DE60018897T2

DE60018897T2 - Steuerung der Polarization der piezoelektrischen Elemente vor jeder ersten Einspritzung zur Erreichung von optimalen Startbedingungen

Info

Publication number: DE60018897T2
Application number: DE60018897T
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: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2020-04-02
Also published as: EP1138910A1; DE60018897D1; EP1138910B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren wie in dem Oberbegriff von Anspruch 1 definiert und eine Vorrichtung wie im Oberbegriff von Anspruch 10 definiert, das heißt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichförmigen Polarisieren 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.
Aus EP 0324450 ist eine Kraftstoffeinspritzsteuereinrichtung zur Verwendung in einem Motor bekannt, bei der ein piezoelektrisches Element mit Elektronen unter Verwendung eines LC-Schwingkreises geladen wird. Dieses piezoelektrische Element wird mindestens einmal angesteuert, bevor eine regelmäßige Einspritzung eines entsprechenden Kraftstoffinjektors durchgeführt wird.
Die Verwendung von piezoelektrischen Elementen als Aktuatoren stellt sich als vorteilhaft heraus unter anderem in Kraftstoffeinspritzdüsen für Verbrennungsmotoren. Hinsichtlich der Einsetzbarkeit von piezoelek trischen Elementen in Kraftstoffeinspritzdüsen wird beispielsweise auf EP 0 371 469 B1 und auf EP 0 379 182 B1 Bezug genommen.
Bei einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein piezoelektrisches Element ein Aktuator in einem Kraftstoffeinspritzsystem, und die Erfindung offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichförmigen Polarisieren des piezoelektrischen Elements vor einer ersten Kraftstoffeinspritzung, um den Start zu optimieren.
Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Elemente, die, wie bereits oben teilweise angedeutet, sich gemäß dem jeweiligen Ladungszustand oder der 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. Die Verwendung von piezoelektrischen Elementen mit doppeltwirkenden Doppelsitzventilen oder doppeltwirkenden Steuerventilen zum Steuern jeweiliger Einspritznadeln in einem Kraftstoffeinspritzsystem ist in den deutschen Patentanmeldungen mit den Nummern DE 197 42 073 A1 und DE 197 29 844 A1 gezeigt, die unten beschrieben sind.
Kraftstoffeinspritzsysteme, die piezoelektrische Elemente verwenden, zum Beispiel Aktuatoren, sind durch die Tatsache gekennzeichnet, daß piezoelektrische Elemente mit einer ersten Annäherung eine proportionale Beziehung zwischen angelegter Spannung und der linearen Ausdehnung aufweisen können. Bei einer Kraftstoffeinspritzdüse, die beispielsweise als ein doppeltwirkendes Doppelsitzventil implementiert ist, um den linearen Hub einer Nadel für die Kraftstoffeinspritzung in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors zu steuern, ist die in einen entsprechenden Zylinder eingespritzte Kraft stoffmenge eine Funktion der Zeit, während der das Ventil offen ist, und im Fall der Verwendung eines piezoelektrischen Elements der an das piezoelektrische Element angelegten Aktivierungsspannung. Wenn der Ventil-Absperrkörper des Steuerventils in einem der beiden Sitze des doppeltwirkenden Steuerventils sitzt, bleibt die Düsennadel geschlossen oder wird geschlossen. Wenn sich der Ventil-Absperrkörper in einer Zwischenposition zwischen den Sitzen befindet, dann bleibt die Düsennadel offen oder wird offen. Das Ziel besteht darin, ein gewünschtes Kraftstoffeinspritzvolumen mit hoher Genauigkeit insbesondere bei kleinen Einspritzvolumen, beispielsweise während der Voreinspritzung, zu erzielen.
Im Beispiel eines doppeltwirkenden Steuerventils soll das piezoelektrische Element sich durch den Effekt einer an das piezoelektrische Element angelegten Aktivierungsspannung ausdehnen oder zusammenziehen, so daß ein entsprechender gesteuerter Ventil-Absperrkörper in der Mitte zwischen den beiden Positionen des doppeltwirkenden Steuerventils positioniert wird, um die entsprechende Einspritzdüsennadel für einen maximalen Kraftstoffstrom während einer eingestellten Zeitperiode zu positionieren. Es hat sich als schwierig herausgestellt, eine für alle Injektionselemente und die ganze Lebensdauer des Einspritzsystems geeignete Aktivierungsspannung mit ausreichender Präzision zu bestimmen und anzulegen, so daß beispielsweise ein entsprechender Ventil-Absperrkörper für einen maximalen Kraftstoffstrom präzise positioniert wird. Außerdem ist es extrem wichtig, daß der Aktuatorweg mit der höchstmöglichen Genauigkeit eingestellt wird.
Wie festgestellt wird das Ausmaß des Ausdehnens oder Zusammenziehens der piezoelektrischen Elemente durch Arbeitscharakteristiken jedes jeweiligen piezoelektrischen Elements beeinflußt und kann von Probe zu Probe und/oder mit dem Alter der piezoelektrischen Elemente variieren. Das Ergebnis ist, daß sich Aktuatoren unterschiedlich verhalten, wenn sie auf die gleiche Spannung geladen werden, und ihre Arbeitsweise kann im Laufe der Zeit variieren. Hinsichtlich eines Kraftstoffeinspritz- und Einspritzprofils läßt sich daraus im allgemeinen auf eine Abweichung vom optimalen Systembetrieb schließen.
Die zu einem beliebigen Zeitpunkt an ein piezoelektrisches Element angelegte Aktivierungsspannung kann so kompensiert werden, daß sie relativ zu den Arbeitscharakteristiken des jeweiligen piezoelektrischen Elements zum Zeitpunkt des Anlegens der Spannung angemessen ist. Auf diese Weise kann ein gewünschtes Einspritzvolumen mit ausreichender Genauigkeit selbst dann erzielt werden, wenn das Einspritzvolumen klein oder das Einspritzprofil komplex ist.
Der Polarisationszustand eines piezoelektrischen Elements ist ein Faktor, der den Weg des piezoelektrischen Elements in einem elektrischen Feld beeinflußt.
Unter der Curie-Temperatur kann es zu einer mikroskopischen Polarisierung eines piezoelektrischen Elements kommen, wenn die Ladungsschwerpunkte der Kristallgitterstrukturen von piezoelektrischen Elementen sich nicht mehr in der Mitte des Kristallgitters befinden. Dies erzeugt elektrische Dipole, was zu einer inneren Polarisation führt (das heißt, einer spontanen Polarisation).
Analog zu Weißschen Bezirken in ferromagnetischen Materialien werden Bereiche oder Bezirke in piezoelektrischen Elementen ausgebildet, in denen das Kristallgitter die gleiche Ausrichtung aufweist. Makroskopisch gesehen heben sich die Effekte der Bezirke mit verschiedenen Orientierungen auf. Piezoelektrische Elemente weisen im unpolarisierten Zustand ein paraelektrisches Verhalten auf. Durch Anlegen eines elektrischen Felds kann die Richtung der Polarisation der Dipolbereiche beeinflußt werden. Makroskopische Polarisation kann erhalten werden durch Umorientieren der spontan polarisierten Bezirke. Diese Bezirke drehen sich oder kippen in der Richtung des angelegten Felds. Dieser Prozeß ist Teil des Herstellungsprozesses für piezoelektrische Elemente. Nachdem das polarisierende elektrische Feld entfernt worden ist, bleiben die piezoelektrischen Elemente in einem Zustand der remanenten Polarisation (P_R).
