 in seiner
Eigenschaft als Ladungsaufnahmeelement hineinfließenden elektrischen
Stroms (Piezoaktorstroms) sowie den Betrag des aus dem Piezoaktor 2 in
seiner Eigenschaft als Ladungsabgabeelement herausfließenden elektrischen
Stroms (Piezoaktorstroms) einzustellen. Das erste Schaltelement
(Ladeschalter) 4a dient hierbei zur Steuerung des in den
Piezoaktor 2 hineinfließenden Ladestroms, während das
zweite Schaltelement (Entladeschalter) 4b zur Steuerung
des aus dem Piezoaktor 2 herausfließenden Entladestroms dient. Hierbei
dient der Piezoaktorstrom als Treiberstrom zur Ansteuerung des Piezoaktors 2,
d.h., zur Aufladung oder Entladung des Piezoaktors 2.
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Der
Piezoaktor 2 liegt über
einen Strommesswiderstand 51 mit einem vorgegebenen Widerstandswert
von z.B. 0,01 Ω an
Masse. Der Betrag des Piezoaktorstroms kann hierbei durch Überwachung der
Spannung gemessen werden, die zwischen den Anschlüssen des
Strommesswiderstands 51 auftritt (Strommesswiderstandsspannung).
Bei dieser Schaltungsanordnung liegt ein Anschluss des Strommesswiderstands 51 an
Masse, sodass die Strommesswiderstandsspannung erhalten werden kann, indem
die Spannung an einem Punkt zwischen dem Strommesswiderstand 51 und
dem Piezoaktor 2 gemessen wird.
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Die
zwischen den Anschlüssen
des Piezoaktors 2 auftretende Spannung (piezoelektrische
Spannung) wird über
einen Pufferverstärker 52 zusammen mit
der Strommesswiderstandsspannung einer Multiplizierschaltung 53 zugeführt. Die
Strommesswiderstandsspannung stellt somit ein Messsignal dar, das den
piezoelektrischen Strom repräsentiert.
Die Multiplizierschaltung 53 bildet in Verbindung mit dem
Pufferverstärker 52 und
dem Strommesswiderstand 51 eine Leistungsmesseinrichtung 5.
Hierbei berechnet die Multiplizierschaltung 53 ein Produkt
durch Multiplikation der Piezoaktorspannung mit dem piezoelektrischen
Strom und gibt eine diesem Produkt proportionale Spannung (ein Leistungsmesssignal)
ab, das die Ansteuerleistung des Piezoaktors 2 angibt.
So entspricht z.B. ein Leistungsmesssignal von 1 V einer Ansteuerleistung
von 100 W. Der Pufferverstärker 52 dient
hierbei als hochohmiges Bauelement zur Zuführung der Piezoaktorspannung.
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Von
einer als Aufladungs-/Entladungs-Regelschaltung dienenden Schalter-Steuerschaltung 7 wird
dieses Leistungsmesssignal zur Steuerung des ersten Schaltelements 4a und
des zweiten Schaltelements 4b verwendet. Die Schalter-Steuerschaltung 7 weist
hierbei einen Schaltungsabschnitt zur Steuerung des ersten Schaltelements 4a sowie
einen Schaltungsabschnitt zur Steuerung des zweiten Schaltelements 4b auf.
Der Schaltungsabschnitt zur Steuerung des ersten Schaltelements 4a umfasst
einen ersten Vergleicher 71a (Vergleichseinrichtung), Widerstände 72a und 73a,
ein erstes UND-Glied 74a sowie eine erste monostabile Kippstufe 75a,
während
der Schaltungsabschnitt zur Steuerung des zweiten Schaltelements 4b einen
Inverter 70b, einen zweiten Vergleicher 71b, Widerstände 72b und 73b, ein
zweites UND-Glied 74b, eine zweite monostabile Kippstufe 75b sowie
einen Inverter 76b aufweist.
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Nachstehend
wird zunächst
der Schaltungsabschnitt zur Steuerung des ersten Schaltelements 4a näher beschrieben.
Das Leistungsmesssignal wird von der Leistungsmesseinrichtung 5 einem
negativen Eingang des ersten Vergleichers 71a zugeführt. Ein
von einer ersten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6a abgegebenes
Bezugsspannungssignal wird einem positiven Eingang des ersten Vergleichers 71a über einen
ersten Eingangswiderstand 72a zugeführt. Mit Hilfe der ersten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6a kann
ein von ihr abgegebenes Bezugsspannungssignal verändert werden, wobei
die erste Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6a ein von
der elektronischen Steuereinheit ECU 9 eingestelltes Bezugsspannungssignal
erzeugt und dieses Bezugsspannungssignal abgibt. Die dem positiven
Eingang des ersten Vergleichers 71a zugeführte Eingangsspannung
weist eine von dem ersten Eingangswiderstand 72a und dem
ersten Rückkopplungswiderstand 73a bewirkte
Hysteresecharakteristik auf. Der erste Rückkopplungswiderstand 73a ist hierbei
zwischen den positiven Eingang und den Ausgang des ersten Vergleichers 71a geschaltet.
Wenn der Betrag des Leistungsmesssignals ausreichend gering ist,
gibt der erste Vergleicher 71a eine Spannung mit dem Pegel "1" ab. Überschreitet der Betrag des
Leistungsmesssignals eine Summe (Bezugsspannung + Hystereseanteil),
gibt der erste Vergleicher 71a eine Spannung mit dem Pegel "0" ab, wobei die dem positiven Eingang
des ersten Vergleichers 71a zugeführte Eingangsspannung entsprechend
auf eine Spannung abfällt,
die gleich einer Differenz (Bezugsspannung – Hystereseanteil) ist. Wenn
dagegen der Betrag des Leistungsmesssignals kleiner als die Differenz
(Bezugsspannung – Hystereseanteil)
wird, gibt der erste Vergleicher 71a eine Spannung mit dem
Pegel "1" ab, wobei die dem
positiven Eingang des ersten Vergleichers 71a zugeführte Eingangsspannung
entsprechend auf eine Spannung ansteigt, die gleich der Summe (Bezugsspannung
+ Hystereseanteil) ist. Hierbei wird die Differenz (Bezugsspannung – Hystereseanteil)
als kleinerer Schwellenwert verwendet, während die Summe (Bezugsspannung
+ Hystereseanteil) als größerer Schwellenwert
Verwendung findet.
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Die
von dem ersten Vergleicher 71a abgegebene Spannung wird
dem ersten UND-Glied 74a zur Erzeugung eines Eingangssignals
für die
erste Treiberschaltung 8a des ersten Schaltelements 4a zugeführt. Wenn
das von dem ersten UND-Glied 74a erzeugte Signal auf den
Pegel "1" übergeht, schaltet die erste
Treiberschaltung 8a das erste Schaltelement 4a durch.
Außer
dem von dem ersten Vergleicher 71a erzeugten Signal wird
dem ersten UND-Glied 74a auch das von der ersten monostabilen
Kippstufe 75a abgegebene Signal zugeführt. Bei ihrer Triggerung durch
ein von der elektronischen Steuereinheit ECU 9 abgegebenes
Ansteuersignal erzeugt die erste monostabile Kippstufe 75a bei
der Anstiegsflanke des Ansteuersignals ein Impulssignal mit einer
festen Dauer von 150 Mikrosekunden. Somit wird das erste Schaltelement 4a während einer bei
der Anstiegsflanke des auf den Pegel "1" übergehenden
Ansteuersignals beginnenden festen Zeitdauer von 150 Mikrosekunden
in Abhängigkeit
von dem Wert bzw. Betrag des von der Multiplizierschaltung 53 erzeugten
Leistungsmesssignals durchgeschaltet und gesperrt. Wenn die erste
monostabile Kippstufe 72a dieses Impulssignal nicht abgibt,
verbleibt das erste Schaltelement 4a im abgeschalteten Zustand
bzw. Sperrzustand, d.h., das Impulssignal bestimmt die Dauer einer
Aufladungsansteuerperiode des Piezoaktors 2.
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Der
Schaltungsabschnitt zur Steuerung des zweiten Schaltelements 4b besitzt
im Prinzip einen ähnlichen
Aufbau wie der Schaltungsabschnitt zur Steuerung des ersten Schaltelements 4a.
Bei einem Entladungsvorgang des Piezoaktors 2 dient der
Piezoaktor 2 als elektrisches Ladungsabgabeelement, bei
dem ein piezoelektrischer Strom in der Gegenrichtung zur Aufladung
des Piezoaktors 2 fließt.
In diesem Fall weist das Leistungsmesssignal somit einen negativen
Wert auf. Demzufolge invertiert der Inverter 70b die Polarität des Leistungsmesssignals, bevor
das Leistungsmesssignal dem negativen Eingang des zweiten Vergleichers
(der zweiten Vergleichseinrichtung) 71b zugeführt wird.
