DE19714615A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10, d. h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezo­ elektrischen Elements unter Verwendung eines im wesentlichen als eine Induktanz wirkenden Elements.

Bei den vorliegend näher betrachteten piezoelektrischen Ele­ menten handelt es sich insbesondere, aber nicht ausschließ­ lich um als Aktoren bzw. Stellglieder verwendete piezoelek­ trische Elemente. Piezoelektrische Elemente lassen sich für derartige Zwecke einsetzen, weil sie bekanntermaßen die Eigenschaft aufweisen, sich in Abhängigkeit von einer daran angelegten Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen.

Die praktische Realisierung von Stellgliedern durch piezo­ elektrische Elemente erweist sich insbesondere dann von Vor­ teil, wenn das betreffende Stellglied schnelle und/oder häu­ fige Bewegungen auszuführen hat.

Der Einsatz von piezoelektrischen Elementen als Stellglied erweist sich unter anderem bei Kraftstoff-Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen als vorteilhaft. Zur Einsetzbarkeit von piezoelektrischen Elementen in Kraftstoff-Einspritzdüsen wird beispielsweise auf die EP 0 371 469 B1 und die EP 0 379 182 B1 verwiesen.

Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Verbraucher, welche sich, wie vorstehend teilweise bereits angedeutet wurde, ent­ sprechend dem jeweiligen Ladungszustand bzw. der sich daran einstellenden oder angelegten Spannung zusammenziehen und ausdehnen.

Zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements sind zwei grundlegende Prinzipien bekannt, nämlich das Laden und Entladen über einen ohmschen Widerstand und das Laden und Entladen über eine Spule, wobei sowohl der ohmsche Widerstand als auch die Spule unter anderem dazu dienen, den fließenden Strom, genauer gesagt den beim Laden auftretenden Ladestrom und den beim Entladen auftretenden Entladestrom zu begrenzen.

Die erste Variante, d. h. das Laden und Entladen über einen ohmschen Widerstand ist in Fig. 5 veranschaulicht.

Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element, welches in der Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 101 bezeichnet ist, ist mit einem Ladetransistor 102 und einem Entlade­ transistor 103 verbunden.

Der Ladetransistor 102 wird durch einen Ladeverstärker 104 angesteuert und verbindet im durchgeschalteten Zustand das piezoelektrische Element 101 mit einer positiven Versorgungs­ spannung; der Entladetransistor 103 wird durch einen Entlade­ verstärker 105 angesteuert und verbindet im durchgeschalteten Zustand das piezoelektrische Element 101 mit Masse.

Im durchgeschalteten Zustand des Ladetransistors 102 fließt über diesen ein Ladestrom, durch welchen das piezoelektrische Element 101 geladen wird. Mit zunehmender Ladung des piezo­ elektrischen Elements 101 steigt die sich an diesem einstel­ lende Spannung, und dementsprechend verändern sich auch des­ sen äußere Abmessungen. Ein Sperren des Ladetransistors 102, also ein Unterbrechen oder Beenden des Ladevorganges bewirkt, daß die im piezoelektrischen Element 101 gespeicherte Ladung bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und da­ mit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezoelektri­ schen Elements 101 im wesentlichen unverändert beibehalten werden.

Im durchgeschalteten Zustand des Entladetransistors 103 fließt über diesen ein Entladestrom, durch welchen das piezo­ elektrische Element 101 entladen wird. Mit zunehmender Ent­ ladung des piezoelektrischen Elements 101 sinkt die sich an diesem einstellende Spannung, und dementsprechend verändern sich auch dessen äußere Abmessungen. Ein Sperren des Entlade­ transistors 103, also ein Unterbrechen oder Beenden des Ent­ ladevorganges bewirkt, daß die im piezoelektrischen Element 101 noch gespeicherte Ladung bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezoelektrischen Elements 101 beibehalten werden.

Der Ladetransistor 102 und der Entladetransistor 103 wirken für den Ladestrom bzw. für den Entladestrom wie steuerbare ohmsche Widerstände. Die durch diese fließenden Ströme, d. h. der durch den Ladetransistor 102 fließende Ladestrom und der durch den Entladetransistor 103 fließende Entladestrom erzeu­ gen dort jedoch nicht unerhebliche Verlustleistungen. Die in den Transistoren verbrauchte Verlustenergie ist pro Lade-Entladezyklus mindestens doppelt so hoch wie die im piezo­ elektrischen Element 101 gespeicherte Energie. Diese hohe Verlustenergie bewirkt eine sehr starke Aufheizung des Lade­ transistors 102 und des Entladetransistors 103, was erkennbar ein Nachteil ist.

