DE60018385T2

DE60018385T2 - Bestimmung der Temperatur eines piezoelektrischen Elements unter Verwendung eines Energiebilanzmodells des piezoelektrischen Elements

Info

Publication number: DE60018385T2
Application number: DE2000618385
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: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2020-04-02
Also published as: EP1138914A1; JP2001349237A; DE60018385D1; EP1138914B1

Description

Bestimmen der Temperatur eines piezoelektrischen Elements unter Verwendung eines Modells der Energiebilanz des piezoelektrischen Elements.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung wie im Oberbegriff von Anspruch 1 definiert und ein Verfahren wie im Oberbegriff von Anspruch 7 definiert, das heißt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden eines piezoelektrischen Elements.
Die gegenwärtigen piezoelektrischen Elemente, die eingehender betrachtet werden, sind insbesondere, aber nicht ausschließlich, piezoelektrische Elemente, die als Aktuatoren verwendet werden. Piezoelektrische Elemente können für solche Zwecke eingesetzt werden, da sie bekannterweise die Eigenschaft besitzen, sich als Funktion einer daran angelegten oder darin auftretenden Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen.
Die praktische Implementierung von Aktuatoren unter Verwendung von piezoelektrischen Elementen stellt sich insbesondere dann als vorteilhaft heraus, wenn der fragliche Aktuator schnelle und/oder häufige Bewegungen ausführen muß.
Kraftstoffeinspritzsysteme, die piezoelektrische Aktuatoren verwenden, sind durch die Tatsache gekennzeichnet, daß zu einer ersten Annäherung piezoelektrische Aktuatoren eine proportionale Beziehung zwischen angelegter Spannung und der linearen Ausdehnung aufweisen. Die Verwendung von piezoelektrischen Elementen als Aktuatoren stellt sich als vorteilhaft heraus unter anderem in Kraftstoffeinspritzdüsen für Verbrennungsmotoren. Hinsichtlich der Einsetzbarkeit von piezoelektrischen Elementen in Kraftstoffeinspritzdüsen wird beispielsweise auf EP 0 371 469 B1 und auf EP 0 379 182 B1 Bezug genommen.
Aus JP 01069756 ist bekannt, einen piezoelektrischen Aktor gemäß seiner Temperatur zu steuern.
Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Elemente, die, wie bereits oben teilweise angedeutet, sich gemäß dem jeweiligen Ladungszustand oder Spannung, der/die darin auftritt oder daran angelegt wird, zusammenziehen und ausdehnen. Bei dem Beispiel einer Kraftstoffeinspritzdüse werden über das Ausdehnen und Zusammenziehen der piezoelektrischen Elemente Ventile gesteuert, die den geradlinigen Hub von Einspritznadeln steuern.
Aus den deutschen Patentanmeldungen DE 197 42 073 A1 und DE 197 29 844 A1 sind piezoelektrische Elemente mit doppeltwirkenden Doppelsitzventilen zum Steuern von Einspritznadeln in einem Kraftstoffeinspritzsystem bekannt.
Bei einer beispielsweise als ein doppeltwirkendes Doppelsitzventil implementierten Kraftstoffeinspritzdüse zum Steuern des linearen Hubs einer Nadel für die Kraftstoffeinspritzung in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors ist die in einen entsprechenden Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge eine Funktion der Zeit, während der das Ventil offen ist, und bei Verwendung eines piezoelektrischen Elements der an das piezoelektrische Element angelegten Aktivierungsspannung. Wenn sich der Ventilstopfen des Ventils in einer der beiden Sitze des doppeltwirkenden Steuerventils befindet, bleibt das Ventil geschlossen oder wird geschlossen. Wenn der Ventilstopfensich in einer Zwischenposition zwischen den Sitzen befindet, dann bleibt das Ventil offen oder wird geöffnet. Das Ziel besteht darin, ein gewünschtes Kraftstoffeinspritzvolumen mit hoher Genauigkeit insbesondere bei kleinen Einspritzvolumen, beispielsweise während der Voreinspritzung, zu erhalten.
Bei dem Beispiel eines doppeltwirkenden Steuerventils soll sich das piezoelektrische Element durch den Effekt einer an das piezoelektrische Element angelegten Aktivierungsspannung ausdehnen oder zusammenziehen, so daß ein entsprechender gesteuerter Ventilstopfenin der Mitte zwischen den beiden Sitzen des doppeltwirkenden Steuerventils positioniert wird, um die entsprechende Einspritznadel während einer eingestellten Zeitperiode für eine maximale Kraftstoffströmung zu positionieren. Es hat sich als schwierig herausgestellt, eine Aktivierungsspannug mit ausreichender Präzision zu bestimmen und anzulegen, so daß beispielsweise ein entsprechender Ventilstopfen für einen größten Kraftstoffstrom präzise positioniert wird.
Es hat sich insbesondere herausgestellt, daß zum präzisen Positionieren des Ventilstopfens ein temperaturabhängiger Hystereseeffekt berücksichtigt werden muß. Beispielsweise besitzt bei verschiedenen Temperaturen das piezoelektrische Element einen unterschiedlichen Hub bei verschiedenen Spannungen in Abhängigkeit davon, ob eine Annäherung an die Aktivierungsspannung von einer niedrigeren Spannung oder einer höheren Spannung stattfindet. Wenn dieser Effekt nicht berücksichtigt wird, würden die Position des Steuerventils und die Funktionsweise der Kraftstoffeinspritzung mit reduzierter Genauigkeit vorgenommen werden. Wenn die Temperatur des piezoelektrischen Elements hohe oder niedrige Extremwerte erreicht, werden außerdem bestimmte Möglichkeiten zum Messen der Temperatur der piezoelektrischen Elemente und Kompensieren ihrer entsprechenden Temperaturabhängigkeit weniger effektiv. Ausführlicher wird dies in einer von dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung am gleichen Datum eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel „Fuel Injection System" erörtert.
Da jedoch im allgemeinen die Temperatur des piezoelektrischen Elements nicht gemessen wird, kann zum Bestimmen der Temperatur des piezoelektrischen Elements ein Energiebilanzmodell des piezoelektrischen Elements verwendet werden, ohne daß es nötig wäre, sie direkt zu messen. Dadurch kann die Temperatur des piezoelektrischen Elements mit großer Genauigkeit geschätzt werden, was einer erhöhten Positioniergenauigkeit des Steuerventils entspricht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb in der Entwicklung der Vorrichtung wie im Oberbegriff von Anspruch 1 definiert und des Verfahrens wie im Oberbegriff von Anspruch 7 definiert, und zwar derart, daß ein Aktivierungsspannungspegel für ein piezoelektrisches Element mit ausreichender Präzision gesetzt wird, um beispielsweise einen Ventilstopfenfür einen größten Kraftstoffstrom genau zu positionieren. Das jeweilige piezoelektrische Element kann eines von mehreren piezoelektrischen Elementen sein, die als Aktuatoren in einem System verwendet werden, wie beispielsweise in einem Kraftstoffeinspritzsystem.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung mit Hilfe der Merkmale gelöst, die in dem kennzeichnenden Abschnitt von Anspruch 1 (Vorrichtung) und im kennzeichnenden Abschnitt von Anspruch 7 (Verfahren) beansprucht werden.
Sie schlagen vor:

– daß die Steuereinheit die Temperatur des piezoelektrischen Elements über ein Energiebilanzmodell bestimmt (kennzeichnender Abschnitt von Anspruch 1) und
– daß die Temperatur des piezoelektrischen Elements über ein Energiebilanzmodell bestimmt wird (kennzeichnender Abschnitt von Anspruch 7).

