DE19958262A1

DE19958262A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufladen eines piezoelektrischen Aktors

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Publication number: DE19958262A1
Application number: DE19958262A
Authority: DE
Inventors: Eric Chemisky; Andreas Kappel; Lhoussain Malki; Hans Prof Dr Meixner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-12-03
Filing date: 1999-12-03
Publication date: 2001-07-05
Anticipated expiration: 2019-12-04
Also published as: DE19958262B4

Abstract

Das Aufladen eines piezoelektrischen Aktors wird in der Weise optimiert, daß die Aufladung gemäß einer Referenzkurve in mehreren Schritten durchgeführt wird, wobei nach jedem Schritt die am Aktor anliegende Spannung gemessen wird und mit der entsprechenden Spannung der Referenzkurve verglichen wird. Aus der Spannungsabweichung wird die dem Aktor zuzuführende Energie berechnet. Aus der berechneten Energie wird eine Aufladezeit bestimmt, mit der der Aktor auf die nächste Spannungsstufe aufgeladen wird. Diese Vorgehensweise verbessert die Auslenkungsdynamik des piezoelektrischen Aktors, der vorzugsweise in einem Einspritzventil eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen eines pie zoelektrischen Aktors gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1 und eine Vorrichtung zum Aufladen eines piezoelek trischen Aktors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.

Piezoelektrische Aktoren werden in den verschiedensten tech nischen Gebieten eingesetzt, um eine schnelle und präzise Steuerung eines Stellgliedes zu erreichen. Vorzugsweise die nen piezoelektrische Aktoren in der Kraftfahrzeugtechnik zum Steuern eines Einspritzventils, mit dem Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine eingespritzt wird.

Es ist beispielsweise eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufladen eines piezoelektrischen Aktors eines Einspritzven tils bekannt, bei dem der piezoelektrische Aktor mittels ei ner Umschwing-Endstufe, die im wesentlichen aus einem LC- Schwingkreis aufgebaut ist, aufgeladen wird. Der piezoelek trische Aktor wird dabei abhängig von seiner Kapazität ge steuert mit der im LC-Schwingkreis gespeicherten Energie auf geladen. Die Kapazität des piezoelektrischen Aktors ist je doch temperaturabhängig, so daß die Aufladung nicht immer op timal erfolgt.

Weiterhin werden nach dem bekannten Verfahren grundsätzlich Spannungen mit nicht einstellbaren, sinusförmigen Kurven er zeugt. Es hat sich gezeigt, daß diese Spannungskurven am Ak tor hinsichtlich einer Geräuschabstrahlung nicht optimal sind, da die Impedanz des Aktors unter anderem in der Nähe der Frequenz der ansteuernden Sinuswelle eine Resonanz zeigt.

Die Aufgabe der Erfindung beruht darin, ein Verfahren bereit zustellen, das ein definiertes Aufladen des Aktors unabhängig von Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Aktors er möglicht.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des An spruchs 1 bzw. 7 gelöst.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Aktor unab hängig von Temperatureinflüssen oder einer alterungsbedingten Änderung seiner Kapazität auf eine definierte Spannung aufge laden wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß das Aufladen des Aktors mit verschiedenen Spannungsverläufen möglich ist. Dies bietet den Vorteil, daß ein optimierter Spannungsverlauf ge wählt werden kann, der negative Auswirkungen, wie z. B. eine starke Geräuschabstrahlung, verhindert. Weiterhin kann durch einen optimierten Aufladevorgang die Bewegungscharakteristik des Aktors optimiert werden.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Es hat sich insbesondere bei Einspritzventilen gezeigt, mit denen der piezoelektrische Aktor über eine mechanische Über setzungseinrichtung ein Stellglied ansteuert, daß es vorteil haft ist, den Aktor nicht in einem einzigen Aufladevorgang, sondern in mehreren, mindestens zwei Aufladevorgängen auf die vorgegebene Spannung aufzuladen. Dies bietet den Vorteil, daß die Längenänderung des piezoelektrischen Aktors mit einer ge ringeren Dynamik erfolgt und somit die mechanische Überset zung und das Stellglied einer geringeren mechanischen Bela stung ausgesetzt sind.

Vorteilhaft ist es, eine Referenzkurve für den Aufladevorgang des Aktors abzulegen und anhand dieser den Aufladevorgang zu regeln. Diese Vorgehensweise bietet ein einfaches und genaues Regelungsverfahren zum Aufladen des piezoelektrischen Aktors.