Ein von einer zweiten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6b abgegebenes
Bezugsspannungssignal wird dem positiven Eingang des zweiten Vergleichers 71b über einen
zweiten Eingangswiderstand 72b zugeführt. Die zweite Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6b erzeugt
ein von der elektronischen Steuereinheit ECU 9 eingestelltes Bezugsspannungssignal
und gibt dieses Bezugsspannungssignal ab. Der zweite Vergleicher 71b gibt
eine Spannung mit dem Pegel "1" ab, bis der Wert
bzw. Betrag des Leistungsmesssignals eine Summe (Bezugsspannung
+ Hystereseanteil) übersteigt.
Wenn der Betrag des Leistungsmesssignals diese Summe (Bezugsspannung
+ Hystereseanteil) überschreitet,
gibt der zweite Vergleicher 71b eine Spannung mit dem Pegel "0" ab, wobei die dem positiven Eingang
des zweiten Vergleichers 71b zugeführte Eingangsspannung entsprechend auf
eine Spannung abfällt,
die gleich einer Differenz (Bezugsspannung – Hystereseanteil) ist. Wenn
dagegen der Wert bzw. Betrag des Leistungsmesssignals kleiner als
die Differenz (Bezugsspannung – Hystereseanteil)
wird, gibt der zweite Vergleicher 71b eine Spannung mit
dem Pegel "1" ab, sodass die dem
positiven Eingang des zweiten Vergleichers 71b zugeführte Eingangsspannung
entsprechend auf eine Spannung abfällt, die gleich der Summe (Bezugsspannung
+ Hystereseanteil) ist.
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Das
von dem zweiten Vergleicher 71b abgegebene logische Signal
wird dem zweiten UND-Glied 74b zur Erzeugung eines Eingangssignals
für die zweite
Treiberschaltung 8b des zweiten Schaltelements 4b zugeführt. Wenn
das von dem zweiten UND-Glied 74b erzeugte logische Signal
auf den Pegel "1" übergeht, schaltet die zweite
Treiberschaltung 8b das zweite Schaltelement 4b durch.
Die zweite monostabile Kippstufe 75b erzeugt bei ihrer
Steuerung durch das von der elektronischen Steuereinheit ECU 9 abgegebene
und über
den Inverter 76b zugeführte
Ansteuersignal bei der abfallenden Flanke des Ansteuersignals bzw.
bei der Anstiegsflanke des von dem Inverter 76b abgegebenen
Signals ein Impulssignal mit einer festen Dauer von z.B. 150 Mikrosekunden.
Somit wird das zweite Schaltelement 4b während einer
bei der abfallenden Flanke des auf den Pegel "0" übergehenden Ansteuersignals
beginnenden festen Zeitdauer von 150 Mikrosekunden in Abhängigkeit
von dem Betrag bzw. Wert des Leistungsmesssignals durchgeschaltet
und gesperrt, d.h., das Impulssignal bestimmt die Dauer der Entladungsansteuerperiode
des Piezoaktors 2.
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In
der linken Hälfte
von 2 ist der zeitliche Verlauf
von Steuersignalen und Steuervorgängen während des Expansions- oder
Aufladungsvorgangs des Piezoaktors 2 veranschaulicht, während in
der rechten Hälfte
von 2 der zeitliche
Verlauf von Steuersignalen und Steuervorgängen während des Kontraktions- oder
Entladungsvorgangs des Piezoaktors 2 veranschaulicht ist.
Bei der nachstehenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass
die von der elektronischen Steuereinheit ECU 9 in der ersten
Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6a und der zweiten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6b eingestellten
Bezugsspannungen während einer
Aufladungsansteuerperiode und einer Entladungsansteuerperiode feste
Werte aufweisen. Im Ausgangszustand ist der Kondensator 12 auf
die Batteriespannung aufgeladen, wobei sich das erste Schaltelement 4a und
das zweite Schaltelement 4b im Sperrzustand befinden. In
diesem Ausgangszustand beträgt
die Piezoaktorspannung 0 V. Zur Einleitung eines Expansions- oder
Aufladungsvorgangs bei dem Piezoaktor 2 aus dem Ausgangszustand geht
das von der elektronischen Steuereinheit ECU 9 abgegebene
Ansteuersignal zur Triggerung der ersten monostabilen Kippstufe 75a auf
den Pegel "1" über. Die auf diese Weise getriggerte
erste monostabile Kippstufe 75a erzeugt dann ein Impulssignal,
das die Aufladungsansteuerperiode bestimmt. Da das von der Multiplizierschaltung 53 abgegebene
Leistungsmesssignal 0 V beträgt,
geht das von dem ersten Vergleicher 71a abgegebene logische
Signal auf den Pegel "1" über, wodurch das erste Schaltelement 4a durchgeschaltet
wird. Hierdurch setzt der Aufladungsvorgang des Piezoaktors 2 über den
ersten Stromkreis 31 ein. Hierbei steigt der Piezoaktorstrom an
und beschleunigt den Aufladungsprozess, wodurch wiederum die Piezoaktorspannung
sowie die dem Piezoaktor 2 zugeführte Ansteuerleistung ansteigen.
Wenn der Betrag des Leistungsmesssignals die Summe (Bezugsspannung
+ Hystereseanteil) überschreitet,
geht das von dem ersten Vergleicher 71a abgegebene logische
Signal auf den Pegel "0" über, wodurch das erste Schaltelement 4a abgeschaltet
bzw. gesperrt wird. In diesem Zustand stellt die in der Induktionsspule 301 gespeicherte
Energie die treibende Kraft zur Aufrechterhaltung eines über die
zweite parasitäre
Diode 41b und den zweiten Stromkreis 32 in den
Piezoaktor 2 fließenden,
allmählich
abnehmenden sog. Schwungradstroms dar. Während dieser Schwungradstrom
fließt,
nimmt auch die Ansteuerleistung allmählich ab.
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Wenn
der Betrag des Leistungsmesssignals kleiner als die Differenz (Bezugsspannung – Hystereseanteil)
wird, geht das von dem ersten Vergleicher 71a abgegebene
logische Signal wieder auf den Pegel "1" über, wodurch
das erste Schaltelement 4a erneut durchgeschaltet wird.
Auf diese Weise wird der Vorgang zum Durchschalten und Sperren des
ersten Schaltelements 4a wiederholt durchgeführt. Da
die Bezugsspannung einen festen Wert aufweist, wird auch die Ansteuerleistung
zu jedem Zeitpunkt während
der Aufladungsansteuerperiode im wesentlichen auf einem konstanten
Wert gehalten. Da nämlich
die Ansteuerleistung zu diesen Zeitpunkten durch die von der ersten
Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6a abgegebene Bezugsspannung
bestimmt wird und die erste Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6a einen
Sollwert der Ansteuerleistung zu jedem Zeitpunkt der Aufladungsansteuerperiode
abgibt, wird die Ansteuerleistung zu jedem Zeitpunkt der Aufladungsansteuerperiode
auf einem weitgehend konstanten Wert gehalten, der den von der Bezugsspannung
vorgegebenen Sollwert darstellt. Da sich die Energiemenge durch
Integration der Ansteuerleistung über eine gewisse Zeitdauer hinweg
ergibt, steigt die in dem Piezoaktor 2 additiv akkumulierte
Energiemenge direkt proportional zu der nach dem Beginn der Aufladungsansteuerperiode
oder nach der Abgabe des Ansteuersignals vergehenden Zeitdauer an.
-
Am
Ende der Dauer des von der ersten monostabilen Kippstufe 75a abgegebenen
Impulssignals wird dann das dem ersten UND-Glied 74a zugeführte Signal
auf den Pegel "0" zurückgestellt,
wodurch das erste Schaltelement 4a bis zum Beginn der nächsten Aufladungsansteuerperiode
abgeschaltet bzw. gesperrt wird, womit die Aufladungsansteuerperiode
beendet ist.
-
Da
die in dem Piezoaktor 2 additiv akkumulierte Energiemenge
direkt proportional zu der nach dem Beginn der Aufladungsansteuerperiode
vergehenden Zeitdauer ansteigt, wird die Energie in dem Piezoaktor 2 unabhängig von
Schwankungen der Batteriespannung und Änderungen der Kapazität des Piezoaktors 2 in
Form eines gleichmäßigen Vorgangs
bzw. Aufladungsvorgangs akkumuliert. Weiterhin kann die bis zum
Abschalten bzw. Sperren des ersten Schaltelements 4a oder
bis zur Beendigung der Aufladungsansteuerperiode additiv akkumulierte Energiemenge
konstant gehalten werden, ohne die Ansteuerleistung über eine
Zeitdauer hinweg zu integrieren.
