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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung mindestens
eines piezoelektrischen Ultraschallaktors, der elektrisch gesteuert wird,
und insbesondere eine Kraftstoffeinspritzdüse mit piezoelektrischer Stufe,
die von der elektrischen Einspritzsteuerung einer Brennkraftmaschine
in einem Kraftfahrzeug gesteuert wird. Sie betrifft außerdem ein
Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.
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Das
heißt,
das Problem, das durch die Erfindung gelöst werden soll, ist die Erregung
der piezoelektrischen Zellen, um die Struktur einer Ultraschall-Einspritzdüse in Vibration
zu versetzen, wie z. B. in der
französischen
Patentanmeldung beschrieben, die unter der Nummer 99 14548 im
Namen der Anmelderin angemeldet wurde. Dieser Typ von Einspritzdüse zerstäubt den
Kraftstoff sehr fein zu kalibrierten Tröpfchen, um eine präzise und
ausreichend kleine Dosierung zu gewährleisten, damit die vollständige und
homogene Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffs gewährleistet
wird. Solch eine Ultraschall-Einspritzdüse umfasst unter anderem eine zylindrische
Düse, die
mit Kraftstoff versorgt wird und an deren Ende eine Einspritzöffnung ausgespart
ist, und Mittel, um die Düse
zyklisch in Vibration zu versetzen, wie z. B. einen Wandler, der
eine Stufe aus piezoelektrischer Keramik umfasst, an deren Anschlüssen die
elektrische Spannung variiert wird, um ihre Dicke zwischen zwei
Endpositionen zu modifizieren, die der Öffnung und der Schließung der
Einspritzdüse
auf ein Untersetzungsverhältnis
genau entsprechen. Eine piezoelektrische Keramik der Einspritzdüse ist das Äquivalent
erster Ordnung einer Kapazität,
deren Ladespannung hoch ist, höher
als etwa hundert Volt.
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In
einem Kraftfahrzeug weist die Versorgungsspannung einen Wert von
12 oder 42 Volt auf, was die Erhöhung
dieser Spannung impliziert, um die Ladung und Entladung der Keramik
zu gewährleisten.
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Es
gibt gegenwärtig
verschiedene Topologien von Steuervorrichtungen für piezoelektrische
Einspritzdüsen,
darunter die Topologien mit Transformator, die den Nachteil aufweisen,
dass sie teuer in der Herstellung sind und eine Kopplung der elektrischen Resonanz
mit der magnetischen Resonanz aufweisen. Es gibt auch Topologien
ohne Transformator, also ohne galvanische Trennung, wovon ein Ausführungsbeispiel
in der
französischen Patentanmeldung beschrieben
wird, die unter der Nummer 02 14665 im Namen von Renault
angemeldet wurde. Diese Anmeldung schlägt eine Steuervorrichtung vor,
umfassend:
- – eine erste Stufe, die von
der Gleichspannungsquelle versorgt wird, um diese Spannung zu verstärken, damit
eine Hochspannung erzeugt wird;
- – eine
zweite Stufe, die mit der Hochspannung versorgt wird, die von der
ersten Stufe erzeugt wird, um eine Stromquelle zur Versorgung der Einspritzdüsen zu erzeugen;
- – eine
dritte Stufe, um die zu steuernden piezoelektrischen Einspritzdüsen zu wählen;
- – eine
vierte Stufe, um die Erregungsspannung Vpi der
Einspritzdüsen
zu steuern.
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Die
erste Stufe zur Erzeugung einer Hochspannung besteht aus einem ersten
Zweig mit einer ersten Induktivität L1,
die mit einem Schalter S1 verbunden ist,
der mit einer Freilaufdiode d1 antiparallel geschaltet
ist, und aus einem zweiten Zweig, der mit dem Schalter S1 parallel geschaltet ist und eine Diode D
umfasst, die mit einer Filterkapazität C verbunden ist, wobei einer
der Anschlüsse
dieser Diode D mit einer Verbindungsstelle J1 der
Induktivität
L1 und des Schalter S1 des
ersten Zweigs verbunden ist und die Versorgungshochspannung den
Anschlüssen
der Kapazität
C zugeführt
wird.