Eine weitere Optimierung der Dynamik des sich auslenkenden piezoelektrischen Aktors wird dadurch erreicht, daß die Span nungserhöhung während des Aufladens des piezoelektrisches Ak tors in mehreren Stufen erfolgt, wobei mit der Anzahl der Stufen die jeweilige Spannungserhöhung reduziert wird.

Besonders vorteilhaft ist es, den Aufladevorgang des piezo elektrischen Aktors in Abhängigkeit von der Energie zu steu ern, die für die jeweilige Erhöhung der Spannung dem piezo elektrischen Aktor zugeführt werden muß. Dies bietet den Vor teil, daß neben der Spannung auch die Kapazität des piezo elektrischen Aktors berücksichtigt wird.

Ein relativ einfaches Verfahren zum Aufladen des piezoelek trischen Aktors wird dadurch erreicht, daß der Aufladevorgang über die Ladezeit des Aktors gesteuert wird. Die Ladezeit bietet den Vorteil, daß sie mit Hilfe eines schnellen Schal ters präzise vorgegeben werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es, bei der Verwendung einer Induk tivität zum Aufladen des piezoelektrischen Aktors, die Induk tivität außerhalb der Sättigung zu betreiben, um eine Verän derung der elektrischen Parameter der Schaltungsanordnung zu vermeiden. In einfacher Weise wird dies dadurch erreicht, daß die Induktivität nach einem Ladevorgang erst dann wieder be stromt wird, wenn der Strom durch die Induktivität auf einen Wert um 0 Ampere gesunken ist und der Ladestrom unterhalb ei ner vorgegebenen Sättigungsgrenze liegt.

Weiterhin ist es vorteilhaft, einen elektrischen Anschluß des piezoelektrischen Aktors mit der Aufladeschaltung zu verbin den und den zweiten elektrischen Anschluß des piezoelektri schen Aktors auf die gleiche Spannungshöhe zu legen, mit der auch die Aufladeschaltung mit Strom versorgt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher er läutert:

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Aufladen eines piezo elektrischen Aktors,

Fig. 2 einen Verfahrensablauf zum Aufladen des piezoelektri schen Aktors,

Fig. 3 ein Meßdiagramm über einen Spannungs- und Stromver lauf während eines Aufladevorgangs, und

Fig. 4 ein Einspritzventil mit einem piezoelektrischen Ak tor.

Fig. 1 zeigt eine Spannungsquelle 1, die über einen ersten Widerstand 2 an einen ersten Knotenpunkt 21 angeschlossen ist. An den ersten Knotenpunkt 21 ist ein Kondensator 3 ange schlossen, dessen zweiter Anschluß mit Masse verbunden ist. Der erste Knotenpunkt 21 ist über eine Spule 4 mit einem zweiten Knotenpunkt 20 verbunden. An den zweiten Knotenpunkt ist vorzugsweise ein zweiter Kondensator 74 angeschlossen, der mit seinem zweiten Anschluß mit Masse verbunden ist. Der zweite Kondensator 74 dient zur Begrenzung der Stromspitzen, ist vorzugsweise als Folienkondensator ausgebildet und weist einen geringen Übergangswiderstand auf. Der zweite Knoten punkt 20 ist über eine Diode 5 an einen dritten Knotenpunkt 22 angeschlossen. An den dritten Knotenpunkt 22 ist ein er ster Anschluß des piezoelektrischen Aktors 6 geführt. Der zweite Anschluß des piezoelektrischen Aktors 6 steht mit der Spannungsquelle 1 in Verbindung. Der piezoelektrische Aktor stellt in Bezug auf seine elektrischen Eigenschaften eine Ka pazität dar. Die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors ist nahezu direkt proportional zur angelegten Spannung. Zudem be einflußt auch die Art und Weise der Spannungserhöhung die Dy namik der Auslenkung des Aktors. Deshalb ist es besonders vorteilhaft, den Aufladevorgang des Aktors nach einer vorge gebenen Referenzkurve zu regeln. Die Referenzkurve wurde in vorhergehenden Versuchen optimiert.

