WO2006106094A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zum betätigen eines auf- und entladbaren, elektromechanischen stellgliedes - Google Patents

Schaltungsanordnung und verfahren zum betätigen eines auf- und entladbaren, elektromechanischen stellgliedes Download PDF

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WO2006106094A1
WO2006106094A1 PCT/EP2006/061277 EP2006061277W WO2006106094A1 WO 2006106094 A1 WO2006106094 A1 WO 2006106094A1 EP 2006061277 W EP2006061277 W EP 2006061277W WO 2006106094 A1 WO2006106094 A1 WO 2006106094A1
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WO
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actuator
discharge branch
discharge
branch
discharging
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PCT/EP2006/061277
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Inventor
Hellmut Freudenberg
Walter Schrod
Christian Hauser
Manfred Kramel
Heinz Lixl
Gabriel Marzahn
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • 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
    • 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
    • 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
    • F02D2041/2048—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit said control involving a limitation, e.g. applying current or voltage limits

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement and a method for actuating an up and dischargeable, electromechanical actuator, in particular for a fuel injection valve of an internal combustion engine, wherein a discharge branch, which is connected to the actuator, for discharging the charged actuator is used.
  • Such up and dischargeable, electromechanical actuator is ⁇ member, for example, the opening and closing an injector needle of a fuel injection valve in a
  • a piezo actuator which is a capacitive body, which is charged and discharged by means of an electrical voltage.
  • the piezo actuator changes its length and moves the injector needle to the
  • an electrical scarf ⁇ tion is used by means of the piezoelectric actuator on and entla ⁇ can be.
  • This circuit can be designed so that the charge taken from the piezoelectric actuator during discharge is fed back into a power supply in order to achieve a good efficiency of the arrangement.
  • the problem arises that the voltage applied to the piezoelectric actuator decreases as the discharge increases and, at a certain level, is no longer sufficient, charging out of the piezoelectric actuator and to drive into the circuit for forwarding to the power supply.
  • This problem may occur particularly in processing of a clocked scarf, is reduced in the discharging, the voltage at the piezo actuator starting acquisition of the holding voltage for holding the injector needle in the open state by clocked Energyent ⁇ .
  • the present invention is therefore based on the object to enable a simple and effective unloading of an electromechanical actuator and thereby to ensure the best possible energy efficiency when operating the actuator.
  • this object is achieved by a circuit arrangement with the features of claim 1 and / or by a method having the features of claim 10.
  • a first discharge branch and a second discharge branch for discharging the charged actuator are provided for actuating the chargeable and dischargeable electromechanical actuator, in particular for a fuel injection valve of a Brennkraftma ⁇ machine, the first and second discharge branch respectively connected to the actuator is.
  • a control which is connected to the first and the second discharge branch, the first discharge branch and the second discharge branch are activated for discharging the actuator.
  • the second discharge branch is actuated for discharging the actuator after the first discharge branch, and yet while the first discharge branch is actuated for discharging the actuator.
  • the second discharge branch in an existing actuator, not yet discharged ReStLA ⁇ can thus advantageously be dissipated dung.
  • the unloading process is accelerated.
  • the second discharge branch is actuated, while the actuator is discharged via the first discharge branch. It is therefore ensured that the discharge process over the first discharge branch is not yet completed and the discharge takes place partially simultaneously both via the first and via the second discharge branch.
  • This can prevent that, when driving the second Entladezweiges for discharging the actuator, and in particular to Be ⁇ beginning of driving, in the course of the voltage, a discontinuity occurs at the actuator, the desired radio ⁇ tion as disturbs the actuator.
  • Such a discontinuity could namely cause an unwanted, more or less describedzei ⁇ term Hubmet of the actuator.
  • the injector function ie in particular the injection of the fuel, can be optimized. An increase of fluctuations of the injection quantity from injection process to injection process is advantageously avoided.
  • the second discharge branch is connected to the positive pole of the actuator verbun ⁇ .
  • the second discharge branch may be advantageous ⁇ way legally connected in parallel with the actuator.
  • the second discharge branch has a switch with which the activation of the second discharge branch for discharging the actuator is made possible.
  • the switch may advantageously be a controllable switch. This ensures a particularly simple activation ⁇ ren of the second discharge branch.
  • the second discharge branch is a strombe ⁇ marginalized discharge branch. This allows the current load of the second discharge branches, and in particular of angeord ⁇ Neten electronic components are limited.
  • the second discharge branch is controlled for discharging the actuator ⁇ member depending on a predetermined voltage on the actuator. This can ensure that components in the second discharge branch, in particular the switch arranged in it, are not overloaded.
  • the first discharge branch disposed in a driver stage which is designed so that it feeds back at least ei ⁇ NEN part of the means of the first Entladezweiges during discharging of the actuator energy generated in a Energyversor ⁇ supply.
  • a particularly high energy efficiency of the arrangement is thus given.
  • the driver stage a clocked driver stage, with which charge can be extracted by means of a clock signal from the charged actuator.
  • the actuator is a piezoelectric actuator ⁇ shear.
