EP1917433A1 - Stromquelle, steuervorrichtung und verfahren zum betreiben der steuervorrichtung - Google Patents

Stromquelle, steuervorrichtung und verfahren zum betreiben der steuervorrichtung

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EP1917433A1
EP1917433A1 EP06792937A EP06792937A EP1917433A1 EP 1917433 A1 EP1917433 A1 EP 1917433A1 EP 06792937 A EP06792937 A EP 06792937A EP 06792937 A EP06792937 A EP 06792937A EP 1917433 A1 EP1917433 A1 EP 1917433A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
switching element
reference resistor
control
current source
switching
Prior art date
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Ceased
Application number
EP06792937A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin GÖTZENBERGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Automotive GmbH
Original Assignee
VDO Automotive AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by VDO Automotive AG filed Critical VDO Automotive AG
Publication of EP1917433A1 publication Critical patent/EP1917433A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/065—Large signal circuits, e.g. final stages
    • H02N2/067—Large signal circuits, e.g. final stages generating drive pulses
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2058—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit using information of the actual current value

Definitions

  • the invention relates to a current source, a control device and a method for operating the control device, in particular for use with a piezoactuator.
  • a starting point here is to reduce the pollutant emissions generated during the combustion process of the air / fuel mixture.
  • soot is highly dependent on the preparation of the air / fuel mixture in the respective cylinder of the internal combustion engine.
  • fuel is increasingly metered under very high pressure. In the case of diesel internal combustion engines, the fuel pressures are up to 2000 bar.
  • Injectors are increasingly being used for such applications with a piezo actuator as an actuator. Piezo actuators are characterized by very short response times. Such injection valves are optionally suitable for metering fuel several times within a working cycle of a cylinder of the internal combustion engine.
  • a particularly good mixture preparation can be achieved if, prior to a main injection, one or more pre-injections take place, which are also referred to as pilot injection, with possibly a very low fuel mass being metered for the individual pre-injection should.
  • pilot injection pilot injection
  • a precise control of the injection valve is very important, especially for these cases.
  • the object of the invention is to provide a simple current source according to a first aspect, by means of which two different output currents are adjustable. According to a further aspect, the object of the invention is to provide a control device and a method for operating the control device, by means of which simply two different output currents can be set.
  • the invention is characterized according to a first aspect by a current source having a first switching element, which has a control input and is designed so that depending on a control signal at its control input, an output current output side of the current source is adjustable. It also has a reference resistor electrically coupled to the first switching element such that the output current flows through the reference resistor.
  • the reference resistor has series-connected first and second single reference resistors. Next is a diode in parallel with the first reference resistor connected in the forward direction according to the intended direction of current through the reference resistor.
  • the first single reference resistor has a higher resistance than the second single reference resistor.
  • the current source further comprises a regulator element, to which a predetermined reference potential is supplied as desired value and whose actuating signal is the control signal of the first switching element.
  • the current source further includes a second switching element that is configured and arranged to bias the regulator element with a first potential difference representative of a voltage drop across the first and second single reference resistors in a first switching position and a second potential difference as a setpoint that is representative of a voltage drop across the second single reference resistor, in a second switching position.
  • the reference resistance is characterized in that it has different resistance values depending on the voltage drop across the first and second reference resistors. This is realized particularly simply by the parallel connection of the diode to the first single reference resistor. Characterized in that the first single-reference resistor is higher impedance than the second single-reference resistor, so clearly different output currents can be set at the power source, and in each case with a high accuracy, also with regard to an offset of the control signal of the controller element.
  • the first and second individual reference resistors are each formed with the appropriate for the respective output current low tolerance.
  • the regulator element and the second switching element are arranged in an integrated circuit and the reference resistor and the first switching element are arranged externally to the integrated circuit.
  • the integrated circuit can also be used independently for the desired output currents in the respective application and adapted by suitable individual reference resistors and a correspondingly suitable first switching element for the respective application. So overall, a cost-effective production of the power source is possible.
  • a first control parameter path electrically couples the regulator element on the output side to a first node, which is arranged electrically between the first switching element and the reference resistor.
  • the first control parameter path has a predeterminable impedance.
  • a second control parameter path which electrically couples the controller element on the output side to a second node, which is arranged electrically between the first and second individual reference resistor is.
  • the second control parameter path has a predeterminable impedance. In this way, it is easy to set the controller behavior with respect to a second output current which is assigned to the second switching position of the second switching element.
  • the predeterminable impedance in the first and / or second control parameter path is designed so that a proportional and integral control behavior is formed. This has proved to be particularly favorable.
  • the predetermined impedance of the second control parameter path is at least at least an order of magnitude smaller than the predeterminable impedance of the first control parameter path.
  • the invention is characterized by a control device with the current source which is provided for controlling a piezoactuator, wherein the current source can be coupled to the piezoactuator so that it can discharge the piezoactuator.
  • the control device has a power output stage for charging and discharging the piezoactuator, which is arranged electrically parallel to the current source.
  • a method for operating the control device in which the power output stage is driven to discharge the piezo actuator and then the second switching element is controlled in its second switching position for further discharging the power output stage, whereby the first output current adjusts.
  • the second switching element In case of failure of the power output stage, the second switching element is controlled in its first switching position for discharging the piezoelectric actuator, wherein the second output current adjusts.
  • the output current namely the first output current
  • the output current can be suitably set low in order not to overload the first switching element thermally and at the same time be able to completely discharge the piezoactuator when a discharge supported by the output stage is not possible or difficult, in particular also for Establishing a safe state in the case of certain fault conditions or defects of the power amplifier.
  • persons who want to replace the control device can be well protected.
  • FIG. 1 shows an injection valve with a control device
  • FIG. 2 shows a more detailed illustration of parts of the control device according to FIG. 1.
  • An injection valve (FIG. 1) has an injector housing 1 with a recess into which a piezoactuator PAKT1, that is to say a piezoelectric actuator, is inserted, which is coupled to a transformer 6.
  • the transformer 6 is arranged in a leakage chamber 8.
  • a switching valve 10, which is preferably designed as a servo valve, is arranged so that it depends on its switching position, a leakage fluid, which is preferably the fuel in this embodiment, ab interviewedt.
  • the switching valve is coupled via the transformer 6 with the piezo actuator PAKTl and is driven by it, that is, the switching position of the switching valve 10 is set by means of the piezo actuator PAKTl.
  • the piezo actuator PAKT1 can act on the switching valve 10 even without the intermediary of the transformer 6.
  • the switching valve 10 is arranged in a valve plate 12. It comprises a valve member whose position is adjustable by means of the piezo actuator PAKT1 and which is in a switching position in abutment with the valve plate and thus prevents the bleeding of fuel into the leakage space. In a further switching position, it is spaced from a wall of the valve plate 12 and thus allows the fuel to be diverted into the leakage chamber 8.
  • the piezo actuator comprises a stack of piezoelements.
  • the stack of piezoelectric elements comprises, for example, about 200 piezoelectric elements stacked on top of each other.
  • the stack of the piezoelectric elements is preferably surrounded by a tubular spring, which clamps the stack of piezoelectric elements between the U-6 transformer and a final element.
  • the injection valve further comprises a Nadelelbowungskorper 14 and a Dusenkorper 16.
  • the valve plate 12, the Nadelelschreibungskorper 14 and the Dusenkorper 16 form a Dusen assembly, which is secured by a Dusenspannmutter 18 to the Injektorgehause 1.
  • the Nadelelschreibungskorper 14 has a recess which is continued as a recess of the Dusenkorpers 16 in the Dusenkorper 16 and in which a nozzle needle 24 is arranged.
