WO2006131516A1 - Verfahren und vorrichtung zum ansteuern einer kapazitiven last - Google Patents

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WO2006131516A1
WO2006131516A1 PCT/EP2006/062928 EP2006062928W WO2006131516A1 WO 2006131516 A1 WO2006131516 A1 WO 2006131516A1 EP 2006062928 W EP2006062928 W EP 2006062928W WO 2006131516 A1 WO2006131516 A1 WO 2006131516A1
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charging
envelope
charging process
during
injection
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PCT/EP2006/062928
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Christian Hauser
Klaus Kiel
Manfred Kramel
Heinz Lixl
Gabriel Marzahn
Walter Schrod
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Siemens Vdo Automotive Ag
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Publication date
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    • H10N30/80—Constructional details
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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
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    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • 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
    • F02D2041/2034—Control of the current gradient

Definitions

  • the present invention relates to a method for driving a capacitive load, in particular a piezoelectric actuator for an injection valve of an internal combustion engine, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a device for carrying out such a driving method.
  • Such methods and devices are known, for example, from DE 199 44 733 A1, DE 198 14 594 A1 and DE 199 52 950 A1.
  • piezoelectric elements are usually composed as a stack of piezoceramic disks, which are operated via an electrical parallel circuit in order to achieve the necessary for a sufficient stroke electric field strengths can.
  • a circuit arrangement for controlling a piezoelectric actuator in which the actuator is charged by a charging capacitor via a transformer.
  • a charging switch arranged on the primary side of the transformer is activated with a pulse-width-modulated control signal.
  • the charging switch, as well as a discharge switch, are designed as controllable semiconductor switches there.
  • the piezoelectric actuator are supplied or removed during charging and discharging predetermined energy packets.
  • the known arrangement is based on the principle of a "bidirectional flyback converter" and enables an accurate metering of energy portions during charging and discharging of the piezoelectric actuator.
  • a drive unit for a piezoelectric actuator in which the piezoelectric actuator is driven by a designed as a "fly-back converter" output stage.
  • the fly-back converter with a transformer used in this case makes it possible to largely recover the electrical energy fed in during a charging process during discharging, to buffer it in the converter and to reuse it during the subsequent charging process.
  • a charging switch arranged in series with the primary side of the transformer is operated intermittently. When the charging switch is closed, the current flowing on the primary side is compared with a reference current value. When the primary current reaches the reference current value, the charging switch opens again.
  • each charging operation is accomplished by time-sequential (secondary-side) Operaladestrompulse corresponding time-sequential Operalade orientalspulsen.
  • the time integral of each secondary-side partial charge power pulse represents an energy pulse on the secondary side of the
  • the reference current value is set to a constant value during the charging process, so that pulses of constant energy that are consecutive in time are generated on the secondary side for charging the piezoactuator.
  • the charging process is started with a relatively large energy pulse, which is successive smaller energy pulses follow.
  • a substantially cosine-shaped profile of the reference current value is predetermined.
  • the problem is the comparatively rapid driving of the capacitive load, as in particular z. B. for the operation of an injection valve of an internal combustion engine is required, the risk of ringing of the actuator due to mechanical and / or electrical resonances at the end of each charging or discharging.
  • it may, for. B. come to a ringing in the hold phase and / or discontinuities in activating or deactivating the actuator. All the more, the faster the charging and discharging operations effected by a pulsed energization take place.
  • capacitive loads in practice have a variable large signal capacity or non-linearities, which makes a particularly well-defined course of the energy input or energy discharge difficult and tends to increase and complicate the above-mentioned vibration or Nachschwing bine.
  • the capacitive load is a piezo stack, in addition to the nonlinearities, polarization losses, creeping defects, etc. are added in practice.
  • further coupling elements eg hydraulic converters, hydraulic lash adjusters, levers, coupling rods etc.
  • the envelope of the partial charge power pulses during charging increases in an initial phase strictly monotonically and the slope of the envelope hereby decreases monotonically.
  • An essential feature of this initial phase of the "performance curve" is that the signs on the one hand the temporal change and on the other hand the temporal change of the slope are opposite to each other.
  • the inventive curve of the power curve are in principle known per se circuit concepts in which a corresponding output stage is operated clocked to generate the load current.
  • a corresponding output stage is operated clocked to generate the load current.
  • inductive elements are used to charge the capacitive load controlled (eg fly-back, buck-boost or SEPIC converter).
  • the charging process is composed of a plurality of individual partial charging operations, wherein each partial charging process represents a partial charging current pulse flowing to the load or a partial charging power pulse transmitted to the load.
  • each partial charging process represents a partial charging current pulse flowing to the load or a partial charging power pulse transmitted to the load.
  • the output stage varies the transferred energy of the individual partial charge power pulses in the initial phase of each charging process in the manner described above.
  • the envelope of the partial charge power pulses during the charging process in a final phase falls strictly monotonically and the slope of the envelope increases monotonically in this case.
  • the envelope of the partial charge power pulses as a whole (viewed over the start and end pulses) has approximately the shape of a shark fin.
  • the final phase can in this case immediately follow the initial phase of the charging process.
  • a further phase may be provided, in which the slope of the envelope is preferably constant.
  • Such a constant slope can z. B. have the value 0 or a value which corresponds to the slope at the end of the initial phase.
  • more than ten partial charge current pulses are provided for the charging process.
  • at least 30% of these pulses account for the initial phase of the charging process. Provision of the above-mentioned final phase also eliminates at least 30% of the pulses to this final phase.
  • the individual partial charge current pulses or Partial charge power pulses a periodic grid, ie follow each other periodically over time.
  • the load current during charging is provided by smoothing of the secondary side of a transformer induced Colourladestrompulsen or partial charging power pulses for the capacitive load. It is further preferred that for this purpose, the primary side of the transformer is subjected to a pulsed primary current and this primary current between each
  • a maximum of the envelope is achieved during the charging process at a time that is 30% to 70% of the duration of the charging process from the beginning of the charging operation.
  • the total amount of gie ie the energy stored in the load during a charging process to adjust.
  • two options have been found to be particularly advantageous.
  • the amount of a maximum of the envelope reached during the charging process can be varied in terms of operation.
  • the point in time at which a maximum of the envelope is reached during the charging process can be variably varied. In both cases, the maximum of the envelope can be achieved, for example, at the end of the initial phase of the charging process.
  • the particular increase of the envelope in the initial phase of the charging process provided according to the invention can be provided substantially exponentially, for example.
  • Such an essentially exponential course is also suitable for realizing the end phase of the charging process described above (but then declining instead of increasing).
  • the envelope has a substantially exponential course both in the initial phase of the charging process and in the final phase of the charging process.
  • exponential partial progressions of the envelopes also have the practical advantage of being technically simple to realize.
  • each discharging process is accomplished by temporally successive Operaentladestrompulse corresponding temporally successive Operaentlade orientalspulsen, wherein the envelope of the sectionentlade orientalspulse during the discharge process in an initial phase strictly monotonically decreases and the slope of the envelope increases monotonically in this case.
  • a ringing of the actuator after the charging phase is very problematic if it comes in the context of an injection quantity control to determine the actual course of the injection valve (eg detect), in particular the times of reaching the full opening and the beginning of the valve closing operation (at the end of the holding phase).
  • vibrations of the Aktorhubs in the hold phase can significantly reduce the validity of such actual value detection.
  • ringing at the end of the discharge process plays a subordinate role in practice, since at this time the injection valve is closed and remains closed even with a ringing of the Aktorhubs (not too large amplitude).
  • the envelope of the sectionentlade orientalspulse during the discharge process in a final phase increase strictly monotonically and the slope of the envelope here fall monotonically (see claim 2).
  • a particularly preferred use of the invention is the control of a piezoelectric actuator for an injection valve of an internal combustion engine, in particular with a fuel injection during an injection interval in an injection sequence comprising a plurality of individual injections.
  • injection interval here refers to that period in the (cyclic) operation of the internal combustion engine, in which the combustion chamber is to supply fuel.
  • injection interval z For example, one or more main injections (in an internal combustion engine of conventional design, for example, at a crank angle of 0 ° OT) take place, whereas one or more possibly provided pilot injections and / or post-injections significantly before or after the main injection (s) can take place.
  • pre- and post-injections Another typical characteristic of the pre- and post-injections is their significantly lower maximum value of the individual injection quantity compared to a main injection. In turn, this necessitates a typically significantly greater maximum value of the injection valve opening duration (injection duration) in the case of main injections compared with pre- and post-injections.
  • injection duration injection duration
  • the accuracy of the amount of fuel injected in an injection interval can be significantly improved with the invention.
