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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung
eines kapazitiven Elements, insbesondere in einer Brennkraftmaschine.
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Stand der
Technik
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Es
sind Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung von kapazitiven Elementen,
insbesondere in Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen die kapazitiven
Elemente als Aktoren eingesetzt werden.
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Häufig sind
solchen kapazitiven Elementen elektronische Bauteile, die insbesondere
als Speicher oder Mikroprozessoren ausgebildet sind, zugeordnet. Üblicherweise
sind diese Bauteile über
eine Datenleitung und eine Versorgungsleitung mit einer elektronischen
Steuereinheit, die die Brennkraftmaschine steuert, verbunden. Des
Weiteren ist das kapazitive Element über eine weitere Versorgungsleitung
mit der Steuereinheit verbunden, über das das kapazitive Element
mit Spannung versorgt und damit gesteuert wird. Ein solches Konzept
ist sehr aufwendig, da im Wesentlichen eine Datenleitung, Versorgungsleitungen
für das
kapazitive Element und Versorgungsleitungen für das elektronische Bauteil
notwenig sind.
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Dadurch,
dass das elektronische Bauteil aus dem kapazitiven Element mit Energie
versorgt wird, kann die Versorgungsleitung für das Bauelement eingespart
und damit der Aufwand in der Steuereinheit bzw. im Stellelement
und/oder der Verbindung zwischen den beiden deutlich reduziert werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorgehensweise
ist in 1 des Blockdiagramms dargestellt. Mit 100 ist ein
Stellelement bezeichnet. Dieses Stellelement umfasst einen Aktor 110 und
ein dem Stellelement 100 bzw. dem Aktor 110 zugeordnetes
elektronisches Bauteil 120. Des Weiteren ist eine Steuereinheit
mit 130 bezeichnet. Die Steuereinheit 130 umfasst
im Wesentlichen eine Steuerung 140 und eine Endstufe 150.
Der Aktor 110 ist vorzugsweise als piezoelektrischer Aktor
ausgebildet, der elektrisch ein kapazitives Element 115 darstellt.
Von der Endstufe 150 wird der Aktor bzw. das kapazitive
Element 115 über
die Leitungen 151 und 152 mit Versorgungsspannung
bzw. mit Masse beaufschlagt. Dies erfolgt abhängig von dem Ansteuersignal
der Steuerung 140. Das elektronische Bauteil 120 ist
parallel zu dem kapazitiven Element 115 geschaltet. Dies
bedeutet, das kapazitive Element 115 dient zur Versorgung
des elektronischen Bauteils mit Energie. Das elektronische Bauteil 120 steht
ferner über
eine Datenleitung 160 mit der Steuereinheit 130 in
Verbindung.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass auch
die Datenübertragung über die
Versorgungsleitung erfolgt.
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Bei
der Bildung des Ansteuersignals kann die Steuerung 140 bzw.
die Steuereinheit 130 Daten, die in dem elektronischen
Bauteil 120 abgelegt sind, berücksichtigen. Ferner kann vorgesehen
sein, dass die Steuereinheit 130 bzw. die Steuerung 140 Daten in
das elektronische Bauteil 120 einschreibt und zu einem
späteren
Zeitpunkt ausliest und verwendet. Das heißt das elektronische Bauteil
ist als Speicherelement ausgebildet. In einem solchen Speicherelement
sind vorzugsweise Daten abgelegt, die das kapazitive Element und/oder
das Stellelement charakterisieren.
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Die
erfindungsgemäße Vorgehensweise
wird besonders vorteilhaft zur Energieversorgung eines Speicherelements
verwendet. Prinzipiell ist die Erfindung aber bei beliebigen elektronischen
Bauteilen einsetzbar.
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Beispielsweise
kann auch vorgesehen sein, dass das elektronische Bauelement als
Recheneinheit ausgebildet ist, die diverse Signale aufbereitet. Hierbei
kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Recheneinheit auftretende
Signale, wie beispielsweise die am Aktor 110 anliegende
Spannung oder den fließenden
Strom auswertet, und entsprechende Signale an die Steuereinheit 130 übermittelt.