Das kapazitive Verhalten von piezoelektrischen Elementen kann nicht durch eine einzelne Funktion von verschiedenen Parametern beschrieben werden, beispielsweise der angelegten Spannung und Temperatur. Das Verhalten von piezoelektrischen Elementen hängt stark von ihrer Vorgeschichte ab. Auf diese Weise ist es nötig, das piezoelektrische Element immer in einen reproduzierbaren Anfangszustand zu versetzen, so daß vergleichbare und reproduzierbare Messungen und Ansteueroperationen durchgeführt werden können.
Wenn über einen längeren Zeitraum (Stunden, Tage oder Wochen) kein externes elektrisches Feld an das piezoelektrische Element angelegt wird, ändert sich die Polarisation des piezoelektrischen Elements; das heißt, die remanente Polarisation nimmt ab. Der Grund dafür ist die Instabilität der Bezirke, die sich beispielsweise durch Stöße, Erschütterungen oder Temperatur umorientieren, was elastische oder thermische Energieeffekte nicht in der Richtung der normalen Wirkrichtung des ansonsten steuernden elektrischen Felds verursachen. Das Ergebnis ist ein sich ändernder Höchstweg des piezoelektrischen Elements während einer ersten Kraftstoffeinspritzaktion nach einem längeren Zeitraum mit keinem angelegten elektrischen Feld (zum Beispiel Weg etwa 10% größer als der normale Weg). Dies führt zu einer anderen Einstellung des in Common-Rail-Systemen verwendeten doppeltwirkenden Steuerventils (d.h. Syste men, bei denen der Kraftstoffdruck durch eine Hochdruckpumpe für alle Zylinder geliefert wird) oder des in Einheitseinspritzsystemen verwendeten Steuerventils (d.h. Systemen, bei denen der Kraftstoffdruck individuell für jeden Zylinder geliefert wird) und somit zu einer eingespritzten Kraftstoffmenge, die von der gewünschten verschieden ist. Suboptimale Bedingungen während des Startens in Verbindung mit dem Drehmoment, Abgasemissionen, Geräuschen und dergleichen können sich unter solchen Umständen ergeben.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die erforderliche remanente Polarisation P_R des piezoelektrischen Elements vor einer ersten Kraftstoffeinspritzaktion wiederherzustellen. Zu Vorteilen aus der Realisierung dieser Aufgabe zählen optimale Bedingungen in Verbindung mit Abgasemissionen, Geräuschen und Motordrehmoment sowie die gleichzeitige Sicherstellung eines optimalen Starts und eines gleichförmigen Polarisationszustands des piezoelektrischen Elements, was mit einer ersten Kraftstoffeinspritzaktion beginnt und sich dann fortsetzt.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung über die Merkmale gelöst, die im kennzeichnenden Abschnitt von Anspruch 1 (Verfahren) und im kennzeichnenden Abschnitt von Anspruch 10 (Vorrichtung) beansprucht werden.
Diese sehen vor:

– Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichförmigen Polarisieren eines piezoelektrischen Elements vor einer ersten Kraftstoffeinspritzaktion.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Verfahren und die Vorrichtung, die offengelegt sind, die Schwankung des maximalen piezoelektrischen Wegs mit der Temperatur kompensieren, um eine gleich förmige Polarisation zu erzielen, so daß Kraftstoffeinspritzaktionen innerhalb zulässiger Kraftstoffeinspritzbereiche stattfinden, wodurch korrekte Funktionalität sichergestellt wird.
Vorteilhafte Entwicklungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Figuren.
Die Erfindung wird unten ausführlicher unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Es zeigen:
1a eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements als Aktuator;
1b 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 Schemadiagramm 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.
6a zeigt ein Blockschaltbild von beispielhaften 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.
7a ein Kraftstoffeinspritzsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
7b zeigt die Kurve der Polarisation über dem elektrischen Feld für ein typisches piezoelektrisches Element;
7c zeigt die Kurve der Verschiebung (Weg) über dem elektrischen Feld entsprechend der in 7 gezeigten Kurve der Polarisation über dem elektrischen Feld.
8 zeigt die Kurve der Polarisation über dem elektrischen Feld innerhalb eines Bereichs zwischen Null und einem maximalen elektrischen Feld.
9 zeigt die Kurven der Verschiebung (Weg) über dem elektrischen Feld für ein piezoelektrisches Element bei anderen Anfangspolarisationszuständen.
10 zeigt eine beispielhafte Softwareausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt ein typisches Polarisationsspannungssignal, das mehrere Spannungssignale umfaßt.
I. Laden des piezoelektrischen Elements und Optimieren seines Wegs durch Anlegen von Spannungssignalen
1a ist eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems, das ein piezoelektrisches Element 2010 als Aktuator verwendet. Unter Bezugnahme auf 1a 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 ein doppeltwirkendes Steuerventil 2025 vom Hydraulikadapter 2020 hydraulisch weggedrückt, und der Ventil-Absperrkörper 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 Ventil-Absperrkörpers 2035 ist mit Umrißlinien in 1a 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 beiden Fällen 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.
1b zeigt eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Aktivierungsspannung und dem eingespritzten Volumen z.B. von Kraftstoffen 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 Ventil-Absperrkörper des doppeltwirkenden Steuerventils verschoben wird.
Bei x = 0 und y = 0 ist die Aktivierungsspannung gleich Null, und der Ventil-Absperrkörper 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 bis zu dem als U_opt angezeigten Punkt auf der x-Achse bewirken die dargestellten Werte der Aktivierungsspannung das Verschieben des Ventil-Absperrkörpers 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 Q_e,max angegeben ist. Der dem größten Volumen für während des festen Zeitraums eingespritzten Kraftstoff entsprechende Punkt Q_e,max stellt den Wert der Aktivierungsspannung für das Anlegen an oder Laden des piezoelektrischen Elements dar, der zu einer optimalen Verschiebung des Ventil-Absperrkörpers zwischen der ersten und zweiten geschlossenen Position des Ventils führt.
Wie in der graphischen Darstellung von 1b 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 Ventil-Absperrkörpers von dem optimalen Punkt weg und zu der zweiten geschlossenen Position des doppeltwirkenden Steuerventils dar, bis der Ventil-Absperrkörper an der zweiten geschlossenen Position sitzt. Somit veranschaulicht die graphische Darstellung von 1b, daß es bei der Kraftstoffeinspritzung zu einem Maximalvolumen kommt, wenn die Aktivierungsspannung bewirkt, daß das piezoelektrische Element den Ventil-Absperrkörper bis zu dem optimalen Punkt verschiebt.