-
Nachstehend
wird der Kontraktions- oder Entladungsvorgang des Piezoaktors 2 näher beschrieben.
Nach Beendigung des Expansionsvorgangs des Piezoaktors 2 ist
eine dem Sollwert entsprechende Energiemenge in dem Piezoaktor 2 gespeichert,
wobei sich das erste Schaltelement 4a sowie das zweite
Schaltelement 4b im Sperrzustand befinden. Die Piezoaktorspannung
wird von der additiv akkumulierten Energiemenge bestimmt, wobei
die Kapazität
des Piezoaktors 2 sich in Abhängigkeit von der Temperatur
und anderen Faktoren verändert. Wenn
in diesem Zustand das von der elektronischen Steuereinheit ECU 9 abgegebene
Ansteuersignal auf den Pegel "0" zurückgestellt
wird, wird die zweite monostabile Kippstufe 75b getriggert
und gibt ein Impulssignal ab, das die Entladungsansteuerperiode bestimmt.
Hierbei weist das von der Multiplizierschaltung 53 in Form
des durch Multiplikation der Piezoaktorspannung mit dem piezoelektrischen
Strom gebildeten Produktes abgegebene Leistungsmesssignal den Wert
0 V auf, da der piezoelektrische Strom den Wert 0 aufweist. Das
von dem zweiten Vergleicher 71b abgegebene logische Signal
geht somit auf den Pegel "1" über, sodass das zweite Schaltelement 4b durchgeschaltet
wird. Hierdurch setzt der Entladungsvorgang des Piezoaktors 2 über den
zweiten Stromkreis 32 ein. Der Piezoaktorstrom steigt hierbei an
und beschleunigt den Entladungsvorgang, wodurch wiederum die Piezoaktorspannung
abnimmt. Allerdings steigt hierbei das dem negativen Eingang des
zweiten Vergleichers 71b über den Inverter 70b zugeführte Ansteuerleistungssignal
an. Wenn der Betrag des über
den Inverter 70b zugeführten
Leistungsmesssignals die Summe (Bezugsspannung + Hystereseanteil) überschreitet,
geht das von dem zweiten Vergleicher 71b abgegebene logische
Signal auf den Pegel "0" über, wodurch das zweite Schaltelement 4b gesperrt
wird. In dieser Situation wirkt die in der Induktionsspule 301 gespeicherte
Energie als treibende Kraft zur Aufrechterhaltung eines über die erste
parasitäre
Diode 41a und den ersten Stromkreis 31 vom Piezoaktor 2 zum
Kondensator 12 fließenden,
allmählich
abnehmenden sog. Schwungradstroms. Während des Fließens dieses
Schwungradstroms nimmt auch die Ansteuerleistung allmählich ab.
-
Wenn
der Betrag des Leistungsmesssignals kleiner als die Differenz (Bezugsspannung – Hystereseanteil)
wird, geht das von dem zweiten Vergleicher 71b abgegebene
logische Signal wieder auf den Pegel "1" über, wodurch
das zweite Schaltelement 4b erneut durchgeschaltet wird.
Auf diese Weise wird der Vorgang zum Durchschalten und Sperren des zweiten
Schaltelements 4b wiederholt durchgeführt. Da die Bezugsspannung
zu jedem Zeitpunkt der Entladungsansteuerperiode einen festen Wert
aufweist, wird auch die Ansteuerleistung auf einem weitgehend konstanten
Wert gehalten. Da nämlich
die Ansteuerleistung zu diesen Zeitpunkten von der durch die zweite
Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6b abgegebene
Bezugsspannung bestimmt wird und die zweite Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6b zu
jedem Zeitpunkt der Entladungsansteuerperiode einen Sollwert für die Ansteuerleistung
abgibt, wird die Ansteuerleistung zu jedem Zeitpunkt der Entladungsansteuerperiode
auf einem weitgehend konstanten Wert gehalten, der den von der Bezugsspannung
vorgegebenen Sollwert darstellt. Die in dem Piezoaktor 2 verbleibende
Energiemenge nimmt hierbei in linearer Proportion zu der nach dem
Beginn der Entladungsansteuerperiode oder nach der Abgabe des Ansteuersignals
vergehenden Zeitdauer ab.
-
Am
Ende der Dauer des von der zweiten monostabilen Kippstufe 75b abgegebenen
Impulssignals wird sodann das von dem zweiten UND-Glied 74b abgegebene
Signal auf den Pegel "0" zurückgestellt,
wodurch das zweite Schaltelement 4b bis zum Beginn der
nächsten
Entladungsansteuerperiode gesperrt wird, womit die Entladungsansteuerperiode endet.
-
Da
die im Piezoaktor 2 verbleibende Energiemenge in linearer
Proportion zu der seit dem Beginn der Entladungsansteuerperiode
vergehenden Zeitdauer abnimmt, erfolgt die Abnahme der in dem Piezoaktor 2 verbleibenden
Energie unabhängig
von Schwankungen der Batteriespannung und Änderungen der Kapazität des Piezoaktors 2 in
Form eines gleichmäßigen Vorgangs
bzw. Entladungsvorgangs. Weiterhin wird das zweite Schaltelement 4b bis
zum Beginn der nächsten
Ansteuerperiode am Ende dieses Vorgangs zur Rückführung der akkumulierten Energie
des Piezoaktors 2 gesperrt, ohne die Ansteuerleistung über eine
gewisse Zeitdauer hinweg zu integrieren.
-
Sowohl
die Aufladungs- als auch die Entladungsansteuerperioden des Piezoaktors 2 können somit
bei der Piezoaktor-Ansteuerschaltung gleich gehalten werden, sodass
sich Schwankungen des Expansions- und Kontraktionsverhaltens des
Piezoaktors 2 reduzieren lassen. Auf diese Weise sind z.B. auch
beständige
Einspritzzeiten und Einspritzmengen gewährleistet. Wie vorstehend beschrieben, führt die
elektronische Steuereinheit ECU 9 der ersten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6a und der
zweiten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6b Ansteuersignale
zur Ansteuerung der ersten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6a und der zweiten
Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6b zur
Erzeugung von konstanten Bezugsspannungen zu. Die elektronische
Steuereinheit ECU 9 kann jedoch auch die erste Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6a und
die zweite Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6b zur
Erzeugung von Bezugsspannungen ansteuern, die jeweils einen Sollwert
für die
Ansteuerleistung bei jeweiligen Zeitpunkten einer Ansteuerperiode
vorgeben, d.h., der Sollwert wird für die Ansteuerleistung in Abhängigkeit
von den erforderlichen Betriebseigenschaften des Piezoaktors 2 zu
einem jeweiligen Zeitpunkt einer Ansteuerperiode eingestellt, die
die Aufladungsansteuerperiode oder die Entladungsansteuerperiode
sein kann. So wird z.B. die Bezugsspannung während der ersten Hälfte einer
Ansteuerperiode auf einen hohen Pegel und während der zweiten Hälfte der
gleichen Ansteuerperiode auf einen niedrigen Pegel eingestellt.
Wenn dagegen die erste Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6a und
die zweite Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6b lediglich
eine feste Bezugsspannung erzeugen müssen, ist es nicht erforderlich,
dass die erste Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6a und die
zweite Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6b durch eine
von der elektronischen Steuereinheit ECU 9 eingestellte
Ansteuerspannung angesteuert werden.
-
Wie
in 3 veranschaulicht
ist, verändert sich
die Dehnung x des Piezoaktors in Abhängigkeit von der Zeit t entsprechend
dem Anstieg der additiv akkumulierten Energiemenge. 3 zeigt eine bei Verwendung der erfindungsgemäßen Piezoaktor-Ansteuerschaltung
erhaltene Dehnungskennlinie sowie eine Dehnungskennlinie für eine weitere
Piezoaktor-Ansteuerschaltung (Vergleichs-Piezoaktor-Ansteuerschaltung), die einen
Vergleich ermöglichen. Bei
dem Steuerverfahren gemäß der Vergleichs-Piezoaktor-Ansteuerschaltung
ist die Einschaltdauer (Aufladungsansteuerperiode) auf eine vorgegebene Zeitdauer
eingestellt, die endet, wenn der Piezoaktor eine vorgegebene Ausdehnung
erreicht hat. Die Aufladungsansteuerperiode wird hierbei in der
nachstehend näher
beschriebenen Weise bestimmt. Hierbei wird eine vorgegebene Ansteuerenergiemenge
dem Piezoaktor während
einer vorgegebenen Aufladungsansteuerperiode zugeführt. Sodann
wird die Differenz zwischen der tatsächlichen Dehnung des Piezoaktors
und seiner Solldehnung am Ende der vorgegebenen Aufladungsansteuerperiode
gemessen. Hierbei wird die Ansteuerleistung des Piezoaktors gemessen
und zur Bildung der Ansteuerenergiemenge des Piezoaktors in der
Aufladungsansteuerperiode integriert. Die Differenz zwischen der
tatsächlichen
Dehnung (Istdehnung) des Piezoaktors und seiner Solldehnung am Ende
der vorgegebenen Aufladungsansteuerperiode entspricht der Differenz zwischen
der Ansteuerenergiemenge am Ende der Aufladungsansteuerperiode und
der zur Erzielung der Solldehnung erforderlichen Sollenergiemenge. Sodann
wird die Länge
der Einschaltdauer in der nächsten
Aufladungsansteuerperiode auf der Basis der am Ende der Aufladungsansteuerperiode
ermittelten Differenz zwischen der integrierten Ansteuerenergiemenge
und der Sollenergiemenge neu bestimmt und eingestellt. Auf diese
Weise lässt
sich die Ansteuerenergiemenge für
den Piezoaktor bestimmen und als Sollwert einstellen, was zu der
vorgegebenen Solldehnung führt.
