DE19927087A1 - Vorrichtung zum Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente - Google Patents

Vorrichtung zum Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente beschrieben. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die piezoelektrischen Elemente in jeweils ein oder mehrere piezoelektrische Elemente umfassende Gruppen unterteilt sind, welche unabhängig voneinander ladbar und entladbar sind; das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß vor dem Laden und Entladen festgelegt wird, welche von jeweils einen Teil der vorhandenen piezoelektrischen Elemente umfassenden Gruppen von piezoelektrischen Elementen vom Laden oder Entladen betroffen sein sollen. Dadurch können mehrere piezoelektrischen Elemente mit minimalem Aufwand unabhängig voneinander ge- und entladen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß den Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren gemäß den Oberbegriff des Patentanspruchs 7, d. h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen mehrerer piezo­ elektrischer Elemente.
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 an sie angelegten oder einer sich an ihnen einstellenden 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 Elemente, welche sich, wie vorstehend bereits angedeutet wurde, entsprechend dem jeweiligen Ladungszustand bzw. der sich daran einstellen­ den oder angelegten Spannung zusammenziehen und ausdehnen. Das Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements kann beispielsweise durch die in Fig. 5 gezeigte Anordnung erfol­ gen.
Das piezoelektrische Element, das es im betrachteten Beispiel zu laden gilt, ist in der Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 1 be­ zeichnet.
Wie aus der Fig. 5 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 und eine Parallelschaltung aus einem Ladeschalter 3 und einer Diode 4 mit dem zweiten Pol der Spannungsquelle und über die Spule 2 und eine Parallel­ schaltung aus einem Entladeschalter 5 und einer Diode 6 mit dem ersten Pol der Spannungsquelle verbunden ist.
Die Spannungsquelle wird durch ein kapazitive Eigenschaften aufweisendes Element, welches im betrachteten Beispiel ein (Puffer-)Kondensator 9 ist, gebildet. Der Kondensator 9 wird durch eine Batterie 7 (beispielsweise eine Kfz-Batterie) und einen dieser nachgeschalteten Gleichspannungswandler 8 gela­ den. Der Gleichspannungswandler 8 setzt die Batteriespannung (beispielsweise 12 V) in eine im wesentlichen beliebige an­ dere Gleichspannung um und lädt den Kondensator 9 auf diese Spannung auf.
Das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements 1 er­ folgt unter Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufweisenden Element (dem Kondensa­ tor 9) über ein induktive Eigenschaften aufweisendes Element, welches im betrachteten Beispiel die Spule 2 ist, zum piezo­ elektrischen Element oder umgekehrt.
Das Laden und das Entladen des piezoelektrischen Elements 1 erfolgen im betrachteten Beispiel getaktet. D. h., der Lade­ schalter 3 und der Entladeschalter 5 werden während des Lade- bzw. Entladevorganges wiederholt geschlossen und geöffnet. Die sich dabei einstellenden Verhältnisse werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 9 erläutert, von denen die Fig. 6 und 7 das Laden des piezoelektrischen Elements 1, und die Fig. 8 und 9 das Entladen des piezoelektrischen Elements 1 veranschaulichen.
Der Ladeschalter 3 und der Entladeschalter 5 sind, wenn und solange kein Laden oder Entladen des piezoelektrischen Ele­ ments 1 erfolgt, geöffnet. In diesem Zustand befindet sich die in der Fig. 5 gezeigte Schaltung im stationären Zustand. D. h., das piezoelektrische Element 1 behält seinen Ladungs­ zustand im wesentlichen unverändert bei, und es fließen keine Ströme.
Mit dem Beginn des Ladens des piezoelektrischen Elements 1 wird der Ladeschalter 3 wiederholt geschlossen und geöffnet; der Entladeschalter 5 bleibt hierbei geöffnet.
Beim Schließen des Ladeschalters 3 stellen sich die in der Fig. 6 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 1, dem Kondensator 9 und der Spule 2 bestehender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 6 durch Pfeile angedeuteter Strom iLE(t) fließt. Dieser Stromfluß be­ wirkt, daß in der Spule 2 Energie gespeichert wird. Der Ener­ giefluß in die Spule 2 wird dabei durch die positive Poten­ tialdifferenz zwischen dem Kondensator 9 und dem piezoelek­ trischen Element 1 bewirkt.
Beim kurz (beispielsweise einige µs) nach dem Schließen des Ladeschalters 3 erfolgenden Öffnen desselben stellen sich die in der Fig. 7 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 1, der Diode 6 und der Spule 2 bestehender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 7 durch Pfeile angedeuteter Strom iLA(t) fließt. Dieser Stromfluß be­ wirkt, daß in der Spule 2 gespeicherte Energie vollständig in das piezoelektrische Element 1 fließt. Entsprechend der Ener­ giezufuhr zum piezoelektrischen Element erhöhen sich die an diesem einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen. Nach erfolgtem Energietransport von der Spule 2 zum piezo­ elektrischen Element 1 ist wieder der vorstehend bereits erwähnte stationäre Zustand der Schaltung nach Fig. 1 er­ reicht.