  • a preferred apparatus for carrying out the inventive method comprises means for specifying a time-dependent Operaladeenergievorgabewerts during the charging process and an output stage for generating the Operalade orientalspulse the load current, the energy of which corresponds to the currently predetermined Operaladeenergievorgabewert.
  • an inductance in the final stage, at least during a charging process, an inductance is applied to a current which falls between a minimum value (for example, a negative value). at least approximately 0) and a maximum value is oscillated (eg, periodically), wherein the time-dependent predetermined partial load energy input value corresponds to the maximum current.
  • a minimum value for example, a negative value
  • a maximum value is oscillated (eg, periodically)
  • the time-dependent predetermined partial load energy input value corresponds to the maximum current.
  • the final stage used in this case can be realized in many ways. Suitable circuit concepts are generally known to the person skilled in the art.
  • the final stage is implemented as a buck-boost converter.
  • a charging switch and a discharge switch can be arranged as a half-bridge between the terminals of a supply voltage source to set at a tap between the switches a Lastan Kunststoffschreib, which z. B. applied via a current-limiting component (eg., Choke coil), the capacitive load.
  • a current-limiting component eg., Choke coil
  • semiconductor switches for the charge and discharge switches these are designed, for example, as power MOS field effect transistors (MOSFETs) or as insulated gate bipolar transistors (IGBTs).
  • MOSFETs power MOS field effect transistors
  • IGBTs insulated gate bipolar transistors
  • this section can be implemented in a particularly simple manner by the fact that the means for specifying the time-dependent partial charging energy value is an RC element charged with a default voltage include.
  • 1 is a block diagram of a device for driving a piezoelectric actuator
  • Fig. 2 is an illustration of the time course of
  • FIG. 3 is an illustration of the time course of several charging and discharging processes, showing both the envelope of the power pulses (FIG. 3, top) and the resulting strokes (FIG. 3, bottom) of the piezoactuator.
  • FIG. 4a is an illustration of the time course of the
  • Actuator strokes in a conventional actuator control, 4b is a representation of the time course of the
  • Fig. 5a is an illustration for illustrating the
  • Fig. 5b is a diagram for illustrating the
  • FIG. 6 is a block diagram for illustrating a circuit-technically simple generation of exponential curves, as they can be used to form the charge or discharge curve.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a circuit 10 for driving a piezoelectric actuator P, which is connected to an output stage 14 of the circuit 10.
  • the output stage 14 supplies a piezoelectric actuator P charging or discharging current Ip.
  • the output stage 14 can be embodied as a conventional switching converter or as a buck-boost, flyback or SEPIC converter and supplies the current as a function of a control signal S (eg one or more control voltages) from a control unit 12
  • the circuit 10 is based on a control input and taking into account measured variables which are determined in the region of the output stage 14 and / or the region of the piezoelectric actuator P (eg piezo voltage Up and / or piezoelectric current Ip).
  • the circuit 10 forms part of a so-called engine control unit for an internal combustion engine and serves to drive a plurality of piezo actuators of a fuel injection system.
  • FIG. 1 For simplicity of illustration, only one of the piezo actuators P to be triggered by charging and discharging is shown in FIG.
  • several injectors can be controlled with an output stage or a so-called "bank" of a final stage, z. B. by arrangement of selection switches in the line connection between the power amplifier and the individual piezo actuators P.
  • the final electric stage 14 must charge the piezoactuator P of the relevant injector (charging process), then leave this electric charge in the actuator for a certain time (holding phase) and then discharge the actuator again (discharge process).
  • the potential of a negative actuator pole ("lowside") of the actuator selected by means of a selector switch, not shown, is maintained at electrical ground potential GND during injection, whereas a positive actuator pole ("highside") during charging and discharging has variable potential.
  • the positive Aktorpol is charged to a voltage of z. B. 150 V brought.
  • the associated extension of the piezoceramic is usually not used directly for actuating the actual fuel injection valve, but acts on a so-called control valve, by which the hydraulic pressure conditions in the region of an injection valve body (nozzle needle) can be changed to this valve body hydraulically, by the pressure of the to be able to actuate the fuel supplied by the injector (servo principle).
  • the injectors can inject both very small, exactly measured, as well as very large fuel injection quantities in the combustion chamber of the relevant internal combustion engine, even after many cycles of operation.
  • Fuel is also injected in most cases in an injection sequence comprising a plurality of individual injections (pre-injections, main injections and post-injections).
  • the control unit 12 effects a pulsed operation of the output stage 14 in such a way that each charging process and each discharging process are each composed of many individual partial charging operations or partial discharging operations.
  • the resulting high frequencies allow the use of smaller and cheaper reactive elements in the range of the final stage 14.
  • FIG. 2 illustrates the temporal succession of partial charge power pulses pl, p2,... Pn, which in their entirety (n pulses) produce a charging power curve which is most easily characterized by the envelope E of the individual partial charging power pulses.
  • the envelope E of the charging power pulses pl, p2,... Pn hereby has a special shape with two different time progression phases before and after a "switching time" ts:
  • the envelope E increases in a strictly monotonous manner during the charging process, with the slope of the envelope E falling monotonically at the same time.
  • This initial phase ends at ts with a slope that is reduced by about a factor of 10 compared to the slope with which the charging process began.
  • the envelope E forms a maximum, which is immediately followed by a final phase of the charging process in which the envelope E decreases in a strictly monotonous manner, with the slope of the envelope E increasing monotonically at the same time.
  • the envelope E during charging thus has a total of approximately the shape of a shark fin, wherein in the illustrated example, the initial phase (rising edge) as well as the final phase (descent) each about half of the power pulses pl, p2, ... pn are formed.
  • FIG. 3 shows the time profile of the application of power to the piezoelectric actuator P over a relatively long period of time, in which two injections (for example main injections of an injection sequence) take place.
  • the time course (envelope E) of the output power Pp is plotted against the time t
  • the resulting stroke s of the piezoelectric actuator P is plotted as a function of time t.
  • the first single injection is initiated by a power pulse sequence selecting an envelope E of the type described with reference to FIG.
  • a period of time (holding phase) predetermined by the control unit 12 there is a clocked discharging of the actuator P with an envelope of the partial discharge power pulses, which essentially represents a point-symmetrical version of the envelope E described above during charging.
  • the charging process, the holding phase and the discharge process lead to the course of the Aktorhubs s (t) schematically shown in Fig. 3 below, which results in the period shown a second time.
  • FIG. 4a schematically shows the time-dependent course of the actuator stroke s (t) for a conventional pulsed drive.
  • FIG. 4 b schematically shows the time-dependent actuator stroke s (t) in the case of a control according to the invention with shark-finned envelopes of the power pulse sequences during charging and discharging.
  • FIGS. 5a and 5b illustrate two possibilities for varying the total charging energy with which the piezoactuator P is charged at the end of the charging process.
  • FIG. 5a illustrates in dashed lines a second charging power curve, in which the switching time was shifted from ts to ts' to the rear and the final phase (descending edge) commences accordingly later.
  • the hatched area in FIG. 5a characterizes the increase in the lecturladeenergie by this shift of the switching time.
  • the total duration of the charging process can be left unchanged by always “cutting off” the power curve Pp (t) after a predetermined total duration (not shown in FIG. 5a).
  • the amount of the maximum of the envelope E is operationally varied (while maintaining the switching time ts).
  • the amount of power Pp is varied both in the initial phase and in the final phase of the charging process.
  • This is illustrated in FIG. 5 b using the example of an envelope shown in dashed lines, the maximum of which has been increased by an amount ⁇ Pp.
  • the shaded area again characterizes the associated increase in the total charging energy achieved at the end of the charging process.
  • the power curve Pp (t) is cut off after a predetermined total duration in the illustrated example.
  • Fig. 5a and Fig. 5b for varying the total charging energy, be it z.
  • the shark fin shape of the envelope E can be maintained independently of the set total charging energy.
  • the switching time ts is shifted backwards and in this case the total charging duration is left unchanged, then at some point only becomes the rising flank of the shark fin scanned from the store.
  • the edge forms of the envelope E to be defined in the region of the control unit 12 (FIG. 1) or their scaling (eg, as shown in FIGS. 5a and 5b) may each have an exponential profile, for example.
  • Exponential curves of Einhüllendenflanken can be in circuit technology very simple way z. B. generate with an RC element. This will be explained below with reference to FIG.
  • Fig. 6 shows a circuit block for defining a signal (Uout) having the shark fin shape of the above-described envelope E at the time of charging.
  • the circuit block comprises two resistors R 1 and R 2 arranged parallel to one another, of which in each case a first connection is applied with a fixedly predetermined reference voltage Uref or Uref 2.
  • the second terminals of the resistors Rl, R2 are selectively connected by means of a controllable switching element Sl, which is implemented in practice by a transistor arrangement, to a first terminal of a capacitor C whose second terminal is connected to electrical ground GND.