  • the nozzle needle 24 is guided in the needle guide body 14.
  • a dome spring 26 biases the nozzle needle 24 into a closed position in which it prevents fuel flow through an injection hole 28.
  • a control chamber 30 is formed, which is hydraulically coupled via an inlet throttle 31 with a high-pressure bore 32. If the switching valve 10 is in its closed position, then the control chamber 30 is hydraulically decoupled from the leakage chamber 8. This has the consequence that after closing the switching valve 10, the pressure in the control chamber 30 substantially equalizes the pressure in the high-pressure bore 32.
  • the high-pressure bore 32 is hydraulically coupled when using the injection valve in an internal combustion engine with a high-pressure fuel storage and is thus supplied with fuel at a pressure of, for example, up to 2000 bar.
  • a force is exerted in the closing direction of the nozzle needle 24 due to the fluid pressure in the control chamber 30 on an end face of the nozzle needle 24.
  • the nozzle needle 24 also has axially spaced from its end face on a shoulder which is acted upon by fluid flowing through the high pressure bore 32, such that an opening acting force acts on the nozzle needle 24, ie opposite to the closing direction.
  • the nozzle needle 24 In its closed position, the nozzle needle 24 prevents a flow of fuel through the injection nozzle 28. If the nozzle needle 24 moves from its closed position into the control chamber 30, it releases the fuel flow through the injection nozzle 28, in particular in its open position, in which it is in abutment with the area of the wall of the control chamber 30, which is formed by the valve plate 12.
  • Whether the nozzle needle 24 is in its open position or in its closed position depends on whether the force which is caused at the shoulder of the nozzle needle 24 by the prevailing pressure of the fluid is greater or smaller than the force passing through the nozzle spring 26 and the pressure acting on the end face of the nozzle needle 24 pressure is caused.
  • the switching valve 10 If the switching valve 10 is in its open position, then fluid flows from the control chamber 30 through the switching valve 10 into the leakage chamber 8. With a suitable dimensioning of the inlet throttle then the pressure in the control chamber 30 drops, which finally leads to a movement of the nozzle needle in its open position leads.
  • the pressure of the fluid in the leakage chamber 8 is significantly lower than the pressure of the fluid in the high pressure bore.
  • a control device 38 is assigned to the injection valve.
  • the control device 38 is designed to generate an actuating signal SG for the piezo actuator PAKT1 of the injection valve.
  • the control device 38 is preferably also designed to generate actuating signals for further piezoactuators PAKT2-4, which are assigned to further injection valves.
  • the actuating signal SG is preferably a current signal, which is preferably pulse height modulated.
  • a predetermined number of pulses for example 20, is preferably generated with a predetermined time duration and period until the charging process has been completed.
  • the piezoelectric actuator PAKTl supplied electrical energy is adjusted.
  • the energy to be supplied to the piezoactuator PAKT1 during a charging process LV is determined as a function of operating parameters.
  • the energy supplied to the piezo actuator PAKT1 influences its axial stroke and thus also the course of the pressure in the control chamber 30.
  • the control device 40 is further configured to perform a discharge operation of the piezo actuator PAKT1.
  • a predetermined number of discharge pulses are generated for this, e.g. 20, with a given duration and period.
  • About the height of the respective discharge pulses during the discharge of the piezoelectric actuator PAKTl extracted electrical energy is adjusted. The energy taken from the actuator affects its axial stroke reduction.
  • the control device 38 includes a voltage amplifier, which is also referred to as a DC / DC converter, and which is electrically coupled to a vehicle electrical system 40, which is designed to supply the voltage amplifier 42 with a predetermined voltage and thus forms a voltage source.
  • the electrical system includes, for example, a vehicle battery.
  • the voltage amplifier 42 is electrically coupled to a power output stage 46.
  • a capacitor 44 is interposed in such a way that in the capacitor 44 electrical energy in the discharge process of the respective piezo actuators PAKTl to PAKT4 can be cached and can be used for future charging process.
  • the power output stage 46 of the control device 38 is electrically coupled to the piezo actuators PAKTl to PAKT4, which are formed separately from the control device 38 and that in the injection valves.
  • a power output stage 46 is preferably assigned to a plurality of piezoactuators PAKT1 to PAKT4.
  • the selection of the respectively to be charged or discharged piezo actuator PAKTl to PAKT4 preferably takes place via selection switching elements TSELl to TSEL4.
  • a current source 48 of the control device 38 is activated, which is provided for this purpose.
  • Power source 48 includes a custom integrated circuit, also referred to as an ASIC.
  • a regulator element 52 is formed, which preferably comprises an operational amplifier.
  • the controller element 52 is the output side electrically coupled to a control input 54 of a first switching element Tl. During operation, the control element 52 generates at its output a control signal which is a control signal of the first switching element Tl.
  • the first switching element Tl is designed and arranged such that, depending on the control signal, an output current I_A can be set on the output side of the current source.
  • the output current I_A represents a discharge current for the respective piezoactuator PAKT1 to PAKT4 in the illustrated current direction.
  • the current source 48 comprises a reference resistor RS, which is electrically coupled to the first switching element Tl such that the output current IA flows through the reference resistor R_S.
  • the reference resistor R_S has series-connected first and second individual reference resistors R5, R6 and a diode D1, which is connected in parallel with the first single reference resistor R5 and in the forward direction according to the intended current direction through the reference current. Resistor R S.
  • the first single reference resistor R5 has a higher resistance than the second single reference resistor R6.
  • the ratio between the first and second individual reference resistors R5, R6 is approximately 50, for example.
  • the second switching element T2 is formed, which is formed and arranged so that the regulator element 52 is acted upon as a current value with a first potential difference Ul, which is representative of a voltage drop across the first and second single-reference resistor R5 and R6, in a first switching position, and with a second potential difference U2 as the actual value, which is representative of a voltage drop across the second reference resistor R6, in a second switching position of the second switching element.
  • a reference potential U REF At a further input of the controller element 52, this can be acted upon by a reference potential U REF.
  • the current source 48 preferably has a first control parameter path 56, by means of which a first node 58 is electrically coupled to the regulator element 52 on the output side.
  • the first node 58 is arranged electrically between the first switching element Tl and the reference resistor RS.
  • the first control parameter path 46 has a predeterminable impedance.
  • a second control parameter path 60 is preferably provided, which electrically couples the controller element 52 on the output side to a second node 62.
  • the second node 62 is electrically disposed between the first and second reference resistors R5, R6.
  • the second control parameter path 60 also has a predeterminable impedance.
  • the first control parameter path 56 has a first impedance, which is preferably designed as a resistor Rl connected in series with a capacitor Cl. Furthermore, the first control parameter path 56 advantageously has a second impedance, which is preferably designed as a resistor R3.
  • the second control parameter path 60 preferably has a third impedance, which is preferably designed as a series connection of a resistor R2 and a capacitor C2. Furthermore, a fourth impedance is preferably provided in the second control parameter path 60, which is preferably designed as a resistor R4.
  • control parameters are set, which are effective in the first switching position of the second switching element T2 for adjusting the output current I_A, which is designated for this switching position as the first output current.
  • the output current I_A is referred to as a second output current.
  • the first and second or the third and fourth impedances can any arbitrary control behavior, so z. B. a P, PI or PID control behavior for adjusting the output current IA can be set. It has proven to be particularly suitable to design the first and second impedances or the third and fourth impedances in such a way that a proportional-integral control behavior (PI) results.