Die vorliegende Erfindung sorgt als solche für das Kompensieren der Temperaturhystereseeffekte der piezoelektrischen Elemente. Ein resultierender Vorteil ergibt sich durch Betrachtung dieser Effekte, der maximale Aktuatorhub kann mit erheblich größerer Genauigkeit geschätzt werden, so daß die Ansteuerspannung entsprechend justiert werden könnte.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen der folgenden Beschreibung und dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen Aktivierungsspannung und eingespritztem Kraftstoffvolumen in einem festen Zeitraum für das Beispiel eines doppeltwirkenden Steuerventils zeigt;
2 ein schematisches Profil eines beispielhaften Steuerventilhubs und eines entsprechenden Düsennadelhubs für das Beispiel eines doppeltwirkenden Steuerventils;
3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung, in der die vorliegende Erfindung implementiert werden kann;
4a eine Darstellung zum Erläutern der Zustände, die während einer ersten Ladephase (Ladeschalter 220 geschlossen) in der Schaltung von 3 auftreten;
4b eine Darstellung zum Erläutern der Zustände, die während einer zweiten Ladephase (Ladeschalter 220 wieder offen) in der Schaltung von 3 auftreten;
4c eine Darstellung zum Erläutern der Zustände, die während einer ersten Entladephase (Entladeschalter 230 geschlossen) in der Schaltung von 3 auftreten;
4d eine Darstellung zum Erläutern der Zustände, 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, der auch in 3 gezeigt ist.
6 zeigt ein Blockschaltbild von Softwaremodulen, die in der Steuereinheit D und dem Aktivierungs-IC E implementiert sind, die ebenfalls in 3 gezeigt sind, sowie der Kopplung zwischen diesen Modulen, einem Kraftstoffeinspritzsystem und einem entsprechenden Verbrennungsmotor.
7 zeigt eine graphische Darstellung, die die lineare Ausdehnung eines piezoelektrischen Elements als Funktion der Temperatur zeigt;
8 zeigt eine graphische Darstellung, die den korrigierten Energieverlust als Funktion der Temperatur zeigt;
9 zeigt eine Funktionsstruktur eines Energiebilanzmodells für ein piezoelektrisches Element und
10 zeigt ein Schemadiagramm eines durch ein piezoelektrisches Element betätigten Kraftstoffeinspritzventils.
10 ist eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems, das ein piezoelektrisches Element 2010 als Aktuator verwendet. Unter Bezugnahme auf 10 wird das piezoelektrische Element 2010 bestromt, damit es sich als Reaktion auf eine gegebene Aktivierungsspannung ausdehnt und zusammenzieht. Das piezoelektrische Element 2010 ist an einen Kolben 2015 gekoppelt. Im ausgedehnten Zustand bewirkt das piezoelektrische Element 2010, daß der Kolben 2015 in einen Hydraulikadapter 2020 vorsteht, der ein Hydraulikfluid, beispielsweise Kraftstoff, enthält.
Infolge der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements wird das doppeltwirkende Steuerventil 2025 vom Hydraulikadapter 2020 hydraulisch weggedrückt, und der Ventilstopfen 2035 wird aus einer ersten geschlossenen Position 2040 weggefahren. Die Kombination aus doppeltwirkendem Steuerventil 2025 und Hohlbohrung 2050 wird oftmals deshalb als ein doppeltwirkendes Doppelsitzventil bezeichnet, weil das doppeltwirkende Steuerventil 2025 in seiner ersten geschlossenen Position 2040 ruht, wenn sich das piezoelektrische Element 2010 in einem nichtangeregten Zustand befindet. Wenn das piezoelektrische Element 2010 andererseits vollständig ausgedehnt ist, ruht es in seiner zweiten geschlossenen Position 2030. Letztere Position des Ventilstopfens 2035 ist mit Umrißlinien in 10 schematisch dargestellt.
Das Kraftstoffeinspritzsystem umfaßt eine Einspritznadel 2070, die das Einspritzen von Kraftstoff aus einer unter Druck stehenden Kraftstoffzufuhrleitung 2060 in den nicht gezeigten Zylinder gestattet. Wenn das piezoelektrische Element 2010 nicht angeregt ist oder wenn es vollständig ausgedehnt ist, ruht das doppeltwirkende Steuerventil 2025 jeweils in seiner ersten geschlossenen Position 2040 oder in seiner zweiten geschlossenen Position 2030. In jedem Fall hält der Hydraulik-Rail-Druck die Einspritznadel 2070 in einer geschlossenen Position. Somit tritt die Kraftstoffmischung nicht in den nicht gezeigten Zylinder ein. Wenn umgekehrt das piezoelektrische Element 2010 derart angeregt ist, daß sich das doppeltwirkende Steuerventil 2025 in der sogenannten Mittelposition bezüglich der Hohlbohrung 2050 befindet, dann kommt es zu einem Druckabfall in der unter Druck stehenden Kraftstoffzufuhrleitung 2060. Dieser Druckabfall führt zu einem Druckdifferential in der unter Druck stehenden Kraftstoffzufuhrleitung 2060 zwischen der Oberseite und der Unterseite der Einspritznadel 2070, so daß die Einspritznadel 2070 angehoben wird und das Einspritzen von Kraftstoff in den nicht gezeigten Zylinder gestattet.
1 zeigt eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Aktivierungsspannung U und dem eingespritzten Kraftstoffvolumen m_e während eines vorgewählten festgelegten Zeitraums für ein beispielhaftes Kraftstoffeinspritzsystem unter Verwendung von piezoelektrischen Elementen darstellt, die auf doppeltwirkende Steuerventile wirken. Die y-Achse stellt das in eine Zylinderkammer während des vorgewählten festen Zeitraums eingespritzte Kraftstoffvolumen dar. Die x-Achse stellt die Aktivierungsspannung dar, die an das entsprechende piezoelektrische Element angelegt oder darin gespeichert wird, mit dem ein Ventilstopfendes doppeltwirkenden Steuerventils verschoben wird.
Bei x = 0 und y = 0 ist die Aktivierungsspannung U gleich Null, und der Ventilstopfen sitzt in einer ersten geschlossenen Position, um das Strömen von Kraftstoff während des vorgewählten festgelegten Zeitraums zu verhindern. Für über Null liegende Werte der Aktivierungsspannung U bis zu dem als U_opt angezeigten Punkt auf der x-Achse bewirken die dargestellten Werte der Aktivierungsspannung U das Verschieben des Ventilstopfens von der ersten geschlossenen Position weg zur zweiten geschlossenen Position, und zwar auf eine Weise, die für den festgelegten Zeitraum zu einem größeren eingespritzten Kraftstoffvolumen führt, wenn sich die Aktivierungsspannung U_opt nähert, bis zu dem Wert für das Volumen, der auf der y-Achse durch m_e,max angegeben ist. Der dem größten Volumen für während des festen Zeitraums eingespritzten Kraftstoff entsprechende Punkt m_e,max stellt den Wert der Aktivierungsspannung für das Anlegen an oder Laden des piezoelektrischen Elements dar, der zu einer optimalen Verschiebung des Ventilstopfens zwischen der ersten und zweiten geschlossenen Position führt.
Wie in der graphischen Darstellung von 1 gezeigt, nimmt das während des festgelegten Zeitraums eingespritzte Kraftstoffvolumen für Werte der Aktivierungsspannung über U_opt ab, bis es Null erreicht. Dies stellt die Verschiebung des Ventilstopfens von dem optimalen Punkt weg und zu der zweiten geschlossenen Position des doppeltwirkenden Steuerventils dar, bis der Ventilstopfen an der zweiten geschlossenen Position sitzt. Somit veranschaulicht die graphische Darstellung von 1, daß es bei der Kraftstoffeinspritzung zu einem Maximalvolumen kommt, wenn die Aktivierungsspannung bewirkt, daß das piezoelektrische Element den Ventilstopfenbis zu dem optimalen Punkt verschiebt.