Die vorliegende Erfindung sieht vor, 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, das von dem piezoelektrischen Element für eine bestimmte Aktivierungsspannung verursachte Verschiebungsausmaß variiert als Funktion der Arbeitscharakteristiken des jeweiligen piezoelektrischen Elements. Um ein maximales Kraftstoffeinspritzvolumen Q_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 Ventil-Absperrkörpers (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 Ventil-Absperrkörper aus 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 Ventil-Absperrkörper zwischen 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 diesen 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 Ventil-Absperrkörper von der zweiten geschlossenen Position wegbewegt und am Mittelpunkt zwischen den beiden geschlossenen Positionen anhält. Wie in 1b 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 Q_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 Aktivierungs spannung von Null entladen, was zu einem weiteren Zusammenziehen des piezoelektrischen Elements führt, um zu bewirken, daß sich der Ventil-Absperrkörper von 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 Ventil-Absperrkörper wieder 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 Schemadiagramm 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 einem 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 entsprechenden 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 entsprechenden 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 jeweilige 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 Gruppen 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 verbunden sein, die aus einem Entladeschalter 230 oder einer Entladediode 231 besteht. 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 positiven 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 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.
Zuerst bewirkt das Startsignal, 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 und/oder 61 an, der einem beliebigen ausgewählten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 und/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/oder 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 und/oder 60 wie beispielsweise die Zeit einer Haupteinspritzung kann entsprechend den Parametern eines Ventilhubs bestimmt werden und 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.
6a 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 6a enthaltenen Schaltung angelegt werden soll; der detaillierte Bereich A ist auch in 3 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 3 implementierte Softwaremodule.
Weiterhin ist in 6a der Spannungs- und Spannungsgradientencontroller 2504 über den seriellen Bus 850 an den in 3 gezeigten Aktivierungs-IC E angeschlossen. Der Aktivierungs-IC E ist über die Signalleitungen 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 3 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 6a 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-Optimie rungseinheit 2510 berechnet den online-Korrekturwert K₀ auf der Basis des von der Kraftstoffkorrektureinheit 2506 berechneten Kraftstoffkorrekturwerts Δm_E.
Bei einer Ausführungsform kann ein Kraftstoffvolumenkorrektursoftwaremodul an einen Verbrennungsmotor gekoppelt werden, um eine Drehzahl (UpM) des Motors zu erfassen, und enthält einen ebenfalls an das ADD-Modul gekoppelten Ausgang. Das Modul kann über den UpM-Wert einen Korrekturwert Δm_Ei für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors berechnen (i = Zylindernummer). Der Korrekturwert Δm_Ei wird von dem Modul an das ADD-Modul ausgegeben, wo er mit dem Volumenwert m_E summiert wird. Δm_Ei entspricht der Kraftstoffmengenabweichung im Zylinder i bezüglich der mittleren Kraftstoffmenge der anderen Zylinder.
Die Summe aus m_E plus Δm_Ei wird von dem ADD-Modul ausgegeben, um in eine Dosiereinheit eingegeben zu werden, die auch als Softwaremodul in der Steuereinheit D implementiert sein kann. Die Dosiereinheit kann über einen korrigierten Volumenwert m_E plus Δm_Ei für einen spezifischen Zylinder Zeiträume für Voreinspritzungen, Haupteinspritzungen und Nacheinspritzungen für diesen Zylinder bestimmen. Die Zeitraumbestimmungen der Dosiereinheit werden dazu verwendet, die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60 durch den IC E gemäß den vorausgegangenen Beschreibungen hinsichtlich der 3 und 5 zu steuern (in 6a durch die Steuerleitungen 410, 420 und so weiter dargestellt, die die Dosiereinheit an einen mit A bezeichneten Block koppeln, der dem detaillierten Abschnitt A von 3 entspricht). Ein Kraftstoffvolumenberechnungssystem, das das Kraftstoffvolumenberechnungssoftwaremodul, Kraftstoffvolumenkorrektursoftwaremodul und Dosiereinheit implementiert, ist ohne weiteres von Robert Bosch GmbH, Stuttgart, Deutschland, erhältlich.
Bezüglich 1b, wenn piezoelektrische Elemente als Aktuatoren in dem Kraftstoffeinspritzsystem verwendet werden, kann das Volumen an eingespritztem Kraftstoff eine Funktion sowohl der Zeit, während der das Ventil offen ist, als auch der während des Zeitraums an das piezoelektrische Element angelegten Aktivierungsspannung sein. Eine Aufgabe beim Betreiben des Kraftstoffeinspritzsystems besteht darin, für den Zeitraum der Haupteinspritzung einen in 1b gezeigten Aktivierungsspannungswert von U_opt zu erzielen. Analog muß der Spannungsgradient optimiert werden. Spannungsgradienten können eine Beziehung zum Kraftstoffvolumen ähnlich der Beziehung zwischen Spannung und Kraftstoffvolumen, in der graphischen Darstellung von 1b gezeigt, aufweisen. Zu den Werten, die beispielsweise im RAM-Speicher gespeichert sind, zählen beispielsweise die Spannungen, die bei Lade- und/oder Entladeabläufen verwendet werden, sowie den Spannungsgradienten beeinflussende Parameter.
Die U_opt-Werte können sich als Funktion der Arbeitscharakteristiken des Kraftstoffeinspritzsystems ändern, wie etwa beispielsweise Kraftstoffdruck, wie vollständig beschrieben in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung (Anwaltsaktenzeichen Nr. 10744/11 mit dem Titel „Method and Apparatus for Charging a Piezoelectric Element" und Anwaltsaktenzeichen Nr. 10744/10 mit dem Titel „Online optimization of injection systems having piezoelectric elements", wobei beide Anmeldungen zum gleichen Datum wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurden) und insbesondere dem jeweiligen Kraftstoffeinspritzsystem, beispielsweise dem jeweiligen Injektor und piezoelektrischen Element, und dem Alter des jeweiligen Kraftstoffeinspritzsystems.
Bei einer Ausführungsform basiert die online-Optimierungseinheit 2510 auf der Erkenntnis, daß der Δm_Ei-Wert für jeden Zylinder durch Arbeitscharakteristiken des jeweiligen piezoelektrischen Elements entsprechend dem Zylinder oder zeitlichen Änderungen der Arbeitscharakteristiken für diesen Aktuator beeinflußt werden kann. Die online-Optimierungseinheit 2510 kann eine inkrementale Änderung bei der an den entsprechenden Aktuator angelegten Spannung U als einen Optimierungsschritt auswählen und gibt die Wahl in die Dosiereinheit ein. Die online-Optimierungseinheit 2510 überwacht dann den Wert von Δm_Ei nach der Änderung von U.
Dieser Vorgang kann so lange fortgesetzt werden, bis die optimale Spannung U_opt erreicht ist. Darauf kann anhand der Tatsache geschlossen werden, daß Änderungen in beiden Richtungen, das heißt bei weiteren Zunahmen oder Abnahmen der Spannung, zu einem steigenden Wert für Δm_Ei führen können. Dann wird die Höchstspannung innerhalb des festgelegten Zeitraums gemäß 1b injiziert. Dieser Vorgang wird für jeden Zylinder wiederholt, um die individuellen optimalen Spannungen U_opt, i zu erzielen.
Wenn der Wert von Δm_Ei aufgrund der Änderung abnimmt, dann führte die Aktion zu einem größeren Volumen an Kraftstoffeinspritzung, und die Richtung der Aktion war korrekt. Die online-Optimierungseinheit 2510 wählt dann eine zusätzliche inkrementale Änderung in der Spannung U aus und so weiter, wenn der Wert von Δm_Ei weiterhin abnimmt. Dieser Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis der Wert von Δm_Ei auf ein Minimum reduziert ist. Wenn der Wert von Δm_Ei nach einer inkrementalen Änderung zunimmt, dann war die Änderungsrichtung falsch und der Optimierungsschritt wird verworfen. Die online-Optimierungseinheit 2510 kann dann inkrementale Änderungen in der entgegengesetzten Richtung beginnen, beispielsweise einen Subtraktionswert zur Summierung mit dem aktuellen Wert von U.
