DE60023446T2

DE60023446T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Ladungsquantität während des Auf- und Entladens von piezoelektrischen Elementen

Info

Publication number: DE60023446T2
Application number: DE60023446T
Authority: DE
Inventors: Matthias Beckert; Johannes-Jörg Rueger; Udo Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-04-01
Filing date: 2000-04-01
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2020-04-02
Also published as: US6539925B2; JP2002021621A; EP1138915A1; EP1138915B1; US20010027780A1; DE60023446D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystems gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, 5 und 7.
Kraftstoffeinspritzsysteme können piezoelektrische Stellglieder oder Elemente verwenden, wobei die piezoelektrischen Stellglieder oder Elemente eine proportionale Beziehung zwischen einer angelegten Spannung und einer linearen Expansion aufweisen. Es wird also angenommen, daß die Verwendung piezoelektrischer Elemente als Stellglieder zum Beispiel in Kraftstoffeinspritzdüsen für Verbrennungsmotoren vorteilhaft sein kann. Die Europäischen Patentschriften EP 0 371 469 B1 und EP 0 379 182 B1 betreffen die Verwendung piezoelektrischer Elemente in Kraftstoffeinspritzdüsen.
Aus JP 05344755 ist eine Ansteuerschaltung für ein piezoelektrisches Element gemäß dem Obergriff der unabhängigen Ansprüche bekannt, die zum Zeitpunkt des Ladens des piezoelektrischen Elements eine positive Spannung in der Gestalt steuert, daß eine detektierte Ladungsmenge mit einem Zielwert übereinstimmt. Die Ansteuerschaltung umfaßt zweite Steuermittel zum Detektieren einer Kapazität des piezoelektrischen Elements und zur Steuerung einer negativen Spannung zum Zeitpunkt des Entladens, so daß die negative Spannung als Reaktion auf eine erhöhte Kapazität des piezoelektrischen Elements vergrößert wird.
Aus DE 197 23 932 C1 ist ein Verfahren zum Steuern eines kapazitiven Stellgliedes bekannt, wobei eine an das Stellglied abgegebene Ladung sowie eine Stellgliedspannung detektiert werden. Es wird eine Stellgliedkapazität berechnet, woraus eine elektrische Energie erhalten wird, die zu diesem Stellglied gesendet wurde. Gemäß dieser elektrischen Energie wird eine Ladespannung des Stellgliedes gesteuert.
Wenn piezoelektrische Elemente als Stellglieder in Kraftstoffeinspritzdüsen (die Einspritzer des Typs „Common Rail" sein können) eines Verbrennungsmotors verwendet werden, kann man die Kraftstoffeinspritzung durch Anlegen von Spannungen an die piezoelektrischen Stellglieder oder Elemente steuern, die als Funktion der angelegten Spannung expandieren oder kontrahieren. Eine Einspritznadel, die durch eine Transferanordnung oder ein Transfersystem mit den piezoelektrischen Stellgliedern oder Elementen verbunden sein kann, wird folglich nach oben und nach unten bewegt, um so eine Einspritzdüse zu öffnen und zu schließen. Das Anlegen der Spannung kann durch ein Rückkopplungssystem gesteuert werden, wozu das Vergleichen einer erhaltenen Spannung mit einer Zielspannung und das Beenden einer entsprechenden Ladeprozedur, wenn die erhaltene Spannung gleich der Zielspannung ist, gehören kann.
Steuersysteme zur Steuerung des piezoelektrischen Stellgliedes können eine Steueranordnung oder -einheit (möglicherweise mit einer Zentralverarbeitungseinheit (CPU)) enthalten, sowie mindestens ein gesteuertes piezoelektrisches Element und eine Benutzungsanordnung, die die Steuersignale gegebenenfalls transformiert und diese an das gesteuerte piezoelektrische Element anlegt. Zu diesem Zweck können die Steueranordnung und die Benutzungsanordnung durch eine Kommunikationsanordnung, wie zum Beispiel ein Bussystem, miteinander verbunden sein. Darüber hinaus müssen möglicherweise externe Daten auf entsprechende Weise zu der Steueranordnung und/oder der Benutzungsanordnung übermittelt werden.
In dem Beispiel einer Kraftstoffeinspritzdüse kann man mit der Expansion und Kontraktion piezoelektrischer Elemente Ventile steuern, die die linearen Hübe von Einspritznadeln manipulieren. Die Verwendung piezoelektrischer Elemente zum Beispiel mit doppelt wirkenden Doppelsitzventilen zur Steuerung entsprechender Einspritznadeln in einem Kraftstoffeinspritzsystem in den Deutschen Patentanmeldungen DE 197 42 073 A1 und DE 197 29 844 A1 gezeigt.
In einem Kraftstoffeinspritzsystem kann ein Ziel darin bestehen, ein gewünschtes Kraftstoffeinspritzvolumen mit ausreichender Genauigkeit zu erzielen, und zwar insbesondere für kleine Einspritzvolumen wie zum Beispiel während einer Piloteinspritzung. Zum Beispiel unter Verwendung eines doppelt wirkenden Doppelsitzsteuerventils kann das piezoelektrische Element expandiert oder kontrahiert werden, indem eine Aktivierungsspannung in der Gestalt angelegt wird, daß ein entsprechender gesteuerter Ventilstopfen in der Mitte zwischen den beiden Sitzen des Doppelsitzventils positioniert wird, um die entsprechende Einspritznadel für einen maximalen Kraftstoffluß während eines festgelegten Zeitraums zu positionieren. Es ist jedoch schwierig, eine ausreichend präzise Aktivierungsspannung zu bestimmen und anzulegen, so daß zum Beispiel ein entsprechender Ventilstopfen genau oder präzise für maximalen Kraftstoffluß positioniert wird.
Da zum Beispiel die „Auslenkung" eines piezoelektrischen Elements von seiner Temperatur abhängt, kann der maximale Hub also bei sehr niedrigen Temperaturen (wie zum Beispiel Temperaturen von weniger als 0°C) stark verringert sein. Umgekehrt nimmt bei hohen Temperaturen die maximale Auslenkung möglicherweise zu. Beim Entwurf eines Kraftstoffeinspritzsystems sollte deshalb die Temperaturabhängigkeit berücksichtigt werden, so daß eine etwaige zugeordnete Abweichung minimiert oder zumindest verringert werden kann. Wenn die Temperatur des piezoelektrischen Elements jedoch nicht direkt gemessen wird, muß die Temperatur indirekt abgeleitet werden. Da die Kapazität des piezoelektrischen Elements ebenfalls ein Temperaturansprechverhalten aufweist, kann man mit der Kapazität die Temperatur des piezo elektrischen Elements schätzen und deshalb den gewünschten maximalen Hub des piezoelektrischen Stellgliedes oder Elements.
Wie bereits erwähnt, können piezoelektrische Stellglieder oder Elemente durch Spannungssteuerung angesteuert werden. Eine Aufgabe des Ansteuerns piezoelektrischer Stellglieder oder Elemente ist das Laden oder Entladen des Stellgliedes innerhalb einer spezifizierten Zeit. In dieser Hinsicht entstehen Spannungsgradienten beim Laden und Entladen der piezoelektrischen Stellglieder oder Elemente, die von dem mittleren Lade- oder Entladestrom abhängen oder eine Funktion davon sind. Abhängig von der Anwendung kann der Stromgradient zum Beispiel in der Größenordnung von etwa 10 A/μs liegen. Da die Schalter, die für die Stromregelung und die Treiberlogik verwendet werden, zum Beispiel Schaltzeiten von etwa 1 μs aufweisen können, kann der gewünschte Strom zum Beispiel um bis zu etwa 10 Ampere überschritten werden. Deshalb kann der tatsächliche Spannungsgradient während des Lade- und Entladevorgangs systematisch von dem gewünschten Spannungsgradienten verschieden sein, so daß eine Abweichung des Starts und der Dauer der Ansteuerung für Kraftstoffinjektoren besteht.
Es wird deshalb angenommen, daß es notwendig ist, diese systematischen Fehler zu korrigieren, zu beseitigen oder zumindest zu verringern, um die Ansteuergenauigkeit der Kraftstoffeinspritzkomponenten zu verbessern.
Es wird außerdem angenommen, daß es notwendig ist, ein relativ kosteneffektives oder kostengünstiges und einfaches Verfahren und System zur Kompensation der systematischen Fehler bereitzustellen, um die Genauigkeit des Kraftstoffeinspritzsystems insbesondere während der Herauffahr- und/oder Pilotinjektionen zu kompensieren.
Es wird außerdem angenommen, daß es notwendig ist, ein Verfahren und ein System zur Korrektur etwaiger Fehler bereitzustellen, die durch die Stromzyklierungshardware während des Entladens und Ladens der piezoelektrischen Stellglieder oder Elemente verursacht werden, um die Ansteuergenauigkeit der Kraftstoffeinspritzkomponenten zu verbessern.
Außerdem wird angenommen, daß es notwendig ist, ein Verfahren und ein System zum „Einfrieren" oder Halten der letzten Ausgabe einer Ansteuersteuerung (Spannungssteuerung oder Spannungsgradientensteuerung) während bestimmter Bedingungen bereitzustellen, so daß die Ansteuersteuerung nicht gegen einen System-„Anschlag" „aufläuft" und falsche Werte liefert, wenn die Ansteuersteuerung wieder freigegeben wird.
Zusätzlich kann sie wie oben besprochen die Temperatur auf piezoelektrische Elemente auswirken. Piezoelektrische Elemente sind jedoch kapazitive Elemente, die sich wie oben besprochen gemäß einem bestimmten Ladungszustand oder einer bestimmten angelegten Spannung kontrahieren und expandieren. Die Kapazität hängt jedoch von der Frequenz ab. In dieser Hinsicht entspricht die Frequenz einer Ladungsrate (das heißt, einer Ladungsmenge pro Zeiteinheit), die an das piezoelektrische Element abgeliefert wird. Im Kontext der vorliegenden Anmeldung entspricht deshalb eine Zeit zwischen dem Anfang und dem Ende einer Ladeprozedur der Frequenz. Die Kapazität des piezoelektrischen Elements sollte so eingestellt werden, daß seine Frequenzabhängigkeit kompensiert, beseitigt oder zumindest verringert wird, um auf der Basis seiner Kapazität eine relativ genaue oder präzise piezoelektrische Auslenkung zu bestimmen. Andernfalls kann die bestimmte Temperatur des piezoelektrischen Stellgliedes und die zugeordnete maximale Auslenkung falsch sein, was dazu führt, daß eine weniger präzise Menge an Kraftstoff injiziert wird.
Es wird deshalb angenommen, daß es notwendig ist, ein Verfahren und ein System bereitzustellen, die Abweichungen kompensieren, die durch eine etwaige Frequenzabhängigkeit der Kapazität der piezoelektrischen Elemente verursacht wird, so daß der maximale Stellgliedhub mit ausreichender Genauigkeit geschätzt werden kann, damit die Ansteuerspannung genau oder präzise eingestellt werden kann.
Um das obige zu ermöglichen, wird angenommen, daß eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Ladungsmenge piezoelektrischer Elemente auf rasche und genaue Weise unter Verwendung einer Messung und Kalibrationsmerkmalen, wodurch die Diagnose des piezoelektrischen Stellgliedes oder Elements erleichtert wird, und zum Kompensieren der Temperatur und Alterungskenngrößen und zum Regeln der Referenzspannung notwendig sind.
Außerdem wird angenommen, daß eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine zeitgesteuerte Messung der Ladungsmenge an einem piezoelektrischen Element notwendig sind, wobei die Ladungsmenge an dem piezoelektrischen Element bestimmt oder gemessen und zu einem vordefinierten Zeitpunkt synchron mit einer Einspritzbetätigung des piezoelektrischen Elements bereitgestellt wird.
Weitere Vorteile der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gehen auch aus den Ansprüchen hervor, einschließlich der abhängigen Ansprüche, und aus der vorliegenden Beschreibung, einschließlich der referenzierten Figuren.
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die beispielhaften Ausführungsformen und die referenzierten Figuren ausführlich beschrieben und erläutert.
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Kraftstoffinjektors, der mit beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen verwendet werden kann.
2 zeigt einen Graph der Beziehung zwischen einer Aktivierungsspannung und einem injizierten Kraftstoffvolumen während eines vorgewählten Zeitraums.
3 zeigt einen Doppelgraph, der ein schematisches Profil eines beispielhaften Steuerventilhubs repräsentiert, wobei die Ventilhebung und Düsennadelhebung in bezug auf die Zeit gezeigt sind.
4 zeigt ein Blockschaltbild bezüglich einer beispielhaften Ausführungsform eines Kraftstoffeinspritzsteuersystems, das beispielhafte Ausführungsformen der Vorrichtungen, Anordnungen und/oder Verfahren der vorliegenden Erfindungen enthalten kann.
5a zeigt die während einer ersten Ladephase in dem Steuersystem von 4 auftretenden Bedingungen.
5b zeigt die während einer zweiten Ladephase in dem Steuersystem von 4 auftretenden Bedingungen.
5c zeigt die während einer ersten Entladephase in dem Steuersystem von 4 auftretenden Bedingungen.
5d zeigt die während einer zweiten Entladephase in dem Steuersystem von 4 auftretenden Bedingungen.
6 zeigt ein Blockschaltbild einer Aktivierungs- oder Treiberanordnung, bei der es sich um eine integrierte Schaltung handeln kann und die in dem Steuersystem von 4 benutzt werden kann.
7a zeigt ein Blockschaltbild der Beziehung zwischen einer Schaltungsanordnung „A", einer Steueranordnung „D", einer Aktivierungsanordnung „E" und einem Motor und zeigt ferner verschiedene Task-Blöcke der Steueranordnung D von 4.
7b zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Spannungsgradientensteuerung, die in der Steueranordnung D von 4 und 7a verwendet werden kann.
7c zeigt ein Blockschaltbild einer Kapazitätsbestimmungsanordnung, die in der Steueranordnung D von 4 und 7a verwendet werden kann.
7d zeigt eine Beziehung zwischen einer Ladezeit eines piezoelektrischen Elements und einem Verhältnis einer Kapazität für verschiedene Ladezeiten des piezoelektrischen Elements zu seiner Kapazität für ausreichend große oder „unendliche" Ladezeiten.
7e zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Spannungssteuerung, die in der Steueranordnung D von 4 und 7a verwendet werden kann.
8 zeigt eine Beziehung zwischen Strömen, Spannungen und Spannungsgradienten in einem Lade- und Entladezyklus.
9a zeigt ein Spannungsprofil, das mit dem Betrieb eines Zweipositions-Kraftstoffinjektors, der ein einzelwirkendes Einzelsitzsteuerventil enthalten kann, assoziiert ist.
9b zeigt ein Spannungsprofil, das mit dem Betrieb eines Dreipositions-Kraftstoffinjektors, der ein doppelt wirkendes Doppelsitzsteuerventil enthalten kann, assoziiert ist.
10a zeigt einen Graph eines Einspritzzyklus für ein piezoelektrisches Stellglied oder Element.
10b zeigt einen Graph der Einspritzsteuerventilpositionen entsprechend dem Einspritzzyklus von 10a.
10c zeigt einen Graph von Strobe-Impulsen entsprechend dem Einspritzzyklus von 10a.
10d zeigt einen Graph von Ladungsmenge-Messzeitsteuerungsimpulsen entsprechend dem Einspritzzyklus von 10a.
