-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum spulengebundenen Laden und
Entladen eines piezoelektrischen Elements, sowie eine korrespondierende Vorrichtung
zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements.
-
STAND DER TECHNIK
-
Zur
kontrollierten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines
einen Verbrennungsmotors werden Ventile verwendet, die mit Hilfe
eines Piezoaktors betrieben werden, denn Piezoaktoren können mit
hoher Geschwindigkeit ihre Geometrie in Abhängigkeit von einem elektrischen
Ladungszustand ändern
und dadurch die eingesetzten Ventile bedienen. Für die kontrollierte Einspritzung
ist es daher notwendig, dass der Lade- und der Entladevorgang des
Piezoaktors präzise
gesteuert wird, damit in dem sehr kurzen Zeitraum des Verbrennungsvorgangs
der Kraftstoff zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb des Motortakts
eingespritzt wird. Da Piezoaktoren wie ein kapazitives Schaltglied
wirken, können
die Lade- und Entladeströme
in den kurzen Zeiten sehr hoch werden, weil zur vollständigen Ladung
eine Spannung von ca. 180 V notwendig ist. Um die Ladeströme zu begrenzen,
ist es möglich,
diesen mit einem ohmschen Widerstand zu begrenzen, wobei in diesem
Fall die Verlustleistung vergleichsweise hoch ist und als Wärme abgeführt werden
muss. Eine andere Möglichkeit
ist, den Strom nicht durch einen ohmschen Widerstand zu begrenzen,
sondern den Strom in Pulsen getaktet dem Piezoaktor zuzuführen, um
so die Verlustleistung zu reduzieren. Hierzu verwendet man Spulen,
die als induktives Schaltglied dienen und dadurch einer seits den
maximalen Stromfluss induktiv begrenzen und andererseits elektrische
Energie für
einen kurzen Strompuls zwischenspeichern. Die Verwendung der über Spulen
getakteten Ladung der Piezoaktoren erlaubt eine Verlustarme Betriebsweise
der Aktoren, weil keine elektrische Leistung vernichtet werden muss
und die elektrische Energie zwischen dem Piezoaktor und einem Pufferkondensator
hin- und her transportiert werden kann.
-
Nachteilig
an diesem Verfahren ist allerdings die getaktete Ladung des Piezoaktors,
weil die Frequenz des Piezoaktors, die von der aktuellen Motordrehzahl
abhängig
ist, nicht synchron mit der Taktfrequenz zur Ladung der des Piezoaktors
ist. Hierdurch entsteht eine zeitliche Unsicherheit bei der Auslösung des
Piezoaktors, im Folgenden als ”Jitter” bezeichnet.
-
Zur
Ladung des Piezoaktors wird Ladung aus einem Pufferkondensator über eine
Spule in den Piezoaktor mit Hilfe eines schnellen Ladeschalters transferiert.
Der Ladeschalter öffnet
und schließt
sich dabei mit hoher Frequenz und dabei wird wechselweise in einem
ersten Takt Ladung aus dem Pufferkondensator als Strom in die Spule
befördert
und die in der Spule zwischengespeicherte Energie wird im zweiten
Takt wiederum als Ladung in den Piezoaktor befördert. Der genaue Zeitpunkt
bis eine definierte Sollspannung am Piezoaktor anliegt, ist durch
dieses Verfahren variabel, da er einerseits von Toleranzen und Bauteiltemperaturen
sowie von Zwischenkreisspannungen abhängt. Andererseits wird die
Abschaltung durch eine externe Steuerung zu unterschiedlichen Zeiten
der Ladetaktung vorgenommen, wodurch aber die Ladung des Piezoaktors
nicht schlagartig aufhört.