Auf diese Weise justiert die Optimierungseinheit 2510 den Wert von U_opt für jedes jeweilige piezoelektrische Element 10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60, um Unterschiede bei den Arbeitscharakteristiken zwischen den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60, Änderungen bei den Arbeitscharakteristiken für jedes jeweilige piezoelektrische Element mit dem Alter sowie Unterschiede in dem Verhalten der hydraulischen Einspritzelemente zu berücksichtigen.
Bei einer möglichen Ausführungsform wird die Aktivierung der Optimierungseinheit durch eine Aktivierungsfreigabeeinheit 1052 gemäß 6b gesteuert. Diese Einheit 1052 gibt die Optimierung in Abhängigkeit von bestimmten Umgebungsdaten 9000 frei oder blockiert sie, beispielsweise der Motordrehzahl UpM, dem Raildruck, der Temperatur und so weiter. Man beachte, daß die Umgebungsdaten 9000 der Aktivierungsfreigabeeinheit 1052 zugeführt werden. Von der Aktivierungsfreigabeeinheit 1052 läuft das Ausgangssignal zu dem online-Optimierungsport 1051. Analog kann das Ausgangssignal von der Volumenbeobachtung 1020 beispielsweise in den online-Optimierungsport 1051 geleitet werden. Das Ausgangssignal von dem online-Optimierungsport 1051 bewegt sich beispielsweise zur Dosiereinheit 1040. Unter Bezugnahme auf 6b besteht die online-Optimierungseinheit 2510 aus der Aktivierungssteuereinheit 1052 und dem online-Optimierungsport 1051.
Üblicherweise benötigt die Optimierung etwas Zeit und erfordert einige spezifische Umgebungsdaten, damit sie beispielsweise nur einmal während eines Ansteuerzyklus freigegeben wird. Da die Aufgabe darin besteht, die angelegten Spannungen aufgrund von Differenzen von Probe zu Probe und Alterungseffekten zu optimieren, sollte dies ausreichen.
Im allgemeinen kann die Optimierung auch in vordefinierten Intervallen durchgeführt werden.
Somit stellt eine Optimierung sicher, daß die Alterungs- und Arbeitscharakteristiken jedes jeweiligen piezoelektrischen Elements bei einer Bestimmung eines Aktivierungsspannungspegels kompensiert werden.
II. Anfangspolarisation des piezoelektrischen Elements
Die vorliegende Erfindung kann auf ein Kraftstoffeinspritzsystem angewendet werden, wie es oben beschrieben ist, insbesondere in 1a. Das System kann ein doppeltwirkendes Steuerventil mit einem Ventil-Absperrkörper oder einem Abdichtelement beinhalten, das sich zwischen einer ersten geschlossenen Position und einer zweiten geschlossenen Position des doppeltwirkenden Steuerventils bewegen kann. Wenn der Ventil-Absperrkörper oder das Abdichtelement entweder gegen die erste geschlossene Position oder die zweite geschlossene Position gedrückt wird, ist das doppeltwirkende Steuerventil geschlossen. Wenn andererseits der Ventil-Absperrkörper oder das Abdichtelement weder mit der ersten geschlossenen Position noch der zweiten geschlossenen Position Kontakt macht, dann ist das doppeltwirkende Steuerventil offen. Wenn das doppeltwirkende Steuerventil offen ist, kann Kraftstoff in eine nicht gezeigte angeschlossene Verbrennungskammer zur späteren Verbrennung eintreten.
Raildruck zeigt an, daß Kraftstoff mit einem bestimmten Raildruck normalerweise in das doppeltwirkende Steuerventil eintritt. Der Raildruck und somit die Kraftstoffmenge innerhalb des doppeltwirkenden Steuerventils können jedoch reduziert werden, indem ein nicht gezeigtes Drucksteuerventil geöffnet wird.
Ein piezoelektrisches Element, das an dem Ventil-Absperrkörper oder dem Abdichtelement angebracht ist, kann sich bei Anlegen einer Ladung oder Spannung an das piezoelektrische Element auf die oben dargelegte Weise ausdehnen oder zusammenziehen. Das Ausdehnen und Zusammenziehen des piezoelektrischen Elements ist für die Bewegung des Ventil-Absperrkörpers oder Abdichtelements zwischen der ersten geschlossenen Position und der zweiten geschlossenen Position des doppeltwirkenden Steuerventils verantwortlich.
Unter der Curie-Temperatur befinden sich die Ladungsschwerpunkte der Kristallgitterstrukturen von piezoelektrischen Elementen nicht länger in der Mitte des Kristallgitters. Dies erzeugt elektrische Dipole, die zu einer internen Polarisation führen (das heißt, spontanen Polarisation).
Analog zu Weißschen Bezirken in ferromagnetischen Materialien werden Bereiche oder Bezirke in piezoelektrischen Elementen ausgebildet, in denen das Kristallgitter die gleiche Ausrichtung aufweist. Makroskopisch gesehen heben sich die Effekte der Bezirke mit verschiedenen Orientierungen auf. Piezoelektrische Elemente weisen im unpolarisierten Zustand ein paraelektrisches Verhalten auf. Durch Anlegen eines elektrischen Felds kann die Richtung der Polarisation der Dipolbereiche beeinflußt werden. Makroskopische Polarisation kann erhalten werden durch Umorientieren der spontan polarisierten Bezirke. Diese Bezirke drehen sich oder kippen in der Richtung des angelegten Felds. Dieser Prozeß ist Teil des Herstellungsprozesses für piezoelektrische Elemente. Nachdem das polarisierende elektrische Feld entfernt worden ist, bleiben die piezoelektrischen Elemente in einem Zustand der remanenten Polarisation P_R.
7a zeigt die Polarisation des piezoelektrischen Elements als Funktion des angelegten elektrischen Felds, wenn die Größe des angelegten elektrischen Felds zwischen Null und einem maximalen Feld E_e variiert. Die Kurve P_c(E) zeigt die Polarisation des piezoelektrischen Elements bei Erhöhung des angelegten elektrischen Felds von Null auf E_e. Die Kurve P_d(E) zeigt die Polarisation des piezoelektrischen Elements bei Reduzierung des angelegten elektrischen Felds von E_e auf Null. Die Polarisation bei keinem angelegten elektrischen Feld ist die remanente Polarisation P_r.
7b zeigt die Polarisation P eines piezoelektrischen Elements als Funktion des angelegten elektrischen Felds E. Die gestrichelte Kurve in 7b wird von dem piezoelektrischen Element bei anfänglichem Anlegen eines elektrischen Felds nur einmal durchlaufen. Danach ist das piezoelektrische Element polarisiert und die P(E)-Kurve folgt einer Hysteresekurve, wie in 7b gezeigt. 7c zeigt die relative Ausdehnung des piezoelektrischen Elements als Funktion der Feldstärke entsprechend 7b. Nach der anfänglichen Polarisation des piezoelektrischen Elements polarisieren danach angelegte externe Spannungen das piezoelektrische Element nicht von neuem, weil das piezoelektrische Element bereits polarisiert ist und seine Polarisation bei Entladung des piezoelektrischen Elements so lange nicht verliert, wie der Motor im Leerlauf läuft.
