DE60011993T2

DE60011993T2 - Apparat und Methode für das Ermitteln einer Verringerung der Kapazität während des Antriebes von piezoelektrischen Elementen

Info

Publication number: DE60011993T2
Application number: DE60011993T
Authority: DE
Inventors: Johannes-Joerg Rueger; Udo Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-04-01
Filing date: 2000-04-01
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2020-04-02
Also published as: EP1138905A1; US20020030418A1; JP2002021676A; DE60011993D1; US6573637B2; EP1138905B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8, d. h. eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erkennen einer Lastabnahme beim Ansteuern piezoelektrischer Elemente. Solche Vorrichtungen und Verfahren sind aus DE 198 10 525 A bekannt.
Piezoelektrische Elemente können als Betätigungsglieder verwendet werden, da sie bekanntlich die Eigenschaft besitzen, sich als Funktion der daran angelegten oder darin auftretenden Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen.
Die praktische Implementierung solcher Betätigungsglieder unter Verwendung piezoelektrischer Elemente erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn die fraglichen Betätigungsglieder schnelle und/oder häufige Bewegungen durchführen müssen.
Die Verwendung piezoelektrischer Elemente als Betätigungsglieder erweist sich unter anderem in Kraftstoffeinspritzdüsen für Verbrennungsmotoren als vorteilhaft. Es wird zum Beispiel bezüglich der Verwendbarkeit piezoelektrischer Elemente in Kraftstoffeinspritzdüsen auf EP 0 371 469 B1 und auf EP 0 379 182 B1 verwiesen.
Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Elemente, die sich, wie oben bereits teilweise erwähnt wurde, gemäß dem bestimmten Ladungszustand bzw. der darin auftretenden oder daran angelegten Spannung zusammenziehen oder ausdehnen. Bei dem Beispiel einer Kraftstoffeinspritzdüse dient die Ausdehnung und Zusammenziehung piezoelektrischer Elemente zur Steuerung von Ventilen, die die linearen Hübe von Einspritznadeln manipulieren. Die Verwendung piezoelektrischer Elemente mit Ventilen mit zweifacher Wirkung und zweifachem Sitzen zur Steuerung entsprechender Einspritznadeln in einem Kraftstoffeinspritzsystem wird in den deutschen Anmeldungen DE 197 42 073 A1 und DE 197 29 844 A1 gezeigt.
Brennstoffeinspritzsysteme mit piezoelektrischen Elementen z. B. als Betätigungsglieder sind durch den Umstand gekennzeichnet, daß piezoelektrische Elemente in erster Annäherung eine proportionale Beziehung zwischen angelegter Spannung und der linearen Ausdehnung aufweisen. Zum Beispiel ist in einer Kraftstoffeinspritzdüse, die als zweifach wirkendes Ventil mit zweifachen Sitzen zur Steuerung des linearen Hubs einer Nadel zur Kraftstoffeinspritzung in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors implementiert ist, die Menge des in einen entsprechenden Zylinder eingespritzten Kraftstoffs eine Funktion der Öffnungsdauer des Ventils und im Fall der Verwendung eines piezoelektrischen Elements als Betätigungsglied der an das piezoelektrische Elemente angelegten Aktivierungsspannung.
1 ist eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem piezoelektrischen Element 2010 als Betätigungsglied. Unter Bezugnahme auf 1 wird das piezoelektrische Element 2010 elektrisch angeregt, um sich als Reaktion auf eine gegebene Aktivierungsspannung auszudehnen und zusammenzuziehen. Das piezoelektrische Element 2010 ist an einen Kolben 2015 angekoppelt. Im ausgedehnten Zustand bewirkt das piezoelektrische Element 2010, daß der Kolben 2015 in einen hydraulischen Adapter 2020 vorsteht, der ein hydraulisches Fluid, zum Beispiel Kraftstoff, enthält. Als Folge der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements wird ein zweifach wirkendes Steuerventil 2025 hydraulisch von dem hydraulischen Adapter 2020 weggeschoben und der Ventilstopfen 2035 erstreckt sich weg von einer ersten geschlossenen Position 2040. Die Kombination des zweifach wirkenden Steuerventils 2025 und der hohlen Bohrung 2050 wird häufig als zweifach wirkendes Ventil mit zweifachen Sitzen bezeichnet, da, wenn sich das piezoelektrische Element 2010 in einem unerregten Zustand befindet, das zweifach wirkende Steuerventil 2025 in seiner ersten geschlossenen Position 2040 ruht. Wenn das piezoelektrische Element 2010 andererseits vollständig ausgedehnt ist, ruht es in seiner zweiten geschlossenen Position 2030. Die spätere Position des Ventilstopfens 2035 ist in 1 schematisch durch gestrichelte Linien dargestellt.
Das Kraftstoffeinspritzsystem umfaßt eine Einspritznadel 2070, die das Einspritzen von Kraftstoff aus einer unter Druck stehenden Kraftstoffzuführungsleitung 2060 in den Zylinder (nicht gezeigt) ermöglicht. Wenn das piezoelektrische Element 2010 nicht erregt ist oder wenn es voll ausgedehnt ist, ruht das zweifach wirkende Steuerventil 2025 in seiner ersten geschlossenen Position 2040 bzw. seiner zweiten geschlossenen Position 2030. In jedem Fall hält der hydraulische Rail-Druck die Einspritznadel 2070 an einer geschlossenen Position. Somit tritt das Kraftstoffgemisch nicht in den Zylinder (nicht gezeigt) ein. Umgekehrt besteht, wenn das piezoelektrische Element 2010 erregt ist, sodaß sich das zweifach wirkende Steuerventil 2025 in der sogenannten Mittelposition im Bezug auf die hohle Bohrung 2050 befindet, ein Druckabfall in der unter Druck stehenden Kraftstoffzuführungsleitung 2060. Dieser Druckabfall führt zu einer Druckdifferenz in der unter Druck stehenden Kraftstoffzuführungsleitung 2060 zwischen dem oberen und dem unteren Teil der Einspritznadel 2070, sodaß die Einspritznadel 2070 gehoben wird, wodurch Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder (nicht gezeigt) ermöglicht wird.
Es ist wichtig, eine Aktivierungsspannung mit ausreichender Präzision zu bestimmen und anzuwenden, sodaß zum Beispiel ein entsprechender Ventilstopfen genau zum entsprechenden Zeitpunkt in dem Kraftstoffeinspritzzyklus positioniert wird. Es ist also wichtig, in der Lage zu sein, verschiedene Probleme in der die piezoelektrischen Elemente ansteuernden elektrischen Schaltung zu erkennen. Ein solches Problem ist ein Kurzschluß auf die Batteriespannung in oder an den Anschlüssen eines oder mehrerer der piezoelektrischen Elemente.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Entwicklung der im Oberbegriff von Anspruch 1 definierten Vorrichtung und des im Oberbegriff von Anspruch 8 definierten Verfahrens, um einen Abfall der elektrischen Last eines oder mehrerer der piezoelektrischen Elemente zuverlässig zu erkennen.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung mittels der in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 (Vorrichtung) und in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 8 (Verfahren) beanspruchten Merkmale gelöst.