11 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer Anordnung zur Bestimmung einer Ladungsmenge eines piezoelektrischen Stellgliedes oder Elements.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Kraftstoffinjektors 2000 mit einem piezoelektrischen Stellglied oder Element 2010. Wie gezeigt, kann das piezoelektrische Element 2010 elektrisch bestromt werden, um sich als Reaktion auf eine Aktivierungsspannung zu expandieren und zu kontrahieren. Das piezoelektrische Element 2010 ist an einen Kolben 2015 angekoppelt. Im expandierten Zustand bewirkt das piezoelektrische Element 2010, daß der Kolben 2015 in einen hydraulischen Adapter 2020 hineinreicht, der eine hydraulische Flüssigkeit wie zum Beispiel Kraftstoff enthält. Als Ergebnis der Expansion des piezoelektrischen Elements wird ein doppelt wirkendes Steuerventil 2025 hydraulisch von dem hydraulischen Adapter 2020 weggedrückt und der Ventilstopfen 2035 wird von einer ersten geschlossenen Position 2040 wegverlagert. Die Kombination des doppelt wirkenden Steuerventils 2025 und der hohlen Bohrung 2050 wird häufig als doppelt wirkendes Doppelsitzventil bezeichnet, da, wenn sich das piezoelektrische Element 2010 in einem unerregten Zustand befindet, das doppelt wirkende Steuerventil 2025 in seiner ersten geschlossenen Position 2040 ruht. Wenn dagegen das piezoelektrische Element 2010 voll ausgedehnt ist, ruht es in seiner zweiten geschlossenen Position 2030. Die letztere Position des Ventilstopfens 2035 ist in 1 gestrichelt dargestellt.
Das Kraftstoffeinspritzsystem umfaßt eine Einspritznadel 2070, die das Einspritzen von Kraftstoff aus einer unter Druck stehenden Kraftstoffversorgungsleitung 2060 in den (nicht gezeigten) Zylinder ermöglicht. Wenn das piezoelektrische Element 2010 unerregt oder wenn es voll ausgedehnt ist, ruht das doppelt wirkende Steuerventil 2025 jeweils in seiner ersten geschlossenen Position 2040 oder in seiner zweiten geschlossenen Position 2030. In jedem Fall hält der hydraulische Versorgungsdruck die Einspritznadel 2070 in einer geschlossenen Position. Die Kraftstoffmischung tritt also nicht in den (nicht gezeigten) Zylinder ein. Wenn das piezoelektrische Element 2010 umgekehrt erregt ist, so daß sich das doppelt wirkende Steuerventil 2025 in der sogenannten mittleren Position in bezug auf die hohle Bohrung 2050 befindet, besteht ein Druckabfall in der unter Druck stehenden Kraftstoffversorgungsleitung 2060. Dieser Druckabfall führt zu einer Druckdifferenz in der unter Druck stehenden Kraftstoffversorgungsleitung 2060 zwischen dem oben und dem unteren Teil der Einspritznadel 2070, so daß die Einspritznadel 2070 gehoben wird und eine Kraftstoffeinspritzung in den (nicht gezeigten) Zylinder erlaubt.
2 zeigt einen Graph einer Beziehung zwischen einer Aktivierungsspannung U_a und einem eingespritzten Kraftstoffvolumen m_E während eines vorgewählten Zeitraums für ein Kraftstoffeinspritzsystem, das zum Beispiel piezoelektrische Stellglieder oder Elemente verwenden kann, die doppelt wirkende Doppelsitz-Steuerventile steuern. Die y-Achse repräsentiert ein Kraftstoffvolumen m_E, das während des vorgewählten Zeitraums, der festliegen kann, in eine Zylinderkammer eingespritzt wird. Die x-Achse repräsentiert die Aktivierungsspannung U_a, die an das entsprechende piezoelektrische Stellglied oder Element angelegt oder darin gespeichert werden kann, womit ein Ventilstopfen eines Steuerventils, wie zum Beispiel eines doppelt wirkenden Doppelsitz-Steuerventils verschoben werden kann.
Wenn die Aktivierungsspannung null ist, befindet sich der Ventilstopfen des Steuerventils in einer ersten geschlossenen Position und sitzt deshalb in einem ersten der Doppelventil-Sitze, um den Kraftstoffluß während des vorgewählten Zeitraums zu verhindern. Aktivierungsspannungen U_a, die größer als null und kleiner als eine optimale Spannung U_opt sind, bewirken die Verschiebung des Ventilstopfens von dem ersten Sitz oder der ersten geschlossenen Position weg und in Richtung des zweiten Sitzes oder der zweiten geschlossenen Position. Dies führt zu einem größeren Volumen an eingespritztem Kraftstoff für den Zeitraum, und wenn sich die Aktivierungsspannung U_a dem Wert U_opt nähert, nähert sich das Volumen einem maximalen Volumen, das auf der y-Achse als m_E,max angegeben ist. Der Punkt m_E,max entspricht einem maximalen Volumen des eingespritzten Kraftstoffs während des vorgewählten Zeitraums und entspricht außerdem der optimalen Aktivierungsspannung, die an das piezoelektrische Stellglied oder Element angelegt oder zu dessen Aufladung verwendet wird. Dies führt zu einer optimalen Verschiebung des Ventilstopfens zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilstiz.
Wenn die Aktivierungsspannung U_a bis über U_opt zunimmt, nimmt das Volumen des während des vorgewählten Zeitraums eingespritzten Kraftstoffs ab, bis es null erreicht. Das heißt, der Ventilstopfen bewegt sich von seinem optimalen Punkt bzw. seiner optimalen Position weg in Richtung der zweiten geschlossenen Position bzw. des zweiten Sitzes des doppelt wirkenden Doppelsitz-Steuerventils, bis der Ventilstopfen an dem zweiten Ventilsitz sitzt. Somit zeigt 2, daß ein maximales Volumen an eingespritztem Kraftstoff auftritt, wenn die Aktivierungsspannung bewirkt, daß das piezoelektrische Stellglied oder Element den Ventilstopfen zu seinem optimalen Punkt oder seiner optimalen Position verschiebt.
Die optimale Aktivierungsspannung U_opt zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt für ein bestimmtes piezoelektrisches Stellglied oder Element kann jedoch durch seine Herstellungskenngrößen und durch beliebige seiner Alterungseffekte beeinflußt werden. Das heißt, die durch das piezoelektrische Stellglied oder Element für eine bestimmte Aktivierungsspannung verursachte Verschiebung kann auf der Basis der verschiedenen Betriebskenngrößen (wie zum Beispiel der Herstellungs- und Alterungskenngrößen) des bestimmten piezoelektrischen Stellgliedes oder Elements oder als Funktion dieser variieren. Um das Volumen an eingespritztem Kraftstoff während eines bestimmten Zeitraums zu maximieren, sollte die Aktivierungsspannung, die an das piezoelektrische Stellglied oder Element angelegt oder in diesem auftritt, entsprechend auf einen Wert gesetzt werden, der die aktuellen Betriebskenngrößen des bestimmten piezoelektrischen Stellgliedes oder Elements widerspiegelt und der die optimale Aktivierungsspannung widerspiegelt.
3 zeigt einen Doppelgraph eines schematischen Profils, das einen beispielhaften Steuerventilhub für den Betrieb des oben besprochenen doppelt wirkenden Doppelsitz-Steuerventils repräsentiert. In dem oberen Graphen repräsentiert die x-Achse die Zeit und die y-Achse eine Verschiebung des Ventilstopfens, die die „Ventilhebung" ist. In dem unteren Graphen repräsentiert die x-Achse auch die Zeit und die y-Achse repräsentiert „Düsennadelhebung" für die Bereitstellung eines Kraftstofflusses, der sich aus der entsprechenden Ventilhebung des oberen Graphen ergibt. Wie gezeigt, sind die x-Achse des oberen Graphen und die x-Achse des unteren Graphen ausgerichtet, um zeitlich zusammenzufallen.
Während des Kraftstoffeinspritzzyklus wird das piezoelektrische Stellglied oder Element aufgeladen, so daß das piezoelektrische Stellglied oder Element expandiert und deshalb bewirkt, daß sich der entsprechende Ventilstopfen für einen Voreinspritzhub von dem ersten Sitz zu dem zweiten Sitz bewegt, wie in dem oberen Graphen von 3 gezeigt. Der untere Graph von 3 zeigt eine kleine Einspritzung oder Voreinspritzung von Kraftstoff, die auftritt, wenn sich der Ventilstopfen zwischen den beiden Sitzen bewegt, wodurch das Steuerventil geöffnet und geschlossen wird. Das piezoelektrische Element kann in zwei Schritten geladen werden, indem es auf eine bestimmte Spannung aufgeladen wird, um zu bewirken, daß sich das Ventil öffnet, und es dann weiter geladen wird, um zu bewirken, daß sich das Ventil wieder an dem zweiten Sitz schließt. Zwischen diesen Schritten kann eine bestimmte Zeitverzögerung bestehen.
Nach einem vorgewählten Zeitraum wird das piezoelektrische Stellglied oder Element entladen, um die Ladung in dem piezoelektrischen Stellglied oder Element zu verringern, so daß es kontrahiert und bewirkt, daß sich der Ventilstopfen von dem zweiten Sitz weg in Richtung eines Mittelpunkts bzw. einer Position zwischen den beiden Sitzen zu bewegen und dort anzuhalten. Wie in 2 erreicht die Aktivierungsspannung in dem piezoelektrischen Stellglied oder Element einen Wert U_opt, der einem optimalen Punkt der Ventilhebung entspricht, und der dadurch den Kraftstoffluß während eines Zeitraums für den Hauptkraftstoffeinspritzbetrieb maximiert. Der obere und der untere Graph von 3 zeigen das Halten der Ventilhebung auf dem Mittelpunkt (das heißt, dem mittleren Hebepunkt), um den Hauptkraftstoffeinspritzbetrieb bereitzustellen.
Am Ende des Hauptkraftstoffeinspritzbetriebes wird das piezoelektrische Stellglied oder Element auf eine Aktivierungsspannung von null entladen und kontrahiert weiter, so daß sich der Ventilstopfen von dem optimalen Punkt bzw. der optimalen Position in Richtung des ersten Sitzes bewegt, wodurch das Steuerventil geschlossen und der Kraftstoffluß gestoppt wird, wie in dem oberen und unteren Graph von 3 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Ventilstopfen wieder in einer Position zum wiederholen eines weiteren Zyklus von Voreinspritzung und Haupteinspritzung, wie oben beschrieben. Es kann natürlich jeder geeignet entsprechende Einspritzzyklus verwendet werden.
4 zeigt ein Schaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Kraftstoffeinspritzsteuersystems 100, das die beispielhaften Ausführungsformen der Vorrichtungen, Verfahren und System der vorliegenden Erfindung enthalten kann.
Genauer gesagt und wie gezeigt enthält das Kraftstoffeinspritzsteuersystem 100 eine Schaltungsanordnung „A" und eine Aktivierungs-, Steuer- und Meßanordnung „B", die die Steueranordnung oder -einheit „D", die Aktivierungsanordnung „E" und eine Meßanordnung „F" enthält. Die Trennung der Anordnungen A und B wird durch eine gestrichelte Linie „c" angezeigt. Die Schaltungsanordnung A kann zum Laden und Entladen von sechs piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50, 60 verwendet werden. Die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 werden als Stellglieder in Kraftstoffeinspritzdüsen (bei denen es sich zum Beispiel um Injektoren des Typs „Common Rail" handeln kann) eines Verbrennungsmotors verwendet. Es können piezoelektrische Stellglieder oder Elemente verwendet werden, da sie wie oben beschrieben als Funktion einer an sie angelegten oder an ihnen auftretenden Spannung kontrahieren oder expandieren. Wie gezeigt, werden mit den sechs piezoelektrischen Stellgliedern oder Elementen 10, 20, 30, 40, 50, 60 bei der beispielhaften Ausführungsform unabhängig sechs Zylinder in einem Verbrennungsmotor gesteuert. Es kann natürlich abhängig von der konkreten Anwendung jede beliebig geeignet entsprechende Anzahl piezoelektrischer Elemente verwendet werden.
Wie besprochen, enthält die Aktivierungs-, Steuer- und Meßanordnung B die Steueranordnung oder -einheit „D" und die Aktivierungsanordnung oder -einheit „E", mit denen die verschiedenen Komponenten oder Elemente in der Schaltung der Schaltungsanordnung A gesteuert werden, und die Meßanordnung bzw. das Meßsystem „F", mit der verschiedene Systembetriebskenngrößen gemessen werden (wie zum Beispiel Kraftstoffdruck und Drehzahl (rpm) des Verbrennungsmotors zur Eingabe in die Steueranordnung D und zur Verwendung durch diese, wie später ausführlicher beschrieben werden wird). Die Steueranordnung oder -einheit D und die Aktivierungsanordnung oder -einheit E können so programmiert werden, daß sie Aktivierungsspannungen für die piezoelektrischen Stellglieder oder Elemente als Funktion der Betriebskenngrößen jedes der bestimmten piezoelektrischen Stellglieder oder Elemente steuern. Diese „Programmierung" kann zum Beispiel in Software durch Verwendung einer Mikrosteuerung oder einer Mikroprozessoranordnung in der Steueranordnung D und kann auch durch Verwendung einer beliebigen geeignet entsprechenden „Prozessor"-Anordnung erfolgen, wie zum Beispiel in einer ASIC in der Aktivierungsanordnung E.
Die folgende Beschreibung beschreibt zuerst die Komponenten oder Elemente in der Schaltungsanordnung A und dann die Verfahren oder Prozeduren zum Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60. Als letztes beschreibt sie, wie beide Prozeduren durch die Steueranordnung D und die Aktivierungsanordnung E gesteuert werden.
Wie besprochen, kann die Schaltungsanordnung A sechs piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 enthalten. Die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 können zu einer ersten Gruppe „G1" und einer zweiten Gruppen „G2" angeordnet oder in diese verteilt werden, wobei jede Gruppe drei piezoelektrische Elemente enthalten kann (das heißt, die piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 können in der ersten Gruppe G1 und die piezoelektrischen Elemente 40, 50, 60 in der zweiten Gruppe G2 angeordnet werden). Die Gruppen G1 und G2 sind Bestandteile von Schaltungssubsystemen, die miteinander parallelgeschaltet sind.
Mit Gruppenwahlschaltern 310, 320 kann man wählen, welche der Gruppen G1 und G2, die jeweils die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30 und die piezoelektrischen Elemente 40, 50, 60 enthalten, durch eine gemeinsame Lade- und Entladeanordnung oder -vorrichtung in der Schaltungsanordnung A entladen wird. Wie gezeigt, können die Gruppenwahlschalter 310, 320 zwischen einer Spule 240 und den Anschlüssen der Spulenseite ihrer jeweiligen Gruppen G1 und G2 angeordnet sein und können bei der beispielhaften Ausführungsform von 4 als Transistoren implementiert werden. Mit Seitentreibern 311, 321 kann man Steuersignale, die aus der Aktivierungsanordnung E empfangen werden, in geeignet entsprechende Spannungen zum Schließen und Öffnen der Gruppenwahlschalter 310, 320 transformieren.
Die Gruppenwahldioden 315, 325 werden jeweils parallel mit den Gruppenwahlschaltern 310, 320 vorgesehen. Wenn zum Beispiel die Gruppenwahlschalter 310, 320 als MOSFETs oder IGBTs implementiert werden, können die Gruppenwahldioden die parasitären Dioden der MOSFETs oder IGBTs sein. Die Gruppenwahldioden 315, 325 umgehen die Gruppenwahlschalter 310, 320 während Ladeprozeduren. Somit wählen die Gruppenwahlschalter 310, 320 nur eine Gruppe G1, G2, die jeweils die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30 und die piezoelektrischen Elemente 40, 50, 60 enthalten, für die Entladeprozedur.
In jeder Gruppe G1, G2 sind die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30 und die piezoelektrischen Elemente 40, 50, 60 als Bestandteile piezoelektrischer Zweige 110, 120, 130 (entsprechend der Gruppe G1) und 140, 150, 160 (entsprechend der Gruppe G2) angeordnet, die parallel geschaltet sind. Jeder piezoelektrische Zweig enthält eine Reihenschaltung mit einer ersten Parallelschaltung, die ein entsprechendes der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 und einen entsprechenden der Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53, 63 enthält, sowie eine zweite Parallelschaltung mit einem Wahlschalter, der als ein entsprechender der Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 61 (die Transistoren sein können) und ein entsprechender der Zweigwahldioden 12, 22, 32, 42, 52, 62 implementiert werden kann.