Nicht zuletzt deshalb kommt häufig die vorstehend bereits er­ wähnte zweite Variante zum Laden und Entladen des piezoelek­ trischen Elements, d. h. das Laden und Entladen über eine Spule zum Einsatz. Ein derartiges Laden und Entladen ist beispielsweise aus den eingangs bereits erwähnten EP-Patent­ schriften 0 371 469 B1 und 0 379 182 B1 bekannt; die in die­ sen Druckschriften beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sind Verfahren und Vorrichtungen gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 10.

Das grundlegende Prinzip von Verfahren und Vorrichtungen die­ ser Art wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläu­ tert.

Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element, welches in der Fig. 6 mit dem Bezugszeichen 201 bezeichnet ist, ist Bestandteil eines über einen Ladeschalter 202 schließbaren Ladestromkreises und eines über einen Entlade­ schalter 206 schließbaren Entladestromkreises, wobei der Ladestromkreis aus einer Serienschaltung des Ladeschalters 202, einer Diode 203, einer Ladespule 204, des piezoelektri­ schen Elements 201, und einer Spannungsquelle 205 besteht, und wobei der Entladestromkreis aus einer Serienschaltung des Entladeschalters 206, einer Diode 207, einer Entladespule 208 und des piezoelektrischen Elements 201 besteht.

Die Diode 203 des Ladestromkreises verhindert, daß im Lade­ stromkreis ein das piezoelektrische Element entladender Strom fließen kann. Die Diode 203 und der Ladeschalter 202 sind ge­ meinsam als ein Halbleiterschalter realisierbar.

Die Diode 207 des Entladestromkreises verhindert, daß im Ent­ ladestromkreis ein das piezoelektrische Element ladender Strom fließen kann. Die Diode 207 und der Ladeschalter 206 sind wie die Diode 203 und der Ladeschalter 202 gemeinsam als ein Halbleiterschalter realisierbar.

Wird der normalerweise geöffnete Ladeschalter 202 geschlos­ sen, so fließt im Ladestromkreis ein Ladestrom, durch welchen das piezoelektrische Element 201 geladen wird; die im piezo­ elektrischen Element 201 gespeicherte Ladung bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die ak­ tuellen äußeren Abmessungen des piezoelektrischen Elements 201 werden nach dem Laden desselben im wesentlichen unver­ ändert beibehalten.

Wird der normalerweise ebenfalls geöffnete Entladeschalter 206 geschlossen, so fließt im Entladestromkreis ein Ent­ ladestrom, durch welchen das piezoelektrische Element 201 entladen wird; der Ladezustand des piezoelektrischen Elements 201 bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezoelek­ trischen Elements 201 werden nach dem Entladen desselben im wesentlichen unverändert beibehalten.

Sowohl der Ladestromkreis als auch der Entladestromkreis sind frei von nennenswerten ohmschen Widerständen. Die durch das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements (das Fließen des Ladestroms und des Entladestroms durch ohmsche Widerstände) erzeugte Wärmeenergie ist daher äußerst gering.

Andererseits haben piezoelektrische Elemente bei einer der­ artigen Ansteuerung jedoch teilweise eine nur relativ geringe Lebenserwartung, was erkennbar ein nicht unerheblicher Nach­ teil ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 10 derart weiterzubilden, daß damit das Laden und das Entladen von piezoelektrischen Elementen effizient und schonend für die piezoelektrischen Elemente durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 (Verfahren) bzw. durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 10 (Vorrichtung) be­ anspruchten Merkmale gelöst.

Demnach ist vorgesehen, daß das Entladen des piezoelektri­ schen Elements zumindest teilweise über ein für den Entlade­ strom im wesentlichen als eine Resistanz wirkendes Element erfolgt (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 1) bzw. daß zum zumindest teilweisen Entladen des piezoelektrischen Ele­ ments ein für den Entladestrom im wesentlichen als eine Resis­ tanz wirkendes Element vorgesehen ist (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 10).

Das teilweise Laden und Entladen des piezoelektrischen Ele­ ments über ein für den Lade- bzw. Entladestrom im wesent­ lichen als eine Induktanz wirkendes Element, also beispiels­ weise über eine Spule oder ein wie eine Spule wirkendes Ele­ ment ermöglicht es, die Verlustleistung gering zu halten. Dadurch wird die beim Laden und Entladen entstehende Wärme­ energie reduziert, was seinerseits wiederum den vollständigen oder zumindest teilweisen Verzicht auf Kühlmaßnahmen ermög­ licht.