  • a piezoelectric actuator ⁇ shear With such a piezo actuator, a large force can be obtained while ensuring a very precise controllability of arrival, so that a particularly good Be ⁇ actuation of a piezoelectric actuator of the driven element, in particular an injector needle of the Kraftstoffeinspritzven ⁇ TILs added.
  • Fig. 1 is a basic example of a current and voltage clamping ⁇ course of a piezoelectric actuator during its charging and discharging;
  • FIG. 2 shows an example of a driver circuit having an embodiment of a circuit arrangement according to the invention ⁇ ;
  • Fig. 3 is an exemplary representation of several current and voltage waveforms on a piezoelectric actuator at its
  • FIG. 4 shows an illustration of the multiple current profiles from FIG. 3 and their associated profiles of the stroke of the piezoactuator.
  • the actuator is here a piezoelectric actuator, hereinafter called piezoelectric actuator.
  • piezoelectric actuator By means of the piezoelectric actuator, an injector needle is moved to open and close the injection valve. In the opened state of the injection valve, fuel is injected into a combustion chamber associated with the injection valve.
  • the piezoelectric actuator can be considered as a capacitive load.
  • the length of the piezo actuator changed depending on its state of charge. These changes in length cause the opening and closing of the injector needle.
  • the ge ⁇ desired charging and discharging of the piezoelectric actuator is controlled by an appropriate application of an electric voltage to the piezoelectric actuator.
  • Fig. 1 shows a basic example of apulsver ⁇ run 1 and a corresponding current waveform 2 on a piezoelectric actuator for its charging and discharging.
  • the voltage is at a low level, the "low” state. This was to ⁇ the piezo actuator is discharged. This means here that the injection valve is closed.
  • a voltage is applied to the piezoelectric actuator. This can be seen in the area 4 of the voltage curve 1.
  • the voltage rises from the "low” state to a high level, the "high” state.
  • a current flows into the piezo actuator, which charges it. This is shown in a region 5 of the current profile 2 in FIG. 1. This allows the piezo actuator expands and öff ⁇ net the injection valve or the control valve.
  • the clamping voltage ⁇ is in the "high” state maintained.
  • the piezoelectric actuator remains in the expanded state and the injection valve is opened accordingly.
  • an area 7 of the clamping ⁇ voltage curve 1 the voltage from the "high” state to the “low” state falls back.
  • a current flows out of the piezoelectric actuator and it is discharged. This is shown in a region 8 of the current profile 2.
  • the discharge be ⁇ acts a regressing the expansion of the piezoelectric actuator and this in turn closing the injector.
  • the voltage required to charge, hold and discharge the piezoelectric actuator is generated by means of a driver circuit.
  • a driver circuit 9 for driving piezoactuators.
  • the piezoactuators 10, 11 are connected in parallel and connected via selection switches 12 and 13 separately from each other to ground. With the selection switches 12, 13 of those of the piezoelectric actuators 10, 11 can be selected, which is to be controlled by the driver scarf ⁇ device 9 to achieve the desired Stellbewe ⁇ tion of the piezoelectric actuators 10, 11 and the desired injection behavior.
  • the driver circuit 9 contains a power supply, which is ensured here by a battery 14.
  • the Bat ⁇ terie 14 may be the vehicle battery.
  • the battery 14 is connected to a DC-DC converter 15 and this in turn connected to a buffer capacitor 16.
  • the buffer capacitor 16 stores the energy required to charge the piezo actuators.
  • the buffer capacitor 16 is connected to a transformer 19 via an LC filter having an inductance 17 and a capacitor 18.
  • a primary winding 20 of the transformer 19 acts on the voltage side at the junction of inductor 17 and capacitor 18.
  • the primary winding 20 is connected via a switch 21 to ground. Parallel to the switch 21, a diode 22 is arranged, wherein the anode is connected to ground and the cathode to the primary winding 20.
  • a secondary winding 23 of the transformer 19 is also connected via a switch 24 to ground.
  • a further diode 25 is connected, whose anode is connected to ground and whose cathode is connected to the secondary winding 23.
  • the secondary winding 23 is connected to a further LC filter, which has an inductor 26 and a capacitor 27, at the junction of the inductance 26 and the capacitor 27.
  • the inductance 26 is the output side with the
  • the driver circuit further comprises a controllable discharge switch 28, the here at the output of the driver circuit 9 and parallel to the piezoelectric actuators 10, 11 is arranged.
  • the discharge switch 28 is connected at its one terminal to the inductance 26 and the positive poles of the piezoelectric actuators 10, 11 and at its other terminal via a current-limiting resistor 29 to ground.
  • the driver circuit 9 further includes a controller 30 connected to the switches 12, 13, 21, 24, and 28.
  • the switches 12, 13, 21, 24 and 28 are controlled and thus ge ⁇ closed or opened at appropriate times to allow actuation, ie in particular the loading and unloading of the piezoelectric actuators 10, 11.
  • the driver circuit 9 For discharging the piezoactuators 10, 11, the driver circuit 9 includes a first discharge branch 31, which extends from the piezoelectric actuators 10, 11 via the LC filter 26, 27, the secondary winding and the switch 24. Energy which is discharged when discharging is discharged via this first discharging branch 31
  • Piezoelectric actuator 10, 11 is removed, returned to the power supply.