Dann oder auch schon vorher oder auch erst später (je nach dem gewünschten zeitlichen Verlauf des Ladevorgangs) wird der Ladeschalter 3 erneut geschlossen und wieder geöffnet, wobei sich die vorstehend beschriebenen Vorgänge wiederholen. Durch das erneute Schließen und Öffnen des Ladeschalters 3 nimmt die im piezoelektrischen Element 1 gespeicherte Energie zu (die im piezoelektrischen Element bereits gespeicherte Ener­ gie und die neu zugeführte Energie summieren sich), und dem­ entsprechend nehmen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen zu.
Wiederholt man das beschriebene Schließen und Öffnen des Ladeschalters 3 eine Vielzahl von Malen, so steigen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements stufenweise an.
Wurde der Ladeschalter 3 eine vorbestimmte Anzahl von Malen geschlossen und geöffnet und/oder hat das piezoelektrische Element 1 den gewünschten Ladezustand erreicht, so wird das Laden des piezoelektrischen Elements durch Offenlassen des Ladeschalters 3 beendet.
Soll das piezoelektrische Element 1 wieder entladen werden, so wird dies durch ein wiederholtes Schließen und Öffnen des Entladeschalters 5 bewerkstelligt; der Ladeschalter 3 bleibt hierbei geöffnet.
Beim Schließen des Entladeschalters 5 stellen sich die in der Fig. 8 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 1 und der Spule 2 bestehender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 8 durch Pfeile angedeuteter Strom iEE(t) fließt. Dieser Stromfluß bewirkt, daß die im piezoelektrischen Element gespeicherte Energie (ein Teil der­ selben) in die Spule 2 transportiert wird. Entsprechend dem Energietransfer vom piezoelektrischen Element 1 zur Spule 2 nehmen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen ab.
Beim kurz (beispielsweise einige µs) nach dem Schließen des Entladeschalters 5 erfolgenden Öffnen desselben stellen sich die in der Fig. 9 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Ele­ ment 1, dem Kondensator 9, der Diode 4 und der Spule 2 beste­ hender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 9 durch Pfeile angedeuteter Strom iEA(t) fließt. Dieser Stromfluß bewirkt, daß in der Spule 2 gespeicherte Energie vollständig in den Kondensator 9 zurückgespeist wird. Nach erfolgtem Energietransport von der Spule 2 zum Kondensa­ tor 9 ist wieder der vorstehend bereits erwähnte stationäre Zustand der Schaltung nach Fig. 1 erreicht.
Dann oder auch schon vorher oder erst später (je nach dem ge­ wünschten zeitlichen Verlauf des Entladevorgangs wird der Entladeschalter 5 erneut geschlossen und wieder geöffnet, wo­ bei sich die vorstehend beschriebenen Vorgänge wiederholen. Durch das erneute Schließen und Öffnen des Entladeschalters 5 nimmt die im piezoelektrischen Element 1 gespeicherte Energie weiter ab, und dementsprechend nehmen die sich am piezoelek­ trischen Element einstellende Spannung und dessen äußere Ab­ messungen ebenfalls ab.
Wiederholt man das beschriebene Schließen und Öffnen des Ent­ ladeschalters 5 eine Vielzahl von Malen, so nehmen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements stufenweise ab.
Wurde der Entladeschalter 5 eine vorbestimmte Anzahl von Ma­ len geschlossen und geöffnet und/oder hat das piezoelektri­ sche Element den gewünschten Entladezustand erreicht, so wird das Entladen des piezoelektrischen Elements durch Offenlassen des Entladeschalters 5 beendet.
Auf die beschriebene Art und Weise können anstelle von nur einem piezoelektrischen Element auch eine Vielzahl von piezo­ elektrischen Elementen geladen und entladen werden.
Eine Schaltung, welche dies ermöglicht, ist in Fig. 10 dar­ gestellt. Die Schaltung gemäß Fig. 10 ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die in der Fig. 10 gezeigte Schaltung basiert auf der in der Fig. 5 gezeigten Schaltung; einander entsprechende Elemente sind mit den selben Bezugszeichen bezeichnet.
Der Hauptunterschied zwischen der Schaltung gemäß Fig. 5 und der Schaltung gemäß Fig. 10 besteht darin, daß anstelle des piezoelektrischen Elements 1 gemäß Fig. 5 eine Parallel­ schaltung aus einer Vielzahl (n) von Piezozweigen 11, 12, . . . ,1n vorgesehen ist, wobei jeder Piezozweig aus einer Reihenschaltung aus einem piezoelektrischen Element 11 1, 12 1, . . . 1n1 und einer Parallelschaltung aus einem Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 und einer Diode 11 3, 12 3 . . . , 1n3 besteht.