8 zeigt ein Kraftstoffeinspritzsystem mit vier Injektoren 8051, 8052, 8053, 8054, die über eine Common-Rail 8062 verbunden sind, die Kraftstoff mit einem Raildruck P_rail enthält. Dieser Raildruck P_rail kann beispielsweise bis zu 500 bar betragen. Um in der Common-Rail 8062 einen hohen Druck aufrechtzuerhalten, ist die Common-Rail 8062 über eine Versorgungsleitung 8063 an eine Hochdruckpumpe 8060 angeschlossen. Die Hochdruckpumpe 8060 pumpt Kraftstoff in die Common-Rail 8062. Die Hochdruckpumpe 8060 ist weiterhin über einen Verbinder 8064 an einen Niederdruckbehälter 8080 angeschlossen, der Kraftstoff mit einem Druck enthält, der unter P_rail liegt. Die Injektoren 8051, 8052, 8053, 8054 sind über die Kraftstoffzufuhrleitungen 8031, 8066, 8067 bzw. 8068 an die Common-Rail 8062 angeschlossen. Mit ihrer sogenannten Niederdruckseite sind die Injektoren 8051, 8052, 8053, 8054 über Niederdruckleitungen 8081, 8082, 8083 bzw. 8084 an den Niederdruckbehälter 8080 angeschlossen.
Die Steuereinheit 8050 ist über Kabel 8085, 8086, 8087, 8088 an die Injektoren 8051, 8052, 8053, 8054 angeschlossen, um an die piezoelektrischen Elemente der Injektoren 8051, 8052, 8053, 8054 eine Spannung anzulegen. Die Steuereinheit 8050 ist weiterhin über ein Kabel 8089 an einen Drucksensor 8070 angeschlossen. Der Drucksensor 8070 mißt den Druck P_rail in der Common-Rail 8062. Es sind auch Anordnungen möglich, bei denen Drucksensoren zum Messen des Kraftstoffdrucks sich an den Kraftstoffzufuhrleitungen 8031, 8066, 8067, 8068 oder sogar in den Injektoren 8051, 8052, 8053, 8054 befinden. Wo ein Drucksensor 8070 zum Messen des Drucks P_rail in der Common-Rail 8062 verwendet wird, ist eine bevorzugte Ausführungsform.
Die in den Ansprüchen erwähnten unter Druck stehenden Kraftstoffzufuhrleitungen beinhalten nicht nur die Kraftstoffzufuhrleitungen 8031, 8066, 8067, 8068, sondern auch die Common-Rail 8062, den Verbinder 8063 oder sogar die Kraftstoffzufuhrleitungen in den Injektoren 8051, 8052, 8053, 8054. Die Steuereinheit 8050 steuert in einer bevorzugten Ausführungsform die Hochdruckpumpe 8060. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wirkt die Steuereinheit 8050 als ein Controller, der die Hochdruckpumpe 8060 auf der Basis von Meßwerten des Raildrucks P_rail und der Common-Rail 8062, erhalten durch den Hochdrucksensor 8070, steuert. Stromversorgungsleitungen zum Beliefern der Hochdruckpumpe 8060 mit elektrischem Strom sind in 8 nicht gezeigt.
Das kapazitive Verhalten von piezoelektrischen Elementen, zum Beispiel Aktuatoren, kann nicht durch eine einzelne Funktion von verschiedenen Parametern beschrieben werden, beispielsweise der angelegten Spannung und Temperatur. Das Verhalten von piezoelektri schen Elementen hängt stark von ihrer Vorgeschichte ab. Auf diese Weise ist es nötig, das piezoelektrische Element immer in einen reproduzierbaren Anfangszustand zu versetzen, so daß vergleichbare und reproduzierbare Messungen und Ansteueroperationen durchgeführt werden können.
Wenn über einen längeren Zeitraum (Stunden, Tage oder Wochen) kein externes elektrisches Feld an das piezoelektrische Element angelegt wird, ändert sich die Polarisation des piezoelektrischen Elements; das heißt, die remanente Polarisation nimmt ab. Der Grund dafür ist die Instabilität der Bezirke, die sich beispielsweise durch Stöße, Erschütterungen oder Temperatur umorientieren, was elastische oder thermische Energieeffekte nicht in der Richtung der normalen Wirkrichtung des ansonsten steuernden elektrischen Felds verursacht. Das Ergebnis ist ein sich ändernder Höchstweg des piezoelektrischen Elements während einer ersten Kraftstoffeinspritzaktion nach einem längeren Zeitraum mit keinem angelegten elektrischen Feld (zum Beispiel Weg etwa 10% größer als der normale Weg). Dies führt zu einer anderen Einstellung des in Common-Rail-Systemen verwendeten doppeltwirkenden Steuerventils oder des in Einheitseinspritzsystemen verwendeten Steuerventils und somit zu einer eingespritzten Kraftstoffmenge, die von der gewünschten verschieden ist. Suboptimale Bedingungen während des Startens in Verbindung mit dem Drehmoment, Abgasemissionen, Geräuschen und dergleichen können sich unter solchen Umständen ergeben.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die erforderliche remanente Polarisation des piezoelektrischen Elements vor der ersten Kraftstoffeinspritzaktion wiederherzustellen. Zu Vorteilen aus der Realisierung dieser Aufgabe zählen optimale Bedingungen in Verbindung mit Abgasemissionen, Geräuschen und Motordrehmoment sowie die gleichzeitige Sicherstellung eines optimalen Starts und eines gleichförmigen Polarisationszustands des piezoelektrischen Elements, was mit einer ersten Kraftstoffeinspritzaktion beginnt und sich dann fortsetzt.
Eine Aufgabe der Erfindung kann realisiert werden durch Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element, die zu einem polarisierenden elektrischen Feld führt. Beispielsweise kann eine Spannung ungefähr gleich der Ansteuerspannung sein, die erforderlich ist, um den Ventil-Absperrkörper oder das Abdichtelement in der ersten geschlossenen Position eines doppeltwirkenden Steuerventils zu plazieren oder um ein Einheitseinspritzsystem in einem geschlossenen Zustand zu verwenden.
Allgemein ist der größte Weg des piezoelektrischen Elements größer bei einer unter der remanenten Polarisation liegenden Polarisation als der größte Weg des piezoelektrischen Elements bei der remanenten Polarisation. 9 zeigt die Auslenkung des piezoeletrischen Elements als Funktion der angelegten Spannung für verschiedene Polarisationen des piezoelektrischen Elements. 9 zeigt, daß die größte Auslenkung des piezoelektrischen Elements bei einer unter der remanenten Polarisation liegenden Polarisation, wie durch die Auslenkung 9010 veranschaulicht, größer ist als die größte Auslenkung des piezoelektrischen Elements bei der remanenten Polarisation, wie durch die Auslenkung 9020 angegeben. Weiterhin kann der größte Weg des piezoelektrischen Elements auch durch Temperatur derart beeinflußt werden, daß bei einer Temperatur unter einer vorbestimmten Schwellwerttemperatur das Abdichtelement des doppeltwirkenden Steuerventils beeinträchtigt werden kann.