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Ferner
kann vorgesehen sein, dass das elektronische Bauelement 120 Messgrößen, wie
beispielsweise die Temperatur des Aktors und/oder des Stellelements
und/oder des Kraftstoffs und/oder Krafststoffdrucks erfasst und/oder
auswertet und an die Steuereinheit 130 übermittelt. In diesem Fall
ist das Bauelement 120 als Sensor, insbesondere als intelligenter
Sensor ausgebildet.
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Das
heißt
das elektronische Bauteil ist als Speicherelement, als Sensorelement
und/oder als Rechenmittel ausgebildet.
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Im
Wesentlichen werden zwei Prinzipien der Ansteuerung von Piezoinjektoren
bei der Kraftstoffzumessung verwendet. Injektoren mit Servoprinzip verhalten
sich derart, dass durch Laden des Aktors sich dieser ausdehnt und
damit ein Steuerventil betätigt
wird. Dieses Steuerventil, das Teil des Stellelements 100 ist,
schaltet über
einen hydraulischen Steuerkreis den Hydraulickdruck so, dass eine
Düsennadel
des Stellelements 100 mittels Raildruck in eine geöffnete Position
bewegt wird. Dies bedeutet bei einem geladenen Aktor erfolgt eine
Kraftstoffzumessung durch das Stellelement 100.
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Bei
Injektoren mit direkt gesteuerter Nadel wird der Hub des Aktors über einen
hydraulischen Koppler direkt auf die Ventilnadel des Stellelements übertragen.
Bei solchen Stellelementen wird der Aktor häufig invers betrieben. Das
heißt
durch entladen des Aktors wird die Kraftstoffzumessung freigeben. Dies
bedeutet, dass bei einem geladenen Injektor erfolgt keine Einspritzung
durch das Stellelement 100.
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Piezoaktoren
verhalten sich wie eine elektrische Kapazität. Außerhalb der Lade- und Entladephasen
verhält
sich der Aktor wie ein Kondensator mit offenen Klemmen. Zwischen
dem Ende des Ladevorgangs und dem Anfang des Entladevorgangs entspricht
der Aktor einem geladenen, elektrischen Kondensator mit offener
Klemme. Zwischen dem Ende des Entladevorgangs und dem Beginn des
Ladevorgangs ist der Aktor entladen. In dem Zeitraum zwischen dem
Ende Ladens und dem Beginn des Entladens ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass das Speicherelement 120 sich aus dem Aktor mit Energie
versorgt. Um zu verhindern, dass sich der Aktor so weit entlädt und damit
zusammenzieht, dass sich die Position der Düsennadel verändert, wird
der Aktor über
der Steuerung 140 ausreichend über das notwenige Niveau geladen
bzw. nachgeladen.
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Bei
invers betriebenen Aktoren ist der Aktor während der Einspritzung, dass
heißt
vom Ende des Endladevorgangs bis zum Beginn des Ladevorgangs, entladen.
Außerhalb
der Einspritzung verhält sich
der Aktor wie ein geladener elektrischer Kondensator mit offenen
Klemmen. In der Phase zwischen dem Ende des Ladevorgangs bis zum
Beginn des Entladevorgangs versorgt sich das elektronische Bauelement 120 aus
dem Aktor 110. Um zu verhindern, dass sich der Aktor soweit
entlädt,
dass die Düssennadel
ihren Zustand ändert,
wird der Aktor auf das notwenige Niveau geladen bzw. nachgeladen.
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Bei
solchen invers betriebenen Aktoren ist die Vorgehensweise besonders
vorteilhaft einsetzbar, da hier die Zeiträume, in denen der Aktor entladen
ist, kurz sind im Vergleich zu den Zeiträumen, in denen er geladen ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es wenn, in Phasen, in denen der Aktor nicht geladen
ist der Aktor auf einen geringes Spannungsniveau nachgeladen wird. Besonders
vorteilhaft ist es, wenn dieses Nachladen nur erfolgt, wenn das
elektronische Bauteil aktiv ist, das heißt beispielsweise, wenn eine
Signalübertragungen
erfolgt.
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In
Phasen, in denen der Aktor geladen ist, wird dieser ebenfalls nachgeladen.
