DE19927087A1 - Arrangement for charging and discharging several piezoelectric elements e.g. for fuel injectors in IC engine, has piezoelectric elements divided into groups, each able to be mutually independently charged or discharged - Google Patents
Arrangement for charging and discharging several piezoelectric elements e.g. for fuel injectors in IC engine, has piezoelectric elements divided into groups, each able to be mutually independently charged or dischargedInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß den Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren gemäß den Oberbegriff des Patentanspruchs 7, d. h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen mehrerer piezo elektrischer Elemente.The present invention relates to a device according to the Preamble of claim 1 and a method according to the Preamble of claim 7, d. H. a procedure and a device for loading and unloading several piezo electrical elements.
Bei den vorliegend näher betrachteten piezoelektrischen Ele menten handelt es sich insbesondere, aber nicht ausschließ lich um als Aktoren bzw. Stellglieder verwendete piezoelek trische Elemente. Piezoelektrische Elemente lassen sich für derartige Zwecke einsetzen, weil sie bekanntermaßen die Eigenschaft aufweisen, sich in Abhängigkeit von einer an sie angelegten oder einer sich an ihnen einstellenden Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen.In the case of the piezoelectric elements considered in more detail here elements are particularly, but not exclusively Lich around piezoelek used as actuators or actuators trical elements. Piezoelectric elements can be used for use such purposes because they are known to Have property depending on one of them applied or a voltage arising on them contract or expand.
Die praktische Realisierung von Stellgliedern durch piezo elektrische Elemente erweist sich insbesondere dann von Vor teil, wenn das betreffende Stellglied schnelle und/oder häu fige Bewegungen auszuführen hat.The practical realization of actuators by piezo electrical elements prove particularly then from before part if the actuator in question quickly and / or frequently has to make cautious movements.
Der Einsatz von piezoelektrischen Elementen als Stellglied erweist sich unter anderem bei Kraftstoff-Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen als vorteilhaft. Zur Einsetzbarkeit von piezoelektrischen Elementen in Kraftstoff-Einspritzdüsen wird beispielsweise auf die EP 0 371 469 B1 und die EP 0 379 182 B1 verwiesen.The use of piezoelectric elements as an actuator proves itself among other things with fuel injectors for Internal combustion engines as advantageous. The applicability of piezoelectric elements in fuel injectors for example EP 0 371 469 B1 and EP 0 379 182 B1 referenced.
Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Elemente, welche sich, wie vorstehend bereits angedeutet wurde, entsprechend dem jeweiligen Ladungszustand bzw. der sich daran einstellen den oder angelegten Spannung zusammenziehen und ausdehnen. Das Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements kann beispielsweise durch die in Fig. 5 gezeigte Anordnung erfol gen.Piezoelectric elements are capacitive elements which, as has already been indicated above, contract and expand in accordance with the respective state of charge or the voltage or voltage applied thereto. The loading and unloading of a piezoelectric element can be carried out, for example, by the arrangement shown in FIG. 5.
Das piezoelektrische Element, das es im betrachteten Beispiel zu laden gilt, ist in der Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 1 be zeichnet.The piezoelectric element, which is to be charged in the example under consideration, is identified in FIG. 5 by the reference number 1 .
Wie aus der Fig. 5 ersichtlich ist, liegt der eine der An schlüsse des piezoelektrischen Elements 1 dauerhaft auf Masse (ist mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle verbunden), wohingegen der andere der Anschlüsse des piezoelektrischen Elements über eine Spule 2 und eine Parallelschaltung aus einem Ladeschalter 3 und einer Diode 4 mit dem zweiten Pol der Spannungsquelle und über die Spule 2 und eine Parallel schaltung aus einem Entladeschalter 5 und einer Diode 6 mit dem ersten Pol der Spannungsquelle verbunden ist.As can be seen from FIG. 5, one of the connections of the piezoelectric element 1 is permanently connected to ground (is connected to a first pole of a voltage source), whereas the other of the connections of the piezoelectric element via a coil 2 and a parallel connection from one Charging switch 3 and a diode 4 is connected to the second pole of the voltage source and via the coil 2 and a parallel circuit comprising a discharge switch 5 and a diode 6 to the first pole of the voltage source.
Die Spannungsquelle wird durch ein kapazitive Eigenschaften aufweisendes Element, welches im betrachteten Beispiel ein (Puffer-)Kondensator 9 ist, gebildet. Der Kondensator 9 wird durch eine Batterie 7 (beispielsweise eine Kfz-Batterie) und einen dieser nachgeschalteten Gleichspannungswandler 8 gela den. Der Gleichspannungswandler 8 setzt die Batteriespannung (beispielsweise 12 V) in eine im wesentlichen beliebige an dere Gleichspannung um und lädt den Kondensator 9 auf diese Spannung auf.The voltage source is formed by an element having capacitive properties, which in the example under consideration is a (buffer) capacitor 9 . The capacitor 9 is charged by a battery 7 (for example a motor vehicle battery) and one of these DC voltage converters 8 connected to it. The DC-DC converter 8 converts the battery voltage (for example 12 V) into essentially any other DC voltage and charges the capacitor 9 to this voltage.
Das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements 1 er folgt unter Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufweisenden Element (dem Kondensa tor 9) über ein induktive Eigenschaften aufweisendes Element, welches im betrachteten Beispiel die Spule 2 ist, zum piezo elektrischen Element oder umgekehrt.The loading and unloading of the piezoelectric element 1 it follows by carrying out a charge transport from a capacitive element (the capacitor 9 ) via an inductive element, which in the example considered is the coil 2 , to the piezoelectric element or vice versa.
Das Laden und das Entladen des piezoelektrischen Elements 1 erfolgen im betrachteten Beispiel getaktet. D. h., der Lade schalter 3 und der Entladeschalter 5 werden während des Lade- bzw. Entladevorganges wiederholt geschlossen und geöffnet. Die sich dabei einstellenden Verhältnisse werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 9 erläutert, von denen die Fig. 6 und 7 das Laden des piezoelektrischen Elements 1, und die Fig. 8 und 9 das Entladen des piezoelektrischen Elements 1 veranschaulichen.The loading and unloading of the piezoelectric element 1 are clocked in the example considered. That is, the charging switch 3 and the discharge switch 5 are repeatedly closed and opened during the charging or discharging process. The resulting conditions are explained below with reference to FIGS. 6 to 9, of which FIGS. 6 and 7 illustrate the charging of the piezoelectric element 1 , and FIGS. 8 and 9 the discharge of the piezoelectric element 1 .
Der Ladeschalter 3 und der Entladeschalter 5 sind, wenn und solange kein Laden oder Entladen des piezoelektrischen Ele ments 1 erfolgt, geöffnet. In diesem Zustand befindet sich die in der Fig. 5 gezeigte Schaltung im stationären Zustand. D. h., das piezoelektrische Element 1 behält seinen Ladungs zustand im wesentlichen unverändert bei, und es fließen keine Ströme.The charge switch 3 and the discharge switch 5 are open when and as long as there is no charging or discharging of the piezoelectric element 1 . In this state, the circuit shown in FIG. 5 is in the stationary state. That is, the piezoelectric element 1 maintains its state of charge substantially unchanged, and no currents flow.
Mit dem Beginn des Ladens des piezoelektrischen Elements 1 wird der Ladeschalter 3 wiederholt geschlossen und geöffnet; der Entladeschalter 5 bleibt hierbei geöffnet.With the start of charging the piezoelectric element 1 , the charging switch 3 is repeatedly closed and opened; the discharge switch 5 remains open.
Beim Schließen des Ladeschalters 3 stellen sich die in der Fig. 6 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 1, dem Kondensator 9 und der Spule 2 bestehender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 6 durch Pfeile angedeuteter Strom iLE(t) fließt. Dieser Stromfluß be wirkt, daß in der Spule 2 Energie gespeichert wird. Der Ener giefluß in die Spule 2 wird dabei durch die positive Poten tialdifferenz zwischen dem Kondensator 9 und dem piezoelek trischen Element 1 bewirkt.When the charging switch 3 is closed, the conditions shown in FIG. 6 are established. That is, a closed circuit consisting of a series connection of the piezoelectric element 1 , the capacitor 9 and the coil 2 is formed, in which a current i LE (t), as indicated by arrows in FIG. 6, flows. This current flow be that 2 energy is stored in the coil. The energy flow into the coil 2 is caused by the positive potential difference between the capacitor 9 and the piezoelectric element 1 .