10 veranschaulicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen Prozeß enthält zum gleichförmigen Polarisieren des piezoelektrischen Elements beim Starten. 10 umfaßt ein beispiel haftes Flußdiagramm, das die Logik darstellt, die elektronisch oder in einem Softwaremodul ausgeführt werden kann, um das piezoelektrische Element beim Starten gleichförmig zu polarisieren. Diese Ausführungsform ist als Beispiel gedacht und ist nicht die einzig mögliche Logik, die für die vorliegende offenbarte und beanspruchte Erfindung ausgeführt werden kann.
Bei Schritt 1905 nämlich wird der Zähler x, der die Anzahl der zum Polarisieren des piezoelektrischen Elements angelegten Spannungssignale zählt, auf Null initialisiert.
Bei Schritt 1910 wird der Wert des Zählers x mit der Variablen y verglichen, die die Gesamtzahl der Spannungssignale speichert, die an das piezoelektrische Element angelegt werden sollen, um das piezoelektrische Element gleichförmig zu polarisieren. Der Wert der Variablen y kann in einem Softwaremodul bestimmt und an eine Routine weitergegeben werden, die die in 10 dargestellte Logik enthält.
Wenn der Wert des Zählers x größer ist als der Wert der Variablen y, dann sind alle das Polarisationsspannungssignal umfassenden Spannungssignale angelegt worden, und die Ausführung wird abgeschlossen.
Wenn der Wert des Zählers x kleiner oder gleich dem Wert der Variablen y ist, dann erfolgt bei Schritt 1920 eine Bestimmung, ob die Temperatur des piezoelektrischen Elements oder Aktuators eine Schwellwerttemperatur übersteigt. Die Schwellwerttemperatur ist diejenige Temperatur, über der das Abdichtelement des doppeltwirkenden Steuerventils die erste geschlossene Position zuverlässig erreicht. Die Schwellwerttemperatur kann bestimmt und an die Routine weitergegeben werden, die die in 10 dargestellte Logik enthält.
Oberhalb der Schwellwerttemperatur erreicht das Abdichtelement des doppeltwirkenden Steuerventils zuverlässig die erste geschlossene Position, und somit findet während des Anlegens eines Spannungssignals an das piezoelektrische Element zu Polarisationszwecken keine Kraftstoffeinspritzaktion statt. Das Anlegen eines Spannungssignals, das durch einen vorbestimmten Startzeitpunkt, eine vorbestimmte Dauer und Amplitude gekennzeichnet ist, kann zu einer optimalen (schnellen) Polarisation während der Steuereinheitsinitialisierung noch vor der Synchronisierung der Kurbelwelle und Nockenwelle führen, wodurch nachfolgende Kraftstoffeinspritzaktionen innerhalb zulässiger Kraftstoffeinspritzbereiche freigegeben werden.
Wenn die Temperatur des piezoelektrischen Elements oder des Aktuators größer oder gleich der Schwellwerttemperatur ist, kann dementsprechend ein Spannungssignal mit einer durch PAB_x gegebenen Startzeit und einer durch PAD_x gegebenen Dauer dann bei Schritt 1925 an das piezoelektrische Element angelegt werden. Hierbei zeigt der tiefgestellte Buchstabe „x" an, daß die Startzeit und die Dauer eines Spannungssignals möglicherweise von der Anzahl der Spannungssignale abhängt; beispielsweise kann das erste Spannungssignal eine andere Startzeit und eine andere Dauer als das zweite Spannungssignal aufweisen. Die Amplitude PLL_x eines Spannungssignals kann ebenfalls möglicherweise von der Anzahl der Spannungssignale abhängen, wie in 10 gezeigt. Die Werte von PAB_x, PAD_x und PLL_x können zum Beispiel in einem Softwaremodul bestimmt und an die Routine weitergegeben werden, die die in 10 dargestellte Logik enthält.
Unter der Schwellwerttemperatur erreicht das doppeltwirkende Steuerventil möglicherweise die erste geschlossene Position nicht zuverlässig. Aus diesem Grund müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um sicherzustellen, daß der Polarisationsprozeß nicht zu einer nichtoptimalen Kraftstoffeinspritzaktion führt. Ein Beispiel für eine derartige Maßnahme besteht darin, ein Drucksteuerventil zum Reduzieren des Raildrucks vor dem Anlegen eines Spannungssignals an das piezoelektrische Element zu öffnen. Dies geschieht in dem Versuch sicherzustellen, daß während des Polarisationsprozesses keine Kraftstoffeinspritzaktion stattfindet. Solange der gemessene Raildruck unter einem Schwellwert bleibt, der zum Beispiel in einem Softwaremodul eingestellt werden kann, kann der piezoelektrische Aktuator mit optimalen Polarisationsparametern angesteuert werden.
Wenn die Temperatur des piezoelektrischen Elements oder Aktuators unter der Schwellwerttemperatur liegt, dann erfolgt dementsprechend bei Schritt 1930 eine Bestimmung, ob der Raildruck unter einem Schwellwertdruck liegt. Wenn der Raildruck unter dem Schwellwertdruck liegt, dann kann bei Schritt 1940 an das piezoelektrische Element ein Spannungssignal mit einer durch PAB_x gegebenen Startzeit und einer durch PAD_x gegebenen Dauer angelegt werden. Außerdem kann das angelegte Spannungssignal eine durch den Wert von PLL_x gegebene Amplitude aufweisen. Der Schwellwertdruck kann zum Beispiel in einem Softwaremodul bestimmt und an die Routine weitergegeben werden, die die in 10 dargestellte Logik enthält.
Wenn jedoch der Raildruck wegen eines Fehlerzustands oder wegen anderer Systemzustände nicht unter den Schwellwertdruck reduziert werden kann, müssen andere Maßnahmen ergriffen werden, um eine falsche Kraftstoffeinspritzoperation aufgrund einer übermäßigen Kraftstoffeinspritzansteuerdauer während der Polarisation zu verhindern. In diesem Fall kann die Dauer des Spannungssignals (die Polarisationsansteuerdauer) so begrenzt werden, daß sie kleiner oder gleich der Dauer ist, die sich bei einer tatsächlichen Kraftstoffeinspritzoperation ergeben würde (der Kraftstoffein spritzansteuerdauer). Folglich kann eine Kraftstoffeinspritzoperation während des Anlegens des Polarisationsspannungssignals auftreten, diese Kraftstoffeinspritzaktion wird jedoch mit Ausnahme des durch eine weniger als optimale Polarisation verursachten Fehlers korrekt sein.
Eine Vorbedingung für diese polarisierende Kraftstoffeinspritzaktion ähnlich der Vorbedingung für jede andere korrekte Kraftstoffeinspritzaktion lautet, daß die Kurbelwelle und die Nockenwelle synchronisiert sind.
Wenn der Raildruck größer oder gleich dem Schwellwertdruck ist, dann erfolgt bei Schritt 1935 eine Bestimmung, ob PAD_x unter der Ansteuerdauer liegt. Wenn PAD_x unter der Ansteuerdauer liegt, dann kann bei Schritt 1950 an das piezoelektrische Element ein Spannungssignal mit einer durch PAB_x gegebenen Startzeit und einer durch PAD_x gegebenen Dauer angelegt werden. Außerdem kann das angelegte Spannungssignal eine durch den Wert von PLL_x gegebene Amplitude aufweisen.