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Bei
verringerter Kapazität
des Piezoaktors auf Grund einer niedrigen Umgebungstemperatur erfolgt
beim Aufladungsvorgang ein rascher Anstieg der Piezoaktorspannung,
wodurch sich die Differenz zwischen der Piezoaktorspannung und der
Spannung der Strom- bzw. Spannungsversorgungseinrichtung (Versorgungsspannung)
verringert. Bei abnehmender Differenz zwischen der Piezoaktorspannung
und der Versorgungsspannung fließt nur ein kleiner Strom in
den Piezoaktor, sodass die Akkumulation von Energie im Piezoaktor
nur noch mit herabgesetzter Geschwindigkeit erfolgt. Je näher der
Aufladungszeitpunkt am Ende der Aufladungsansteuerperiode liegt,
umso mehr verringert sich die Geschwindigkeit der Energieakkumulation.
Bei vergrößerter Kapazität des Piezoaktors
auf Grund einer hohen Umgebungstemperatur steigt dagegen die Zeitkonstante
eines von dem Piezoaktor und der Induktionsspule gebildeten Schwingkreises
an. Dies hat zur Folge, dass nach dem Einschaltvorgang des Ladeschalters
nur eine langsame Akkumulation von Energie im Piezoaktor stattfindet,
sodass zu Beginn der Aufladungsansteuerperiode die Energieakkumulation
mit geringer Geschwindigkeit erfolgt. Hierdurch verlängert sich
die Einschaltdauer des Ladeschalters zu Beginn der Aufladungsansteuerperiode,
während am
Ende der Aufladungsansteuerperiode die Energieakkumulation mit hoher
Geschwindigkeit erfolgt. Eine Veränderung der Umgebungstemperatur
führt somit
zu einer Änderung
der Kapazität
des Piezoaktors, wobei diese Kapazitätsänderung wiederum eine Änderung
des Dehnungsprofils des Piezoaktors zur Folge hat.
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Bei
der erfindungsgemäßen Piezoaktor-Ansteuerschaltung
wird dagegen das erste Schaltelement 4a derart gesteuert,
dass die Ansteuerleistung am Ende der Aufladungsansteuerperiode
gleich einem Sollwert wird, der von einer von der ersten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6a erzeugten Bezugsspannung
bestimmt wird. Auf diese Weise kann ein zeitabhängige Änderungen der Dehnung des Piezoaktors 2 wiedergebendes
Profil in Form eines Profils erhalten werden, dass eine von Schwankungen
der Kapazität
des Piezoaktors 2 unabhängige
Energieakkumulationsgeschwindigkeit zu beliebigen Zeitpunkten der
Aufladungsansteuerperiode wiedergibt, die eine durch die von der
ersten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6a erzeugte
Bezugsspannung bestimmte, vorgegebene Dauer aufweist, da bei diesem
Ausführungsbeispiel
ein zeitabhängige Änderungen
der Solldehnung des Piezoaktors 2 repräsentierendes Profil in Form
einer gradlinigen Kennlinie festgelegt wird. Die von der ersten
Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6a zu jedem Zeitpunkt
der Aufladungsansteuerperiode erzeugte Bezugsspannung wird somit
bewusst konstant gehalten, sodass das die zeitabhängigen Änderungen
der im Piezoaktor 2 akkumulierten Energie repräsentierende
Profil im wesentlichen eine gradlinige Kennlinie darstellt. Ein zeitabhängiges Dehnungsprofil
des Piezoaktors 2 kann auch in Form eines Profils erhalten
werden, das in einer Entladungsansteuerperiode die Energie-Wiedergewinnungsgeschwindigkeit
unabhängig
von Änderungen
der Kapazität
des Piezoaktors 2 zu beliebigen Zeitpunkten in der Entladungsansteuerperiode
wiedergibt, wie dies durch eine von der zweiten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6b erzeugte
Bezugsspannung vorgegeben ist. Auch hierdurch lassen sich z.B. beständige Einspritzzeiten und
Einspritzmengen gewährleisten.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Bei
einem in 4 veranschaulichten
zweiten Ausführungsbeispiel
der Piezoaktor-Ansteuerschaltung werden eine zwischen den Anschlüssen des
Strommesswiderstands 51 auftretende Spannung (Piezoaktorspannung)
repräsentierende
Eingangssignale dem negativen Eingang des ersten Vergleichers 71a und über einen
Inverter 70b dem negativen Eingang des zweiten Vergleichers 71b zugeführt. Da
einer der Anschlüsse
des Strommesswiderstands 51 an Masse liegt, repräsentiert
die Spannung an einem Punkt zwischen dem Piezoaktor 2 und
dem Strommesswiderstand 51 die zwischen den Anschlüssen des
Strommesswiderstands 51 auftretende Spannung. Der Strommesswiderstand 51 dient als
Stromdetektoreinrichtung zur Ermittlung eines Piezoaktorstroms (zur
Bildung eines Strommesssignals). Wie vorstehend beschrieben, stellt
der Piezoaktorstrom einen in den Piezoaktor 2 in seiner
Eigenschaft als elektrisches Ladungsaufnahmeelement hineinfließenden Strom
oder einen aus dem Piezoaktor 2 in seiner Eigenschaft als
elektrisches Ladungsabgabeelement herausfließenden Strom dar.
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Außerdem wird
dieses Strommesssignal anstelle des bei dem ersten Ausführungsbeispiel
verwendeten Leistungsmesssignals im Rahmen einer Schaltersteuerschaltung 7a dem
negativen Eingang des ersten Vergleichers 71a und über den
Inverter 70b dem negativen Eingang des zweiten Vergleichers 71b zugeführt. Hierbei
sind die von einer ersten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6aA und
einer zweiten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6bA erzeugten
Bezugsspannungen in geeigneter Weise auf unterschiedliche Werte
im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel
eingestellt. Außerdem weisen
ein erster Eingangswiderstand 72aA, ein erster Rückkopplungswiderstand 73aA,
ein zweiter Eingangswiderstand 72bA und ein zweiter Rückkopplungswiderstand 73bA,
durch die Hysteresebereiche vorgegeben werden, geeignete Widerstandswerte auf,
die im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel unterschiedlich
sind. Wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels erzeugen jedoch
die erste Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6aA und die
zweite Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6bA konstante
Bezugsspannungen, die von einer elektronischen Steuereinheit ECU 9A eingestellt
werden. Das zweite Ausführungsbeispiel
entspricht somit im wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme,
dass die elektronische Steuereinheit ECU 9A die erste Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6aA und
die zweite Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6bA zur Erzeugung
konstanter Bezugsspannungen steuert, die im Vergleich zum ersten
Ausführungsbeispiel
unterschiedlich sind. Dies beruht auf dem Umstand, dass anstelle
des bei dem ersten Ausführungsbeispiel
verwendeten Leistungsmesssignals nunmehr das sowohl dem negativen Eingang
des ersten Vergleichers 71a als auch über den Inverter 70b dem
negativen Eingang des zweiten Vergleichers 71b zugeführte Strommesssignal
Verwendung findet.