  • Sl controllable switching element
  • the switch Sl is in the switching position shown in Fig. 6.
  • the second reference voltage Uref2 is z. B. to 0 V (electrical ground GND) is selected so that the output voltage Uout is 0V.
  • the charging process begins with the switching of the switch Sl in that position in which the capacitor C is connected via the resistor Rl to the first reference voltage Urefl. This leads to an exponential increase in the voltage Uout dropping across the capacitor C (initial phase of the charging process).
  • the switch S1 is returned to the switching position shown in FIG. 6, so that the charge stored in the capacitor C flows back again via the second resistor R2 and the voltage Uout dropped across the capacitor C exponentially again decreases. This results in the above-described shark fin shape of the output voltage Uout.
  • the time constants of the exponential edges are determined by the values of the reference voltages, the resistors and the capacitor.
  • the second reference voltage Uref2 is scaled together with the first reference voltage Uref.
  • This can be z. B. be realized in that Uref2 is tapped at a voltage divider, which is acted upon by Urefl.
  • the voltage divider can be dimensioned such that Uref2 corresponds to a small fraction of Urefl, z. B. about 1/10 Urefl.
  • the reference voltages are preferably provided at low impedance or at the output of an isolating amplifier (or voltage divider connected thereto).
  • the voltage Uout provided at the output of the circuit block illustrated in FIG. 6 is intended to represent the envelope E of the partial charge power pulse sequence pl, p2,... Pn, then this signal must finally be used in a suitable manner for controlling the output stage 14.
  • This is in a simple way z. B. in an output stage comprising a transformer (eg., According to the fly-back principle) can be realized by the signal Uout (preferably again led over a impdanzer Brunswicknden isolation amplifier) to define an envelope of current pulses on the primary side of the Transformer is used (eg, as the maximum current default value of a fluctuating between a minimum and a maximum primary current).
  • control according to the invention offers the advantage of a comparatively robust shaping of a desired course of the actuator stroke s (t) and thus, for B. the control valve stroke in a servo injection valve of an injection system.
  • a reduced ringing of the control valve in the hold phase allows easier detection of sensor effects in current and voltage and prevents disturbances in the pressure conditions in the control chamber of the injector.
  • the progression shaping of the charging power or discharging power is generally easy to implement in terms of circuitry, eg. B. by composition of exponential functions. Furthermore, the shape of the charge or discharge capacity of the currently required Adjust energy at runtime without the beneficial ones

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Abstract

Um beim Ansteuern einer kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors für ein Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, umfassend Ladevorgänge und Entladevorgänge zum Aufladen bzw. Entladen der kapazitiven Last mittels eines Laststroms, wobei jeder Ladevorgang durch zeitlich aufeinanderfolgende Teilladestrompulse entsprechend zeitlich aufeinanderfolgenden Teilladeleistungspulsen (p1, p2, ... pn) bewerkstelligt wird, die Neigung zum Schwingen der angesteuerten Last zu vermindern, sieht die Erfindung vor, dass die Einhüllende (E) der Teilladeleistungspulse (p1, p2, ... pn) beim Ladevorgang in einer Anfangsphase streng monoton ansteigt und die Steigung der Einhüllenden (E) hierbei monoton abfällt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern einer kapazitiven Last
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer kapazitiven Last, insbesondere eines piezoelektrischen Aktors für ein Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Ansteuerverfahrens .
Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind beispielsweise aus der DE 199 44 733 Al, der DE 198 14 594 Al und der DE 199 52 950 Al bekannt.
Insbesondere die in letzter Zeit strenger gewordenen Abgasnormen für Motoren haben in der Kraftfahrzeugindustrie die Entwicklung von Kraftstoffinj ektoren mit schnell und verzöge- rungsfrei ansprechenden Stellgliedern bzw. Aktoren ausgelöst. Bei der praktischen Realisierung derartiger Stellglieder haben sich insbesondere piezoelektrische Elemente (kurz: Piezo- aktoren) als vorteilhaft erwiesen. Derartige Piezoelemente sind üblicherweise als ein Stapel von Piezokeramikscheiben zusammengesetzt, die über eine elektrische Parallelschaltung betrieben werden, um die für einen ausreichenden Hub notwendigen elektrischen Feldstärken erreichen zu können.
Beim Ansteuern einer kapazitiven Last wie eines Piezoaktors, der zur Betätigung eines Einspritzventils Verwendung findet, d. h. beim Aufladen und Entladen der kapazitiven Last mittels eines elektrischen Laststroms, werden erhebliche Anforderungen an die Ansteuerelektronik gestellt. Ein mittels eines Piezoaktors betätigtes Einspritzventil wird in Brennkraftmaschinen zum Einspritzen von Kraftstoff (z. B. Benzin, Diesel etc.) in einen Brennraum eingesetzt. Hierbei werden sehr hohe Anforderungen an ein exaktes und reproduzierbares Öffnen und Schließen des Ventils und damit auch an die Ansteuerelektronik gestellt. So müssen dabei Spannungen im Bereich von bis zu mehreren 100 V und kurzzeitig Lastströme zum Laden und Entladen von mehr als 10 A bereitgestellt werden. Die Ansteuerung erfolgt meist in Bruchteilen von Millisekunden. Gleich- zeitig sollte während dieser Ladevorgänge und Entladevorgänge der Strom und die Spannung dem Stellglied möglichst kontrolliert zugeführt werden.
Aus der DE 199 44 733 Al ist eine Schaltungsanordnung zur An- Steuerung eines Piezoaktors bekannt, bei welcher der Aktor von einem Ladekondensator über einen Transformator geladen wird. Hierzu wird ein auf der Primärseite des Transformators angeordneter Ladeschalter mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal angesteuert. Der Ladeschalter, wie auch ein Ent- ladeschalter sind dort als steuerbare Halbleiterschalter ausgeführt. Dem Piezoaktor werden beim Laden und Entladen vorgegebene Energiepakete zugeführt bzw. entnommen. Die bekannte Anordnung basiert auf dem Prinzip eines "bidirektionalen Sperrwandlers" und ermöglicht eine exakte Zumessung von Ener- gieportionen beim Laden und Entladen des Piezoaktors.
In der DE 198 14 594 Al ist eine Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen eines einzigen piezoelektrischen Elements beschrieben. Diese bekannte Ansteuerschaltung basiert auf ei- ner Halbbrücken-Endstufe, die über eine Induktivität (Drossel) das Piezoelement ansteuert, wobei diese Drossel in erster Linie dazu dient, den beim Laden auftretenden Ladestrom und den beim Entladen auftretenden Entladestrom zu begrenzen. Das Laden und Entladen erfolgt getaktet, d. h. unter wiederholtem Öffnen und Schließen eines Ladeschalters während des Ladens bzw. eines Entladeschalters während des Entladens. Dies ermöglicht wieder eine exakte Zumessung von Energiepor- tionen beim Laden und Entladen des Piezoaktors .
Aus der DE 199 52 950 Al ist eine Ansteuereinheit für einen Piezoaktor bekannt, bei welcher der Piezoaktor von einer als "Fly-Back-Konverter" ausgebildeten Endstufe angesteuert wird. Der hierbei verwendete Fly-Back-Konverter mit einem Transformator ermöglicht, die bei einem Ladevorgang eingespeiste e- lektrische Energie beim Entladen größtenteils zurückzugewinnen, im Konverter zwischenzuspeichern und beim nachfolgenden Ladevorgang wiederzuverwenden. Zum Laden des Piezoaktors wird ein in Reihe zur Primärseite des Transformators angeordneter Ladeschalter intermittierend betrieben. Bei geschlossenem Ladeschalter wird der primärseitig fließende Strom mit einem Referenzstromwert verglichen. Wenn der Primärstrom den Referenzstromwert erreicht, so wird der Ladeschalter wieder ge- öffnet. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrmals, so dass jeder Ladevorgang durch zeitlich aufeinanderfolgende (sekundär- seitige) Teilladestrompulse entsprechend zeitlich aufeinanderfolgenden Teilladeleistungspulsen bewerkstelligt wird. Das zeitliche Integral jedes sekundärseitigen Teilladeleistungs- pulses stellt einen Energiepuls auf der Sekundärseite des
Transformators dar, dessen Wert durch den aktuellen Referenzstromwert definiert wird. In einer ersten Ausführungsform (Fig. 2) wird der Referenzstromwert während des Ladevorgangs auf einen konstanten Wert festgelegt, so dass auf der Sekun- därseite zeitlich aufeinanderfolgende Pulse konstanter Energie zum Aufladen des Piezoaktors erzeugt werden. In einer weiteren Ausführungsform (Fig. 3) wird der Ladevorgang mit einem relativ großen Energiepuls begonnen, dem sukzessive kleiner werdende Energiepulse nachfolgen. In einer noch weiteren Ausführungsform (Fig. 4) wird ein im Wesentlichen cosi- nusförmiger Verlauf des Referenzstromwerts vorgegeben.