Wenn bei Schritt 1935 bestimmt wird, daß die Ansteuerdauer größer oder gleich PAD_x ist, dann erfolgt bei Schritt 1945 eine Bestimmung, ob die Nockenwelle mit der Kurbelwelle synchronisiert ist. Wenn die Kurbelwelle mit der Nockenwelle synchronisiert ist, dann kann bei Schritt 1960 an das piezoelektrische Element ein Spannungssignal mit einer durch die Kraftstoffeinspritzansteuerstartzeit (EAB) gegebenen Startzeit und einer Dauer angelegt werden, die die kleinere ist von PAD_x und der Kraftstoffeinspritzansteuerdauer (AD). Dadurch wird sichergestellt, daß für den Fall, daß es zu einer ungesteuerten Einspritzung kommt, die Dauer begrenzt wird.
Wenn bei Schritt 1945 zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle keine Synchronisation besteht, dann kommt es bei Schritt 1955 zu keiner Ansteueraktion.
Bei Schritt 1965 wird der Zähler x, der die Anzahl der zum Polarisieren des piezoelektrischen Elements angelegten Spannungssignale zählt, um Eins inkrementiert, und die Steuerung kehrt zu Schritt 1910 zurück.
Somit kann auf diese Weise das piezoelektrische Element gleichförmig polarisiert werden, während sichergestellt wird, daß es zu keiner nicht ordnungsgemäßen Kraftstoffeinspritzaktion kommt.
Diese Merkmale, wie in 10 gezeigt und oben beschrieben, können unabhängig angewendet werden, das heißt, ist ein unabhängiges Merkmal oder eine unabhängige Erfindung. Die erfundenen Merkmale sind: ein Verfahren zum Modellieren des gleichförmigen Polarisierens des piezoelektrischen Elements beim Starten, bevorzugt für ein Kraftstoffeinspritzsystem unter Verwendung mindestens eines piezoelektrischen Elements oder Aktuators, dadurch gekennzeichnet, daß: in einem ersten Schritt (1905) ein Zähler x auf einen Zähler-x-Wert von Null initialisiert wird, wobei der Zähler x in der Lage ist, eine Anzahl von zum Polarisieren des piezoelektrischen Elements angelegten Spannungssignalen zu zählen;
in einem zweiten Schritt (1910) der Zähler-x-Wert mit einer Variablen y verglichen wird, wobei die Variable y die Gesamtzahl der Spannungssignale ist, die an das gespeicherte piezoelektrische Element angelegt werden sollen,

a) wenn der Zähler-x-Wert größer ist als die Variable y, dann zeigt der Zähler an, daß die Anzahl der zum Polarisieren des piezoelektrischen Elements angelegten Spannungssignale die erwartete Gesamtzahl ist,
b) wenn der Zähler-x-Wert kleiner ist als die Variable y, dann erfolgt eine Bestimmung (1920), ob eine aktuelle Temperatur des piezoelektrischen Elements eine Schwellwerttemperatur übersteigt, wobei die Schwellwerttemperatur bevorzugt vorbestimmt ist,
i) wenn die aktuelle Temperatur des piezoelektrischen Elements größer ist als (1925) die Schwellwerttemperatur, dann wird an das piezoelektrische Element ein Spannungssignal mit einer durch PABx bestimmten Startzeit und einer durch PADx bestimmten Dauer angelegt, wobei x die Startzeit anzeigt, und wobei PADx und/oder PABx vorbestimmt werden können,
ii) wenn die aktuelle Temperatur des piezoelektrischen Elements kleiner ist als (1930) die Schwellwerttemperatur, dann erfolgt eine Bestimmung, ob ein Raildruck einen Schwellwertdruck übersteigt, wobei der Schwellwertdruck bevorzugt vorbestimmt ist,
a) wenn der Raildruck kleiner ist als (1940) der Schwellwertdruck, dann wird an das piezoelektrische Element ein Spannungssignal mit einer durch PABx bestimmten Startzeit und einer durch PADx bestimmten Dauer und bevorzugt einem durch PLLx bestimmten Amplitudenwert angelegt, wobei PABx und PADx und PLLx bevorzugt vorbestimmte Werte sind,
b) wenn der Raildruck größer oder gleich (1935) dem Schwellwertdruck ist, dann erfolgt eine Bestimmung, ob der PABx-Wert eine aktuelle Ansteuerdauer des piezoelektrischen Elements übersteigt,
i) wenn der PADx-Wert kleiner ist als (1950) die aktuelle Ansteuerdauer des piezoelektrischen Elements, dann wird an das piezoelektrische Element ein Spannungssignal mit einer durch PABx bestimmten Startzeit und einer durch PADx bestimmten Dauer angelegt,
ii) wenn der PADx-Wert größer oder gleich (1945) der aktuellen Ansteuerdauer des piezoelektrischen Elements ist, dann erfolgt eine Bestimmung, ob eine Nockenwelle des Systems mit einer Kurbelwelle des Systems synchronisiert ist,
a) wenn die Nockenwelle des Systems mit der Kurbelwelle des Systems synchronisiert ist (1960), dann wird an das piezoelektrische Element ein Spannungssignal mit einer durch eine Kraftstoffinjektionsansteuerstartzeit (EAB) und einer Dauer angelegt, die bestimmt ist durch das kleinere von PADx und der Kraftstoffeinspritzansteuerdauer (AD),
b) wenn die Nockenwelle des Systems nicht mit der Kurbelwelle des Systems synchronisiert ist (1955), dann wird keine Ansteueraktion bewirkt,
ii) wenn der PADx-Wert größer ist als (1945) die aktuelle Ansteuerdauer des piezoelektrischen Elements, dann wird eine Bestimmung,

1905

11 zeigt ein Beispiel eines über der Zeit aufgetragenen Polarisationsspannungssignals. Das Polarisationsspannungssignal von 11 umfaßt drei Spannungssignale. Das erste, zweite und dritte Spannungssignal weisen Startzeiten von PAB1, PAB2 bzw. PAB3; Dauern von PAD1, PAD2 bzw. PAD3 und Amplituden von PLL1, PLL2 bzw. PLL3 auf. Eine Periode für die Spannungssignale kann aus der Differenz bei der Startzeit zwischen aufeinanderfolgenden Signalen definiert werden. Beispielsweise ist in 11 die Periode 1 gegeben durch die Differenz bei der Zeit zwischen dem ersten und zweiten Spannungssignal, und Periode 2 ist gegeben durch die Differenz bei der Zeit zwischen dem zweiten und dritten Spannungssignal. Wenn alle Perioden der Spannungssignale innerhalb eines Polarisationsspannungssignals gleichförmig sind, kann das Polarisationsspannungssignal auch gekennzeichnet werden durch die Wiederholungsgeschwindigkeit oder -frequenz, die berechnet werden kann, indem der Kehrwert der gleichförmigen Periode genommen wird.