  • PI proportional-integral control behavior
  • the first and second impedances or the third and fourth impedances corresponding to the circuit arrangement illustrated in FIG. 2 are then formed with the resistors R2, R3, R4 and the capacitances C1 and C2.
  • control parameters which are defined by the impedance values of the first and second impedances for the first control parameter path or by the third and fourth impedances for the second control parameter path 60, differently, preferably such that the control parameters associated with the second control parameter path 60 are preferably at least an order of magnitude smaller than those associated with the first control parameter path 56.
  • the third and fourth impedances are smaller than the first and second impedances.
  • the current source is suitable for discharging the entire electrical energy stored in the respective piezoactuator PAKT1 to PAKT4, which may be between 70 and 100 mJ, for example.
  • the reference potential U REF is supplied to the controller element 52 as a setpoint and the second switching element T2 is controlled in the first switching position, in which the controller element 52 is supplied as a setpoint, the first potential difference Ul.
  • the control signal of the controller element thus depends in this case from the difference between the reference potential U_REF and the first potential difference Ul.
  • the reference potential U REF is in combination with the reference resistor RS, and here in particular with the first single reference resistor R5, suitably designed so that the first output current assumes the desired value and in this area the diode Dl not yet is operated in the forward direction, that is, the voltage drop across the first single reference resistor R5 is still lower than the forward voltage of the diode Dl.
  • the second single reference resistor R6 is formed much lower impedance than the first single reference resistor R5. This has the consequence that in the first switching position of the second switching element T2 only a very low voltage across the second single reference resistor R6 drops.
  • the dimensioning of the first single reference resistor R5, the resistor R3 and the reference potential difference UREF influence the first output current.
  • the desired small amount of the first output current in the first switching position of the second switching element can be set and so for example in case of failure of the power output stage of each piezoelectric actuator PAKTl to PAKT4 are completely discharged by the power source 48 without the first switching element Tl too strong thermally burden.
  • control parameters for the first switching position of the second switching element are set so that a relatively hard switching of the output current I A is possible.
  • the power output stage 46 is first of all discharged to discharge the respective piezoactuator PAKT1 to PAKT4 in accordance with the above-mentioned embodiment. led approach guided.
  • the reference potential U_REF is fed to the controller element 52 as the setpoint value.
  • the second switching element is controlled in its second switching position, in which the controller element 52 is acted on the input side with the second potential difference U2 as an actual value. This has the consequence that on the output side of the controller element 52, the control signal is generated such that the first switching element Tl adjusts the output current I_A to the second output current.
  • the first switching element Tl is preferably formed as a self-blocking N-MOSFET transistor and is operated in Abschnür Switzerland. In this area, a constant output current IA is thus ensured with a constant control signal at the control input of the first switching element Tl, regardless of the potential difference dropping to a reference potential. However, due to the feedback of the first potential difference U1 or in the second switching position of the second switching element of the second potential difference U2 to the regulator element 52, disturbing influences such as a temperature-dependent switching characteristic of the first switching element T1 or manufacturing dispersions of the first switching element T1 can also be compensated.
  • control parameters that are effective in the second switching position of the second switching element T2 so that the output current IA does not change too suddenly, so it is not switched too hard.
  • the specific most suitable characteristics of the control parameters depend essentially on the respective characteristic of the respective piezoactuator PAKT1 to PAKT4.
  • the second output current has a significantly higher magnitude than the first output current.
  • the second For example, the starting current may be about 5 A, while the first output current may be about 100 mA.
  • the first single reference resistor R5 is formed so high impedance that it is bridged at the second output current through the diode Dl and so the voltage drop across the resistor R5 is almost constant, regardless of deviations of the second output current.
  • the first and second individual reference resistors R5 and R6 and the resistor R4 and the reference voltage U REF can be ensured in the second switching position of the second switching element T2 that the diode Dl is operated in the passband and the resistance characteristic in this State of the reference resistor RS is largely determined by the second single reference resistor R6, which is suitably formed low-impedance.
  • the particularly high second output current can then be set very precisely with the same reference potential U REF as the first output current.
  • the total electrical energy to be dissipated by the power output stage 46 and the current source 48 from the respective piezoactuator PAKT1 to PAKT4 is, for example, between 70 and 100 mJ. Typically, only approximately the last tenth of the electrical energy in the normal operation is taken by the current source to the respective piezoactuator 1.
  • the residual discharge can be done by a very short corresponding control of the first switching element Tl and thus is indeed associated with a high thermal load for the first switching element, but which lasts only very short and so on suitable heat capacity of the first Switching element leads to no thermal destruction of the first switching element.
  • the discharge in the event of a fault of the total stored in the respective piezoelectric actuator PAKTl to PAKT4 electrical energy would be associated with a very high thermal load for the first switching element, if this is done in the second switching position of the second element, ie with the second output current would and could possibly lead to its thermal destruction or would otherwise require that the first switching element Tl is very generously dimensioned, which has a high space requirement and thus higher costs result. Due to the possibility of setting the second output current, a compact dimensioning of the first switching element T1 is possible.

Landscapes

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Abstract

Eine Stromquelle hat ein erstes Schaltelement (Tl) , das einen Steuereingang (54) hat und so ausgebildet ist, dass abhängig von einem Steuersignal an seinem Steuereingang (54) ein Ausgangsstrom (I_A) einstellbar ist. Sie hat ferner einen Referenz-Widerstand (R_S) , der somit zum ersten Schaltelement (Tl) elektrisch gekoppelt ist, dass der Ausgangstrom (I_A) durch den Referenz-Widerstand (R_S) fließt. Der Referenz-Widerstand (R_S) hat in Serie angeordnete erste und zweite Einzel-Referenz-Widerstande (R5, R6) und eine zu dem ersten Einzel-Referenz-Widerstand (R5) parallel geschaltete Diode (Dl) . Der erste Einzel-Referenz-Widerstand (R5) ist hochohmiger als der zweite Einzel-Referenz-Widerstand (R6) . Ein Reglerelement (52) ist vorgesehen, dem als Sollwert ein vorgegebenes Referenzpotenzial (U_REF) zugeführt ist und dessen Stellsignal das Steuersignal des ersten Schaltelements (Tl) ist. Ein zweites Schaltelement (T2) ist ausgebildet zum Beaufschlagen des Reglerelements (52) mit einem Istwert bestehend aus dem Spannungsabfall über die ersten und zweiten Einzel-Referenz-Widerstände (R5, R6) , in einer ersten Schaltstellung und in einer zweiten Schaltstellung bestehend aus dem Spannungsabfall über den zweiten Einzel-Referenz-Widerstand (R6).

Description

Beschreibung
Stromquelle, Steuervorrichtung und Verfahren zum Betreiben der Steuervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Stromquelle, eine Steuervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Steuervorrichtung, insbesondere zum Einsatz für einen Piezoaktuator .
Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoff- Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die während des Verbrennungsprozesses des Luft/Kraftstoff- Gemisches erzeugten Schadstoff-Emissionen zu senken. Insbesondere die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine sehr gute Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen. Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu 2000 bar. Für derartige Anwendungen setzen sich zunehmend Einspritzventile durch mit einem Piezo-Aktuator als Stellantrieb. Piezo- Aktuatoren zeichnen sich aus durch sehr kurze Ansprechzeiten. Derartige Einspritzventile sind so gegebenenfalls geeignet mehrfach innerhalb eines Arbeitszyklusses eines Zylinders der Brennkraftmaschine Kraftstoff zuzumessen.