Andererseits ermöglicht es das zumindest teilweise Entladen des piezoelektrischen Elements über ein für den Entladestrom im wesentlichen als eine Resistanz wirkendes Element, also beispielsweise über einen ohmschen Widerstand oder ein wie ein ohmscher Widerstand wirkendes Element, den Entladevorgang nach Belieben zu steuern. Insbesondere können die Geschwin­ digkeit und das Ende der Entladung vor und während der Ent­ ladung auf einfache Weise beliebig eingestellt, variiert und verändert werden. Insbesondere kann das Entladen - anders als beim Entladen über eine Spule - ohne eine (bestimmte piezo­ elektrische Elemente schädigende oder zerstörende) entgegen­ gesetzte Aufladung des piezoelektrischen Elements erfolgen.

Es wurden also ein Verfahren und eine Vorrichtung gefunden, durch welche ein effizientes und für die piezoelektrischen Elemente schonendes Laden und Entladen derselben durchführbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeig­ nete erfindungsgemäße Schaltung,

Fig. 2 eine zum Laden und Entladen mehrerer piezoelektri­ scher Elemente nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignete erfindungsgemäße Schaltung,

Fig. 3 eine zum Laden und Entladen mehrerer piezoelektri­ scher Elemente nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignete erfindungsgemäße Schaltung mit mehreren Ladestromkreisen,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf von sich beim Betrieb der Schaltung gemäß Fig. 3 einstellenden Spannungs­ verläufen,

Fig. 5 eine herkömmliche Schaltung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements über für den Lade- und Entladestrom als ohmsche Widerstände wirkende Elemente, und

Fig. 6 eine herkömmliche Schaltung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements über für den Lade- und Entladestrom als Spulen wirkende Elemente.

Die piezoelektrischen Elemente, deren Laden und Entladen im folgenden näher beschrieben wird, sind beispielsweise als Stellglieder in Kraftstoff-Einspritzdüsen (insbesondere in sogenannten Common Rail Injektoren) von Brennkraftmaschinen einsetzbar. Auf einen derartigen Einsatz der piezoelek­ trischen Elemente besteht jedoch keinerlei Einschränkung; die piezoelektrischen Elemente können grundsätzlich in beliebigen Vorrichtungen für beliebige Zwecke eingesetzt werden.

Es wird davon ausgegangen, daß sich die piezoelektrischen Elemente im Ansprechen auf das Laden ausdehnen und im An­ sprechen auf das Entladen zusammenziehen. Die Erfindung ist selbstverständlich jedoch auch dann anwendbar, wenn dies gerade umgekehrt ist.

Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein erstes Ausfüh­ rungsbeispiel einer Schaltung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens zum Laden und Entladen eines piezo­ elektrischen Elements beschrieben.

Das piezoelektrische Element, das es im betrachteten Beispiel zu laden bzw. zu entladen gilt, ist in der Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, liegt der eine der An­ schlüsse des piezoelektrischen Elements 1 dauerhaft auf Masse (ist mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle verbunden), wohingegen der andere der Anschlüsse des piezoelektrischen Elements über eine Spule 2 (oder ein anderes als Induktanz wirkendes Element) und einen Halbleiterschalter 3 mit dem zweiten Pol der Spannungsquelle sowie über eine Strombegren­ zungseinheit 4 (oder ein anderes als Resistanz wirkendes Ele­ ment) mit dem ersten Pol der Spannungsquelle verbunden ist.

Der Halbleiterschalter 3 besteht im betrachteten Beispiel aus einer Serienschaltung aus einem Ladeschalter 31 und einer Diode 32, welche dem Ladeschalter 202 und der Diode 203 gemäß der Fig. 6 entsprechen können. Statt dessen kann jedoch auch eine andere Schalteinrichtung verwendet werden.

Die Strombegrenzungseinheit 4 besteht im betrachteten Bei­ spiel aus einem Entladetransistor und einem diesen steuernden Entladeverstärker, welche dem Entladetransistor 103 und dem Entladeverstärker 105 gemäß Fig. 5 entsprechen können. Statt dessen kann jedoch auch ein anderer schaltbarer und/oder steuerbarer ohmscher Widerstand verwendet werden.