Weitere Unterschiede bestehen darin, daß die piezoelektri­ schen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1, genauer gesagt die diese enthaltenden Piezozweige 11, 12 . . . 1n nicht mehr direkt, sondern "nur" über einen Widerstand 33 mit Masse verbunden sind, und daß parallel zu dieser Anordnung eine Reihen­ schaltung aus einem Widerstand 31 und einer Parallelschaltung aus einem Stop-Schalter 32 und einer Diode 34 vorgesehen ist.
Der erste Widerstand 31, der Stop-Schalter 32, und die Diode 34 dienen dazu, die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 vollständig zu entladen (falls diese durch das "nor­ male" Entladen nicht vollständig entladen wurden). Der Stop- Schalter 32 wird vorzugsweise nach dem "normalen" Entladen (dem getakteten Entladen über den Entladeschalter 5) ge­ schlossen. Er schließt damit die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 über die Widerstände 31 und 33 kurz und sorgt so für das Entfernen von eventuell in den piezoelektrischen Elementen 11 1, 12 1, . . . 1n1 verbliebenen Restladungen.
Der zweite Widerstand 33 dient zur Messung der beim Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente fließenden Ströme.
Die Kenntnis dieser Ströme ermöglicht ein geregeltes Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente; insbesondere kann durch ein von der Größe der Ströme abhängendes Schließen und Öffnen des Ladeschalters 3 und des Entladeschalters 5 er­ reicht werden, daß der Ladestrom und der Entladestrom auf vorbestimmte Mittelwerte eingestellt werden und/oder vorbe­ stimmte Maximalwerte und/oder Minimalwerte nicht übersteigen bzw. unterschreiten.
Die Diode 34 verhindert das Auftreten negativer Spannungen an den piezoelektrischen Elementen, da diese hierdurch unter Um­ ständen zerstört werden können.
Die Auswahlschalter-Dioden-Paare in den einzelnen Piezo­ zweigen, d. h. der Auswahlschalter 11 2 und die Diode 11 3 im Piezozweig 11, der Auswahlschalter 12 2 und die Diode 12 3 im Piezozweig 12, und der Auswahlschalter 1n2 und die Diode 1n3 im Piezozweig in können durch elektronische Schalter mit parasitären Dioden wie beispielsweise MOS-FETs realisiert werden; die Dioden 11 3, 12 3 . . . 1n3 sind bei Realisierung der Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 durch MOS-FETs oder sonstige Schalter mit parasitären Dioden automatisch vorhanden.
Entsprechendes gilt auch für den Stop-Schalter 32 und die Diode 34.
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. 5. D. h., zum Laden wird der Ladeschalter 3 wiederholt geschlossen und geöffnet, und zum Entladen wird der Entladeschalter 5 wiederholt ge­ schlossen und geöffnet.
Welches bzw. welche der piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 beim wiederholten Schließen und Öffnen des Ladeschal­ ters 3 geladen werden, wird durch die Auswahlschalter 11 2, 12 2 . . . 1n2 bestimmt; es werden jeweils all diejenigen piezo­ elektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . 1n1 geladen, deren Auswahl­ schalter 11 2, 12 2 . . . 1n2 während des wiederholten Schließens und Öffnens des Ladeschalters 3 geschlossen sind.
Die Auswahl der zu ladenden piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 durch Schließen der zugeordneten Auswahlschalter 11 2, 12 2 . . . 1n2 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 2, 12 2 . . . 1n2 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 bei der Schaltung gemäß Fig. 5 einstellenden Vorgängen. Es haben auch die Fig. 6 und 7 und die darauf bezugnehmenden Erläuterungen Gültigkeit; ein­ ziger Unterschied ist, daß nicht das piezoelektrische Element 1, sondern eines oder mehrere der piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 geladen werden.
Das Entladen der piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 erfolgt unabhängig von der Stellung der zugeordneten Auswahl­ schalter 11 2, 12 2 . . . 1n2, denn der die Entladung der piezo­ elektrischen Elemente bewirkende Entladestrom kann über die den jeweiligen piezoelektrischen Elementen zugeordneten Dioden 11 3, 12 3, . . . 1n3 fließen. Durch den Entladevorgang werden daher 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 bei der Schaltung gemäß Fig. 5 einstellenden Vorgängen. Es haben auch die Fig. 8 und 9 und die darauf bezugnehmenden Erläuterungen Gültigkeit; einziger Unterschied ist, daß nicht das piezoelektrische Element 1, sondern die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 entladen werden.
Das Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente durch eine einzige Lade- und/oder Entladevorrichtung erweist sich als vorteilhaft, weil sich dadurch der zum Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente zu treibende Aufwand möglichst gering halten läßt.
Mitunter besteht jedoch die Notwendigkeit, daß mehrere der vorhandenen piezoelektrischen Elemente unabhängig voneinander geladen und/oder entladen werden müssen. Bei Verwendung der piezoelektrischen Elemente als Aktoren in Kraftstoff-Ein­ spritzdüsen ist dies beispielsweise der Fall, wenn während der Haupteinspritzung an einem ersten Zylinder gleichzeitig eine Voreinspritzung oder eine Nacheinspritzung an einem anderen Zylinder vorgenommen werden soll.