An dem dritten Knotenpunkt 22 ist eine Spannungsmeßeinrich tung 12 angeschlossen, deren Ausgang zu einer Steuereinheit 11 geführt ist. Die Steuereinheit 11 ist zudem an einen Da tenspeicher 14 angeschlossen. Weiterhin ist die Steuereinheit 11 an eine Strommeßeinrichtung 13 angeschlossen. Die Steuer einheit 11 verfügt über einen ersten Steueranschluß 15, der mit einem nicht dargestellten Steuergerät in Verbindung steht. Der Ausgang der Steuereinheit 11 führt zu einer Ver stärkerstufe 10, deren Ausgang mit einem Steueranschluß, d. h. mit dem Basis-Anschluß eines Transistors 7 verbunden ist. Der Transistor 7 ist vorzugsweise als IGBT-Typ ausgebildet. Der Kollektoranschluß des Transistors 7 ist an den zweiten Kno tenpunkt 20 angeschlossen. Der Emitter-Anschluß des Transi stors 7 ist über einen zweiten Widerstand 8 an Masse ange schlossen. Weiterhin ist der Eingang der Strommeßeinrichtung 13 an den Emitter-Anschluß des Transistors 7 angeschlossen.

Der Steueranschluß des ersten Transistors 7 ist über eine Parallelschaltung eines dritten Widerstandes 73 mit einer zweiten Diode 9 mit der Verstärkerstufe 10 verbunden. Die Verwendung der zweiten Diode 9 erlaubt es, den ersten Transi stor 7 schnell auszuschalten.

Die Verstärkerstufe 10 ist in der Weise ausgelegt, daß die Ausschaltzeit des ersten Transistors 7 minimiert ist und vor zugsweise kleiner als 1 µs ist. Vorzugsweise wird eine Push- Pull-Endstufe verwendet, wie in Fig. 1a dargestellt ist.

Die Push-Pull-Endstufe besteht aus einem Operationsverstärker 70 und einer Parallelschaltung aus einem dritten und vierten Transistor 71, 72. Der dritte Transistor 71 ist ein npn- Transistor und der vierte Transistor 72 ist ein pnp- Transistor. Der Steueranschlüsse des dritten und vierten Transistors 71, 72 sind mit dem Ausgang des Operationsverstär kers 70 verbunden. Die Emitteranschlüsse des dritten und des vierten Transistors sind mit der Parallelschaltung des drit ten Widerstandes 73 und der zweiten Diode 9 verbunden. Der Kollektoranschluß des vierten Transistors 72 ist an Masse an geschlossen und der Kollektoranschluß des dritten Transistors 71 steht mit einer Versorgungsspannung, vorzugsweise mit dem Pluspol der Spannungsquelle 1 in Verbindung.

Zum Entladen der Kapazität Cp des piezoelektrischen Aktors 6 ist zwischen dem dritten und dem ersten Knotenpunkt 22, 21 ein Entladezweig angeschlossen. Den Entladezweig bilden ein zweiter Transistor 17, dessen Kollektoranschluß mit dem drit ten Knotenpunkt 23 verbunden ist. Der Steueranschluß 16, d. h. der Basis-Anschluß des zweiten Transistors 17 ist an das nicht dargestellte Steuergerät angeschlossen. Der Emitter- Anschluß des zweiten Transistors 17 steht über eine zweite Spule 19 mit dem ersten Knotenpunkt 21 in Verbindung. Zwi schen dem zweiten Transistor 17 und der zweiten Spule 19 ist eine dritte Diode 18 angeschlossen, die in Richtung auf Masse sperrt.

Der erste Transistor 7 und der zweite Transistor 17 stellen einen ersten und einen zweiten Schalter dar, die abhängig von der Ansteuerung einen Stromfluß über den ersten bzw. den zweiten Transistor 7, 17 ermöglichen. Wird der Steueranschluß 15, 16 des ersten oder zweiten Transistors 7, 17 nicht ange steuert, so ist der erste bzw. der zweite Schalter nicht lei tend und es fließt kein Strom über den ersten oder den zwei ten Transistor 7, 17. Weiterhin ist es vorteilhaft, die erste Diode 5 als schnelle Schaltdiode, vorzugsweise mit einer Schaltzeit kleiner als 50 ms und mit einer hohen Sperrspan nung auszubilden.

Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird im folgenden anhand des Programmablaufs nach Fig. 2 näher er läutert: Bei Programmpunkt 30 gibt das Steuergerät den Befehl zum Laden des piezoelektrischen Aktors 6. Dazu wird ein ent sprechendes Signal bei Programmpunkt 31 an den ersten Steuer anschluß 15 der Steuereinheit 11 mit einem High-Pegel und ein entsprechendes Signal bei Programmpunkt 32 an den Steueranschluß 16 des zweiten Transistors 17 gegeben, das einen Low- Pegel aufweist. Entsprechend der Ansteuerung ist der zweite Transistor 17 auf Sperren geschaltet. Die Steuereinheit 11 hingegen bekommt durch diese Ansteuerung das Signal, daß der piezoelektrische Aktor 6 aufgeladen werden soll.