Da die Beschaffenheit der elektrischen Last eines piezoelektrischen Elements kapazitiv ist, kann sich die Spannung an der Last nicht unverzüglich ändern. Stattdessen nimmt die Spannung an der kapazitiven Last als Funktion des an das piezoelektrische Element angelegten Stroms über die Zeit hinweg zu. Dieser Vorgang der Erhöhung der Spannung an dem piezoelektrischen Element wird als „Aufladen" bezeichnet. Ähnlich muß die kapazitive Last ihre Spannung als Funktion der Zeit „entladen" oder vermindern, während dem piezoelektrischen Element Strom entnommen wird.
Wenn die Last eines piezoelektrischen Elements abfällt, erreicht die gemessene Spannung die angelegte „gewünschte" Spannung viel schneller als erwartet.
Somit wurde gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt, daß ein Lastabfall eines piezoelektrischen Elements erkannt werden kann, indem überwacht wird, ob eine angelegte „gewünschte" Spannung an dem piezoelektrischen Element in weniger als einer vorbestimmten Minimalzeit erreicht wird. Wenn eine solche Spannung in weniger als der Minimalzeit erreicht wird, wird ein Signal erzeugt, um anzuzeigen, daß ein Lastabfall für dieses piezoelektrische Element aufgetreten ist. Mit einem solchen Signal können Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, die notwendig sein können, oder die Fehlerbehebung zum Beispiel in der Werkstatt ermöglicht werden oder es kann zum Speichern einer Fehlernachricht in einem elektronischen Speicher verwendet werden.
Vorteilhafte Entwicklungen der vorliegenden Erfindung sind aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren ersichtlicht.
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher mit Bezug auf Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem piezoelektrischen Element als Betätigungsglied;
2 ein schematisches Profil eines beispielhaften Steuerventilhubs;
3 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer Anordnung, in der die vorliegende Erfindung implementiert werden kann;
4A eine Abbildung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer ersten Ladephase (Ladeschalter 220 geschlossen) in der Schaltung von 3 auftreten;
4B eine Abbildung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer zweiten Ladephase (Ladeschalter 220 wieder offen) in der Schaltung von 3 auftreten;
4C eine Abbildung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer ersten Entladephase (Entladeschalter 230 geschlossen) in der Schaltung von 3 auftreten;
4D eine Abbildung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer zweiten Entladephase (Entladeschalter 230 wieder offen) in der Schaltung von 3 auftreten; und
5 ein Blockschaltbild von Komponenten des Aktivierungs-IC E, das auch in 3 gezeigt ist.
2 zeigt einen zweifachen Graphen eines schematischen Profils eines beispielhaften Steuerventilhubs zur Veranschaulichung der Funktionsweise eines zweifach wirkenden Steuerventils. In dem oberen Graphen von 2 stellt die X-Achse die Zeit und die Y-Achse die Auslenkung des Ventilstopfens (Ventilhebung) dar. In dem unteren Graphen von 2 stellt die X-Achse wieder die Zeit dar, während die Y-Achse eine Düsennadelhebung zur Bereitstellung von Kraftstofffluß darstellt, die sich aus der Ventilhebung des oberen Graphen ergibt. Der obere und der untere Graph sind miteinander ausgerichtet, um zeitlich zusammenzufallen, wie durch die jeweiligen X-Achsen repräsentiert wird.
Während eines Einspritzzyklus wird das piezoelektrische Element aufgeladen, was zu einer Ausdehnung des piezoelektrischen Elements führt, wie ausführlicher beschrieben werden wird, und wodurch sich der entsprechende Ventilstopfen von der ersten geschlossenen Position zu der zweiten geschlossenen Position für einen Voreinspritzhub bewegt, wie in dem oberen Graphen von 2 gezeigt. Der untere Graph von 2 zeigt eine kleine Einspritzung von Kraftstoff, die auftritt, während sich der Ventilstopfen zwischen den beiden Sitzen des zweifach wirkenden Steuerventils bewegt, wobei das Ventil geöffnet und geschlossen wird, während sich der Stopfen zwischen den Sitzen bewegt.
Im allgemeinen kann das Aufladen des piezoelektrischen Elements in zwei Schritten erfolgen. Der erste Schritt besteht darin, das Element auf eine bestimmte Spannung aufzuladen, wodurch bewirkt wird, daß sich das Ventil öffnet. Der zweite Schritt besteht darin, das Element weiter aufzuladen, wodurch bewirkt wird, daß sich das Ventil wieder schließt, wenn der Ventilstopfen in Kontakt mit dem zweiten Sitz kommt. Zwischen beiden Schritten kann eine Zeitverzögerung verwendet werden.
Nach einem vorgewählten Zeitraum wird dann eine Entladeoperation durchgeführt, wie unten ausführlicher erläutert werden wird, um die Ladung in dem piezoelektrischen Element zu reduzieren, sodaß es sich zusammenzieht, wie ebenfalls ausführlicher beschrieben werden wird, wodurch bewirkt wird, daß sich der Ventilstopfen von der zweiten geschlossenen Position wegbewegt und an einem Punkt zwischen den beiden Sitzen hält. Die Aktivierungsspannung in dem piezoelektrischen Element soll einen Wert erreichen, der gleich U_opt ist, um während des einer Haupteinspritzung zugeteilten Zeitraums einem maximalen Kraftstofffluß zu entsprechen. Der obere und der untere Graph von 2 zeigen das Halten der Ventilhebung auf einem Zwischenpunkt, was zu einer Hauptkraftstoffeinspritzung führt.
Am Ende des Zeitraums für die Haupteinspritzung wird das piezoelektrische Element auf eine Aktivierungsspannung von Null entladen, was zu einer weiteren Zusammenziehung des piezoelektrischen Elements führt, um zu bewirken, daß sich der Ventilstopfen von der Zwischenposition in Richtung der ersten geschlossenen Position wegbewegt, wodurch das Ventil geschlossen und der Kraftstofffluß gestoppt wird, wie in dem oberen und dem unteren Graph von 2 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Ventilstopfen wieder in einer Position zur Wiederholung eines weiteren Zyklus von Voreinspritzung und Haupteinspritzung, genau wie oben beschrieben. Natürlich kann ein beliebiger anderer Einspritzzyklus durchgeführt werden.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer Anordnung, in der die vorliegende Erfindung angewandt werden kann.