Die Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53, 63 bewirken, daß sich jedes entsprechende piezoelektrische Element 10, 20, 30, 40, 50, 60 kontinuierlich während und nach einer Ladeprozedur entlädt, da die Zweigwiderstände beide Anschlüsse ihres jeweiligen und kapazitiven piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50, 60 verbinden. Die Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53, 63 sind groß genug, damit diese Prozedur im Vergleich zu den Prozeduren des gesteuerten Ladens und Entladens, die später ausführlicher beschrieben werden, relativ langsam wird. Es ist deshalb angemessen, zu betrachten, daß die Ladung jedes piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50, 60 in einem relevanten Zeitraum, der nach einer Ladeprozedur auftritt, relativ stabil oder unveränderlich ist. Die Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53, 63 dienen zum Entfernen übriger Ladungen auf den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50, 60, wenn zum Beispiel das System ausfällt oder andere kritische oder Ausnahmesituationen auftreten. Die Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53, 63 werden deshalb in der folgenden Beschreibung nicht weiter besprochen.
Die Zweigwahlschalter- und Zweig-Dioden-Paare in den piezoelektrischen Zweigen 110, 120, 130, 140, 150, 160 (das heißt, der Wahlschalter 11 und die Diode 12 in dem piezoelektrischen Zweig 110, der Wahlschalter 21 und die Diode 22 in dem piezoelektrischen Zweig 120 usw.) können durch Verwendung elektronischer Schalter (wie zum Beispiel Transistoren) mit parasitären Dioden implementiert werden, wozu zum Beispiel MOSFETs oder IGBTs gehören können (die wie oben erwähnt auch für die Gruppenwahlschalter- und Dioden-Paare 310, 315 und 320, 325 verwendet werden können).
Mit den Zweigwahlschaltern 11, 21, 31, 41, 51, 61 kann man wählen, welches der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 in jedem Fall durch die gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung geladen wird. Die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60, die geladen werden, sind alle diejenigen, deren Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 61 während der Ladeprozedur geschlossen werden. Bei der beispielhaften Ausführungsform wird nur einer der Zweigwahlschalter auf einmal geschlossen.
Die Zweigdioden 12, 22, 32, 42, 52, 62 umgehen die Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 61 während Entladungsprozeduren. Für Ladeprozeduren kann also jedes beliebige einzelne piezoelektrische Element gewählt werden, aber bei Entladeprozeduren kann entweder eines der ersten Gruppe G1 oder der zweiten Gruppe G2 der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30 und der piezoelektrischen Elemente 40, 50, 60 (oder beide) gewählt werden.
Weiter in bezug auf die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 können die piezoelektrischen Anschlüsse der Zweigwahl 15, 25, 35, 45, 55, 65 entweder durch die Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 61 oder durch die entsprechende der Zweigdioden 12, 22, 32, 42, 52, 62 und in beiden Fällen durch den Widerstand 300 an Masse angekoppelt werden.
Der Widerstand 300 mißt die Ströme (oder Ladungen), die während des Ladens und Entladens der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 zwischen den piezoelektrischen Anschlüssen der Zweigwahl 15, 25, 35, 45, 55, 65 und der Masse fließen. Durch Messen dieser Ströme (oder Ladungen) kann man das Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 steuern. Insbesondere kann man durch Schließen und Öffnen eines Ladeschalters 220 und eines Entladeschalters 230 auf eine Weise, die von dem Betrag der gemessenen Ströme abhängt, den Ladestrom und den Entladestrom auf vordefinierte Mittelwerte steuern oder setzen und/oder diese Ströme können davon abgehalten werden, vordefinierte Maximal- und/oder Minimalwerte zu übersteigen oder unter diese zu fallen, wie später ausführlicher erläutert werden wird.
Bei der beispielhaften Ausführungsform können die Ströme durch Verwendung einer Spannungsquelle 621 (die zum Beispiel eine Spannung von 5 V Gleichstrom liefern können) und eines Spannungsteilers, der unter Verwendung zweier Widerstände 622 und 623 implementiert werden kann, gemessen werden. Dadurch sollte die Aktivierungsanordnung E (die die Ströme oder Spannungen mißt) vor negativen Spannungen geschützt werden, die ansonsten an dem Meßpunkt 620 auftreten können und mit denen die Aktivierungsanordnung E nicht fertig werden kann. Insbesondere können die negativen Spannungen durch Addieren einer positiven Spannung, die durch die Spannungsquelle 621 und die Spannungsverteilerwiderstände 622 und 623 geliefert werden kann, in positive Spannungen verwandelt werden.
Der andere Anschluß jedes piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50, 60 (das heißt, der piezoelektrische Anschluß der Gruppenwahl 14, 24, 34, 44, 54, 64) kann über den Gruppenwahlschalter 310, 320 oder über die Gruppenwahldiode 315, 325 sowie über die Spule 240 und eine Parallelschaltungsanordnung mit dem Ladeschalter 220 und einer Ladediode 221 mit dem positiven Pol oder Anschluß einer Spannungsquelle verbunden sein und kann als Alternative oder zusätzlich über den Gruppenwahlschalter 310, 320 oder über die Diode 315, 325 sowie über die Spule 240 und eine Parallelschaltungsanordnung mit Entladeschalter 230 und einer Entladediode 231 an Masse angekoppelt werden. Der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 können zum Beispiel als Transistoren implementiert werden, die jeweils über Seitentreiber 222 und 232 gesteuert werden.
Die Spannungsquelle kann ein kapazitives Element enthalten, das bei der beispielhaften Ausführungsform der (Puffer-) Kondensator 210 sein kann. Der Kondensator 210 wird durch eine Batterie 200 (wie zum Beispiel eine Kraftfahrzeugbatterie) und einen Gleichstrom-Spannungswandler 201, der sich signalabwärts der Spannungsquelle 200 befindet, geladen. Der Gleichspannungswandler 201 wandelt die Batteriespannung (wie zum Beispiel 12 V) in eine beliebige andere geeignet entsprechende Gleichspannung (wie zum Beispiel 250 V) um und lädt den Kondensator 210 auf die umgewandelte Spannung auf. Der Gleichspannungswandler 201 kann durch einen Transistorschalter 202 und einen Widerstand 203 gesteuert werden, mit denen man Strom an dem Meßpunkt 630 messen kann.
Um die Strommessung zu überprüfen, kann eine weitere Strommessung an einem Meßpunkt 650 durch die Aktivierungsanordnung E sowie durch die Widerstände 651, 652 und 653 und eine Spannungsquelle 654, die zum Beispiel eine 5-V-Gleichspannungsquelle sein kann, vorgesehen werden. Außerdem kann durch die Aktivierungsanordnung E sowie durch Spannungsteilerwiderstände 641 und 642 eine Spannungsmessung an einem Meßpunkt 640 vorgesehen werden.
Als letztes kann man mit einem „Gesamt"-Entladewiderstand 330, einem „Stop"-Schalter 331 (der als ein Transistor implementiert werden kann) und einer „Gesamt"-Entladediode 332 die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 „vollständig" oder ausreichend entladen, wenn diese Elemente durch die „normale" Entladeoperation, die später ausführlicher beschrieben wird, nicht geeignet entladen werden. Der Stop-Schalter 331 kann vorzugsweise nach den „normalen" Entladeprozeduren (das heißt, der zyklierten Entladung über den Entladungsschalter 230) geschlossen werden, wodurch die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 durch die Widerstände 330 und 300 an die Masse angekoppelt werden. Dadurch sollten etwaige Restladungen, die in den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50, 60 verbleiben können, entfernt werden. Die Gesamtentladediode 332 soll das Auftreten negativer Spannungen an den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50, 60, die ansonsten durch solche negativen Spannungen beschädigt werden könnten, verhindern.
Das Laden und Entladen aller oder beliebiger der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 kann durch Verwendung einer Lade- und Entladevorrichtung erfolgen, die jeder der Gruppen und ihren entsprechenden piezoelektrischen Elementen gemeinsam sein kann. Bei der beispielhaften Ausführungsform kann die gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung der Schaltungsanordnung A die Batterie 200, den Gleichspannungswandler 201, den Kondensator 210, den Ladeschalter 220, den Entladeschalter 230, die Ladediode 221, die Entladediode 231 und die Spule 240 enthalten.
Das Laden und Entladen jedes piezoelektrischen Elements ist gleich und wird deshalb folgendermaßen mit Bezug auf nur das erste piezoelektrische Element 10 erläutert. Die während der Lade- und Entladeprozeduren auftretenden Bedingungen werden mit Bezug auf 5a bis 5d erläutert. Insbesondere zeigen 5a und 5b das Laden des piezoelektrischen Elements 10, und 5c und 5d zeigen das Entladen des piezoelektrischen Elements 10.
Die Auswahl eines oder mehrerer zu ladender oder zu entladender bestimmter piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 und die Lade- und Entladeprozeduren können durch die Aktivierungsanordnung E und/oder die Steueranordnung D gesteuert oder angesteuert werden, indem einer oder mehrere der Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 61, der Gruppenwahlschalter 310, 320, der Lade- und Entladeschalter 220, 230 und des Stop- Schalters 331 geöffnet oder geschlossen werden. Das Zusammenspiel der Elemente der Schaltungsanordnung A in bezug auf die Aktivierungsanordnung E und die Steueranordnung D wird später ausführlicher beschrieben.
Bezüglich der Ladeprozedur wählt das System zunächst ein bestimmtes piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50, 60, das geladen werden soll. Um ausschließlich das erste piezoelektrische Element 10 zu laden, wird der Zweigwahlschalter 11 des ersten Zweiges 110 geschlossen und alle anderen Zweigwahlschalter 21, 31, 41, 51, 61 bleiben offen. Um ausschließlich ein beliebiges anderes piezoelektrisches Element 20, 30, 40, 50, 60 zu laden oder mehrere auf einmal zu laden, wird das entsprechende piezoelektrische Element bzw. werden die entsprechenden piezoelektrischen Elemente durch Schließen eines entsprechenden einzelnen oder mehrerer der Zweigwahlschalter 21, 31, 41, 51, 61 ausgewählt.
Bei der beispielhaften Ausführungsform erfordert die Ladeprozedur eine positive Potentialdifferenz zwischen dem Kondensator 210 und dem piezoelektrischen Anschluß der Gruppenauswahl 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10. wenn der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 offen sind, besteht jedoch kein Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elements 10. In diesem Zustand befindet sich das System von 4 in einem stationären Zustand, so daß das piezoelektrische Element 10 wenigstens teilweise seinen Ladungszustand behält, so daß kein wesentlicher Strom fließt.
Um das erste piezoelektrische Element 10 zu laden, wird der Ladeschalter 220 geschlossen. Während das erste piezoelektrische Element 10 durch einfaches Schließen des Schalters geladen werden kann, können dadurch ausreichend große Ströme entstehen, die die beteiligten Komponenten oder Elemente beschädigen könnten. Deshalb werden die Ströme an dem Meßpunkt 620 gemessen und der Schalter 220 wird geöffnet, wenn die gemessenen Ströme eine bestimmte Grenze oder Schwelle übersteigen. Um die gewünschte Ladung auf dem piezoelektrischen Element 10 zu erreichen, wird der Ladeschalter 220 wiederholt geschlossen und geöffnet und der Entladeschalter 230 wird offen gehalten.
Wenn der Ladeschalter 220 geschlossen ist, treten die Bedingungen von 5a auf. Das heißt, es bildet sich eine geschlossene Reihenschaltung, die das piezoelektrische Element 10, den Kondensator 210 und die Spule 240 enthält, worin ein Strom i_LE(T) wie durch die Pfeile in 5a angegeben fließt. Als Folge dieses Stromflusses fließen positive Ladungen zu dem piezoelektrischen Anschluß der Gruppenwahl 14 des piezoelektrischen Elements 10 und es wird Energie in der Spule 240 gespeichert.
Wenn sich der Ladeschalter 220 relativ kurz (wie zum Beispiel einige wenige μs lang) öffnet, nachdem er geschlossen wurde, treten die Bedingungen von 5b auf. Das heißt, es bildet sich eine geschlossene Reihenschaltung, die das piezoelektrische Element 10, die Ladediode 221 und die Spule 240 enthält, worin ein Strom i_LA(t) wie durch Pfeile in 5b gezeigt fließt. Als Folge dieses Stromflusses fließt die in der Spule 240 gespeicherte Energie in das piezoelektrische Element 10. Entsprechend der dem piezoelektrischen Element 10 zugeführten Ladung oder Energie nimmt die Spannung und die äußere Abmessung des piezoelektrischen Elements 10 entsprechend zu. Wenn Energie aus der Spule 240 zu dem piezoelektrischen Element 10 transferiert wurde, wird wieder ein stationärer Zustand des Systems von 4 erreicht.
Zu diesem Zeitpunkt (oder abhängig von dem gewünschten Zeitprofil der Ladeoperation früher oder später) wird der Ladeschalter 220 wieder geschlossen und geöffnet, so daß die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden. Als Ergebnis des erneuten Schließens und erneuten Öffnens des Ladeschalters 220 nimmt die in dem piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie zu (das heißt, die neu abgelieferte Energie wird zu der bereits in dem piezoelektrischen Element 10 gespeicherten Energie addiert) und die Spannung und die äußere Abmessung des piezoelektrischen Elements nehmen entsprechend zu.
Durch wiederholtes Schließen und Öffnen des Ladeschalters 220 steigt die Spannung an dem piezoelektrischen Element 10 und die Expansion des piezoelektrischen Elements 10 schrittweise an. Wenn sich der Ladeschalter 220 eine vordefinierte Anzahl von Malen geschlossen und geöffnet hat und/oder wenn das piezoelektrische Element 10 den gewünschten Ladungszustand erreicht, wird das Laden des piezoelektrischen Elements 10 beendet, indem der Ladeschalter 220 offengelassen wird.
Bezüglich der Entladeprozedur können bei der beispielhaften Ausführungsform von 4 die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 in Gruppen (G1 und/oder G2) folgendermaßen entladen werden:
Als erstes wird der Gruppenwahlschalter bzw. werden die Gruppenwahlschalter 310 und/oder 320 der Gruppe(n) G1 und/oder G2 (deren piezoelektrische Elemente entladen werden sollen) geschlossen. Die Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 51 wirken sich für die Entladeprozedur nicht auf die Auswahl der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 aus, da sie durch die Zweigdioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 umgangen werden. Um also das piezoelektrische Element 10 der ersten Gruppe G1 zu entladen, wird der erste Gruppenwahlschalter 310 geschlossen.
Wenn der Entladeschalter 230 geschlossen wird, treten die in 5c gezeigten Bedingungen auf. Das heißt, es bildet sich eine geschlossene Reihenschaltung, die das piezoelektrische Element 10 und die Spule 240 enthält, worin ein Strom i_EE(t) wie durch die Pfeile in 5c angegeben fließt. Als Ergebnis dieses Stromflusses wird die in dem piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie (oder wenigstens ein Teil davon) in die Spule 240 transferiert. Entsprechend dem Energietransfer aus dem piezoelektrischen Element 10 zu der Spule 240 nehmen die an dem piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und seine externe Abmessung ab.
Wenn sich der Entladeschalter 230 relativ kurz öffnet (wie zum Beispiel einige wenige μs lang), nachdem er geschlossen wurde, treten die in 5d gezeigten Bedingungen auf. Das heißt, es bildet sich eine geschlossene Reihenschaltung, die das piezoelektrische Element 10, den Kondensator 210, die Entladediode 231 und die Spule 240 enthält, worin ein Strom i_EA(t) wie durch die Pfeile in 5d angegeben fließt. Als Ergebnis dieses Stromflusses wird die in der Spule 240 gespeicherte Energie wieder in den Kondensator 210 zurückgeführt. Wenn die Energie aus der Spule 240 in den Kondensator 210 transferiert wurde, wird wieder der stationäre Zustand des Systems von 4 erreicht.