Beim kurz (beispielsweise einige µs) nach dem Schließen des Ladeschalters 3 erfolgenden Öffnen desselben stellen sich die in der Fig. 7 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 1, der Diode 6 und der Spule 2 bestehender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 7 durch Pfeile angedeuteter Strom iLA(t) fließt. Dieser Stromfluß be wirkt, daß in der Spule 2 gespeicherte Energie vollständig in das piezoelektrische Element 1 fließt. Entsprechend der Ener giezufuhr zum piezoelektrischen Element erhöhen sich die an diesem einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen. Nach erfolgtem Energietransport von der Spule 2 zum piezo elektrischen Element 1 ist wieder der vorstehend bereits erwähnte stationäre Zustand der Schaltung nach Fig. 1 er reicht.When the charging switch 3 is opened shortly (for example a few μs) after the charging switch 3 has been closed, the conditions shown in FIG. 7 are established. That is, a closed circuit consisting of a series connection of the piezoelectric element 1 , the diode 6 and the coil 2 is formed, in which a current i LA (t), as indicated in FIG. 7, flows. This current flow acts that energy stored in the coil 2 flows completely into the piezoelectric element 1 . Corresponding to the energy supply to the piezoelectric element, the voltage setting thereon and its external dimensions increase. After the energy has been transported from the coil 2 to the piezoelectric element 1 , the above-mentioned stationary state of the circuit according to FIG. 1 is sufficient.
Dann oder auch schon vorher oder auch erst später (je nach dem gewünschten zeitlichen Verlauf des Ladevorgangs) wird der Ladeschalter 3 erneut geschlossen und wieder geöffnet, wobei sich die vorstehend beschriebenen Vorgänge wiederholen. Durch das erneute Schließen und Öffnen des Ladeschalters 3 nimmt die im piezoelektrischen Element 1 gespeicherte Energie zu (die im piezoelektrischen Element bereits gespeicherte Ener gie und die neu zugeführte Energie summieren sich), und dem entsprechend nehmen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen zu. Then or even before or only later (depending on the desired time course of the charging process), the charging switch 3 is closed again and opened again, the processes described above being repeated. By re-closing and opening the charging switch 3 , the energy stored in the piezoelectric element 1 increases (the energy already stored in the piezoelectric element and the newly added energy add up), and accordingly the voltage that is established at the piezoelectric element and its exterior take Dimensions too.
Wiederholt man das beschriebene Schließen und Öffnen des Ladeschalters 3 eine Vielzahl von Malen, so steigen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements stufenweise an.If the described closing and opening of the charging switch 3 is repeated a number of times, the voltage which arises at the piezoelectric element and the expansion of the piezoelectric element increase step by step.
Wurde der Ladeschalter 3 eine vorbestimmte Anzahl von Malen geschlossen und geöffnet und/oder hat das piezoelektrische Element 1 den gewünschten Ladezustand erreicht, so wird das Laden des piezoelektrischen Elements durch Offenlassen des Ladeschalters 3 beendet.If the charging switch 3 has been closed and opened a predetermined number of times and / or the piezoelectric element 1 has reached the desired charge state, the charging of the piezoelectric element is ended by leaving the charging switch 3 open.
Soll das piezoelektrische Element 1 wieder entladen werden, so wird dies durch ein wiederholtes Schließen und Öffnen des Entladeschalters 5 bewerkstelligt; der Ladeschalter 3 bleibt hierbei geöffnet.If the piezoelectric element 1 is to be discharged again, this is accomplished by repeatedly closing and opening the discharge switch 5 ; the charging switch 3 remains open.
Beim Schließen des Entladeschalters 5 stellen sich die in der Fig. 8 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 1 und der Spule 2 bestehender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 8 durch Pfeile angedeuteter Strom iEE(t) fließt. Dieser Stromfluß bewirkt, daß die im piezoelektrischen Element gespeicherte Energie (ein Teil der selben) in die Spule 2 transportiert wird. Entsprechend dem Energietransfer vom piezoelektrischen Element 1 zur Spule 2 nehmen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen ab.When the discharge switch 5 is closed, the conditions shown in FIG. 8 are established. In other words, a closed circuit consisting of a series connection of the piezoelectric element 1 and the coil 2 is formed, in which a current i EE (t), as indicated by arrows in FIG. 8, flows. This current flow causes the energy stored in the piezoelectric element (part of the same) to be transported into the coil 2 . Corresponding to the energy transfer from the piezoelectric element 1 to the coil 2 , the voltage established at the piezoelectric element and its external dimensions decrease.
Beim kurz (beispielsweise einige µs) nach dem Schließen des Entladeschalters 5 erfolgenden Öffnen desselben stellen sich die in der Fig. 9 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Ele ment 1, dem Kondensator 9, der Diode 4 und der Spule 2 beste hender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 9 durch Pfeile angedeuteter Strom iEA(t) fließt. Dieser Stromfluß bewirkt, daß in der Spule 2 gespeicherte Energie vollständig in den Kondensator 9 zurückgespeist wird. Nach erfolgtem Energietransport von der Spule 2 zum Kondensa tor 9 ist wieder der vorstehend bereits erwähnte stationäre Zustand der Schaltung nach Fig. 1 erreicht.When the discharge switch 5 is opened shortly (for example a few μs) after the discharge switch 5 is closed, the conditions shown in FIG. 9 are established. That is, a closed circuit consisting of a series circuit comprising the piezoelectric element 1 , the capacitor 9 , the diode 4 and the coil 2 is formed, in which a current i EA indicated by arrows in FIG. 9 (t) flows. This current flow causes energy stored in the coil 2 to be completely fed back into the capacitor 9 . After the energy has been transported from the coil 2 to the capacitor 9 , the above-mentioned stationary state of the circuit according to FIG. 1 is reached again.
Dann oder auch schon vorher oder erst später (je nach dem ge wünschten zeitlichen Verlauf des Entladevorgangs wird der Entladeschalter 5 erneut geschlossen und wieder geöffnet, wo bei sich die vorstehend beschriebenen Vorgänge wiederholen. Durch das erneute Schließen und Öffnen des Entladeschalters 5 nimmt die im piezoelektrischen Element 1 gespeicherte Energie weiter ab, und dementsprechend nehmen die sich am piezoelek trischen Element einstellende Spannung und dessen äußere Ab messungen ebenfalls ab.Then or even before or only later (depending on the desired chronological course of the discharge process, the discharge switch 5 is closed again and opened again, where the processes described above are repeated. By closing and opening the discharge switch 5 , the discharge takes place in the piezoelectric Element 1 stored energy continues to decrease, and accordingly the voltage set at the piezoelectric element and its external dimensions also decrease.
Wiederholt man das beschriebene Schließen und Öffnen des Ent ladeschalters 5 eine Vielzahl von Malen, so nehmen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements stufenweise ab.If one repeats the described closing and opening of the charging switch 5 a large number of times, the voltage arising at the piezoelectric element and the expansion of the piezoelectric element gradually decrease.
Wurde der Entladeschalter 5 eine vorbestimmte Anzahl von Ma len geschlossen und geöffnet und/oder hat das piezoelektri sche Element den gewünschten Entladezustand erreicht, so wird das Entladen des piezoelektrischen Elements durch Offenlassen des Entladeschalters 5 beendet.If the discharge switch 5 has been closed and opened a predetermined number of times and / or the piezoelectric element has reached the desired discharge state, then the discharge of the piezoelectric element is ended by leaving the discharge switch 5 open.