Die Steuereinheit 11 überprüft dazu bei Programmpunkt 33, ob seit dem letzten Aufladen des piezoelektrischen Aktors eine gewisse Mindestzeit vergangen ist, damit der Kondensator 3 durch die Spannungsquelle 1 wieder aufgeladen ist. Die Min destzeit beträgt bei einer Bordspannung von typischerweise 12 Volt ungefähr 5 ms. Innerhalb dieser Mindestzeit wird der Kondensator 3 vom ersten Widerstand 2 langsam aufgeladen. Der Kondensator 3 dient als Zwischenspannungsquelle mit niedriger Ausgangsimpedanz. Somit erlaubt der Kondensator 3 sehr hohe Impulsströme, mit denen die Spule 4 durchflossen wird, so daß in der Spule 4 möglichst viel magnetische Energie gespeichert wird. Ist seit dem letzten Aufladen die Mindestzeit vergan gen, so überprüft die Steuereinheit 11 bei Programmpunkt 34, ob der Strom durch die Spule 4 auf einen vorgegebenen Wert gefallen ist. Vorzugsweise sollte der Wert bei 0 A liegen. Diese Überprüfung dient dazu, daß gewährleistet ist, daß die Spule 4 außerhalb der Sättigung betrieben wird, und somit eine Zerstörung oder Überlastung der Spule 4 und des ersten Transistors 7 vermieden wird. Ist der Wert des Stromes durch die Spule 4 unter dem vorgegebenen Wert, d. h. unter dem Sät tigungswert, so wird nach Programmpunkt 35 verzweigt. Der Programmpunkt 34 ist zur Ausbildung der Schaltungsanordnung nicht unbedingt notwendig und ist deshalb nur optional vorge sehen.

Bei Programmpunkt 35 bestimmt die Steuereinheit 11 die Lade zeit t_ON für den ersten Transistor 7. Dazu erfaßt die Steuer einheit 11 bei Programmpunkt 36 über die Spannungsmeßeinrich tung 12 die derzeit am piezoelektrischen Aktor 6 anliegende Spannung. Die anliegende Spannung wird mit der Spannung der Referenzkurve verglichen, die aus dem Datenspeicher 14 geholt wird. Dabei ist die Referenzspannung die Spannung, die am piezoelektrischen Aktor 6 nach dem Aufladevorgang anliegen soll. In dem vorliegenden Beispiel ist der piezoelektrische Aktor 6 in seiner Ausgangsposition und damit liegt eine Span nungsdifferenz von 0 V zwischen den zwei Anschlüssen des pie zoelektrischen Aktors 6 an. Die Referenzspannung beträgt für den ersten Aufladevorgang in diesem Beispiel 80 V. Somit muß bei diesem Aufladevorgang eine Spannungserhöhung am piezo elektrischen Aktor 6 von 80 V erreicht werden. Vorzugsweise wird die für die Spannungserhöhung benötigte Energie durch eine Berechnung bestimmt. Die Energie am piezoelektrischen Aktor zum Zeitpunkt t = n wird nach folgender Formel be stimmt:

wobei Ea die Energie im Aktor, Cp die Großsignalkapazität des Aktors und Un die Aktorspannung bezeichnet. Die Energie, die durch den Aufladevorgang auf den Aktor übertragen wird, wird nach folgender Formel berechnet:

wobei mit Et die Energie bezeichnet ist, die durch den Aufla devorgang zum Zeitpunkt n übertragen wird, η den Wirkungsgrad des Systems darstellt, L die Induktivität der Spule 4 und i_Max den maximalen Ladestrom bezeichnet. Der maximale Ladestrom i_Max wird nach folgender Formel berechnet:

wobei mit U die Spannung der Spannungsquelle 1, die vorzugs weise die Bordspannung eines Kraftfahrzeuges ist und vorzugs weise 42 Volt beträgt, und mit t_ON die Ladezeit bezeichnet ist, die der erste Transistor 7 geschlossen ist. Typischer weise beträgt die Spannung der Spannungsquelle 1 12 V, die Induktivität L 14 µH und der Wirkungsgrad η ungefähr 80%.