Die vorliegende Erfindung lehrt, daß der Wert für U_opt zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt für ein bestimmtes piezoelektrisches Element durch die Arbeitscharakteristiken des jeweiligen piezoelektrischen Elements zu diesem Zeitpunkt beeinflußt wird. Das heißt, daß von dem piezoelektrischen Element für eine bestimmte Aktivierungsspannung verursachte Verschiebungsausmaß variiert als Funktion der Arbeitscharakteristiken des jeweiligen piezoelektrischen Elements. Um ein maximales Kraftstoffeinspritzvolumen m_e,max während eines gegebenen festgelegten Zeitraums zu erreichen, sollte dementsprechend die an das piezoelektrische Element angelegte oder in diesem auftretende Aktivierungsspannung auf einen Wert gesetzt werden, der für die gegenwärtigen Arbeitscharakteristiken des jeweiligen piezoelektrischen Elements relevant ist, damit man U_opt erzielt.
2 zeigt eine doppelte graphische Darstellung, die ein schematisches Profil eines beispielhaften Steuerventilhubs zeigt, um den oben erörterten Betrieb des Doppelsitzventils zu veranschaulichen. In der oberen graphischen Darstellung von 2 stellt die x-Achse die Zeit und die y-Achse die Verschiebung des Ventilstopfens (Ventilhub) dar. In der unteren graphischen Darstellung von 2 stellt die x-Achse wieder die Zeit dar, während die y-Achse einen Düsennadelhub zur Bereitstellung einer Kraftstoffströmung darstellt, der sich aus dem Ventilhub der oberen graphischen Darstellung ergibt. Die obere und untere graphische Darstellung sind aufeinander ausgerichtet, damit sie hinsichtlich der Zeit einander entsprechen, wie durch die jeweiligen x-Achsen dargestellt.
Während eines Einspritzzyklus wird das piezoelektrische Element geladen, was zu einer Ausdehnung des piezoelektrischen Elements führt, wie ausführlicher beschrieben wird, und bewirkt, daß sich der entsprechende Ventilstopfenaus der ersten geschlossenen Position in die zweite geschlossene Position für einen Voreinspritzhub bewegt, wie in der oberen graphischen Darstellung von 2 gezeigt. Die untere graphische Darstellung von 2 zeigt das Einspritzen von wenig Kraftstoff, wozu es kommt, während sich der Ventilstopfenzwischen den beiden Sitzen des doppeltwirkenden Steuerventils bewegt, wodurch das Ventil geöffnet und geschlossen wird, während sich der Stopfen zwischen den beiden Sitzen bewegt. Das Laden des piezoelektrischen Elements kann im allgemeinen in zwei Stufen erfolgen: der erste besteht darin, es bis auf eine bestimmte Spannung zu laden und zu bewirken, daß sich das Ventil öffnet, und der zweite besteht darin, es weiter zu laden und zu bewirken, daß sich das Ventil wieder an der zweiten geschlossenen Position schließt. Zwischen den Stufen kann es im allgemeinen zu einer bestimmten zeitlichen Verzögerung kommen.
Nach einem vorausgewählten Zeitraum wird dann eine Entladeoperation durchgeführt, wie unten ausführlicher erläutert wird, um die Ladung innerhalb des piezoelektrischen Elements so zu reduzieren, daß es sich zusammenzieht, wie ebenfalls ausführlicher beschrieben wird, und bewirkt, daß sich der Ventilstopfen von der zweiten geschlossenen Position wegbewegt und am Mittelpunkt zwischen den beiden Sitzen anhält. Wie in 1 angedeutet, soll die Aktivierungsspannung innerhalb des piezoelektrischen Elements einen Wert erreichen, der gleich U_opt ist, um einem optimalen Punkt des Ventilhubs zu entsprechen, und so einen maximalen Kraftstoffstrom m_e,max während des Zeitraums zu erhalten, der einer Haupteinspritzung zugewiesen ist. Die obere und untere graphische Darstellung von 2 zeigen das Halten des Ventilhubs an einem Mittelpunkt, was zu einer Hauptkraftstoffeinspritzung führt.
Am Ende des Zeitraums für die Haupteinspritzung wird das piezoelektrische Element bis auf eine Aktivierungsspannung von Null entladen, was zu einem weiteren Zusammenziehen des piezoelektrischen Elements führt, um zu bewirken, daß sich der Ventilstopfenvon der optimalen Position weg zu der ersten geschlossenen Position bewegt, wodurch das Ventil geschlossen und der Kraftstoffstrom gestoppt wird, wie in der oberen und unteren graphischen Darstellung von 2 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Ventilstopfenwieder in einer Position, um einen weiteren Zyklus aus Voreinspritzung und Haupteinspritzung zu wiederholen, wie beispielsweise gerade beschrieben. Natürlich kann jeder andere Einspritzzyklus ausgeführt werden.
3 stellt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer Anordnung bereit, in der die vorliegende Erfindung ausgebildet sein kann.
3 hat einen detaillierten Bereich A und einen nicht-detaillierten Bereich B, deren Trennung durch eine gestrichelte Linie c angegeben ist. Der detaillierte Bereich A umfaßt eine Schaltung zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60. In dem betrachteten Beispiel sind diese piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 Aktuatoren in Kraftstoffeinspritzdüsen (insbesondere in sogenannten Common-Rail-Injektoren) eines Verbrennungsmotors. Piezoelektrische Elemente können für solche Zwecke verwendet werden, da sie bekannterweise und wie oben erörtert die Eigenschaft besitzen, sich als Funktion einer daran angelegten oder darin auftretenden Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen. In der beschriebenen Ausführungsform werden sechs piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 genommen, um sechs Zylinder innerhalb eines Verbrennungsmotors unabhängig zu steuern; somit könnte eine beliebige andere Anzahl von piezoelektrischen Elementen einen beliebigen anderen Zweck entsprechen.
Der nicht-detaillierte Bereich B umfaßt eine Steuereinheit D und einen Aktivierungs-IC E, über die die Elemente innerhalb des detaillierten Bereichs A gesteuert werden, sowie ein Meßsystem F zum Messen von Systemarbeitscharakteristiken wie etwa beispielsweise Kraftstoffdruck und Drehzahl (UpM) des Verbrennungsmotors zur Eingabe in und Verwendung durch die Steuereinheit D, gemäß der vorliegenden Erfindung, wie unten ausführlich beschrieben wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Steuereinheit D und der Aktivierungs-IC E so programmiert, daß sie die Aktivierungsspannungen für piezoelektrische Elemente als Funktion der Arbeitscharakteristiken des jeweiligen piezoelektrischen Elements steuern.
Die folgende Beschreibung führt zuerst die individuellen Elemente innerhalb des detaillierten Bereichs A ein. Dann werden die Abläufe des Ladens und Entladens von piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50, 60 allgemein beschrieben. Schließlich werden die Möglichkeiten, wie beide Abläufe mit Hilfe der Steuereinheit D und des Aktivierungs-IC E gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert werden, ausführlich beschrieben.
Die Schaltung innerhalb des detaillierten Bereichs A umfaßt sechs piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60.
Die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 sind in eine erste Gruppe G1 und eine zweite Gruppe G2 aufgeteilt, die jeweils drei piezoelektrische Elemente umfassen (das heißt piezoelektrische Elemente 10, 20 und 30 in der ersten Gruppe G1 bzw. 40, 50 und 60 in der zweiten Gruppe G2). Die Gruppen G1 und G2 sind Bestandteile von Schaltungsteilen, die parallel zueinander geschaltet sind. Gruppenwahlschalter 310, 320 können dafür verwendet werden 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 werden (jedoch sind die Gruppenwahlschalter 310, 320 für die Ladeabläufe ohne Bedeutung, wie unten ausführlicher erläutert wird).