Auf die beschriebene Art und Weise können anstelle von nur einem piezoelektrischen Element auch eine Vielzahl von piezo elektrischen Elementen geladen und entladen werden.In the way described, instead of just a piezoelectric element also a variety of piezo electrical elements are charged and discharged.
Eine Schaltung, welche dies ermöglicht, ist in Fig. 10 dar gestellt. Die Schaltung gemäß Fig. 10 ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. A circuit which enables this is shown in Fig. 10. The circuit of FIG. 10 is a device according to the preamble of claim 1.
Die in der Fig. 10 gezeigte Schaltung basiert auf der in der Fig. 5 gezeigten Schaltung; einander entsprechende Elemente sind mit den selben Bezugszeichen bezeichnet.The circuit shown in FIG. 10 is based on the circuit shown in FIG. 5; Corresponding elements are identified by the same reference symbols.
Der Hauptunterschied zwischen der Schaltung gemäß Fig. 5 und der Schaltung gemäß Fig. 10 besteht darin, daß anstelle des piezoelektrischen Elements 1 gemäß Fig. 5 eine Parallel schaltung aus einer Vielzahl (n) von Piezozweigen 11, 12, . . . ,1n vorgesehen ist, wobei jeder Piezozweig aus einer Reihenschaltung aus einem piezoelektrischen Element 11 1, 12 1, . . . 1n1 und einer Parallelschaltung aus einem Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 und einer Diode 11 3, 12 3 . . . , 1n3 besteht.The main difference between the circuit shown in FIG. 5 and the circuit shown in FIG. 10 is that instead of the piezoelectric element 1 shown in FIG. 5, a parallel circuit made of a plurality (s) of piezo branches 11 , 12 ,. . . , 1n is provided, each piezo branch consisting of a series connection of a piezoelectric element 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 and a parallel connection from a selection switch 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 and a diode 11 3 , 12 3 . . . , 1n 3 exists.
Weitere Unterschiede bestehen darin, daß die piezoelektri schen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1, genauer gesagt die diese enthaltenden Piezozweige 11, 12 . . . 1n nicht mehr direkt, sondern "nur" über einen Widerstand 33 mit Masse verbunden sind, und daß parallel zu dieser Anordnung eine Reihen schaltung aus einem Widerstand 31 und einer Parallelschaltung aus einem Stop-Schalter 32 und einer Diode 34 vorgesehen ist.Further differences are that the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 . . . 1 n 1 , more precisely the piezo branches 11 , 12 containing them. . . 1 n no longer directly, but "only" are connected to ground via a resistor 33 , and that a series circuit comprising a resistor 31 and a parallel circuit comprising a stop switch 32 and a diode 34 is provided in parallel with this arrangement.
Der erste Widerstand 31, der Stop-Schalter 32, und die Diode 34 dienen dazu, die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 vollständig zu entladen (falls diese durch das "nor male" Entladen nicht vollständig entladen wurden). Der Stop- Schalter 32 wird vorzugsweise nach dem "normalen" Entladen (dem getakteten Entladen über den Entladeschalter 5) ge schlossen. Er schließt damit die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 über die Widerstände 31 und 33 kurz und sorgt so für das Entfernen von eventuell in den piezoelektrischen Elementen 11 1, 12 1, . . . 1n1 verbliebenen Restladungen.The first resistor 31 , the stop switch 32 , and the diode 34 serve to separate the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 . . . 1 n 1 to be fully unloaded (if these were not fully unloaded by the "normal male" unloading). The stop switch 32 is preferably closed after the "normal" discharge (the clocked discharge via the discharge switch 5 ). It thus closes the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 via the resistors 31 and 33 briefly and thus ensures the removal of any in the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 remaining charges.
Der zweite Widerstand 33 dient zur Messung der beim Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente fließenden Ströme. The second resistor 33 is used to measure the currents flowing during charging and discharging of the piezoelectric elements.
Die Kenntnis dieser Ströme ermöglicht ein geregeltes Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente; insbesondere kann durch ein von der Größe der Ströme abhängendes Schließen und Öffnen des Ladeschalters 3 und des Entladeschalters 5 er reicht werden, daß der Ladestrom und der Entladestrom auf vorbestimmte Mittelwerte eingestellt werden und/oder vorbe stimmte Maximalwerte und/oder Minimalwerte nicht übersteigen bzw. unterschreiten.Knowing these currents enables controlled charging and discharging of the piezoelectric elements; in particular, by closing and opening the charge switch 3 and the discharge switch 5 depending on the size of the currents, it is sufficient that the charge current and the discharge current are set to predetermined mean values and / or do not exceed or fall below predetermined maximum values and / or minimum values .
Die Diode 34 verhindert das Auftreten negativer Spannungen an den piezoelektrischen Elementen, da diese hierdurch unter Um ständen zerstört werden können.The diode 34 prevents the occurrence of negative voltages on the piezoelectric elements, since they can thereby be destroyed under circumstances.
Die Auswahlschalter-Dioden-Paare in den einzelnen Piezo zweigen, d. h. der Auswahlschalter 11 2 und die Diode 11 3 im Piezozweig 11, der Auswahlschalter 12 2 und die Diode 12 3 im Piezozweig 12, und der Auswahlschalter 1n2 und die Diode 1n3 im Piezozweig in können durch elektronische Schalter mit parasitären Dioden wie beispielsweise MOS-FETs realisiert werden; die Dioden 11 3, 12 3 . . . 1n3 sind bei Realisierung der Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 durch MOS-FETs oder sonstige Schalter mit parasitären Dioden automatisch vorhanden.The selection switch-diode pairs in the individual piezo branches, ie the selection switch 11 2 and the diode 11 3 in the piezo branch 11 , the selection switch 12 2 and the diode 12 3 in the piezo branch 12 , and the selection switch 1 n 2 and the diode 1 n 3 in the piezo branch in can be realized by electronic switches with parasitic diodes such as MOS-FETs; the diodes 11 3 , 12 3 . . . 1 n 3 are when the selector switches 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 automatically available through MOS-FETs or other switches with parasitic diodes.
Entsprechendes gilt auch für den Stop-Schalter 32 und die Diode 34.The same also applies to the stop switch 32 and the diode 34 .
Das Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 erfolgt dem Wesen nach wie das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements 1 gemäß Fig. 5. D. h., zum Laden wird der Ladeschalter 3 wiederholt geschlossen und geöffnet, und zum Entladen wird der Entladeschalter 5 wiederholt ge schlossen und geöffnet.The charging and discharging of the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 . . . 1 n 1 takes place in essence as the loading and unloading of the piezoelectric element 1 as shown in FIG. 5. That is, the charging switch 3 is repeatedly closed and opened for charging, and the discharging switch 5 is repeatedly closed and opened for unloading.
Welches bzw. welche der piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 beim wiederholten Schließen und Öffnen des Ladeschal ters 3 geladen werden, wird durch die Auswahlschalter 11 2, 12 2 . . . 1n2 bestimmt; es werden jeweils all diejenigen piezo elektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . 1n1 geladen, deren Auswahl schalter 11 2, 12 2 . . . 1n2 während des wiederholten Schließens und Öffnens des Ladeschalters 3 geschlossen sind.Which or which of the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 . . . 1 n 1 when repeated closing and opening of the charging switch 3 is loaded by the selection switches 11 2 , 12 2 . . . 1 n 2 determined; each of those piezoelectric elements 11 1 , 12 1 . . 1n 1 loaded, their selection switches 11 2 , 12 2 . . . 1 n 2 are closed during the repeated closing and opening of the charging switch 3 .
Die Auswahl der zu ladenden piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 durch Schließen der zugeordneten Auswahlschalter 11 2, 12 2 . . . 1n2 und das Aufheben der Auswahl durch Öffnen der betreffenden Schalter wird in der Regel außerhalb des Lade vorganges erfolgen; in bestimmten Fällen, z. B. wenn mehrere der piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 gleichzeitig unterschiedlich stark aufgeladen werden sollen, kann das Öff nen und Schließen der Auswahlschalter 11 2, 12 2 . . . 1n2 jedoch auch während des Ladevorganges erfolgen.The selection of the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 to be charged. . . 1 n 1 by closing the assigned selection switches 11 2 , 12 2 . . . 1 n 2 and the deselection by opening the relevant switch will usually take place outside the charging process; in certain cases, e.g. B. if several of the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 . . . 1 n 1 are to be charged to different degrees at the same time, opening and closing the selector switches 11 2 , 12 2 . . . 1 n 2, however, also take place during the charging process.
