DE102008061586A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Festkörperaktuators - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Festkörperaktuators Download PDFInfo
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Abstract
Bei einem Entladevorgang des Festkörperaktuators (2) wird ein Strom erfasst, der den mit elektrischer Energie beaufschlagten Festkörperaktuator (2) entlädt. Ein Schaltelement (6) wird von einer Offenposition in eine Geschlossenposition geschaltet zum Kurzschließen des Festkörperaktuators (2) für eine Entnahme elektrischer Energie aus dem Festkörperaktuator (2) über das Schaltelement (6) abhängig von einem Unterschreiten einer betragsmäßig vorgegebenen Schwelle des Stroms.
Description
- Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoffemissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die während des Verbrennungsprozesses des Luft-/Kraftstoffgemisches erzeugten Kraftstoffemissionen zu senken. Insbesondere die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoffgemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine sehr gute Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohen Druck zugemessen. Im Falle von Dieselbrennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu 2000 Bar. Für derartige Anwendungen setzen sich zunehmend Einspritzventile durch, bei denen ein Festkörperaktuator als Piezoaktuator ausgebildet ist. Piezoaktuatoren zeichnen sich aus durch sehr kurze Ansprechzeiten. Derartige Einspritzventile sind auf diese Weise gegebenenfalls dazu geeignet mehrfach innerhalb eines Arbeitszyklusses eines Zylinders der Brennkraftmaschine Kraftstoff zuzumessen.
- Eine besonders gute Gemischaufbereitung lässt sich erreichen, wenn vor einer Haupteinspritzung eine oder mehrere Voreinspritzungen erfolgen, die auch als Piloteinspritzungen bezeichnet werden, wobei für die einzelne Voreinspritzung gegebenenfalls eine sehr geringe Kraftstoffmasse zugemessen werden soll. Ein präzises Ansteuern des Einspritzventils ist insbesondere für diese Fälle sehr wichtig.
- Eine wichtige Rolle kommt im Zusammenhang mit dem präzisen Ansteuern des Einspritzventils dem Laden und Entladen des Piezoaktuators zu. Insbesondere bei einer beabsichtigten Anwendung von Piloteinspritzungen ist ein schnelles Laden und Entladen des Piezoaktuators von großer Bedeutung.
- Die
DE 10 2005 040 531 A1 offenbart eine Steuervorrichtung mit einer Stromquelle, die vorgesehen ist zum Steuern eines Piezoaktuators, wobei die Stromquelle so mit dem Piezoaktuator koppelbar ist, dass sie den Piezoaktuator entladen kann, und wobei sie eine Leistungsendstufe zum Laden und Entladen des Piezoaktuators aufweist, die elektrisch parallel zu der Stromquelle angeordnet ist. - Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Festkörperaktuators bereitzustellen, mittels der beziehungsweise mittels dem der Festkörperaktuator schnell entladen werden kann.
- Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
- Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zur Ansteuerung eines Festkörperaktuators. Während eines Entladevorgangs des Festkörperaktuators wird ein Strom erfasst, der den mit elektrischer Energie beaufschlagten Festkörperaktuator entlädt. Ein Schaltelement wird von einer Offenposition in eine Geschlossenposition geschaltet abhängig von einem Unterschreiten einer betragsmäßig vorgegebenen Schwelle des Stroms und zwar zum Kurzschließen des Festkörperaktuators für eine Entnahme elektrischer Energie aus dem Festkörperaktuator über das Schaltelement. Das Kurzschließen ermöglicht ein schnelles Entladen des Festkörperaktuators. Die betragsmäßig vorgegebene Schwelle kann dazu beitragen einer Überhitzung des Schaltelements wirksam entgegenzuwirken.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die vorgegebene Schwelle repräsentativ für einen betragsmäßig vorgegebenen maximalen mittleren Strom des Schaltelements. Dadurch kann besonders einfach und präzise ein Beitrag geleistet werden, dass das Schaltelement ohne Schaden zu nehmen betrieben werden kann. Insbesondere kann einer thermischen Überlastung des Schaltelements einfach entgegengewirkt werden.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Schaltbild mit einem Festkörperaktuator, einer Steuervorrichtung und einem Schaltelement, -