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Wie
in 5 veranschaulicht
ist, wird zur Herbeiführung
eines Expansions- oder Aufladungsvorgangs des Piezoaktors 2 das
von der elektronischen Steuereinheit ECU 9A abgegebene
Ansteuersignal zur Triggerung der ersten monostabilen Kippstufe 75a auf
den Pegel "1" angehoben. Durch
diese Triggerung erzeugt die erste monostabile Kippstufe 75a ein
Impulssignal, das die Aufladungsansteuerperiode bestimmt. Da das
Strommesssignal hierbei 0 V beträgt,
geht das von dem ersten Vergleichers 71a abgegebene logische
Signal auf den Pegel "1" über, wodurch das erste Schaltelement 4a durchgeschaltet und
somit der Vorgang zur Aufladung des Piezoaktors 2 eingeleitet
wird. Mit steigendem Piezoaktorstrom beschleunigt sich hierbei der
Aufladungsvorgang. Wenn der Betrag des Strommesssignals die Summe
(Bezugsspannung + Hystereseanteil) überschreitet, geht das von
dem ersten Vergleicher 71a abgegebene logische Signal auf
den Pegel "0" über, wodurch das erste Schaltelement 4a abgeschaltet bzw.
gesperrt wird. In diesem Zustand dient die in der Induktionsspule 301 akkumulierte
Energie als treibende Kraft zur Aufrechterhaltung eines zum Piezoaktor 2 fließenden,
allmählich
abnehmenden sog. Schwungradstroms.
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Wenn
der Betrag des Strommesssignals kleiner als die Differenz (Bezugsspannung – Hystereseanteil)
wird, geht das von dem ersten Vergleicher 71a abgegebene
logische Signal wieder auf den Pegel "1" über, wodurch
das erste Schaltelement 4a erneut durchgeschaltet wird.
Auf diese Weise wird der Vorgang zum Durchschalten und Sperren des
ersten Schaltelements 4a wiederholt durchgeführt. Da
die Bezugsspannung zu jedem Zeitpunkt der Aufladungsansteuerperiode
einen festen Wert aufweist, wird auch der Piezoaktorstrom in dem
Bereich (Bezugsspannung – Hystereseanteil)
bis (Bezugsspannung + Hystereseanteil) weitgehend auf einem konstanten
Wert gehalten. Die elektrische Ladungsmenge entspricht dem Ergebnis
einer Integration des Piezoaktorstroms über eine gewisse Zeitdauer.
Die im Piezoaktor 2 additiv akkumulierte elektrische Ladungsmenge
steigt somit in direkter Proportion zu der nach dem Beginn der Aufladungsansteuerperiode oder
nach der Abgabe des Ansteuersignals vergehenden Zeitdauer an.
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Am
Ende der Dauer des von der ersten monostabilen Kippstufe 75a abgegebenen
Impulssignals wird dann das dem ersten UND-Glied 74a zugeführte Signal
auf den Pegel "0" zurückgestellt,
wodurch das erste Schaltelement 4a bis zum Beginn der nächsten Aufladungsansteuerperiode
gesperrt wird und diese Aufladungsansteuerperiode somit beendet ist.
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Die
im Piezoaktor 2 additiv akkumulierte elektrische Ladungsmenge
steigt in direkter Proportion zu der nach Beginn der Aufladungsansteuerperiode
vergehenden Zeitdauer an, sodass der Vorgang, bzw. Aufladungsvorgang,
bei dem die elektrische Ladung im Piezoaktor 2 akkumuliert
wird, unabhängig von
Schwankungen der Batteriespannung und Änderungen der Kapazität des Piezoaktors 2 gleichförmig verläuft. Außerdem kann
die elektrische Ladungsmenge, die bis zum Sperren des ersten Schaltelements 4a bzw.
bis zur Beendigung der Aufladungsansteuerperiode additiv akkumuliert
wird, konstant gehalten werden, ohne den Piezoaktorstrom über eine gewisse
Zeitdauer zu integrieren.
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Nachstehend
werden die Vorgänge
bei der Kontraktion oder Entladung des Piezoaktors 2 näher beschrieben.
Nach Beendigung des Expansionsvorgangs des Piezoaktors 2 ist
eine vorgegebene elektrische Ladungsmenge im Piezoaktor 2 akkumuliert worden,
wobei sich das erste Schaltelement 4a und das zweite Schaltelement 4b im
Sperrzustand befinden. Die Piezoaktorspannung wird von der Menge der
additiv akkumulierten elektrischen Ladung bestimmt, wobei sich jedoch
die Kapazität
des Piezoaktors 2 in Abhängigkeit von der Temperatur
und anderen Faktoren verändert.
Wenn in diesem Zustand das von der elektronischen Steuereinheit
ECU 9A abgegebene Ansteuersignal auf den Pegel "0" zurückgestellt
wird, wird die zweite monostabile Kippstufe 75b getriggert
und erzeugt ein Impulssignal, das die Entladungsansteuerperiode
bestimmt. Da das Strommesssignal 0 V beträgt, geht das von dem zweiten Vergleicher 71b abgegebene
logische Signal auf den Pegel "1" über, wodurch das zweite Schaltelement 4b durchgeschaltet
und auf diese Weise der Entladungsvorgang des Piezoaktors 2 eingeleitet
wird. Der Piezoaktorstrom steigt dann in der Gegenrichtung zum Aufladungsvorgang
an und beschleunigt den Entladungsvorgang, wodurch sich wiederum
die Piezoaktorspannung verringert. Wenn der Betrag des Strommesssignals
die Summe (Bezugsspannung + Hystereseanteil) überschreitet, geht das von
dem zweiten Vergleicher 71b abgegebene logische Signal auf
den Pegel "0" über, wodurch das zweite Schaltelement 4b gesperrt
wird. In diesem Zustand wirkt die in der Induktionsspule 301 gespeicherte
Energie als treibende Kraft zur Aufrechterhaltung eines vom Piezoaktor 2 zum
Kondensator 12 fließenden,
allmählich abnehmenden
sog. Schwungradstroms.
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Wenn
der Betrag des Strommesssignals kleiner als die Differenz (Bezugsspannung – Hystereseanteil)
wird, geht das von dem zweiten Vergleicher 71b abgegebene
logische Signal wieder auf den Pegel "1" über, wodurch
das zweite Schaltelement 4b erneut durchgeschaltet wird.
Auf diese Weise wird der Vorgang zum Durchschalten und Sperren des zweiten
Schaltelements 4b wiederholt durchgeführt. Der Entladungsstrom des
Piezoaktors 2 wird somit auf einem weitgehend konstanten
Wert gehalten, wobei die im Piezoaktor 2 verbleibende elektrische
Ladungsmenge in linearer Proportion zu der nach Beginn der Entladungsansteuerperiode
oder nach der Abgabe des Ansteuersignals vergehende Zeitdauer abnimmt.
-
Am
Ende der Dauer des von der zweiten monostabilen Kippstufe 75b abgegebenen
Impulssignals wird dann das von dem zweiten UND-Glied 74b abgegebene
Signal auf den Pegel "0" zurückgestellt, wodurch
das zweite Schaltelement 4b bis zum Beginn der nächsten Entladungsansteuerperiode
gesperrt wird und somit diese Entladungsansteuerperiode beendet
ist.
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Da
die im Piezoaktor 2 verbleibende elektrische Ladungsmenge
in linearer Proportion zu der nach dem Beginn der Entladungsansteuerperiode vergehenden
Zeitdauer abnimmt, verläuft
der Vorgang bzw. Entladungsvorgang, bei dem sich die im Piezoaktor 2 verbleibende
Energiemenge verringert, unabhängig
von Schwankungen der Batteriespannung und Veränderungen der Kapazität des Piezoaktors 2 gleichförmig. Weiterhin
wird das zweite Schaltelement 4b am Ende dieses Vorgangs
bis zum Beginn der nächsten
Ansteuerperiode gesperrt. Bei dieser Piezoaktor-Ansteuerschaltung können gleiche Aufladungsansteuerperioden
und Entladungsansteuerperioden des Piezoaktors 2 ohne Integration
des Piezoaktorstroms über
eine gewisse Zeitdauer erhalten werden, sodass sich Schwankungen
des Expansions- und Kontraktionsverhaltens des Piezoaktors 2 weitgehend
verringern lassen. Auf diese Weise sind z.B. auch beständige Einspritzzeiten
und Einspritzmengen erzielbar.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Bei
einem in 6 veranschaulichten
dritten Ausführungsbeispiel
der Piezoaktor-Ansteuerschaltung sind anstelle des bei dem ersten
und dem zweiten Ausführungsbeispiel
vorgesehenen Strommesswiderstands 51 zwei in Reihe geschaltete
Widerstände 52 und 55 zwischen
die Anschlüsse
des Piezoaktors 2 geschaltet, die als Spannungsteiler zur
Teilung der Piezoaktorspannung dienen. Die Widerstände 54 und 55 weisen
jeweils einen hohen Widerstandswert wie 900 kΩ bzw. 100 kΩ auf. Die als Ergebnis der durch
die Widerstände 54 und 55 erfolgenden
Spannungsteilung erhaltene Spannung wird einem Pufferverstärker 56 zugeführt, der
in Verbindung mit den Widerständen 54 und 55 eine
Spannungsmesseinrichtung 5B zur Messung der Piezoaktorspannung bildet.