Die Spannungsquelle besteht aus einer Batterie 5 (beispiels­ weise einer KFZ-Batterie), einem dieser nachgeschalteten Gleichspannungswandler 6, und einem diesem nachgeschalteten, als Pufferkondensator dienenden Kondensator 7. Durch diese Anordnung wird die Batteriespannung (beispielsweise 12 V) in eine im wesentlichen beliebige andere Gleichspannung umge­ setzt und als Versorgungsspannung bereitgestellt. Die Batte­ rie 5, der Gleichspannungswandler 6 und eventuell auch der Kondensator 7 können durch andere Spannungsquellen ersetzt werden.

Die Spannungsquelle, der Halbleiterschalter 3, die Spule 2 und das piezoelektrische Element 1 bilden einen Ladestrom­ kreis, welcher sich durch den Halbleiterschalter 3 öffnen und schließen läßt, und über den das piezoelektrische Element 1 geladen werden kann; das Fließen eines das piezoelektrische Element 1 entladenden Stroms wird durch die Diode 32 verhin­ dert.

Die Strombegrenzungseinheit 4 und das piezoelektrische Ele­ ment 1 bilden einen Entladestromkreis, der sich über die Strombegrenzungseinheit 4 öffnen und schließen läßt, und über den das piezoelektrische Element 1 entladen werden kann.

Das Laden des piezoelektrischen Elements 1 erfolgt durch einen (Lade-)Stromfluß im Ladestromkreis und wird durch das Schließen des Halbleiterschalters 3 (des Ladeschalters 31) eingeleitet.

Wird der Halbleiterschalter 3 geschlossen, so können durch die Spannungsquelle bereitgestellte oder im Kondensator 7 gespeicherte Ladungen zum piezoelektrischen Element 1 fließen. Die Größe und der zeitliche Verlauf des sich dadurch einstellenden (Lade-)Stroms hängt dabei im wesentlichen von dem durch das piezoelektrische Element 1, die Spule 2 und den Kondensator 7 gebildeten LC-Reihenschwingkreis ab. Der Lade­ strom steigt mehr oder weniger schnell bis zu einem Maximum an und nimmt dann wieder mehr oder weniger schnell ab; eine richtungsmäßige Umkehr des Stromflusses, durch welche das piezoelektrische Element wieder entladen würde, ist durch den Halbleiterschalter 3, genauer gesagt die Diode 32 desselben ausgeschlossen.

Durch den Ladestrom wird das piezoelektrische Element 1 zu­ nehmend geladen, wodurch die sich am piezoelektrischen Ele­ ment einstellende Spannung ansteigt und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements zunimmt.

Das Laden des piezoelektrischen Elements dauert im betrachte­ ten Ausführungsbeispiel an, bis der Ladestromfluß von sich aus wieder auf Null abgefallen ist. Das Laden beginnt und endet also mit der positiven Strom-Halbwelle der ersten Schwingkreis-Schwingung. Erst danach wird der Halbleiter­ schalter 3 wieder geöffnet.

Die im piezoelektrischen Element 1 akkumulierten Ladungen, die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements bleiben danach im wesentlichen unverändert erhalten.

Da der Ladestromkreis im wesentlichen frei von ohmschen Widerständen ist, kann die Verlustleistung beim Laden des piezoelektrischen Elements gering gehalten werden; es findet keine oder allenfalls eine vernachlässigbar geringe Wärme­ entwicklung statt.

Das Entladen des piezoelektrischen Elements 1 erfolgt durch einen (Entlade-)Stromfluß im Entladestromkreis und wird durch die Strombegrenzungseinheit 4 gesteuert. Öffnet die Strom­ begrenzungseinheit und gestattet damit einen (Entlade-)Strom­ fluß im Entladestromkreis, so fließen im piezoelektrischen Element 1 gespeicherte Ladungen gegen Masse ab. Die Menge der pro Zeiteinheit fließenden Ladungen wird durch die Strom­ begrenzungseinheit 4 bestimmt, da diese nicht nur wie ein Schalter wirkt, sondern, wie die Bezeichnung schon andeutet, zusätzlich in der Lage ist, den fließenden Strom auf einen frei einstellbaren Wert zu begrenzen.

Durch den Abtransport von Ladungen vom piezoelektrischen Ele­ ment 1 wird dieses zunehmend entladen, wodurch die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung sinkt und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements entsprechend ab­ nimmt.