  • a second discharge path 32 is of the piezo actuators ⁇ 10, 11 via the discharge switch 29 and the resistor 29 exists.
  • the piezoelectric actuators 10, 11 are discharged according to the invention, even while they are discharged via the first discharge branch 31.
  • the discharge switch 28 is closed. Instead of the resistor 29, another current limiting or no current limiting can be provided.
  • the controller 30 is configured to allow such unloading operation by appropriately driving the switches 12, 13, 21, 24, and 28.
  • the controller 30 further allows a timed discharge of the Pie ⁇ zoaktoren 10, 11.
  • To avoid Unste ⁇ activities in the voltage curve at the piezoelectric actuators 10, 11 during the discharge of the second discharge branch 32 is activated by the controller 30 by closing the discharge switch 28, while the first discharge branch 31 discharges the respective to be unloaded piezoelectric actuators 10, 11.
  • the time of activation of the second discharge branch 32 can be suitably specified.
  • the voltage present at the piezoelectric actuator 10, 11 to be discharged can be taken into account when activating. This should advantageously have fallen below a be ⁇ voted maximum value before the discharge switch 28 is closed. This can ensure that the discharge switch 28 is not overloaded. With a suitable choice of the maximum voltage may possibly be dispensed with a current limit within the second discharge branch 32. To determine the voltage at the piezoelectric actuator 10, 11 to be unloaded, a suitable measuring device can be provided.
  • the controller 30 may further be configured to continue to keep the discharge switch 28 closed and to ground the positive pole of the piezoactuator 10, 11 when the piezoactuator 10, 11 is discharged and not fuel by means of the piezoactuator 10, 11 assigned Einspritzventi- les to be injected into a combustion chamber.
  • Fig. 3 shows an exemplary representation of three Ver ⁇ runs of current and voltage of a piezoelectric actuator during its unloading, z. B. at one of the piezoelectric actuators 10, 11 of the embodiment of Fig. 2.
  • the different patterns are formed in particular by activating the second Entladezweiges, for example by closing the discharge ⁇ switch 28 of FIG. 2, for each different times. If there is no switch-on of the second discharge branch 32 or if it is switched on too late, then discontinuities in the voltage curve at the piezoelectric element can occur. Actors 10, 11 come. These discontinuities can be reduced according to the invention so that disturbing influences on the injection function are avoided.
  • FIG. 3 shows a first case with a first voltage profile 33 and an associated first current profile 34, a second case with a second voltage profile 35 and an associated second current profile 36 and a third case with a third voltage curve 37 and an associated third Current curve 38 shown.
  • first case with a first voltage profile 33 and an associated first current profile 34
  • second case with a second voltage profile 35 and an associated second current profile 36
  • third case with a third voltage curve 37 and an associated third Current curve 38 shown.
  • Case is in the first voltage curve 33 a first discontinuity site 39, in the second case in the second voltage curve 35 a second discontinuity site 40 and in the third case in the third voltage curve 37 to see a third discontinuity point 41.
  • the second discharge branch 32 is activated after the first discharge branch 31 for discharging one of the piezoactuators 10, 11, so that a large part of the energy taken from the unloaded piezoactuator 10, 11 can be returned to the energy supply.
  • the second discharge branch 32 is earlier than the ers ⁇ th case and in the third case is activated earlier than in the second case. It can be seen that the discontinuities 39-41 in the voltage curves 33, 35, 37 decrease from the first to the third case.
  • the second discharge branch 32 is activated at a pre-set time ⁇ in which according to experience an overload occurs in any operating condition. However, it would also be conceivable to vary this time depending on a specific measured value or a characteristic diagram.
  • FIG. 4 shows a representation of the three current profiles 34, 36, 38 from FIG. 3 and their associated profiles of the stroke of the piezoelectric actuator.
  • FIG. 4 shows for the first case a first stroke curve 42, for the second case a second stroke curve 43 and for the third case, a third stroke curve 44.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Ver fahren zum Betätigen eines auf- und entladbaren, elektrome chanischen Stellgliedes (10, 11), insbesondere für ein Kraft Stoff einspritzventil einer Brennkraftmaschine. Das ge- ladene Stellglied (10, 11) wird mittels eines ersten Entla dezweiges (31), der mit dem Stellglied (10, 11) verbunden ist, entladen. Das Stellglied (10, 11) wird ebenfalls mit tels eines zweiten Entladezweiges (32) , der mit dem Stell glied (10, 11) verbunden ist, entladen. Dabei wird der zwei- te Entladezweig (32) zum Entladen des Stellgliedes (10, 11) mittels einer Steuerung (30) nach dem ersten Entladezweig (31) angesteuert, noch während der erste Entladezweig (31) das Stellglied (10, 11) entlädt. Aufgrund der Erfindung kön nen vorteilhafterweise beim Entladen ein Verbleib von Rest- ladungen im Stellglied (10, 11) und gleichzeitig Unstetig keiten beim Betätigen des Stellgliedes (10, 11) vermieden werden, die die gewünschte Funktionsweise des Stellgliedes (10, 11) stören.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betätigen eines auf- und entladbaren, elektromechanischen Stellgliedes
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betätigen eines auf- und entladbaren, elektromechanischen Stellgliedes, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, wobei ein Entlade- zweig, der mit dem Stellglied verbunden ist, zum Entladen des geladenen Stellgliedes dient.