In 3 befindet sich ein detaillierter Bereich A und ein nichtdetaillierter Bereich B, deren Trennung durch eine gestrichelte Linie C angegeben wird. Der detaillierte Bereich A umfaßt eine Schaltung zum Aufladen und Entladen der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60. In dem betrachteten Beispiel sind diese piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 Betätigungsglieder in Kraftstoffeinspritzdüsen (insbesondere in sogenannten Common-Rail-Einspritzern) eines Verbrennungsmotors. Für diese Zwecke können piezoelektrische Elemente verwendet werden, da sie bekanntlich und wie oben besprochen die Eigenschaft besitzen, sich als Funktion einer daran angelegten oder darin auftretenden Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen. Der Grund dafür, sechs piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 in der beschriebenen Ausführungsform zu nehmen, besteht darin, unabhängig sechs Zylinder in einem Verbrennungsmotor zu steuern; daher könnte jede andere Anzahl von piezoelektrischen Elementen für einen beliebigen anderen Zweck geeignet sein.
Der nicht detaillierte Bereich B umfaßt eine Steuereinheit D und ein Aktivierungs-IC E, wobei die Elemente in dem detaillierten Bereich A durch beides gesteuert werden, sowie ein Meßsystem F zur Messung von Systemkenngrößen. Das Aktivierungs-IC E empfängt verschiedene Meßwerte von Spannungen und Ströme von dem gesamten Rest der Ansteuerschaltung für die piezoelektrischen Elemente. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Steuereinheit D und das Aktivierungs-IC E so programmiert, daß Aktivierungsspannungen und die Aktivierungszeitsteuerung für die piezoelektrischen Elemente gesteuert werden. Die Steuereinheit D und/oder das Aktivierungs-IC E werden außerdem so programmiert, daß sie verschiedene Spannungen und Ströme in der gesamten Ansteuerschaltung für die piezoelektrischen Elemente überwachen.
Insbesondere werden gemäß der vorliegenden Erfindung die Spannungen an den piezoelektrischen Elementen über die Zeit hinweg überwacht, um zu bestimmen, wie schnell von dem Zeitpunkt der Aktivierung der jeweiligen Lade- oder Entladeschalter durch das Aktivierungs-IC E eine angelegte gewünschte Spannung an dem piezoelektrischen Element auftritt. Wenn die gewünschte Spannung schneller als eine im Speicher gespeicherte voreingestellte Mindestzeit auftritt, wird ein Signal erzeugt, das identifiziert, daß ein Lastabfall für das piezoelektrische Element aufgetreten ist. Die Steuereinheit D kann so programmiert werden, daß sie nachfolgend das fehlerhafte piezoelektrische Element in der Zukunft nicht mehr zykliert. Weiterhin kann ein Signal für Diagnose- und Reparaturzwecke bereitgestellt und ein Eintrag in dem Fehlerspeicher des Aktivierungs-IC E vorgenommen werden.
Die folgende Beschreibung führt zunächst die einzelnen Elemente in dem detaillierten Bereich A ein. Als nächstes werden die Prozeduren des Aufladens und Entladens der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 allgemein beschrieben. Als letztes wird ausführlich beschrieben, wie beide Prozeduren mittels der Steuereinheit D und des Aktivierungs-IC E gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert und überwacht werden.
Die Schaltung in dem detaillierten Bereich A umfaßt sechs piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60. Die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 sind auf eine erste Gruppe G1 und eine zweite Gruppe G2 verteilt, die jeweils drei piezoelektrische Elemente (d. h. die piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 in der ersten Gruppe G1 bzw. 40, 50 und 60 in der zweiten Gruppe G2) aufweisen. Die Gruppen G1 und G2 sind Bestandteile von Schaltungsteilen, die miteinander parallelgeschaltet sind. Gruppenwahlschalter 310, 320 können verwendet werden, um festzulegen, welche der Gruppen G1, G2 von piezoelektrischen Elementen 10, 20, und 30 bzw. 40, 50 und 60 in jedem Fall durch eine gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung entladen wird (die Gruppenwahlschalter 310, 320 sind jedoch für Ladeprozeduren bedeutungslos, wie unten ausführlicher erläutert wird).
Die Gruppenwahlschalter 310, 320 sind zwischen einer Spule 240 und den jeweiligen Gruppen G1 und G2 (deren spulenseitigen Anschlüssen) angeordnet und sind als Transistoren implementiert. Es sind Seitentreiber 311, 321 implementiert, die aus dem Aktivierungs-IC E empfangene Steuersignale in Spannungen transformieren, die dafür berechtigt sind, die Schalter je nach Bedarf zu schließen und zu öffnen.
Die Dioden 315 und 325 (die als Gruppenwahldioden bezeichnet werden), sind jeweils parallel mit den Gruppenwahlschaltern 310, 320 vorgesehen. Wenn die Gruppenwahlschalter 310, 320 zum Beispiel als MOSFETs oder IGBTs implementiert werden, können diese Gruppenwahldioden 315 und 325 durch die parasitären Dioden selbst gebildet werden. Die Dioden 315, 325 umgehen die Gruppenwahlschalter 310, 320 während Ladeprozeduren. Daher wird die Funktionalität der Gruppenwahlschalter 310, 320 reduziert, um eine Gruppe G1, G2 von piezoelektrischen Elementen 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 nur für eine Entladeprozedur auszuwählen.
Innerhalb jeder Gruppe G1 bzw. G2 sind die piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 als Bestandteile von Piezo-Zweigen 110, 120 und 130 (Gruppe G1) und 140, 150 und 160 (Gruppe G2), die parallelgeschaltet sind, angeordnet. Jeder Piezo-Zweig umfaßt eine Reihenschaltung, die aus einer ersten Parallelschaltung aus einem piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 und einem Widerstand 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 (als Zweigwiderstände bezeichnet) und einer zweiten Parallelschaltung aus einem Wahlschalter, der als ein Transistor 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 (als Zweigwahlschalter bezeichnet) implementiert ist, und einer Diode 12, 22, 32, 42, 52 bzw. 62) als Zweigdioden bezeichnet) besteht.