Die Energie, die sich zum Zeitpunkt n + 1 im Aktor befindet, wird nach folgender Formel bestimmt:

Zudem gilt die Beziehung:

Formel (5) Ea(n) + Et(n) = Ea(n + 1) (5)

Die Formeln (1) bis (5) ergeben:

Auf diese Weise berechnet die Steuereinheit 11 die Ladezeit t_ON für den Aufladevorgang, während der der erste Transistor 7 leitend ist.

Anschließend gibt die Steuereinheit 11 bei Programmpunkt 37 während der für diesen Aufladevorgang berechneten Aufladezeit ein Steuersignal an die Verstärkerstufe 10, die wiederum ent sprechend der vorgegebenen Aufladezeit den ersten Transistor 7 aufsteuert. Als Folge davon fließt vorwiegend vom dritten Kondensator 3 über die Spule 4 ein Strom durch den ersten Transistor 7, der über den zweiten Widerstand 8 nach Masse geführt wird. Durch die Anordnung des zweiten Kondensators 74 werden große Stromspitzen im Ladestrom geglättet.

Die Erfindung wird am Beispiel einer Schaltungsanordnung für ein Einspritzventil beschrieben. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die Anwendung in der Kraftfahrzeugtechnik bei Ein spritzventilen begrenzt, sondern kann in jedem Bereich der Technik zur Aufladung eines piezoelektrischen Aktors verwendet werden. Der Fachmann wird zudem die Dimensionierung der Bauelemente entsprechend den erforderlichen Gegebenheiten an passen.

Fig. 3 zeigt den Spannungs- und Stromverlauf der Schaltung während eines Aufladevorgangs. Dabei ist mit t_ON die Zeit be zeichnet, während der der erste Transistor 7 geschlossen ist. Mit t_OFF ist die Zeit bezeichnet, während der der erste Tran sistor 7 geöffnet ist. Der Strom durch die Spule 4 ist mit IL bezeichnet und in Ampere angegeben. Über dem Stromfluß der Spule 4 ist die Aktorspannung, d. h. der Spannungsabfall über die Kapazität des piezoelektrischen Aktors aufgetragen und mit Aktorspannung bezeichnet, die einen Wert von 0 V bis 160 V einnimmt. Der Wert von 160 V entspricht der maximalen Ak torspannung, bei der der Aktor auf seine maximal vorgegebene Länge sich ausgedehnt hat.

Aus Fig. 3 ist erkennbar, daß zum Zeitpunkt t1 der erste Transistor 7 geöffnet wird und folglich der Strom durch die Spule 4 linear ansteigt. Es ist erkennbar, daß während der erste Transistor 7 geöffnet ist, sich die Spannung am piezo elektrischen Aktor 6 nicht erhöht. Zum Zeitpunkt t2 schaltet die Steuereinheit 11 bei Programmpunkt 39 über die Verstär kerstufe 10 den ersten Transistor 7 ab. Die Zeitdifferenz zwischen t2 und t1 entspricht der zuvor berechneten Ein schaltzeit t_ON: t2 - t1 = t_ON. Das abrupte Abschalten des er sten Transistors 7, wobei der Abschaltvorgang vorzugsweise kürzer als 1 µs dauert, induziert eine Spannung am zweiten Knotenpunkt 20, die nach folgender Formel berechnet wird:

Ul = L1 . Di_L/dt

wobei mit L1 die Induktivität der Spule 4 und mit Di_L/dt die zeitliche Änderung des Stroms durch die Induktivität bezeich net ist, die durch den abrupten Abschaltvorgang sehr groß ist. Die in der Induktivität der Spule 4 gespeicherte magne tische Energie wird auf diese Weise in eine hohe Spannung um gewandelt, so daß ein Strom über die erste, leitend gewordene Diode 5 zur Kapazität Cp des piezoelektrischen Aktors 6 fließt. Fällt die Spannung nach dem Öffnen des ersten Transi stors 7 am dritten Knotenpunkt 22 unter die aktuelle Aktor spannung, so sperrt die erste Diode 5. Die während des Aufla devorgangs auf den piezoelektrischen Aktor 6 übertragene Energie müßte der Energie entsprechen, die zuvor von der Steuereinheit 11 für diesen Aufladevorgang berechnet wurde.