Die sich beim Laden der ausgewählten piezoelektrischen Ele mente 11 1, 12 1 . . . 1n1 einstellenden Vorgänge sind im wesent lichen identisch mit den sich bei der Schaltung gemäß Fig. 5 einstellenden Vorgängen. Es haben auch die Fig. 6 und 7 und die darauf bezugnehmenden Erläuterungen Gültigkeit; ein ziger Unterschied ist, daß nicht das piezoelektrische Element 1, sondern eines oder mehrere der piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 geladen werden.When loading the selected piezoelectric elements 11 1 , 12 1 . . . 1 n 1 adjusting processes are essentially identical to the adjusting processes in the circuit according to FIG. 5. It will also have the 6 and 7 and referring to it on explanations validity. a ziger difference is that not the piezoelectric element 1 , but one or more of the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 . . . 1 n 1 can be loaded.
Das Entladen der piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 erfolgt unabhängig von der Stellung der zugeordneten Auswahl schalter 11 2, 12 2 . . . 1n2, denn der die Entladung der piezo elektrischen Elemente bewirkende Entladestrom kann über die den jeweiligen piezoelektrischen Elementen zugeordneten Dioden 11 3, 12 3, . . . 1n3 fließen. Durch den Entladevorgang werden daher sämtliche vollständig oder teilweise geladenen piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 entladen.The discharge of the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 . . . 1 n 1 occurs regardless of the position of the assigned selection switch 11 2 , 12 2 . . . 1 n 2 , because the discharge current causing the discharge of the piezoelectric elements can be via the diodes 11 3 , 12 3 ,. . . 1 n 3 flow. The discharging process therefore causes all the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 to be fully or partially charged. . . Unload 1 n 1 .
Die sich beim Entladen der piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 einstellenden Vorgänge sind im wesentlichen identisch mit den sich bei der Schaltung gemäß Fig. 5 einstellenden Vorgängen. Es haben auch die Fig. 8 und 9 und die darauf bezugnehmenden Erläuterungen Gültigkeit; einziger Unterschied ist, daß nicht das piezoelektrische Element 1, sondern die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 entladen werden.Which occurs when the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 are discharged. . . 1 n 1 setting processes are essentially identical to the setting in the circuit of FIG. 5. It will also have the 8 and 9 and referring to it on explanations validity. the only difference is that it is not the piezoelectric element 1 but the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 . . . 1 n 1 can be discharged.
Das Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente durch eine einzige Lade- und/oder Entladevorrichtung erweist sich als vorteilhaft, weil sich dadurch der zum Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente zu treibende Aufwand möglichst gering halten läßt.The loading and unloading of several piezoelectric elements proven by a single loading and / or unloading device to be advantageous because it makes it easier to load and Discharge of several piezoelectric elements to be driven Keep the effort as low as possible.
Mitunter besteht jedoch die Notwendigkeit, daß mehrere der vorhandenen piezoelektrischen Elemente unabhängig voneinander geladen und/oder entladen werden müssen. Bei Verwendung der piezoelektrischen Elemente als Aktoren in Kraftstoff-Ein spritzdüsen ist dies beispielsweise der Fall, wenn während der Haupteinspritzung an einem ersten Zylinder gleichzeitig eine Voreinspritzung oder eine Nacheinspritzung an einem anderen Zylinder vorgenommen werden soll.Sometimes, however, there is a need for several of the existing piezoelectric elements independently must be loaded and / or unloaded. When using the piezoelectric elements as actuators in fuel-on spray nozzles, for example, if during the main injection on a first cylinder at the same time a pre-injection or a post-injection on one other cylinder should be made.
Dies ist insofern problematisch, weil sich die Haupt einspritzung und die Voreinspritzung bzw. die Nach einspritzung, genauer gesagt das diese bewirkende Laden und Entladen der jeweiligen piezoelektrischen Elemente in der Regel nicht gegenseitig beeinflussen dürfen.This is problematic in that the main injection and the pre-injection or the after injection, more precisely the effect of this loading and Discharge the respective piezoelectric elements in the Rule must not influence each other.
Ein gänzlich unabhängig voneinander erfolgendes Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente kann durch die Vorrichtung gemäß Fig. 10 nicht oder jedenfalls nicht unter allen Umständen gewährleistet werden. So ist es beispiels weise nicht möglich, ein bestimmtes piezoelektrisches Element ohne Beeinflussung der restlichen piezoelektrischen Elemente zu entladen. Die Folge hiervon ist, daß Haupteinspritzung, Voreinspritzung und/oder Nacheinspritzung bei Verwendung der Vorrichtung gemäß Fig. 10 nicht gänzlich unabhängig vonein ander ausführbar sind, wodurch der betreffende Motor nicht unter allen Umständen optimal betrieben werden kann.A completely independent charging and discharging of several piezoelectric elements cannot be guaranteed by the device according to FIG. 10, or at least not in all circumstances. For example, it is not possible to discharge a specific piezoelectric element without influencing the remaining piezoelectric elements. The consequence of this is that main injection, pre-injection and / or post-injection when using the device according to FIG. 10 cannot be carried out completely independently of one another, as a result of which the engine in question cannot be operated optimally under all circumstances.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7 derart weiterzubilden, daß mehrere piezoelektrische Elemente mit minimalem Aufwand unabhängig voneinander lad- und entlad bar sind.The present invention is therefore based on the object the device according to the preamble of claim 1 and the method according to the preamble of patent claim 7 to develop in such a way that several piezoelectric elements independent loading and unloading with minimal effort are cash.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen den Teil des Patentanspruchs 1 (Vorrichtung) bzw. die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 7 (Verfahren) bean spruchten Merkmale gelöst.According to the invention, this object is characterized by the the part of claim 1 (device) or in characterizing part of claim 7 (method) bean characteristics resolved.
Demnach ist vorgesehen,
Accordingly, it is provided
- - daß die piezoelektrischen Elemente in jeweils ein oder meh rere piezoelektrische Elemente umfassende Gruppen unter teilt sind, welche unabhängig voneinander ladbar und ent ladbar sind (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 1), bzw.- That the piezoelectric elements in one or more groups comprising piezoelectric elements are divided, which are independently loadable and ent are loadable (characterizing part of patent claim 1), respectively.
- - daß vor dem Laden und Entladen festgelegt wird, welche von jeweils einen Teil der vorhandenen piezoelektrischen Ele mente umfassenden Gruppen von piezoelektrischen Elementen vom Laden oder Entladen betroffen sein sollen (kennzeich nender Teil des Patentanspruchs 7).- That before loading and unloading is determined which of each a part of the existing piezoelectric ele mente comprehensive groups of piezoelectric elements should be affected by loading or unloading (marked ning part of claim 7).
Bei geeigneter Anzahl und Zusammensetzung der Gruppen von piezoelektrischen Elementen können sämtliche piezoelektri schen Elemente durch eine einzige Lade- und Entladevorrich tung unabhängig voneinander ge- und entladen werden. With a suitable number and composition of the groups of Piezoelectric elements can all piezoelectric elements through a single loading and unloading device can be loaded and unloaded independently of each other.