Zu diesem Zeitpunkt (oder abhängig von dem gewünschten Zeitprofil der Entladeoperation früher oder später), wird der Entladeschalter 230 wieder geschlossen und geöffnet, so daß die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden. Als Ergebnis des erneuten Schließens und erneuten Öffnens des Entladeschalters 230 nimmt die in dem piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie weiter ab und die an dem piezoelektrischen Element auftretende Spannung und seine externe Abmessung nehmen entsprechend ab.
Durch wiederholtes Schließen und Öffnen des Entladeschalters 230 nehmen die an dem piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und die Expansion des piezoelektrischen Elements 10 schrittweise ab. Wenn sich der Entladeschalter 230 eine vordefinierte Anzahl von Malen geschlossen und geöffnet hat und/oder wenn das piezoelektrische Element 10 den gewünschten Entladungszustand erreicht hat, wird das Entladen des piezoelektrischen Elements 10 durch Offenlassen des Entladeschalters 230 beendet.
Das Zusammenspiel der Aktivierungsanordnung oder -einheit E und der Steueranordnung oder -einheit D in bezug auf die Schaltungsanordnung A wird durch Steuersignale gesteuert, die die Aktivierungsanordnung E über Zweigwahlsteuerleitungen 410, 420, 430, 440, 450, 460, Gruppenwahlsteuerleitungen 510, 520, die Stopschaltersteuerleitung 530, die Ladeschaltersteuerleitung 540, die Entladeschaltersteuerleitung 550 und die Steuerleitung 560 den Komponenten oder Elementen der Schaltungsanordnung A zuführt. Die gemessenen Ströme oder Sensorsignale, die an den Meßpunkten 600, 610, 620, 630, 640, 650 der Schaltungsanordnung A erhalten werden, werden der Aktivierungsanordnung E über Sensorleitungen 700, 710, 720, 730, 740, 750 zugeführt.
Mit jeder der Steuerleitungen kann man Spannungen an die Basis eines entsprechenden Transistorschalters anlegen (oder nicht anlegen), um ein entsprechendes der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 zu wählen und eines oder mehrere der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 durch Öffnen und Schließen ihrer entsprechenden Schalter wie oben beschrieben laden oder entladen. Mit den Sensorsignalen kann man die resultierende Spannung der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30 der Gruppe G1 oder der piezoelektrischen Elemente 40, 50, 60 der Gruppe G2 der Meßpunkte 600, 610 und die Lade- und Entladeströme aus dem Meßpunkt 620 bestimmen. Die Steueranordnung D und die Aktivierungsanordnung E arbeiten unter Verwendung der Steuer- und Sensorsignale wie nun beschrieben werden wird.
Wie in 4 gezeigt, werden die Steueranordnung D und die Aktivierungsanordnung E durch einen parallelen Bus 840 und auch durch einen seriellen Bus 850 miteinander gekoppelt. Der parallele Bus 840 kann für relativ schnelle Übertragung der Steuersignale von der Steueranordnung D zu der Aktivierungsanordnung E und der serielle Bus 850 für relativ langsamere Datentransfers benutzt werden.
Wie in 6 gezeigt, kann die Aktivierungsanordnung E (bei der es sich zum Beispiel um eine integrierte Schaltung wie etwa eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung oder ASIC handeln kann) eine Logikschaltung 800, einen Speicher 810 (der zum Beispiel ein Speicher des RAM-Typs sein kann), eine Digital/Analog-Umsetzeranordnung bzw. ein Digital/Analog-Umsetzersystem 820 und eine Komparatoranordnung bzw. ein Komparatorsystem 830 enthalten. Der schnellere parallele Bus 840 (der für die Steuersignale benutzt werden kann) kann an die Logikschaltung 800 und der langsamere serielle Bus 850 an den Speicher 810 angekoppelt werden. Die Logikschaltung 800 kann an den Speicher 810, an das Komparatorsystem 830 und an die folgenden Signalleitungen angekoppelt werden: 410, 420, 430, 440, 450 und 460; 510 und 520; 530; 540, 550 und 560. Der Speicher 810 kann an die Logikschaltung 800 und an das Digital/Analog-Umsetzersystem 820 angekoppelt werden. Das Digital/Analog-Umsetzersystem 820 kann außerdem an das Komparatorsystem 830 angekoppelt werden, das an die Sensorleitungen 700, 710, 720, 730, 740 und 750 und an die Logikschaltung 800 angekoppelt werden kann.
Die Aktivierungsanordnung E von 6 kann zum Beispiel bei der Ladeprozedur folgendermaßen benutzt werden:
Die Steueranordnung D und die Aktivierungsanordnung E wirken folgendermaßen zur Bestimmung oder Auswahl eines bestimmten piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50, 60, das auf eine bestimmte gewünschte oder Zielspannung aufgeladen werden soll. Als erstes wird der Wert der Zielspannung (ausgedrückt durch eine digitale Zahl) über den seriellen Bus 850 zu dem Speicher 810 gesendet. Die Zielspannung kann zum Beispiel die optimale Aktivierungsspannung U_opt sein, die bei einer Haupteinspritzoperation verwendet werden kann, wie oben mit Bezug auf 2 beschrieben. Später oder gleichzeitig kann ein Code, der dem bestimmten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50, 60 entspricht, das ausgewählt werden soll, und die Adresse oder Quelle der gewünschten oder Zielspannung in dem Speicher 810 zu der Logikschaltung 800 gesendet werden. Dann kann ein Startsignal, das ein Strobe-Signal sein kann, über den parallelen Bus 840 zu der Logikschaltung 800 gesendet werden, um die Ladeprozedur zu starten.
Auf der Basis des Startsignals bewirkt die Logikschaltung 800, daß der digitale Wert der gewünschten oder Zielspannung aus dem Speicher 810 zu dem Digital/Analog-Umsetzersystem 820 gesendet wird, das ein Analogsignal der gewünschten Spannung an das Komparatorsystem 830 ausgibt. Die Logikschaltung 800 kann also entweder die Sensorsignalleitung 700 für den Meßpunkt 600 (für ein beliebiges der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30 der ersten Gruppe G1) oder die Sensorsignalleitung 710 für den Meßpunkt 610 (für ein beliebiges der piezoelektrischen Elemente 40, 50, 60 der zweiten Gruppe G2) zur Bereitstellung der gemessenen Spannung (oder des gemessenen Stroms) für das Komparatorsystem 830 auswählen. Die gewünschte oder Zielspannung und die gemessene Spannung an dem gewählten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50, 60 können durch das Komparatorsystem 830 dann verglichen werden, das dann die Ergebnisse des Vergleichsergebnisses (das heißt, die Differenz zwischen der Zielspannung der gemessenen Spannung) zu der Logikschaltung 800 senden kann. Die Logikschaltung 800 kann die Ladeprozedur anhalten, wenn die gewünschte oder Zielspannung und die Spannung (oder der Strom) gleich oder gleich genug sind.
Als nächstes legt die Logikschaltung 800 unter Verwendung der Meßleitung 720 an einen (oder mehrere) Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 61, der einem der gewählten piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 entspricht, ein Steuersignal zum Schließen des Schalters an. Alle Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 61 werden bei der beispielhaften Ausführungsform als sich vor dem Start der Ladeprozedur in einem offenen Zustand befindlich betrachtet. Die Logikschaltung 800 legt dann auf der Steuerleitung 540 zu dem ladenden Schalter 220 ein Steuersignal zum Schließen des Schalters an. Die Logikschaltung 800 beginnt außerdem mit einer Messung etwaiger Ströme an dem Meßpunkt 620 unter Verwendung der Meßleitung 720 (oder setzt diese fort). Die gemessenen Spannungen (oder Ströme) werden dann durch das Komparatorsystem 830 mit einem geeignet entsprechenden vordefinierten Maximalwert verglichen. Wenn der vordefinierte Maximalwert durch die gemessenen Spannungen (oder Ströme) erreicht wird, bewirkt die Logikschaltung 800, daß sich der Ladeschalter 220 wieder öffnet.
Das System mißt dann etwaige verbleibende Ströme an dem Meßpunkt 620 unter Verwendung der Meßsignalleitung 720 und vergleicht mit einem geeignet entsprechenden vordefinierten Minimalwert. Wenn der vordefinierte Minimalwert erreicht wird, bewirkt die Logikschaltung 800, daß sich der Ladeschalter 220 wieder schließt, und die Ladeprozedur kann von vorne beginnen.
Unter Verwendung der Steuerleitung 540 erfolgt das wiederholte Schließen und Öffnen des Ladeschalters 220, wenn die gemessene Spannung an dem Meßpunkt 600 oder 610 unter der gewünschten oder Zielspannung liegt. Wenn die gewünschte oder Zielspannung erreicht wird, kann die Logikschaltung 800 die Ladeprozedur stoppen.
Die Entladeprozedur wird auf ähnliche Weise durchgeführt. Die Logikschaltung 800 wählt die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 unter Verwendung der Steuerleitungen 510, 520, um die Gruppenwahlschalter 310, 320 umzuschalten. Unter Verwendung der Steuerleitung 550 wird der Entladeschalter 230 (anstelle des Ladeschalters 220) geöffnet und geschlossen, bis eine geeignet entsprechende vordefinierte minimale Zielspannung erreicht wird.
In dem System kann die Zeitsteuerung der Lade- und Entladeoperation und des Haltens der Mittelpunktspannungspegel für die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60, wie zum Beispiel während der Zeit einer Haupteinspritzoperation, gemäß dem in 3 gezeigten beispielhaften Ventilhub erfolgen.
Wenn die piezoelektrischen Elemente als Stellglieder in einem Kraftstoffeinspritzsteuersystem verwendet werden, basiert das eingespritzte Kraftstoffvolumen auf dem bestimmten Zeitraum, für den das Steuerventil offen ist (der wie besprochen durch den Kraftstoffeinspritzzählblock 2509 bestimmt wird) und der an das piezoelektrische Element während des vorbestimmten Zeitraums angelegten Aktivierungsspannung bzw. ist eine Funktion davon. Durch Erhalten der optimalen Aktivierungsspannung U_opt während des Zeitraums der Haupteinspritzoperation kann außerdem auch der assoziierte oder entsprechende Spannungsgradient optimiert werden, da die Beziehung zwischen einem Spannungsgradienten und Kraftstoffvolumen der Beziehung zwischen der Aktivierungsspannung und Kraftstoffvolumen, wie zum Beispiel in 2 gezeigt, analog ist.
Da die obige Beschreibung der Lade- und/oder Entladeprozeduren beispielhaft ist, kann bei Verwendung der oben beschriebenen beispielhaften Anordnungen (oder anderer) eine beliebige andere geeignet entsprechende Prozedur verwendet werden.
7a zeigt ein Blockschaltbild des Kraftstoffeinspritzsteuersystems 100 von 4 einschließlich der Beziehung zwischen der Schaltungsanordnung A, eines Betriebs- oder Task-Blocklayouts von Operationen, die in der Steueranordnung D implementiert werden können (die Blöcke können Softwaremodulen entsprechen, die durch den Prozessor bzw. die Prozessoren von 6a ausgeführt werden) und der Aktivierungsanordnung E. Außerdem ist die Beziehung der Betriebs- oder Task-Blöcke der Steueranordnung D in bezug auf die Aktivierungsanordnung E und einen Verbrennungsmotor 2505 gezeigt.
Insbesondere kann die Steueranordnung D einen Basisspannungsbestimmungsblock 2500, einen Multipliziererblock 2501, einen Temperaturkompensationsblock 2501a, einen Multipliziererblock 2502, einen Kompensationsblock 2502a für piezoelektrische Betriebskenngrößen, einen Addiererblock 2503 und einen Spannungs- und Spannungsgradientensteuerungsblock 2504 (der in 7b weiter gezeigt ist), eine „Online"-Optimierungseinheit 2510 und einen Kraftstoffeinspritzeinstellblock 2511 enthalten. Der Kraftstoffeinspritzeinstellblock 2511 kann einen Kraftstoffeinspritzeinstell- oder -korrekturblock 2506, einen Block 2507 für das gewünschte Kraftstoffeinspritzvolumen, einen Addiererblock 2508 und einen Kraftstoffeinspritzzählblock 2509 enthalten.
Die Steueranordnung D erhält zuerst gemessene Informationen oder Signale entsprechend dem Kraftstoffversorgungsdruck. Dies kann zum Beispiel dadurch geschehen, daß die Steueranordnung D ein gemessenes Kraftstoffversorgungsdrucksignal erhält, das von einem Kraftstoffversorgungsdrucksensor bereitgestellt werden kann, der so konfiguriert ist, daß er den Kraftstoffversorgungsdruck mißt, und zwar durch einen Analog/Digital-Umsetzer. Der Basisspannungsbestimmungsblock 2500 kann dann die digitalen Kraftstoffversorgungsdruckinformationen in eine entsprechende Basisspannung umsetzen. Um eine genauere Zielspannung besser sicherzustellen, kann die Basisspannung auf der Basis der Temperatur und anderer Kenngrößen des piezoelektrischen Elements eingestellt werden. Wie besprochen, können zu den anderen Kenngrößen zum Beispiel die bestimmten Betriebskenngrößen gehören, wenn es hergestellt wird, und die Betriebskenngrößen des piezoelektrischen Elements, wenn es altert. In dem Temperaturkompensationsblock 2501a kann folglich die Steueranordnung D einen Kompensationsfaktor K_T bestimmen, der unter Verwendung des Multipliziererblocks 2501 auf die Basisspannung angewandt werden kann. Auf analoge Weise kann in dem Betriebskenngrößenkompensationsblock die Steueranordnung D einen Kenngrößenkompensationsfaktor K_A bestimmen, der unter Verwendung des Multipliziererblocks 2502 auf die Basisspannung angewandt werden kann.
In bezug auf den Temperaturkompensationsblock 2501a kann die Steueranordnung D die Aufgabe der Temperaturkompensation zum Beispiel auf eine beliebige eine oder mehrere der folgenden Weisen durchführen. Bei einem Ansatz kann eine Betriebstemperatur eines bestimmten Fahrzeugsystems oder einer bestimmten Fahrzeugkomponente (wie zum Beispiel eines Fahrzeugsystemkühlmittels), die einer Betriebstemperatur des piezoelektrischen Elements entspricht, als „Surrogate" oder Schätzung einer tatsächlichen Betriebstemperatur des piezoelektrischen Elements verwendet werden. Somit kann die Steueranordnung D die „Surrogate"-Betriebstemperatur erhalten und mit ihr eine temperaturbezogene Spannung des piezoelektrischen Elements aus einer gespeicherten Kennlinie erhalten, die zum Beispiel eine Beziehung zwischen einer solchen Surrogate-Betriebstemperatur und einer entsprechenden Spannung des piezoelektrischen Elements widerspiegeln kann, wodurch der Effekt der Betriebstemperatur widergespiegelt wird. Durch Verwendung dieser Information kann die Steueranordnung D einen Kompensationsfaktor auf der Basis einer Differenz zwischen der Basisspannung und der Kennlinienspannung bestimmen, wodurch der Betriebstemperatureffekt widergespiegelt wird. Bei einem anderen Ansatz kann die Steueranordnung D zuerst eine Kapazität des piezoelektrischen Elements (wie hier weiter beschrieben werden wird) bestimmen und dann auf der Basis einer anderen Kennlinie einer Beziehung zwischen der Betriebstemperatur und der Kapazität des piezoelektrischen Elements eine geschätzte Temperatur erhalten. Die Steueranordnung D kann dann mit den geschätzten Temperaturinformationen auf der Basis einer Differenz zwischen der Basisspannung und einer Kennlinienspannung, die den Betriebstemperatureffekt widerspiegelt, einen Temperaturkompensationsfaktor bestimmen.
