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Dokumentenidentifikation DE10248214A1 13.05.2004
Titel Schaltung mit mindestens einem Piezoaktor
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Lixl, Heinz, 93053 Regensburg, DE;
Pirkl, Richard, 93047 Regensburg, DE
DE-Anmeldedatum 16.10.2002
DE-Aktenzeichen 10248214
Offenlegungstag 13.05.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.05.2004
IPC-Hauptklasse H02N 2/00
Zusammenfassung Bei Vorgabe eines Ansteuerbefehls (S*) durch eine Steuerschaltung (3) ist von einer Ansteuerschaltung (1) ein Ansteuersignal (S) an einen Piezoaktor (Pi) abgebbar, so dass der Piezoaktor (Pi) aus einer Nulllage in eine Ansteuerlage überführt wird. Bei Vorgabe eines Korrekturbefehls (I1*, I2*) durch die Steuerschaltung (3) ist von einer Korrekturschaltung (2) ein Korrektursignal (I1, I2) an den Piezoaktor (Pi) abgebbar, so dass der Piezoaktor (Pi) aus der Nulllage in eine Korrekturlage überführt wird. Die Vorgabe des Ansteuerbefehls (S*) und die Vorgabe des Korrekturbefehls (I1*, I2*) sind gegeneinander verriegelt.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung mit mindestens einem Piezoaktor, einer Ansteuerschaltung, einer Korrekturschaltung und einer Steuerschaltung,

  • – wobei ein Piezoaktor im beaufschlagungsfreien Zustand eine Nulllage einnimmt,
  • – wobei bei Vorgabe eines Ansteuerbefehls durch die Steuerschaltung von der Ansteuerschaltung ein Ansteuersignal an den Piezoaktor abgebbar ist, aufgrund dessen der Piezoaktor in eine Ansteuerlage überführbar ist,
  • – wobei bei Vorgabe eines Korrekturbefehls durch die Steuerschaltung von der Korrekturschaltung ein Korrektursignal an den Piezoaktor abgebbar ist, aufgrund dessen der Piezoaktor aus der Nulllage in eine Korrekturlage überführbar ist.

Eine derartige Schaltung ist beispielsweise aus der DE 199 05 340 C2 bekannt. Die dort beschriebene Schaltung funktioniert bereits zufriedenstellend. Sie ist aber vergleichsweise komplex aufgebaut, weil bei dieser Schaltung eine additive Überlagerung des Ansteuersignals und des Korrektursignals erforderlich ist. Das Überführen in die Korrekturlage dient dabei hauptsächlich dem Zweck, während der Ansteuerpausen eine definierte Ruhelage des Piezoaktors zu erreichen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gattungsgemäße Schaltung derart weiterzubilden, dass bei ihr mit geringerem Aufwand im wesentlichen das gleiche Ergebnis erzielbar ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Steuerschaltung derart ausgebildet ist, dass die Vorgabe des Ansteuerbefehls und die Vorgabe des Korrekturbefehls gegeneinander verriegelt sind.

Die vorliegende Erfindung beruht also auf der Erkenntnis, dass für viele Anwendungen der durch das Ansteuersignal bewirkte Hub relativ zur Korrekturlage zweitrangig ist. Wichtiger ist vielmehr, dass während der Nichtansteuerung des Piezoaktors die Korrekturlage eingenommen wird. Dies wird auch bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung erreicht. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann hingegen auf eine Überlagerungsstufe, in der eine Addition von Ansteuersignal und Korrektursignal erfolgt, entfallen.

Es ist möglich, dass die Korrekturschaltung eine erste und eine zweite Teilschaltung aufweist, die Steuerschaltung derart ausgebildet ist, dass der Korrekturbefehl alternativ an die erste oder an die zweite Teilschaltung ausgebbar ist, dass die erste Teilschaltung derart ausgebildet und angeordnet ist, dass bei Vorgabe des Korrekturbefehls an die erste Teilschaltung die Korrekturlage zwischen der Nulllage und der Ansteuerlage liegt, und dass die zweite Teilschaltung derart ausgebildet und angeordnet ist, dass bei Vorgabe des Korrekturbefehls an die zweite Teilschaltung die Nulllage zwischen der Korrekturlage und der Ansteuerlage liegt. In diesem Fall ist ein Einstellen der Korrekturlage bezüglich der Nulllage in beide Richtungen möglich.