Ein solches auf- und entladbares, elektromechanisches Stell¬ glied wird beispielsweise für das Öffnen und Schließen einer Injektornadel eines Kraftstoffeinspritzventiles in einer
Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges eingesetzt. Als Stell¬ glied kann ein Piezoaktor verwendet werden, der einen kapazitiven Körper darstellt, der mittels einer elektrischen Spannung aufgeladen und entladen wird. Dabei ändert der Pie- zoaktor seine Länge und bewegt die Injektornadel, um das
Öffnen und Schließen des Einspritzventils zu gewährleisten. Alternativ zu diesem Direktantrieb wäre auch denkbar, dass der Piezoaktor ein kleines Steuerventil öffnet, wodurch auf¬ grund geänderter Druckverhältnisse oberhalb und unterhalb der Nadel sich die Düsennadel dann nach oben bewegt.
Zur Betätigung des Piezoaktors wird eine elektrische Schal¬ tung eingesetzt, mittels der der Piezoaktor auf- und entla¬ den werden kann. Diese Schaltung kann so ausgestaltet sein, dass die dem Piezoaktor beim Entladen entnommene Ladung in eine Energieversorgung zurückgespeist wird, um einen guten Wirkungsgrad der Anordnung zu erreichen. Dabei tritt allerdings bei weiter fortschreitendem Entladungsvorgang das Problem auf, dass die am Piezoaktor anliegende Spannung mit zunehmender Entladung sinkt und bei einer bestimmten Höhe nicht mehr ausreicht, Ladung aus dem Piezoaktor heraus und in die Schaltung hinein zur Weiterleitung zu der Energieversorgung zu treiben.
Dieses Problem kann insbesondere bei einer getakteten Schal- tung auftreten, bei der zum Entladen die Spannung am Piezo- aktor ausgehend von der Haltespannung zum Halten der Injektornadel in geöffnetem Zustand durch getaktete Energieent¬ nahme verkleinert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und effektives Entladen eines elektromechani- schen Stellgliedes zu ermöglichen und dabei einen möglichst guten energetischen Wirkungsgrad beim Betätigen des Stellgliedes zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 10 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind zum Betätigen des auf- und entladbaren, elektromechanischen Stellgliedes, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftma¬ schine, ein erster Entladezweig und ein zweiter Entladezweig zum Entladen des geladenen Stellgliedes vorhanden, wobei der erste und zweite Entladezweig jeweils mit dem Stellglied verbunden ist. Mittels einer Steuerung, die mit dem ersten und dem zweiten Entladezweig verbunden ist, werden der erste Entladezweig und der zweite Entladezweig zum Entladen des Stellgliedes angesteuert. Dabei wird der zweite Entladezweig zum Entladen des Stellgliedes nach dem ersten Entladezweig angesteuert, und zwar noch während der erste Entladezweig zum Entladen des Stellgliedes angesteuert ist.
Durch den zweiten Entladezweig kann somit vorteilhafterweise eine im Stellglied vorhandene, noch nicht entladene Restla¬ dung abgeführt werden. Der Entladeprozess wird beschleunigt. Erfindungsgemäß wird der zweite Entladezweig angesteuert, während das Stellglied über den ersten Entladezweig entladen wird. Es ist daher gewährleistet, dass der Entladevorgang über den ersten Entladezweig noch nicht beendet ist und das Entladen teilweise gleichzeitig sowohl über den ersten als auch über den zweiten Entladezweig erfolgt. Dadurch kann vermieden werden, dass beim Ansteuern des zweiten Entladezweiges zum Entladen des Stellgliedes, insbesondere zu Be¬ ginn des Ansteuerns, im Verlauf der Spannung am Stellglied eine Unstetigkeitsstelle auftritt, die die gewünschte Funk¬ tionsweise des Stellgliedes stört. Eine solche Unstetigkeit könnte nämlich eine unerwünschte, mehr oder weniger kurzzei¬ tige Hubstörung des Stellgliedes bewirken. Insbesondere wird im Fall des Einsatzes des Stellgliedes in einem Kraftstoff- einspritzventil sichergestellt, dass die Injektorfunktion, d. h. vor allem das Einspritzen des Kraftstoffes, optimiert werden kann. Eine Erhöhung von Schwankungen der Einspritzmenge von Einspritzvorgang zu Einspritzvorgang wird vorteilhafterweise vermieden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Entladezweig mit dem Pluspol des Stellgliedes verbun¬ den. Darüber hinaus kann der zweite Entladezweig vorteil¬ hafterweise zu dem Stellglied parallel geschaltet sein. Durch diese Ausgestaltungen ist jeweils ein einfacher Aufbau des zweiten Entladezweiges und ein effektives Entladen be¬ sonders gewährleistet.
Einfachheitshalber weist der zweite Entladezweig einen Schalter auf, mit dem das Aktivieren des zweiten Entladezweiges zum Entladen des Stellgliedes ermöglicht wird. Der Schalter kann vorteilhafterweise ein ansteuerbarer Schalter sein. Dieser gewährleistet ein besonders einfaches Aktivie¬ ren des zweiten Entladezweiges.