Durch die Strombegrenzungseinheit 4 kann dabei sowohl auf die Geschwindigkeit als auch auf die Linearität der Spannungs­ abnahme bzw. des Zusammenziehens des piezoelektrischen Ele­ ments 1 Einfluß genommen werden. Die Geschwindigkeit hängt von der Größe des Entladestroms ab, der fließen kann, und die Linearität hängt vom zeitlichen Verlauf der Größe des fließenden Entladestroms ab. Je größer der fließende Ent­ ladestrom ist, desto schneller nehmen die sich am piezoelek­ trischen Element einstellende Spannung und die dazu im we­ sentlichen proportionale Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 1 ab, wobei ein zeitlich konstant gehaltener Strom eine lineare Abnahme zur Folge hat.

Das Entladen des piezoelektrischen Elements wird durch das Zurückgehen des Entladestroms auf Null (wenn das piezoelek­ trische Element vollständig entladen ist) oder spätestens durch ein ein Unterbinden des Entladestromflusses bewirkendes Eingreifen der Strombegrenzungseinheit 4 beendet. Die ge­ zielte Beeinflußbarkeit des Entladevorgangs durch die Strom­ begrenzungseinheit 4 ermöglicht es, einen wunschgemäßen Ver­ lauf der Entladung einzuhalten. Insbesondere können Schwin­ gungen und ein Laden des piezoelektrischen Elements 1 mit umgekehrter Polarität (wie es bei einer Entladung über eine Spule bzw. - allgemeiner ausgedrückt - bei einer Entladung über ein als eine Induktanz wirkendes Element der Fall sein kann), zuverlässig vermieden werden. Bei Bedarf ist es auch ohne nennenswerte Schwierigkeiten möglich, das piezoelektri­ sche Element nicht vollständig zu entladen, sondern den Ent­ ladevorgang im Ansprechen auf das Erreichen einer vorbestimm­ ten Spannung am piezoelektrischen Element zu beenden; auch dies würde bei einer Entladung des piezoelektrischen Elements über ein als eine Induktanz wirkendes Element auf nicht unerhebliche Schwierigkeiten stoßen.

Durch das vorstehend dem Wesen nach beschriebene Verfahren zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen bzw. durch die zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Schal­ tung können anstelle von nur einem piezoelektrischen Element eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen geladen und entladen werden.

Eine Schaltung, welche dies ermöglicht, ist in Fig. 2 dar­ gestellt.

Die in der Fig. 2 gezeigte Schaltung basiert auf der in der Fig. 1 gezeigten Schaltung; einander entsprechende Elemente sind mit den selben Bezugszeichen bezeichnet. Im Unterschied zur Schaltung gemäß der Fig. 1 ist bei der Schaltung gemäß Fig. 3 das piezoelektrische Element 1 (Fig. 1) durch eine Parallelschaltung einer Vielzahl (n) von Piezozweigen 11, 12, . . . 1n ersetzt, wobei jeder Piezozweig aus einem piezoelek­ trischen Element 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁, einer ersten Diode 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ , einem Auswahlschalter 11 ₃, 12 ₃, . . . 1n₃ und einer zweiten Diode 11 ₄, 124 _, . . . 1n₄ besteht, welche wie in der Fig. 2 gezeigt verschaltet sind.

Die Reihenschaltung der ersten Diode 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ mit dem Auswahlschalter 11 ₃, 12 ₃, . . . 1n₃ und die hierzu parallel an­ geordnete zweiten Diode 11 ₄, 12 ₄, . . . 1n₄ lassen sich als ein elektronischer Schalter mit parasitärer Diode (beispielsweise durch einen MOS-FET) realisieren; jeder der Piezozweige 11, 12, . . . 1n kann daher als Reihenschaltung aus einem piezo­ elektrischen Element 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ und einem MOS-FET realisiert werden.

Die Gesamtheit der ersten Dioden 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂, der Aus­ wahlschalter 11 ₃, 12 ₃, . . . 1n₃ und der zweiten Dioden 11 ₄, 12 ₄, . . . 1n₄ können als ein Multiplexer angesehen oder realisiert werden, unter dessen Steuerung ausgewählte piezoelektrische Elemente gleichzeitig und/oder in beliebiger Reihenfolge nacheinander geladen und/oder entladen werden können.

Das Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ erfolgt dem Wesen nach wie das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements 1 gemäß Fig. 1. D.h., zum Laden wird der Halbleiterschalter 3 geschlossen, und zum Entladen wird die Strombegrenzungseinheit 4 entsprechend betätigt.