Vielmehr wird die noch in der Spule befindliche Restenergie in den
Piezoaktor überführt, so dass
der Piezoaktor eine je nach Zeitpunkt der Unterbrechung des Ladevorgangs
unterschiedliche Restenergie aus der Spule erhält. Diese Restenergie wird in
einem späteren
Entladevorgang möglicherweise nicht
mehr vollständig
entladen und führt
so zu einer Akkumulation von Ladung, wodurch sich der Öffnungszeitpunkt
zeitlich nach vorne verschiebt. Aber auch der gegenteilige Effekt
kann eintreten, nämlich dass
der Piezoaktor beim Entladevorgang durch den gleichen Effekt negativ
geladen wird und somit wird der Piezoaktor in einem folgenden Ladevorgang
nur unzureichend geladen, was zu einer zeitlichen Verschiebung des
Schließzeitpunktes
nach hinten führt. Zwar
gleichen sich die beiden Effekte im statistischen Mittel aus, aber
der hierdurch in Kauf genommene Jitter führt zu einer unzureichenden
Präzision
der Steuerung des Einspritzvorganges.
-
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung stellt gemäß Anspruch
1 ein Verfahren zur präzisen
Ladung- und Entladung eines piezoelektrischen Elements zur Verfügung und
eine dazu korrespondierende Vorrich tung gemäß Anspruch 12 zur Ladung und
Entladung eines piezoelektrischen Elements. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
die Ladespannung beim Lade- und Entladevorgang zur Bestimmung der
Ladedauer zu überwachen,
wobei die aktuell in der Spule gespeicherte Energie bei der Überwachung
des Lade- und Entladevorgangs mit einbezogen wird.
-
Die Überwachung
wird vorzugsweise mit Hilfe eines Komparators durchgeführt und
die Ladespannung wird am Piezoelement abgegriffen. Zum Abgreifen
der Spannung wird ein Spannungsteiler eingesetzt, dessen Bezugspotential
durch einen Shunt-Widerstand vor der Ladespule gegenüber Masse
verändert
wird. Durch die Auslegung des Spannungsteilers und durch den Widerstandswert des
Shunt-Widerstands kann so eine Spannung erhalten werden, die zur
aktuellen Ladespannung des piezoelektrischen Elements nach Übertragung
der Restladung proportional ist. Die erfindungsgemäß abgegriffene
Spannung läuft
also der Spannung am jeweiligen Ende des Ladevorganges nach Unterbrechung
des Ladetaktes voraus. Diese Spannung wird sodann von einem Komparator
dazu verwendet, den Ladetakt zu dem Zeitpunkt zu unterbrechen, der
zur gewünschten
Sollspannung am geladen oder entladenen piezoelektrischen Element
führt.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die
Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert.
-
Es
zeigt:
-
1 einen
Auszug aus einer Schaltskizze einer erfindungsgemäßen Schaltung
zur Ladung und Entladung eines piezoelektrischen Elements, wobei die
Schaltungslegung der Spannungsüberwachung ausgeblendet
ist,
-
2 ein
Diagramm mit ausgewählten Strom-
und Spannungsverläufen
in der Schaltung nach 1,
-
3 ein
Detail des Diagramms in 2
-
4 einen
Auszug aus einer Schaltskizze einer alternativen erfindungsgemäßen Schaltung
zur Ladung und Entladung eines piezoelektrischen Elements, wobei
die Schaltungslegung der Spannungsüberwachung und der Schaltung
zur Entladung ausgeblendet ist.
-
In 1 ist
eine Schaltskizze einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Ladung und
Entladung eines piezoelektrischen Elements P1 dargestellt, wobei
Schaltelemente zur Spannungsüberwachung
ausgeblendet sind. In der Schaltung wird das piezoelektrische Element
P1 über
die Spule L1 sowohl geladen wie auch entladen. Zum Ladevorgang wird
der Ladeschalter S1 periodisch geschlossen und wieder geöffnet. Solange
der Lade- und Entladeschalter S1 und S2 dauerhaft geöffnet sind,
fließt
kein Strom, die Schaltung befindet sich in einem stabilen Zustand,
während
dessen der Piezoaktor P1 seinen Ladezustand behält, ohne seine Ladung im Wesentlichen,
abgesehen von internen Verlusten, zu verändern. Zum Laden des Piezoaktors
P1 wird der Ladeschalter S1 periodisch geschlossen und wieder geöffnet, der
Entladeschalter hingegen bleibt geöffnet. Während der Ladeschalter S1 geschlossen
ist, sind der Shunt-Widerstand R3, der Pufferkondensator C1, die
Spule L1 und der Piezoaktor P1 in Reihe geschaltet und bilden einen
Stromkreis, dabei fließt
der Strom vom geladenen Pufferkondensator C1 über die Spule L1 als Strom
IL zum entladenen Piezoaktor P1. Durch den Stromfluss bildet sich
ein Feld in der Spule L1, das die elektrische Energie des Stromflusses speichert.