Besonders bevorzugt ist der zweite Entladezweig ein strombe¬ grenzter Entladezweig. Dadurch kann die Strombelastung des zweiten Entladezweiges, und insbesondere von in ihm angeord¬ neten elektronischen Komponenten, beschränkt werden.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Weiterbildung der Erfin- düng wird der zweite Entladezweig zum Entladen des Stell¬ gliedes abhängig von einer vorgegebenen Spannung am Stellglied angesteuert. Dadurch kann gewährleistet werden, dass Komponenten im zweiten Entladezweig, insbesondere der in ihm angeordnete Schalter, nicht überlastet werden.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Entladezweig in einer Treiberstufe angeordnet, die so ausgestaltet ist, dass sie wenigstens ei¬ nen Teil der mittels des ersten Entladezweiges beim Entladen des Stellgliedes gewonnenen Energie in eine Energieversor¬ gung zurückspeist. Ein besonders hoher energetischer Wirkungsgrad der Anordnung ist somit gegeben. Vorteilhafterwei¬ se ist die Treiberstufe eine getaktete Treiberstufe, mit der sich Ladung mittels eines Taktsignals aus dem geladenen Stellglied gewinnen lässt.
Besonders vorteilhaft ist das Stellglied ein piezoelektri¬ scher Aktor. Mit einem solchen Piezoaktor lässt sich eine große Kraft erzielen und gleichzeitig eine sehr genaue An- steuerbarkeit gewährleisten, so dass eine besonders gute Be¬ tätigung eines von dem Piezoaktor betriebenen Elementes, insbesondere einer Injektornadel des Kraftstoffeinspritzven¬ tils, gegeben ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schemati- sehen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei: Fig. 1 ein prinzipielles Beispiel eines Strom- und Span¬ nungsverlaufes an einem Piezoaktor bei dessen Laden und Entladen;
Fig. 2 ein Beispiel einer Treiberschaltung mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungs¬ anordnung;
Fig. 3 eine beispielhafte Darstellung mehrerer Strom- und Spannungsverläufe an einem Piezoaktor bei dessen
Entladen mittels eines erfindungsgemäßen zweiten Entladezweiges, der zu unterschiedlichen Zeitpunkten aktiviert wird; und
Fig. 4 eine Darstellung der mehreren Stromverläufe aus Fig. 3 und ihnen zugeordneten Verläufen des Hubs des Pie- zoaktors .
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktions- gleiche Elemente und Signale - sofern nichts anderes angege¬ ben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Die im Folgenden beschriebenen Beispiele und Ausführungsbei¬ spiele beziehen sich auf den Einsatz eines Stellgliedes in einem Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ein Betätigen eines auf- und entladbaren, elektromechanischen Stellgliedes vorteilhaft ist.
Das Stellglied ist hier ein piezoelektrischer Aktor, im Folgenden Piezoaktor genannt. Mittels des Piezoaktors wird eine Injektornadel bewegt, um das Einspritzventil zu öffnen und zu schließen. In geöffnetem Zustand des Einspritzventils wird Kraftstoff in einen dem Einspritzventil zugeordneten Brennraum eingespritzt. Der Piezoaktor kann als kapazitive Last betrachtet werden. Die Länge des Piezoaktors verändert sich abhängig von seinem Ladezustand. Diese Längenänderungen bewirken das Öffnen und Schließen der Injektornadel. Das ge¬ wünschte Laden und Entladen des Piezoaktors wird durch ein entsprechendes Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezoaktor gesteuert.
Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Beispiel eines Spannungsver¬ laufes 1 und eines korrespondierenden Stromverlaufes 2 an einem Piezoaktor für dessen Laden und Entladen. In einem Be- reich 3 des Spannungsverlaufes 1 befindet sich die Spannung auf einem niedrigen Pegel, dem "low"-Zustand. In diesem Zu¬ stand ist der Piezoaktor entladen. Dies bedeutet hier, dass das Einspritzventil geschlossen ist. Zum Öffnen des Ein¬ spritzventils wird an den Piezoaktor eine Spannung angelegt. Dies ist im Bereich 4 des Spannungsverlaufes 1 zu sehen. Die Spannung steigt vom "low"-Zustand auf einen hohen Pegel an, den "high"-Zustand. Während des Ansteigens der Spannung fließt ein Strom in den Piezoaktor, der diesen auflädt. Dies ist in einem Bereich 5 des Stromverlaufes 2 in der Fig. 1 dargestellt. Dadurch dehnt sich der Piezoaktor aus und öff¬ net das Einspritzventil bzw. das Steuerventil.
In einem Bereich 6 des Spannungsverlaufes 1 wird die Span¬ nung in dem "high"-Zustand gehalten. Der Piezoaktor bleibt weiterhin in dem ausgedehnten Zustand und das Einspritzventil dementsprechend geöffnet. In einem Bereich 7 des Span¬ nungsverlaufes 1 fällt die Spannung vom "high"-Zustand in den "low"-Zustand zurück. Dadurch fließt ein Strom aus dem Piezoaktor heraus und er wird entladen. Dies ist in einem Bereich 8 des Stromverlaufes 2 dargestellt. Das Entladen be¬ wirkt ein Zurückbilden der Ausdehnung des Piezoaktors und dies wiederum ein Schließen des Einspritzventils.