Die Gruppenwahlschalter 310, 320 sind zwischen einer Spule 240 und den jeweiligen Gruppen G1 und G2 (den Anschlüssen auf der Spulenseite davon) angeordnet und als Transistoren implementiert. Seitentreiber 311, 321 sind implementiert, die von dem Aktivierungs-IC E erhaltene Steuersignale in Spannungen transformieren, die je nach Bedarf zum Schließen und Öffnen der Schalter gewählt werden können.
Dioden 315 bzw. 325 (als Gruppenwahldioden bezeichnet) sind parallel zu den Gruppenwahlschaltern 310, 320 vorgesehen. Wenn die Gruppenwahlschalter 310, 320 beispielsweise als MOSFETs oder IGBTs implementiert sind, können diese Gruppenwahldioden 315 und 325 durch die parasitären Dioden selbst gebildet werden. Die Dioden 315, 325 umgehen die Gruppenwahlschalter 310, 320 während der Ladeabläufe. Somit wird die Funktionalität der Gruppenwahlschalter 310, 320 darauf reduziert, eine Gruppe G1, G2 von piezoelektrischen Elementen 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 nur für einen Entladeablauf auszuwählen.
Innerhalb jeder Gruppe G1 bzw. G2 sind die piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 als Bestandteile von Piezoverzweigungen 110, 120 und 130 (Gruppe G1) und 140, 150 und 160 (Gruppe G2) angeordnet, die parallel geschaltet sind. Jede Piezoverzweigung umfaßt eine Reihenschaltung, die aus einer ersten Parallelschaltung besteht, die ein piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 und einen Widerstand 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 (als Verzweigungswiderstände bezeichnet) umfaßt, und einer zweiten Parallelschaltung, die aus einem Wahlschalter besteht, der als ein Transistor 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 (als Verzweigungswahlschalter bezeichnet) und einer Diode 12, 22, 32, 42, 52 bzw. 62 (als Verzweigungsdioden bezeichnet) besteht.
Die Verzweigungswiderstände 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 bewirken, daß jedes entsprechende piezoelektrische Element 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 sich während und nach einem Ladeablauf ständig entlädt, da sie beide Anschlüsse jedes kapazitiven piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 miteinander verbinden. Die Verzweigungswiderstände 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 sind jedoch ausreichend groß, damit dieser Ablauf im Vergleich zu den gesteuerten Lade- und Entladeabläufen langsam wird, wie unten beschrieben. Es ist somit weiterhin eine angemessene Prämisse, das Laden eines beliebigen piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 so zu betrachten, daß es sich innerhalb einer relevanten Zeit nach einem Ladeablauf nicht ändert (der Grund, um dennoch die Verzweigungswiderstände 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 Zusammenbruchs des Systems oder anderer Ausnahmesituationen zu vermeiden). Somit können die Verzweigungswiderstände 13, 23, 33, 43, 53 und 63 in der folgenden Beschreibung vernachlässigt werden.
Die Verzweigungswahlschalter-Verzweigungsdioden-Paare in den individuellen Piezoverzweigungen 110, 120, 130, 140, 150 bzw. 160, das heißt Wahlschalter 11 und Diode 12 in der Piezoverzweigung 110, Wahlschalter 21 und Diode 22 in der Piezoverzweigung 120 usw. können unter Verwendung von elektronischen Schaltern (d.h. Transistoren) mit parasitären Dioden, beispielsweise MOSFETs und IGBTs implementiert werden (wie oben für die Gruppenwahlschalter-/-dioden-Paare 310 und 315 bzw. 320 und 325 angegeben).
Mit den Verzweigungswahlschaltern 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, 40, 50 oder 60, die geladen werden, all jene, deren Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 oder 61 während des Ladungsablaufs geschlossen sind, der unten beschrieben ist. Üblicherweise ist zu einem beliebigen Zeitpunkt nur einer der Verzweigungswahlschalter geschlossen.
Die Verzweigungsdioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 dienen dazu, die Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 während Entladeabläufen zu umgehen. Bei dem für Ladeabläufe betrachteten Beispiel kann somit jedes individuelle piezoelektrische Element gewählt werden, wohingegen für Entladeabläufe entweder die erste Gruppe G1 oder die zweite Gruppe G2 von piezoelektrischen Elementen 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 oder beide ausgewählt werden müssen.
Zu den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 selbst zurückkehrend, können die Verzweigungswahlpiezoanschlüsse 15, 25, 35, 45, 55 bzw. 65 entweder über die Verzweigungswahlschalter 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 sein.
Der Zweck des Widerstands 300 besteht darin, die Ströme zu messen, die während des Ladens und Entladens der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zwischen den Verzweigungswahlpiezoanschlüssen 15, 25, 35, 45, 55 bzw. 65 und Masse fließen. Eine Kenntnis dieser Ströme gestattet ein gesteuertes Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60. Insbesondere ist es möglich, indem der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 auf eine Weise geschlossen und geöffnet werden, die von der Größe der Ströme abhängt, den Ladestrom und den Entladestrom auf vordefinierte Mittelwerte zu setzen und/oder zu verhindern, daß sie über einen vordefinierten Höchstwert ansteigen und/oder unter einen vordefinierten Mindestwert abfallen, wie unten ausführlicher erläutert wird.
Bei dem betrachteten Beispiel erfordert die Messung selbst weiterhin eine Spannungsquelle 621, die beispielsweise eine Spannung von 5 V Gleichstrom bereitstellt, und einen als zwei Widerstände 622 und 623 implementierten Spannungsteiler. Damit soll der Aktivierungs-IC E (über den die Messungen durchgeführt werden) vor negativen Spannungen geschützt werden, die ansonsten am Meßpunkt 620 auftreten könnten und die mit Hilfe des Aktivierungs-IC E nicht gehandhabt werden können: solche negativen Spannungen werden in positive Spannungen geändert, und zwar mit Hilfe der Addition mit einem positiven Spannungs-Setup, der von der Spannungsquelle 621 und den Spannungsteilerwiderständen 622 und 623 geliefert wird.
Der andere Anschluß jedes piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 und 60, das heißt der Gruppenwahlpiezoanschluß 14, 24, 34, 44, 54 bzw. 64, kann an den Pluspol einer Spannungsquelle über den Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 oder über die Gruppenwahldiode 315 bzw. 325 sowie über eine Spule 240 und eine Parallelschaltung, die aus einem Ladeschalter 220 und einer Ladediode 221 besteht, angeschlossen sein und alternativ oder zusätzlich mit Masse über den Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 oder über die Diode 315 bzw. 325 sowie über die Spule 240 und eine Parallelschaltung sein, die aus einem Entladeschalter 230 oder einer Entladediode 231 besteht, verbunden. Der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 sind beispielsweise als Transistoren implementiert, die über Seitentreiber 222 bzw. 232 gesteuert werden.
Die Spannungsquelle umfaßt ein Element mit kapazitiven Eigenschaften, das bei dem betrachteten Beispiel der (Puffer-)Kondensator 210 ist. Der Kondensator 210 wird von einer Batterie 200 (beispielsweise einer Kraftfahrzeugbatterie) und einem Gleichspannungswandler 201 dahinter geladen. Der Gleichspannungswandler 201 wandelt die Batteriespannung (beispielsweise 12 V) im wesentlichen in jede andere Gleichspannung (beispielsweise 250 V) um und lädt den Kondensator 210 auf diese Spannung. Der Gleichspannungswandler 201 wird mit Hilfe des Transistorschalters 202 und des Widerstands 203 gesteuert, der für Strommessungen verwendet wird, die an einem Meßpunkt 630 vorgenommen werden.
Zu Zwecken der Gegenprobe wird eine weitere Strommessung an einem Meßpunkt 650 durch den Aktivierungs-IC E sowie durch Widerstände 651, 652 und 653 und eine Quelle 654 mit einer Spannung von beispielsweise 5 V Gleichstrom gestattet; außerdem wird eine Spannungsmessung an einem Meßpunkt 640 durch Aktivierungs-IC E sowie durch spannungsteilende Widerstände 641 und 642 gestattet.