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Dies
bedeutet, das dem Aktor zusätzlich
die Energie zugeführt
wird, der das elektronische Bauteil benötigt. Das Nachladen kann dabei
in einem Schritt oder kontinuierlich erfolgen.
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In
Phasen, in denen der Aktor geladen ist, erfolgt das kontinuierliche
Nachladen dadurch, dass dem Aktor ständig so viel Energie zugeführt wird, dass
die Spannung am Aktor auf einem bestimmten Niveau verbleibt, das
derart gewählt
wird, dass der Aktor bzw. Steuerventil bzw. Düsennadel in seinem gewünschten
Zustand verbleibt. Das Laden in einem Schritt erfolgt derart, dass
die Energie, die das elektronische Bauelement benötigt, mit
dem Ladevorgang, der zum Schalten des Aktors führt, dem Aktor zugeführt wird.
Das heißt
der Aktor wird auf ein höheres
Spannungsniveau aufgeladen, das zum Schaltvorgang nötig wäre.
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In
Phasen, in denen der Aktor entladen ist, erfolgt das kontinuierliche
Nachladen dadurch, das dem Aktor ebenfalls die Energie zugeführt wird,
die das elektronische Bauteil momentan benötigt. Das Laden in einem Schritt
erfolgt derart, dass dem Aktor die gesamte Energie, die das elektronische
Bauteil in dieser Phase benötigt
in wenigstens einem Ladevorgang zugeführt wird. Vorteilhaft ist,
wenn dieses Nachladen bei längeren
Phasen, in denen der Aktor nicht geladen ist wiederholt durchgeführt wird,
damit das Spannungsniveau des Aktors sicher unter einem Wert verbleibt,
bei dem der Aktor schaltet.
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Vorteilhafterweise
erfolgt dieses Nachladen derart, dass das Spannungsniveau am Aktor
einen solchen Wert annimmt, dass das Stellelement in seiner gewünschten
Position verbleibt, und dass das Spannungsniveau ausreicht um das
elektronische Bauteil mit Energie zu versorgen.
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Erfindungsgemäß wird die
Steuereinheit derart ausgebildet, das der Aktor 115 auf
ein solches Spannungsniveau nachgeladen wird, das zum einen ausreicht
um das elektronische Bauteil mit Energie zu versorgen, und zum anderen
aber so gewählt
ist, dass das Stellelement jeweils seine gewünschte Position einnimmt. Dies
wird beispielsweise dadurch erreicht, dass dem Aktor 115 zusätzlich zu
der Energie, die er zum Betätigen
des Stellelements benötigt
wird, die Energie zugeführt
wird, die das elektronische Bauteil 120 benötigt.
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Vorzugsweise
erfolgt die Datenübertragung und
damit Versorgung des elektronischen Bauteils nur in den Phasen,
in denen das kapazitive Element geladen ist. Ist das Bauteil zumindestens
teilweise als Recheneinheit ausgebildet ist vorgesehen, dass dieses über einen
wake up Mechanismus, beispielsweise einen so genannten wake up Interrupt,
aktiviert bzw. hochgefahren wird. Dies kann beispielsweise dann
erfolgen, wenn die Spannung am Aktor über ein bestimmtes Spannungslevel
ansteigt. Entsprechend wird beim Unterschreiten eines bestimmten
Spannungslevels beim Entladen des kapazitiven Aktors das Bauteil
deaktiviert bzw. heruntergefahren. Dies kann beispielsweise über einen
Unterspannungsreset und/oder Interrupt erfolgen. Dabei werden Zwischenergebnisse
und der Status der letzten Programmabarbeitung in einem nicht flüchtigen
Speicher gespeichert und bei dem nächsten Rechnerhochlauf ausgelesen
und die Abarbeitung fortgesetzt.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen,
dass Energie zusätzlich separat
in dem elektronischen Bauteil zwischen gespeichert wird. Hierzu
kann bei spielsweise ein Akku oder einige Piezoelemente verwendet
werden. So sind üblicherweise
zahlreiche Elemente in einem Stack vorhanden, die ohne Einfluss
auf den Hub des Aktors sind. Diese können zum Zwischenspeichern von
Energie genutzt werden um den Rechner weiterlaufen zu lassen oder
bei flüchtigen
Speichern die Daten zu erhalten und/oder zu sichern.