Die von dem Pufferverstärker 56 abgegebene Spannung
(Spannungsmesssignal) wird sowohl dem negativen Eingang des ersten
Vergleichers 71a als auch dem negativen Eingang des zweiten
Vergleichers 71b zugeführt.
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In ähnlicher
Weise wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist eine Schaltersteuerschaltung 7B vorgesehen,
bei der der erste Vergleicher 71a mit einem ersten Eingangswiderstand 72aB und
einem ersten Rückkopplungswiderstand 73aB zur
Bildung einer Hysteresecharakteristik für das dem positiven Eingang
des ersten Vergleichers 71a zugeführte Eingangssignal versehen
ist. Gleichermaßen
ist der zweite Vergleicher 71b mit einem zweiten Eingangswiderstand 72bB und
einem zweiten Rückkopplungswiderstand 73bB zur
Bildung einer Hysteresecharakteristik für das dem positiven Eingang
des zweiten Vergleichers 71b zugeführte Eingangssignal versehen.
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Eine
zweite Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6B bildet eine
Einrichtung zur Erzeugung einer dem positiven Eingang des ersten
Vergleichers 71a über
den ersten Eingangswiderstand 72aB und dem positiven Eingang
des zweiten Vergleichers 71b über den zweiten Eingangswiderstand 72bB zugeführten Bezugsspannung.
Die zweite Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6B führt hierbei
eine zeitabhängige
Veränderung
der Bezugsspannung durch. Der erste Eingangswiderstand 72aB und
der zweite Eingangswiderstand 72bB sind mit einem Bezugsspannungskondensator 61 verbunden,
der von einer ersten Konstantstromschaltung 62a aufgeladen
und von einer zweiten Konstantstromschaltung 62b entladen
wird. Die erste Konstantstromschaltung 62a ist hierbei
mit einem positiven Spannungsgenerator 63 verbunden, um
als Konstantstromschaltung zur Aufladung des Bezugsspannungskondensators 61 zu dienen,
während
die zweite Konstantstromschaltung 62b mit Masse 64 verbunden
ist, um als Konstantstromschaltung zur Entladung des Bezugsspannungskondensators 61 zu
dienen. Die erste Konstantstromschaltung 62a ist in Betrieb,
während
die erste monostabile Kippstufe 75a ein Impulssignal abgibt,
während
die zweite Konstantstromschaltung 62b gleichermaßen in Betrieb
ist, während
die zweite monostabile Kippstufe 75b ein Impulssignal abgibt. Die
Stromstärke
des von der ersten Konstantstromschaltung 62a erzeugten
Stroms wird von einem von der elektronischen Steuereinheit ECU 9B abgegebenen
Stromeinstellsignal bestimmt. Durch den von der ersten Konstantstromschaltung 62a erzeugten
Strom wird der Bezugsspannungskondensator 61 um eine elektrische
Ladungsmenge aufgeladen, deren Betrag von der relativen Einschaltdauer
(dem Tastverhältnis) des
von der ersten monostabilen Kippstufe 75a erzeugten Impulssignals
bestimmt wird, das ein Signal zur Verknüpfung der Schaltung zur Aufladung
des Bezugsspannungskondensators 61 darstellt. Durch den
von der zweiten Konstantstromschaltung 62b erzeugten Strom
wird dagegen die elektrische Ladung aus dem Bezugsspannungskondensator 61 abgeführt. Hierbei
wird die aus dem Bezugsspannungskondensator 61 abgeführte elektrische
Ladungsmenge von der relativen Einschaltdauer (dem Tastverhältnis) des
von der zweiten monostabilen Kippstufe 75b erzeugten Impulssignals
bestimmt, das ein Signal zur Verknüpfung der Schaltung zur Entladung
des Bezugsspannungskondensators 61 darstellt.
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Das
von dem ersten Vergleicher 71a abgegebene Signal wird dem
ersten UND-Glied 74a direkt zugeführt, während das von dem zweiten Vergleicher 71b abgegebene
Signal dem zweiten UND-Glied 74b über einen Inverter 77b zugeführt wird.
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Wie
in 7 veranschaulicht
ist, geht zur Einleitung eines Expansions- oder Aufladungsvorgangs
des Piezoaktors 2 das von der elektronischen Steuereinheit
ECU 9B abgegebene Ansteuersignal zur Triggerung der ersten
monostabilen Kippstufe 75a auf den Pegel "1" über.
Durch diese Triggerung erzeugt die erste monostabile Kippstufe 75a ein
Impulssignal, das die Aufladungsansteuerperiode bestimmt. Mit diesem
Impulssignal wird die erste Konstantstromschaltung 62a zur
Aufladung des Bezugsspannungskondensators 61 angesteuert,
woraufhin die Bezugsspannung anzusteigen beginnt. Da das Spannungsmesssignal
in diesem Zustand 0 V beträgt,
geht das von dem ersten Vergleicher 71a abgegebene logische
Signal auf den Pegel "1" über, wodurch das erste Schaltelement 4a durchgeschaltet wird
und hierdurch der Aufladungsvorgang des Piezoaktors 2 einsetzt.
Hierbei steigt die Piezoaktorspannung an, wodurch sich der Aufladungsvorgang beschleunigt.
Wenn der Betrag des Spannungsmesssignals die Summe (Bezugsspannung
+ Hystereseanteil) überschreitet,
geht das von dem ersten Vergleicher 71a abgegebene logische
Signal auf den Pegel "0" über, wodurch das erste Schaltelement 4a gesperrt
wird. Hierbei wirkt die in der Induktionsspule 301 gespeicherte
Energie als treibende Kraft zur Aufrechterhaltung eines zum Piezoaktor 2 in
seiner Eigenschaft als elektrisches Ladungsaufnahmeelement fließenden,
allmählich
abnehmenden sog. Schwungradstroms, wobei die Piezoaktorspannung weiter
ansteigt.
-
Sodann
verringert sich die Anstiegsgeschwindigkeit der Piezoaktorspannung,
während
die Bezugsspannung weiter ansteigt, sodass schließlich die
Differenz (Bezugsspannung – Hystereseanteil) den
Betrag des Spannungsmesssignals überschreitet.
Zu diesem Zeitpunkt geht das von dem ersten Vergleicher 71a abgegebene
logische Signal wieder auf den Pegel "1" über, wodurch
das erste Schaltelement 4a erneut durchgeschaltet wird.
Auf diese Weise wird der Vorgang zum Durchschalten und Sperren des
ersten Schaltelements 4a wiederholt durchgeführt.
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Während der
Vorgang zum Durchschalten und Sperren des ersten Schaltelements 4a auf
diese Weise wiederholt erfolgt, wird der Bezugsspannungskondensator 61 in
der vorstehend beschriebenen Weise mit einem konstanten Strom aufgeladen
und akkumuliert hierbei eine elektrische Ladung, deren Menge der
nach dem Anstieg des Ansteuersignals auf den Pegel "1" vergehenden Zeitdauer direkt proportional
ist. Somit steigt auch die zwischen den Anschlüssen des Bezugsspannungskondensators 61 auftretende
Spannung direkt proportional zu der nach dem Anstieg des Ansteuersignals
auf den Pegel "1" vergehenden Zeitdauer
an. Hierbei ist die elektrische Ladungsmenge dem durch Multiplikation
der Kapazität
des Bezugsspannungskondensators 61 mit der zwischen den
Anschlüssen
des Bezugsspannungskondensators 61 auftretenden Spannung
gebildeten Produkt direkt proportional. Wenn die Kapazität des Bezugsspannungskondensators 61 konstant
gehalten werden kann, steigt die Ladungsmenge auf Grund der Zuführung des
Konstantstroms direkt proportional zur Zeitdauer an. Demzufolge
steigt auch die Spannung direkt proportional zu der nach dem Beginn
der Aufladung vergehenden Zeitdauer an.
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Während des
Anstiegs der Bezugsspannung steigt auch die Piezoaktorspannung im
wesentlichen direkt proportional zu der nach dem Übergang
des Ansteuersignals auf den Pegel "1" vergehenden
Zeitdauer an.
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Am
Ende der Dauer des von der ersten monostabilen Kippstufe 75a abgegebenen
Impulssignals wird dann das dem ersten UND-Glied 74a zugeführte Signal
auf den Pegel "0" zurückgestellt,
wodurch das erste Schaltelement 4a bis zum Beginn der nächsten Aufladungsansteuerperiode
gesperrt wird, womit diese Aufladungsansteuerperiode beendet ist. Gleichzeitig
endet auch der von der ersten Konstantstromschaltung 62a ausgeführte Vorgang,
wobei die von der ersten Konstantstromschaltung 62a erzeugte Bezugsspannung
auf einem konstanten Pegel gehalten wird.