Ein Widerstand 330 (der als Gesamtentladewiderstand bezeichnet wird), ein als ein Transistor 331 implementierter Stoppschalter (als Stoppschalter bezeichnet) und eine (als Gesamtentladediode bezeichnete) Diode 332 dienen schließlich dazu, die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zu entladen (falls sie nicht bereits durch den „normalen" Entladevorgang entladen worden sind, wie unten näher beschrieben). Der Stoppschalter 331 wird bevorzugt nach „normalen" Entladeabläufen geschlossen (zyklisches Entladen über Entladeschalter 230). Er verbindet dadurch die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 über Widerstände 330 und 300 mit Masse und beseitigt somit etwaige Restladungen, die in den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zurückbleiben könnten. Die Gesamtentladediode 332 verhindert, daß an den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 negative Spannungen auftreten, die unter einigen Umständen dadurch beschädigt werden könnten.
Das Laden und Entladen aller piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 oder irgendeines bestimmten wird über eine einzelne Lade- und Entladevorrichtung bewerkstelligt (die allen Gruppen und ihren piezoelektrischen Elementen gemein 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 funktioniert auf die gleiche Weise und wird nachfolgend unter Bezugnahme lediglich auf das erste piezoelektrische Element 10 erläutert.
Die während der Lade- und Entladeabläufe auftretenden Zustände werden unter Bezugnahme auf 4a bis 4d erläutert, von denen 4a und 4b das Laden des piezoelektrischen Elements 10 und 4c und 4d das Entladen des piezoelektrischen Elements 10 darstellen.
Die Wahl eines oder mehrerer jeweiliger piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, die geladen oder entladen werden sollen, der Ladeablauf wie nachfolgend beschrieben sowie der Entladeablauf werden von den Aktivierungs-IC E und der Steuereinheit D mit Hilfe des Öffnens oder Schließens von einem oder mehreren der oben eingeführten Schalter 11, 21, 31, 41, 51, 61; 310, 320; 220, 230 und 331 angetrieben. Die Wechselwirkungen zwischen den Elementen innerhalb des detaillierten Bereichs A einerseits und dem Aktivierungs-IC E und der Steuereinheit D andererseits werden unten ausführlich beschrieben.
Hinsichtlich des Ladeablaufs muß zuerst ein beliebiges jeweiliges piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 gewählt werden, das geladen werden soll. Um ausschließlich das erste piezoelektrische Element 10 zu laden, wird der Verzweigungswahlschalter 11 der ersten Verzweigung 110 geschlossen, wohingegen alle anderen Verzweigungswahlschalter 21, 31, 41, 51 und 61 geöffnet bleiben. Um ausschließlich irgendein anderes piezoelektrisches Element 20, 30, 40, 50, 60 oder um mehrere einzelne zur gleichen Zeit zu laden, würden sie gewählt werden, indem die entsprechenden Verzweigungswahlschalter 21, 31, 41, 51 und/oder 61 geschlossen werden.
Dann kann der eigentliche Ladeablauf stattfinden:
Innerhalb des betrachteten Beispiels erfordert der Ladeablauf im allgemeinen eine positive Potentialdifferenz zwischen Kondensator 210 und dem Gruppenwahlpiezoanschluß 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10. Solange jedoch der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 offen sind, kommt es zu keinem Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elements 10: In diesem Zustand befindet sich die in 3 gezeigte Schaltung in einem eingeschwungenen Zustand, das heißt, das piezoelektrische Element 10 behält seinen Ladungszustand auf im wesentlichen unveränderte Weise bei und keine Ströme fließen.
Um das erste piezoelektrische Element 10 zu laden, wird der Ladeschalter 220 geschlossen. Theoretisch könnte das erste piezoelektrische Element 10 einfach dadurch geladen werden. Dies würde jedoch große Ströme erzeugen, die die beteiligten Elemente beschädigen könnten. Deshalb werden die auftretenden Ströme am Meßpunkt 620 gemessen und der Schalter 220 wird wieder geöffnet, sobald die detektierten Ströme eine bestimmte Grenze übersteigen. Um eine beliebige gewünschte Ladung auf dem ersten piezoelektrischen Element 10 zu erreichen, wird daher der Ladeschalter 220 wiederholt geschlossen und geöffnet, während der Entladeschalter 230 offen bleibt.
Ausführlicher ausgedrückt kommt es, wenn der Ladeschalter 220 geschlossen ist, zu den in 4a gezeigten Zuständen, das heißt, ein geschlossener Kreis, der eine Reihenschaltung umfaßt, die aus piezoelektrischem Element 10, Kondensator 210 und Spule 240 besteht, wird gebildet, in dem ein Strom i_LE(t) fließt, wie durch die Pfeile in 4a angedeutet. Infolge dieses Stromflusses werden beide positive Ladungen zu dem Gruppenwahlpiezoanschluß 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10 gebracht und Energie wird in der Spule 240 gespeichert.
Wenn sich der Ladeschalter 220 kurz (beispielsweise einige wenige μs) nachdem er geschlossen worden ist, öffnet, treten die in 4b gezeigten Zustände auf: Ein geschlossener Kreis, der eine Reihenschaltung umfaßt, die aus piezoelektrischem Element 10, Ladediode 221 und Spule 240 besteht, wird gebildet, in dem ein Strom i_LA(t) fließt, wie durch die Pfeile in 4b angedeutet. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß in der Spule 240 gespeicherte Energie in das piezoelektrische Element 10 fließt. Entsprechend der Energiezufuhr zu dem piezoelektrischen Element 10 nehmen die in letzterem auftretende Spannung und seine externen Abmessungen zu. Nachdem der Energietransport von der Spule 240 zum piezoelektrischen Element 10 stattgefunden hat, wird wieder der eingeschwungene Zustand der Schaltung wie in 3 gezeigt und bereits beschrieben, erreicht.
Je nach dem gewünschten Zeitprofil des Ladevorgangs wird zu diesem Zeitpunkt oder früher oder später der Ladeschalter 220 wieder einmal geschlossen und wieder geöffnet, so daß die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden. Infolge des Wiederschließens und Wiederöffnens des Ladeschalters 220 nimmt die im piezoelektrischen Element gespeicherte Energie zu (die bereits im piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie und die neu zugeführte Energie werden zusammenaddiert), und die am piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und seine externen Abmessungen nehmen dementsprechend zu.
Wenn das oben erwähnte Schließen und Öffnen des Ladeschalters 220 mehrmals wiederholt wird, nehmen die am piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 10 in Stufen zu.
Nachdem der Ladeschalter 220 mit einer vordefinierten Häufigkeit geschlossen und geöffnet worden ist und/oder nachdem das piezoelektrische Element 10 den gewünschten Ladezustand erreicht hat, wird das Laden des piezoelektrischen Elements beendet, indem der Ladeschalter 220 offengelassen wird.
Hinsichtlich des Entladeablaufs werden bei dem betrachteten Beispiel die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 wie folgt in Gruppen (G1 und/oder G2) entladen:
Zuerst werden der oder die Gruppenwahlschalter 310 und/oder 320 der Gruppe oder Gruppen G1 und/oder G2, deren piezoelektrische Elemente entladen werden sollen, geschlossen (die Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 61 beeinflussen nicht die Wahl der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 für den Entladeablauf, da sie in diesem Fall von den Verzweigungsdioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 überbrückt 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 ist, treten die in 4c gezeigten Zustände auf: Ein geschlossener Kreis entsteht, der eine Reihenschaltung umfaßt, die aus dem piezoelektrischen Element 10 und der Spule 240 besteht und in der ein Strom i_EE(t) fließt, wie durch die Pfeile in 4c angedeutet. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß die im piezoelektrischen Element gespeicherte Energie (ein Teil davon) in die Spule 240 transportiert wird. Entsprechend der Energieübertragung von piezoelektrischem Element 10 zur Spule 240 nehmen die an dem piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und seine externen Abmessungen ab.