Würde der
Schalter nicht wieder unterbrochen werden, so würden sich die Spannungen des Pufferkondensators
C1 und des Piezoaktors P1 angeleichen und es würde kein Strom IL mehr durch
die Spule L1 fließen.
Wird jedoch der Ladeschalter S1 kurz nach dem Schließen wieder
geöffnet,
so bilden die Diode D2, die Spule L1 und der Piezoaktor P1 einen
Stromkreis. Das Feld in der Spule L1 bricht zusammen und Strom IL
fließt
dabei in den Piezoaktor P1. Die Diode D2 verhindert, dass sich ein LC-Schwingkreis
ausbildet, in welchem die Energie zwischen der Spule L1 und dem
Piezoaktor P1 schwingt und dabei durch interne Dämpfung und Leitungswiderstände verloren
geht. Die in der Spule L1 gespeicherte Energie fließt somit
als elektrischer Strom IL vollständig
in den Piezoaktor P1, der um den Energiebetrag der Spule L1 geladen
wird und entsprechend steigt die Spannung UL an dem kapazitiven
Piezoaktor P1. Würde
die Ladung des Piezoaktors P1 durch das Beenden des periodischen Schließens und
wieder Öffnens
des Ladeschalters S1 beendet werden, so ist es genau dieser nach
dem Öffnen
in den Piezoaktor P1 fließende
und nicht mehr kontrollierbare Strom IL, der ursächlich für die eingangs erwähnte Unsicherheit
des Ladezustandes nach Beenden des Ladevorgangs ist. Der Ladeschalter
S1 wird zur weiteren Ladung des Piezoaktors P1 erneut periodisch
geschlossen und kurze Zeit später wieder
geöffnet,
bis der gewünschte
Ladungszustand, messbar an der Ladespannung UL, erreicht ist.
-
Nach
Beenden des Ladevorgangs durch die dauerhafte Unterbrechung des
Ladeschalter S1 stellt sich wieder der oben erwähnte stabile Zustand ein.
-
Zum
Entladen des Piezoaktors P1 wird der Entladeschalter S2 periodisch
geöffnet
und wieder geschlossen. Während
der Entladung bleibt aber der Ladeschalter S1 geöffnet. Nach Schließen des
Entladeschalters S2 bilden die Spule L1 und der Piezoaktor P1 einen
ge schlossenen Stromkreis. Der geladene Piezoaktor P1 entlädt sich über die
Spule L1, der dabei durch die Spule fließende Strom IL erzeugt ein Feld,
das dem Feld beim Ladevorgang entgegengerichtet ist. Dieses Feld
speichert Energie des Stromflusses IL beim Entladen des Piezoaktors
P1. Würde der
Entladeschalter S2 nicht kurzzeitig später unterbrochen werden, so
würde der
Piezoaktor P1 und die Spule L1 einen freien LC-Schwingkreis bilden
und die elektrische Energie im Stromkreis würde durch interne Dämpfung und
durch Leitungswiderstände
verbraucht werden und größtenteils
als Wärme
verloren gehen. Nach dem der Entladeschalter S2 kurzzeitig geschlossen
wurde, wird der selbe Schalter S2 wieder geöffnet. In diesem Zustand bilden
der Shunt-Widerstand R3, der Pufferkondensator C1, Diode D1, Spule
L1 und Piezoaktor P1 einen geschlossenen Stromkreis, wobei Diode
D1 verhindert, das sich ein LC-Schwingkreis bildet. Das in der Spule
L1 gebildete Feld bricht zusammen und dabei entlädt sich die in der Spule gespeicherte
Energie als elektrischer Strom IL in den Pufferkondensator C1. Dieser
Vorgang wird so oft wiederholt, bis die Ladung in dem Piezoaktor
P1 vollständig
in den Pufferkondensator C1 übertragen
worden ist. Durch das periodische Öffnen und Schließen des
Entladeschalters wird auch dann noch Ladung von Piezoaktor P1 in
den Pufferkondensator C1 übertragen,
wenn die Ladespannung UL geringer ist als die Ladespannung an Pufferkondensator
C1.