Das Erzeugen der zum Laden, Halten und Entladen des Piezoak- tors erforderlichen Spannung erfolgt mittels einer Treiberschaltung. Fig. 2 zeigt beispielhaft eine Treiberschaltung 9 zum Ansteuern von Piezoaktoren. In der Fig. 2 sind zwei Pie- zoaktoren 10 und 11 dargestellt, die mittels der Treiber¬ schaltung 9 angesteuert werden. Es ist auch möglich, nur einen oder mehr als zwei Piezoaktoren anzusteuern. Die Piezo- aktoren 10, 11 sind parallel geschaltet und über Auswahl- Schalter 12 und 13 getrennt voneinander mit Masse verbunden. Mit den Auswahlschaltern 12, 13 kann derjenige der Piezoaktoren 10, 11 ausgewählt werden, der durch die Treiberschal¬ tung 9 angesteuert werden soll, um die gewünschte Stellbewe¬ gung der Piezoaktoren 10, 11 und das gewünschte Einspritz- verhalten zu erzielen.
Die Treiberschaltung 9 enthält eine Energieversorgung, die hier durch eine Batterie 14 gewährleistet ist. Bei der Bat¬ terie 14 kann es sich um die Fahrzeugbatterie handeln. Die Batterie 14 ist mit einem Gleichspannungswandler 15 und dieser wiederum mit einem Pufferkondensator 16 verbunden. Der Pufferkondensator 16 speichert die zum Laden der Piezoaktoren benötigte Energie zwischen. Der Pufferkondensator 16 ist über ein LC-Filter, das eine Induktivität 17 und einen Kon- densator 18 aufweist, mit einem Transformator 19 verbunden. Eine Primärwicklung 20 des Transformators 19 greift dabei spannungsseitig an der Verbindungsstelle von Induktivität 17 und Kondensator 18 an. Masseseitig ist die Primärwicklung 20 über einen Schalter 21 mit Masse verbunden. Parallel zu dem Schalter 21 ist eine Diode 22 angeordnet, wobei deren Anode mit Masse und deren Kathode mit der Primärwicklung 20 verbunden ist. Eine Sekundärwicklung 23 des Transformators 19 ist ebenfalls über einen Schalter 24 mit Masse verbunden. Parallel zu dem Schalter 24 ist eine weitere Diode 25 ge- schaltet, deren Anode mit Masse und deren Kathode mit der Sekundärwicklung 23 verbunden ist. Spannungsseitig ist die Sekundärwicklung 23 an ein weiteres LC-Filter, das eine Induktivität 26 und einen Kondensator 27 aufweist, an der Verbindungsstelle von Induktivität 26 und Kondensator 27 ange- schlössen. Die Induktivität 26 ist ausgangsseitig mit den
Piezoaktoren 10 und 11 verbunden. Die Treiberschaltung weist des Weiteren einen ansteuerbaren Entladeschalter 28 auf, der hier am Ausgang der Treiberschaltung 9 und parallel zu den Piezoaktoren 10, 11 angeordnet ist. Der Entladeschalter 28 ist an seinem einen Anschluss mit der Induktivität 26 und den Pluspolen der Piezoaktoren 10, 11 und an seinem anderen Anschluss über einen strombegrenzenden Widerstand 29 mit Masse verbunden.
Die Treiberschaltung 9 enthält weiterhin eine Steuerung 30, die mit den Schaltern 12, 13, 21, 24 und 28 verbunden ist. Mittels der Steuerung 30 können die Schalter 12, 13, 21, 24 und 28 angesteuert und somit zu geeigneten Zeitpunkten ge¬ schlossen oder geöffnet werden, um ein Betätigen, d. h. insbesondere das Laden und Entladen der Piezoaktoren 10, 11 zu ermöglichen.
Zum Entladen der Piezoaktoren 10, 11 enthält die Treiberschaltung 9 einen ersten Entladezweig 31, der von den Piezoaktoren 10, 11 über das LC-Filter 26, 27, die Sekundärwicklung und den Schalter 24 verläuft. Über diesen ersten Entla- dezweig 31 wird Energie, die beim Entladen dem entladenen
Piezoaktor 10, 11 entnommen wird, zur Energieversorgung zurückgeführt. Ein zweiter Entladezweig 32 ist von den Piezo¬ aktoren 10, 11 über den Entladeschalter 29 und den Widerstand 29 vorhanden. Über diesen strombegrenzten Entladezweig 32 können die Piezoaktoren 10, 11 erfindungsgemäß entladen werden, noch während sie über den ersten Entladezweig 31 entladen werden. Der Entladeschalter 28 wird dazu geschlossen. An Stelle des Widerstandes 29 kann auch eine andere Strombegrenzung oder keine Strombegrenzung vorgesehen wer- den.