Dies ist insofern problematisch, weil sich die Haupt­ einspritzung und die Voreinspritzung bzw. die Nach­ einspritzung, genauer gesagt das diese bewirkende Laden und Entladen der jeweiligen piezoelektrischen Elemente in der Regel nicht gegenseitig beeinflussen dürfen.
Ein gänzlich unabhängig voneinander erfolgendes Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente kann durch die Vorrichtung gemäß Fig. 10 nicht oder jedenfalls nicht unter allen Umständen gewährleistet werden. So ist es beispiels­ weise nicht möglich, ein bestimmtes piezoelektrisches Element ohne Beeinflussung der restlichen piezoelektrischen Elemente zu entladen. Die Folge hiervon ist, daß Haupteinspritzung, Voreinspritzung und/oder Nacheinspritzung bei Verwendung der Vorrichtung gemäß Fig. 10 nicht gänzlich unabhängig vonein­ ander ausführbar sind, wodurch der betreffende Motor nicht unter allen Umständen optimal betrieben werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7 derart weiterzubilden, daß mehrere piezoelektrische Elemente mit minimalem Aufwand unabhängig voneinander lad- und entlad­ bar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 (Vorrichtung) bzw. die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 7 (Verfahren) bean­ spruchten Merkmale gelöst.
Demnach ist vorgesehen,
  • - daß die piezoelektrischen Elemente in jeweils ein oder meh­ rere piezoelektrische Elemente umfassende Gruppen unter­ teilt sind, welche unabhängig voneinander ladbar und ent­ ladbar sind (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 1), bzw.
  • - daß vor dem Laden und Entladen festgelegt wird, welche von jeweils einen Teil der vorhandenen piezoelektrischen Ele­ mente umfassenden Gruppen von piezoelektrischen Elementen vom Laden oder Entladen betroffen sein sollen (kennzeich­ nender Teil des Patentanspruchs 7).
Bei geeigneter Anzahl und Zusammensetzung der Gruppen von piezoelektrischen Elementen können sämtliche piezoelektri­ schen Elemente durch eine einzige Lade- und Entladevorrich­ tung unabhängig voneinander ge- und entladen werden.
Eine solche Vorgehensweise erweist sich selbst bei sehr vie­ len piezoelektrischen Elementen als unkritisch. Zwar können insbesondere dann, wenn verschiedene piezoelektrische Ele­ mente sehr kurz hintereinander ge- und/oder entladen werden müssen, Probleme auftreten. Solche Überschneidungen sind jedoch wegen der äußerst kurzen Lade- und Entladezeiten von piezoelektrischen Elementen relativ unwahrscheinlich und las­ sen sich bei Bedarf durch ein geringfügiges Verschieben der Lade- und/oder Entladezeitpunkte relativ problemlos hand­ haben.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter­ ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Figuren ent­ nehmbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der nachfolgend näher beschriebenen Anordnung zum Laden und Entladen mehre­ rer piezoelektrischer Elemente,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der nachfolgend näher beschriebenen Anordnung zum Laden und Entladen mehre­ rer piezoelektrischer Elemente,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der nachfolgend näher beschriebenen Anordnung zum Laden und Entladen mehre­ rer piezoelektrischer Elemente,
Fig. 4 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines ineinan­ der verschachtelten Ladens und Entladens von piezo­ elektrischen Elementen aus verschiedenen Gruppen von piezoelektrischen Elementen,
Fig. 5 eine herkömmliche Anordnung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements,
Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer ersten Ladephase (Ladeschalter 3 geschlossen) in der Schaltung nach Fig. 5 einstellenden Verhält­ nisse,
Fig. 7 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer zweiten Ladephase (Ladeschalter 3 wieder ge­ öffnet) in der Schaltung nach Fig. 5 einstellenden Verhältnisse,
Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer ersten Entladephase (Entladeschalter 5 ge­ schlossen) in der Schaltung nach Fig. 5 einstellen­ den Verhältnisse,
Fig. 9 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer zweiten Entladephase (Entladeschalter 5 wieder geöffnet) in der Schaltung nach Fig. 5 einstellenden Verhältnisse,
Fig. 10 eine herkömmliche Anordnung zum gleichzeitigen oder aufeinanderfolgenden Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente.
Die piezoelektrischen Elemente, deren Laden und Entladen im folgenden näher beschrieben wird, sind im betrachteten Bei­ spiel Stellglieder in Kraftstoff-Einspritzdüsen (insb esondere in sogenannten Common Rail Injektoren) von Brennkraftmaschi­ nen. Auf einen derartigen Einsatz der piezoelektrischen Ele­ mente besteht jedoch keinerlei Einschränkung; die piezoelek­ trischen Elemente können grundsätzlich in beliebigen Vorrich­ tungen für beliebige Zwecke eingesetzt werden.
Bei den nachfolgend beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zum Laden von piezoelektrischen Elementen erfolgt das Laden und Entladen dem Wesen nach wie bei der Anordnung gemäß Fig. 10.