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Die
zweite Stufe zur Erzeugung einer Stromquelle besteht aus einem Zweig
mit einer zweiten Induktivität L2, die mit einem Schalter S2 verbunden
ist, der mit einer Freilaufdiode d2 antiparallel
geschaltet ist, wobei der Wert dieser Induktivität L2 ausgelegt
ist, um einen Schwingkreis mit jeder gesteuerten Einspritzdüse zu bilden,
die einerseits mit der Verbindungsstelle J2 der
Diode D mit der Filterkapazität
der ersten Stufe und andrerseits mit dem Schalter S2 verbunden
ist.
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Das
Dokument
DE 196 32
872 A1 beschreibt eine Steuervorrichtung, umfassend eine
Gleichspannungsquelle, eine Resonanzinduktivität, die mit einem Satz aus zwei
parallel geschalteten Zweigen in Reihe geschaltet ist, wobei jeder
einen ersten Schalter vom Typ Thyristor umfasst, die zwei Schalter
entgegengesetzt angeordnet sind, durch eine Verbindungsstelle mit
einer Diode verbunden sind, die mit dem piezoelektrischen Aktor
antiparallel geschaltet ist, und einen zweiten Schalter vom Typ
Thyristor, der mit dem Satz aus zwei Zweigen parallel geschaltet ist.
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Das
Dokument
DE 198 27
170 A1 schlägt eine
Steuervorrichtung vor, umfassend eine Gleichspannungsquelle, eine
Resonanzinduktivität,
die mit einem Satz aus zwei parallel geschalteten Zweigen in Reihe
geschaltet ist, jeder umfassend einen ersten Schalter, der jeweils
mit einer Diode in Reihe geschaltet ist, wobei die zwei Dioden entgegengesetzt angeordnet
sind, durch eine Verbindungsstelle mit einer Diode verbunden sind,
die mit dem piezoelektrischen Aktor antiparallel geschaltet ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Bereitstellung einer neuen Topologie ohne
Transformator, die im Vergleich zum Stand der Technik vereinfacht
ist und nur ein einziges selbstinduzierendes Bauelement aufweist,
um an den Anschlüssen
einer Einspritzdüse
eine Wechselspannung aus einer Gleichspannungsquelle zu erzeugen.
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Zu
diesem Zweck ist ein erster Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung
zur Steuerung mindestens eines piezoelektrischen Ultraschallaktors, der
von einem Steuergerät
und einer Gleichspannungsquelle elektronisch gesteuert wird, wobei
die Vorrichtung von der Spannungsquelle versorgt wird, die zwischen
zwei Endanschlüssen
B+ und B– eine Ausgangsgleichspannung
E abgibt, und eine mit diesen Anschlüssen parallel geschaltete Resonanzinduktivität Lp umfasst, die mit einem Satz aus zwei parallel
geschalteten Zweigen in Reihe geschaltet ist, jeder umfassend einen
ersten Schalter P11 und P12, der
jeweils mit einer Diode d1 und d2 in Reihe geschaltet ist, wobei die zwei
Dioden entgegengesetzt angeordnet sind, durch eine Verbindungsstelle
J mit dem Aktor Ai verbunden sind, dadurch
gekennzeichnet, dass ein zweiter Schalter P2,
der mit einer Diode D antiparallel geschaltet ist und an seinen
Anschlüssen
eine Wechselhochspannung mit Gleichstromkomponente abgibt, die als
Erregungsspannung dient, mit dem Aktor parallel geschaltet ist.
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Einem
anderen Merkmal der von der Gleichspannungsquelle gespeisten Steuervorrichtung
gemäß ist die
Resonanzinduktivität
Lp zwischen dem Anschluss B+ der Spannungsquelle
E und dem Satz der zwei Zweige in Reihe geschaltet, der seinerseits durch
die Verbindungsstelle J mit einem ersten Anschluss des zweiten Schalters
P2 verbunden ist, der mit einer Diode D
antiparallel geschaltet ist, deren anderer Anschluss mit dem Anschluss
B– der
Spannungsquelle verbunden ist, wobei der Aktor zwischen der Verbindungsstelle
J und dem Anschluss B– der Quelle
parallel geschaltet ist.
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Einem
anderen Merkmal der von der Gleichspannungsquelle gespeisten Steuervorrichtung
gemäß ist die
Resonanzinduktivität
Lp zwischen dem Anschluss B+ der Spannungsquelle
und einem ersten Anschluss des zweiten Schalters P2 in
Reihe geschaltet, die mit der Diode D antiparallel geschaltet ist,
deren zweiter Anschluss durch die Verbindungsstelle J mit einem
ersten Anschluss des Satzes der zwei Zweige verbunden ist, dessen
anderer Anschluss mit dem Anschluss B– der Spannungsquelle verbunden
ist, wobei der Aktor zwischen der Verbindungsstelle zwischen der
Induktivität
Lp und dem Schalter einerseits und der Verbindungsstelle
J andererseits parallel geschaltet ist.