Die Steuerung 30 ist entsprechend ausgestaltet, um einen solchen Ablauf des Entladens durch geeignetes Ansteuern der Schalter 12, 13, 21, 24 und 28 zu ermöglichen. Die Steuerung 30 ermöglicht des Weiteren ein getaktetes Entladen der Pie¬ zoaktoren 10, 11. Eine Restladung innerhalb der Piezoaktoren 10, 11, die innerhalb eines Taktes nicht in die Energiever- sorgung zurückgetrieben werden kann, kann über den zweiten Entladezweig 32 abgeführt werden. Zur Vermeidung von Unste¬ tigkeiten im Spannungsverlauf an den Piezoaktoren 10, 11 während deren Entladung wird der zweite Entladezweig 32 von der Steuerung 30 durch Schließen des Entladeschalters 28 aktiviert, während der erste Entladezweig 31 den jeweiligen, zu entladenden Piezoaktoren 10, 11 entlädt. Der Zeitpunkt des Aktivierens des zweiten Entladezweiges 32 kann geeignet vorgegeben werden. Insbesondere kann beim Aktivieren die am zu entladenden Piezoaktor 10, 11 vorhandene Spannung berücksichtigt werden. Diese sollte vorteilhafterweise einen be¬ stimmten Maximalwert unterschritten haben, bevor der Entladeschalter 28 geschlossen wird. Dadurch kann gewährleistet werden, dass der Entladeschalter 28 nicht überlastet wird. Bei geeigneter Wahl der MaximalSpannung kann eventuell auf eine Strombegrenzung innerhalb des zweiten Entladezweiges 32 verzichtet werden. Zur Bestimmung der Spannung an dem zu entladenden Piezoaktor 10, 11 kann eine geeignete Messvorrichtung vorgesehen sein.
Die Steuerung 30 kann des Weiteren so ausgestaltet sein, dass sie den Entladeschalter 28 weiterhin geschlossen hält und den Pluspol des Piezoaktors 10, 11 an Masse legt, wenn der Piezoaktor 10, 11 entladen ist und kein Kraftstoff mit- tels des dem Piezoaktor 10, 11 zugeordneten Einspritzventi- les in einen Brennraum eingespritzt werden soll.
Die Fig. 3 zeigt beispielhaft eine Darstellung dreier Ver¬ läufe von Strom und Spannung an einem Piezoaktor bei dessen Entladen, z. B. an einem der Piezoaktoren 10, 11 des Ausführungsbeispiels der Fig. 2. Die unterschiedlichen Verläufe entstehen insbesondere durch ein Aktivieren des zweiten Entladezweiges, beispielsweise durch ein Schließen des Entlade¬ schalters 28 gemäß Fig. 2, zu jeweils unterschiedlichen Zeitpunkten. Unterbleibt ein Hinzuschalten des zweiten Entladezweiges 32 oder wird dieser zu spät hinzugeschaltet, dann kann es zu Unstetigkeiten im Spannungsverlauf am Piezo- aktor 10, 11 kommen. Diese Unstetigkeiten können erfindungsgemäß so verringert werden, dass störende Einflüsse auf die Einspritzfunktion vermieden werden.
In der Fig. 3 sind ein erster Fall mit einem ersten Spannungsverlauf 33 und einem zugeordneten ersten Stromverlauf 34, ein zweiter Fall mit einem zweiten Spannungsverlauf 35 und einem zugeordneten zweiten Stromverlauf 36 und ein dritter Fall mit einem dritten Spannungsverlauf 37 und einem zu- geordneten dritten Stromverlauf 38 dargestellt. Im ersten
Fall ist im ersten Spannungsverlauf 33 eine erste Unstetig- keitsstelle 39, im zweiten Fall im zweiten Spannungsverlauf 35 eine zweite Unstetigkeitsstelle 40 und im dritten Fall im dritten Spannungsverlauf 37 eine dritte Unstetigkeitsstelle 41 zu sehen.
In allen drei Fällen wird der zweite Entladezweig 32 nach dem ersten Entladezweig 31 zum Entladen eines der Piezoakto- ren 10, 11 aktiviert, so dass ein Großteil der dem entlade- nen Piezoaktor 10, 11 entnommenen Energie in die Energieversorgung zurückgeführt werden kann. Im zweiten Fall allerdings wird der zweite Entladungszweig 32 früher als im ers¬ ten Fall und im dritten Fall früher als im zweiten Fall aktiviert. Es ist erkennbar, dass die Unstetigkeiten 39-41 in den Spannungsverläufen 33, 35, 37 vom ersten zum dritten Fall hin abnehmen.
Gegebenenfalls kann man hier auch von lediglich einer Unstetigkeit sprechen. Je später der zweite Entladezweig 32 hin- zugeschaltet wird, desto mehr wird der auslaufende Ast der Spannung von der fallenden Flanke weg verzögert, zumal die Spannung typischerweise an keiner Stelle richtig glatt ist. Kleinere Unstetigkeiten, wie zum Beispiel die Unstetigkeit 41, sind häufig kurz genug, um nicht im (trägeren) Hubver- lauf sichtbar zu werden. Vorzugsweise wird der zweite Entladezweig 32 zu einem fest¬ gelegten Zeitpunkt aktiviert, bei dem erfahrungsgemäß bei keinem Betriebszustand eine Überlastung eintritt. Es wäre aber auch denkbar, diesen Zeitpunkt in Abhängigkeit eines bestimmten Messwertes oder eines Kennfeldes zu variieren.