Der Aufbau der nachfolgend näher beschriebenen (in den Fig. 1 bis 3 gezeigten) Anordnungen stimmt weitgehend mit dem Aufbau der Anordnung gemäß Fig. 10 überein. Mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnete Elemente entsprechen einander und werden zur Vermeidung von Wiederholungen nicht nochmals be­ schrieben; es wird auf die sich auf die Fig. 5 bis 10 be­ ziehenden Ausführungen verwiesen.
Im Gegensatz zu der in der Fig. 10 gezeigten Anordnung sind die mehreren piezoelektrischen Elemente jedoch auf jeweils ein oder mehrere piezoelektrische Elemente umfassende Gruppen (Bänke) verteilt, welche unabhängig voneinander ladbar und entladbar sind.
In den betrachteten (in den Fig. 1 bis 3 gezeigten) Aus­ führungsbeispielen der neuartigen Anordnung sind die vorhan­ denen piezoelektrischen Elemente auf zwei Gruppen von piezo­ elektrischen Elementen, nämlich eine erste Gruppe B1 und eine zweite Gruppe B2 verteilt. Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die vorhandenen piezoelektrischen Elemente auch auf beliebig viel mehr Gruppen aufgeteilt sein können.
Die erste Gruppe B1 umfaßt piezoelektrische Elemente 1 1 bis 1n1, und die zweite Gruppe B2 umfaßt piezoelektrische Ele­ mente 21 1 bis 2n1. Die Anzahl der piezoelektrischen Elemente, die in den einzelnen Gruppen enthalten sind, können unabhän­ gig voneinander frei gewählt werden.
Die piezoelektrischen Elemente sind Bestandteil von parallel verschalteten Piezozweigen 11 bis 1n (Gruppe B1) und 21 bis 2n (Gruppe B2), wobei die jeweiligen Piezozweige wie die Piezozweige 11, 12, . . . 1n der Anordnung gemäß Fig. 10 auf­ gebaut sind.
Die Gruppen B1 und B2 sind Bestandteil von parallel zueinan­ der verschalteten Schaltungsteilen, und, wie vorstehend be­ reits erwähnt wurde, unabhängig voneinander ladbar und ent­ ladbar, wobei das Laden und Entladen sämtlicher Gruppen durch eine einzige (für alle Gruppen und deren piezoelektrischen Elemente gemeinsame) Lade- und Entladevorrichtung erfolgt.
Die gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung ist im betrachte­ ten Beispiel identisch mit der Lade- und Entladevorrichtung gemäß Fig. 10, besteht also aus der Batterie 7, dem Gleich­ spannungswandler 8, dem Kondensator 9, dem Ladeschalter 3, der Diode 4, dem Entladeschalter 5, der Diode 6, und der Spule 2. Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß hinsichtlich des Aufbaus der gemeinsamen Lade- und Ent­ ladevorrichtung keine Einschränkungen bestehen. Es kann sich auch um eine beliebig anders aufgebaute und/oder arbeitende Lade- und Entladevorrichtung handeln.
Welche der Gruppen von piezoelektrischen Elementen durch die gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung jeweils geladen bzw. entladen wird, ist durch Gruppenauswahlschalter einstellbar. Bei den betrachteten Beispielen ist jeder Gruppe von piezo­ elektrischen Elementen ein solcher Gruppenauswahlschalter zugeordnet.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel der vorliegend näher betrachteten Anordnung sind diese Gruppen­ auswahlschalter mit den Bezugszeichen 42 (für die erste Gruppe B1) und 52 (für die zweite Gruppe B2) bezeichnet und zwischen der Spule 2 und den jeweiligen Gruppen B1 und B2 (den spulenseitigen Anschlüssen derselben) angeordnet.
Parallel zu den Gruppenauswahlschaltern sind Dioden 41 bzw. 51 vorgesehen. Diese Dioden 41 und 51 können, falls die Gruppenauswahlschalter als MOS-FETs realisiert werden, durch die parasitären Dioden derselben gebildet werden.
Die masseseitigen Anschlüsse der Gruppen B1 und B2 sind über den (dem Widerstand 33 gemäß Fig. 10 entsprechenden) Wider­ stand 33 mit Masse verbunden.
Auch der erste Widerstand 31, der Stop-Schalter 32 und die Diode 34 gemäß Fig. 10 sind in der Anordnung gemäß Fig. 1 enthalten; diese sind nunmehr jedoch zwischen dem gruppen­ schalterseitigen Anschluß der Spule 2 und Masse angeordnet.
Zwar sind der erste Widerstand 31, der Stop-Schalter 32, der zweite Widerstand 33, und die Diode 34 etwas anders angeord­ net als die mit diesen Bezugszeichen bezeichneten Elemente in Fig. 10, doch sind deren Funktion und Wirkungsweise iden­ tisch. Durch die veränderte Anordnung von erstem Widerstand 31, Stop-Schalter 32, zweitem Widerstand 33, und Diode 34 können diese Elemente als für alle Gruppen gemeinsame Ele­ mente benutzt werden.