Eine solche Vorgehensweise erweist sich selbst bei sehr vie len piezoelektrischen Elementen als unkritisch. Zwar können insbesondere dann, wenn verschiedene piezoelektrische Ele mente sehr kurz hintereinander ge- und/oder entladen werden müssen, Probleme auftreten. Solche Überschneidungen sind jedoch wegen der äußerst kurzen Lade- und Entladezeiten von piezoelektrischen Elementen relativ unwahrscheinlich und las sen sich bei Bedarf durch ein geringfügiges Verschieben der Lade- und/oder Entladezeitpunkte relativ problemlos hand haben.Such a procedure proves itself with very many len piezoelectric elements as uncritical. You can especially when different piezoelectric elements elements can be loaded and / or unloaded in very short succession have problems. Such overlaps are however due to the extremely short loading and unloading times of Piezoelectric elements relatively unlikely and read if necessary by slightly moving the Loading and / or unloading times relatively easy to have.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Figuren ent nehmbar.Advantageous developments of the invention are the sub claims, the following description and the figures ent acceptable.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained below with reference to exemplary embodiments play explained with reference to the figures. It demonstrate
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der nachfolgend näher beschriebenen Anordnung zum Laden und Entladen mehre rer piezoelektrischer Elemente, Fig. 1 shows a first embodiment of the arrangement described in more detail below for loading and unloading several rer of piezoelectric elements,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der nachfolgend näher beschriebenen Anordnung zum Laden und Entladen mehre rer piezoelektrischer Elemente, Fig. 2 shows a second embodiment of the arrangement described in more detail below for loading and unloading several rer of piezoelectric elements,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der nachfolgend näher beschriebenen Anordnung zum Laden und Entladen mehre rer piezoelektrischer Elemente, Fig. 3 shows a third embodiment of the arrangement described in more detail below for loading and unloading several rer of piezoelectric elements,
Fig. 4 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines ineinan der verschachtelten Ladens und Entladens von piezo elektrischen Elementen aus verschiedenen Gruppen von piezoelektrischen Elementen, FIG. 4 is a diagram illustrating a nested charge and discharge of piezoelectric elements from different groups of piezoelectric elements,
Fig. 5 eine herkömmliche Anordnung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements, Fig. 5 shows a conventional arrangement for charging and discharging a piezoelectric element,
Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer ersten Ladephase (Ladeschalter 3 geschlossen) in der Schaltung nach Fig. 5 einstellenden Verhält nisse, Fig. 6 is a diagram for explaining the up (closed charging switch 3) during a first charging phase nit in the circuit of Fig. 5 adjusting behaves
Fig. 7 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer zweiten Ladephase (Ladeschalter 3 wieder ge öffnet) in der Schaltung nach Fig. 5 einstellenden Verhältnisse, Fig. 7 is a diagram for explaining the during a second charging phase (charge switch 3 again ge opens) in the circuit of Fig. 5-adjusting conditions,
Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer ersten Entladephase (Entladeschalter 5 ge schlossen) in der Schaltung nach Fig. 5 einstellen den Verhältnisse, Fig. 8 is a view for explaining during a first discharging phase (discharge switch 5 closed ge) in the circuit of Fig. 5 to adjust the conditions,
Fig. 9 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer zweiten Entladephase (Entladeschalter 5 wieder geöffnet) in der Schaltung nach Fig. 5 einstellenden Verhältnisse, Fig. 9 is a diagram for explaining the up (opened discharge 5) during a second discharging phase in the circuit of Fig. 5-adjusting conditions,
Fig. 10 eine herkömmliche Anordnung zum gleichzeitigen oder aufeinanderfolgenden Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente. Fig. 10 shows a conventional arrangement for the simultaneous or sequential charging and discharging a plurality of piezoelectric elements.
Die piezoelektrischen Elemente, deren Laden und Entladen im folgenden näher beschrieben wird, sind im betrachteten Bei spiel Stellglieder in Kraftstoff-Einspritzdüsen (insb esondere in sogenannten Common Rail Injektoren) von Brennkraftmaschi nen. Auf einen derartigen Einsatz der piezoelektrischen Ele mente besteht jedoch keinerlei Einschränkung; die piezoelek trischen Elemente können grundsätzlich in beliebigen Vorrich tungen für beliebige Zwecke eingesetzt werden.The piezoelectric elements, their loading and unloading in the the following is described in more detail in the considered case play actuators in fuel injectors (esp in so-called common rail injectors) from internal combustion engines nen. On such use of the piezoelectric ele However, there are no restrictions; the piezoelek Trical elements can basically be used in any device be used for any purpose.
Bei den nachfolgend beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zum Laden von piezoelektrischen Elementen erfolgt das Laden und Entladen dem Wesen nach wie bei der Anordnung gemäß Fig. 10.In the methods and devices for charging piezoelectric elements described below, charging and discharging is essentially the same as in the arrangement according to FIG. 10.
Der Aufbau der nachfolgend näher beschriebenen (in den Fig. 1 bis 3 gezeigten) Anordnungen stimmt weitgehend mit dem Aufbau der Anordnung gemäß Fig. 10 überein. Mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnete Elemente entsprechen einander und werden zur Vermeidung von Wiederholungen nicht nochmals be schrieben; es wird auf die sich auf die Fig. 5 bis 10 be ziehenden Ausführungen verwiesen.The structure of the arrangements described in more detail below (shown in FIGS. 1 to 3) largely corresponds to the structure of the arrangement according to FIG. 10. Elements designated by the same reference numerals correspond to one another and are not described again to avoid repetition; reference is made to the explanations relating to FIGS. 5 to 10.
Im Gegensatz zu der in der Fig. 10 gezeigten Anordnung sind die mehreren piezoelektrischen Elemente jedoch auf jeweils ein oder mehrere piezoelektrische Elemente umfassende Gruppen (Bänke) verteilt, welche unabhängig voneinander ladbar und entladbar sind.In contrast to the arrangement shown in FIG. 10, the plurality of piezoelectric elements are, however, distributed to groups (banks) each comprising one or more piezoelectric elements, which can be charged and discharged independently of one another.
In den betrachteten (in den Fig. 1 bis 3 gezeigten) Aus führungsbeispielen der neuartigen Anordnung sind die vorhan denen piezoelektrischen Elemente auf zwei Gruppen von piezo elektrischen Elementen, nämlich eine erste Gruppe B1 und eine zweite Gruppe B2 verteilt. Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die vorhandenen piezoelektrischen Elemente auch auf beliebig viel mehr Gruppen aufgeteilt sein können.In the considered (shown in FIGS. 1 to 3) From exemplary embodiments of the novel arrangement, the existing piezoelectric elements are distributed over two groups of piezoelectric elements, namely a first group B1 and a second group B2. At this point it should be pointed out that the existing piezoelectric elements can also be divided into any number of groups.
Die erste Gruppe B1 umfaßt piezoelektrische Elemente 1 1 bis 1n1, und die zweite Gruppe B2 umfaßt piezoelektrische Ele mente 21 1 bis 2n1. Die Anzahl der piezoelektrischen Elemente, die in den einzelnen Gruppen enthalten sind, können unabhän gig voneinander frei gewählt werden.The first group B1 comprises piezoelectric elements 1 1 to 1 n 1 , and the second group B2 comprises piezoelectric elements 21 1 to 2 n 1 . The number of piezoelectric elements contained in the individual groups can be chosen independently of one another.
Die piezoelektrischen Elemente sind Bestandteil von parallel verschalteten Piezozweigen 11 bis 1n (Gruppe B1) und 21 bis 2n (Gruppe B2), wobei die jeweiligen Piezozweige wie die Piezozweige 11, 12, . . . 1n der Anordnung gemäß Fig. 10 auf gebaut sind.The piezoelectric elements are a component of parallel-connected piezo branches 11 to 1 n (group B1) and 21 to 2 n (group B2), the respective piezo branches like the piezo branches 11 , 12 ,. . . 1 n of the arrangement shown in FIG. 10 are built on.
Die Gruppen B1 und B2 sind Bestandteil von parallel zueinan der verschalteten Schaltungsteilen, und, wie vorstehend be reits erwähnt wurde, unabhängig voneinander ladbar und ent ladbar, wobei das Laden und Entladen sämtlicher Gruppen durch eine einzige (für alle Gruppen und deren piezoelektrischen Elemente gemeinsame) Lade- und Entladevorrichtung erfolgt.The groups B1 and B2 are part of parallel to each other the interconnected circuit parts, and, as above, be was already mentioned, independently loadable and ent loadable, whereby the loading and unloading of all groups by one (for all groups and their piezoelectric Common elements) loading and unloading device.