Problematisch ist beim vergleichsweise raschen Ansteuern der kapazitiven Last, wie es insbesondere z. B. für die Betätigung eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine erforderlich ist, die Gefahr eines Nachschwingens des Aktors auf Grund von mechanischen und/oder elektrischen Resonanzen am Ende jedes Lade- bzw. Entladevorgangs. Bei der Ansteuerung eines Aktors dergestalt, dass nach einer Ladephase eine Haltephase und schließlich eine Entladephase folgt, kann es z. B. zu einem Nachschwingen in der Haltephase und/oder zu Unstetigkeiten beim Aktivieren bzw. Deaktivieren des Aktors kommen. Dies umso mehr, je rascher die durch eine getaktete Bestromung bewirkten Lade- und Entladevorgänge stattfinden. Außerdem besitzen viele kapazitive Lasten in der Praxis eine veränderliche Großsignalkapazität bzw. Nicht-Linearitäten, was einen besonders gut definierten Verlauf des Energieein- trags bzw. Energieaustrags erschwert und die oben erwähnten Schwing- bzw. Nachschwingeffekte tendenziell vergrößert und verkompliziert. Wenn es sich bei der kapazitiven Last um einen Piezostapel handelt, so kommen neben den Nicht- Linearitäten in der Praxis Polarisationsverluste, Kriechef- fekte etc. hinzu. Bei der Ansteuerung eines Aktors für ein Einspritzventil einer Brennkraftmaschine kommen schließlich noch Einflüsse der Übertragungsfunktionen von weiteren Koppelelementen (z. B. hydraulische Umsetzer, hydraulische Spielausgleiche, Hebel, Koppelstangen etc.) hinzu.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei denen die Neigung zum Nachschwingen der angesteuerten Last vermindert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren nach Anspruch 1 bzw. einer Vorrichtung nach Anspruch 14. Die abhängigen An- sprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einhüllende der Teilladeleistungspulse beim Ladevorgang in einer Anfangsphase streng monoton ansteigt und die Steigung der Einhüllenden hierbei monoton abfällt. Eine wesentliche Besonderheit dieser Anfangsphase der "Leistungskurve" besteht darin, dass die Vorzeichen einerseits der zeitlichen Veränderung und andererseits der zeitlichen Veränderung der Steigung einander entgegengesetzt sind.
Es hat sich herausgestellt, dass eine derart geformte Anstiegsflanke der Leistungskurve (Einhüllende) am Anfang des getakteten Ladevorgangs die Neigung zum Nachschwingen erheblich reduziert. Darüber hinaus verbessert sich auch die Gleichmäßigkeit des Energieeintrags beim Ladevorgang.
Zur schaltungstechnischen Realisierung des erfindungsgemäßen Verlaufs der Leistungskurve eignen sich prinzipiell an sich bekannte Schaltungskonzepte, bei denen eine entsprechende Endstufe zur Erzeugung des Laststroms getaktet betrieben wird. In derartigen Endstufen bzw. Schaltwandlern werden zumeist induktive Elemente benutzt, um die kapazitive Last kontrolliert aufzuladen (z. B. Fly-Back-, Buck-Boost- oder SEPIC-Konverter) . Der Ladevorgang setzt sich dabei aus einer Vielzahl von einzelnen Teilladevorgängen zusammen, wobei jeder Teilladevorgang einen zur Last fließenden Teilladestrompuls bzw. einen zur Last übertragenen Teilladeleistungspuls darstellt. Bei dem erfindungsgemäßen Betrieb einer solchen Endstufe variiert die transferierte Energie der einzelnen Teilladeleistungspulse in der Anfangsphase jedes Ladevorgangs in der oben beschriebenen Weise.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Einhüllende der Teilladeleistungspulse beim Ladevorgang in einer Endphase streng monoton abfällt und die Steigung der Einhüllenden hierbei monoton ansteigt. In diesem Fall besitzt die Einhüllende der Teilladeleistungspulse insgesamt (über Anfangs- und Endpulse betrachtet) etwa die Form einer Haifischflosse. Damit können die oben erwähnten nachteiligen Effekte weiter reduziert werden. Dies beruht darauf, dass dann auch für die Endphase des Ladevorgangs ein zeitlicher Verlauf der Einhüllenden vorliegt, bei welchem die zeitliche Verände- rung und die zeitliche Veränderung der Steigung stetig sind und umgekehrte Vorzeichen besitzen.
Die Endphase kann hierbei der Anfangsphase des Ladevorgangs unmittelbar nachfolgen. Alternativ kann zwischen dem Ende der Anfangsphase und dem Beginn der Endphase eine weitere Phase vorgesehen sein, in welcher die Steigung der Einhüllenden bevorzugt konstant ist. Eine solche konstante Steigung kann z. B. den Wert 0 besitzen oder einen Wert, welcher der Steigung am Ende der Anfangsphase entspricht.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind für den Ladevorgang mehr als zehn Teilladestrompulse (und dementsprechend mehr als zehn Teilladeleistungspulse) vorgesehen. Bevorzugt entfallen wenigstens 30% dieser Pulse auf die Anfangsphase des Ladevorgangs. Bei Vorsehen der oben erwähnten Endphase entfallen ebenfalls wenigstens 30% der Pulse auf diese Endphase.
Bevorzugt unterliegen die einzelnen Teilladestrompulse bzw. Teilladeleistungspulse einem periodischen Raster, d. h. folgen im Zeitverlauf periodisch aufeinander.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Laststrom beim Ladevorgang durch Glättung von sekundärseitig an einem Transformator induzierten Teilladestrompulsen bzw. Teillade- leistungspulsen für die kapazitive Last bereitgestellt wird. Hierbei ist weiter bevorzugt, dass zu diesem Zweck die Primärseite des Transformators mit einem getakteten Primärstrom beaufschlagt wird und dieser Primärstrom jeweils zwischen
Primärstrompulsen stark absinkt, z. B. im Wesentlichen auf 0 absinkt oder z. B. auf einen Wert im Bereich von +/-10% des vorangegangenen Strommaximums im Primärstrom absinkt.
Im Hinblick auf die zu vermindernde Nachschwingneigung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Steigung der Einhüllenden in der Anfangsphase des Ladevorgangs um mindestens einen Faktor 2 abfällt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein Maximum der Einhüllenden während des Ladevorgangs zu einem Zeitpunkt erreicht, der 30% bis 70% der Dauer des Ladevorgangs vom Beginn des Ladevorgangs entfernt ist. Damit wird ein gewisser Mindestabstand des Maximums der "Leistungskurve" sowohl vom Be- ginn als auch vom Ende des Ladevorgangs sichergestellt, womit ein extrem rascher Anstieg auf das Maximum bzw. ein extrem rascher Abfall nach dem Maximum vermieden werden kann, insbesondere wenn auch für die Endphase der Verlauf der Einhüllenden vorgesehen ist, bei welchem die Änderung im Wert der Ein- hüllenden und die Änderung in der Steigung der Einhüllenden umgekehrtes Vorzeichen besitzen.
In der Praxis ist es oftmals erwünscht, die Gesamtladeener- gie, d. h. die bei einem Ladevorgang in die Last eingespeicherte Energie, einzustellen. Bei der Erfindung haben sich hierfür zwei Möglichkeiten als besonders vorteilhaft herausgestellt. Zum einen kann vorgesehen sein, dass der Betrag ei- nes während des Ladevorgangs erreichten Maximums der Einhüllenden betriebsmäßig variierbar ist. Zum anderen kann, alternativ oder zusätzlich, derjenige Zeitpunkt betriebsmäßig variierbar sein, zu welchem ein Maximum der Einhüllenden während des Ladevorgangs erreicht wird. In beiden Fällen kann das Maximum der Einhüllenden beispielsweise am Ende der Anfangsphase des Ladevorgangs erreicht werden.