Die Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 bewirken, daß jedes entsprechende piezoelektrische Element 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 sich während und nach einer Ladeprozedur kontinuierlich selbst entlädt, da sie beide Anschlüsse jedes kapazitiven piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 miteinander verbinden. Die Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 sind jedoch groß genug, damit diese Prozedur im Vergleich zu den gesteuerten Lade- und Entladeprozeduren, wie unten beschrieben, langsam wird. Daher ist es immer noch eine vernünftige Annahme, die Ladung eines beliebigen piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 als innerhalb einer relevanten Zeit nach einer Ladeprozedur unveränderlich zu betrachten (der Grund dafür, trotzdem die Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53 und 63 zu implementieren, besteht darin, Restladungen auf den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 im Fall eines Durchschlags des Systems oder anderer Ausnahmesituationen zu vermeiden). Daher können die Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53 und 63 in der folgenden Beschreibung vernachlässigt werden.
Die Zweig-Wahlschalter-/Zweigdioden-Paare in den einzelnen Piezo-Zweigen 110, 120, 130, 140, 150 bzw. 160, d. h. der Wahlschalter 11 und die Diode 12 in dem Piezo-Zweig 110, der Wahlschalter 21 und die Diode 22 in dem Piezo-Zweig 120 und so weiter können unter Verwendung elektronischer Schalter (d. h. Transistoren) mit parasitären Dioden, wie zum Beispiel MOSFETs oder IGBTs (wie oben für die Gruppen-Wahlschalter-/Diodenpaare 310 und 315 bzw. 320 und 325 erwähnt) implementiert werden.
Mit den Zweigwahlschaltern 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 kann festgelegt werden, welches der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 in jedem Fall durch eine gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung geladen wird: in jedem Fall sind die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 30, 40, 50 oder 60, die geladen werden, alle diejenigen, deren Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 oder 61 während der nachfolgend beschriebenen Ladeprozedur geschlossen sind. Gewöhnlich ist zu einem beliebigen Zeitpunkt immer nur einer der Zweigwahlschalter geschlossen.
Die Zweigdioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 dienen zum Umgehen der Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 während Entladeprozeduren. Daher kann in dem für Ladeprozeduren betrachteten Beispiel jedes beliebige einzelne piezoelektrische Element ausgewählt werden, während für Entladeprozeduren entweder die erste Gruppe G1 oder die zweite Gruppe G2 piezoelektrischer Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 oder beide ausgewählt werden müssen.
Wieder mit Bezug auf die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 selbst, können die Zweigwahl-Piezoanschlüsse 15, 25, 35, 45, 55 bzw. 65 entweder durch die Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 oder durch die entsprechenden Dioden 12, 22, 32, 42, 52 bzw. 62 und in beiden Fällen zusätzlich durch den Widerstand 300 mit Masse verbunden werden.
Der Zweck des Widerstands 300 ist die Messung der Ströme, die während des Ladens und Entladens der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zwischen den Zweigwahl-Piezoanschlüssen 15, 25, 35, 45, 55 bzw. 65 und der Masse fließen. Eine Kenntnis dieser Ströme ermöglicht ein gesteuertes Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60. Insbesondere ist es durch Schliessen und Öffnen des Ladeschalters 220 und des Entladeschalters 230 auf von dem Betrag der Ströme abhängige Weise möglich, den Ladestrom und den Entladestrom auf vordefinierte Mittelwerte einzustellen und/oder sie davon abzuhalten, vordefinierte Maximal- und/oder Minimalwerte zu überschreiten bzw. unter diese zu fallen, wie unten ausführlicher erläutert wird.
Bei dem betrachteten Beispiel erfordert die Messung selbst weiterhin eine Spannungsquelle 621, die zum Beispiel eine Spannung von 5 Volt Gleichstrom liefert, und einen Spannungsteiler, der als zwei Widerstände 622 und 623 implementiert ist. Dadurch wird das Aktivierungs-IC E (durch das die Messungen durchgeführt werden) am negativen Spannungen gehindert, die andernfalls an dem Meßpunkt 620 auftreten könnten und die nicht mittels des Aktivierung-IC E behandelt werden können: solche negative Spannungen werden mittels Addition mit einer positiven Spannungseinrichtung, die durch die Spannungsquelle 621 und die Spannungsteilerwiderstände 622 und 623 zugeführt wird, in positive Spannungen verwandelt.
Der andere Anschluß jedes piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 und 60, d. h. der Gruppenwahl-Piezoanschluß 14, 24, 34, 44, 54 bzw. 64 kann über den Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 oder über die Gruppenwahldiode 315 bzw. 325 sowie über eine Spule 240 und eine Parallelschaltung aus einem Ladeschalter 220 und einer Ladediode 221 mit dem Pluspol einer Spannungsquelle und als Alternative oder zusätzlich über den Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 oder über die Diode 315 bzw. 325 sowie über die Spule 240 und eine Parallelschaltung aus einem Entladeschalter 230 oder einer Entladediode 231 mit Masse verbunden werden. Der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 werden als Transistoren implementiert, die zum Beispiel über Seitentreiber 222 bzw. 232 gesteuert werden.
Die Spannungsquelle umfaßt ein Element mit kapazitiven Eigenschaften, bei dem es sich in dem betrachteten Beispiel um den (Puffer-)Kondensator 210 handelt. Der Kondensator 210 wird durch eine Batterie 200 (zum Beispiel eine Kraftfahrzeugbatterie) und einen signalabwärts davon gelegenen Gleichspannungswandler 201 geladen. Der Gleichspannungswandler 201 wandelt die Batteriespannung (zum Beispiel 12 V) im wesentlichen in eine beliebige andere Gleichspannung (zum Beispiel 250 V) um und lädt den Kondensator 210 auf diese Spannung auf. Der Gleichspannungswandler 201 wird mittels des Transistorschalters 202 und des Widerstands 203, der für einem Meßpunkt 630 entnommene Strommessungen verwendet wird, gesteuert.
Für Vergleichsprüfungen wird eine weitere Strommessung an einem Meßpunkt 650 durch das Aktivierungs-IC E sowie durch Widerstände 651, 652 und 653 und zum Beispiel eine 5-V-Gleichspannungsquelle 654 zugelassen; weiterhin wird eine Spannungsmessung an einem Meßpunkt 640 durch das Aktivierungs-IC E sowie durch die Spannungsteilerwiderstände 641 und 642 zugelassen.
Als letztes dienen ein Widerstand 330 (der als Gesamtentladewiderstand bezeichnet wird), ein als ein Transistor 331 implementierter Stoppschalter (als Stoppschalter bezeichnet) und eine Diode 332 (die als Gesamtentladediode bezeichnet wird) zum Entladen der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 (wenn sie zufällig nicht durch die nachfolgend ausführlicher beschriebene „normale" Entladeoperation entladen werden). Der Stoppschalter 331 wird vorzugsweise nach „normalen" Entladeprozeduren geschlossen (zyklisches Entladen über den Entladeschalter 230). Er verbindet dadurch die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 durch die Widerstände 330 und 300 mit Masse und entfernt somit etwaige Restladungen, die in den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 verbleiben könnten. Die Gesamtentladediode 332 verhindert das Auftreten negativer Spannungen an den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60, die in bestimmten Fällen durch solche beschädigt werden können.