In bezug auf den Betriebskenngrößenkompensationsblock 2502a kann die Steueranordnung D die Aufgabe der Betriebskenngrößenkompensation zum Beispiel auf eine beliebige eine oder mehrere der folgenden Weisen durchführen. Um Alterungseffekte zu kompensieren, kann zum Beispiel eine Betriebstemperatur eines bestimmten Fahrzeugsystems oder einer bestimmten Fahrzeugkomponente (wie zum Beispiel eines Fahrzeugsystemkühlmittels), die einer Betriebstemperatur des piezoelektrischen Elements entspricht, als „Surrogate" oder Schätzung einer tatsächlichen Betriebstemperatur des piezoelektrischen Elements verwendet werden. Somit kann die Steueranordnung D die „Surrogate"-Betriebstemperatur erhalten und mit ihr eine temperaturbezogene Kapazität des piezoelektrischen Elements aus einer gespeicherten Kennlinie erhalten, wodurch zum Beispiel eine Beziehung zwischen einer solchen Surrogate-Betriebstemperatur und einer entsprechenden Kapazität des piezoelektrischen Elements widergespiegelt wird, wodurch der Effekt der Betriebstemperatur widergespiegelt wird. Unter Verwendung dieser Informationen kann die Steueranordnung D auf der Basis einer Differenz zwischen einer gemessenen Kapazität des piezoelektrischen Elements (wie hier später weiter beschrieben werden wird) und der Kennlinienkapazität, die einen Alterungseffekt widerspiegeln kann, einen Betriebskenngrößenkompensationsfaktor bestimmen. Um die bestimmten Betriebskenngrößen eines piezoelektrischen Elements bei seiner Herstellung zu kompensieren, können solche Kenngrößen zuerst gemessen und dann in die Steueranordnung D eingegeben werden, die dann auf der Basis etwaiger Differenzen zwischen den Betriebskenngrößen eines bestimmten piezoelektrischen Elements und den durchschnittlichen, mittleren oder „normalen" Betriebskenngrößen einer solchen Einrichtung einen Betriebskenngrößenkompensationsfaktor bestimmen kann.
Die Steueranordnung D kann das Kraftstoffvolumenbestimmungssystem 2511 enthalten, das einen Kraftstoffvolumenbestimmungsblock 2507 enthalten kann, der zuerst ein optimales in einen Zylinder einzuspritzendes Kraftstoffvolumen m_E bestimmt und dann diesen Wert an den Addiererblock 2508 ausgibt. Wie gezeigt, „empfängt" der Kraftstoffvolumeneinstell- oder -korrekturblock 2506 Informationen von dem Verbrennungsmotor 2505. Insbesondere erhält die Steueranordnung D ein Signal entsprechend einem gemessenen Parameter (wie zum Beispiel einer Drehzahl (rpm) des Motors 2505), und der Kraftstoffeinspritzkorrekturblock 2506 bestimmt dann auf der Basis des gemessenen Parameters ein Kraftstoffeinspritzeinstell- oder -korrekturvolumen Δm_Ei. Insbesondere kann der Kraftstoffeinspritzkorrekturblock 2506 einen Frequenzanalysierer zur Auswertung der Frequenz der Drehzahl enthalten. Der Kraftstoffvolumen korrekturblock 2506 kann dann ein Kraftstoffeinspritzkorrekturvolumen Δm_E1 bestimmen und es dem Addiererblock 2508 zuführen. Genauer gesagt kann der Kraftstoffvolumenkorrekturblock 2506 mit dem gemessenen Parameter für jeden Zylinder in dem Verbrennungsmotor einen Kraftstoffeinspritzkorrekturwert Δm_Ei bestimmen (wobei „i" einem bestimmten Zylinder entspricht). In der Steueranordnung D addiert der Addiererblock 2508 den Kraftstoffeinspritzkorrekturwert Δm_Ei zu dem Kraftstoffeinspritzvolumen m_E. Der Kraftstoffeinspritzkorrekturwert Δm_Ei entspricht einer Kraftstoffmengenabweichung in einem bestimmen Zylinder „i" in bezug auf ein mittleres Kraftstoffvolumen der anderen Zylinder.
Als nächstes gibt der Addiererblock 2508 die Summe m_E* (m_E und Δm_Ei) an dem Kraftstoffeinspritzzählblock 2509 aus. Der Kraftstoffeinspritzzählblock 2509 bestimmt Zeiträume für die Voreinspritz-, Haupteinspritz- und Nacheinspritzoperationen auf der Basis des korrigierten Volumenwerts m_E* für einen bestimmten Zylinder. Als letztes steuert die Aktivierungsanordnung E mit den bestimmten Zeiträumen die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 wie hier besprochen.
Ein Kraftstoffeinspritzvolumenbestimmungssystem, das den Kraftstoffvolumeneinspritzbestimmungsblock 2507, den Kraftstoffeinspritzvolumenkorrekturblock 2506 und Kraftstoffeinspritzzählblock 2509 implementiert, ist von der Robert Bosch GmbH, Stuttgart, Bundesrepublik Deutschland, erhältlich.
In der Steueranordnung D kann der Optimierungsblock 2510 auf der Basis des Kraftstoffkorrekturwerts Δm_Ei für jeden Zylinder, der aus dem Kraftstoffeinspritzvolumenkorrekturblock 2506 empfangen wird, eine weitere Einstell- oder inkrementelle Spannung K_o bestimmen, da ein Zylinder durch die verschiedenen Betriebskenngrößen des bestimmten piezoelektrischen Stellgliedes oder Elements, das dem Zylinder entspricht, beeinflußt werden kann. Der Optimierungsblock 2510 kann dann die inkrementelle Spannung K_o dem Addiererblock 2503 zuführen, der dann die inkrementelle Spannung K_o zu der Basisspannung addiert (die wie oben besprochen eingestellt werden kann, um die geschätzten Effekte der Temperatur und anderer Betriebskenngrößen auf ein piezoelektrisches Element widerzuspiegeln), um die Zielaktivierungsspannung zu bestimmen, die dem Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 zugeführt werden kann. Danach überwacht der Optimierungsblock 2510 wieder den Wert von Δm_Ei auf der Basis der neu eingestellten Zielspannung, und die Steueranordnung D setzt diese Prozedur fort, bis die optimale Aktivierungsspannung U_opt erreicht wird, so daß das maximale Kraftstoffvolumen während des entsprechenden Zeitraums eingespritzt wird, wie in 2 gezeigt.
Insbesondere kann diese Optimierungsprozedur für jeden Zylinder wiederholt werden, um für jeden Zylinder eine optimale Aktivierungsspannung U_opt,1 zu erzielen, und wie besprochen überwacht der Optimierungsblock 2510 die Kraftstoffeinspritzkorrektur Δm_E1, nachdem der Aktivierungsanordnung E eine eingestellte Zielspannung zugeführt wurde. Wenn die Kraftstoffeinspritzkorrektur Δm_E1 aufgrund der Änderung abnimmt, dann hat die Zielspannungseinstellung zu einem größeren Volumen an eingespritztem Kraftstoff geführt und die Einstellrichtung war korrekt. Der Optimierungsblock 2510 kann dann eine weitere inkrementelle Spannung K_o bestimmen, die der Addiererblock 2503 zu der gewünschten oder Zielspannung addiert, und wenn der Kraftstoffeinspritzkorrekturwert von Δm_E1 weiter abnimmt, dann kann die Steueranordnung D diese Prozedur fortsetzen, bis der Kraftstoffeinspritzkorrekturwert Δm_E1 unter einen Schwellenwert fällt. Wenn jedoch der Kraftstoffeinspritzkorrekturwert Δm_E1 nach einer Zielspannungseinstellung zunimmt, dann war die Einstellrichtung falsch und der Optimierungsblock 2510 kann eine andere Einstellspannung K_o bestimmen. Somit kann zum Beispiel der Optimierungsblock 2510 eine negative inkrementelle Spannung K_o bestimmen, die die gewünschte oder Zielspannung reduziert, wenn der Addiererblock 2503 sie zu der Basis- oder eingestellten Basisspannung addiert.
Somit stellt der Optimierungsblock 2510 die Aktivierungsspannung U_opt für ein bestimmtes piezoelektrische Element 10, 20, 30, 40, 50, 60 optimal ein und kann auch etwaige Temperatureffekte und/oder andere Differenzen der Betriebskenngrößen zwischen den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50, 60 kompensieren, einschließlich Änderungen der Betriebskenngrößen wie zum Beispiel Alterungseffekte für ein beliebiges bestimmtes piezoelektrisches Element. Außerdem kann zum Beispiel eine optimale Aktivierungsspannung durch eine Schaltzeit des Treibers des piezoelektrischen Elements beeinflußt werden, und soweit dies zum Beispiel bewirken kann, daß der tatsächliche Spannungsgradient von dem gewünschten Spannungsgradienten verschieden ist, kann Systembetrieb durch Kompensieren dieser Effekts verbessert werden.
Als letztes kann die gewünschte oder Zielspannung dem Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 zugeführt werden, um einen entsprechenden Ansteuerstrom (beim Laden oder Entladen) und eine entsprechenden Spannung zu bestimmen. Insbesondere bestimmt der Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 die gewünschte oder Zielspannung und einen entsprechenden gewünschten Spannungsgradienten. Der Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 führt die gewünschte oder Zielspannung dann der Aktivierungsanordnung E zu, die sie an das piezoelektrische Element anlegt. Wie besprochen, vergleicht die Aktivierungsanordnung E die resultierenden gemessenen Spannungen der piezoelektrischen Elemente mit den gewünschten oder Zielspannungen unter Verwendung der Komparatoranordnung bzw. des Komparator systems 830. Die Funktionsweise des Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblocks 2504 wird später mit Bezug auf 7b weiter beschrieben.
8 zeigt eine Beziehung zwischen der Aktivierungsspannung (und dem Spannungsgradienten) 1010 und dem Strom 1020 in einem Lade- und Entladezyklus. Während des Ladens des piezoelektrischen Elements kann man den dem piezoelektrischen Element zugeführten Strom 1020 innerhalb eines Ladestrombandes 1030 halten. Wenn der Ladestrom also eine maximale Ladestromgrenze oder -schwelle 1032 erreicht, wird der Ladestrom „abgeschnitten", bis er bis auf eine minimale Ladestromgrenze oder -schwelle 1034 abnimmt. Danach wird das piezoelektrische Element geladen, bis der Strom wieder bis auf die maximale Ladestromgrenze 1032 des Ladestrombandes 1030 zunimmt. Dieser Prozeß kann mehrmals während des Ladens des piezoelektrischen Elements wiederholt werden, bis das piezoelektrische Element die gewünschte Ausdehnungslänge erreicht.
Dieselbe Prozedur kann während des Entladeprozesses wiederholt werden. Das heißt, der Entladestrom kann in einem Entladestromband 1040 gehalten werden, das eine minimale und maximale Entladestromgrenze oder -schwelle 1044 und 1042 aufweist. Das Ladestromband 1030 und das Entladestromband 1040 sollen eine Beschädigung des piezoelektrischen Elements verhindern. Außerdem können während der Lade- und Entladeprozesse die Stromgrenzen auf der Basis der gemessenen oder bestimmten Ströme, Spannungen und/oder assoziierten Spannungsgradienten so eingestellt werden, daß entsprechende Ansteuerströme, Spannungen und assoziierte Spannungsgradienten aufrechterhalten werden können. Als letztes können die Stromgrenzen für jeden Zylinder bestimmt werden.
Der obige Prozeß kann durch Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 implementiert werden, um das piezoelektrische Stellglied oder Element unter Verwendung der Aktivierungsanordnung E anzusteuern. 7b zeigt ein Task-Blockschaltbild eines Spannungsgradientenregelungs-Subsystems 3000, das in dem Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 implementiert werden kann. Spannungsgradientenregelungs-Subsystem 3000 von 7b kann separat für die verschiedenen Lade- und Entladeoperationen implementiert werden, da verschiedene Zyklusparameter in bezug auf die Lade- und Entladeoperationen verschieden sein können, aber die Task-Methodologie dieselbe ist. 7e zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Spannungssteuerungsanordnung 3500, die in der Steueranordnung D von 4 und 7a verwendet werden kann und nachfolgend besprochen wird.
In dieser Hinsicht zeigt 9a zum Beispiel die Aktivierungsspannung und Spannungsgradienten für ein einzeln wirkendes Einzelsitzsteuerventil, bei dem eine gewünschte Spannungsdifferenz ΔU5 für eine Ladeoperation wie eine gewünschte Spannungsdifferenz ΔU6 für eine Entladeoperation sein kann. Bevor die Spannungsdifferenz ΔU5 angelegt wird, wird insbesondere zuerst das Steuerventil geschlossen. Nach dem Anlegen der Spannungsdifferenz ΔU5 wird das Steuerventil geöffnet. Wenn die Spannungsdifferenz ΔU6 angelegt wird, wird das Steuerventil wieder geschlossen. Als letztes kann das Spannungsgradientensteuerungs-Subsystem 3000 von 7b für jede der Lade- und Entladeoperationen implementiert werden.
Ähnlich zeigt 9b zum Beispiel die Aktivierungsspannung und Spannungsgradienten für ein doppelt wirkendes Doppelsitzsteuerventil, bei dem eine erste gewünschte Spannungsdifferenz ΔU1 für eine erste Ladeoperation von einer zweiten gewünschten Spannungsdifferenz ΔU2 für eine zweite Ladeoperation verschieden ist und bei dem eine dritte gewünschte Spannungsdifferenz ΔU3 für eine erste Entladeoperation von einer vierten gewünschten Spannungsdifferenz ΔU4 für eine zweite Entladeoperation verschieden ist. Bevor die Spannungsdifferenz ΔU1 angelegt wird, wird insbesondere das Steuerventil in seiner ersten geschlossenen Position geschlossen. Nach dem Anlegen der Spannungsdifferenz ΔU1 wird das Steuerventil zuerst geöffnet. Wenn die Spannungsdifferenz ΔU2 angelegt wird, wird das Steuerventil in seiner zweiten geschlossenen Position geschlossen. Nach dem Anlegen der Spannungsdifferenz ΔU3 wird das Steuerventil wieder geöffnet. Wenn die Spannungsdifferenz ΔU4 angelegt wird, wird als letztes das Steuerventil wieder in seiner ersten geschlossenen Position geschlossen.
Zusätzlich kann für ein Mehrpositions-Steuerventil wie zum Beispiel ein doppelt wirkendes Doppelsitzsteuerventil, das Spannungsgradientensteuerungs-Subsystem 3000 von 7b für jede der beiden Ladeoperationen und für jede der beiden Entladeoperationen implementiert werden. Der Grund dafür besteht darin, daß die Betriebsparameter für die erste und die zweite Ladeoperation und die erste und die zweite Entladeoperation unterschiedlich sein können.
7b zeigt zum Beispiel eine Spannungsgradientensteuerungsvorrichtung auf der Basis eines Proportional-Integral-Reglers („PI") bzw. ein Subsystem 3000 zur Verwendung in dem Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504, der oben erwähnt wurde, und die für jede der oben besprochenen Lade- und Entladeprozesse implementiert werden kann.
Für den Ladeprozeß bestimmt die Steueranordnung D einen tatsächlichen gemessenen Spannungsgradienten du/dt, eine gewünschte Spannungsänderung und eine Kapazität des piezoelektrischen Elements. Insbesondere kann die Steueranordnung D den tatsächlichen gemessenen Spannungsgradienten du/dt auf der Basis der gemessenen Spannungen und der bestimmten Ladezeiten bestimmen, die von der Aktivierungsanordnung E bereitgestellt werden. Die Steueranordnung D kann die gewünschte Spannungsänderung durch Bestimmen einer Differenz zwischen der gewünschten oder Zielspannung und der gemessenen Spannung bestimmen. Die gewünschten Spannungsänderungen können zum Beispiel den Spannungsänderungen ΔU1, ΔU2 oder ΔU4 von 9b bzw. 9a entsprechen. Die Steueranordnung D kann die Kapazität des piezoelektrischen Elements auf geeignet entsprechende Weise bestimmen und kann zum Beispiel die Vorrichtungen, Anordnungen und Verfahren verwenden, die nachfolgend mit Bezug auf 7c beschrieben werden.