2 den Verlauf einer Spannung des Festkörperaktuators, -
3 den Verlauf eines Stroms des Festkörperaktuators, -
4 ein Ablaufdiagramm. - Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
1 zeigt ein Schaltbild mit einer schematischen Darstellung eines Festkörperaktuators2 , einer Steuervorrichtung4 zur Ansteuerung des Festkörperaktuators2 sowie eines Schaltelements6 . - Der Festkörperaktuator
2 weist zwei elektrische Anschlüsse auf und kann beispielsweise als Piezoaktuator ausgebildet sein. Die Steuervorrichtung4 kann beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein und umfasst einen Prozessor8 , einen Programmspeicher10 sowie einen Datenspeicher12 . Der Prozessor8 , der Programmspeicher10 und der Datenspeicher12 sind elektrisch miteinander gekoppelt über einen Systembus14 , beispielsweise für einen Austausch von Daten. Ebenfalls elektrisch gekoppelt mit dem Systembus14 ist eine Endstufe16 , die über den Systembus14 angesteuert werden kann und ausgebildet ist zum Beaufschlagen des Festkörperaktuators2 mit elektrischer Energie. Die Endstufe16 kann beispielsweise als Leistungsendstufe ausgebildet sein. Zum Messen eines Stroms I ist die Endstufe16 elektrisch gekoppelt mit einer Stromerfassungseinrichtung18 . Die Steuervorrichtung4 umfasst ferner eine Schnittstelle20 . - Die Steuervorrichtung
4 ist elektrisch gekoppelt mit dem Schaltelement6 über die Schnittstelle20 . Über die Stromerfassungsvorrichtung18 ist die Steuervorrichtung4 elektrisch gekoppelt mit dem einen elektrischen Anschluss des Festkörperaktuators2 sowie mit dem Schaltelement6 . Sowohl das Schaltelement6 als auch der weitere elektrische Anschluss des Festkörperaktuators2 sind elektrisch gekoppelt mit einem Bezugspotential22 , bei dem es sich um das Massepotential handeln kann. - Das Schaltelement
6 kann beispielsweise als Transistor ausgebildet sein. Transistoren können durch Wärmeentwicklung als Folge großer Ströme einfach thermisch überlastet werden. Insbesondere wenn das Schaltelement6 als Transistor ausgebildet ist, ist der maximale auf ein zeitliches Mittel bezogene Strom I, der durch das Schaltelement6 fließt, bevorzugt derart vorgegeben, dass er auf die Stromtragfähigkeit des Schaltelements6 angepasst ist. In der Regel ist es möglich, dass der für das zeitliche Mittel vorgegebene maximale Strom I für kurze Zeitintervalle überschritten werden kann, ohne zu einer Überhitzung zu führen. - Die
2 und3 zeigen den Verlauf einer Spannung U über der Zeit t beziehungsweise den Verlauf des Stroms I über der Zeit t während eines Ladevorgangs tc und eines Entladevorgangs td. - Zum Beaufschlagen des Festkörperaktuators
2 mit elektrischer Energie werden von der Endstufe16 während des Ladevorgangs tc ein oder mehrere Strompulse vorgegeben, die den Festkörperaktuator2 elektrisch laden. Infolgedessen steigt während des Ladevorgangs tc die an dem Festkörperaktuator2 anliegende Spannung U an. In einem Zeitraum zwischen dem Ladevorgang tc und dem Entladevorgang td ist die an dem Festkörperaktuator2 anliegende Spannung U nahezu konstant. Während des Entladevorgangs td wird dem Festkörperaktuator2 elektrische Energie abgeführt. Der Endladevorgang td kann beispielsweise passiv erfolgen. Bei einem passiven Entladevorgang td resultiert aus der über dem Festkörperaktuator2 anliegenden Spannung U der den Festkörperaktuator2 entladende Strom I. - Um den passiven Entladevorgang td zu beschleunigen, können beispielsweise beide elektrischen Anschlüsse des Festkörperaktuators
2 mit dem Bezugspotential22 gekoppelt werden. Dies kann beispielsweise mittels des Schaltelements6 erfolgen, welches von der Steuervorrichtung4 von einer Offenposition in eine Geschlossenposition geschaltet werden kann. Befindet sich das Schaltelement6 in der Geschlossenposition, so sind beide elektrischen Anschlüsse des Festkörperaktuators2 mit dem Bezugspotential22 gekoppelt, was auch als Kurzschluss des Festkörperaktuators2 bezeichnet werden kann. Das Schalten von der Offenposition in die Geschlossenposition des Schaltelements6 erfolgt zu einem Zeitpunkt T_Shunt. Der Zeitpunkt T_Shunt des Schaltens ist abhängig von einer vorgegebenen Schwelle Is und tritt dann ein, wenn der Betrag des Stroms I die betragsmäßig vorgegebene Schwelle Is unterschreitet. - In den