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Da
die Piezoaktorspannung in direkter Proportion zu der nach dem Beginn
der Aufladungsansteuerperiode vergehenden Zeitdauer ansteigt, verläuft der
Vorgang des Anstiegs der Piezoaktorspannung bzw. der Aufladungsvorgang
unabhängig
von Schwankungen der Batteriespannung und Veränderungen der Kapazität des Piezoaktors 2 gleichförmig.
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Nachstehend
werden die Vorgänge
bei der Kontraktion bzw. Entladung des Piezoaktors 2 näher beschrieben.
Nach der Beendigung des Expansionsvorgangs des Piezoaktors 2 hat
die Piezoaktorspannung einen vorgegebenen Pegel erreicht, wobei
sich das erste Schaltelement 4a und das zweite Schaltelement 4b im
Sperrzustand befinden. Wenn in diesem Zustand das von der elektronischen
Steuereinheit ECU 9B abgegebene Ansteuersignal auf den
Pegel "0" zurückgestellt
wird, wird die zweite monostabile Kippstufe 75b getriggert
und erzeugt ein Impulssignal, das die Entladungsansteuerperiode
bestimmt. Hierbei wird die zweite Konstantstromschaltung 62b zur
Entladung des Bezugsspannungskondensators 61 mit einer
konstanten Entladungsgeschwindigkeit angesteuert, die gleich dem
Betrag eines von der zweiten Konstantstromschaltung 62b erzeugten Stroms
ist. Die Bezugsspannung verringert sich somit in linearer Proportion
zu der nach dem Abfallen des Ansteuersignals auf den Pegel "0" vergehenden Zeitdauer. Wenn die Summe
(Bezugsspannung + Hystereseanteil) kleiner als der Betrag des Spannungsmesssignals
wird, geht das von dem zweiten Vergleicher 71b abgegebene
logische Signal auf den Pegel "0" über, wodurch das zweite Schaltelement 4b durchgeschaltet
wird und der Entladungsvorgang des Piezoaktors 2 einsetzt.
Hierbei fließt
der Piezoaktorstrom von dem Piezoaktor 2 in seiner Eigenschaft als
elektrisches Ladungsabgabeelement zurück, wodurch sich der Entladungsvorgang
beschleunigt. Dies hat wiederum zur Folge, dass die Piezoaktorspannung
abnimmt. Wenn der Betrag des Spannungsmesssignals kleiner als die
Differenz (Bezugsspannung – Hystereseanteil)
wird, geht das von dem zweiten Vergleicher 71b abgegebene
logische Signal auf den Pegel "1" über, wodurch das zweite Schaltelement 4b gesperrt
wird. In diesem Zustand wirkt die in der Induktionsspule 301 gespeicherte
Energie als treibende Kraft zur Aufrechterhaltung eines vom Piezoaktor 2 zum
Kondensator 12 zurückfließenden,
allmählich
abnehmenden sog. Schwungradstroms.
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Da
der Entladungsstrom allmählich
abnimmt, verringert sich die Abnahmegeschwindigkeit der Piezoaktorspannung,
wobei sich die Bezugsspannung in linearer Proportion zu der nach
dem Abfallen des Ansteuersignals auf den Pegel "0" vergehenden
Zeitdauer verringert. Wenn die Differenz (Bezugsspannung + Hystereseanteil)
kleiner als der Betrag des Spannungsmesssignals wird, geht das von
dem zweiten Vergleicher 71b abgegebene logische Signal wieder
auf den Pegel "0" über, wodurch das zweite Schaltelement 4b erneut durchgeschaltet
wird. Auf diese Weise wird der Vorgang zum Durchschalten und Sperren
des zweiten Schaltelements 4b wiederholt durchgeführt. Die
Piezoaktorspannung verringert sich somit in weitgehend linearer
Proportion zu der nach dem Beginn der Entladungsansteuerperiode vergehenden
Zeitdauer.
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Am
Ende der Dauer des von der zweiten monostabilen Kippstufe 75b abgegebenen
Impulssignals wird dann das von dem zweiten UND-Glied 74b abgegebene
Signal auf den Pegel "0" zurückgestellt, wodurch
das zweite Schaltelement 4b bis zum Beginn der nächsten Entladungsansteuerperiode
gesperrt wird. Hiermit endet diese Entladungsansteuerperiode des
Piezoaktors 2.
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Da
sich die Piezoaktorspannung in linearer Proportion zu der nach dem
Beginn der Entladungsansteuerperiode vergehenden Zeitdauer verringert, verläuft der
Vorgang der Abnahme der Piezoaktorspannung bzw. der Entladungsvorgang
unabhängig von
Schwankungen der Batteriespannung und Änderungen der Kapazität des Piezoaktors 2 gleichförmig.
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Da
bei der Piezoaktor-Ansteuerschaltung sowohl die Aufladungsansteuerperioden
als auch die Entladungsansteuerperioden des Piezoaktors 2 gleich
gehalten werden können,
lassen sich Schwankungen des Expansions- und Kontraktionsverhaltens des
Piezoaktors 2 ebenfalls weitgehend verringern. Auf diese
Weise können
z.B. beständige
Einspritzzeiten und Einspritzmengen erhalten werden. Die elektronische
Steuereinheit ECU 9B führt
hierbei sowohl der ersten Konstantstromschaltung 62a als
auch der zweiten Konstantstromschaltung 62b Signale zu,
die als Bezugsspannungssignale zur Erzeugung eines Konstantstroms
dienen, jedoch kann die elektronische Steuereinheit ECU 9B die
erste Konstantstromschaltung 62a und die zweite Konstantstromschaltung 62b auch
zur variablen Erzeugung von Konstantströmen ansteuern, die jeweils
einen Sollwert für
die Ansteuerspannung zu jedem Zeitpunkt einer Ansteuerperiode vorgeben.
Der Sollwert wird entsprechend den erforderlichen Betriebseigenschaften des
Piezoaktors 2 zu einem jeweiligen Zeitpunkt der Ansteuerperiode
eingestellt, die die Aufladungsansteuerperiode oder die Entladungsansteuerperiode sein
kann. So wird z.B. der Konstantstrom während der ersten Hälfte einer
Ansteuerperiode auf einen großen
Betrag eingestellt, während
er während
der zweiten Hälfte
der gleichen Ansteuerperiode auf einen geringen Betrag eingestellt
wird.
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Viertes Ausführungsbeispiel
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In 8 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der
Piezoaktor-Ansteuerschaltung veranschaulicht, bei der anstelle der
Multiplizierschaltung 53 des ersten Ausführungsbeispiels
eine Energiemessschaltung 53C Verwendung findet, von der
eine piezoelektrische Spannung und die den piezoelektrischen Strom
repräsentierende
Strommesswiderstandsspannung eingegeben werden. Die Energiemessschaltung 53C bildet
in Verbindung mit dem Pufferverstärker 52 und dem Strommesswiderstand 51 eine
Ansteuerenergie-Messeinrichtung 5C. Die Energiemessschaltung 53C umfasst
eine Multiplizierschaltung, die der Multiplizierschaltung des ersten Ausführungsbeispiels
entspricht, sowie eine Integratorschaltung zur Integration des von
der Multiplizierschaltung abgegebenen Leistungsmesssignals. Die Integratorschaltung
gibt somit als Ausgangssignal ein Signal (Ansteuerenergie-Messsignal)
ab, das dem Integrationswert der Ansteuerleistung des Piezoaktors 2 und
damit der Ansteuerenergie proportional ist. Bei einer Aufladungsansteuerperiode
des Piezoaktors 2 steigt das Ansteuerenergie-Messsignal an,
während
bei einer Eutladungsansteuerperiode des Piezoaktors 2,
bei der der Piezoaktorstrom einen negativen Wert aufweist, das Ansteuerenergie-Messsignal
abnimmt. Zur Begrenzung bzw. Vermeidung einer kumulativen Fehlerbildung
bei der Integratorschaltung führt
die elektronische Steuereinheit ECU 9C üblicherweise einen Steuervorgang
zur Rückstellung
der Integratorschaltung vor dem Beginn einer Aufladungsansteuerperiode
des Piezoaktors 2 durch.
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Das
Ansteuerenergie-Messsignal wird einer Schaltersteuerschaltung 7C zugeführt, die
als Aufladungs-/Entladungs-Regeleinrichtung
dient, d.h., das Ansteuerenergie-Messsignal wird dem negativen Eingang
des ersten Vergleichers 71a sowie über den Inverter 70b dem
negativen Eingang des zweiten Vergleichers 71b zugeführt.