Das Laden und Entladen aller piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 oder eines beliebigen bestimmten wird mittels einer einzigen Lade- und Entladevorrichtung erreicht (die allen Gruppen und ihren piezoelektrischen Elementen gemeinsam ist). Bei dem betrachteten Beispiel umfaßt die gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung eine Batterie 200, einen Gleichspannungswandler 201, einen Kondensator 210, einen Ladeschalter 220 und einen Entladeschalter 230, eine Ladediode 221 und eine Entladediode 231 und eine Spule 240.
Das Laden und Entladen jedes piezoelektrischen Elements arbeitet genauso und wird im folgenden unter Bezugnahme nur auf das erste piezoelektrische Element 10 erläutert.
Die während der Lade- und Entladeprozeduren auftretenden Bedingungen werden mit Bezug auf 4A bis 4D erläutert, wobei 4A und 4B das Laden des piezoelektrischen Elements 10 und 4C und 4D das Entladen des piezoelektrischen Elements 10 veranschaulichen.
Die Auswahl eines oder mehrerer bestimmter piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, die geladen oder entladen werden sollen, die im folgenden beschriebene Ladeprozedur sowie die Entladeprozedur werden durch das Aktivierungs-IC E und die Steuereinheit D mittels Öffnen oder Schließen eines oder mehrerer der oben eingeführten Schalter 11, 21, 31, 41, 51, 61; 310, 320, 220, 230 und 331 angesteuert. Die Wechselwirkungen zwischen den Elementen innerhalb des detaillierten Bereichs A einerseits und dem Aktivierungs-IC E und der Steuereinheit D andererseits werden nachfolgend ausführlicher beschrieben.
Bezüglich der Ladeprozedur muß zuerst ein beliebiges bestimmtes piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, das geladen werden soll, ausgewählt werden. Um ausschließlich das erste piezoelektrische Element 10 zu laden, wird der Zweigwahlschalter 11 des ersten Zweigs 110 geschlossen, während alle anderen Zweigwahlschalter 21, 31, 41, 51 und 61 geöffnet bleiben. Um ausschließlich ein beliebiges anderes piezoelektrisches Element 20, 30, 40, 50, 60 zu laden oder um mehrere gleichzeitig zu laden, würden sie durch Schließen der entsprechenden Zweigwahlschalter 21, 31, 41, 51 und/oder 61 ausgewählt.
Dann kann die Ladeprozedur selbst stattfinden:
Im allgemeinen erfordert innerhalb des betrachteten Beispiels die Ladeprozedur eine positive Potentialdifferenz zwischen dem Kondensator 210 und dem Gruppenwahl-Piezoanschluß 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10. Solange der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 jedoch offen sind, findet kein Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elements 10 statt. In diesem Zustand befindet sich die in 3 gezeigte Schaltung in einem stationären Zustand, d. h. das piezoelektrische Element 10 behält seinen Ladungszustand auf im wesentlichen unveränderte Weise und es fließen keine Ströme.
Um das erste piezoelektrische Element 10 zu laden, wird der Ladeschalter 220 geschlossen. Theoretisch könnte das erste piezoelektrische Element 10 nur durch dies geladen werden. Dadurch würden jedoch große Ströme entstehen, die die beteiligten Elemente beschädigen könnten. Deshalb werden die auftretenden Ströme an dem Meßpunkt 620 gemessen und der Schalter 220 wird wieder geöffnet, sobald die erkannten Ströme eine bestimmte Grenze übersteigen. Um eine beliebige gewünschte Ladung auf dem ersten piezoelektrischen Element 10 zu erzielen, wird daher der Ladeschalter 220 wiederholt geschlossen und geöffnet, während der Entladeschalter 230 offen bleibt.
Genauer gesagt treten, wenn der Ladeschalter 220 geschlossen wird, die in 4A gezeigten Bedingungen auf, d. h. ein geschlossener Schaltkreis aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 10, dem Kondensator 210 und der Spule 240 wird gebildet, in dem ein Strom i_LE(t) fließt, wie durch Pfeile in 4A angegeben. Als Ergebnis dieses Stromflusses werden sowohl positive Ladungen zu dem Gruppenwahl-Piezoanschluß 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10 gebracht als auch Energie in der Spule 240 gespeichert.
Wenn sich der Ladeschalter 220 kurz öffnet (zum Beispiel einige wenige μs), nachdem er sich geschlossen hat, treten die in 4B gezeigten Bedingungen auf: es wird ein geschlossener Schaltkreis aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 10, der Ladediode 221 und der Spule 240 gebildet, in dem ein Strom i_LA(t) fließt, wie durch Pfeile in 4B angegeben. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß in der Spule 240 gespeicherte Energie in das piezoelektrische Element 10 fließt. Entsprechend der Energieabgabe an das piezoelektrische Element 10 nehmen die in letzterem auftretende Spannung und seine externen Abmessungen zu. Nachdem der Energietransport von der Spule 240 zu dem piezoelektrischen Element 10 stattgefunden hat, wird wieder der stationäre Zustand der Schaltung, der in 3 gezeigt und bereits beschrieben wurde, erreicht.
Zu diesem Zeitpunkt oder früher oder später (abhängig von dem gewünschten Zeitprofil der Ladeoperation) wird der Ladeschalter 220 wieder geschlossen und wieder geöffnet, sodaß die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden. Als Ergebnis des Wiederschließens und Wiederöffnens des Ladeschalters 220 nimmt die in dem piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie zu (die Energie, die bereits in dem piezoelektrischen Element 10 gespeichert war, und die neu abgegebene Energie werden zusammenaddiert), und die an dem piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und seine externen Abmessungen nehmen entsprechend zu.
Wenn das oben erwähnte Schließen und Öffnen des Ladeschalters 220 oft wiederholt werden, steigen die an dem piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 10 schrittweise an.
Nachdem sich der Ladeschalter 220 eine vordefinierte Anzahl von Malen geschlossen und geöffnet hat und/oder sobald das piezoelektrische Element 10 den gewünschten Ladezustand erreicht hat, wird das Laden des piezoelektrischen Elements durch Offenlassen des Ladeschalters 220 beendet.