Anschließend mißt die Steuereinheit 11 bei Programmpunkt 40 über die Spannungsmeßeinrichtung 12 die am piezoelektrischen Aktor 6 anliegende Spannung. Die Steuereinheit 11 vergleicht die gemessene Spannung bei Programmpunkt 41 mit der Spannung, die durch den Aufladevorgang erreicht werden sollte. Liegt eine Abweichung vor, so wird der Koeffizient für den Wir kungsgrad η entsprechend erhöht oder erniedrigt. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß auch Änderungen im Wirkungsgrad des Systems berücksichtigt werden.

Anschließend überprüft die Steuereinheit bei Programmpunkt 42, ob die maximale Spannung für den piezoelektrischen Aktor erreicht wurde.

Wurde die maximale Spannung erreicht, so wird nach Programm punkt 50 verzweigt. Wurde die maximale Spannung nicht er reicht, so wird nach Programmpunkt 33 zurückverzweigt. In un serem Ausführungsbeispiel werden die Programmpunkte 33 bis 37 wieder durchlaufen und anschließend zum Zeitpunkt t3 der er ste Transistor 7 entsprechend Programmpunkt 38 wieder ge schlossen. Entsprechend der zuvor berechneten Einschaltzeit t_ON wird der erste Transistor 7 zum Zeitpunkt t4 wieder ge öffnet, so daß wieder die in der Spule 4 gespeicherte magne tische Energie in eine entsprechend hohe Spannung am zweiten Knotenpunkt 20 umgewandelt wird und damit wieder eine Span nungserhöhung am piezoelektrischen Aktor 6 erreicht wird.

Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis die maximale Span nung, in diesem Fall eine Spannungsdifferenz von 160 V, über dem piezoelektrischen Aktor 6 abfällt.

Dies wird bei Programmpunkt 42 wieder überprüft und bei vor liegender maximaler Spannung nach Programmpunkt 50 verzweigt.

Bei Programmpunkt 50 überprüft das Steuergerät, ob das Ein spritzventil ausreichend lang für eine Kraftstoffeinspritzung geöffnet war, d. h., ob über eine ausreichend lange Zeit die maximale Spannung am piezoelektrischen Aktor 6 anlag. Ist dies der Fall, so wird anschließend bei Programmpunkt 51 vom Steuergerät ein Low-Signal an die Steuereinheit 11 gegeben. Das Low-Signal zeigt der Steuereinheit 11 an, daß ein Entla devorgang des piezoelektrischen Aktors 6 gestartet wird. Wäh rend des Entladevorgangs steuert die Steuereinheit 11 die Verstärkerstufe 10 nicht an, so daß der erste Transistor 7 abgeschaltet bleibt. Gleichzeitig gibt das Steuergerät bei Programmpunkt 52 ein Steuersignal an den Steueranschluß 16 des zweiten Transistors 17, so daß der zweite Transistor 17 öffnet und ein Stromfluß vom dritten Knotenpunkt 22 zum er sten Knotenpunkt 21 erfolgt. Auf diese Weise wird der piezo elektrische Aktor 6 und damit die Kapazität Cp des piezoelek trischen Aktors 6 entladen. Der Entladevorgang wird im ein fachsten Fall mit einem einzigen Entladevorgang erreicht, so daß die Spannung am piezoelektrischen Aktor 6 von der maxima len Spannung auf 12 V absinkt. In einer bevorzugten Ausfüh rungsform wird die Entladung des piezoelektrischen Aktors 6 auch in mehreren Stufen durchgeführt, um auf diese Art und Weise auch die Dynamik der Kontraktion des piezoelektrischen Aktors 6 definiert zu steuern.

Für den Entladevorgang ist eine Entladezeit abgespeichert, während der das Steuergerät den zweiten Transistor 17 geöff net hält, so daß eine vollständige Entladung des piezoelek trischen Aktors 6 gewährleistet ist.

Nach dem Entladen des piezoelektrischen Aktors 6 schaltet das Steuergerät das Signal an den Steueranschluß 16 wieder auf ein Low-Signal, so daß der zweite Transistor 17 geöffnet ist und über den zweiten Transistor 17 vom dritten Knotenpunkt 22 zum ersten Knotenpunkt 21 kein Strom fließt.

Nach dem Entladen wird nach Programmpunkt 30 verzweigt und das Steuergerät wartet darauf, bis wieder eine Einspritzung durchgeführt werden soll und steuert dann entsprechend Pro grammpunkt 30 wieder die Steuereinheit 11 an.