Der gemäß der Erfindung vorgesehene besondere Anstieg der Einhüllenden in der Anfangsphase des Ladevorgangs kann bei- spielsweise im Wesentlichen exponentiell vorgesehen sein. Ein solcher im Wesentlichen exponentieller Verlauf eignet sich auch zur Realisierung der oben beschriebenen Endphase des Ladevorgangs (dann jedoch abfallend statt ansteigend) . In einer Ausführungsform besitzt die Einhüllende sowohl in der An- fangsphase des Ladevorgangs als auch in der Endphase des Ladevorgangs einen im Wesentlichen exponentiellen Verlauf. Wie es unten noch erläutert wird, besitzen exponentielle Teilverläufe der Einhüllenden auch den praktischen Vorteil einer schaltungstechnisch einfachen Realisierbarkeit.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Entladevorgang durch zeitlich aufeinanderfolgende Teilentladestrompulse entsprechend zeitlich aufeinanderfolgenden Teilentladeleistungspulsen bewerkstelligt wird, wobei die Einhüllende der Teilentladeleistungspulse beim Entladevorgang in einer Anfangsphase streng monoton abfällt und die Steigung der Einhüllenden hierbei monoton ansteigt. Dies bedeutet, dass die Anfangsphase des Entladevorgangs eine
Qualität (Verlauf der Leistungskurve) besitzt, welche der Anfangsphase des Ladevorgangs entspricht, nämlich mit einem betragsmäßigen streng monotonen Anstieg der Einhüllenden bei gleichzeitig betragsmäßig absinkender Steigung. Es ist verständlich, dass durch diese Weiterbildung der Erfindung die für den Ladevorgang beschriebenen Vorteile sich auch auf die Entladephase übertragen lassen, da das Entladen der Last gewissermaßen der dem Laden entgegengesetzte (umgekehrte) Vor- gang ist. In der Praxis ist jedoch der Ladevorgang bzw. eine Reduktion von Diskontinuitäten bzw. Schwingung beim und unmittelbar nach dem Ladevorgang oftmals von größerer Relevanz. Dies beispielsweise dann, wenn es sich bei der kapazitiven Last um den Aktor eines Einspritzventils einer Brennkraftma- schine handelt. In diesem Fall ist z. B. ein Nachschwingen des Aktors nach der Ladephase (also z. B. in einer mehr oder weniger andauernden Haltephase des Aktors) sehr problematisch, wenn es im Rahmen einer Einspritzmengenregelung darum geht, den tatsächlichen Verlauf des Einspritzventilhubs zu ermitteln (z. B. zu detektieren) , insbesondere die Zeitpunkte des Erreichens der Vollöffnung und des Beginns des Ventilschließvorgangs (am Ende der Haltephase) . Insbesondere Schwingungen des Aktorhubs in der Haltephase können die Aussagekraft einer solchen Istwerterfassung erheblich schmälern. Demgegenüber spielt in der Praxis ein Nachschwingen am Ende des Entladevorgangs eine untergeordnete Rolle, da zu diesem Zeitpunkt das Einspritzventil geschlossen wird und auch bei einem Nachschwingen des Aktorhubs (mit nicht allzu großer Amplitude) geschlossen bleibt. Anders ausgedrückt sind bei einem aktorbetätigten Kraftstoffeinspritzventil unkontrollierbare bzw. nicht gut definierte Schwingungen umso problematischer, je größer der aktuelle Aktorhub bzw. Einspritzventilhub (bzw. Steuerventilhub bei einem Servoventil) ist. Wenngleich also der Entladevorgang bei der Lastansteuerung im speziellen Fall der Ansteuerung eines Einspritzventilaktors geringere Relevanz besitzt, so können alle oben für den Lade- Vorgang beschriebenen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen ganz allgemein auch für den Entladevorgang zur weiteren Verbesserung der Ansteuerung herangezogen werden.
Die Einhüllende der Teilentladeleistungspulse kann gewisser- maßen im Wesentlichen eine "punktsymmetrische Version" der
Einhüllenden der Teilladeleistungspulse sein, wobei sich (unter Berücksichtigung des "umgekehrten Vorzeichens beim Entladen") sämtliche in den Ansprüchen 2 bis 11 beschriebenen Weiterbildungsaspekte realisieren lassen.
So kann beispielsweise die Einhüllende der Teilentladeleistungspulse beim Entladevorgang in einer Endphase streng monoton ansteigen und die Steigung der Einhüllenden hierbei monoton abfallen (vgl. Anspruch 2) .
Eine besonders bevorzugte Verwendung der Erfindung ist die Ansteuerung eines Piezoaktors für ein Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit einer Kraftstoffeinspritzung während eines Einspritzintervalles in einer Ein- spritzsequenz umfassend mehrere Einzeleinspritzungen. Der Begriff "Einspritzintervall" bezeichnet hierbei denjenigen Zeitraum im (zyklischen) Betrieb der Brennkraftmaschine, in welchem der Brennkammer Kraftstoff zuzuführen ist. In diesem Einspritzintervall können z. B. eine oder mehrere Hauptein- spritzungen (bei einer Brennkraftmaschine herkömmlicher Bauart z. B. bei einem Kurbelwinkel von 0° OT) erfolgen, wohingegen eine oder mehrere gegebenenfalls vorgesehene Voreinspritzungen und/oder Nacheinspritzungen merklich vor bzw. nach der oder den Haupteinspritzungen erfolgen können. Ein weiteres typisches Charakteristikum der Vor- und Nacheinspritzungen ist deren im Vergleich zu einer Haupteinspritzung wesentlich geringerer Maximalwert der Einzeleinspritzmenge. Dies bedingt wiederum einen im Vergleich zu Vor- und Nacheinspritzungen typischerweise erheblich größeren Maximalwert der Einspritzventilöffnungsdauer (Einspritzdauer) bei Haupteinspritzungen. Die Genauigkeit der in einem Einspritzintervall eingespritzten Kraftstoffmenge lässt sich mit der Erfindung wesentlich verbessern.
Die mit der Erfindung beispielsweise erzielbare Reduktion der Schwingneigung des Ventilantriebs erhöht bereits an sich die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung. Der Einsatz der Erfin- düng in Verbindung mit einer Einspritzmengenregelung, bei der eine Abweichung zwischen einer Soll-Kraftstoffeinspritzmenge und einer Ist-Kraftstoffeinspritzmenge erfasst und für eine nachfolgende Einspritzung bei deren Ansteuerung berücksichtigt wird, bietet den weiteren Vorteil, dass die Ist- Kraftstoffeinspritzmenge tendenziell genauer erfasst werden kann, was letztlich die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung weiter erhöht.
Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs- gemäßen Verfahrens umfasst Mittel zur Vorgabe eines zeitabhängigen Teilladeenergievorgabewerts während des Ladevorgangs und eine Endstufe zur Erzeugung der Teilladeleistungspulse des Laststroms, deren Energie jeweils dem aktuell vorgegebenen Teilladeenergievorgabewert entspricht.
Gemäß eines bevorzugten Konzepts wird in der Endstufe zumindest während eines Ladevorgangs eine Induktivität mit einem Strom beaufschlagt, der zwischen einem Minimalwert (z. B. we- nigstens annähernd 0) und einem Maximalwert pendeln gelassen wird (z. B. periodisch), wobei der zeitabhängig vorgegebene Teilladeenergievorgabewert dem Maximalstrom entspricht. Dies bedeutet, dass mit jeder Bestromung der Induktivität in der- selben eine Energie eingespeichert wird, die proportional zum Quadrat des Maximalstromwerts ist. Diese in der Induktivität zwischengespeicherte Energie wird gemäß des Konzepts dann direkt oder indirekt (über eine induktiv gekoppelte zweite Induktivität) und über ein glättendes Ausgangsfilter zur kapa- zitiven Last umgeschwungen. Ein erfindungsgemäßer zeitlicher Verlauf des Teilladeenergievorgabewerts bzw. des Maximalstromwerts (z. B. exponentiell) ermöglicht dann eine Leistungsbeaufschlagung der Last, deren Verlauf die gewünschte Form (z. B. wieder exponentiell) besitzt.
Die hierbei verwendete Endstufe kann in vielfältiger Weise realisiert sein. Geeignete Schaltungskonzepte sind dem Fachmann allgemein bekannt. In einer Ausführungsform ist die Endstufe beispielsweise als ein Hoch- und Tiefsetzsteller (Buck- Boost-Konverter) ausgeführt. Hierbei können ein Ladeschalter und ein Entladeschalter als Halbbrücke zwischen den Anschlüssen einer Versorgungsspannungsquelle angeordnet sein, um an einem Abgriff zwischen den Schaltern eine Lastansteuerspannung einzustellen, welche z. B. über ein strombegrenzendes Bauteil (z. B. Drosselspule) die kapazitive Last beaufschlagt. Bei Verwendung von Halbleiterschaltern für den Lade- und Entladeschalter sind diese beispielsweise als Leistungs- MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder als Insulated-Gate- Bipolar-Transistoren (IGBTs) ausgebildet. Die Steueranschlüs- se dieser Halbleiterschalter werden dann von einer Steuereinheit mit einem geeigneten Steuersignal beaufschlagt, so dass die Einhüllende der Teilladeleistungspulse (und gegebenenfalls der Teilentladeleistungspulse) die oben beschriebene besondere Form besitzt.