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Eine
zweite Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer
Vorrichtung zur Steuerung mindestens eines piezoelektrischen Ultraschallaktors,
dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:
- – A)
das gleichzeitige Schließen
eines ersten Schalters P11 eines Zweigs
des Satzes, der mit der Resonanzinduktivität Lp verbunden
ist, zum einen, und des zweiten Schalters P2,
der dazu bestimmt ist, eine Erregungsspannung an die Einspritzdüse abzugeben,
zum anderen, damit der Strom ILP in die
Induktivität
fließt
und die Energie in dieser gespeichert wird, während der andere erste Schalter
P12 des anderen Zweigs offen ist;
- – B)
das Öffnen
des zweiten Schalters P2, während der
erste Schalter P11 eines Zweigs noch geschlossen
ist und der P12 des anderen Zweigs noch
offen ist, damit der Strom ILP in der Induktivität in den
gewählten
Aktor Ai fließt und die Induktivität Lp mit der Eingangskapazität des Aktors in Resonanz tritt,
der sich dadurch auf die Erregungsspannung Vpi lädt, die
an den Anschlüssen des
Schalters P2 vorliegt;
- – C)
das Öffnen
des ersten Schalters P11 des Zweigs, der
geschlossen war, und das gleichzeitige Schließen des Schalters P12 des anderen Zweigs, während der zweite Schalter P2 offen bleibt, um den piezoelektrischen
Aktor in die Induktivität
Lp zu entladen, deren Strom ILP in
entgegengesetzter Richtung zum Ladestrom zunimmt;
- – D)
das Schließen
des zweiten Schalters P2, während einer
der ersten Schalter der Zweige P11 offen
ist und der andere Schalter P12 geschlossen ist;
- – E)
das Öffnen
des geschlossenen Schalters P12 und Schließen des
anderen, offenen Schalters P11 der zwei Zweige,
um in der Induktivität
Lp Energie zu speichern.
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung von
zwei Ausführungsvarianten
einer Vorrichtung zur Steuerung eines piezoelektrischen Aktors hervor,
die durch die folgenden Zeichnungen veranschaulicht werden, welche
sind:
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1 und 2:
ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Steuerung eines piezoelektrischen
Aktors gemäß zwei Varianten;
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3a bis 3d:
die Schaltbilder, die dem Lade- und Entladekreis der gewählten Einspritzdüse entsprechen;
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4a bis 4c:
die Steuersignale der drei Schalter der Vorrichtung;
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5 und 6:
die jeweiligen zeitlichen Änderungen
des Stroms in der Ladeinduktivität
und der Spannung an den Anschlüssen
der Einspritzdüse.
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Elemente,
die in den verschiedenen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen tragen,
erfüllen
die gleichen Funktionen mit den gleichen Ergebnissen.
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Die
Erfindung besteht darin, an der piezoelektrischen Zelle jeder Kraftstoffeinspritzdüse eines Fahrzeugs
ein sinusförmiges
Signal mit einer hohen Spannung von über etwa hundert Volt und einer
hohen Frequenz von über
etwa zehn Kilohertz aus einer Gleichspannungsquelle, d. h. der Batterie
zu erzeugen. Zu diesem Zweck schlägt sie zwei verschiedene Varianten
einer Topologie der Steuervorrichtung eines Aktors vor, der die
Erregung dieser piezoelektrischen Keramiken gewährleistet, durch eine Induktivität, um einen
Resonanzkreis herzustellen. Diese Strukturen gelten für 1 bis
N Einspritzdüsen,
wobei N eine Ganzzahl bevorzugt gleich 4, 5, 6, 8, 10 oder 12 ist.
Als nicht einschränkendes
Beispiel ist die Zahl der gesteuerten Einspritzdüsen in der folgenden Beschreibung
4.