Welches bzw. welche der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ bei geschlossenem Halbleiterschalter 3 geladen wer­ den, wird durch die Auswahlschalter 11 ₃, 12 ₃ . . . 1n₃ bestimmt; es werden jeweils all diejenigen piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ geladen, deren Auswahlschalter 11 ₃, 12 ₃, . . . 1n₃ während des Ladevorganges geschlossen sind.

Die Auswahl der zu ladenden piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ durch Schließen der zugeordneten Auswahlschalter 11 ₃, 12 ₃, . . . 1n₃ und das Aufheben der Auswahl durch Öffnen der betreffenden Schalter wird in der Regel außerhalb des Lade­ vorganges erfolgen; in bestimmten Fällen, z. B. wenn mehrere der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ gleichzeitig unterschiedlich stark aufgeladen werden sollen, kann das Öff­ nen und Schließen der Auswahlschalter 11 ₃, 12 ₃, . . . 1n₃ jedoch auch während des Ladevorganges erfolgen.

Die sich beim Laden der ausgewählten piezoelektrischen Ele­ mente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ einstellenden Vorgänge sind im wesent­ lichen identisch mit den sich beim Laden des piezoelektri­ schen Elements 1 gemäß Fig. 1 einstellenden Vorgängen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird diesbezüglich daher auf die entsprechenden Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen.

Das Entladen der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ erfolgt unabhängig von der Stellung der Auswahlschalter 11 ₃, 12 ₃, . . . 1n₃, denn der die Entladung der piezoelektrischen Ele­ mente bewirkende, im Entladestromkreis fließende Entladestrom kann über die den jeweiligen piezoelektrischen Elementen zu­ geordneten zweiten Dioden 11 ₄, 12 ₄, . . . 1n₄ fließen. Durch den Entladevorgang werden daher immer sämtliche vollständig oder teilweise geladenen piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ entladen.

Die sich beim Entladen der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ einstellenden Vorgänge sind im wesentlichen identisch mit den sich beim Entladen des piezoelektrischen Elements 1 gemäß Fig. 1 einstellenden Vorgängen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird diesbezüglich daher auf die entsprechen­ den Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Schaltung gemäß Fig. 2 ist in Fig. 3 gezeigt.

Die Schaltung gemäß Fig. 3 basiert auf der Schaltung gemäß der Fig. 2; einander entsprechende Elemente sind mit den selben Bezugszeichen bezeichnet. Im Unterschied zur Schaltung gemäß der Fig. 2 sind bei der Schaltung gemäß der Fig. 3 jedoch zwei, voneinander unabhängig (rückwirkungsfrei) arbei­ tende Ladestromkreise vorgesehen.

Der erste Ladestromkreis setzt sich dabei aus einer teilweise auch für einen zweiten Ladestromkreis genutzten Spannungs­ quelle (Batterie 5, Gleichspannungswandler 6, erste Schutz­ diode 8a, dem Kondensator 7 entsprechender erster Kondensator 7a), einem dem Halbleiterschalter 3 entsprechenden ersten Halbleiterschalter 3a, der Spule 2 und dem oder den die aus­ gewählten piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ enthal­ tenden Piezozweigen zusammen, welche wie in der Fig. 3 ge­ zeigt verschaltet sind; der zweite Ladestromkreis setzt sich aus einer teilweise auch für den ersten Ladestromkreis ge­ nutzten Spannungsquelle (Batterie 5, Gleichspannungswandler 6, zweite Schutzdiode 8b, dem Kondensator 7 entsprechender zweiter Kondensator 7b), einem dem Halbleiterschalter 3 ent­ sprechenden zweiten Halbleiterschalter 3a, der Spule 2 und dem oder den die ausgewählten piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ enthaltenden Piezozweigen zusammen, welche wie in der Fig. 3 gezeigt verschaltet sind.

Die Spannungsquelle für den ersten Ladestromkreis und die Spannungsquelle für den zweiten Ladestromkreis verwenden die Batterie 5 und den Gleichspannungswandler 6 gemeinsam. Auch die Spule 2 ist ein gemeinsamer Ladestromkreis-Bestandteil. Der zusätzliche Aufwand, der zur Bereitstellung mehrerer Ladestromkreise erforderlich ist, kann dadurch relativ gering gehalten werden.

Der erste Ladestromkreis und der zweite Ladestromkreis sind selektiv über deren Halbleiterschalter 3a und 3b unabhängig voneinander öffen- und schließbar. Das Vorsehen der Schutz­ dioden 8a, 8b verhindert dabei eine gegenseitige Beeinflus­ sung der Ladestromkreise.