Wenn die Einhüllende des Ladevorgangs und/oder die Einhüllende des Entladevorgangs einen exponentiell verlaufenden Ab- schnitt besitzen soll, so kann dieser Abschnitt in schaltungstechnisch besonders einfacher Weise dadurch realisiert werden, dass die Mittel zur Vorgabe des zeitabhängigen Teilladeenergiewerts ein mit einer Vorgabespannung beaufschlagtes RC-Glied umfassen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines Piezoaktors,
Fig. 2 ist eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs von
Teilladeleistungspulsen und deren Einhüllender bei einem Ladevorgang,
Fig. 3 ist eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs mehrer Lade- und Entladevorgänge, wobei sowohl die Einhüllenden der Leistungspulse (Fig. 3 oben) als auch die daraus resultieren Hübe (Fig. 3 unten) des Piezoaktors dargestellt sind,
Fig. 4a ist eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs des
Aktorhubs bei einer herkömmlichen Aktoransteue- rung, Fig. 4b ist eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs des
Aktorhubs bei einer erfindungsgemäßen Aktoransteuerung,
Fig. 5a ist eine Darstellung zur Veranschaulichung der
Variation der Gesamtladeenergie mittels einer Variation eines Umschaltzeitpunkts zwischen Anfangsphase und Endphase des Ladevorgangs,
Fig. 5b ist eine Darstellung zur Veranschaulichung der
Variation der Gesamtladeenergie mittels einer Variation des Betrags eines Maximums der Einhüllenden während des Ladevorgangs, und
Fig. 6 ist ein Prinzipschaltbild zur Veranschaulichung einer schaltungstechnisch einfachen Erzeugung von Exponentialverläufen, wie sie zur Formung des Lade- bzw. Entladeverlaufs verwendbar sind.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung 10 zum Ansteuern eines Piezoaktors P, der mit einer Endstufe 14 der Schaltung 10 verbunden ist. Die Endstufe 14 liefert einen den Piezoaktor P aufladenden bzw. entladenden Strom Ip.
Die Endstufe 14 kann als herkömmlicher Schaltwandler bzw. als Buck-Boost-, als Flyback- oder als SEPIC-Konverter ausgeführt sein und liefert den Strom abhängig von einem Steuersignal S (z. B. eine oder mehrere Steuerspannungen), das von einer Steuereinheit 12 der Schaltung 10 basierend auf einer Ansteu- ervorgabe und unter Berücksichtigung von Messgrößen, die im Bereich der Endstufe 14 und/oder dem Bereich des Piezoaktors P (z. B. Piezospannung Up und/oder Piezostrom Ip) ermittelt werden. Die Schaltung 10 bildet einen Teil eines so genannten Motorsteuergeräts für eine Brennkraftmaschine und dient zum Ansteuern einer Mehrzahl von Piezoaktoren einer Kraftstoffein- Spritzanlage. Der Einfachheit der Darstellung halber ist in Fig. 1 lediglich einer der durch Laden und Entladen anzusteuernden Piezoaktoren P dargestellt. In an sich wohlbekannter Weise können mit einer Endstufe bzw. einer so genannten "Bank" einer Endstufe mehrere Injektoren angesteuert werden, z. B. durch Anordnung von Auswahlschaltern in der Leitungsverbindung zwischen der Endstufe und den einzelnen Piezoaktoren P.
Zur Erzeugung einer Einspritzung muss die elektrische Endstu- fe 14 den Piezoaktor P des betreffenden Injektors laden (Ladevorgang) , anschließend diese elektrische Ladung für eine bestimmte Zeit im Aktor belassen (Haltephase) und danach den Aktor wieder entladen (Entladevorgang) . Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Potential eines negativen Aktor- pols ("Lowside") des mittels eines nicht dargestellten Auswahlschalters ausgewählten Aktors während der Einspritzung auf elektrischem Massepotenzial GND gehalten, wohingegen ein positiver Aktorpol ("Highside") während des Ladevorgangs und des Entladevorgangs ein veränderliches Potenzial besitzt. Ty- pischerweise wird der positive Aktorpol beim Ladevorgang bezogen auf den negativen Aktorpol auf eine Spannung von z. B. 150 V gebracht. Die damit einhergehende Verlängerung der Pie- zokeramik wird zumeist nicht unmittelbar zur Betätigung des eigentlichen Kraftstoffeinspritzventils verwendet, sondern wirkt auf ein so genanntes Steuerventil ein, durch welches die hydraulischen Druckverhältnisse im Bereich eines Einspritzventilkörpers (Düsennadel) verändert werden können, um diesen Ventilkörper hydraulisch, durch den Druck des dem In- jektor zugeführten Kraftstoffs, betätigen zu können (Ser- voprinzip) .
Zur Verminderung von Schadstoffen und Motorgeräusch und zur Vergrößerung der Motorleistung ist es wünschenswert, dass die Injektoren sowohl sehr kleine, exakt bemessene, als auch sehr große Kraftstoffeinspritzmengen in den Brennraum der betreffenden Brennkraftmaschine einspritzen können, und zwar auch noch nach vielen Betriebszyklen. Der in dem Einspritzinter- vall der betreffenden Brennkraftmaschine einzuspritzende
Kraftstoff wird außerdem zumeist in einer Einspritzsequenz umfassend mehrere Einzeleinspritzungen (Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungen) eingespritzt .
Die in der Praxis geforderten engen Mengentoleranzen sind am besten mittels einer geschlossenen Regelschleife realisierbar, bei der man z. B. indirekt die Einspritzmenge mittels eines geeigneten Sensors misst und die Steuerparameter für die nächste Einspritzung entsprechend anpasst.
Die Steuereinheit 12 bewirkt einen getakteten Betrieb der Endstufe 14 dergestalt, dass jeder Ladevorgang und jeder Entladevorgang sich jeweils aus vielen einzelnen Teilladevorgängen bzw. Teilentladevorgängen zusammensetzt. Die daraus re- sultierenden hohen Frequenzen erlauben die Verwendung von kleineren und billigeren Blindelementen im Bereich der Endstufe 14.
Fig. 2 veranschaulicht die zeitliche Aufeinanderfolge von Teilladeleistungspulsen pl, p2, ... pn, die in der Gesamtheit (n Pulse) einen Ladeleistungsverlauf hervorrufen, der sich am einfachsten durch die Einhüllende E der einzelnen Teillade- leistungspulse charakterisieren lässt. Im dargestellten Aus- führungsbeispiel folgen diese einzelnen Leistungspulse bzw.
Strompulse mit einer festen vorgegebenen Periode Tp aufeinander.
Die Einhüllende E der Ladeleistungspulse pl, p2, ... pn besitzt hierbei eine besondere Form mit zwei verschiedenen zeitlichen Verlaufsphasen vor und hinter einem "Umschaltzeitpunkt" ts :
In einer Anfangsphase steigt die Einhüllende E beim Ladevorgang streng monoton an, wobei die Steigung der Einhüllenden E gleichzeitig monoton abfällt. Diese Anfangsphase endet bei ts mit einer Steigung, die etwa um einen Faktor 10 gegenüber derjenigen Steigung reduziert ist, mit welcher der Ladevor- gang begann.
Am Ende der Anfangsphase (bei ts) bildet die Einhüllende E ein Maximum, an welches sich unmittelbar eine Endphase des Ladevorgangs anschließt, in welcher die Einhüllende E streng monoton abfällt, wobei die Steigung der Einhüllenden E hierbei gleichzeitig monoton ansteigt.
Die Einhüllende E beim Ladevorgang besitzt somit insgesamt etwa die Form einer Haifischflosse, wobei im dargestellten Beispiel die Anfangsphase (Anstiegsflanke) wie auch die Endphase (Abstiegsflanke) jeweils etwa aus der Hälfte der Leistungspulse pl, p2, ... pn gebildet sind.
Durch ein in Fig. 1 nicht dargestelltes, am Ausgang der End- stufe 14 vorgesehenes Filter (z. B. passives Tiefpassfilter) kommt es bei der Bestromung des Piezoaktors P zu einer gewissen Glättung der in Fig. 2 dargestellten Strom- bzw. Leistungspulse, wobei jedoch die Einhüllende der am Piezoaktor P messbaren "Leistungskurve" bzw. die "zeitlich gemittelte
Leistung" die oben beschriebene Qualität (Haifischflosse) beibehält .
Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Leistungsbeaufschlagung des Piezoaktors P über einen längeren Zeitraum, in welchem zwei Einspritzungen (z. B. Haupteinspritzungen einer Einspritzsequenz) erfolgen. In Fig. 3 oben ist der zeitliche Verlauf (Einhüllende E) der Endstufenleistung Pp gegen die Zeit t aufgetragen, wohingegen in Fig. 3 unten der daraus resultierende Hub s des Piezoaktors P in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist.