2 und3 ist der Entladevorgang td sowohl mit als auch ohne ein Umschalten des Schaltelements6 von der Offenposition in seine Geschlossenposition gezeigt. Die gestrichelte Kurve in2 repräsentiert den Spannungsverlauf U für einen Fall, bei dem das Schaltelement6 in seiner Offenposition verbleibt und nicht in die Geschlossenposition geschaltet wird. Dazu korrespondiert der in3 gestrichelt fortgesetzte Stromverlauf I. Die durchgezogen fortgesetzte Kurve der Spannung U in2 beziehungsweise des Stroms I in3 repräsentiert den Fall, für den das Schaltelement6 zu dem Zeitpunkt T_Shunt in seine Geschlossenposition geschaltet wird. Wie aus einem Vergleich der gestrichelt fortgesetzten Kurven zu der durchgezogen fortgesetzten Kurven in den2 und3 leicht ersichtlich ist, wird der Entladevorgang td im Falle des Kurzschließens mittels des Schaltelements6 zeitlich früher abgeschlossen als bei einem Entladevorgang td ohne dem Kurzschluss. -
4 zeigt ein Ablaufdiagramm mit den Verfahrensschritten V1 bis V4 zur Ansteuerung des Festkörperaktuators2 mittels der Steuervorrichtung4 . Die Verfahrensschritte V1 bis V4 können beispielsweise in einem Programm der Steuervorrichtung4 implementiert sein, das beispielsweise in dem Programmspeicher10 abgespeichert sein kann. - Das Programm beginnt in einem ersten Schritt V1. Während des ersten Schritts V1 können beispielsweise Variablen initialisiert werden.
- Ein zweiter Schritt V2 beginnt, sobald sich der Festkörperaktuator
2 in dem Entladevorgang td befindet. Mittels der Stromerfassungsvorrichtung18 wird der Strom I erfasst, mit dem der Festkörperaktuator2 entladen wird. - In einem dritten Schritt V3 wird ermittelt, wann der Strom I die betragsmäßig vorgegebene Schwelle Is unterschreitet. Bei einem Unterschreiten der betragsmäßig vorgegebenen Schwelle Is des Stroms I wird das Schaltelement
6 mittels der Steuervorrichtung4 von der Offenposition in die Geschlossenposition geschaltet, so dass der Festkörperaktuator2 kurzgeschlossen ist und fortan über das Schaltelement6 entladen wird. - In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schwelle Is repräsentativ für einen betragsmäßig vorgegebenen maximalen mittleren Strom I des Schaltelements
6 . Die Schwelle Is kann jedoch beispielsweise auch repräsentativ sein für einen betragsmäßig vorgegebenen maximalen mittleren Strom eines anderen elektronischen Bauteils, beispielsweise eines elektronischen Bauteils in der Endstufe16 . Das Schalten des Schaltelements6 von der Offenposition in die Geschlossenposition zu dem Zeitpunkt, an dem der betragsmäßig vorgegebene maximale mittlere Strom unterschritten wird, T_Shunt, ermöglicht ein schnelles Entladen des Festkörperaktuators2 , ohne dass das Schaltelement6 oder andere elektronische Bauteile zu Schaden kommen. - Das Programm endet in einem vierten Schritt V4.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005040531 A1 [0004]
Claims (3)
- Verfahren zur Ansteuerung eines Festkörperaktuators (
2 ), bei dem während eines Entladevorgangs des Festkörperaktuators (2 ) – ein Strom (I) erfasst wird, der den mit elektrischer Energie beaufschlagten Festkörperaktuator (2 ) entlädt, – ein Schaltelement (6 ) von einer Offenposition in eine Geschlossenposition geschaltet wird abhängig von einem Unterschreiten einer betragsmäßig vorgegebenen Schwelle (Is) des Stroms (I) und zwar zum Kurzschließen des Festkörperaktuators (2 ) für eine Entnahme elektrischer Energie aus dem Festkörperaktuator (2 ) über das Schaltelement (6 ). - Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die vorgegebene Schwelle (Is) repräsentativ ist für einen betragsmäßig vorgegebenen maximalen mittleren Strom des Schaltelements (
6 ). - Vorrichtung zur Ansteuerung eines Festkörperaktuators (
2 ), die dazu ausgebildet ist während eines Entladevorgangs des Festkörperaktuators (2 ) – einen Strom (I) zu erfassen, der den mit elektrischer Energie beaufschlagten Festkörperaktuator (2 ) entlädt, – ein Schaltelement (6 ) von einer Offenposition in eine Geschlossenposition zu schalten abhängig von einem Unterschreiten einer betragsmäßig vorgegebenen Schwelle (Is) des Stroms (I) und zwar zum Kurzschließen des Festkörperaktuators (2 ) für eine Entnahme elektrischer Energie aus dem Festkörperaktuator (2 ) über das Schaltelement (6 ).
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