Wie gezeigt, kann der Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 zuerst durch Verwendung einer Kennlinie, die eine Beziehung zwischen Spannungsänderungen und Spannungsgradienten definiert, einen gewünschten oder Sollwert-Spannungsgradienten (du/dt)* bestimmen. Die Kennlinie kann in einem Speicher der Steueranordnung D gespeichert werden und kann zum Beispiel empirische Daten der Spannungsänderungen und entsprechenden Spannungsgradienten widerspiegeln.
Als nächstes kann der Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 eine Systemabweichung bestimmen, indem man eine Differenzierer- oder Subtrahiereranordnung 3020 einer Differenz zwischen dem gewünschten Spannungsgradienten (du/dt)* und dem bestimmten tatsächlichen Spannungsgradienten du/dt bestimmen läßt. Außerdem kann der Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 einen Mittelungs- und/oder Filterblock 3030 enthalten. Insbesondere kann man mit dem Block 3030 die Systemabweichungen für alle piezoelektrischen Elemente oder Stellglieder mitteln, um einrichtungsspezifische Fehler zu minimieren oder wenigstens zu reduzieren. Der Block 3030 kann auch zum Beispiel ein geeignet entsprechendes digitales Filter enthalten, um die Systemabweichung so digital zu filtern, daß „unzureichende" Änderungen ignoriert werden können. Die resultierende Systemabweichung (die gemittelt und/oder digital gefiltert werden kann) wird dann einem geeignet entsprechenden Abweichungssteuerungsblock 3040 zugeführt. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist der Steuerungsblock 3040 ein PI-Steuerungsblock, kann zum Beispiel aber auch eine Steuerung des Typs Proportional-Integral-Differential („PID") oder eine beliebige andere geeignet entsprechende Steuerung sein. Die Spannungsgradientensteuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3000 kann außerdem einen Änderungsbegrenzerblock 3050 enthalten.
Die Spannungsgradientensteuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3000 kann außerdem einen Halteblock 3060 enthalten, der so angeordnet werden kann, daß er das Ausgangssignal des PI-Steuerungsblocks 3040 empfängt (das durch den Änderungsbegrenzerblock 3050 begrenzt werden kann). Mit dem Halteblock 3060 kann man außerdem ein Ausgangssignal des PI-Steuerungsblocks 3040 halten oder „einfrieren", das durch den Begrenzerblock 3050 gegebenenfalls während des Ladens oder Entladens des piezoelektrischen Elements begrenzt werden kann. Es wird angenommen, daß das Haltemerkmal nützlich ist, wenn zum Beispiel möglicherweise „obere" Spannungspegel für ein doppelt wirkendes Doppelsitzsteuerventil, das als ein einzeln wirkendes Ventil angesteuert wird, oder möglicherweise nicht meßbar sind, oder wenn zum Beispiel der Ladestrom möglicherweise nicht regelbar ist.
Als nächstes addiert oder kombiniert die Spannungsgradientensteuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3000 das Ausgangssignal des PI-Steuerungsblocks 3040, das durch den Änderungsbegrenzungsblock 3050 begrenzt werden kann, oder den „Halte"-Steuerungswert zu dem zylinderspezifischen gewünschten oder Sollwert-Spannungsgradienten (du/dt)* (der durch den Kennlinienblock 3010 für den gewünschten Spannungsgradienten bereitgestellt werden kann) in dem Addiererblock 3070. Der resultierende eingestellte Spannungsgradient kann dann einem Multipliziererblock 3080 zugeführt werden, der den eingestellten Spannungsgradienten mit einer Kapazität des piezoelektrischen Elements multipliziert, um einen entsprechenden Ladeansteuerstrom für das piezoelektrische Element zu bestimmen. Wie besprochen, kann die Kapazität durch eine geeignet entsprechende Vorrichtung, Anordnung und/oder ein geeignet entsprechendes Verfahren bestimmt werden, darunter die Anordnungen und Verfahren, die mit Bezug auf 7c besprochen werden.
Obwohl es nicht gezeigt ist, kann die Steueranordnung D, die die Spannungsgradientensteuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3000 enthält, auch den bestimmten mittleren Ladestrom einstellen, um spezifische Einrichtungsfehler zu kompensieren, die mit dem piezoelektrischen Element assoziiert sein können. Dies kann durch Verwendung des bestimmten mittleren Ladestroms für das piezoelektrische Stellglied erfolgen, um einen kompensierten oder korrigierten mittleren Ladestrom aus einer Kennlinie (oder einer anderen geeignet entsprechenden Informationsquelle) zu bestimmen, die Fehlerinformationen widerspiegelt, die mit dem mittleren Entladestrom für das piezoelektrische Stellglied oder Element assoziiert sein können.
Die Steuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3000 kann außerdem einen weiteren Änderungsbegrenzerblock 3090 enthalten, so daß der bestimmte Ansteuerstrom nicht die entsprechenden Ladestromgrenzen übersteigt. Die Steuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3000 kann dann einen mittleren Ladestrom ausgeben, den die Aktivierungsanordnung E an das piezoelektrische Stellglied oder Element anlegt.
Eine ähnliche Vorrichtung, Anordnung und/oder ein ähnliches Verfahren können zum Regeln der Ansteuer endladeströme sowie der Aktivierungsspannungen und assoziierten Spannungsgradienten eines piezoelektrischen Stellglieds oder Elements verwendet werden.
Für den Entladeprozeß kann also die Steueranordnung D wieder einen tatsächlichen gemessenen Spannungsgradienten du/dt, eine gewünschte Spannungsänderung und eine Kapazität des piezoelektrischen Elements bestimmen. Insbesondere kann die Steueranordnung D den tatsächlichen gemessenen Spannungsgradienten du/dt auf der Basis der gemessenen Spannungen und der bestimmten Ladezeiten, die von der Aktivierungsanordnung E bereitgestellt werden, bestimmen. Die Steueranordnung D kann die gewünschte Spannungsänderung durch Bestimmen einer Differenz zwischen der gewünschten oder Zielspannung und der gemessenen Spannung bestimmen. Die gewünschten Spannungsänderungen können zum Beispiel den Spannungsänderungen ΔU3, ΔU4 oder ΔU6 von 9b bzw. 9a entsprechen. Die Steueranordnung D kann die Kapazität des piezoelektrischen Elements auf eine geeignet entsprechende Weise zum Beispiel unter Verwendung der Vorrichtungen, Anordnung und Verfahren, die nachfolgend mit Bezug auf 7c beschrieben werden, bestimmen.
Wie gezeigt, kann der Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 zuerst einen gewünschten oder Sollwertspannungsgradienten (du/dt)* durch Verwendung einer eine Beziehung zwischen Spannungsänderungen und Spannungsgradienten definierenden Kennlinie bestimmen. Als nächstes kann der Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 eine Systemabweichung bestimmen, indem man die Differenzierer- oder Subtrahiereranordnung 3020 eine Differenz zwischen dem gewünschten Spannungsgradienten (du/dt)* und dem bestimmten tatsächlichen Spannungsgradienten du/dt bestimmen läßt. Außerdem kann der Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 den Mittelungs- und/oder Filterblock 3030 enthalten. Die resultierende Systemabweichung (die gemittelt und/oder digital gefiltert werden kann) wird dann dem geeignet entsprechenden Steuerungsblock 3040 zugeführt. Bei der beispielhaften Ausführungsform kann der Steuerungsblock 3040 ein PI-Steuerungsblock sein, kann aber auch zum Beispiel eine Steuerung des Typs Proportional-Integral-Differential („PID") oder eine beliebige andere geeignet entsprechende Steuerung sein.
Die Steuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3000 kann außerdem einen Änderungsbegrenzerblock 3050 zum Begrenzen des Ausgangssignals des PI-Steuerungsblocks 3040 enthalten. Die Steuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3000 kann außerdem den Halteblock 3060 enthalten, der so angeordnet werden kann, daß er das Ausgangssignal des PI-Steuerungsblocks 3040 empfängt (das durch den Änderungsbegrenzerblock 3050 begrenzt werden kann). Mit dem Halteblock 3060 kann man auch ein Ausgangssignal des PI-Steuerungsblocks 3040, das durch den Begrenzerblock 3050 begrenzt werden kann, gegebenenfalls während des Ladens oder Entladens der piezoelektrischen Element halten oder „einfrieren".
Als nächstes addiert oder kombiniert die Steuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3000 das Ausgangssignal des PI-Steuerungsblocks 3040, das durch den Änderungsbegrenzungsblock begrenzt werden kann, ohne den „Halte"-Steuerungswert zu dem zylinderspezifischen gewünschten oder Sollwert-Spannungsgradienten (du/dt)* (der durch den Block 3010 für die gewünschte Spannungsgradientenkennlinie bereitgestellt werden kann) in dem Addiererblock 3070. Der resultierende eingestellte Spannungsgradient kann dann einem Multipliziererblock 3080 zugeführt werden, der den eingestellten Spannungsgradienten mit einer Kapazität des piezoelektrischen Elements multipliziert, um einen entsprechenden Entladeansteuerstrom für das piezoelektrische Element zu bestimmen. Wie besprochen, kann die Kapazität durch eine geeignet entsprechende Vorrichtung, Anordnung und/oder ein Verfahren bestimmt werden, einschließlich der Vorrichtungen, Anordnungen und Verfahren, die mit Bezug auf 7c besprochen werden.
Obwohl es nicht gezeigt ist, kann die Steueranordnung D, einschließlich der Steuerungsvorrichtung bzw. des Subsystems 3000, außerdem den bestimmten mittleren Ladestrom einstellen, um spezifische Einrichtungsfehler zu kompensieren, die mit dem piezoelektrischen Element assoziiert sein können. Dies kann geschehen, indem man den bestimmten mittleren Ladestrom für das piezoelektrische Stellglied verwendet, um einen kompensierten oder korrigierten mittleren Ladestrom aus einer Kennlinie (oder einer anderen geeignet entsprechenden Informationsquelle) bestimmt, wodurch Fehlerinformationen widergespiegelt werden, die mit dem mittleren Entladestrom für das piezoelektrische Stellglied oder Element assoziiert sein können.
Die Steuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3000 kann außerdem einen weiteren Änderungsbegrenzerblock 3090 enthalten, so daß der bestimmte Entladeansteuerstrom nicht die entsprechenden Entladestromgrenzen übersteigt. Die Steuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3000 gibt dann einen mittleren Entladestrom aus, den die Aktivierungsanordnung E an das piezoelektrische Stellglied oder Element anlegt.
Die Spannungssteuerung 3500 von 7e wird nun mit Bezug auf 9a und 9b folgendermaßen besprochen:
In dieser Hinsicht zeigt 9a ferner zum Beispiel eine Betriebsspannung U10 für ein einzeln wirkendes Einzelsitzsteuerventil. In einem solchen Fall kann das Spannungssteuerungs-Subsystem 3500 in dem Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 für den Spannungspegelbetriebspunkt U10 implementiert werden. Außerdem sind zum Beispiel die Zeiten t5 und t6 gezeigt, die den Zeiten entsprechen können, an denen die Spannungen gemessen werden, so daß sie beim Betrieb des Spannungs- und Spannungsgradientenblocks 2504 berücksichtigt werden können. Wenn sich zum Beispiel die Spannung bei U10 an einem entsprechenden Zeitpunkt t6 befindet, können kurzgefaßt die Spannungen durch Vergleichen der gemessenen Spannungen mit den gewünschten oder Zielspannungen gesteuert werden, wobei zum Beispiel das Spannungssteuerungs-Subsystem 3500 von 7e zur Steuerung der Abweichungen zwischen den tatsächlichen und gewünschten Spannungen an diesen Zeitpunkten benutzt wird.
Ähnlich zeigt 9b ferner zum Beispiel Aktivierungsspannungen U7, U8 und U9 für ein doppelt wirkendes Doppelsitz-Steuerventil. In einem solchen Fall können für jeden der Spannungspegelbetriebspunkte U7, U8 und U9 drei Spannungssteuerungs-Subsysteme 3500 in dem Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 implementiert werden. Außerdem sind zum Beispiel die Zeiten t1, t2, t3 und t4 gezeigt, die den Zeiten entsprechen können, an denen die Spannungen gemessen werden, so daß sie beim Betrieb des Spannungs- und Spannungsgradientenblocks 2504 berücksichtigt werden können. Wenn sich die Spannungen bei U7, U8 oder U9 an den entsprechenden Zeitpunkten t2, t3 oder t4 befinden, können kurzgefaßt zum Beispiel die Spannungen auf diesen Pegeln durch Vergleichen der gemessenen Spannungen mit den gewünschten oder Zielspannungen gesteuert werden, wobei zum Beispiel das Spannungssteuerungs-Subsystem 3500 für jeden der drei Spannungspegel zur Steuerung der Abweichungen zwischen den tatsächlichen und gewünschten Spannungen an diesen Zeitpunkten benutzt wird.
7e zeigt zum Beispiel eine Spannungssteuerungsvorrichtung bzw. ein Subsystem 3500 auf der Basis einer Steuerung des Proportional-Integral-Typs („PI") zur Verwendung in dem Spannungs- und Spannungsgradienten regelungsblock 2504 wie oben erwähnt, und die für die oben besprochenen Spannungsregelungsprozesse implementiert werden kann.
Wie gezeigt kann der Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 zuerst wie oben besprochen die gewünschte oder Sollwertspannung aus dem Block 2503 erhalten.
Als nächstes kann das Spannungsregelungsblock-Subsystem 3500 eine Systemabweichung bestimmen, indem man eine Differenzier- oder Subtrahiereranordnung 3520 eine Differenz zwischen der gewünschten Spannung und einer bestimmten oder gemessenen tatsächlichen Spannung bestimmen läßt. Außerdem kann das Spannungsregelungssubsystem 3500 einen Mittelungs- und/oder Filterblock 3530 enthalten. Insbesondere kann man mit dem Block 3530 die Systemspannungsabweichungen für alle piezoelektrischen Elemente oder Stellglieder mitteln, um einrichtungsspezifische Fehler zu minimieren oder zumindest zu verringern. Der Block 3530 kann zum Beispiel auch ein geeignet entsprechendes digitales Filter zum digitalen Filtern der Systemabweichungen enthalten, so daß „unzureichende" Spannungsänderungen ignoriert werden können. Die resultierende Systemabweichung (die gemittelt und/oder digital gefiltert werden kann) kann dann einem geeignet entsprechenden Abweichungssteuerungsblock 3540 zugeführt werden. Bei der beispielhaften Ausführungsform kann der Abweichungssteuerungsblock 3540 ein PI-Steuerungsblock sein, kann aber auch zum Beispiel eine Steuerung des Typs Proportional-Integral-Differential („PID") oder eine beliebige andere geeignet entsprechende Steuerung sein. Die Spannungssteuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3500 kann außerdem einen Spannungsänderungsbegrenzerblock 3550 zum Begrenzen von Spannungsausgangsänderungen enthalten.
Die Spannungssteuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3500 kann außerdem einen Halteblock 3560 enthalten, der so angeordnet sein kann, daß er das Ausgangssignal des Abweichungssteuerungsblocks 3540 empfängt (das durch den Spannungsänderungsbegrenzerblock 3550 begrenzt werden kann). Mit dem Halteblock 3560 kann man eine Spannungsausgabe des Abweichungssteuerungsblocks 3540 (die durch den Spannungsänderungsbegrenzerblock 3550 begrenzt werden kann) gegebenenfalls während des Betriebes halten oder „einfrieren". Wie besprochen, wird angenommen, daß das Haltemerkmal nützlich sein kann.