Die gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung ist im betrachte ten Beispiel identisch mit der Lade- und Entladevorrichtung gemäß Fig. 10, besteht also aus der Batterie 7, dem Gleich spannungswandler 8, dem Kondensator 9, dem Ladeschalter 3, der Diode 4, dem Entladeschalter 5, der Diode 6, und der Spule 2. Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß hinsichtlich des Aufbaus der gemeinsamen Lade- und Ent ladevorrichtung keine Einschränkungen bestehen. Es kann sich auch um eine beliebig anders aufgebaute und/oder arbeitende Lade- und Entladevorrichtung handeln.The common charging and discharging device in the example considered is identical to the charging and discharging device according to FIG. 10, so it consists of the battery 7 , the DC converter 8 , the capacitor 9 , the charge switch 3 , the diode 4 , the discharge switch 5 , the diode 6 , and the coil 2 . It should be noted at this point that there are no restrictions on the structure of the common loading and unloading device. It can also be a loading and unloading device of any design and / or operation.
Welche der Gruppen von piezoelektrischen Elementen durch die gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung jeweils geladen bzw. entladen wird, ist durch Gruppenauswahlschalter einstellbar. Bei den betrachteten Beispielen ist jeder Gruppe von piezo elektrischen Elementen ein solcher Gruppenauswahlschalter zugeordnet.Which of the groups of piezoelectric elements through the common loading and unloading device each loaded or is discharged, can be set using the group selection switch. In the examples considered, each group is of piezo electrical elements of such a group selection switch assigned.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel der vorliegend näher betrachteten Anordnung sind diese Gruppen auswahlschalter mit den Bezugszeichen 42 (für die erste Gruppe B1) und 52 (für die zweite Gruppe B2) bezeichnet und zwischen der Spule 2 und den jeweiligen Gruppen B1 und B2 (den spulenseitigen Anschlüssen derselben) angeordnet.In the first exemplary embodiment of the arrangement shown in more detail in FIG. 1, these group selection switches are designated with the reference symbols 42 (for the first group B1) and 52 (for the second group B2) and between the coil 2 and the respective groups B1 and B2 (the coil-side terminals thereof) are arranged.
Parallel zu den Gruppenauswahlschaltern sind Dioden 41 bzw. 51 vorgesehen. Diese Dioden 41 und 51 können, falls die Gruppenauswahlschalter als MOS-FETs realisiert werden, durch die parasitären Dioden derselben gebildet werden.Diodes 41 and 51 are provided in parallel with the group selection switches. If the group selection switches are implemented as MOS-FETs, these diodes 41 and 51 can be formed by their parasitic diodes.
Die masseseitigen Anschlüsse der Gruppen B1 und B2 sind über den (dem Widerstand 33 gemäß Fig. 10 entsprechenden) Wider stand 33 mit Masse verbunden.The ground-side connections of the groups B1 and B2 are connected via the (corresponding to the resistor 33 according to FIG. 10) opponent 33 to ground.
Auch der erste Widerstand 31, der Stop-Schalter 32 und die Diode 34 gemäß Fig. 10 sind in der Anordnung gemäß Fig. 1 enthalten; diese sind nunmehr jedoch zwischen dem gruppen schalterseitigen Anschluß der Spule 2 und Masse angeordnet.The first resistor 31 , the stop switch 32 and the diode 34 according to FIG. 10 are also included in the arrangement according to FIG. 1; However, these are now arranged between the group-side connection of the coil 2 and ground.
Zwar sind der erste Widerstand 31, der Stop-Schalter 32, der zweite Widerstand 33, und die Diode 34 etwas anders angeord net als die mit diesen Bezugszeichen bezeichneten Elemente in Fig. 10, doch sind deren Funktion und Wirkungsweise iden tisch. Durch die veränderte Anordnung von erstem Widerstand 31, Stop-Schalter 32, zweitem Widerstand 33, und Diode 34 können diese Elemente als für alle Gruppen gemeinsame Ele mente benutzt werden.Although the first resistor 31 , the stop switch 32 , the second resistor 33 , and the diode 34 are arranged somewhat differently from the elements designated by these reference numerals in FIG. 10, their function and mode of operation are identical. Due to the changed arrangement of first resistor 31 , stop switch 32 , second resistor 33 , and diode 34 , these elements can be used as elements common to all groups.
Das Laden der Gruppen B1 bzw. B2, genauer gesagt der in die sen enthaltenen piezoelektrischen Elemente erfolgt auf die unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 10 beschriebene Art und Weise und ist unabhängig von der Stellung der Gruppen auswahlschalter 42 und 52. The loading of the groups B1 and B2, more precisely the piezoelectric elements contained therein, is carried out in the manner described with reference to FIGS. 5 to 10 and is independent of the position of the group selection switches 42 and 52 .
Das Entladen der piezoelektrischen Elemente erfolgt ebenfalls auf die unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 10 beschrie bene Art und Weise; zum Entladen der piezoelektrischen Ele mente einer jeweiligen Gruppe muß jedoch der zugeordnete Gruppenauswahlschalter 42 und 52 geschlossen sein.The discharge of the piezoelectric elements is also carried out in the manner described with reference to FIGS. 5 to 10; to discharge the piezoelectric ele ments of a respective group, however, the assigned group selection switches 42 and 52 must be closed.
Bei geeigneter Anzahl von Gruppen und geeigneter Verteilung der vorhandenen piezoelektrischen Elemente auf die Gruppen können die piezoelektrischen Elemente unabhängig voneinander geladen und entladen werden.With a suitable number of groups and a suitable distribution of the existing piezoelectric elements on the groups can the piezoelectric elements independently be loaded and unloaded.
Dies soll nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 4 anhand eines einfachen Beispiels erläutert werden.This will be explained below with reference to FIG. 4 using a simple example.
Das Beispiel betrifft den Fall, daß während der Durchführung einer Haupteinspritzung an einem ersten Zylinder eine Vor- oder Nacheinspritzung an einem zweiten Zylinder durchgeführt werden soll, wobei die Haupteinspritzung zwischen t1 = 100 µs und t2 = 500 µs, und die Vor- oder Nacheinspritzung bei t3 = 300 µs erfolgen soll.The example concerns the case that during execution a main injection on a first cylinder or post-injection performed on a second cylinder should be, with the main injection between t1 = 100 µs and t2 = 500 µs, and the pre or post injection at t3 = 300 µs should take place.
Dies läßt sich, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, problemlos bewerkstelligen, wenn das in der Kraftstoff- Einspritzdüse des ersten Zylinders enthaltene piezoelektri sche Element in der ersten Gruppe B1 von piezoelektrischen Elementen enthalten ist, und wenn das in der Kraftstoff- Einspritzdüse des zweiten Zylinders enthaltene piezoelektri sche Element in der zweiten Gruppe B2 von piezoelektrischen Elementen enthalten ist.This can, as will be explained in more detail below, manage without any problems if this is in the fuel Injection nozzle of the first cylinder contained piezoelectric cal element in the first group B1 of piezoelectric Elements, and if that's in the fuel Injection nozzle of the second cylinder contained piezoelectric cal element in the second group B2 of piezoelectric Elements is included.
Es sei angenommen, daß das in der Kraftstoff-Einspritzdüse des ersten Zylinders enthaltene piezoelektrische Element das piezoelektrische Element 11 1, ist, und daß das in der Kraft stoff-Einspritzdüse des zweiten Zylinders enthaltene piezo elektrische Element das piezoelektrische Element 21 1 ist. It is assumed that the piezoelectric element contained in the fuel injector of the first cylinder is the piezoelectric element 11 1 , and that the piezoelectric element contained in the fuel injector of the second cylinder is the piezoelectric element 21 1 .