Wenn sich der Entladeschalter 230 kurz (beispielsweise einige wenige μs) nachdem er geschlossen hat, öffnet, treten die in 4d gezeigten Zustände ein: Ein geschlossener Kreis entsteht, der eine Reihenschaltung umfaßt, die aus dem piezoelektrischen Element 10, dem Kondensator 210, der Entladediode 231 und der Spule 240 besteht und in der ein Strom i_EA(t) fließt, wie durch die Pfeile in 4d angedeutet. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß in der Spule 240 gespeicherte Energie in den Kondensator 210 zurückgeführt wird. Nachdem der Energietransport von der Spule 240 zum Kondensator 210 stattgefunden hat, wird der eingeschwungene Zustand der Schaltung, wie in 3 gezeigt und bereits beschrieben, wieder erreicht.
Je nach dem gewünschten Zeitprofil des Entladevorgangs wird zu diesem Zeitpunkt oder früher oder später der Entladeschalter 230 wieder einmal geschlossen und wieder geöffnet, so daß die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden. Infolge des Wiederschließens und Wiederöffnens des Entladeschalters 230 wird die im piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie weiter reduziert, und die am piezoelektrischen Element auftretende Spannung und seine externen Abmessungen dementsprechend reduziert.
Wenn das oben erwähnte Schließen und Öffnen des Entladeschalters 230 mehrmals wiederholt wird, nehmen die am piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 10 in Stufen ab.
Nachdem der Entladeschalter 230 mit einer vordefinierten Häufigkeit geschlossen und geöffnet worden ist und/oder nachdem das piezoelektrische Element den gewünschten Ladezustand erreicht hat, wird das Entladen des piezoelektrischen Elements 10 beendet, indem der Entladeschalter 230 offengelassen wird.
Die Wechselwirkung zwischen dem Aktivierungs-IC E und der Steuereinheit D einerseits und den Elementen innerhalb des detaillierten Bereichs A andererseits erfolgt durch Steuersignale, die vom Aktivierungs-IC E zu Elementen innerhalb des detaillierten Bereichs A über Verzweigungswahlsteuerleitungen 410, 420, 430, 440, 450, 460, Gruppenwahlsteuerleitungen 510, 520, Stoppschaltersteuerleitung 530, Ladeschaltersteuerleitung 540 und Entladeschaltersteuerleitung 550 und Steuerleitung 560 geschickt werden. Andererseits gibt es Sensorsignale, die an Meßpunkten 600, 610, 620, 630, 640, 650 innerhalb des detaillierten Bereichs A erhalten werden, die über Sensorleitungen 700, 710, 720, 730, 740, 750 zum Aktivierungs-IC E übertragen werden.
Die Steuerleitungen werden dazu verwendet, Spannungen an die Transistorbasen anzulegen oder nicht anzulegen, um piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 auszuwählen, um Lade- oder Entladeabläufe eines einzelnen oder mehrerer piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 mit Hilfe des Öffnens und Schließens der entsprechenden Schalter wie oben beschrieben durchzuführen. Die Sensorsignale werden insbesondere dazu verwendet, die resultierende Spannung der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 von Meßpunkten 600 bzw. 610 und den Lade- und Entladeströmen vom Meßpunkt 620 zu bestimmen. Die Steuereinheit D und der Aktivierungs-IC E werden dazu verwendet, beide Arten von Signalen zu kombinieren, um eine Wechselwirkung von beiden durchzuführen, wie ausführlich beschrieben wird, wobei auf 3 und 5 Bezug genommen wird.
Wie in 3 angegeben, sind die Steuereinheit D und der Aktivierungs-IC E mit Hilfe eines parallelen Busses 840 und zusätzlich mit Hilfe eines seriellen Busses 850 miteinander verbunden. Der parallele Bus 840 wird insbesondere für die schnelle Übertragung von Steuersignalen von der Steuereinheit D zum Aktivierungs-IC E verwendet, wohingegen der serielle Bus 850 für eine langsamere Datenübertragung verwendet wird.
In 5 sind einige Komponenten angegeben, die der Aktivierungs-IC E umfaßt: eine Logikschaltung 800, einen RAM-Speicher 810, ein Digital-Analog-Wandlersystem 820 und ein Vergleichersystem 830. Weiterhin ist angegeben, daß der (für Steuersignale verwendete) schnelle parallele Bus 840 an die Logikschaltung 800 des Aktivierungs-IC E angeschlossen 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 Vergleichersystem 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 an die Logikschaltung 800 siwie an das Digital-Analog-Wandlersystem 820 angeschlossen. Das Digital-Analog-Wandlersystem 820 ist weiterhin mit dem Vergleichersystem 830 verbunden. Das Vergleichersystem 830 ist weiterhin mit den Sensorleitungen 700 und 710; 720; 730, 740 und 750 und, wie bereits erwähnt, mit der Logikschaltung 800 verbunden.
Die oben aufgeführten Komponenten können in einem Ladeablauf beispielsweise wie folgt verwendet werden: Mit Hilfe der Steuereinheit D wird ein bestimmtes piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 bestimmt, das bis auf eine bestimmte Zielspannung geladen werden soll. Somit wird zuerst der Wert der Zielspannung (durch eine digitale Zahl ausgedrückt) über den langsameren seriellen Bus 850 zum RAM-Speicher 810 übertragen. Die Zielspannung kann beispielsweise der bei einer Haupteinspritzung verwendete Wert U_opt sein, wie oben bezüglich 1 beschrieben. Später oder gleichzeitig wird an die Logikschaltung 800 über den parallelen Bus 840 ein Code übertragen, der dem jeweiligen piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, das ausgewählt werden soll, und der Adresse der Sollspannung innerhalb des RAM-Speichers 810 entspricht. Später wird ein Strobesignal über den parallelen Bus 840 an die Logikschaltung 800 geschickt, das das Startsignal für den Ladeablauf liefert.
Das Startsignal bewirkt zuerst, daß die Logikschaltung 800 den digitalen Wert der Zielspannung vom RAM-Speicher 810 aufgreift und ihn auf das Digital-Analog- Wandlersystem 820 gibt, wodurch an einem analogen Ausgang der Wandler 820 die Sollspannung auftritt. Außerdem ist der nicht gezeigte analoge Ausgang mit dem Vergleichersystem 830 verbunden. Zusätzlich dazu wählt die Logikschaltung 800 entweder den Meßpunkt 600 (für ein beliebiges der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 der ersten Gruppe G1) oder den Meßpunkt 610 (für ein beliebiges der piezoelektrischen Elemente 40, 50 oder 60 der zweiten Gruppe G2) an das Vergleichersystem 830. Als Ergebnis davon werden die Zielspannung und die vorliegende Spannung am ausgewählten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 durch das Vergleichersystem 830 verglichen. Die Ergebnisse des Vergleichs, das heißt die Differenzen zwischen der Zielspannung und der vorliegenden Spannung, werden an die Logikschaltung 800 übertragen. Dadurch kann die Logikschaltung 800 den Ablauf stoppen, sobald die Zielspannung und die vorliegende Spannung einander gleich sind.
Zweitens legt die Logikschaltung 800 ein Steuersignal an den Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 oder 61 an, der einem beliebigen ausgewählten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 entspricht, so daß der Schalter geschlossen wird (innerhalb des beschriebenen Beispiels wird davon ausgegangen, daß alle Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 und 61 vor dem Einsetzen des Ladeablaufs sich in einem offenen Zustand befinden). Dann legt die Logikschaltung 800 ein Steuersignal an den Ladeschalter 220 an, so daß der Schalter geschlossen wird. Zudem beginnt die Logikschaltung 800 mit dem Messen etwaiger am Meßpunkt 620 auftretender Ströme (oder setzt diese Messungen fort). Dazu werden die gemessenen Ströme mit einem etwaigen vordefinierten Höchstwert durch das Vergleichersystem 830 verglichen. Sobald der vordefinierte Höchstwert von den detektierten Strömen erreicht wird, bewirkt die Logikschaltung 800, daß sich der Ladeschalter 220 wieder öffnet.