Als nächstes addiert oder kombiniert die Spannungssteuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3500 das Ausgangssignal des Abweichungssteuerungsblocks 3540, das durch den Änderungsbegrenzerblock 3550 begrenzt werden kann, oder den „gehaltenen" Steuerungswert zu der zylinderspezifischen gewünschten oder Sollwertspannung in dem Addiererblock 3570. Die Spannungssteuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3500 kann außerdem einen weiteren Spannungsänderungsbegrenzerblock 3590 enthalten, so daß die neue Zielspannung nicht die entsprechenden Spannungsgrenzen übersteigt. Die Spannungssteuerungsvorrichtung bzw. das Subsystem 3500 können dann die neue Zielspannung ausgegeben, die die Aktivierungsanordnung E dann an das piezoelektrische Stellglied oder Element anlegen kann.
7c zeigt ein Task-Blockschaltbild einer Kapazitätsbestimmungsvorrichtung, -anordnung bzw. eines Verfahrens 8000, die bzw. das die Steueranordnung D enthalten kann, um eine Kapazität eines piezoelektrischen Elements zu bestimmen. Das Kapazitätsbestimmungssubsystem 8000 kann einen Basiskapazitätsbestimmungsblock 8001 enthalten, der eine Basiskapazität bereitstellen kann, und kann außerdem einen Block 8050 für normierte Kapazität enthalten, die eine normierte oder frequenzeingestellte Kapazität C_f bereitstellen kann.
Wie gezeigt, kann die Steueranordnung D die Kapazität in dem Kapazitätsbestimmungsblock 8001 auf der Basis verschiedener der folgenden Eingangsparameter bestimmen: eine mit einem piezoelektrischen Element assoziierte bestimmte Ladungsmenge Q; eine mit einem piezoelektrischen Element assoziierte tatsächliche Spannung U; ein bestimmter mittlerer Ansteuerstrom I_m (wie zum Beispiel der Ladestrom) und/oder eine assoziierte Ansteuerzeit t_q (wie zum Beispiel die Ladezeit). Die bestimmte Ladungsmenge Q, die tatsächliche Spannung U und/oder die assoziierte Ansteuerzeit t_q können zum Beispiel durch die hier besprochene Aktivierungsanordnung E bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Steueranordnung D eine geeignet entsprechende Anordnung (wie zum Beispiel einen Zeitzähler) und/oder ein Verfahren zur Bestimmung der Ansteuerzeit verwenden. Die Steueranordnung D kann durch den Spannungs- und Spannungsgradientenregelungsblock 2504 zur Bereitstellung des mittleren Ansteuerstroms verwendet werden.
Bei einem Ansatz kann der Basiskapazitätsbestimmungsblock 8001 einen Teilerblock 8009 verwenden, um die Eingangsparameter Q und U zu teilen oder zu rationieren, um eine Kapazität C1 bereitzustellen, die ein Maß der mit einem piezoelektrischen Element assoziierten Kapazität ist. Bei einem anderen Ansatz kann ein weiterer Teilerblock 8006 verwendet werden, um eine bestimmte Ladungsmenge Q1 und den Eingangsparameter U zu teilen oder zu rationieren, um eine Kapazität C2 bereitzustellen, die ein weiteres Maß der mit dem piezoelektrischen Element assoziierten Kapazität ist. Wie gezeigt, kann der Basiskapazitätsbestimmungsblock 8001 die bestimmte Ladungsmenge Q1 bestimmen, indem er mit einem Multipliziererblock 8005 den mittleren Ansteuerstrom I_m (der aus dem Spannungs- und Spannungsregelungsblock 2504 erhalten werden kann) und die Ansteuerzeit t_q multipliziert. Zusätzlich kann mit einem Auswahl- oder Schaltblock 8010 eine der Basiskapazitäten C1 oder C2 ausgewählt werden, um eine gewählte Basiskapazität C3 bereitzustellen. Obwohl er als ein Schalter gezeigt ist, kann der Auswahlblock 8010 auch die alternativen Kapazitäten C1 und C2 mitteln oder anderweitig kombinieren, um die gewählte Basiskapazität C3 zu bestimmen. Es können also beliebige einzelne oder mehrere der obigen Ansätze (oder ein beliebiges anderes geeignet entsprechendes Verfahren) zur Bestimmung einer Basiskapazität für ein piezoelektrisches Element verwendet werden.
Der normierende Kapazitätsblock 8050 kann auch implementiert werden, um die normierte oder frequenzeingestellte Kapazität zu bestimmen, die eine etwaige Frequenzabhängigkeit der tatsächlichen Kapazität des piezoelektrischen Elements besser widerspiegeln kann. Bei einem Ansatz kann der normierende Kapazitätsblock 8050 zum Beispiel durch Verwendung einer Kennlinie 8030 der umgekehrten Beziehung zwischen der „Frequenz"-Zeit t_q und der Kapazität einen Einstell- oder Korrekturfaktor K1* erhalten. Bei einem anderen Ansatz kann der normierende Kapazitätsblock 8050 zum Beispiel durch Verwendung einer anderen Kennlinie 8040 der Beziehung zwischen dem Spannungsgradienten du/dt, der „Frequenz"-Zeit t_q und Kapazität einen weiteren Einstellfaktor K2* erhalten. Zusätzlich kann man mit einem Auswahl- oder Schaltblock 8020 einen der Einstellfaktoren K1* oder K2* auswählen, um einen ausgewählten Einstellfaktor K3* bereitzustellen. Obwohl er als ein Schalter gezeigt ist, kann der Auswahlblock 8020 auch die alternativen Einstellfaktoren K1* und K2* mitteln oder anderweitig kombinieren, um den gewählten Einstellfaktor K3* zu bestimmen. Es können also beliebige einzelne oder mehrere der obigen Ansätze (oder ein beliebiges anderes geeignet entsprechendes Verfahren) verwendet werden, um einen Frequenzeinstell- oder -kompensationsfaktor zu bestimmen, der auf eine Basiskapazität eines piezoelektrischen Elements angewandt werden kann. Bei der beispielhaften Ausführungsform kann man dann mit einem Teilerblock 8025 die Basiskapazität C3 auf der Basis des gewählten Einstellfaktors K3* einstellen, um die normierte oder frequenzkompensierte Kapazität C_f des piezoelektrischen Elements bereitzustellen.
7d zeigt eine Beziehung zwischen einer Ladezeit eines piezoelektrischen Elements und einem Verhältnis einer Kapazität für verschiedene Ladezeiten des piezoelektrischen Elements zu seiner Kapazität für ausreichend große oder „unendliche" Ladezeiten. Mit Bezug auf 7d ist ersichtlich, daß, wenn die Ladezeit t_q für das piezoelektrische Element zunimmt, die Kapazität C des piezoelektrischen Elements abnimmt und sich der Kapazität C_oo des piezoelektrischen Elements nähert.
Wie besprochen kann man mit der Kapazität des piezoelektrischen Elements zum Beispiel einen mit dem piezoelektrischen Element assoziierten Temperatur- und/oder Temperaturkompensationsfaktor K_T bestimmen.
Obwohl es nicht gezeigt ist, kann die Steueranordnung D eine Mikrosteuerung enthalten. Insbesondere kann die Steueranordnung D zum Beispiel eine Hauptverarbeitungsanordnung oder Zentralverarbeitungseinheit, eine Eingangs-Ausgangs-Verarbeitungsanordnung oder Zeitsteuerungsverarbeitungseinheit und eine Analog/Digital-Umsetzeranordnung enthalten. Obwohl die Hauptverarbeitungsanordnung und die Eingangs-Ausgangs-Verarbeitungsanordnung separat sein können, kann die Steueranordnung D auch eine einzige Verarbeitungsanordnung zur Durchführung der Tasks und Operationen der Hauptverarbeitungsanordnung und der Eingangs-Ausgangs-Verarbeitungsanordnung enthalten. Die Analog/Digital-Umsetzeranordnung kann mit einer Pufferspeicheranordnung zum Speichern der gemessenen Parameter assoziiert sein, die die Aktivierungsanordnung E über die Meßleitungen 700 und 710 (die mit den Spannungsmeßpunkten 600 bzw. 610 assoziiert sind) bereitstellen kann oder die über die Meßleitungen 700 und 710 bereitgestellt werden können. Die Pufferspeicheranordnung kann auch zum Speichern einer bestimmten oder gemessenen Ladungsmenge Q verwendet werden, die die Aktivierungsanordnung E über die Ladungsmengenleitung 890 der Steueranordnung D zuführen kann.
Die Steueranordnung D kann „Strobing"-Impulse oder Zeitsteuerungssignale verwenden. In dieser Hinsicht zeigt 10a ein beispielhaftes Kraftstoffeinspritzzyklusprofil über die Zeit für ein doppelt wirkendes Doppelsitzsteuerventil, wobei eine positive Auslenkung auf der vertikalen Achse jeweils einem von folgendem entspricht: einen ersten Voreinspritzereignis VE1; einem zweiten Voreinspritzereignis VE2; einem Haupteinspritzereignis HE; und einem Nacheinspritzereignis NE. In 10b ist ein Steuerventilpositionsprofil des Steuerventils über die Zeit für das Steuerventil mit dem Einspritzprofil von 10a gezeigt. Wie gezeigt, besitzt das Steuerventil eine untere Sitz- (oder erste) geschlossene Position LC, eine mittlere offene Position MO und eine obere Sitz- oder zweite) geschlossene Position UC, so daß die Kraftstoffeinspritzung für die MO-Position stattfindet und für die Positionen LC und UC keine Kraftstoffeinspritzung stattfindet. 10c zeigt Strobe-Impulse oder Signale 2, die dem Einspritzprofil von 10a entsprechen und die als Steuer- oder Zeitsteuerungssignale zur Steuerung oder Zeitsteuerung des Starts des Lade- oder Entladungszyklus verwendet werden. Insbesondere entsprechen die Strobe-Impulse 2 dem Anfang und Ende der Kraftstoffeinspritzereignisse VE1, VE2, HE und NE.
10d zeigt eine weitere Menge von Zeitsteuerungsimpulsen 4, die mit der Ladungsmenge Q und der Spannung assoziiert sind. Die Steueranordnung D kann mit den Meßzeitsteuerungsimpulsen 4 bewirken, daß das System Ladungen und Spannungen synchron mit den Kraftstoffeinspritzoperationen mißt. Die Mengenmessungszeitsteuerungsimpulse 4 können vorzugsweise um ein konstantes Zeitoffset Δt vorzugsweise vor oder nach dem Laden oder Entladen des piezoelektrischen Stellgliedes oder Elements auftreten. Das heißt, das Zeitoffset Δt kann vor dem Anfang oder nach der hinteren Flanke eines Strobe-Impulses 2 auftreten. Wie gezeigt werden die Ladungsmengenmeßzeitsteuerungsimpulse 4 so gesetzt, daß sie um ein Zeitoffset Δt nach der hinteren Flanke eines entsprechenden Strobe-Impulses 2 auftreten. Bei anderen Ausführungsformen kann das Zeitoffset Δt einen variablen Betrag aufweisen und/oder kann vor dem Anfang bestimmter Strobe-Impulse und nach dem Ende anderer Strobe-Impulse auftreten. Die Meßzeitsteuerungsimpulse 4, die durch die Steueranordnung D erzeugt werden können, werden später ausführlicher besprochen.
Die Steueranordnung D kann außerdem das piezoelektrische Stellglied oder Element bestimmen, das geladen oder entladen werden soll (das heißt, welches Zylindereinspritzventil beeinflußt werden soll), und deshalb die Spannung des piezoelektrischen Stellgliedes oder Elements, die gemessen werden soll. Die Steueranordnung D gibt den Strobe-Impuls bzw. das Signal 2 (sowie eine Identifikation des spezifischen piezoelektrischen Stellgliedes oder Elements oder als Alternative die Bank G1 oder G2 des spezifischen piezoelektrischen Stellgliedes oder Elements) an eine Eingangs-Ausgangs-Verarbeitungsanordnung aus. Die Steueranordnung D kann vorzugsweise das zu messende piezoelektrische Stellglied oder Element alle zwei Kurbelwellenumdrehungen und synchron mit einem Viertaktmotorarbeitszyklus inkrementieren, kann aber auch einen beliebig anderen geeignet entsprechenden Ansatz oder ein beliebig anderes geeignet entsprechendes Verfahren benutzen.
Die Ladungsmenge oder Spannung kann erhalten werden, indem man zuerst die momentane analoge Ladungsmenge oder Spannungen (die über die Sensorleitung 890 oder aus der Aktivierungsanordnung E über die Leitungen 700 und 710 empfangen werden), die der Ladungsmenge oder Spannung an einer bestimmten Gruppe G1 bzw. G2 piezoelektrischer Elemente entsprechen, in digitale Werte umsetzt. Die resultierenden digitalen Werte können dann gespeichert werden. Da die Analog/Digital-Umsetzeranordnung möglicherweise keine Informationen darüber besitzt, ob G1 oder G2 die aktive Einspritzgruppe ist, können die Spannungen sowohl für G1 als auch für G2 gleichzeitig erhalten und die Ergebnisse dann gespeichert werden. Die Steueranordnung D kann dann die gespeicherten Werte erhalten, nachdem das Einspritzereignis abgeschlossen ist.
Alternativ dazu kann die Ladungsmenge oder Spannung nur eines Einspritzereignisses eines bestimmten Einspritzzyklus für ein bestimmtes piezoelektrisches Stellglied oder Element gemessen werden. Somit kann zum Beispiel nur eine Ladungsmenge oder Spannung für ein HE-Ereignis eines Zyklus gemessen werden, wozu zum Beispiel die Ereignisse VE1, VE2, HE und NE von 10a gehören können. Mit einem solchen Verfahren kann man die Last auf der Steueranordnung D verringern. Außerdem kann man eine Teilmenge von zwei oder mehr Einspritzereignissen für einen bestimmten Einspritzzyklus messen.
Die Steueranordnung D analysiert dann die erhaltenen Werte und kann dann die Informationen zur Einstellung der Spannungen und der Spannungsgradienten verwenden, um etwaige Alterungs-, Temperatur- oder andere Kenngrößen des piezoelektrischen Elements widerzuspiegeln.
11 zeigt eine Ladungsmengenbestimmungs- oder Meßanordnung 800, mit der die Ladungsmenge Q bestimmt oder gemessen werden kann und die zum Beispiel in der Aktivierungsanordnung E des Kraftstoffeinspritzsteuersystems 100 von 4 verwendet werden kann.
Die Ladungsmengenbestimmungsanordnung 800 kann ein Kompensationsmerkmal enthalten, das den Integrationsprozeß kompensiert, um die Bestimmung der Ladungsmenge zu verbessern. Insbesondere kann eine Ladungsmenge Q eines piezoelektrischen Elements 10 folgendermaßen gemessen werden. Wie gezeigt, enthält die Anordnung 800 einen Shunt-Widerstand 900, einen ersten Spannungsteiler, der Widerstände 910 und 920 enthalten kann, und einen zweiten Spannungsteiler, der Widerstände 912 und 914 enthalten kann. Die erste und die zweite Spannungsteileranordnung (die eine Brückenschaltungsanordnung bilden) liefern eine erste Teilerspannung bzw. eine zweite Teilerspannung (Ue) und sollen sicherstellen, das diese Teilerspannungen (die in eine Differenzverstärkeranordnung 1100 eingegeben werden) positiv sind. Insbesondere werden die Teilerspannungen in bezug auf eine Referenzspannung Vref erhöht. Die erste und die zweite Schaltanordnung 924 und 930 (die als Transistoren oder als beliebige geeignet entsprechende Schaltanordnung implementiert werden können) werden zu Beginn der Lade- oder Entladeprozesse betätigt.