Die erste Einzeleinspritzung wird durch eine Leistungspuls- folge unter Wahl einer Einhüllenden E der mit Bezug auf Fig. 2 beschriebenen Art initiiert. Nach einer von der Steuereinheit 12 vorbestimmten Zeitdauer (Haltephase) erfolgt ein ge- taktetes Entladen des Aktors P mit einer Einhüllenden der Teilentladeleistungspulse, welche im Wesentlichen eine punkt- symmetrische Version der oben beschriebenen Einhüllenden E beim Laden darstellt. Der Ladevorgang, die Haltephase und der Entladevorgang führen zu dem in Fig. 3 unten schematisch dargestellten Verlauf des Aktorhubs s (t) , der sich im dargestellten Zeitraum noch ein zweites Mal ergibt.
Durch die Wahl der "Haifischflossenform" für den zeitlichen Verlauf der Lade- bzw. Entladeleistungskurven kommt es vorteilhaft zu einer Verringerung der durch das getaktete Ansteuerprinzip bedingten Schwingungsneigung im Aktorhub s (t) . Diese vorteilhafte Wirkung im Vergleich zu einer herkömmlichen (z. B. rechteckigen) Form der Leistungskurve beim Laden ist schematisch mittels der Figuren 4a und 4b veranschaulicht. Fig. 4a zeigt schematisch den zeitabhängigen Verlauf des Aktorhubs s (t) für eine herkömmliche gepulste Ansteuerung. Daraus ist ersichtlich, dass dieser Stellgröße s sowohl beim An- stieg (Ladevorgang) als auch danach (Haltephase) eine mehr oder weniger große Schwingung überlagert ist, welche sich negativ auf die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung der Einspritzung als auch auf die Genauigkeit der Erfassung der tatsächlichen Einspritzmenge dieser Einspritzung auswirkt.
Fig. 4b zeigt demgegenüber schematisch den zeitabhängigen Aktorhub s (t) bei einer erfindungsgemäßen Ansteuerung mit hai- fischflossenförmigen Einhüllenden der Leistungspulsfolgen beim Ladevorgang und Entladevorgang. Daraus ist ersichtlich, dass insbesondere die Unstetigkeiten in der Ladephase (Anstieg von s (t) ) und die Nachschwingamplitude in der Haltephase (Plateau von s (t) ) verringert sind, wodurch die Genauigkeit der Kraftstoffzumessung, insbesondere bei Verwendung einer Kraftstoffmengenregelung, verbessert ist.
Die Fig. 5a und 5b veranschaulichen zwei Möglichkeiten zur Variation der Gesamtladeenergie, mit welcher der Piezoaktor P am Ende des Ladevorgangs geladen ist.
Die in Fig. 5a dargestellte Möglichkeit besteht darin, denjenigen Zeitpunkt (Umschaltzeitpunkt ts) betriebsmäßig zu variieren, zu welchem das Maximum der Einhüllenden E erreicht wird. In diesem Fall ist die Dauer der Anfangsphase des Ladevorgangs variabel. Fig. 5a veranschaulicht gestrichelt eine zweite Ladeleistungskurve, bei welcher der Umschaltzeitpunkt von ts auf ts ' nach hinten verlegt wurde und die Endphase (Abstiegsflanke) dementsprechend später beginnt. Der in Fig. 5a schraffierte Bereich charakterisiert die Erhöhung der Ge- samtladeenergie durch diese Verschiebung des Umschaltzeitpunkts. Falls gewünscht kann die Gesamtdauer des Ladevorgangs hierbei unverändert belassen werden, indem die Leistungskurve Pp (t) stets nach einer vorgegebenen Gesamtdauer "abgeschnit- ten" wird (in Fig. 5a nicht dargestellt) .
Bei der in Fig. 5b dargestellten Möglichkeit wird der Betrag des Maximums der Einhüllenden E betriebsmäßig variiert (unter Beibehaltung des Umschaltzeitpunkts ts) . Damit wird der Be- trag der Leistung Pp sowohl in der Anfangsphase als auch der Endphase des Ladevorgangs variiert. Dies ist in Fig. 5b am Beispiel einer gestrichelt eingezeichneten Einhüllenden veranschaulicht, deren Maximum um einen Betrag ΔPp erhöht wurde. Der schraffierte Bereich charakterisiert wieder die damit einhergehende Erhöhung der am Ende des Ladevorgangs erzielten Gesamtladeenergie. Zur Gewährleistung einer unveränderten Gesamtdauer des Ladevorgangs wird bei dem dargestellten Beispiel die Leistungskurve Pp (t) nach einer vorgegebenen Gesamtdauer abgeschnitten.
Die in Fig. 5a und Fig. 5b dargestellten Möglichkeiten zur Variation der Gesamtladeenergie, sei es z. B. zur Darstellung verschiedener Einspritzmengen bei einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung oder verschiedener Einspritzmengen für Haupteinspritzungen von verschiedenen Einspritzintervallen, lassen sich selbstverständlich auch miteinander kombinieren. Hierbei kann vorteilhaft größtenteils die Haifischflossenform der Einhüllenden E unabhängig von der eingestellten Gesamtladeenergie erhalten bleiben.
Wenn zur Erhöhung der Gesamtladeenergie der Umschaltzeitpunkt ts nach hinten verschoben wird und hierbei die Gesamtladedauer unverändert gelassen wird, dann wird irgendwann nur noch die steigende Flanke der Haifischflosse vom Laden abgetastet.
Dadurch verändert sich zwar der Aktorhub-Verlauf, was z. B. die Detektierung von Spannungssensorsignalen in der Haltephase eines Injektors stören kann. Zu bedenken ist jedoch, dass höhere Gesamtladeenergien (und damit z. B. ein nach hinten verschobener Umschaltzeitpunkt) in der Regel nur bei vergleichsweise hohen Kraftstoffdrücken (z. B. "Raildruck" bei einem so genannten Common-Rail-System) benötigt werden, bei denen die Spannungssensorsignale ohnehin besser ausgeprägt sind und somit trotz eines Aktornachschwingens oftmals ausreichend gut ausgewertet werden können. Auf diese Weise kann man mit einer veränderlichen Stromform bzw. Leistungskurve, die fließend variiert werden kann, zwischen einer "Haifischflosse mit steigendem und fallendem Ast" und einer "Haifisch- flösse nur mit steigendem Ast" die Dynamik des Energiestellbereiches vergrößern und gleichzeitig bei kleinen Energien die Vorteile der "vollständigen Haifischflosse" nutzen. Somit kann die Stromform also den jeweiligen Bedürfnissen des gerade verwendeten Arbeitspunktes angepasst werden.
Die im Bereich der Steuereinheit 12 (Fig. 1) zu definierenden Flankenformen der Einhüllenden E bzw. deren Skalierung (z. B. wie in den Fig. 5a und 5b dargestellt) können beispielsweise jeweils einen exponentiellen Verlauf besitzen.
Exponentielle Verläufe der Einhüllendenflanken lassen sich in schaltungstechnisch sehr einfacher Weise z. B. mit einem RC- Glied erzeugen. Dies wird nachfolgend mit Bezug auf Fig. 6 erläutert .
Fig. 6 zeigt einen Schaltungsblock zur Definition eines Signals (Uout) , welches die Haifischflossenform der oben beschriebenen Einhüllenden E beim Ladevorgang aufweist. Der Schaltungsblock umfasst zwei parallel zueinander angeordnete Widerstände Rl und R2, von denen jeweils ein erster An- schluss mit einer fest vorgegebenen Referenzspannung Urefl bzw. Uref2 beaufschlagt wird. Die zweiten Anschlüsse der Widerstände Rl, R2 werden mittels eines steuerbaren Schaltelements Sl, welches in der Praxis durch eine Transistoranordnung implementiert ist, wahlweise mit einem ersten Anschluss eines Kondensators C verbunden, dessen zweiter Anschluss mit elektrischer Masse GND verbunden ist. Am ersten Anschluss des Kondensators C wird die Signalform Uout bereitgestellt.
Zu Beginn des Ladevorgangs befindet sich der Umschalter Sl in der in Fig. 6 dargestellten Schaltstellung. Die zweite Refe- renzspannung Uref2 ist z. B. zu 0 V (elektrische Masse GND) gewählt, so dass die AusgangsSpannung Uout bei 0 V liegt. Der Ladevorgang beginnt mit dem Umschalten des Schalters Sl in diejenige Stellung, in welcher der Kondensator C über den Widerstand Rl mit der ersten Referenzspannung Urefl verbunden ist. Dies führt zu einem exponentiellen Anstieg der am Kondensator C abfallenden Spannung Uout (Anfangsphase des Ladevorgangs) . Zu dem oben erwähnten Umschaltzeitpunkt ts wird der Schalter Sl wieder in die in Fig. 6 dargestellte Schaltstellung zurückgestellt, so dass die im Kondensator C einge- speicherte Ladung über den zweiten Widerstand R2 zurückfließt und die über den Kondensator C abfallende Spannung Uout expo- nentiell wieder absinkt. Es ergibt sich somit die oben beschriebene Haifischflossenform der AusgangsSpannung Uout. Die Zeitkonstanten der exponentiellen Flanken werden hierbei durch die Werte der Referenzspannungen, der Widerstände sowie des Kondensators bestimmt.