Eine besonders gute Gemischaufbereitung lässt sich erreichen, wenn vor einer Haupteinspritzung eine oder mehrere Voreinspritzungen erfolgen, die auch als Piloteinspritzung bezeichnet werden, wobei für die einzelne Voreinspritzung gegebenenfalls eine sehr geringe Kraftstoffmasse zugemessen werden soll. Ein präzises Ansteuern des Einspritzventils ist insbesondere für diese Fälle sehr wichtig.
Eine wichtige Rolle kommt im Zusammenhang mit dem präzisen Ansteuern des Einspritzventils dem Laden und Entladen des Piezoaktuators zu. Zu diesem Zweck ist regelmäßig eine Leistungsendstufe vorgesehen, die jedoch während des Entladevorgangs den Piezoaktuator nicht vollständig entladen kann. Zum vollständigen Entladen ist diesbezüglich dann ein Schaltelement vorgesehen, das diese Aufgabe übernehmen kann, dabei jedoch thermischen Belastungen unterliegt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, gemäß eines ersten Aspekts eine einfache Stromquelle zu schaffen, mittels der zwei unterschiedliche Ausgangsströme einstellbar sind. Gemäß eines weiteren Aspekts ist die Aufgabe der Erfindung, eine Steuervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Steuervorrichtung zu schaffen, mittels der bzw. dem einfach zwei unterschiedliche Ausgangsströme einstellbar sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß eines ersten Aspekts aus durch eine Stromquelle mit einem ersten Schaltelement, das einen Steuereingang hat und so ausgebildet ist, dass abhängig von einem Steuersignal an seinem Steuereingang ein Ausgangsstrom ausgangsseitig der Stromquelle einstellbar ist. Sie hat ferner einen Referenz-Widerstand, der so mit dem ersten Schaltelement elektrisch gekoppelt ist, dass der Ausgangsstrom durch den Referenz-Widerstand fließt. Der Referenzwiderstand weist in Serie angeordnete erste und zweite Einzel- Referenz-Widerstände auf. Weiter ist eine Diode parallel zu dem ersten Referenz-Widerstand geschaltet und zwar in Durchlassrichtung entsprechend der bestimmungsgemäßen Stromrichtung durch den Referenz-Widerstand. Der erste Einzel- Referenz-Widerstand ist hochohmiger als der zweite Einzel- Referenz-Widerstand. Die Stromquelle umfasst ferner ein Reglerelement, dem als Sollwert ein vorgegebenes Referenzpotenzial zugeführt ist und dessen Stellsignal das Steuersignal des ersten Schaltelements ist. Die Stromquelle hat ferner ein zweites Schaltelement, das ausgebildet ist und angeordnet ist zum Beaufschlagen des Reglerelements mit einer ersten Potenzialdifferenz als Sollwert, die repräsentativ ist für einen Spannungsabfall über dem ersten und zweiten Einzel-Referenz- Widerstand in einer ersten Schaltstellung und mit einer zweiten Potenzialdifferenz als Sollwert, die repräsentativ ist für einen Spannungsabfall über dem zweiten Einzel-Referenz- Widerstand, in einer zweiten Schaltstellung. Dies hat den Vorteil, dass lediglich ein Referenzpotenzial notwendig ist zum Realisieren von zwei unterschiedlichen Ausgangsströmen der Stromquelle. Damit geht ein geringer schaltungstechnischer Aufwand einher, insbesondere im Vergleich zu dem Vorsehen entsprechender Schaltungsanordnungen zum Realisieren von zwei verschiedenen Referenz-Potenzialen.
Darüber hinaus zeichnet sich der Referenz-Widerstand dadurch aus, dass er je nach dem Spannungsabfall über dem ersten und zweiten Referenz-Widerstand unterschiedliche Widerstandswerte aufweist. Dies ist besonders einfach durch das Parallelschalten der Diode zu dem ersten Einzel-Referenz-Widerstand realisiert. Dadurch, dass der erste Einzel-Referenz-Widerstand hochohmiger ist als der zweite Einzel-Referenz-Widerstand, lassen sich so deutlich unterschiedliche Ausgangsströme bei der Stromquelle einstellen und zwar mit jeweils einer hohen Genauigkeit, auch im Hinblick auf einen Offset des Stellsignals des Reglerelements. Darüber hinaus können die ersten und zweiten Einzel-Referenz-Widerstände jeweils mit der für den jeweiligen Ausgangsstrom geeigneten geringen Toleranz ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung ist das Reglerelement und das zweite Schaltelement in einem integrierten Schaltkreis angeordnet und der Referenz-Widerstand und das erste Schaltelement sind extern zu dem integrierten Schaltkreis angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass wenige Ein- oder Ausgänge des integrierten Schaltkreises für die Realisierung der Stromquelle benötigt werden. Zum anderen kann der integrierte Schaltkreis auch unabhängig für die bei der jeweiligen Applikation gewünschten Ausgangsströme eingesetzt werden und durch geeignete Einzel-Referenz- Widerstände und ein entsprechend geeignetes erstes Schaltelement für die jeweilige Applikation angepasst werden. So ist insgesamt eine kostengünstige Fertigung der Stromquelle möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung koppelt ein erster Regelparameterpfad das Reglerelement ausgangsseitig mit einem ersten Knotenpunkt elektrisch, der elektrisch zwischen dem ersten Schaltelement und dem Referenz-Widerstand angeordnet ist. Der erste Regelparameterpfad weist eine vorgebbare Impedanz auf. So kann das Reglerverhalten einfach bezüglich eines ersten Ausgangsstroms eingestellt werden, der der ersten Schaltstellung des zweiten Schaltelements zugeordnet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung ist ein zweiter Regelparameterpfad vorgesehen, der das Reglerelement ausgangsseitig mit einem zweiten Knotenpunkt elektrisch koppelt, der elektrisch zwischen dem ersten und zweiten Einzel-Referenz-Widerstand angeordnet ist. Der zweite Regelparameterpfad hat eine vorgebbare Impedanz. Auf diese Weise kann einfach das Reglerverhalten bezüglich eines zweiten Ausgangsstroms eingestellt werden, der der zweiten Schaltstellung des zweiten Schaltelements zugeordnet ist .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung ist die vorgebbare Impedanz in dem ersten und/oder zweiten Regelparameterpfad so ausgebildet, dass ein Proportional- und Integral-Regelverhalten ausgebildet ist. Dies hat sich als besonders günstig erwiesen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts ist die vorgegebene Impedanz des zweiten Regelparameterpfads in etwa mindestens eine Größenordnung kleiner als die vorgebbare Impedanz des ersten Regelparameterpfads. Dies hat den Vorteil, dass das Regelverhalten im Hinblick auf das Einstellen der ersten bzw. der zweiten Ausgangsströme nahezu unabhängig voneinander eingestellt werden kann.
Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Steuervorrichtung mit der Stromquelle, die vorgesehen ist zum Steuern eines Piezoaktuators, wobei die Stromquelle so mit dem Piezoaktuator koppelbar ist, dass sie den Piezoaktuator entladen kann.
Die Steuervorrichtung hat eine Leistungsendstufe zum Laden und Entladen des Piezoaktuators, die elektrisch parallel zu der Stromquelle angeordnet ist.