Das Vorsehen mehrerer Ladestromkreise ist vorteilhaft, weil aufeinanderfolgende Ladevorgänge der selben oder unterschied­ licher piezoelektrischer Elemente nicht jeweils durch den selben Ladestromkreis erfolgen müssen, sondern abwechselnd durch verschiedene Ladestromkreise erfolgen können. Die Ver­ wendung verschiedener Ladestromkreise für aufeinanderfolgende Ladevorgänge ermöglicht ein stets gleich umfangreiches und schnelles Aufladen der zu ladenden piezoelektrischen Ele­ mente. Wäre (wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 und 2) nur ein einziger Ladestromkreis vorgesehen und müßten durch diesen in kurzen zeitlichen Abständen meh­ rere Ladevorgänge durchgeführt werden, so bestünde die Ge­ fahr, daß das Laden der piezoelektrischen Elemente zunehmend schwächer erfolgen würde, weil der als Pufferkondensator dienende Kondensator (Kondensator 7 bei den Schaltungen gemäß Fig. 1 und 2), welcher durch jeden Ladevorganges teilweise entladen wird, bis zum Beginn des nächsten Ladevorganges nicht wieder vollständig aufgeladen werden könnte.

Das Vorsehen mehrerer Ladestromkreise ermöglicht es, daß die­ ser Effekt selbst dann nicht auftritt, wenn die zeitlichen Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Ladevorgängen extrem kurz sind.

Die in der Fig. 3 gezeigte Anordnung läßt sich beispiels­ weise, aber bei weitem nicht ausschließlich bei der Ansteue­ rung von piezoelektrische Elemente als Stellglieder enthal­ tenden Kraftstoffeinspritzdüsen sehr vorteilhaft einsetzen. Der Verwendung der Schaltung nach Fig. 3 in Kombination mit Kraftstoffeinspritzdüsen ermöglicht nämlich die Durchführung von Vor- und Haupteinspritzungen, die mit minimalem zeitli­ chen Abstand aufeinanderfolgen.

Die sich bei einer derartigen Vor- und Haupteinspritzung ein­ stellenden Vorgänge sind in der später noch genauer beschrie­ benen Fig. 4 veranschaulicht.

Das Vorsehen mehrerer Ladestromkreise läßt sich auch ander­ weitig vorteilhaft nutzen. So kann dadurch alternativ oder zusätzlich erreicht werden, daß die zu ladenden piezoelektri­ schen Elemente in Abhängigkeit davon, durch welchen Lade­ stromkreis deren Ladung erfolgt, unterschiedlich umfangreich und/oder schnell geladen werden, wobei dieser Effekt durch einen unterschiedlichen Aufbau der jeweiligen Ladestrom­ kreise, eine unterschiedliche Dimensionierung der darin vor­ gesehenen Bauelemente und/oder eine unterschiedliche An­ steuerung der Ladestromkreise bewerkstelligt werden kann.

In der Fig. 4 sind Spannungsverläufe dargestellt, die sich einstellen, wenn eine piezoelektrische Elemente als Stell­ glieder enthaltende Kraftstoffeinspritzdüse, genauer gesagt eines der besagten piezoelektrischen Elemente durch die Schaltung gemäß Fig. 3 zur Durchführung einer Vorein­ spritzung und einer sich daran anschließenden Hauptein­ spritzung angesteuert wird; die gezeigten Spannungsverläufe sind das Ergebnis einer Simulation.

Die in der Fig. 4 dargestellten Kurven sind mit deren Meß­ größen repräsentierenden Symbolen versehen. Von den verwende­ ten Symbolen repräsentieren:
die sich am ersten Kondensator 7a einstellende Spannung,
◊ die sich an einem ausgewählten piezoelektrischen Element (einem oder mehreren der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁) einstellende Spannung, und
∇ die sich am zweiten Kondensator 7b einstellende Span­ nung.

Zur Durchführung einer Voreinspritzung und einer Hauptein­ spritzung müssen ein oder mehrere piezoelektrische Elemente in kurzem zeitlichen Abstand zwei mal geladen und entladen werden. Das die Voreinspritzung bewirkende Laden und Entladen erfolgt etwa im Bereich zwischen 0,05 und 0,3 ms (auf der Zeitachse der Fig. 4), und das die Haupteinspritzung bewir­ kende Laden und Entladen erfolgt etwa im Bereich zwischen 0,5 und 1,8 ms (auf der Zeitachse der Fig. 4).