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Ein
von einer als Bezugsspannungs-Generator dienenden ersten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6aC abgegebenes
Bezugsspannungssignal wird dem positiven Eingang des ersten Vergleichers 71a über den
ersten Eingangswiderstand 72aC zugeführt. Gleichermaßen wird
ein von einer ebenfalls als Bezugsspannungs-Generator dienenden zweiten
Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6bC abgegebenes Bezugsspannungssignal
dem positiven Eingang des zweiten Vergleichers 71b über den zweiten
Eingangswiderstand 72bC zugeführt. Die erste Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6aC und
die zweite Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6bC können hierbei
eine zeitabhängige
Veränderung
der erzeugten Bezugsspannung durchführen. Weiterhin stellt das
bei der Schaltersteuerschaltung 7C dem negativen Eingang
des ersten Vergleichers 71a sowie über den Inverter 70b dem
negativen Eingang des zweiten Vergleichers 71b zugeführte Eingangssignal
anstelle des bei dem ersten Ausführungsbeispiel
verwendeten Leistungsmesssignals nunmehr ein Ansteuerenergie-Messsignal
dar. Die von der ersten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6aA und
der zweiten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6bA erzeugten
Bezugsspannungen sind somit in geeigneter Weise auf Werte eingestellt, die
im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel
unterschiedlich sind. Darüber
hinaus weisen der erste Eingangswiderstand 72aC, der erste
Rückkopplungswiderstand 73aC,
der zweite Eingangswiderstand 72bC sowie der zweite Rückkopplungswiderstand 73bC,
die zur Vorgabe von Hysteresebereichen bzw. Hystereseanteilen dienen,
ebenfalls geeignete Widerstandswerte auf, die sich von den beim ersten
Ausführungsbeispiel
verwendeten Widerstandswerten unterscheiden.
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Die
erste Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6aC erzeugt eine
Bezugsspannung, die sich mit linearer Zeitabhängigkeit verändert. Die
Ansteuerenergie des Piezoaktors 2 steigt somit von dem
Wert Null zu Beginn einer Aufladungsansteuerperiode des Piezoaktors 2 schließlich auf
einen Energiesollwert am Ende der Aufladungsansteuerperiode an.
Dieser Energiesollwert stellt die vorgegebene Energiemenge dar,
die sich als Ergebnis der Aufladung des Piezoaktors 2 am
Ende der Aufladungsansteuerperiode ergeben soll. Die zweite Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6bC erzeugt
ebenfalls eine Bezugsspannung, die sich mit linearer Zeitabhängigkeit ändert. Die
Ansteuerenergie des Piezoaktors 2 fällt daher von dem zu Beginn
einer Entladungsansteuerperiode des Piezoaktors 2 vorliegenden
Energiesollwert schließlich
auf den Wert Null am Ende der Entladungsansteuerperiode ab. Hierbei wird
davon ausgegangen, dass das die zeitabhängigen Änderungen der Bezugsspannung
repräsentierende
Profil dem die zeitabhängigen Änderungen
der Ansteuerenergie entsprechenden Profil entspricht. Hierbei wird
das die zeitabhängigen Änderungen
der Bezugsspannung repräsentierenden
Profil auf der Basis einer Korrelation zwischen der im Piezoaktor 2 gespeicherten
Energie und der Dehnung des Piezoaktors 2 festgelegt. Das
auf diese Weise festgelegte Profil der zeitabhängigen Änderungen der Bezugsspannung
soll daher zu einem Dehnungsprofil führen, das die erforderliche
Dehnungscharakteristik des Piezoaktors 2 während einer
Aufladungsansteuerperiode oder einer Entladungsansteuerperiode repräsentiert.
Ein Profil, das zeitabhängige Änderungen
der Bezugsspannung während
einer Aufladungsansteuerperiode repräsentiert, kann sich jedoch
von einem Profil unterscheiden, das zeitabhängige Änderungen der Bezugsspannung
während
einer Entladungsansteuerperiode repräsentiert.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird die Dauer der Einschaltzeiten und Sperrzeiten des ersten Schaltelements 4a derart
gesteuert, dass das Ansteuerenergie-Messsignal zu jedem Zeitpunkt
der Aufladungsansteuerperiode im wesentlichen gleich der von der
ersten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6aC abgegebenen
Bezugsspannung ist. Weiterhin wird die Dauer der Einschaltzeiten
und Sperrzeiten des zweiten Schaltelements 4b ebenfalls derart
gesteuert, dass das Ansteuerenergie-Messsignal zu jedem Zeitpunkt
der Entladungsansteuerperiode gleich der von der zweiten Bezugsspannungs-Generatorschaltung 6bC abgegebenen
Bezugsspannung ist. Auf diese Weise kann ein zeitabhängige Änderungen
der Ansteuerenergie repräsentierendes
Profil durch Bestimmung eines Profils eingestellt werden, das zeitabhängige Änderungen
der Bezugsspannung wiedergibt. Somit kann ein eine zeitabhängige Dehnungscharakteristik
des Piezoaktors 2 repräsentierendes
Profil in Form eines im wesentlichen gradlinigen und von Schwankungen
der Kapazität
des Piezoaktors 2 in der in 3 veranschaulichten
Weise unabhängigen
Profils erhalten werden, indem ein zeitabhängiges Profil der abgegebenen
Bezugsspannung in geeigneter Weise bestimmt bzw. vorgegeben wird.
Im übrigen
kann eine Enddehnung des Piezoaktors 2 als Solldehnung
am Ende einer Aufladungsansteuerperiode eingestellt werden.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird ein Ansteuerenergie-Sollwert
für jeden
Zeitpunkt nach dem Beginn einer Aufladungsansteuerperiode oder einer Entladungsansteuerperiode
vorher eingestellt. Dieser Ansteuerenergie-Sollwert wird für jeden
Zeitpunkt eingestellt, um als Sollwertprofil verwendet zu werden,
das eine zeitabhängige
Soll-Dehnungscharakteristik des Piezoaktors 2 während einer
Aufladungsansteuerperiode oder einer Entladungsansteuerperiode repräsentiert.
Die Ansteuerleistung zu einem Zeitpunkt während der Aufladungsansteuerperiode
oder der Entladungsansteuerperiode kann zwar aus gewissen Gründen von
einer vorgegebenen Ansteuerleistung abweichen, jedoch wird der einen
Integrationswert der Ansteuerleistung darstellende tatsächliche
Wert (Istwert) der Ansteuerenergie später zur Kompensation von Abweichungen
der Ansteuerleistung eingestellt, die lediglich einen Wert darstellt,
der als Ergebnis einer zeitabhängigen
Differenzierung der Ansteuerenergie erhalten wird. Auf diese Weise können Schwankungen
des Ansteuerenergie-Endwertes
am Ende der Aufladungsansteuerperiode oder der Entladungsansteuerperiode
ausgeglichen bzw. verringert werden.
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Bei
den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Piezoaktor 2 zwar
direkt über
den Kondensator 12 angesteuert, der wiederum von der Batteriespannung
aufgeladen wird, jedoch kann bei der erfindungsgemäßen Piezoaktor-Ansteuerschaltung
auch ein Schaltungsaufbau Verwendung finden, bei dem die Batteriespannung
unter Verwendung eines Gleichspannungswandlers angehoben wird, bevor
sie zur Aufladung des Piezoaktors 2 dient.
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Die
vorstehend beschriebene Piezoaktor-Ansteuerschaltung umfasst somit
eine erste Stromeinstelleinrichtung (4a) zur Einstellung
eines Aufladungsstroms, der in einen Piezoaktor (2) über einen
einen Kondensator (12) über
eine Induktionsspule (301) mit dem Piezoaktor (2)
verbindenden ersten Stromkreis (31) hineinfließt, eine
zweite Stromeinstelleinrichtung (4b) zur Einstellung eines
Entladungsstroms, der aus dem Piezoaktor (2) über einen die
Induktionsspule (301) mit dem Piezoaktor (2) verbindenden
zweiten Stromkreis (32) herausfließt, eine Leistungsmesseinrichtung
(5) zur Ermittlung der Ansteuerleistung des Piezoaktors
(2), eine Sollwert-Einstelleinrichtung
(6a, 6b) zur Abgabe eines Sollwertes, der vorher
als geeignete Sollleistung zur Ansteuerung des Piezoaktors (2)
eingestellt wird, sowie eine Aufladungs-/Entladungs-Regeleinrichtung (7)
zur Regelung der ersten Stromeinstelleinrichtung (4a) und
der zweiten Stromeinstelleinrichtung (4b) dahingehend,
dass der jeweilige Messwert der Ansteuerleistung des Piezoaktors
(2) zur Erzielung gleichförmiger Aufladungs- und Entladungsvorgänge des
Piezoaktors (2) auf den Sollwert eingeregelt wird.