Die Vorteile des ersten Aspekts der Erfindung und dessen vorteilhafte Ausgestaltung korrespondieren mit denen des zweiten Aspekts der Erfindung. Gemäß eines dritten Aspekts ist ein Verfahren zum Betreiben der Steuervorrichtung vorgesehen, bei dem die Leistungsendstufe zum Entladen des Piezoaktuators angesteuert wird und anschließend das zweite Schaltelement in seine zweite Schaltstellung gesteuert wird zum weiteren Entladen der Leistungsendstufe, wodurch sich der erste Ausgangsstroms einstellt. In einem Fehlerfall der Leistungsendstufe wird das zweite Schaltelement in seine erste Schaltstellung gesteuert zum Entladen des Piezoaktuators, wobei sich der zweite Ausgangsstrom einstellt. Dies hat den Vorteil, dass der Ausgangsstrom, und zwar der zweite Ausgangsstrom, geeignet hoch gewählt werden kann zum schnellen vollständigen Restentladen des Piezoaktuators, ohne das erste Schaltelement thermisch zu beschädigen. Ferner kann der Ausgangsstrom, und zwar der erste Ausgangsstrom, geeignet niedrig eingestellt werden, um das erste Schaltelement thermisch nicht zu überlasten und gleichzeitig den Piezoaktuator auch vollständig entladen zu können, wenn ein durch die Endstufe unterstütztes Entladen nicht möglich oder erschwert ist, insbesondere auch zur Herstellung eines sicheren Zustandes im Falle bestimmter Fehlerzustände oder Defekte der Endstufe. So können Personen gut geschützt werden, die die Regelvorrichtung austauschen wollen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Einspritzventil mit einer Steuervorrichtung und
Figur 2 eine detailliertere Darstellung von Teilen der Steuervorrichtung gemäß Figur 1.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Ein Einspritzventil (Figur 1) hat ein Injektorgehause 1 mit einer Ausnehmung, in die ein Piezo-Aktuator PAKTl, also ein Piezo-Stellantrieb, eingesetzt ist, der mit einem Übertrager 6 gekoppelt ist. Der Übertrager 6 ist in einem Leckageraum 8 angeordnet. Ein Schaltventil 10, das bevorzugt als Servoven- til ausgebildet ist, ist so angeordnet, dass es abhangig von seiner Schaltstellung ein Leckagefluid, das in dieser Ausfuhrungsform bevorzugt der Kraftstoff ist, absteuert. Das Schaltventil ist über den Übertrager 6 mit dem Piezo-Aktuator PAKTl gekoppelt und wird von ihm angetrieben, das heißt die Schaltstellung des Schaltventils 10 wird mittels des Piezo- Aktuators PAKTl eingestellt. Gegebenenfalls kann der Piezo- Aktuator PAKTl auch ohne Zwischenschaltung des Übertragers 6 auf das Schaltventils 10 einwirken. Das Schaltventil 10 ist in einer Ventilplatte 12 angeordnet. Es umfasst ein Ventilglied, dessen Position mittels des Piezo-Aktuators PAKTl einstellbar ist und das in einer Schaltstellung in Anlage ist mit der Ventilplatte und so das Absteuern von Kraftstoff in den Leckageraum verhindert. In einer weiteren Schaltstellung ist es beabstandet zu einer Wandung der Ventilplatte 12 und ermöglicht so das Absteuern des Kraftstoffs in den Leckageraum 8. Der Piezo-Aktuator umfasst einen Stapel von Piezoele- menten. Der Stapel der Piezoelemente umfasst zum Beispiel etwa 200 Piezoelemente, die aufeinander geschichtet sind. Der Stapel der Piezoelemente ist bevorzugt von einer Rohrfeder umgeben, die den Stapel der Piezoelemente zwischen den U- bertrager 6 und einem Abschlusselement einspannt.
Das Einspritzventil umfasst ferner einen Nadelfuhrungskorper 14 und einen Dusenkorper 16. Die Ventilplatte 12, der Nadelfuhrungskorper 14 und der Dusenkorper 16 bilden eine Dusen- baugruppe, die mittels einer Dusenspannmutter 18 an dem Injektorgehause 1 befestigt ist. Der Nadelfuhrungskorper 14 hat eine Ausnehmung, die als Ausnehmung des Dusenkorpers 16 in dem Dusenkorper 16 fortgesetzt ist und in der eine Dusennadel 24 angeordnet ist. Die Dusen- nadel 24 ist in dem Nadelfuhrungskorper 14 gefuhrt. Eine Du- senfeder 26 spannt die Dusennadel 24 in eine Schließposition vor, in der sie einen Kraftstofffluss durch ein Einspritzloch 28 unterbindet.
An dem axialen Ende der Dusennadel 24, das hingewandt ist zu der Ventilplatte 12, ist ein Steuerraum 30 ausgebildet, der über eine Zulaufdrossel 31 mit einer Hochdruckbohrung 32 hydraulisch gekoppelt ist. Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Schließposition, so ist der Steuerraum 30 hydraulisch entkoppelt von dem Leckageraum 8. Dies hat zur Folge, dass sich nach einem Schließen des Schaltventils 10 der Druck in dem Steuerraum 30 im wesentlichen dem Druck in der Hochdruckbohrung 32 angleicht. Die Hochdruckbohrung 32 ist beim Einsatz des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher hydraulisch gekoppelt und wird so mit Kraftstoff unter einem Druck von beispielsweise bis zu 2000 bar versorgt.
Über den Steuerraum 30 wird aufgrund des Fluiddrucks in dem Steuerraum 30 auf eine Stirnflache der Dusennadel 24 eine Kraft in Schließrichtung der Dusennadel 24 ausgeübt. Die Dusennadel 24 weist ferner axial beabstandet zu ihrer Stirnflache einen Absatz auf, der mit Fluid, das durch die Hochdruckbohrung 32 strömt, derart beaufschlagt wird, dass eine öffnend wirkende Kraft auf die Dusennadel 24 wirkt, also entgegen der Schließrichtung. In ihrer Schließposition unterbindet die Dusennadel 24 einen Kraftstofffluss durch die Einspritzdüse 28. Bewegt sich die Dusennadel 24 ausgehend von ihrer Schließposition hinein in den Steuerraum 30, so gibt sie den Kraftstofffluss durch die Einspritzdüse 28 frei, insbesondere in ihrer Offenposition, in der sie in Anlage mit dem Bereich der Wandung des Steuerraums 30 ist, der durch die Ventilplatte 12 gebildet wird.
Ob die Düsennadel 24 sich in ihrer Offensposition oder in ihrer Schließposition befindet hängt davon ab, ob die Kraft, die an dem Absatz der Düsennadel 24 durch den dort herrschenden Druck des Fluids hervorgerufen wird, größer oder kleiner ist als die Kraft, die durch die Düsenfeder 26 und den auf die Stirnfläche der Düsennadel 24 einwirkenden Druck hervorgerufen wird.
Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Offenposition, so strömt Fluid von dem Steuerraum 30 durch das Schaltventil 10 hinein in den Leckageraum 8. Bei geeigneter Dimensionierung der Zulaufdrossel sinkt dann der Druck in dem Steuerraum 30, was schließlich zu einer Bewegung der Düsennadel in ihre Offenposition führt. Der Druck des Fluids in dem Leckageraum 8 ist deutlich geringer als der Druck des Fluids in der Hochdruckbohrung .
Eine Steuervorrichtung 38 ist dem Einspritzventil zugeordnet. Die Steuervorrichtung 38 ist ausgebildet zum Erzeugen eines Stellsignals SG für den Piezo-Aktuator PAKTl des Einspritzventils. Die Steuervorrichtung 38 ist bevorzugt ferner ausgebildet zum Erzeugen von Stellsignalen für weitere Piezo- Aktuatoren PAKT2-4, die weiteren Einspritzventilen zugeordnet sind.