In einer einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens wird auf die Spannungsmeßeinrichtung 12 verzichtet, so daß die Spannungserhöhung am piezoelektrischen Aktor nur nach einer vorgegebenen Referenzkurve gesteuert wird. Dabei wird jedoch vorzugsweise darauf geachtet, daß der Strom durch die Spule 4 jeweils auf 0 A absinkt, bevor ein neuer Auflade vorgang gesteuert wird. Dies wird vorzugsweise durch die Strommeßeinrichtung 13 gewährleistet, die am Emitteranschluß des ersten Transistors 7 ein Spannungssignal abgreift, das dem Strom durch die Spule 4 proportional ist.

Der erste und der zweite Transistor 7, 17 sind vorzugsweise als IGBT-Transistoren ausgebildet. Der erste und der zweite Transistor 7, 17 stellen schnelle Schalter dar. Ein Fachmann kann anstelle der in dem Ausführungsbeispiel verwendeten Transistoren jeden beliebigen Schalter verwenden, der schnell geschaltet werden kann. Dies ist insbesondere für den ersten Transistor 7 von Bedeutung, da die Höhe der am dritten Kno tenpunkt 22 auftretenden Spannung proportional zur zeitlichen Änderung des Stroms durch die Spule 4 ist und damit von der Ausschaltzeit des ersten Transistors 7 abhängt.

Für die Einschaltzeit ist dies beim ersten Transistor 7 weni ger von Bedeutung, da der Strom durch die Spule 4 mit der In duktivität L1 und über den zweiten Widerstand R2 relativ langsam und linear ansteigt. Die Einschaltzeit sollte jedoch relativ klein bemessen werden, um Verluste am ersten Transi stor 7, die z. B. durch Erwärmen erzeugt werden, klein blei ben.

Ein Vorteil der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 beruht darin, daß der zweite Anschluß des piezoelektrischen Aktors 6 auf dem positiven Potential ruht. Hierdurch ist es möglich, daß am piezoelektrischen Aktor 6 ein Spannungsabfall im Bereich von 0 bis 160 V erzeugt werden kann. Dies ist jedoch nur mög lich, indem die Schaltungsanordnung in der Weise ausgelegt ist, daß am dritten Knotenpunkt 22 eine Spannung von +172 V erzeugt werden kann.

Die Aufladezeiten hängen von der momentanen Abweichung der gemessenen Aktorspannung zu der gewünschten Aktorspannung ab, die der Referenzkurve entnommen ist. Ist die aktuelle Aktor spannung zu klein, muß dem Aktor eine größere Energie zuge führt werden. Dazu muß der Induktivitätsstrom durch die Spule 4 steigen, so daß eine längere Aufladezeit erforderlich ist. Vorzugsweise erfolgt die Aufladung des piezoelektrischen Ak tors in kleinen elementaren Ladevorgängen, die nahezu gleich lang sind. Für eine Aufladezeit von 100 µs, während der der piezoelektrische Aktor auf seine maximale Spannung aufgeladen wird, sind vorzugsweise 20 Aufladevorgänge vorgesehen. Bei jedem Aufladevorgang erfolgt der Regelprozeß für die Berech nung der nächsten Aufladezeit entsprechend dem Programm der Fig. 2.

Bevorzugte Werte für die Bauelemente der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 sind: R1 = 0,5 Ω, R2 = 0,05 Ω, C1 = 660 µF bei 25 V, Cp = 6 µF, t1 = BUP 304, L1 = 14 µH. Für den ersten und zweiten Transistor T1 und T2 = BUP 304 oder IGR40P30FD, D1 = BYR 29/800 (±40%).

Fig. 4 zeigt ein Einspritzventil 60 mit einem piezoelektri schen Aktor 61, der über ein Stellglied 67 mit einer Ein spritznadel 63 verbunden ist. In der Ruheposition liegt die Einspritznadel 63 auf einem Dichtsitz 64 auf und dichtet ei nen Kraftstoffkanal 65 ab. Der Kraftstoffkanal 65 steht über eine Zuleitung 66 mit einem Kraftstoffspeicher in Verbindung. Soll eine Einspritzung erfolgen, so gibt das Steuergerät ein Ansteuersignal an elektrische Leitungen 62 des piezoelektri schen Aktors 61. Der piezoelektrische Aktor 61 dehnt sich in Folge der Ansteuersignale aus, und schiebt damit die Ein spritznadel 63 nach unten vom Dichtsitz 64 ab. Somit wird ein ringförmiger Einspritzkanal geöffnet, über den Kraftstoff aus dem Kraftstoffkanal 65 in einen zugeordneten Brennraum einer Brennkraftmaschine entweichen kann.