Alternativ ist es auch möglich, dass die Korrekturschaltung derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Korrekturlage stets zwischen der Nulllage und der Ansteuerlage liegt bzw. dass die Nulllage stets zwischen der Korrekturlage und der Ansteuerlage liegt. Insbesondere im letzten Fall ergibt sich eine technisch einfache Korrekturschaltung mit deutlich hinreichender Effizienz. Denn eine Auslenkung in Richtung der Ansteuerlage ist in aller Regel nicht erforderlich.

Die Korrekturschaltung kann als Korrektursignalsteuerung und/oder als Korrektursignalregelung ausgebildet sein, je nach dem, ob das Korrektursignal in die Korrekturschaltung rückgekoppelt wird oder nicht. Die Umschaltung zwischen Steuern und Regeln des Korrektursignals kann in diesem Fall betriebszustandsabhängig erfolgen. Vorzugsweise ist die Umschaltung hysteresebehaftet.

Wenn der Steuerschaltung ein Lagesignal zuführbar ist, anhand dessen von der Steuerschaltung eine Solllage ermittelbar ist, und die Steuerschaltung derart ausgebildet ist, dass von ihr anhand der Solllage ein korrespondierender Korrekturbefehl ermittelbar ist, arbeitet die Schaltung besonders gut. Dies gilt ganz besonders, wenn das Lagesignal ein aus dem Überführen des Piezoaktors in die Ansteuerlage abgeleitetes Signal ist. Denn in diesem Fall erfolgt ein geregeltes Einstellen der Korrekturlage.

Wenn die Korrekturschaltung derart ausgebildet ist, dass das Korrektursignal von ihr auf einen Grenzwert begrenzt wird, bei dem keine Depolarisierung des Piezoaktors erfolgt, weist der Piezoaktor eine besonders lange Lebensdauer auf. Ein zuverlässiges, stabiles Schaltverhalten ist also für lange Zeit gewährleistet. Der Grenzwert kann beispielsweise bei 30 Volt oder darunter liegen.

In der Regel sind die Ansteuerschaltung und die Korrekturschaltung mit einem Gleichspannungsnetz verbindbar. In diesem Fall ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung der Schaltung dadurch, dass sie einen Spannungswandler aufweist, der zwischen dem Gleichspannungsnetz einerseits und der Ansteuerschaltung und der Korrekturschaltung andererseits angeordnet ist.

Wenn die Schaltung mehrere Piezoaktoren aufweist, weist sie vorzugsweise eine von der Steuerschaltung ansteuerbare Schalteinrichtung auf, so dass steuerbar ist, an welchen der Piezoaktoren das Ansteuersignal abgegeben wird. Denn dann ergibt sich ein minimaler Schaltungsaufwand.

Der Schaltungsaufwand kann noch weiter verringert werden, wenn mittels der Schalteinrichtung auch steuerbar ist, an welchen der Piezoaktoren das Korrektursignal abgegeben wird.

Ein häufiger Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Schaltung besteht in der Steuerung der Einspritzung bei einer Verbrennungskraftmaschine.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung

1 ein Blockschaltbild einer Schaltung mit mehreren Piezoaktoren und

2 ein Steuerdiagramm.

Gemäß 1 weist eine Schaltung mehrere Piezoaktoren P1 bis Pn auf. Sie weist ferner eine Ansteuerschaltung 1, eine Korrekturschaltung 2 und eine Steuerschaltung 3 auf. Die Korrekturschaltung 2 weist eine erste Teilschaltung 2' und eine zweite Teilschaltung 2'' auf.