Das Stellsignal SG ist bevorzugt ein Stromsignal, das bevorzugt pulshöhenmoduliert ist. Ausgehend von einem Start eines Ladevorgangs LV wird bevorzugt eine vorgegebene Anzahl Pulse, so zum Beispiel 20, mit einer vorgegebenen zeitlichen Dauer und Periode erzeugt, bis der Ladevorgang abgeschlossen ist. Über die Hohe des jeweiligen Pulses wird die wahrend des Ladevorgangs dem Piezo-Aktuator PAKTl zuzuführende elektrische Energie eingestellt. Die dem Piezo-Aktuator PAKTl wahrend eines Ladevorgangs LV zuzuführende Energie wird abhangig von Betriebsparametern ermittelt. Die dem Piezo-Aktuator PAKTl zugefuhrte Energie beeinflusst dessen axialen Hub und somit auch den Verlauf des Drucks in dem Steuerraum 30.
Die Steuervorrichtung 40 ist ferner ausgebildet zum Durchfuhren eines Entladevorgangs des Piezo-Aktuators PAKTl. Bevorzugt wird dazu eine vorgegebene Anzahl an Entladepulsen erzeugt, so z.B. 20, mit einer vorgegebenen zeitlichen Dauer und Periode. Über die Hohe der jeweiligen Entladepulse wird die wahrend des Entladevorgangs dem Piezo-Aktuator PAKTl entnommene elektrische Energie eingestellt. Die dem Aktuator entnommene Energie beeinflusst dessen axiale Hub- Verringerung .
Ein Teil der Steuervorrichtung 38 ist anhand der Figur 2 dargestellt. Die Steuervorrichtung 38 umfasst einen Spannungs- verstarker, der auch als DC/DC-Wandler bezeichnet ist, und der mit einem Bordnetz 40 elektrisch gekoppelt ist, das ausgebildet ist zum Versorgen des Spannungsverstarkers 42 mit einer vorgegebenen Spannung und so eine Spannungsquelle bildet. Das Bordnetz umfasst beispielsweise eine Fahrzeugbatterie .
Der Spannungsverstarker 42 ist elektrisch mit einer Leistungsendstufe 46 gekoppelt. Bevorzugt ist ein Kondensator 44 zwischengeschaltet und zwar derart, dass in dem Kondensator 44 elektrische Energie bei dem Entladevorgang der jeweiligen Piezoaktuatoren PAKTl bis PAKT4 zwischengespeichert werden kann und für zukunftige Ladevorgange eingesetzt werden kann. Die Leistungsendstufe 46 der Steuervorrichtung 38 ist elektrisch gekoppelt mit den Piezoaktuatoren PAKTl bis PAKT4, die separat zu der Steuervorrichtung 38 ausgebildet sind und zwar in den Einspritzventilen. Bevorzugt ist aus Kostengründen eine Leistungsendstufe 46 mehreren Piezoaktuatoren PAKTl bis PAKT4 zugeordnet. Die Auswahl des jeweils zu ladenden oder entladenden Piezoaktuators PAKTl bis PAKT4 erfolgt bevorzugt über Auswahlschaltelemente TSELl bis TSEL4.
Bei einem Entladevorgang, der durch die Leistungsendstufe 46 gesteuert ist, verbleibt nach der vorgegebenen Anzahl an Entladepulsen noch eine Restladung in dem jeweiligen Piezoaktua- tor PAKTl bis PAKT4. Soll auch diese Restladung von dem jeweiligen Piezoaktuator PAKTl bis PAKT4 abgeführt werden, so wird eine Stromquelle 48 der Steuervorrichtung 38 aktiviert, die zu diesem Zweck vorgesehen ist.
Die Stromquelle 48 umfasst einen anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis auf, der auch als ASIC bezeichnet wird. In dem ASIC 50 ist ein Reglerelement 52 ausgebildet, das vorzugsweise einen Operationsverstärker umfasst. Das Reglerelement 52 ist ausgangsseitig mit einem Steuereingang 54 eines ersten Schaltelements Tl elektrisch leitend gekoppelt. Während des Betriebs erzeugt das Reglerelement 52 an seinem Ausgang ein Stellsignal, das ein Steuersignal des ersten Schaltelements Tl ist.
Das erste Schaltelement Tl ist so ausgebildet und angeordnet, dass abhängig von dem Steuersignal ein Ausgangsstrom I_A ausgangsseitig der Stromquelle einstellbar ist. Der Ausgangsstrom I_A stellt in der eingezeichneten Stromrichtung einen Entladestrom für den jeweiligen Piezoaktuator PAKTl bis PAKT4 dar . Ferner umfasst die Stromquelle 48 einen Referenz-Widerstand R S, der so mit dem ersten Schaltelement Tl elektrisch gekoppelt ist, dass der Ausgangsstrom I A durch den Referenz- Widerstand R_S fließt. Der Referenz-Widerstand R_S hat in Serie angeordnete erste und zweite Einzel-Referenz-Widerstände R5, R6 und eine Diode Dl, die parallel geschaltet ist zu dem ersten Einzel-Referenz-Widerstand R5 und zwar in Durchlassrichtung entsprechend der bestimmungsgemäßen Stromrichtung durch den Referenz-Widerstand R S. Der erste Einzel-Referenz- Widerstand R5 ist hochohmiger als der zweite Einzel-Referenz- Widerstand R6. Je nach einzustellenden Eingangsströmen I A beträgt das Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Einzel-Referenz-Widerstand R5, R6 beispielsweise in etwa 50.
Ferner ist in dem ASIC 50 das zweite Schaltelement T2 ausgebildet, das so ausgebildet und angeordnet ist, dass das Reglerelement 52 mit einer ersten Potenzialdifferenz Ul als Istwert beaufschlagt wird, die repräsentativ ist für einen Spannungsabfall über dem ersten und zweiten Einzel-Referenz- Widerstand R5 und R6, in einer ersten Schaltstellung, und mit einer zweiten Potenzialdifferenz U2 als Istwert, die repräsentativ ist für einen Spannungsabfall über dem zweiten Referenz-Widerstand R6, in einer zweiten Schaltstellung des zweiten Schaltelements. An einem weiteren Eingang des Reglerelements 52 kann dieses mit einem Referenz-Potenzial U REF beaufschlagt werden.
Ferner weist die Stromquelle 48 bevorzugt einen ersten Regelparameterpfad 56 auf, durch den ein erster Knotenpunkt 58 mit dem Reglerelement 52 ausgangsseitig elektrisch gekoppelt ist. Der erste Knotenpunkt 58 ist elektrisch zwischen dem ersten Schaltelement Tl und dem Referenz-Widerstand R S angeordnet. Der erste Regelparameterpfad 46 weist eine vorgebbare Impedanz auf. Ferner ist bevorzugt ein zweiter Regelparameterpfad 60 vorgesehen, der das Reglerelement 52 ausgangsseitig mit einem zweiten Knotenpunkt 62 elektrisch koppelt. Der zweite Knotenpunkt 62 ist elektrisch zwischen dem ersten und zweiten Referenz-Widerstand R5, R6 angeordnet. Der zweite Regelparameterpfad 60 hat ebenfalls eine vorgebbare Impedanz.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erweisen, wenn der erste Regelparameterpfad 56 eine erste Impedanz hat, die bevorzugt als Widerstand Rl in Serienschaltung mit einer Kapazität Cl ausgebildet ist. Ferner hat vorteilhaft der erste Regelparameterpfad 56 eine zweite Impedanz, die bevorzugt als Widerstand R3 ausgebildet ist.