Das zur Bewirkung der Voreinspritzung durchgeführte Laden er­ folgt durch den ersten Ladestromkreis, wohingegen das zur Be­ wirkung der Haupteinspritzung durchgeführte Laden durch den zweiten Ladestromkreis erfolgt.

Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, steigt die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung sowohl bei der Voreinspritzung als auch bei der Haupteinspritzung zu­ nächst (während des Ladevorgangs) steil an, ist dann (von Beendigung des Ladevorgangs an bis zum Beginn des Entlade­ vorgangs) mehr oder weniger lange konstant und fällt schließ­ lich (während des Entladevorgangs) wieder steil ab.

Während des der Voreinspritzung dienenden Ladevorgangs nimmt die sich am ersten Kondensator 7a einstellende Spannung ab, und während des der Haupteinspritzung dienenden Ladevorgangs nimmt die sich am zweiten Kondensator 7b einstellende Spannung ab. Ursache hierfür ist die teilweise Entladung der betreffenden Kondensatoren durch die jeweiligen Ladeströme in den Ladestromkreisen.

Die jeweiligen Kondensatorspannungen steigen beginnend mit dem Ende des jeweiligen Ladevorgangs wieder allmählich an (die jeweiligen Kondensatoren werden über den Gleichspannungswandler 6 wieder aufgeladen).

Durch die Verwendung der mehreren Ladestromkreise ist sicher­ gestellt, daß zum Laden jeweils ein Ladestromkreis verwendet werden kann, dessen Pufferkondensator (Kondensator 7a, 7b) im wesentlichen vollständig geladen ist; Ladestromkreise, deren Pufferkondensatoren noch nicht wieder voll aufgeladen sind, können bis zur im wesentlichen vollständigen Aufladung deren Pufferkondensatoren vor einer erneuten Verwendung frei­ gestellt bleiben.

Dadurch können die Voreinspritzung und die Haupteinspritzung auch bei einem sehr kurzen zeitlichen Abstand ohne gegen­ seitige Beeinflussung durchgeführt werden.

Die vorstehend beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente erweisen sich erkennbar in mehrfacher Hinsicht als vorteilhaft.

Den beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen ist gemeinsam, daß durch diese ein effizientes und für die piezoelektrischen Elemente schonendes Laden und Entladen derselben durchführbar ist.

Claims (10)

1. Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements (1; 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) unter Verwendung eines im wesentlichen als eine Induktanz wirkenden Elements (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Entladen des piezoelektri­ schen Elements zumindest teilweise über ein für den Entlade­ strom im wesentlichen als eine Resistanz wirkendes Element (4) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Element, das für den Entladestrom als eine Resistanz (4) wirkt, ein Element verwendet wird, dessen Resistanz vor oder während des Entladevorganges veränderbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß als Element, das für den Entladestrom als eine Resistanz (4) wirkt, eine Strombegrenzungseinheit oder ein Teil derselben verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Element, das für den Entlade­ strom als eine Resistanz (4) wirkt, ein Transistor verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß als Element (2), das als eine Induktanz wirkt, eine in einem oder mehreren Ladestromkreisen enthaltene Spule verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das oder die zu ladenden piezoelek­ trischen Elemente (1; 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) über Auswahlschalter (11 ₂, 11 ₃, 11 ₄;12 ₂,12 ₃,12 ₄; 1n₂, 1n₃, 1n₄) ausgewählt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Auswahlschalter (11 ₂, 11 ₃, 11 ₄;12 ₂,12 ₃,12 ₄; 1n₂, 1n₃, 1n₄) jeweils ein mit dem durch diesen auswählbaren piezoelek­ trischen Element (1; 11 ₁,12 ₁, . . . 1n₁) oder den durch diesen auswählbaren piezoelektrischen Elementen in Reihe geschalte­ ter MOS-FET verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ladestromkreis, über den ein zu ladendes piezoelektrische Element (1; 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) zu laden ist, selektiv aus mehreren Ladestromkreisen ausgewählt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vorhandenen Ladestromkreise regelmäßig oder unregelmäßig abwechselnd ausgewählt werden.

10. Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektri­ schen Elements (1; 11 ₁,v₁, . . . 1n₁) unter Verwendung eines im wesentlichen als eine Induktanz wirkenden Elements (2), dadurch gekennzeichnet, daß zum zumindest teilweisen Entladen des piezoelektrischen Elements ein für den Entladestrom im wesentlichen als eine Resistanz wirkendes Element (4) vorge­ sehen ist.