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Wie
das Schaltbild von 1 in Bezug auf eine erste Ausführungsvariante
zeigt, wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Steuerung eines piezoelektrischen Aktors Ai von
einer Gleichspannungsquelle wie z. B. einer 12 Volt- oder 42 Volt-Batterie des
Fahrzeugs gespeist, oder von einem DC-DC-Wandler, der zwischen seinen
zwei Endanschlüssen
B– und
B+ eine Gleichspannung E abgibt. Mit dieser Gleichspannungsquelle
ist eine Resonanzinduktivität
Lp parallel geschaltet, die mit einem Satz aus
zwei parallel geschalteten Zweigen in Reihe geschaltet ist, die
jeder einen ersten Schalter P11 und P12 umfassen, der jeweils mit einer Diode
d1 und d2 in Reihe
geschaltet ist, wobei diese Dioden relativ zueinander entgegengesetzt
angeordnet sind. Die Verbindungsstelle J dieser zwei Zweige, die
nicht mit der Induktivität
Lp verbunden ist, ist mit einem ersten Anschluss
eines zweiten Schalters P2 verbunden, der mit
einer Diode D antiparallel geschaltet ist und dessen zweiter Anschluss
mit dem Anschluss B– der Spannungsquelle
E verbunden ist.
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Mindestens
ein Aktor Ai ist zwischen den Anschlüssen dieses
zweiten Schalters P2 angeordnet, der eine
Erregungswechselhochspannung Vpi mit einer
Gleichstromkomponente abgibt.
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Bei
vier piezoelektrischen Ultraschallaktoren Al bis
A4 sind diese mit den Anschlüssen dieses Schalters
P2 parallel geschaltet, der mit der Diode
D antiparallel geschaltet ist, wobei jeder mit einem Wählschalter
S1 bis S4 verbunden
ist, der vom elektronischen Motorsteuergerät gesteuert wird, der die zu
erregende Einspritzdüse
wählt,
damit sie den Kraftstoff in einen bestimmten Zylinder einspritzt.
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Die
Resonanzinduktivität
Lp ist so ausgelegt, dass ihre Resonanzfrequenz
mit der Eingangskapazität
des piezoelektrischen Aktors Ai größer ist
als die Wiederholungsfrequenz der Schalter, das heißt, die Ultraschall-Steuerfrequenz
der piezoelektrischen Einspritzdüsen.
Daher beruht das Funktionsprinzip der Vorrichtung sowohl auf dem
reaktiven Charakter der Induktivität Lp und
der Eingangsimpedanz des gewählten
Aktors als auch auf der schnellen Ladung und Entladung der piezoelektrischen
(Einspritzdüse) durch
eine Induktivität,
die ausgelegt ist, damit ihre Resonanz mit der Eingangskapazität der Einspritzdüse bei einer
Frequenz stattfindet, die größer ist
als die Wiederholungsfrequenz des gewünschten Spannungsmusters.
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Die
Arbeitsweise dieser Steuervorrichtung zum Erhalt einer Wechselspannung
mit Gleichstromkomponente an den Anschlüssen der piezoelektrischen
Einspritzdüse
umfasst die folgenden Schritte, sobald die Einspritzdüse vom Wählschalter
Si gewählt
wurde, wobei die Schritte durch die Schaltbilder des Lade- und Entladekreises
der Einspritzdüse
dargestellt werden:
- – A) das gleichzeitige Schließen eines
ersten Schalters P11 eines Zweigs des Satzes,
der mit der Resonanzinduktivität
Lp verbunden ist, zum einen, und des zweiten
Schalters P2, der dazu bestimmt ist, eine
Erregungsspannung an die Einspritzdüse abzugeben, zum anderen,
damit der Strom ILP in die Induktivität fließt und die
Energie in dieser gespeichert wird, während der andere erste Schalter
P12 des anderen Zweigs offen ist (3a);
- – B)
das Öffnen
des zweiten Schalters P2, während der
erste Schalter P11 eines Zweigs noch geschlossen
ist und der P12 des anderen Zweigs noch
offen ist, damit der Strom ILP in der Induktivität in den
gewählten
Aktor Ai fließt und die Induktivität Lp mit der Eingangskapazität des Aktors in Resonanz tritt,
der sich dadurch auf die Erregungsspannung Vpi lädt, die
an den Anschlüssen des
Schalters P2 vorliegt (3b);
- – C)
das Öffnen
des ersten Schalters P11 des Zweigs, der
geschlossen war, und das gleichzeitige Schließen des Schalters P12 des anderen Zweigs, während der zweite Schalter P2 offen bleibt, um den piezoelektrischen
Aktor in die Induktivität
Lp zu entladen, deren Strom ILP in entgegengesetzter
Richtung zum Ladestrom zunimmt (3c);
- – D)
das Schließen
des zweiten Schalters P2, während einer
der ersten Schalter der Zweige P11 offen
ist und der andere Schalter P12 geschlossen ist
(3d);
- – E)
das Öffnen
des geschlossenen Schalters P12 und Schließen des
anderen, offenen Schalters P11 der zwei
Zweige, um in der Induktivität
Lp Energie zu speichern (wie in Schritt
A).