Die oben mit Bezug auf die Fig. 5a und Fig. 5b erläuterten Skalierungen der Einhüllenden E können bei dem Schaltungsblock gemäß Fig. 6 durch eine entsprechende Variation (Skalierung) der Referenzspannung Urefl bzw. eine Verschiebung des Zeitpunkts ts des Umschaltens des Schalters Sl realisiert werden.
In einer Variante ist vorgesehen, dass die zweite Referenzspannung Uref2 zusammen mit der ersten Referenzspannung Urefl mitskaliert wird. Dies kann z. B. dadurch realisiert sein, dass Uref2 an einem Spannungsteiler abgegriffen wird, der mit Urefl beaufschlagt wird. Beispielsweise kann der Spannungsteiler derart dimensioniert sein, dass Uref2 einem kleinen Bruchteil von Urefl entspricht, z. B. etwa 1/10 Urefl. Die Referenzspannungen werden bevorzugt niederohmig bzw. am Aus- gang eines hierfür vorgesehenen Trennverstärkers (bzw. daran sich anschließenden Spannungsteiler) bereitgestellt.
Wenn die am Ausgang des in Fig. 6 dargestellten Schaltungsblocks bereitgestellte Spannung Uout die Einhüllende E der Teilladeleistungspulsfolge pl, p2, ... pn darstellen soll, so muss dieses Signal schließlich in geeigneter Weise zur Ansteuerung der Endstufe 14 eingesetzt werden. Dies ist in einfacher Weise z. B. bei einer Endstufe umfassend einen Transformator (z. B. nach dem Fly-Back-Prinzip) realisierbar, in- dem das Signal Uout (bevorzugt wieder über einen impdanzerhö- henden Trennverstärker geführt) zur Definition einer Einhüllenden von Strompulsen auf der Primärseite des Transformators herangezogen wird (z. B. als Maximalstromvorgabewert eines zwischen einem Minimum und einem Maximum pendelnden Primär- Stroms) . Die exponentiellen Flanken einer solchen primärsei- tigen Einhüllenden der Strompulse liefern dann sekundärseitig qualitativ entspreche Flanken der Einhüllenden der Leistungspulse, welche vom Transformator abgegeben und über ein glät- tendes Ausgangsfilter dem Piezoaktor P zugeführt werden.
Zusammenfassend bietet die erfindungsgemäße Ansteuerung den Vorteil einer vergleichsweise robusten Formung eines ge- wünschten Verlaufs des Aktorhubs s(t)und somit z. B. des Steuerventilhubs in einem Servoeinspritzventil einer Einspritzanlage. In letzterem Anwendungsbereich ergeben sich insbesondere folgende Vorteile:
- Verminderte Unstetigkeiten und Schwingungen beim Ausdehnen des Piezoaktors sorgen für ein exakteres Öffnen des Steuerventils, eine längere Lebensdauer des Aktors und weniger Injetorgeräusch.
- Ein vermindertes Nachschwingen des Steuerventils in der Haltephase ermöglicht eine leichtere Detektion von Sensoreffekten in Strom und Spannung und verhindert Störungen der Druckverhältnisse im Steuerraum des Injektors.
- Ein vermindertes Nachschwingen des Steuerventils erniedrigt störende so genannte "shot-to-shot"- Mengenabweichungen, da der Beginn des Entladevorgangs nicht von der Haltephasenschwingung beeinflusst wird.
- Ein stetigeres Schließen des Steuerventils sorgt für genauere Einspritzmengen, eine längere Lebensdauer des Aktors und weniger Injektorgeräusch.
Die Verlaufsformung der Ladeleistung bzw. Entladeleis- tung ist schaltungstechnisch im Allgemeinen einfach zu realisieren, z. B. durch Zusammensetzung aus Exponentialfunktionen. Des weiteren lässt sich die Verlaufsform der Lade- bzw. Entladeleistung der momentan benötigten Energie zur Laufzeit anpassen, ohne die vorteilhafte
Charakteristik der Verlaufsform hierdurch zu ändern.
Eine einfach zu realisierende Laufzeit-variable Verlaufsformung schafft eine große Dynamik des Energieeinstellbereichs. Damit kann z. B. der Betrieb von analog arbeitenden Proportionalventilen ermöglicht werden und/oder der nutzbare Aktorhub vergrößert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ansteuern einer kapazitiven Last (P), insbesondere eines Piezoaktors für ein Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, umfassend Ladevorgänge und Entladevorgänge zum Aufladen bzw. Entladen der kapazitiven Last (P) mittels eines Laststroms (Ip) ,
wobei jeder Ladevorgang durch zeitlich aufeinanderfolgen- de Teilladestrompulse entsprechend zeitlich aufeinanderfolgenden Teilladeleistungspulsen (pl, p2, ... pn) bewerkstelligt wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ein- hüllende (E) der Teilladeleistungspulse (pl, p2, ... pn) beim Ladevorgang in einer Anfangsphase streng monoton ansteigt und die Steigung der Einhüllenden (E) hierbei monoton abfällt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Einhüllende (E) der Teilladeleistungspulse (pl, p2, ... pn) beim Ladevorgang in einer Endphase streng monoton abfällt und die Steigung der Einhüllenden (E) hierbei monoton ansteigt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, wobei der Anfangsphase des Ladevorgangs unmittelbar die Endphase des Ladevorgangs folgt.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für den Ladevorgang mehr als 10 Teilladestrompulse vorgesehen sind.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Laststrom (Ip) durch Glättung eines Transformator- Sekundärstroms bereitgestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steigung in der Anfangsphase des Ladevorgangs um mindestens einen Faktor 2 abfällt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Maximum der Einhüllenden (E) während des Ladevorgangs zu einem Zeitpunkt (ts) erreicht wird, der 30% bis 70% der Dauer des Ladevorgangs vom Beginn des Ladevorgangs entfernt ist.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Betrag eines Maximums der Einhüllenden (E) während des Ladevorgangs betriebsmäßig variierbar ist, um eine Gesamtladeenergie einzustellen.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Maximum der Einhüllenden (E) während des Ladevorgangs zu einem Zeitpunkt (ts) erreicht wird, der betriebsmäßig variierbar ist, um eine Gesamtladeenergie einzustellen.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einhüllende (E) sowohl in der Anfangsphase des Ladevorgangs als auch in der Endphase des Ladevorgangs einen im Wesentlichen exponentiellen Verlauf besitzt.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Entladevorgang durch zeitlich aufeinanderfolgende
Teilentladestrompulse entsprechend zeitlich aufeinanderfolgenden Teilentladeleistungspulsen bewerkstelligt wird, und wobei die Einhüllende (E) der Teilentlade- leistungspulse beim Entladevorgang in einer Anfangsphase streng monoton abfällt und die Steigung der Einhüllenden (E) hierbei monoton ansteigt.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, zum Ansteuern eines Piezoaktors (P) für ein Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, wobei eine Kraftstoffeinspritzung während eines Einspritzintervalles in einer Einspritzsequenz umfassend mehrere Einzeleinspritzungen erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, zum Ansteuern eines Piezoaktors (P) für ein Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, wobei eine Einspritzmengenregelung vorgesehen ist, bei der eine Abweichung zwischen ei- ner Soll-Kraftstoffeinspritzmenge und einer Ist- Kraftstoffeinspritzmenge erfasst und für eine nachfolgende Einspritzung bei deren Ansteuerung berücksichtigt wird.
14. Vorrichtung (10) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
15. Vorrichtung (10) nach Anspruch 14, umfassend Mittel (12) zur Vorgabe eines zeitabhängigen Teilladeenergievorgabe- werts (E) während des Ladevorgangs und eine Endstufe (14) zur Erzeugung der Teilladeleistungspulse (pl, p2, ... pn) des Laststroms (Ip) , deren Energie jeweils dem aktuell vorgegebenen Teilladeenergievorgabewert (E) entspricht.
16. Vorrichtung (10) nach Anspruch 15, wobei die Mittel (12) zur Vorgabe des zeitabhängigen Teilladeenergievorgabewerts (E) ein mit einer Referenzspannung (Urefl) beaufschlagtes RC-Glied (Rl, C) umfassen.
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