Wieder werden die übrigen Ströme am Meßpunkt 620 detektiert und mit einem etwaigen vorbestimmten Mindestwert verglichen. Sobald der vordefinierte Mindestwert erreicht wird, bewirkt die Logikschaltung 800, daß sich der Ladeschalter 220 wieder schließt, und der Ablauf beginnt wieder.
Das Schließen und Öffnen des Ladeschalters 220 wird solange wiederholt, wie die detektierte Spannung am Meßpunkt 600 oder 610 unter der Zielspannung liegt. Sobald die Zielspannung erreicht ist, stoppt die Logikschaltung die Fortsetzung des Ablaufs.
Der Entladeablauf findet auf entsprechende Weise statt: Nun wird die Wahl des piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 mit Hilfe der Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 erreicht, der Entladeschalter 230 wird anstelle des Ladeschalters 220 geöffnet und geschlossen und eine vordefinierte Mindestzielspannung muß erreicht werden.
Die zeitliche Steuerung der Lade- und Entladevorgänge und das Halten der Spannungspegel in den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 wie beispielsweise die Zeit einer Haupteinspritzung kann entsprechend einem Ventilhub erfolgen, wie beispielsweise in 2 gezeigt.
Es versteht sich, daß die oben angegebene Beschreibung, wie die Lade- oder Entladeabläufe stattfinden, lediglich beispielhaft ist. Somit könnte ein beliebiger anderer Ablauf, der die oben beschriebenen Schaltungen oder andere Schaltungen verwendet, einem beliebigen gewünschten Zweck entsprechen, und jeder entsprechende Ablauf kann anstelle des oben beschriebenen Beispiels verwendet werden.
6 zeigt eine Konfiguration zum Steuern eines Verbrennungsmotors 2505. Diese Konfiguration umfaßt eine Basisspannungsberechnungseinheit 2500, die eine Basisspannung berechnet, die an die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 der in dem detaillierten Bereich A von 6 enthaltenen Schaltung angelegt werden soll; der detaillierte Bereich A ist auch in 4 gezeigt. Die Basisspannungsberechnungseinheit 2500 berechnet eine Basisspannung in Abhängigkeit vom Druck p_rail in der unter Druck stehenden Kraftstoffzufuhrleitung des Kraftstoffeinspritzsystems. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Basisspannung über einen ersten Korrekturblock 2501 unter Verwendung eines Temperaturkorrekturwerts K_T korrigiert. Die Ausgabe des ersten Korrekturblocks 2501 ist eine korrigierte Basisspannung. Diese korrigierte Basisspannung wird bevorzugt durch einen zweiten oder nachfolgenden Korrekturblock 2502 unter Verwendung eines Alterungskorrekturwerts K_A korrigiert. Der erste und zweite Korrekturblock 2501 und 2502 sind bevorzugt Multiplizierer, das heißt, die Basisspannung wird mit dem Temperaturkorrekturwert K_T multipliziert und die Ausgabe tritt in den zweiten oder nachfolgenden Korrekturblock 2502 ein und wird durch den Alterungskorrekturwert K_A multipliziert. Der Alterungskorrekturwert K_A wird über eine Korrekturwertberechnungseinheit 2512 berechnet. Der Korrekturblock 2502 und die Korrekturwertberechnungseinheit 2512 sind Teil einer Kompensationseinheit 2511. Die Ausgabe des zweiten oder nachfolgenden Korrekturblocks 2502 wird bevorzugt über einen dritten oder nachfolgenden Korrekturblock 2503 unter Verwendung eines online-Korrekturwerts K₀ weiter korrigiert. Der dritte oder nachfolgende Korrekturblock 2503 ist bevorzugt als ein Addierer implementiert, das heißt, der online-Korrekturwert K₀ wird bevorzugt zur Ausgabe des zweiten oder nachfolgenden Korrekturblocks 2502 addiert. Die Ausgabe des dritten oder nachfolgenden Korrekturblocks 2503 wird bevorzugt durch einen Spannungs- und Spannungsgradientencontroller 2504 geschickt.
Die Basisspannungsberechnungseinheit 2500 und die Korrekturblöcke 2501, 2502 und 2503 sowie der Spannungs- und Spannungsgradientencontroller 2504 sind in der Steuereinheit D in 4 implementierte Softwaremodule.
Weiterhin ist in 6 der Spannungs- und Spannungsgradientencontroller 2504 über den seriellen Bus 850 an den in 4 gezeigten Aktivierungs-IC E angeschlossen. Der Aktivierungs-IC E ist über die Signalleitung 410, 420, 430, 440, 450, 460, 510, 520, 530, 540, 550, 560, 700, 710, 720, 730, 740 und 750 an die Schaltung innerhalb des detaillierten Bereichs A angeschlossen. Die Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsmotor 2505 wird über die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 der Schaltung innerhalb des in 4 gezeigten detailierten Bereichs A gesteuert. Die Drehzahl des Verbrennungsmotors 2505 wird gemessen und in eine Kraftstoffkorrektureinheit 2506 gespeist. Die Kraftstoffkorrektureinheit 2506 umfaßt einen Frequenzanalysierer, der die Frequenz der Drehzahl auswertet. Die Kraftstoffkorrektureinheit 2506 berechnet anhand dieser Frequenzanalyse einen Kraftstoffkorrekturwert Δm_E für jeden individuellen Zylinder o des Verbrennungsmotors 2505.
Die in 6 gezeigte Konfiguration umfaßt außerdem eine Kraftstoffvolumenberechnungseinheit 2507, die ein Sollkraftstoffvolumen m_E berechnet. Das Sollkraftstoffvolumen wird über einen Addierer 2508 zu dem Kraftstoffvolumenkorrekturwert Δm_E addiert. Die Summe aus dem Sollkraftstoffvolumen m_E und dem Kraftstoffvolumenkorrekturwert Δm_E wird in eine Kraftstoffdosiereinheit 2509 gespeist. Die Kraftstoffdosiereinheit berechnet den Zeitpunkt, zu dem eine Spannung an die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 angelegt werden muß, um Kraftstoff in den Verbrennungsmotor 2505 einzuspritzen. Die Kraftstoffkorrektureinheit 2506, der Addierer 2508, die Kraftstoffvolumenberechnungseinheit 2507 und die Kraftstoffdosiereinheit 2509 sind in der Steuereinheit D implementiert. Zeitsignale, um zu signalisieren, wann eine Spannung an die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 angelegt werden muß, um Kraftstoff in den Verbrennungsmotor 2505 einzuspritzen, werden von der Kraftstoffdosiereinheit 2509 über den parallelen Bus 840 an den Aktivierungs-IC E übertragen.
Der online-Korrekturwert K₀ wird über eine online-Optimierungseinheit 2510 berechnet. Die online-Optimierungseinheit 2510 berechnet den online-Korrekturwert K₀ auf der Basis des von der Kraftstoffkorrektureinheit 2506 berechneten Kraftstoffkorrekturwerts Δm_E.
7 zeigt eine graphische Darstellung des Hubs des piezoelektrischen Elements über der Temperatur. Wie in 7 gezeigt, zeigt insbesondere unter 0°C die lineare Ausdehnung des piezoelektrischen Elements eine starke Temperaturabhängigkeit. Um die Düsennadel präzise in einem Kraftstoffeinspritzsystem anzuordnen, das ein piezoelektrisches Element verwendet, muß diese Temperaturabhängigkeit berücksichtigt werden.