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Der
Zyklus wiederholt sich, bis ein anderer Aktor gewählt wird,
für den
der Zyklus der gleiche ist.
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4a stellt
die Steuersignale des mit der Diode D antiparallel geschalteten
zweiten Schalters P2 dar, und 4b und 4c stellen
jeweils die Steuersignale zur Öffnung
und Schließung
der ersten Schalter P11 und P12 der
zwei parallel geschalteten Zweige dar.
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Die
Steuerung dieser drei Schalter ergibt den Strom ILP,
der in der Resonanzinduktivität
Lp fließt, der
in 5 gezeigt wird, sowie die Erregungsspannung Vpi des piezoelektrischen Aktors, die in 6 gezeigt
wird.
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Zwischen
den Zeitpunkten t0 und t1,
während des
Schritts A), steigt der Absolutwert des Stroms ILP in
der Induktivität
LP auf einen maximalen Ladewert –Imax der Induktivität an und fällt dann am Zeitpunkt t1 des Beginns der Entladung der Induktivität in den
Aktor Ai plötzlich auf den Wert null ab.
Gleichzeitig ist die Spannung Vpi an den
Anschlüssen
des Aktors null, da der Schalter P2 offen
ist, doch am Zeitpunkt t1 geht sie auf den
Wert Vmax über, der dazu bestimmt ist,
ihn zu erregen. Am Zeitpunkt t2 ist der
Schalter P12 geschlossen, die Erregungsspannung
Vpi wird null und der Aktor Ai entlädt sich
in die Induktivität
Lp, wodurch in der Induktivität ein Strom
ILP erzeugt wird, dessen Richtung dem Ladestrom
entgegengesetzt ist und der während
des Schritts D) den Höchstwert +Imax aufweist. Zwischen t3 und
t4 ist die Spannung Vpi null,
weil der Schalter P2 geschlossen ist.
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Nach
einer zweiten Ausführungsvariante, wie
im Schaltbild von 2 gezeigt, ist die Induktivität Lp zwischen dem Anschluss B+ der Spannungsquelle
E und einem ersten Anschluss des zweiten Schalters P2 in
Reihe geschaltet, der mit der Diode D antiparallel geschaltet ist,
an deren Anschlüssen
die Erregungsspannung des gewählten
Aktors erhalten wird. Der zweite Anschluss ist durch die Verbindungsstelle
J mit einem ersten Anschluss der Gruppe der zwei Zweige verbunden,
deren anderer Anschluss mit dem Anschluss B– der Spannungsquelle verbunden
ist. Der Aktor Ai ist zwischen der Verbindungsstelle
J und dem Punkt parallel geschaltet, der die Induktivität Lp und den Schalter P2 verbindet.
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Das
heißt,
das Schaltbild von 2 stellt eine Vorrichtung zur
Steuerung von vier Aktoren aus piezoelektrischer Keramik A1 bis A4 dar, die
mit den Anschlüssen
des Schalters P2 parallel geschaltet sind,
wobei jeder piezoelektrische Aktor A1 bis
A4 mit einem Wählschalter S1 bis
S4 in Reihe geschaltet ist, der vom elektronischen
Motorsteuergerät
gesteuert wird, das die zu erregende Einspritzdüse wählt.
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Die
Schalter der zwei Zweige können
vom Typ MOSFET mit eigenleitender Diode oder vom Typ IGBT oder Transistor
sein.
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Die
Arbeitsweise dieser zweiten Variante der Steuervorrichtung zum Erhalt
einer Wechselspannung mit Gleichstromkomponente an den Anschlüssen der
piezoelektrischen Einspritzdüse
umfasst die gleichen Schritte wie die ersten Variante der Vorrichtung.
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Einer
der Vorteile der Erfindung ist die Bereitstellung einer Topologie
der Steuerung für
piezoelektrische Einspritzdüsen,
die eine reduzierte Zahl von selbstinduzierenden Bauelementen verwendet,
in diesem Fall eine einzige Induktivität, was die schnelle Ladung
und Entladung der piezoelektrischen Scheiben im Verhältnis zur
Wiederholungsfrequenz der Steuerung erlaubt.