Die Fig. 4, unter Bezugnahme auf welche das Beispiel nun er läutert werden soll, zeigt in der oberen Hälfte Ansteuer signale zur Ansteuerung der Gruppenauswahlschalter 42 und 52, und in der unteren Hälfte die sich an den piezoelektrischen Elementen 11 1 und 21 1 einstellenden Spannungsverläufe. Fig. 4, with reference to which the example is now to be explained, shows in the upper half control signals for controlling the group selection switches 42 and 52 , and in the lower half of the voltage curves which occur at the piezoelectric elements 11 1 and 21 1 .
Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, sind die piezoelektri schen Elemente 11 1 und 21 1 zunächst entladen, und die Gruppen auswahlschalter 42 und 52 geöffnet. Zum Zeitpunkt t = ca. 20 µs beginnt das Laden des piezoelektrischen Elements 11 1. Zu diesem Zeitpunkt wird das betreffende piezoelektrische Ele ment durch Schließen des Auswahlschalters 11 2 zum Laden aus gewählt, und gleichzeitig wird damit begonnen, den Lade schalter 3 wiederholt zu schließen und zu öffnen, wodurch das piezoelektrische Element 11 1 wie in der unteren Hälfte der Fig. 4 veranschaulicht geladen wird. Zum vorstehend bereits erwähnten Zeitpunkt t1 = 100 µs hat das piezoelektrische Ele ment 11 1 den zur Kraftstoffeinspritzung erforderlichen Lade zustand erreicht, und das Laden kann beendet werden. Hierzu werden das wiederholte Schließen und Öffnen des Ladeschalters 3 beendet sowie der Auswahlschalter 11 2 geöffnet. Die Anord nung befindet sich danach im stationären Zustand. D. h., es erfolgt weder ein Laden noch ein Entladen von piezoelektri schen Elementen, und die piezoelektrischen Elemente behalten ihren Zustand im wesentlichen unverändert bei. Zum Zeitpunkt t = ca. 200 µs beginnt das Laden des piezoelektrischen Ele ments 21 1. Zu diesem Zeitpunkt wird das betreffende piezo elektrische Element durch Schließen des Auswahlschalters 21 2 zum Laden ausgewählt, und gleichzeitig wird damit begonnen, den Ladeschalter 3 wiederholt zu schließen und zu öffnen, wodurch das piezoelektrische Element 21 1 wie in der unteren Hälfte der Fig. 4 veranschaulicht geladen wird. Zum vor stehend bereits erwähnten Zeitpunkt t3 = 300 µs hat das piezoelektrische Element 21 1 den zur Kraftstoffeinspritzung erforderlichen Ladezustand erreicht, und das Laden kann been det werden. Hierzu werden das wiederholte Schließen und Öff nen des Ladeschalters 3 beendet sowie der Auswahlschalter 21 2 geöffnet. Die Anordnung befindet sich danach wieder im stationären Zustand. D. h., es erfolgt weder ein Laden noch ein Entladen von piezoelektrischen Elementen, und die piezo elektrischen Elemente behalten ihren Zustand im wesentlichen unverändert bei. Einige µs später kann die durch das Laden des piezoelektrischen Elements 21 1 begonnene Vor- oder Nach einspritzung beendet, das piezoelektrische Element 21 1 also wieder entladen werden. Hierzu wird der zweite Gruppen auswahlschalter 52 geschlossen, und gleichzeitig wird damit begonnen, den Entladeschalter 5 wiederholt zu schließen und zu öffnen, wodurch das piezoelektrische Element 21 1 wie in der unteren Hälfte der Fig. 4 veranschaulicht entladen wird. Zum Zeitpunkt t = ca. 400 µs ist das piezoelektrische Element 21 1 entladen, und das Entladen kann beendet werden. Hierzu werden das wiederholte Schließen und Öffnen des Entlade schalters 5 beendet sowie der Gruppenauswahlschalter 52 ge öffnet. Die Anordnung befindet sich danach wieder im stationären Zustand. D. h., es erfolgt weder ein Laden noch ein Entladen von piezoelektrischen Elementen, und die piezo elektrischen Elemente behalten ihren Zustand im wesentlichen unverändert bei. Weil der erste Gruppenauswahlschalter 42 während des Entladens des piezoelektrischen Elements 21, ge öffnet war, hat das Entladen des piezoelektrischen Elements 21 1 keinen Einfluß auf das piezoelektrische Element 11 1. Die ses bleibt geladen, so daß die dadurch bewirkte Haupt einspritzung weiter andauert. Zum vorstehend bereits erwähn ten Zeitpunkt t2 = 500 µs soll die Haupteinspritzung beendet, das piezoelektrische Element 11 1 also wieder entladen werden. Hierzu wird der erste Gruppenauswahlschalter 42 geschlossen, und gleichzeitig wird damit begonnen, den Entladeschalter 5 wiederholt zu schließen und zu öffnen, wodurch das piezo elektrische Element 11 1 wie in der unteren Hälfte der Fig. 4 veranschaulicht entladen wird. Zum Zeitpunkt t = ca. 600 µs ist das piezoelektrische Element 11 1 entladen, und das Ent laden kann beendet werden. Hierzu werden das wiederholte Schließen und Öffnen des Entladeschalters 5 beendet sowie der Gruppenauswahlschalter 42 geöffnet. Die Anordnung befindet sich danach wieder im stationären Zustand. D. h., es erfolgt weder ein Laden noch ein Entladen von piezoelektrischen Elementen, und die piezoelektrischen Elemente behalten ihren Zustand im wesentlichen unverändert bei.As can be seen from FIG. 4, the piezoelectric elements 11 1 and 21 1 are initially discharged, and the group selection switches 42 and 52 are opened. The charging of the piezoelectric element 11 1 begins at the time t = approx. 20 μs. At this time, the piezoelectric element in question is selected by closing the selector switch 11 2 for charging, and at the same time, the charging switch 3 is repeatedly closed and opened, whereby the piezoelectric element 11 1 as in the lower half of FIG loading illustrated. 4,. At the aforementioned time t1 = 100 microseconds, the piezoelectric element 11 1 has reached the charge state required for fuel injection, and the charging can be ended. For this purpose, the repeated closing and opening of the charging switch 3 is ended and the selection switch 11 2 is opened. The arrangement is then in the steady state. That is, no charging or discharging of piezoelectric elements takes place, and the piezoelectric elements maintain their state essentially unchanged. The charging of the piezoelectric element 21 1 begins at the time t = approx. 200 μs. At this time, the piezoelectric element in question is selected for charging by closing the selection switch 21 2 , and at the same time, the charging switch 3 is started to be closed and opened repeatedly, whereby the piezoelectric element 21 1 as in the lower half of FIG. 4 illustrated loading. At the time t3 = 300 microseconds already mentioned above, the piezoelectric element 21 1 has reached the charge state required for fuel injection, and the charging can be ended. For this purpose, the repeated closing and opening of the charging switch 3 are ended and the selection switch 21 2 is opened. The arrangement is then again in the stationary state. That is, there is no charging or discharging of piezoelectric elements, and the piezoelectric elements remain essentially unchanged. A few microseconds later, the pre- or post-injection started by charging the piezoelectric element 21 1 can be ended, ie the piezoelectric element 21 1 can be discharged again. For this purpose, the second group selection switch 52 is closed, and at the same time the discharge switch 5 is repeatedly closed and opened, as a result of which the piezoelectric element 21 1 is discharged, as illustrated in the lower half of FIG. 4. At time t = approx. 400 μs, the piezoelectric element 21 1 is discharged and the discharging can be ended. For this purpose, the repeated closing and opening of the discharge switch 5 is ended and the group selection switch 52 opens ge. The arrangement is then again in the stationary state. That is, there is no charging or discharging of piezoelectric elements, and the piezoelectric elements remain essentially unchanged. Because the first group selection switch 42 was opened during the discharge of the piezoelectric element 21 , the discharge of the piezoelectric element 21 1 has no influence on the piezoelectric element 11 1 . The ses remains loaded, so that the main injection caused thereby continues. At the time t2 = 500 μs already mentioned above, the main injection is to be ended, ie the piezoelectric element 11 1 is to be discharged again. For this purpose, the first group selection switch 42 is closed and, at the same time, the discharge switch 5 is repeatedly closed and opened, as a result of which the piezoelectric element 11 1 is discharged, as illustrated in the lower half of FIG. 4. At time t = approx. 600 μs, the piezoelectric element 11 1 is discharged, and the discharging can be ended. For this purpose, the repeated closing and opening of the discharge switch 5 is ended and the group selection switch 42 is opened. The arrangement is then again in the stationary state. That is, there is no charging or discharging of piezoelectric elements, and the piezoelectric elements remain essentially unchanged.