Das Laden der Gruppen B1 bzw. B2, genauer gesagt der in die­ sen enthaltenen piezoelektrischen Elemente erfolgt auf die unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 10 beschriebene Art und Weise und ist unabhängig von der Stellung der Gruppen­ auswahlschalter 42 und 52.
Das Entladen der piezoelektrischen Elemente erfolgt ebenfalls auf die unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 10 beschrie­ bene Art und Weise; zum Entladen der piezoelektrischen Ele­ mente einer jeweiligen Gruppe muß jedoch der zugeordnete Gruppenauswahlschalter 42 und 52 geschlossen sein.
Bei geeigneter Anzahl von Gruppen und geeigneter Verteilung der vorhandenen piezoelektrischen Elemente auf die Gruppen können die piezoelektrischen Elemente unabhängig voneinander geladen und entladen werden.
Dies soll nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 4 anhand eines einfachen Beispiels erläutert werden.
Das Beispiel betrifft den Fall, daß während der Durchführung einer Haupteinspritzung an einem ersten Zylinder eine Vor- oder Nacheinspritzung an einem zweiten Zylinder durchgeführt werden soll, wobei die Haupteinspritzung zwischen t1 = 100 µs und t2 = 500 µs, und die Vor- oder Nacheinspritzung bei t3 = 300 µs erfolgen soll.
Dies läßt sich, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, problemlos bewerkstelligen, wenn das in der Kraftstoff- Einspritzdüse des ersten Zylinders enthaltene piezoelektri­ sche Element in der ersten Gruppe B1 von piezoelektrischen Elementen enthalten ist, und wenn das in der Kraftstoff- Einspritzdüse des zweiten Zylinders enthaltene piezoelektri­ sche Element in der zweiten Gruppe B2 von piezoelektrischen Elementen enthalten ist.
Es sei angenommen, daß das in der Kraftstoff-Einspritzdüse des ersten Zylinders enthaltene piezoelektrische Element das piezoelektrische Element 11 1, ist, und daß das in der Kraft­ stoff-Einspritzdüse des zweiten Zylinders enthaltene piezo­ elektrische Element das piezoelektrische Element 21 1 ist.
Die Fig. 4, unter Bezugnahme auf welche das Beispiel nun er­ läutert werden soll, zeigt in der oberen Hälfte Ansteuer­ signale zur Ansteuerung der Gruppenauswahlschalter 42 und 52, und in der unteren Hälfte die sich an den piezoelektrischen Elementen 11 1 und 21 1 einstellenden Spannungsverläufe.
Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, sind die piezoelektri­ schen Elemente 11 1 und 21 1 zunächst entladen, und die Gruppen­ auswahlschalter 42 und 52 geöffnet. Zum Zeitpunkt t = ca. 20 µs beginnt das Laden des piezoelektrischen Elements 11 1. Zu diesem Zeitpunkt wird das betreffende piezoelektrische Ele­ ment durch Schließen des Auswahlschalters 11 2 zum Laden aus­ gewählt, und gleichzeitig wird damit begonnen, den Lade­ schalter 3 wiederholt zu schließen und zu öffnen, wodurch das piezoelektrische Element 11 1 wie in der unteren Hälfte der Fig. 4 veranschaulicht geladen wird. Zum vorstehend bereits erwähnten Zeitpunkt t1 = 100 µs hat das piezoelektrische Ele­ ment 11 1 den zur Kraftstoffeinspritzung erforderlichen Lade­ zustand erreicht, und das Laden kann beendet werden. Hierzu werden das wiederholte Schließen und Öffnen des Ladeschalters 3 beendet sowie der Auswahlschalter 11 2 geöffnet. Die Anord­ nung befindet sich danach im stationären Zustand. D. h., es erfolgt weder ein Laden noch ein Entladen von piezoelektri­ schen Elementen, und die piezoelektrischen Elemente behalten ihren Zustand im wesentlichen unverändert bei. Zum Zeitpunkt t = ca. 200 µs beginnt das Laden des piezoelektrischen Ele­ ments 21 1. Zu diesem Zeitpunkt wird das betreffende piezo­ elektrische Element durch Schließen des Auswahlschalters 21 2 zum Laden ausgewählt, und gleichzeitig wird damit begonnen, den Ladeschalter 3 wiederholt zu schließen und zu öffnen, wodurch das piezoelektrische Element 21 1 wie in der unteren Hälfte der Fig. 4 veranschaulicht geladen wird. Zum vor­ stehend bereits erwähnten Zeitpunkt t3 = 300 µs hat das piezoelektrische Element 21 1 den zur Kraftstoffeinspritzung erforderlichen Ladezustand erreicht, und das Laden kann been­ det werden. Hierzu werden das wiederholte Schließen und Öff­ nen des Ladeschalters 3 beendet sowie der Auswahlschalter 21 2 geöffnet. Die Anordnung befindet sich danach wieder im stationären Zustand. D. h., es erfolgt weder ein Laden noch ein Entladen von piezoelektrischen