Wie oben erörtert, ist in der Praxis das direkte Messen der Temperatur des piezoelektrischen Elements oftmals schwierig. Wenn die Temperaturabhängigkeit berücksichtigt werden soll, besteht deshalb ein anderer Weg zur Bestimmung der Temperatur des piezoelektrischen Elements darin, eine Energiebilanz des Aktuators zu verwenden, um die Temperatur des piezoelektrischen Elements zu bestimmen.
Beispielsweise wird die elektrische Energie W_el durch das elektrische Ansteuersystem in das piezoelektrische Element gespeist.
W_el ist die Differenz hinsichtlich der Energie, die zum Laden des piezoelektrischen Elements erforderlich ist, und der Energie, die entfernt wird, wenn das piezoelektrische Element entladen wird. Der Aktuator wandelt diese Energie Wel in Wärme- und mechanische Energie um, um das Steuerventil und somit die Düsennadel zu bewegen. In einer ersten Annäherung zeigt die umgewandelte Energie ein Verhältnis der Wärme- zur mechanischen Energie von etwa 80:20. Dieses Verhältnis weist außerdem eine bestimmte Abhängigkeit von dem Raildruck P_rail des Kraftstoffeinspritzsystems auf.
Zusätzlich zu W_el, der Wärme- und der mechanischen Energie muß das Energiebilanzmodell auch den Wärmeaustausch zwischen dem piezoelektrischen Element und der Umgebung berücksichtigen. Wenn beispielsweise die Temperatur des piezoelektrischen Elements höher ist als die Umgebungstemperatur der Umgebung (des Injektors, des Motors), wird Wärme abgeführt. Ansonsten wird Wärme zugeführt. Außerdem ist die Temperaturdifferenz zwischen dem piezoelektrischen Element und der Umgebung umso größer, je größer der Wärmeaustausch ist.
Die zugeführte elektrische Energie, das heißt die elektrische Nettoenergie, kann einfach in der Steuereinheit D bestimmt werden, folglich ist der Energieverbrauch im piezoelektrischen Element während eines Ansteuerzyklus bekannt. Außerdem ist auf der Basis der Drehzahl und des Ansteuerprofils die Anzahl der Ansteuerzyklen bekannt, die ein piezoelektrisches Element erfährt.
8 zeigt eine graphische Darstellung des Energieverlustes über der Temperatur eines als ein Aktuator verwendeten piezoelektrischen Elements.
9 zeigt eine Funktionsstruktur, die die Energiebilanz des piezoelektrischen Elements wie beschrieben modelliert.
Um die Temperatur des piezoelektrischen Elements zu bestimmen, werden die folgenden Informationen verwendet. Zuerst wird durch das elektrische Ansteuersystem Wärme zugeführt. Wel = Q 1
W_el ist die dem piezoelektrischen Element zugeführte elektrische Energie, und Q ist die dem piezoelektrischen Element zugeführte Wärmeenergie. Um die Temperatur eines Körpers anhand von Q zu bestimmen, wird die folgende Formel verwendet: Q = c m dT 2wobei c die spezifische Wärmekapazität, m die Masse und dT der Temperaturanstieg ist. Zweitens muß der Wärmeaustausch zwischen dem piezoelektrischen Element und der Umgebung berücksichtigt werden. Q = c m (T – Tm) 3
Hier ist T die Temperatur des piezoelektrischen Elements und Tm ist die aus den Beziehungen zwischen Umgebungstemperatur und entsprechender Masse und Wärmekapazität bestimmte Mischtemperatur.
Infolgedessen ist die Temperatur des piezoelektrischen Elements: T(n + 1) = T(n) + Qeff/(c m) 4wobei Q_eff die effektive Wärmemenge ist, die zu der Temperatur des piezoelektrischen Elements beiträgt, und n ein Zeitinkrement darstellt. Diese Menge wird als eine Differenz der zugeführten elektrischen Energie, der mechanischen Energie und dem Wärmeaustausch mit der Umgebung ausgedrückt.
Wie man in 9 erkennen kann, treten W_el,input (die der Wärmeenergie entsprechende elektrische Energie) und W_input (die mechanische Energie) in das piezoelektrische Element ein, dort findet ein Wärmeaustausch mit der Umgebung statt, als WW gezeigt, und Wärme- und mechanische Abgaben (W_el,output bzw. W_output) werden ausgegeben.
Beim Starten des Motors können als Anfangswert für die Temperatur die Wassertemperatur oder die Motoröltemperatur verwendet werden. Die unbekannten Wärmekapazitäten brauchen nicht explizit bestimmt zu werden. Statt dessen kann eine Reihe von Messungen unter Verwendung des obigen Modells durchgeführt werden, um die Materialkonstanten des piezoelektrischen Elements zu bestimmen und auch ein Schätzwert der Energiefreisetzung in die Umgebung kann bestimmt werden.
Der die Temperatur des piezoelektrischen Elements beeinflussende Hauptfaktor ist jedooch die elektrische Ansteuerung. Insbesondere sind die Anzahl der Lade- und Entladezyklen und ihre Frequenz wichtige Faktoren.
Mit diesem Verfahren und dieser Vorrichtung wird die Temperatur des piezoelektrischen Elements im Gegensatz zu anderen Prozessen direkt aus Ansteuerdaten erhalten.
Indem die Energien ausgeglichen werden, wird die Temperatur des piezoelektrischen Elements erhalten.

Claims

Kraftstoffeinspritzsystem mit einem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zum Steuern der eingespritzten Kraftstoffmenge durch Laden und/oder Entladen des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60), wobei eine Steuereinheit (D) eine Aktivierungsspannung zum Laden des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) als Funktion einer Temperatur des jeweiligen piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) setzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (D) die Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) über ein Energiebilanzmodell bestimmt.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiebilanzmodell eine Funktion einer von einem elektrischen Ansteuersystem zugeführten Energie ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiebilanzmodell eine Funktion einer zum Laden und/oder Entladen des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) verwendeten Energie ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiebilanzmodell eine Funktion der mechanischen und thermischen Energie ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiebilanzmodell weiterhin eine Funktion des Wärmeaustauschs mit einer Umgebung des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des jeweiligen piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) ausgedrückt werden kann als T(n + 1) = T(n) + Qeff/(c m)wobei Q_eff die effektive Wärmemenge ist, ausgedrückt als eine Differenz der dem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zugeführten elektrischen Energie, der mechanischen Energie und des Wärmeaustauschs mit der Umgebung des piezoelektrischen Elements, n ein Zeitinkrement, c die spezifische Wärmekapazität und m die Masse des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) ist.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zum Steuern einer eingespritzten Kraftstoffmenge durch Laden und/oder Entladen des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60), wobei vor dem Laden eine Aktivierungsspannung zum Laden des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) bestimmt wird, wobei die Aktivierungsspannung eine Funktion einer Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) durch ein Energiebilanzmodell bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiebilanzmodell eine Funktion einer von einem elektrischen Ansteuersystem zugeführten Wärme ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiebilanzmodell eine Funktion einer zum Laden und/oder Entladen des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) verwendeten Energie ist.
Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiebilanzmodell eine Funktion der mechanischen und thermischen Energie ist.
Verfahren nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiebilanzmodell weiterhin eine Funktion des Wärmeaustauschs mit der Umgebung des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) ist.
Verfahren nach Anspruch 7, 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des jeweiligen piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) ausgedrückt werden kann als T(n + 1) = T(n) + Qeff/(c m)wobei Q_eff die effektive Wärmemenge ist, ausgedrückt als eine Differenz der dem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zugeführten elektrischen Energie, der mechanischen Energie und des Wärmeaustauschs mit der Umgebung des piezoelektrischen Elements, n ein Zeitinkrement, c die spezifische Wärmekapazität und m die Masse des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) ist.