Ebenso hat bevorzugt der zweite Regelparameterpfad 60 eine dritte Impedanz, die bevorzugt als eine Serienschaltung aus einem Widerstand R2 und einer Kapazität C2 ausgebildet ist. Ferner ist in dem zweiten Regelparameterpfad 60 bevorzugt eine vierte Impedanz vorgesehen, die bevorzugt als Widerstand R4 ausgebildet ist. Durch die ersten und zweiten Impedanzen werden Regelparameter eingestellt, die in der ersten Schaltstellung des zweiten Schaltelements T2 wirksam sind zum Einstellen des Ausgangsstroms I_A, der für diese Schaltstellung als erster Ausgangsstrom bezeichnet ist.
Durch die dritten und vierten Impedanzen können Regelparameter eingestellt werden, die relevant sind zum Einstellen des Ausgangsstroms I_A in der zweiten Schaltstellung des zweiten Schaltelements T2. Für diesen Fall wird der Ausgangsstrom I A als zweiter Ausgangsstrom bezeichnet.
Durch geeignete Wahl der ersten und zweiten bzw. der dritten und vierten Impedanzen kann ein beliebiges Regelverhalten, so z. B. ein P-, PI- oder PID-Regelverhalten zum Einstellen des Ausgangsstroms I A eingestellt werden. Als besonders geeignet hat sich erwiesen, die ersten und zweiten Impedanzen bzw. die dritten und vierten Impedanzen so auszubilden, dass sich ein Proportional-Integral-Regelverhalten (PI) ergibt. Zu diesem Zweck sind dann die ersten und zweiten Impedanzen bzw. die dritten und vierten Impedanzen entsprechend der in der Figur 2 dargestellten Schaltungsanordnung mit den Widerständen R2, R3, R4 und den Kapazitäten Cl und C2 ausgebildet.
Ferner hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, die Regelparameter, die durch die Impedanzwerte der ersten und zweiten Impedanzen für den ersten Regelparameterpfad bzw. durch die dritten und vierten Impedanzen für den zweiten Regelparameterpfad 60 festgelegt werden, deutlich unterschiedlich auszubilden und zwar bevorzugt so, dass die dem zweiten Regelparameterpfad 60 zugeordneten Regelparameter bevorzugt mindestens eine Größenordnung kleiner sind als diejenigen, die dem ersten Regelparameterpfad 56 zugeordnet sind. Somit sind bevorzugt die dritten und vierten Impedanzen kleiner als die ersten und zweiten Impedanzen. Auf diese Weise lässt sich ein Einstellverhalten zum Einstellen des ersten bzw. zweiten Ausgangsstroms nahezu unabhängig voneinander einstellen.
Bei einem Fehlerfall, so zum Beispiel bei einem Fehler in der Leistungsendstufe 46, ist die Stromquelle geeignet zum Abführen der gesamten in dem jeweiligen Piezoaktuator PAKTl bis PAKT4 gespeicherten elektrischen Energie, die beispielsweise zwischen 70 und 100 mJ liegen kann. Zu diesem Zweck wird das Referenz-Potenzial U REF dem Reglerelement 52 als Sollwert zugeführt und das zweite Schaltelement T2 in die erste Schaltstellung gesteuert, in der dem Reglerelement 52 als Sollwert die erste Potenzialdifferenz Ul zugeführt wird. Das Stellsignal des Reglerelements hängt somit in diesem Fall ab von der Differenz zwischen dem Referenzpotenzial U_REF und der ersten Potenzialdifferenz Ul. Das Referenz-Potenzial U REF ist im Zusammenwirken mit dem Referenz-Widerstand R S, und hier insbesondere mit dem ersten Einzel-Referenz- Widerstand R5, geeignet so ausgebildet, dass der erste Ausgangsstrom den gewünschten Wert einnimmt und in diesem Bereich die Diode Dl noch nicht in Durchlassrichtung betrieben wird, d. h. der Spannungsabfall an dem ersten Einzel- Referenz-Widerstand R5 noch geringer ist als die Durchlassspannung der Diode Dl. Der zweite Einzel-Referenz-Widerstand R6 ist deutlich niederohmiger ausgebildet als der erste Einzel-Referenz-Widerstand R5. Dies hat zur Folge, dass in der ersten Schaltstellung des zweiten Schaltelements T2 nur eine sehr geringe Spannung über dem zweiten Einzel-Referenz- Widerstand R6 abfällt. Die Dimensionierung des ersten Einzel- Referenz-Widerstands R5, des Widerstands R3 und der Referenzpotentialdifferenz UREF beeinflussen den ersten Ausgangsstrom.
So kann dann der gewünschte geringe Betrag des ersten Ausgangsstroms in der ersten Schaltstellung des zweiten Schaltelements eingestellt werden und so beispielsweise bei einem Fehler der Leistungsendstufe der jeweilige Piezoaktuator PAKTl bis PAKT4 vollständig durch die Stromquelle 48 entladen werden, ohne das erste Schaltelement Tl thermisch zu stark zu belasten .
Bevorzugt sind die Regelparameter für die erste Schaltstellung des zweiten Schaltelements so eingestellt, dass auch ein relativ hartes Schalten des Ausgangsstroms I A möglich ist.
In einem Normalbetrieb der Steuervorrichtung wird zum Entladen des jeweiligen Piezoaktuators PAKTl bis PAKT4 zunächst die Leistungsendstufe 46 entsprechend der bereits oben ausge- führten Vorgehensweise angesteuert. Im Anschluss daran wird zum Entnehmen der verbleibenden Restentladung in dem jeweiligen Piezoaktuator PAKTl bis PAKT4 das Referenz-Potenzial U_REF dem Reglerelement 52 als Sollwert zugeführt. Das zweite Schaltelement wird in seine zweite Schaltstellung gesteuert, in der das Reglerelement 52 mit der zweiten Potenzialdifferenz U2 als Istwert eingangsseitig beaufschlagt wird. Dies hat dann zur Folge, dass ausgangsseitig des Reglerelements 52 das Stellsignal derart erzeugt wird, dass das erste Schaltelement Tl den Ausgangsstrom I_A auf den zweiten Ausgangsstrom einstellt. Das erste Schaltelement Tl ist bevorzugt als selbstsperrender N-MOSFET-Transistor ausgebildet und wird im Abschnürbereich betrieben. In diesem Bereich ist somit bei gleich bleibendem Steuersignal an dem Steuereingang des ersten Schaltelements Tl ein nahezu konstanter Ausgangsstrom I A gewährleistet, unabhängig von der zu einem Bezugspotenzial abfallenden Potenzialdifferenz. Durch die Rückkopplung der ersten Potenzialdifferenz Ul bzw. in der zweiten Schaltstellung des zweiten Schaltelements der zweiten Potenzialdifferenz U2 auf das Reglerelement 52 können jedoch auch Störeinflüsse, wie beispielsweise eine temperaturabhängige Schaltcharakteristik des ersten Schaltelements Tl oder Fertigungsstreuungen des ersten Schaltelements Tl kompensiert werden. Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, die Regelparameter, die in der zweiten Schaltstellung des zweiten Schaltelements T2 wirksam sind, so einzustellen, dass der Ausgangsstrom I A sich nicht zu sprunghaft ändert, also nicht zu hart geschaltet wird. Die speziellen am geeignetsten Charakteristiken der Regelparameter hängen wesentlich ab von der jeweiligen Charakteristik des jeweiligen Piezoaktuators PAKTl bis PAKT4.
Typischerweise hat der zweite Ausgangsstrom einen deutlich höheren Betrag als der erste Ausgangsstrom. Der zweite Aus- gangsstrom kann beispielsweise in etwa 5 A betragen, während der erste Ausgangsstrom in etwa 100 mA betragen kann. Der erste Einzel-Referenz-Widerstand R5 ist so hochohmig ausgebildet, dass er bei dem zweiten Ausgangsstrom durch die Diode Dl überbrückt ist und so der Spannungsabfall über dem Widerstand R5 nahezu konstant ist, unabhängig von Abweichungen des zweiten Ausgangsstroms.