Elementen, und die piezo­ elektrischen Elemente behalten ihren Zustand im wesentlichen unverändert bei. Einige µs später kann die durch das Laden des piezoelektrischen Elements 21 1 begonnene Vor- oder Nach­ einspritzung beendet, das piezoelektrische Element 21 1 also wieder entladen werden. Hierzu wird der zweite Gruppen­ auswahlschalter 52 geschlossen, und gleichzeitig wird damit begonnen, den Entladeschalter 5 wiederholt zu schließen und zu öffnen, wodurch das piezoelektrische Element 21 1 wie in der unteren Hälfte der Fig. 4 veranschaulicht entladen wird. Zum Zeitpunkt t = ca. 400 µs ist das piezoelektrische Element 21 1 entladen, und das Entladen kann beendet werden. Hierzu werden das wiederholte Schließen und Öffnen des Entlade­ schalters 5 beendet sowie der Gruppenauswahlschalter 52 ge­ öffnet. Die Anordnung befindet sich danach wieder im stationären Zustand. D. h., es erfolgt weder ein Laden noch ein Entladen von piezoelektrischen Elementen, und die piezo­ elektrischen Elemente behalten ihren Zustand im wesentlichen unverändert bei. Weil der erste Gruppenauswahlschalter 42 während des Entladens des piezoelektrischen Elements 21, ge­ öffnet war, hat das Entladen des piezoelektrischen Elements 21 1 keinen Einfluß auf das piezoelektrische Element 11 1. Die­ ses bleibt geladen, so daß die dadurch bewirkte Haupt­ einspritzung weiter andauert. Zum vorstehend bereits erwähn­ ten Zeitpunkt t2 = 500 µs soll die Haupteinspritzung beendet, das piezoelektrische Element 11 1 also wieder entladen werden. Hierzu wird der erste Gruppenauswahlschalter 42 geschlossen, und gleichzeitig wird damit begonnen, den Entladeschalter 5 wiederholt zu schließen und zu öffnen, wodurch das piezo­ elektrische Element 11 1 wie in der unteren Hälfte der Fig. 4 veranschaulicht entladen wird. Zum Zeitpunkt t = ca. 600 µs ist das piezoelektrische Element 11 1 entladen, und das Ent­ laden kann beendet werden. Hierzu werden das wiederholte Schließen und Öffnen des Entladeschalters 5 beendet sowie der Gruppenauswahlschalter 42 geöffnet. Die Anordnung befindet sich danach wieder im stationären Zustand. D. h., es erfolgt weder ein Laden noch ein Entladen von piezoelektrischen Elementen, und die piezoelektrischen Elemente behalten ihren Zustand im wesentlichen unverändert bei.
Die vorstehenden Erläuterungen machen deutlich, daß die vor­ handenen piezoelektrischen Elemente durch eine geeignete Auf­ teilung auf mehrere Gruppen von piezoelektrischen Elementen unabhängig voneinander geladen und entladen werden können.
Zwar ist es nicht gänzlich ausgeschlossen, daß für einen optimalen Betrieb der die mehreren piezoelektrischen Elemente enthaltenen Vorrichtung sich zeitlich überschneidende Lade- und/oder Entladevorgänge erforderlich wären. Solche Über­ schneidungen sind jedoch wegen der äußerst kurzen Lade- und Entladezeiten von piezoelektrischen Elementen relativ un­ wahrscheinlich und lassen sich bei Bedarf durch ein gering­ fügiges Verschieben eines oder mehrerer Lade- und/oder Entladezeitpunkte relativ problemlos handhaben.
Der Aufbau einer Anordnung zum wie beschrieben oder ähnlich erfolgenden Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente ist jedoch nicht auf den in der Fig. 1 gezeigten Aufbau beschränkt. Es dürfte einleuchten, daß hierzu eine große Anzahl von mehr oder weniger gleichwertigen Alter­ nativen existiert. Zwei dieser möglichen Alternativen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 be­ schrieben.
Bei der Anordnung gemäß der Fig. 2 sind die mit den Bezugs­ zeichen 61 (für die erste Gruppe B1) und 71 (für die zweite Gruppe B2) bezeichneten Gruppenauswahlschalter zwischen den jeweiligen Gruppen B1 bzw. B2 und dem Widerstand 33 vorgese­ hen. Genauer gesagt sind
  • - die masseseitigen Verbindungen zwischen den Auswahlschal­ tern 11 2 . . . 1n2 bzw. 21 2 . . . 2n2 und den Dioden 11 3. . . 1n3 bzw. 21 3 . . . 2n3 der jeweiligen Piezozweige 11 . . . 1n bzw. 21 . . . 2n aufgetrennt,
  • - die Auswahlschalter 11 2 . . . 1n2 bzw. 21 2 . . . 2n2 einer je­ weiligen Gruppe aber nach wie vor masseseitig miteinander und über den Widerstand 33 mit Masse verbunden, und
  • - die Dioden 11 3 . . . 1n3 bzw. 21 3. . . 2n3 einer jeweiligen Gruppe ebenfalls nach wie vor miteinander verbunden und über die erwähnten Gruppenauswahlschalter 61 bzw. 71 und den Widerstand 33 mit Masse verbunden.