-
Der
Spannungsteiler aus R1 und R2 mit Bezugspotential zwischen Shunt-Widerstand
R3 und C1 wird weiter unten näher
erläutert.
-
In 2 ist
ein Diagramm mit den ungefähren
Strom- und Spannungsverläufen
von der Ladespannung UL und dem Spulenstrom IL dargestellt. Beginnend
bei Startzeitpunkt t0, wenn der Ladeschalter S1 kurzzeitig geschlossen
wird, fließt
ein Strom IL durch die Spule L1. Dabei baut sich ein Feld in der Spule
L1 auf. Das sich aufbauende Feld in der Spule L1 wirkt dem Stromfluss
IL entgegen. Die hierbei gespeicherte Energie entlädt sich
als abfallender Strom IL in den Piezoaktor P1, bis der Strom IL
auf ein Minimum reduziert ist. In der gleichen Zeit steigt die Spannung
UL am Piezoaktor P1. Dieser Prozess wird solange wiederholt, bis
eine Sollspannung am Piezoaktor erreicht ist. Entsprechend etwa
dem integrierten Stromverlauf IL bildet sich ein wellenförmiger Spannungsanstieg
UL am Piezoaktor P1 über
ein Ladezeitintervall to. Je nach dem, wann der Ladeschalter S1
innerhalb eines Ladezyklus geöffnet
wird, befindet sich noch eine nicht zu vernachlässigende Restenergie in der
Spule L1, die sich noch in den Piezoaktor P1 entlädt und somit
die Ladespannung UL und die Ladung des Piezoaktors erhöht. Die
Zeit zwischen dem Ende des Ladeintervalls und dem Erreichen eines
stabilen Ladespannungsintervalls ist in 2 mit Δto bezeichnet.
Die Zeit Δto überträgt sich auf
das Ende des Entladevorgangs im rechten Teil des Diagramms, in der
die eingänglich
unerwünscht entladene
Restenergie aus der Spule L1 in den Piezoaktor P1 entladen wurde
und verschiebt das Ende des Entladeintervalls verschiebt sich um
die Zeit Δtc. Diese
Restenergie muss nun in einem weiteren Entladevorgang dem Piezoaktor
P1 wieder entnommen werden, damit der Piezoaktor P1 vollständig bis
zum gewünschten
Ladungszustand entladen ist. Das Detail A wird in 3 in
Verbindung mit dem Spannungsteiler R1, R2 und dem Shunt-Widerstand
R3 näher
erläutert.
-
In 3 ist
das Detail A aus 1 dargestellt, wobei der ungefähre Verlauf
der in der Schaltung aus 1 abgegriffenen Spannung UC
als gepunktete Linie und der Ladungsspannungsverlauf UL als durchgezogenen
Linie gemäß Detail
A dargestellt ist. Würde
der Spannungsteiler R1, R2 sein Bezugspotential auf Masse haben,
so würde
die Spannung UC proportional zur Ladespannung UL verlaufen. Das
Bezugspotential liegt aber an Shunt-Widerstand R3. Die an R3 abfallende
Spannung US gegenüber
Masse ist aber Proportional zum Strom IL, der über diesen Widerstand in die
Spule L1 fließt.
Somit ist die an R3 abfallende Spannung US auch Proportional zur
Energie, die in der Spule L1 gespeichert ist. Anders ausgedrückt ist
der Ladungsspannungsanstieg von UL nach dem Abschalten des letzten
Pulses durch S1 abhängig
vom unmittelbar vor dem Abschalten fließenden Strom IL. Die abgreifbare
Spannung UC ist also proportional zur Ladespannung UL plus einer
Spannung, die proportional zum Spulenstrom IL ist. Somit ist UL
= a·(UL
+ k·US).