Bezüglich der Entladeprozedur werden in dem betrachteten Beispiel die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 folgendermaßen in Gruppen (G1 und/oder G2) entladen:
Erstens werden der bzw. die Gruppenwahlschalter 310 und/oder 320 der Gruppe bzw. Gruppen G1 und/oder G2, deren piezoelektrische Elemente entladen werden sollen, geschlossen (die Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 61 wirken sich nicht auf die Auswahl von piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50, 60 für die Entladeprozedur aus, da sie in diesem Fall durch die Zweigdioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 umgangen werden). Um das piezoelektrische Element 10 als Teil der ersten Gruppe G1 zu entladen, wird daher der erste Gruppenwahlschalter 310 geschlossen.
Wenn der Entladeschalter 230 geschlossen wird, treten die in 4C gezeigten Bedingungen auf: es wird ein geschlossener Schaltkreis aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 10 und der Spule 240 gebildet, in dem ein Strom i_EE(t) fließt, wie durch Pfeile in 4C angegeben. Das Ergebnis dieses Stromflusses besteht darin, daß die Energie (ein Teil davon), die in dem piezoelektrischen Element gespeichert ist, in die Spule 240 transportiert wird. Entsprechend dem Energietransfer aus dem piezoelektrischen Element 10 in die Spule 240 nehmen die an dem piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und dessen externe Abmessungen ab.
Wenn sich der Entladeschalter 230 kurz öffnet (zum Beispiel einige wenige μs), nachdem er sich geschlossen hat, treten die in 4D gezeigten Bedingungen auf: es wird ein geschlossener Schaltkreis aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 10, dem Kondensator 210, der Entladediode 231 und der Spule 240 gebildet, in dem ein Strom i_EA(t) fließt, wie durch Pfeile in 4D angegeben. Das Ergebnise dieses Stromflusses besteht darin, daß in der Spule 240 gespeicherte Energie in den Kondensator 210 zurückgeführt wird. Nachdem der Energietransport von der Spule 240 zu dem Kondensator 210 stattgefunden hat, wird wieder der stationäre Zustand der Schaltung, der in 3 gezeigt und bereits beschrieben wurde, erreicht.
Zu diesem Zeitpunkt oder früher oder später (abhängig von dem gewünschten Zeitprofil der Entladeoperation) wird der Ladeschalter 230 wieder geschlossen und wieder geöffnet, sodaß die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden. Als Ergebnis des Wiederschließens und Wiederöffnens des Entladeschalters 230 nimmt die in dem piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie weiter ab, und die an dem piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und seine externen Abmessungen nehmen gleichfalls entsprechend ab.
Wenn das oben erwähnte Schließen und Öffnen des Entladeschalters 230 oft wiederholt werden, nehmen die an dem piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 10 schrittweise ab.
Nachdem sich der Entladeschalter 230 eine vordefinierte Anzahl von Malen geschlossen und geöffnet hat und/oder sobald das piezoelektrische Element den gewünschten Entladezustand erreicht hat, wird das Entladen des piezoelektrischen Elements 10 durch Offenlassen des Entladeschalters 230 beendet.
Die Wechselwirkung zwischen dem Aktivierungs-IC E und der Steuereinheit D einerseits und den Elementen innerhalb des detaillierten Bereichs A andererseits wird durch Steuersignale durchgeführt, die von dem Aktivierungs-IC E über die Zweigwahlsteuerleitungen 410, 420, 430, 440, 450, 460, Gruppenwahlsteuerleitungen 510, 520, die Stoppschaltersteuerleitung 530, die Ladeschaltersteuerleitung 540 und die Entladeschalter steuerleitung 550 und die Steuerleitung 560 zu Elementen in dem detaillierten Bereich A gesendet werden. Andererseits liegen Sensorsignale vor, die an Meßpunkten 600, 610, 620, 630, 640, 650 in dem detaillierten Bereich A erhalten und über die Sensorleitungen 700, 710, 720, 730, 740, 750 zu dem Aktivierungs-IC E übertragen werden.
Die Steuerleitungen dienen zum Anlegen oder Nichtanlegen von Spannungen an die Transistorbasen, um piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 auszuwählen, um Lade- oder Entladeprozeduren eines einzigen oder mehrerer piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 mittels Öffnen und Schließen der entsprechenden Schalter wie oben beschrieben auszuführen. Insbesondere dienen die Sensorsignale zur Bestimmung der resultierenden Spannung der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 aus Meßpunkten 600 bzw. 610 und der Lade- und Entladeströme aus dem Meßpunkt 620. Die Steuereinheit D und das Aktivierungs-IC E dienen zum Kombinieren beider Arten von Signalen, um eine Wechselwirkung beider durchzuführen, wie nun ausführlich unter Bezugnahme auf 3 und 5 beschrieben werden wird.
Wie in 3 angegeben, werden die Steuereinheit D und das Aktivierungs-IC E mittels eines parallelen Busses 840 und zusätzlich mittels eines seriellen Busses 850 miteinander verbunden. Insbesondere wird der parallele Bus 840 für eine schnelle Übertragung von Steuersignalen von der Steuereinheit D zu dem Aktivierungs-IC E benutzt, während der serielle Bus 850 für einen langsameren Datentransfer benutzt wird.
In 5 sind einige Komponenten angegeben, die das Aktivierungs-IC E umfaßt: eine Logikschaltung 800, RAM-Speicher 810, ein Digital/Analog-Umsetzersystem 820 und ein Komparatorsystem 830. Weiterhin ist angegeben, daß der schnelle parallele Bus 840 (der für Steuersignale verwendet wird) mit der Logikschaltung 800 des Aktivierungs-IC E verbunden ist, während der langsamere serielle Bus 850 mit dem RAM-Speicher 810 verbunden ist. Die Logikschaltung 800 ist mit dem RAM-Speicher 810, mit dem Komparatorsystem 830 und mit den Signalleitungen 410, 420, 430, 440, 450 und 460; 510 und 520; 530; 540, 550 und 560 verbunden. Der RAM-Speicher 810 ist mit der Logikschaltung 800 sowie mit dem Digital/Analog-Umsetzersystem 820 verbunden. Das Digital/Analog-Umsetzersystem 820 ist weiterhin mit dem Komparatorsystem 830 verbunden. Das Komparatorsystem 830 ist weiterhin mit den Sensorleitungen 700 und 710; 720; 730, 740 und 750 sowie – wie bereits erwähnt – mit der Logikschaltung 800 verbunden.