Ansonsten herrscht Übereinstimmung mit der Anordnung gemäß Fig. 1.
Die Anordnung gemäß Fig. 2 hat die selbe Funktion und Wir­ kungsweise wie die Anordnung gemäß Fig. 1. Sie (die Anord­ nung gemäß Fig. 2) läßt sich allerdings mit geringerem Auf­ wand und variantenreicher betreiben. Mit geringerem Aufwand, weil die Gruppenauswahlschalter 61 und 71 nur geschlossen werden müssen, wenn sämtliche piezoelektrischen Elemente einer jeweiligen Gruppe gleichzeitig entladen werden sollen. Variabler, weil nicht jeweils alle piezoelektrischen Elemente einer Gruppe entladen werden müssen, sondern alternativ auch einzelne piezoelektrische Elemente aus einer oder mehreren Gruppen entladen werden können (durch Offenlassen des zu­ geordneten Gruppenauswahlschalters 61 bzw. 71 und Schließen der den zu löschenden piezoelektrischen Elementen zugeordne­ ten Auswahlschalter 11 2 . . . 1n2 und 21 2 . . . 2n2).
Die Anordnung gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der Anord­ nung gemäß Fig. 1 dadurch, daß die in der Fig. 1 mit den Bezugszeichen 41, 42 bzw. 51, 52 und in der Fig. 3 mit den Bezugszeichen 81, 82 bzw. 91, 92 bezeichneten Gruppenauswahl­ schalter/Dioden-Paare zwischen dem masseseitigen Anschluß der jeweiligen Gruppen B1 bzw. B2 und dem Widerstand 33 vorgese­ hen sind.
Der Aufbau hat gegenüber der Anordnung gemäß Fig. 2 den Vorteil, daß sämtliche Schalter der Anordnung durch Schalter mit integrierter antiparalleler Diode, also beispielsweise MOS-FETs mit parasitären Dioden realisiert werden können; der dadurch mögliche Verzicht auf das Vorsehen von diskreten Dioden spart Bauraum und Kosten.
Durch ein wie beschrieben erfolgendes Laden und Entladen las­ sen sich mehrere piezoelektrische Elemente mit minimalem Auf­ wand unabhängig voneinander laden und entladen.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Laden und Entladen mehrerer piezoelek­ trischer Elemente (11 1 . . . 1n1, 21 1 . . . 2n1), dadurch gekenn­ zeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente in jeweils ein oder mehrere piezoelektrische Elemente umfassende Gruppen (B1, B2) unterteilt sind, welche unabhängig voneinander lad­ bar und entladbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen (B1, B2) von piezoelektrischen Elementen Bestand­ teil von parallel zueinander verschalteten Schaltungsteilen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß den Gruppen (B1, B2) von piezoelektrischen Elementen jeweils ein Gruppenauswahlschalter (42, 52; 61, 71; 82, 92) zugeordnet ist, über welchen auswählbar ist, welche Gruppe vom Laden oder Entladen betroffen sein soll.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung (2 bis 8) zum Laden und Entladen der Gruppen (B1, B2) von piezoelektrischen Elementen ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (11 1 . . . 1n1, 21 1 . . . 2n1) der jeweiligen Gruppen (B1, B2) von piezoelektrischen Elemente unabhängig voneinander einzeln ladbar oder entladbar sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente . . . 1n1, 21 1 . . . 2n1) der jeweiligen Gruppen (B1, B2) von piezo­ elektrischen Elementen nur gemeinsam entladbar sind.
7. Verfahren zum Laden und Entladen mehrerer piezoelektri­ scher Elemente (11 1 . . . 1n1, 21 1 . . . 2n1), dadurch gekennzeich­ net, daß vor dem Laden und Entladen festgelegt wird, welche von jeweils einen Teil der vorhandenen piezoelektrischen Elemente umfassenden Gruppen (B1, B2) von piezoelektrischen Elementen vom Laden oder Entladen betroffen sein sollen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Laden und Entladen nur einzelne oder mehrere piezo­ elektrische Elemente . . . 1n1, 21 1 . . . 2n1) innerhalb der vom Laden oder Entladen betroffenen Gruppen (B1, B2) von piezoelektrischen Elementen geladen oder entladen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Entladen jeweils alle piezoelektrischen Elemente . . . 1n1, 21 1 . . . 2n1) der vom Entladen betroffenen Gruppen (B1, B2) von piezoelektrischen Elementen entladen werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nur jeweils piezoelektrische Elemente (11 1 . . . 1n1, 21 1 . . . 2n1) einer Gruppe von piezoelektrischen Elementen gleichzeitig geladen oder entladen werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Laden oder Entladen einer Gruppe (B1, B2) von piezoelektrischen Elementen verschoben wird, wenn es zu zeitlichen Überschneidungen mit dem Laden oder Entladen einer anderen Gruppe (B1, B2) von piezoelektrischen Elementen kommen würde.
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