Der Einfluss der oben beschriebenen Abnahme der Unstetigkei¬ ten auf die Funktionsweise des Einspritzventils wird deut¬ lich, wenn man sich die den jeweiligen Spannungsverläufen zugeordneten Hübe des Piezoaktors ansieht. Fig. 4 zeigt eine Darstellung der drei Stromverläufe 34, 36, 38 aus Fig. 3 und ihnen zugeordnete Verläufe des Hubs des Piezoaktors. Die Fig. 4 zeigt für den ersten Fall einen ersten Hubverlauf 42, für den zweiten Fall einen zweiten Hubverlauf 43 und für den dritten Fall einen dritten Hubverlauf 44. Es wird ersicht¬ lich, dass eine durch die Unstetigkeiten erzeugte Raststel¬ le, die den Einspritzvorgang stört, in den Hüben des Piezoaktors vom ersten zum dritten Fall hin nahezu verschwindet, wenn das Aktivieren des zweiten Entladezweiges geeignet früh erfolgt. Die Fig. 4 zeigt eine solche erste Raststelle 45 im ersten Hubverlauf 42 und eine bereits wesentlich kleinere Raststelle 46 im zweiten Hubverlauf 43. Im dritten Hubver¬ lauf ist keine Raststelle mehr vorhanden.
Obgleich die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Betätigen eines auf- und entladbaren, elektromechanischen Stellgliedes (10, 11), insbeson- dere für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftma¬ schine,
mit einem ersten Entladezweig (31) zum Entladen des gelade¬ nen Stellgliedes (10, 11), wobei der erste Entladezweig (31) mit dem Stellglied (10, 11) verbunden ist,
mit einem zweiten Entladezweig (32) zum Entladen des Stellgliedes (10, 11), wobei der zweite Entladezweig (32) mit dem Stellglied (10, 11) verbunden ist, und
mit einer Steuerung (30), die mit dem ersten Entladezweig (31) und dem zweiten Entladezweig (32) verbunden und so aus¬ gestaltet ist, dass sie den ersten Entladezweig (31) und den zweiten Entladezweig (32) zum Entladen des Stellgliedes (10, 11) ansteuert, wobei sie zum Entladen des Stellgliedes (10, 11) den zweiten Entladezweig (32) nach dem ersten Entladezweig (31) ansteuert, und zwar während der erste Entlade¬ zweig (31) zum Entladen des Stellgliedes (10, 11) angesteu¬ ert ist.
2 . Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der zweite Entladezweig (32) mit dem Pluspol des Stell¬ gliedes (10, 11) verbunden ist.
3. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der zweite Entladezweig (32) zu dem Stellglied (10, 11) parallel geschaltet ist.
4. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der zweite Entladezweig (32) einen ansteuerbaren Schal- ter (28) aufweist.
5. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der zweite Entladezweig (32) als strombegrenzter Entla¬ dezweig ausgebildet ist.
6. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Steuerung (30) so ausgestaltet ist, dass sie den zweiten Entladezweig (32) zum Entladen des Stellgliedes (10, 11) abhängig von einer vorgegebenen Spannung am Stellglied (10, 11) ansteuert.
7. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der erste Entladezweig (31) in einer Treiberstufe (9) angeordnet ist, die so ausgestaltet ist, dass sie wenigstens einen Teil der mittels des ersten Entladezweiges (31) beim Entladen des Stellgliedes (10, 11) gewonnenen Energie in ei¬ ne Energieversorgung (14, 16) zurückspeist.
8. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Treiberstufe (9) eine getaktete Treiberstufe ist.
9. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Stellglied (10, 11) ein piezoelektrischer Aktor ist.
10. Verfahren zum Betätigen eines auf- und entladbaren, e- lektromechanischen Stellgliedes (10, 11), insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, wo¬ bei
(a) das geladene Stellglied (10, 11) mittels eines ersten Entladezweiges (31) , der mit dem Stellglied (10, 11) verbunden ist, entladen wird,
(b) das Stellglied (10, 11) mittels eines zweiten Entlade- zweiges (32), der mit dem Stellglied (10, 11) verbun¬ den ist, entladen wird, und
(c) der zweite Entladezweig (32) zum Entladen des Stell¬ gliedes (10, 11) nach dem ersten Entladezweig (31) an- gesteuert wird, und zwar während der erste Entlade¬ zweig (31) das Stellglied (10, 11) entlädt.
11. Verfahren nach dem vorstehenden Verfahrensanspruch, dadurch gekennzeichnet , dass der zweite Entladezweig (32) zum Entladen des Stell¬ gliedes (10, 11) abhängig von einer vorgegebenen Spannung am Stellglied (10, 11) angesteuert wird.
12. Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Verfah- rensansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass wenigstens ein Teil der mittels des ersten Entladezwei¬ ges (31) beim Entladen des Stellgliedes (10, 11) gewonnenen Energie in eine Energieversorgung (14, 16) zurückspeist wird.
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