Die oben aufgelisteten Komponenten können in einer Ladeprozedur zum Beispiel folgendermaßen verwendet werden:
Mittels der Steuereinheit D wird ein bestimmtes piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 bestimmt, das auf eine bestimmte Zielspannung aufgeladen werden soll. Daher wird zuerst der Wert der Zielspannung (ausgedrückt durch eine digitale Zahl) über den langsameren seriellen Bus 850 zu dem RAM-Speicher 810 übertragen. Die Zielspannung kann zum Beispiel der in einer Haupteinspritzung verwendete Wert für U_opt sein. Später oder gleichzeitig wird ein Code, der dem bestimmten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 entspricht, das ausgewählt werden soll, und die Adresse der gewünschten Spannung in dem RAM-Speicher 810 über den parallelen Bus 840 zu der Logikschaltung 800 übertragen. Später wird über den parallelen Bus 840 ein Strobe-Signal zu der Logikschaltung 800 gesendet, das das Startsignal für die Ladeprozedur gibt.
Das Startsignal bewirkt zuerst, daß die Logikschaltung 800 den digitalen Wert der Zielspannung aus dem RAM- Speicher 810 aufnimmt und ihn auf das Digital/Analog-Umsetzersystem 820 legt, wodurch an einem analogen Ausgang der Umsetzer 820 die gewünschte Spannung auftritt. Darüber hinaus wird der (nicht gezeigte) analoge Ausgang mit dem Komparatorsystem 830 verbunden. Zusätzlich wählt die Logikschaltung 800 entweder den Meßpunkt 600 (für ein beliebiges der piezoelektrischen Elemente 10, 20 oder 30 der ersten Gruppe G1) oder den Meßpunkt 610 (für ein beliebiges der piezoelektrischen Elemente 40, 50 oder 60 der zweiten Gruppe G2) zu dem Komparatorsystem 830. Als Ergebnis davon vergleicht das Komparatorsystem 830 die Zielspannung und die vorliegende Spannung an dem gewählten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60. Die Ergebnisse des Vergleichs, d. h. die Differenzen zwischen der Zielspannung und der vorliegenden Spannung, werden zu der Logikschaltung 800 übertragen. Dadurch kann die Logikschaltung 800 die Prozedur anhalten, sobald die Zielspannung und die vorliegende Spannung einander gleich sind.
Zweitens legt die Logikschaltung 800 ein Steuersignal an den Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 oder 61 an, der einem beliebigen gewählten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 entspricht, sodaß der Schalter geschlossen wird (alle Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 und 61 werden als vor dem Beginn der Ladeprozedur in dem beschriebenen Beispiel in einem offenen Zustand befindlich betrachtet). Dann legt die Logikschaltung 800 ein Steuersignal an den Ladeschalter 220 an, sodaß der Schalter geschlossen wird. Weiterhin beginnt die Logikschaltung 800 mit der Messung etwaiger an dem Meßpunkt 620 auftretender Ströme (oder setzt sie fort). Hierzu werden die gemessenen Ströme mit einem etwaigen vordefinierten Maximalwert durch das Komparatorsystem 830 verglichen. Sobald die erkannten Ströme den vordefinierten Maximalwert erreicht haben, bewirkt die Logikschaltung 800, daß sich der Ladeschalter 220 wieder öffnet.
Wieder werden die übrigen Ströme an dem Meßpunkt 620 erkannt und mit einem etwaigen vordefinierten Minimalwert verglichen. Sobald der vordefinierte Minimalwert erreicht ist, bewirkt die Logikschaltung 800, daß sich der Ladeschalter 220 wieder schließt, und die Prozedur beginnt von neuem.
Das Schließen und Öffnen des Ladeschalters 220 wird solange wiederholt, wie die erkannte Spannung an dem Meßpunkt 600 oder 610 unter der Zielspannung liegt. Sobald die Zielspannung erreicht ist, hält die Logikschaltung die Fortsetzung der Prozedur an.
Die Entladeprozedur findet auf entsprechende Weise statt: nun wird die Auswahl des piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 mittels der Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 erreicht, der Entladeschalter 230 wird anstelle des Ladeschalters 220 geöffnet und geschlossen, und es soll eine vordefinierte minimale Zielspannung erreicht werden.
Die Zeitsteuerung der Lade- und Entladeoperationen und des Haltens von Spannungspegeln in den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 zum Beispiel als die Zeit der Haupteinspritzung kann gemäß einem Ventilhub erfolgen, wie zum Beispiel in 3 gezeigt.
Es versteht sich, daß die obige Beschreibung der Art und Weise, wie Lade- oder Entladeprozeduren stattfinden, lediglich beispielhaft ist. Jede andere Prozedur, die die oben beschriebenen Schaltungen oder andere Schaltungen verwendet, kann daher mit jedem beliebigen gewünschten Zweck übereinstimmen und jede beliebige entsprechende Prozedur kann anstelle des oben beschriebenen Beispiels verwendet werden.
Die Zielspannungen zum Aktivieren der piezoelektrischen Elemente werden in dem RAM-Speicher 810 gespeichert. Zu den in dem RAM-Speicher 810 gespeicherten Werten gehören die Zeitdauerberechnungen der Zählereinheit und Anfangswerte zum Beispiel für U_opt, die als Zielspannungen bei Lade- und Entladeprozeduren verwendet werden, wie oben beschrieben.
Die U_opt-Werte können sich als Funktion von Betriebskenngrößen des Kraftstoffeinspritzsystems ändern, wie zum Beispiel Kraftstoffdruck, wie vollständig in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit dem Titel „Method and Apparatus for Charging a Piezoelectric Element" (Aktenzeichen 10744/11) beschrieben wird, die gleichzeitig wie die vorliegende Anmeldung registriert wurde. Zu den in dem RAM-Speicher 810 gespeicherten Werte gehören deshalb Delta-Werte, die als Funktion des gemessenen Kraftstoffdrucks zu den eingestellten Anfangs-U_opt-Spannungen addiert oder von diesen subtrahiert werden, wie in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit dem Titel „Method and Apparatus for Charging a Piezoelectric Element" (Aktenzeichen 10744/11), registriert am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung, beschrieben wird. Die gespeicherten Zielspannungen können ebenfalls modifiziert und kontinuierlich optimiert werden, wie in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit dem Titel „Online Optimization of Injection Systems Having Piezoelectric Elements" (Aktenzeichen 10744/11), registriert am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung, beschrieben wird.
Die vorliegende Erfindung zum Erkennen einer Lastabnahme beim Ansteuern der piezoelektrischen Elemente kann ohne weiteres unter Verwendung der oben beschriebenen Ausführungsform implementiert werden. Wie oben besprochen, verhindert die normale kapazitive Last eines piezoelektrischen Elements, daß sich die Spannung an dem piezoelektrischen Element unverzüglich ändert. Die vorliegende Erfindung nutzt diese Eigenschaft aus, um eine Abnahme der Last durch Überwachen der Zeit, die es dauert, damit eine Zielspannung erreicht wird, zu erkennen.