Die vorstehenden Erläuterungen machen deutlich, daß die vor handenen piezoelektrischen Elemente durch eine geeignete Auf teilung auf mehrere Gruppen von piezoelektrischen Elementen unabhängig voneinander geladen und entladen werden können.The above explanations make it clear that the above existing piezoelectric elements by a suitable on division into several groups of piezoelectric elements can be loaded and unloaded independently.
Zwar ist es nicht gänzlich ausgeschlossen, daß für einen optimalen Betrieb der die mehreren piezoelektrischen Elemente enthaltenen Vorrichtung sich zeitlich überschneidende Lade- und/oder Entladevorgänge erforderlich wären. Solche Über schneidungen sind jedoch wegen der äußerst kurzen Lade- und Entladezeiten von piezoelektrischen Elementen relativ un wahrscheinlich und lassen sich bei Bedarf durch ein gering fügiges Verschieben eines oder mehrerer Lade- und/oder Entladezeitpunkte relativ problemlos handhaben.It is not entirely impossible that for one optimal operation of the multiple piezoelectric elements included device overlapping loading and / or unloading operations would be required. Such about cuts are however due to the extremely short loading and Discharge times of piezoelectric elements relatively un probable and if necessary can be identified by a minor smooth movement of one or more loading and / or Manage discharge times relatively easily.
Der Aufbau einer Anordnung zum wie beschrieben oder ähnlich erfolgenden Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente ist jedoch nicht auf den in der Fig. 1 gezeigten Aufbau beschränkt. Es dürfte einleuchten, daß hierzu eine große Anzahl von mehr oder weniger gleichwertigen Alter nativen existiert. Zwei dieser möglichen Alternativen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 be schrieben. However, the structure of an arrangement for charging and discharging a plurality of piezoelectric elements as described or similarly is not limited to the structure shown in FIG. 1. It should be clear that there is a large number of more or less equivalent alternative natives. Two of these possible alternatives are described below with reference to FIGS. 2 and 3 be.
Bei der Anordnung gemäß der Fig. 2 sind die mit den Bezugs
zeichen 61 (für die erste Gruppe B1) und 71 (für die zweite
Gruppe B2) bezeichneten Gruppenauswahlschalter zwischen den
jeweiligen Gruppen B1 bzw. B2 und dem Widerstand 33 vorgese
hen. Genauer gesagt sind
In the arrangement according to FIG. 2, the group selection switches designated with the reference characters 61 (for the first group B1) and 71 (for the second group B2) are provided between the respective groups B1 and B2 and the resistor 33 . Are more specifically
- - die masseseitigen Verbindungen zwischen den Auswahlschal tern 11 2 . . . 1n2 bzw. 21 2 . . . 2n2 und den Dioden 11 3. . . 1n3 bzw. 21 3 . . . 2n3 der jeweiligen Piezozweige 11 . . . 1n bzw. 21 . . . 2n aufgetrennt,- The ground connections between the selector switches 11 2 . . . 1 n 2 or 21 2 . . . 2 n 2 and the diodes 11 3 . . . 1 n 3 or 21 3 . . . 2 n 3 of the respective piezo branches 11 . . . 1 n or 21 . . . 2 n separated,
- - die Auswahlschalter 11 2 . . . 1n2 bzw. 21 2 . . . 2n2 einer je weiligen Gruppe aber nach wie vor masseseitig miteinander und über den Widerstand 33 mit Masse verbunden, und- The selector switch 11 2 . . . 1 n 2 or 21 2 . . . 2 n 2 of a respective group but still connected to the ground on the ground and via the resistor 33 , and
- - die Dioden 11 3 . . . 1n3 bzw. 21 3. . . 2n3 einer jeweiligen Gruppe ebenfalls nach wie vor miteinander verbunden und über die erwähnten Gruppenauswahlschalter 61 bzw. 71 und den Widerstand 33 mit Masse verbunden.- the diodes 11 3 . . . 1 n 3 or 21 3 . . . 2 n 3 of a respective group are also still connected to one another and are connected to ground via the group selection switches 61 and 71 and the resistor 33 mentioned.
Ansonsten herrscht Übereinstimmung mit der Anordnung gemäß Fig. 1.Otherwise there is agreement with the arrangement according to FIG. 1.
Die Anordnung gemäß Fig. 2 hat die selbe Funktion und Wir kungsweise wie die Anordnung gemäß Fig. 1. Sie (die Anord nung gemäß Fig. 2) läßt sich allerdings mit geringerem Auf wand und variantenreicher betreiben. Mit geringerem Aufwand, weil die Gruppenauswahlschalter 61 und 71 nur geschlossen werden müssen, wenn sämtliche piezoelektrischen Elemente einer jeweiligen Gruppe gleichzeitig entladen werden sollen. Variabler, weil nicht jeweils alle piezoelektrischen Elemente einer Gruppe entladen werden müssen, sondern alternativ auch einzelne piezoelektrische Elemente aus einer oder mehreren Gruppen entladen werden können (durch Offenlassen des zu geordneten Gruppenauswahlschalters 61 bzw. 71 und Schließen der den zu löschenden piezoelektrischen Elementen zugeordne ten Auswahlschalter 11 2 . . . 1n2 und 21 2 . . . 2n2).The arrangement according to FIG. 2 has the same function and we as the arrangement according to FIG. 1. You (the arrangement according to FIG. 2) can, however, operate with less effort and with more variants. With less effort, because the group selection switches 61 and 71 only have to be closed when all the piezoelectric elements of a respective group are to be discharged at the same time. More variable, because not all piezoelectric elements of a group have to be discharged, but alternatively individual piezoelectric elements can also be discharged from one or more groups (by leaving the assigned group selection switch 61 or 71 open and closing the selection switch assigned to the piezoelectric elements to be deleted) 11 2.. 1 n 2 and 21 2 .. 2 n 2 ).
Die Anordnung gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der Anord nung gemäß Fig. 1 dadurch, daß die in der Fig. 1 mit den Bezugszeichen 41, 42 bzw. 51, 52 und in der Fig. 3 mit den Bezugszeichen 81, 82 bzw. 91, 92 bezeichneten Gruppenauswahl schalter/Dioden-Paare zwischen dem masseseitigen Anschluß der jeweiligen Gruppen B1 bzw. B2 und dem Widerstand 33 vorgese hen sind.The arrangement according to Fig. 3 1 differs voltage of FIG from the Anord. That in the Fig. 1 by the reference numerals 41, 42 and 51, 52 and in FIG. 3 by the reference numerals 81, 82 and 91 , 92 designated group selection switch / diode pairs between the ground connection of the respective groups B1 and B2 and the resistor 33 are hen vorgese.
Der Aufbau hat gegenüber der Anordnung gemäß Fig. 2 den Vorteil, daß sämtliche Schalter der Anordnung durch Schalter mit integrierter antiparalleler Diode, also beispielsweise MOS-FETs mit parasitären Dioden realisiert werden können; der dadurch mögliche Verzicht auf das Vorsehen von diskreten Dioden spart Bauraum und Kosten.The structure has the advantage over the arrangement according to FIG. 2 that all switches of the arrangement can be realized by switches with an integrated antiparallel diode, for example MOS-FETs with parasitic diodes; the fact that discrete diodes can be dispensed with thereby saves installation space and costs.
Durch ein wie beschrieben erfolgendes Laden und Entladen las sen sich mehrere piezoelektrische Elemente mit minimalem Auf wand unabhängig voneinander laden und entladen.Read through loading and unloading as described several piezoelectric elements with minimal opening load and unload wall independently.
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