Durch einen Widerstand 940, einen Kondensator 980 und einen Operationsverstärker 950 wird eine integrierende Anordnung 805 gebildet. Insbesondere kann die integrierende Anordnung 805 natürlich jede beliebige geeignet entsprechende integrierende Anordnung sein. Wie gezeigt, gibt die Differenzverstärkeranordnung 1100 eine verstärkte Spannung an den invertierenden Anschluß des Operationsverstärkers 950 aus. Eine Spannungsquelle oder ein Arbeitspunkt V_AP (der zum Beispiel 2,5 Volt betragen kann) kann in den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 950 eingegeben werden. Insbesondere kann zum Beispiel der erste Schalter 930 (oder Halteschalter 930) am Ende des Lade- oder Entladeprozesses geöffnet werden. Das Ausgangssignal auf der Leitung 890 entspricht der Ladungsmenge Q, die während des Ladens dem piezoelektrischen Element zugeführt wird, oder der, die während des Entladens aus dem piezoelektrischen Element freigegeben wird. Die Ladungsmenge Q kann aus der Aktivierungsanordnung E über die Leitung 890 wie oben beschrieben der Analog/Digital-Umsetzeranordnung der Steueranordnung D zugeführt werden. Ein dritter Schalter (oder Rücksetzschalter) 960 (der auch ein Transistor oder eine beliebige geeignet entsprechende Schaltanordnung sein kann) kann zum Entladen des Kondensators 980 zwischen Messungen verwendet werden, um den Anfangswert der integrierenden Anordnung 805 auf null zurückzusetzen. Das heißt, da die Ladungsmengenbestimmung oder -messung jedes Mal die Ladungserhöhung enthält, wird die integrierende Anordnung 805 zuvor immer dann zurückgesetzt, wenn die Lade- oder Entladeoperation für ein piezoelektrisches Element beginnt.
Insbesondere kann ein Anschluß des Rücksetzschalters 960 an einen Ausgang der Operationsverstärkeranordnung 950 und ein weiterer Anschluß durch eine erste Leitung 870 an einen Koppelpunkt zwischen dem Widerstand 940 und dem Kondensator 980 angekoppelt werden. Zusätzlich kann ein Anschluß des Kondensators 980 an die erste Leitung 870 und der andere Anschluß zusammen an die Ladungsmengenausgangsleitung 890 und an eine zweite Leitung 880 angekoppelt werden, die an den Ausgangsanschluß der Operationsverstärkeranordnung 950 angekoppelt werden kann.
Kurzgefaßt, ist das aus dem Shunt-Widerstand 900 erhaltene Stromsignal natürlich proportional zu dem piezoelektrischen Strom. Die integrierende Anordnung 805 integriert dann das analoge Stromsignal und dies geschieht unter Verwendung der Operationsverstärkeranordnung 950, des Kondensators 980 (der sich mit Bezug auf die Aktivierungsanordnung E außerhalb befinden kann) und des Widerstands 940. Der Rücksetzschalter 960 stellt sicher, daß der Kondensator 980 vor jeder neuen Messung völlig entladen ist. Das integrierte Stromsignal entspricht also der der piezoelektrischen Einrichtung zugeführten oder von dieser entfernten Ladungsmenge Q und kann auf der Leitung 890 an den Analog/Digital-Umsetzer der Steueranordnung D ausgegeben werden.
Wie besprochen kann die Steueranordnung D mit der Ladungsmenge eine Kapazität der piezoelektrischen Einrichtung bestimmen. Insbesondere kann dies folgendermaßen geschehen. Die Spannung des piezoelektrischen Elements kann ungefähr zur selben Zeit (zum Beispiel innerhalb von 5 Mikrosekunden der Ladungsmessung) unter Verwendung des Analog/Digital-Umsetzers gemessen werden. Wie besprochen kann die Steueranordnung D dann die Ladungsmenge auf die Spannung des piezoelektrischen Elements rationieren, um eine entsprechende Kapazität zu bestimmen. Es wird angenommen, daß die Präzision der Ladungsmengenmessung wichtig ist, weil wie besprochen sich die Kapazität mit der Temperatur und auch anderen Faktoren ändert und die maximale Auslenkung des piezoelektrischen Stellgliedes oder Elements, mit dem die mit der maximalen Auslenkung assoziierten Ansteuerspannungen erhalten werden, sich auch mit der Temperatur des piezoelektrischen Elements ändert.
Somit kann die Steueranordnung D von 4 zur Bestimmung einer entsprechenden Kapazität eines piezoelektrischen Elements auf der Basis eines Verhältnisses der bestimmten oder gemessenen Ladungsmenge Q und der Spannung U eines piezoelektrischen Elements verwendet werden. Außerdem kann man wie besprochen mit diesen Kapazitätsinformationen die Spannungen zum Beispiel auf der Basis oder entsprechend der Alterungs-, Temperatur- oder anderer Kenngrößen eines bestimmten piezoelektrischen Elements einstellen. Die Ladungsmengeninformationen sollten also genau sein, um eine genaue oder präzisere Kapazität besser sicherzustellen, wodurch ein genauerer Ansteuerstrom und/oder eine genauere Ansteuerspannung bereitgestellt werden sollte.
In dieser Hinsicht kann man mit der Ladungsmengenbestimmungsanordnung 800 von 11 ein Kompensationsverfahren implementieren, mit dem der Integrationsprozeß eingestellt oder kompensiert und eine Messung der Ladungsmenge verbessert werden kann. Insbesondere soll die Kompensationsanordnung und/das Kompensationsverfahren den Effekt von Fehlern, die sich aus relativ großen Schwankungen zum Beispiel des Kondensators 980 ergeben können, kompensieren oder zumindest verringern. Die Kompensationsanordnung bzw. das Verfahren verwenden die Differenzverstärkeranordnung 1100.
Insbesondere umfaßt die Kompensationsmethodologie das Kompensieren einer Integriereranordnung, mit der ein Strom oder eine Spannung des piezoelektrischen Elements zu bestimmten Zeiten integriert wird. Die Kompensation kann auf jeden gemessenen Wert angewandt werden, der während der Bestimmung der Kapazität erhalten wird. Dadurch sollten genauere und/oder präzisere Messungen der Ladungsmenge Q bereitgestellt werden. Der Kompensationsprozeß kann vorzugsweise abgeschlossen sein, wenn der Motor 2505 angelassen wird. Alternativ dazu kann der Kompensationsprozeß zu späteren Zeiten wiederholt werden, um etwaige Mengenmessungen zu kompensieren, die durch die mit den piezoelektrischen Elementen assoziierten Betriebstemperaturen beeinflußt werden können.
Genauer gesagt kann man mit einem ersten, einem zweiten und/oder einem dritten Kalibrationsbefehl die Genauigkeit der Ladungsmenge Q erhöhen. Mit Bezug auf den ersten oder Rücksetzkalibrationsbefehl, der als CALIBRATE 1 bezeichnet werden kann, werden der Halteschalter 930 geöffnet und der Rücksetzschalter 960 geschlossen, um die integrierende Anordnung 805 zurückzusetzen, so daß der Arbeitspunkt V_AP gemessen und kalibriert werden kann. Da der Halteschalter 930 offen ist, ist der Status des Schalters 924 gleichgültig. Außerdem kann die Referenzspannung oder der Arbeitspunkt V_AP um ein entsprechendes Spannungsoffset mit Bezug auf die Referenzspannung Vref versetzt werden. Nach der Kalibration erscheint der kalibrierte Betriebspunktwert V_AP also auf der Ausgangsleitung 890. Wenn die Integrationsanordnung zurückgesetzt wurde, ist sie für die nächste Integration verfügbar.
Mit Bezug auf den zweiten Kalibrationsbefehl, der auch als CALIBRATE 2 bezeichnet werden kann, wird der Halteschalter 930 geschlossen und der Schalter 924 wird auch geschlossen, wenn der Shunt-Strom über das piezoelektrische Element klein genug oder null ist, so daß die Brückenschaltungsanordnung, die durch die beiden Spannungsteileranordnungen (mit den Widerständen 910, 912, 914 und 920) gebildet wird, kalibriert werden kann.
Mit Bezug auf den dritten Kalibrationsbefehl, der als CALIBRATE 3 bezeichnet werden kann, kann eine Kalibrationsspannung V_COMP (wie zum Beispiel die Spannung von V_AP + 0,7 Volt) über einen bestimmten Zeitraum hinweg kompensiert werden.
In diesem Zustand ist der Schalter 924 offen, so daß die integrierende Anordnung 805 an die Kalibrationsspannung V_COMP angekoppelt wird, der Halteschalter 930 ist geschlossen. Auf diese Weise kann die Zeitkonstante der integrierenden Anordnung 805 (die das Produkt des Widerstands 940 und des Kondensators 980 ist) kalibriert werden. Insbesondere können eine Spannung U_a des Kondensators 890, eine RC-Zeitkonstante T_c der externen Schaltung, eine Offsetspannung U_off (die einer mit der Aktivierungsanordnung E assoziierte Offsetspannung entspricht) und eine Integrationszeit T_int so ausgelegt werden, daß folgendes bereitgestellt wird: U_a = V_AP + T_int·U_off/T_c – 1/T_c∫U_edt. Die Referenzspannung U_ref oder V_AP kann unter Verwendung des ersten Kalibrationsbefehls bestimmt werden. Mit den zweiten und dem dritten Kalibrationsbefehl kann man zwei Meßergebnisse bereitstellen, nämlich U_a2 und U_a3. mit denen man die RC-Zeitkonstante T_c der integrierenden Anordnung 805, U_off2 und U_off3 bestimmen kann, wobei die Differenz zwischen U_a2 und U_a3 gleich folgendem ist: T_calibrate/T_c·(U_off2 – U_off3 + V_COMP). Da die Differenz zwischen den beiden Offsetspannungen kleiner genug als die Kalibrierungsspannung V_COMP sein sollte, kann die Zeitkonstante folgendermaßen bestimmt werden: 1/T_c = (U_a2 – U_a3)/(U_calibrate·T_calibrate). Außerdem kann U_off2 folgendermaßen bestimmt werden: U_off2 = (U_a2 – V_COMP) T_c/T_calibrate. Folglich können durch Verwendung dieser Werte etwaige Abweichungen des Meßergebnisses kompensiert werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zur Steuerung der Menge an in einen Verbrennungsmotor eingespritztem Kraftstoff, wobei das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) auf der Basis der von ihm getragenen Ladung (Q) gesteuert wird, wobei eine Ladungsmengenbestimmungsanordnung (800) zur Bestimmung einer dem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zuzuführenden oder aus diesem freigegebenen Ladungsmenge (Q) vorgesehen ist, wobei die Ladungsmengenbestimmungsanordnung (800) eine auf ihrer Eingangsseite mit einer Strommeßbrückenschaltung des piezoelektrischen Elements verbundene Differenzverstärkeranordnung (1100) und eine integrierende Anordnung (805) umfaßt, wobei ein erster Anschluß (950+) der integrierenden Anordnung (805) mit einer Arbeitspunktspannung (VAP) verbunden ist und wobei ein zweiter Anschluß (950–) der integrierenden Anordnung (805) mit einem Ausgang der Differenzverstärkeranordnung (1100) verbunden ist, gekennzeichnet durch Kalibrieren der Arbeitspunktspannung (VAP), wenn der Motor angelassen wird oder zu späteren Betriebszeiten, wobei der Schritt des Kalibrierens folgendes umfaßt: a) Trennen des zweiten Anschlusses (950–) der integrierenden Anordnung (805) von dem Ausgang der Differenzverstärkeranordnung (1100) durch Öffnen eines Halteschalters (930), der den zweiten Anschluß (950–) und den Ausgang der Differenzverstärkeranordnung (1100) verbindet, und b) Rücksetzen der integrierenden Anordnung (805), so daß die Arbeitspunktspannung (VAP) gemessen und kalibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Kalibrierens ferner folgendes umfaßt: c) Verschieben der Arbeitspunktspannung (VAP) um ein entsprechendes Spannungsoffset in bezug auf eine Referenzspannung (VREF).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Verwenden eines Widerstands (940), eines Operationsverstärkers (950) und eines Kondensators (980) als die integrierende Anordnung (805).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Rücksetzens der integrierenden Anordnung (805) durch Entladen des Kondensators (980) mittels eines Rücksetzschalters (960) ausgeführt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zur Steuerung der Menge an in einen Verbrennungsmotor eingespritztem Kraftstoff, wobei das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) auf der Basis der von ihm getragenen Ladung (Q) gesteuert wird, wobei eine Ladungsmengenbestimmungsanordnung (800) zur Bestimmung einer dem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zuzuführenden oder aus diesem freigegebenen Ladungsmenge (Q) vorgesehen ist, wobei die Ladungsmengenbestimmungsanordnung (800) eine auf ihrer Eingangsseite mit einer Strommeßbrückenschaltung des piezoelektrischen Elements verbundene Differenzverstärkeranordnung (1100) und eine integrierende Anordnung (805) umfaßt, wobei ein erster Anschluß (950+) der integrierenden Anordnung (805) mit einer Arbeitspunktspannung (VAP) verbunden ist und wobei ein zweiter Anschluß (950–) der integrierenden Anordnung (805) mit einem Ausgang der Differenzverstärkeranordnung (1100) verbunden ist, gekennzeichnet durch Kalibrieren einer Zeitkonstante (TC) der integrierenden Anordnung (805), wenn der Motor angelassen wird oder zu späteren Betriebszeiten, wobei der Schritt des Kalibrierens folgendes umfaßt: a) Trennen des zweiten Anschlusses (950–) der integrierenden Anordnung (805) von dem Ausgang der Differenzverstärkeranordnung (1100) und b) Verbinden des zweiten Anschlusses (950–) der integrierenden Anordnung (805) mit einer Kalibrationsspannung (VCOMP).
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Verwendung eines Widerstands (940), eines Operationsverstärkers (950) und eines Kondensators (980) als die integrierende Anordnung (805), wobei die Zeitkonstante (TC) von dem Widerstand (940) und dem Kondensator (980) abhängt.
Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zur Steuerung der Menge an in einen Verbrennungsmotor eingespritztem Kraftstoff, wobei das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) auf der Basis der von ihm getragenen Ladung gesteuert wird, wobei ein gemessener Wert des in das oder aus dem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) fließenden Stroms mittels eines Stromsensors erhalten wird und wobei eine Ladungsmengenbestimmungsanordnung (800) zur Bestimmung einer dem piezoelektrischen Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) zuzuführenden oder aus diesem freigegebenen Ladungsmenge (Q) vorgesehen ist, wobei die Ladungsmengenbestimmungsanordnung (800) mit dem Stromsensor verbunden ist und eine auf ihrer Eingangsseite mit einer Strommeßbrückenschaltung des piezoelektrischen Elements verbundene Differenzverstärkeranordnung (1100) zum Verstärken eines durch den Stromsensor empfangenen Signals und eine integrierende Anordnung (805) umfaßt, wobei ein erster Anschluß (950+) der integrierenden Anordnung (805) mit einer Arbeitspunktspannung (VAP) verbunden ist und wobei ein zweiter Anschluß (950–) der integrierenden Anordnung (805) mit einem Ausgang der Differenzverstärkeranordnung (1100) verbunden oder davon getrennt werden kann, gekennzeichnet durch Kalibrieren des Stromsensors, wenn der Motor angelassen wird oder zu späteren Betriebszeiten, wobei der Schritt des Kalibrierens folgendes umfaßt: a) Verbinden des Ausgangs der Differenzverstärkeranordnung (1100) mit der integrierenden Anordnung (805), wenn ein Strom über das piezoelektrische Element (10, 20, 30, 40, 50 oder 60) klein genug oder null ist.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Verwendung eines ersten Spannungsteilers (910, 920) und eines zweiten Spannungsteilers (912, 914), die eine Brückenschaltungsanordnung (910, 912, 914, 920) bilden, als einen Stromsensor.