Wenn ein Abfall der Last des piezoelektrischen Elements vor oder während eines Ladeversuchs auftritt, wird der Stromfluß unterbrochen. Somit besteht praktisch kein Spannungsabfall an der Induktivität 240 und wenn der Ladeschalter geschlossen ist, fällt die gesamte angelegte Spannung aus der Pufferschaltung an dem Spannungsteiler ab, der dem Meßpunkt 600 oder 610 entspricht (abhängig davon, welche Gruppe piezoelektrischer Elemente, G1 oder G2, gerade gezykelt wird). Auf diese Weise wird die Zielspannung schneller erreicht und überschritten, als wenn die volle elektrische Last des piezoelektrischen Elements vorliegen würde.
Wenn der Abfall der Last vor oder während eines Entladeversuchs auftritt, fließt kein Strom von dem fehlerhaften piezoelektrischen Element, und wenn der Entladeschalter geschlossen ist, liegt keine Spannung an dem Spannungsteiler an, der den Meßpunkten 600 oder 610 entspricht. Somit wird die Zielspannung für die Entladephase schnell erreicht oder überschritten, wenn während eines Entladezyklus ein Lastabfall auftritt, und die Spannung an den Meßpunkten 600 und 610 nach Null geht.
Wenn ein Lastabfall während einer Lade- oder Entladeoperation auftritt, zum Beispiel nachdem die minimale Zeitschwelle erreicht ist, wird während dieser Lade- oder Entladeoperation kein Abfall der Last erkannt. Stattdessen würde der Abfall der Last während des nächsten Lade- oder Entladeversuchs erkannt.
Die Lade- oder Entladephase beginnt, wenn sich entweder der Ladeschalter 220 bzw. der Entladeschalter 230 schließt. Die Logikschaltung 800 wählt den Spannungsüberwachungspunkt 600 oder 610 (abhängig davon, ob ein piezoelektrisches Element in der ersten Gruppe G1 oder der zweiten Gruppe G2 geladen wird), die durch das Komparatorsystem 830 mit einer Zielspannung verglichen werden soll. Unter Verwendung der Uhr in der Zählereinheit speichert die Logikschaltung 800 die Zeit, zu der der Ladeschalter 220 oder der Entladeschalter 230 geschlossen wird, um die jeweilige Lade- oder Entladephase des piezoelektrischen Elements zu beginnen. Die Überwachungspunkte 600 und 610 geben die jeweiligen Spannungen (über einen Spannungsteiler) an, die an ihrer jeweiligen piezoelektrischen Gruppe anliegt, wenn die Lade- oder Entladephase beginnt. Die Differenz zwischen der Zielspannung und der vorliegenden Spannung (gemessen an dem Meßpunkt 600 oder 610) wird durch das Komparatorsystem 830 zu der Logikschaltung 800 übertragen. Wenn die vorliegende Spannung die Zielspannung erreicht, kann die Logikschaltung 800 die Prozedur stoppen und das Zeitintervall zum Erreichen der Zielspannung von dem Zeitpunkt des Beginns der vorliegenden Lade- oder Entladephase an berechnen.
Die Logikschaltung 800 kann dann das tatsächliche Lade- oder Entladezeitintervall mit einem vorbestimmten Mindestzeitintervall vergleichen. Wenn das tatsächliche Zeitintervall kleiner als das vorbestimmte Mindeszeitintervall ist, ist eine Lastabnahme in dem piezoelektrischen Element aufgetreten und es wird ein Fehlersignal erzeugt. Mit dem Fehlersignal kann ein Eintrag in einem Fehlerspeicher in dem Aktivierungs-IC E erzeugt werden, der das bestimmte fehlerhafte piezoelektrische Element identifiziert. Ferner können die Steuereinheit D und das Aktivierungs-IC E programmiert werden, um das Einleiten der Lade- und Entladephasen für das fehlerhafte piezoelektrische Element beim Auftreten eines solchen Fehlersignals zu beenden.
Wenn ein Lastabfall in einem piezoelektrischen Element auftritt, das mindestens teilweise geladen ist, kann es eventuell nicht möglich sein, das piezoelektrische Element durch den Entladeschalter 230 zu entladen, da entweder die Steuereinheit den Entladungszyklus abgebrochen hat oder aufgrund eines Problems in der Ansteuerschaltung für die piezoelektrischen Elemente. In diesem Fall kann das piezoelektrische Element durch den jeweiligen Zweigwiderstand 13, 23, 33, 43, 53 oder 63 entladen werden.

Claims

Vorrichtung zum Erkennen einer Lastabnahme beim Ansteuern eines piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) mit einem Mittel zum Aufladen oder Entladen des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50, 60) auf eine Zielspannung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Taktschaltung einer Logikschaltung (800) ein Zeitsteuerungssignal zuführt, wobei das Zeitsteuerungssignal von der Logikschaltung (800) zum Messen eines Zeitintervalls, das das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) benötigt, um die Zielspannung zu erreichen, und zum Vergleichen des gemessenen Zeitintervalls mit einem vorbestimmten Minimal-Zeitintervall verwendet wird und die Logikschaltung (800) ein Fehlersignal erzeugt, wenn das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) die Zielspannung schneller als das vorbestimmte Minimal-Zeitintervall erreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung (800) einen oder mehrere Schalter steuert, um eine Auflade- oder eine Entladeschaltung an das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) anzulegen, um die Zielspannung zu erreichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungskomparator eine Spannungsmessung von den Anschlüssen des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) empfängt und der Logikschaltung ein Differenzsignal zuführt, das die Differenz zwischen der Spannungsmessung an dem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) und der Zielspannung repräsentiert.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzsignal anzeigt, ob die Spannungsmessung an dem piezoelektrischen Element höher als die Zielspannung ist oder nicht.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungskomparator die derzeitige Spannungsmessung von einem Meßpunkt in einer Spannungsteilerschaltung empfängt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) ein Betätigungsglied in einem Kraftstoffinjektionssystem ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal als ein Eintrag in einem Fehlerspeicher aufgezeichnet wird.
Verfahren zum Erkennen einer Lastabnahme beim Ansteuern eines piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50, 60), wobei das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) auf eine Zielspannung aufgeladen oder entladen wird, gekennzeichnet durch das Messen eines Zeitintervalls, das das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) benötigt, um die Zielspannung zu erreichen, und Vergleichen des gemessenen Zeitintervalls mit einem vorbestimmten Minimal-Zeitintervall und Erzeugen eines Fehlersignals, wenn das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) die Zielspannung schneller als das vorbestimmte Minimal-Zeitintervall erreicht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) ein Betätigungsglied in einem Kraftstoffeinspritzsystem ist.