Die Faktoren a und k sind durch die Auslegung der Widerstände R1,
R2 und R3, sowie durch die Induktivität von L1 und die Kapazität von C1
bestimmt.
-
Dem
Spannungsverlauf von UC ist also zu jedem Zeitpunkt entnehmbar,
wie hoch die Ladespannung UL nach Abschalten des Ladeschalters S1 sein
wird. Die Widerstände
R1, R2 und R3 wirken wie eine beliebig ausführbare Analogrechenschaltung, die
es einem Komparator, der in 1 nicht
eingezeichnet ist, ermöglicht
den Ladestromimpuls vorzeitig abzubrechen, um die gewünschte Endspannung am
Piezoaktor P1 zu erreichen. Somit wird zumindest der letzte Ladungspuls
in seiner zeitlichen Länge
von einem Piezoöffnungszustand
zum nächsten
Piezoöffnungszustand
variiert, womit zumindest der letzte Ladeimpuls durch S1 Pulsbreitenmoduliert
ist. Diese Pulsbreitenmodulation des letzten Ladeimpulses stellt
eine hochpräzise
Ladung des Piezoaktors P1 zur Verfügung, wobei auf das Verfahren
zur Ladung des Piezoaktors P1 mit Hilfe einer Spule L1 zurückgegriffen
werden kann.
-
In
dieser Beschreibung wird das erfindungsgemäße Verfahren an einer Schaltung
demonstriert, die mit Hilfe einer einzigen Spule den Piezoaktor
P1 sowohl lädt
wie auch entlädt.
Alternativ dazu ist es auch möglich,
eine Vorrichtung zur Ladung und Entladung eines Piezoaktors P21
zu verwenden, in welchem für
die Ladung und für
die Entladung je eine eigene Anordnung aus Schalter, Diode und Spule
verwendet wird.
-
In 4 ist
eine Schaltskizze einer alternativen, erfindungsgemäßen Schaltung
zur Ladung und Entladung eines Piezoaktors P21 abgebildet, wobei die
Schaltelemente zur Ladespannungsüberwachung
und zur Entladung ausgeblendet sind. Zum Laden wird der Ladeschalter
S21 periodisch geöffnet und
wieder geschlossen. Solange der Ladeschalter S21 dauerhaft geöffnet bleibt,
befindet sich der Piezoaktor P21 im stationären Zustand und verändert seine
Ladung nicht, abgesehen von internen geringfügigen Verlusten. Wird der Ladeschalter
S21 geschlossen, so bilden der in Serie geschaltete Pufferkondensator
C21, Ladespule L21 und Shunt-Widerstand R23 einen Stromkreis. Der
durch die Spule L21 fließende
Strom IL bildet ein Feld in der Spule L21, das die Energie des Stromflusses
speichert. Kurze Zeit nach Schließen des Ladeschalters S21 wird
der Ladeschalter S21 wider geöffnet.
Darauf folgend bilden die Ladespule L21, Diode D21, Piezoaktor P21, Shunt-Widerstand
R23 und Pufferkondensator C21 einen Stromkreis und die in der Ladespule
L21 gespeicherte Energie fließt
als Strom in den Piezoaktor P21, wobei Diode D21 die Ausbildung
eines LC-Schwingkreises verhindert. Wie in der Schaltskizze nach 1 ist
auch hier die nach Öffnen
des Ladeschalters S21 in der Ladespule L21 vorhandene Energie dafür verantwortlich,
wie hoch der Spannungsanstieg UL2 am Piezoaktor P21 sein wird. Zur Spannungsüberwachung
wird auch hier die Ladespannung UL2 und die in der Ladespule L21
vorhandene Energie durch den Spannungsteiler R21, R22 und den Shunt-Widerstand
R23 abgegriffen, wobei das Bezugspotential des Spannungsteilers
R21, R22 durch den Shunt-Widerstand R23 verändert wird. Die hierdurch abgegriffene
Spannung UC2 verläuft
wie der in 3 Detail A dargestellte Spannungsverlauf UC,
der proportional zur Ladespannung nach Entladung der Spulenenergie
in Ladespule L2 ist und somit der Ladespannung vorausläuft.