Durch das geeignete Dimensionieren der ersten und zweiten Einzel-Referenz-Widerstände R5 und R6 und des Widerstands R4 und der Referenzspannung U REF kann in der zweiten Schaltstellung des zweiten Schaltelements T2 sichergestellt werden, dass die Diode Dl im Durchlassbereich betrieben wird und die Widerstandscharakteristik in diesem Zustand des Referenz- Widerstands R S maßgeblich durch den zweiten Einzel-Referenz- Widerstand R6 bestimmt wird, der geeignet niederohmig ausgebildet ist. So kann dann der insbesondere recht hohe zweite Ausgangsstrom sehr präzise mit dem gleichen Referenzpotenzial U REF wie der erste Ausgangsstrom eingestellt werden.
Die insgesamt durch die Leistungsendstufe 46 und die Stromquelle 48 abzuführende elektrische Energie aus dem jeweiligen Piezoaktuator PAKTl bis PAKT4 beträgt beispielsweise zwischen 70 und 100 mJ. Typischerweise wird lediglich in etwa das letzte Zehntel der elektrischen Energie in dem Normalbetrieb durch die Stromquelle dem jeweiligen Piezoaktuator 1 entnommen .
Aufgrund des hohen zweiten Ausgangsstroms, der beispielsweise 5 A beträgt, kann die Restentladung durch eine sehr kurze entsprechende Durchsteuerung des ersten Schaltelements Tl erfolgen und geht somit zwar mit einer hohen thermischen Belastung für das erste Schaltelement einher, die jedoch nur sehr kurz andauert und so bei geeigneter Wärmekapazität des ersten Schaltelements zu keiner thermischen Zerstörung des ersten Schaltelements führt. Im Gegensatz dazu wäre das Abführen in dem Fehlerfall der gesamten in dem jeweiligen Piezoaktuator PAKTl bis PAKT4 gespeicherten elektrischen Energie jedoch mit einer sehr hohen thermischen Belastung für das erste Schaltelement verbunden, wenn dies in der zweiten Schaltstellung des zweiten Elements, also mit dem zweiten Ausgangsstrom erfolgen würde und könnte so gegebenenfalls zu dessen thermischer Zerstörung führen oder würde andererseits bedingen, dass das erste Schaltelement Tl sehr großzügig dimensioniert wird, was einen hohen Platzbedarf und somit höhere Kosten zur Folge hat. Durch die Möglichkeit den zweiten Ausgangsstrom einzustellen ist ein kompaktes Dimensionieren des ersten Schaltelements Tl möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Stromquelle mit
- einem ersten Schaltelement (Tl), das einen Steuereingang (54) hat und so ausgebildet und angeordnet ist, dass abhängig von einem Steuersignal an seinem Steuereingang (54) ein Ausgangsstrom (I_A) ausgangsseitig der Stromquelle (48) einstellbar ist,
- einem Referenz-Widerstand (R S), der so mit dem ersten Schaltelement (Tl) elektrisch gekoppelt ist, dass der Ausgangsstrom (I A) durch den Referenz-Widerstand (R S) fließt, und der in Serie angeordnet einen ersten und einen zweiten Einzel-Referenz-Widerstand (R5, R6) aufweist und eine Diode
(Dl), die parallel geschaltet ist zu dem ersten Einzel- Referenz-Widerstand (R5) und zwar in Durchlassrichtung entsprechend der bestimmungsgemäßen Stromrichtung durch den Referenz-Widerstand (R S), wobei der erste Einzel-Referenz- Widerstand (R5) hochohmiger ist als der zweite Einzel- Referenz-Widerstand (R6) ,
- einem Reglerelement (52), dem als Sollwert ein vorgegebenes Referenz-Potenzial (U REF) zugeführt ist und dessen Stellsignal das Steuersignal des ersten Schaltelements (Tl) ist,
- einem zweiten Schaltelement (T2), das ausgebildet ist und angeordnet ist zum Beaufschlagen des Reglerelements (52) mit einer ersten Potenzialdifferenz (Ul) als Istwert, die repräsentativ ist für einen Spannungsabfall über dem ersten und dem zweiten Einzel-Referenz-Widerstand (R5, R6) , in einer ersten Schaltstellung und mit einer zweiten Potenzialdifferenz (U2) als Istwert, die repräsentativ ist für einen Spannungsabfall über den zweiten Einzel-Referenz-Widerstand (R6) , in einer zweiten Schaltstellung.
2. Stromquelle nach Anspruch 1, bei der das Reglerelement (52) und das zweite Schaltelement (T2) in einem integrierten Schaltkreis angeordnet sind und der Referenz-Widerstand (R_S) und das erste Schaltelement (Tl) extern zu dem integrierten Schaltkreis angeordnet sind.
3. Stromquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der ein erster Regelparameterpfad (56), das Reglerelement (52) ausgangsseitig mit einem ersten Knotenpunkt (58), der elektrisch zwischen dem ersten Schaltelement (Tl) und dem Referenz-Widerstand (R_S) angeordnet ist, wobei der erste Regelparameterpfad eine vorgebbare Impedanz aufweist.
4. Stromquelle nach Anspruch 3, bei der die vorgebbare Impedanz in dem ersten Regelparameterpfad (56) so ausgebildet ist, dass ein Proportional- und Integral-Regelverhalten ausgebildet ist.
5. Stromquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der ein zweiter Regelparameterpfad (60) das Reglerelement (52) ausgangsseitig mit einem zweiten Knotenpunkt (62) elektrisch koppelt, der elektrisch zwischen dem ersten und zweiten Einzel-Referenz-Widerstand (R5, R6) angeordnet ist, wobei der zweite Regelparameterpfad (60) eine vorgebbare Impedanz aufweist.
6. Stromquelle nach Anspruch 5, bei der die vorgebbare Impedanz in dem zweiten Regelparameterpfad (60) so ausgebildet ist, dass ein Proportional- und Integral-Regelverhalten ausgebildet ist.
7. Stromquelle nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der die vorgebbare Impedanz des zweiten Regelparameterpfads (60) in etwa mindestens eine Größenordnung kleiner ist als die vorgebbare Impedanz des ersten Regelparameterpfads (56) .
8. Steuervorrichtung mit einer Stromquelle (48) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die vorgesehen ist zum Steuern eines Piezoaktuators (PAKTl bis PAKT4), wobei die Stromquelle
(48) so mit dem Piezoaktuator (PAKTl bis PAKT4) koppelbar ist, dass sie den Piezoaktuator (PAKTl bis PAKT4) entladen kann, und wobei sie eine Leistungsendstufe (46) zum Laden und Entladen des Piezoaktuators (PAKTl bis PAKT4) aufweist, die elektrisch parallel zu der Stromquelle (48) angeordnet ist.
9. Verfahren zum Betreiben der Steuervorrichtung nach Anspruch 8, bei dem die Leistungsendstufe zum Entladen des Piezoaktuators angesteuert wird und anschließend das zweite Schaltelement (T2) in seine zweite Schaltstellung gesteuert wird zum weiteren Entladen der Leistungsendstufe (46), und bei dem in einem Fehlerfall der Leistungsendstufe (46) das zweite Schaltelement (T2) in seine erste Schaltstellung gesteuert wird zum Entladen des Piezoaktuators (PAKTl bis
PAKT4) .
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