Claims

Verfahren zum Laden eines piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) wobei das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) anfänglich durch Anlegen eines Polarisationsspannungssignals vor einer Kraftstoffeinspritzaktion polarisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die anfängliche Polarisation je nach einer Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) Teil eines Aktuators für ein Ventil (7000) eines Kraftstoffeinspritzsystems ist, wobei das Ventil mit einer Verbrennungskammer verbunden ist und der Aktuator dafür ausgelegt ist, sich zu bewegen und das Ventil zu schließen und zu öffnen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die folgenden Schritte ausgeführt werden: Bestimmen, ob die Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) die kritische Temperatur übersteigt; Ausführen eines ersten Polarisationsprozesses an dem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60), wenn die Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) die kritische Temperatur übersteigt, wobei der erste Polarisationsprozeß das Anlegen eines ersten Polarisationsspannungssignals an das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) beinhaltet, und Ausführen eines zweiten Polarisationsprozesses an dem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60), wenn die Temperatur des piezoelektrischen Elements unter der kritischen Temperatur liegt, wobei der zweite Polarisationsprozeß das Anlegen eines zweiten Polarisationsspannungssignals an das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsspannung und/oder das erste Polarisationsspannungssignal eine vorbestimmte Anzahl vor Spannungssignalen enthält, wobei jedes Spannungssignal der vorbestimmten Anzahl für eine Polarisationsansteuerdauer angelegt wird, wobei die vorbestimmte Anzahl von Spannungssignalen mit einer vorbestimmten Wiederholgeschwindigkeit angelegt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Polarisationsprozeß beinhaltet, sicherzustellen, daß ein Raildruck des Ventils unter einem Schwellwertdruck bleibt.
Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Polarisationsprozeß das Öffnen mindestens eines Drucksteuerventils beinhaltet, wobei das Drucksteuerventil mit dem Ventil verbunden ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Polarisationsspannungssignal eine vorbestimmte Anzahl von Spannungssignalen enthält, wobei jedes Spannungssignal der vorbestimmten Anzahl für eine Polarisationsansteuerdauer angelegt wird, wobei die vorbestimmte Anzahl von Spannungssignalen mit einer vorbestimmten Wiederholgeschwindigkeit angelegt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bestimmung, ob ein Raildruck des Ventils einen Schwellwertdruck übersteigt, vorgenommen wird und das zweite Polarisationsspannungssignal eine vorbestimmte Anzahl von Spannungssignalen enthält, wobei jedes Spannungssignal der vorbestimmten Anzahl für eine Polarisationsansteuerdauer angelegt wird, wobei die Polarisationsansteuerdauer kleiner ist als eine Kraftstoffeinspritzansteuerdauer, wobei die vorbestimmte Anzahl von Spannungssignalen mit einer vorbestimmten Wiederholgeschwindigkeit angelegt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß Bestimmungen, ob ein Raildruck des Ventils einen Schwellwertdruck übersteigt und ob eine Nockenwelle mit einer Kurbelwelle synchronisiert ist, vorgenommen werden und wobei das zweite Polarisationsspannungssignal eine vorbestimmte Anzahl von Spannungssignalen enthält, wobei jedes Spannungssignal der vorbestimmten Anzahl für eine Polarisationsansteuerdauer angelegt wird, wobei die Polarisationsansteuerdauer kleiner ist als eine Kraftstoffeinspritzansteuerdauer, wobei die vorbestimmte Anzahl von Spannungssignalen mit einer vorbestimmten Wiederholgeschwindigkeit angelegt wird.
Vorrichtung zum Laden eines piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60), dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel umfaßt zum Ausführen eines Prozesses der anfänglichen Polarisation des piezoelektrischen Elements, der beinhaltet, ein Polarisationsspannungssignal je nach einer Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) an das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) anzulegen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus Hardware und/oder Software besteht, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zu implementieren.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung folgendes umfaßt: Mittel zum Bestimmen, ob die Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60), eine kritische Temperatur übersteigt; Mittel zum Ausführen eines ersten Polarisationsprozesses an dem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60), wenn die Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) eine kritische Temperatur übersteigt, wobei der erste Polarisationsprozeß das Anlegen eines ersten Polarisationsspannungssignals an das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) beinhaltet; und Mittel zum Ausführen eines zweiten Polarisationsprozesses an dem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60), wenn die Temperatur des piezoelektrischen Elements (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) unter der kritischen Temperatur liegt, wobei der zweite Polarisationsprozeß das Anlegen eines zweiten Polarisationsspannungssignals an das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) beinhaltet.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) Teil eines Aktuators in einem Kraftstoffeinspritzsystem ist, wobei das Kraftstoffeinspritzsystem ein mit einer Verbrennungskammer verbundenes Ventil enthält, wobei der Aktuator dafür ausgelegt ist, sich zu bewegen und das Ventil zu schließen und zu öffnen, wobei das Ventil Kraftstoff mit einem Raildruck enthält und mit mindestens einem Drucksteuerventil verbunden ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Polarisationsprozeß von dem zweiten Polarisationsprozeß differiert.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das an das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) angelegte erste Polarisationsspannungssignal eine vorbestimmte Anzahl von Spannungssignalen enthält, wobei jedes Spannungssignal der vorbestimmten Anzahl für eine Polarisationsansteuerdauer angelegt wird, wobei die vorbestimmte Anzahl von Spannungssignalen mit einer vorbestimmten Wiederholgeschwindigkeit angelegt wird.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 12, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Polarisationsprozeß beinhaltet, sicherzustellen, daß der Raildruck unter einem Schwellwertdruck bleibt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 12, 13, 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Polarisationsprozeß das Öffnen mindestens eines Drucksteuerventils beinhaltet.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 12, 13, 14, 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das an das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 und/oder 60) angelegte zweite Polarisationsspannungssignal eine vorbestimmte Anzahl von Spannungssignalen enthält, wobei jedes Spannungssignal der vorbestimmten Anzahl für eine Polarisationsansteuerdauer angelegt wird, wobei die vorbestimmte Anzahl von Spannungssignalen mit einer vorbestimmten Wiederholgeschwindigkeit angelegt wird.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 12, 13, 14, 15, 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Polarisationsprozeß das Bestimmen beinhaltet, ob der Raildruck einen Schwellwertdruck übersteigt, und das zweite Polarisationsspannungssignal eine vorbestimmte Anzahl von Spannungssignalen enthält, wobei jedes Spannungssignal der vorbestimmten Anzahl für eine Polarisationsansteuerdauer angelegt wird, wobei die Polarisationsansteuerdauer kleiner ist als eine Kraftstoffeinspritzansteuerdauer, wobei die vorbestimmte Anzahl von Spannungssignalen mit einer vorbestimmten Wiederholgeschwindigkeit angelegt wird.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Polarisationsprozeß das Bestimmen beinhaltet, ob der Raildruck einen Schwellwertdruck übersteigt und ob eine Nockenwelle mit einer Kurbelwelle synchronisiert ist, und das zweite Polarisationsspannungssignal eine vorbestimmte Anzahl von Spannungssignalen enthält, wobei jedes Spannungssignal der vorbestimmten Anzahl für eine Polarisationsansteuerdauer angelegt wird, wobei die Polarisationsansteuerdauer kleiner ist als eine Kraftstoffeinspritzansteuerdauer, wobei die vorbestimmte Anzahl von Spannungssignalen mit einer vorbestimmten Wiederholgeschwindigkeit angelegt wird.