Soll die Einspritzung nach einer vorgegebenen Einspritzzeit gestoppt werden, so schaltet das Steuergerät die Ansteuersi gnale ab. Als Folge davon zieht sich der piezoelektrische Ak tor 61 wieder zusammen und bewegt die Einspritznadel 63 nach oben, die dichtend am Ventilsitz 64 in Anlage gebracht wird.

Das Programm zur Steuerung der Einspritzung ist in einem Da tenspeicher abgelegt, der mit dem Steuergerät in Verbindung steht.

Claims

1. Verfahren zum Aufladen eines piezoelektrischen Aktors mit einer Spannungsquelle, dadurch gekennzeichnet,
daß die am Aktor (6) anliegende Spannung gemessen wird,
und daß das Aufladen des Aktors (6) auf eine vorgegebene Spannung in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (6) in mindestens zwei Aufladestufen auf die vorgegebe ne Spannung aufgeladen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß eine vorgegebene Referenzkurve für den Auf ladevorgang des Aktors (6) verwendet wird, daß die gemessene Spannung mit der Referenzkurve verglichen wird, daß aus dem Vergleich eine Spannungserhöhung ermittelt wird, und daß nach der ermittelten Spannungserhöhung das Aufladen des Aktors (6) gesteuert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß bei zwei nacheinander ausgeführten Auflade vorgängen beim ersten Aufladevorgang die Spannungserhöhung größer ist als die Spannungserhöhung, die beim folgenden Auf ladevorgang erreicht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß aus der gemessenen Spannung und der vorge gebenen Spannung die Energie berechnet wird, die dem Aktor (6) zugeführt werden muß, um die Spannung am Aktor (6) auf die gemessene Spannung zu erhöhen, und daß dem Aktor (6) die berechnete Energie zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus der berechneten Energie die Ladezeit (t1 on) des Aktors (6) berechnet wird, daß der Aktor (6) entsprechend der Ladezeit (t1 on) mit einem vorgegebenen Strom versorgt wird, daß für die Berechnung der Ladezeit ein Wirkungsgrad berücksichtigt wird, daß der Wirkungsgrad überprüft wird, wobei die bei ei nem Aufladevorgang zu erreichende Spannung mit der tatsäch lich nach dem Aufladevorgang am Aktor anliegenden Spannung verglichen wird, und daß bei einer Abweichung der Wirkungs grad für die Berechnung der nächsten Ladezeit korrigiert wird.

7. Vorrichtung zum Aufladen eines piezoelektrischen Aktors
mit einer Spannungsquelle (1), die an eine Serienschaltung aus einer Induktivität (4), ei ner Diode (5) und einem Aktor (6) angeschlossen ist,
mit einem Schalter (7), der zwischen der Induktivität (4) und der Diode (5) an die Serienschaltung angeschlossen ist, und über den die Serienschaltung mit Masse verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Spannungsmesser (12) vorgesehen ist, der mit dem Aktor (6) verbunden ist,
daß eine Steuereinheit (11) vorgesehen ist, die mit dem Span nungsmesser (12) verbunden ist,
daß die Steuereinheit (11) an den Schalter (7) angeschlossen ist,
daß die Steuereinheit (11) in Abhängigkeit von der am Aktor (6) anliegenden Spannung und einer vorgegebenen Spannung eine Schließzeit (t1 on) für den Schalter (7) ermittelt, und
daß die Steuereinheit (11, 10) den Schalter (7) während der ermittelten Schließzeit (t1 on) schließt und anschließend wieder öffnet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strommesseinrichtung (13) vorgesehen ist, die an den Stromfluß angeschlossen ist, der durch die Induktivität (4) fließt, daß die Strommesseinrichtung (13) mit der Steuerein heit (11) verbunden ist, und daß die Steuereinheit (11) den Schalter erst wieder schließt, wenn der Strom durch die Induktivität unter einen vorgegebenen Wert gesunken ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Spannungsquelle (1) eine Gleichspan nungsquelle darstellt, die über einen Widerstand (2) an die Induktivität (4) angeschlossen ist, und daß zwischen dem Wi derstand (2) und der Induktivität (4) ein Kondensator (3) ge schaltet ist, der mit Masse verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß der zweite Anschluß des Aktors (6) an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle (1) angeschlossen ist.