Die Ansteuerschaltung 1 und die Korrekturschaltung 2 sind mit einem Gleichspannungsnetz 4 verbindbar. Die Schaltung kann dabei optional einen Spannungswandler 5 aufweisen, der zwischen dem Gleichspannungsnetz 4 auf der einen Seite und der Ansteuerschaltung 1 und der Korrekturschaltung 2 auf der anderen Seite angeordnet ist. Der Spannungswandler 5 ist typischerweise als Schaltnetzteil 5 ausgebildet. Er setzt die Netzspannung auf eine höhere Spannung um.

Die Schaltung von 1 wird in der Regel zur Steuerung der Einspritzung bei einer Verbrennungskraftmaschine verwendet. Die Netzspannung des Gleichspannungsnetzes 4 beträgt daher in der Regel 12 oder 24 Volt. Die Ausgangsspannung des Spannungswandlers 5 ist üblicherweise größer als die Netzspannung. Sie liegt beispielsweise im Bereich zwischen 60 und 100 Volt.

Auch die Steuerschaltung 3 wird üblicherweise vom Gleichspannungsnetz 4 aus mit Energie versorgt. Dies ist in 1 lediglich der Übersichtlichkeit halber nicht mit dargestellt.

Die Steuerschaltung 3 gibt verschiedene Steuersignale aus. Es sind dies zum einen ein Ansteuerbefehl S*, der der Ansteuerschaltung 1 vorgebbar ist. Ferner sind dies Korrekturbefehle I1*, I2*, welche der ersten bzw. zweiten Teilschaltung 2', 2'' vorgebbar sind. Schließlich sind es Schaltbefehle T0* bis Tn*, welche korrespondierenden Schaltern T0 bis Tn einer Schalteinrichtung 6 vorgebbar sind.

Wenn der Ansteuerschaltung 1 durch die Steuerschaltung 3 der Ansteuerbefehl S* vorgegeben wird, wird von der Ansteuerschaltung 1 ein Ansteuersignal S an einen der Piezoaktoren P1 bis Pn abgegeben. Gleichzeitig wird von der Steuerschaltung 3 ein Schaltbefehl Ti* an einen der Schalter T0 bis Tn abgegeben. Die Schalteinrichtung 6 ist also von der Steuerschaltung 3 ansteuerbar. Durch das Ansteuern eines der Schalter T0 bis Tn wird gesteuert, an welchen der Piezoaktoren P1 bis Pn das Ansteuersignal S abgegeben wird. Der angesteuerte Piezoaktor Pi wird aufgrund des Ansteuersignals S aus einer Nulllage in eine Ansteuerlage überführt. Die Nulllage entspricht dabei der Lage des Piezoaktors Pi, die dieser im beaufschlagungsfreien Zustand (angelegte Spannung = 0V, fließender Strom = 0A) annimmt.

Die Ansteuerung der Piezoaktoren P1 bis Pn ist beispielhaft in 2 für einen Vierzylinder-Viertaktmotor dargestellt. Das Kürzel „KW" steht dabei für Kurbelwelle, das Kürzel „OT" für oberer Totpunkt. Die nicht ausgefüllten Kästen in 2 bedeuten den Winkelbereich, innerhalb dessen eine Einspritzung in einen der Zylinder des Motors erfolgen kann. Ersichtlich kann eine Einspritzung – bezogen auf den jeweiligen Zylinder – innerhalb des Bereichs von 60° vor dem oberen Totpunkt bis 60° nach dem oberen Totpunkt erfolgen.

Wenn durch die Steuerschaltung 3 ein Korrekturbefehl I1* bzw. I2* an die erste bzw. zweite Teilschaltung 2', 2'' vorgegeben wird, wird von der angesteuerten Teilschaltung 2', 2'' ein Korrektursignal I1 bzw. I2 an die Piezoaktoren P1 bis Pn abgegeben.

Die Steuerschaltung 3 ist derart ausgebildet, dass sie alternativ an die erste oder an die zweite Teilschaltung 2', 2'' einen Korrekturbefehl I1*, I2* abgibt. Zu keinem Zeitpunkt wird also ein Korrekturbefehl I1*, I2* an beide Teilschaltungen 2', 2'' abgegeben.

Bei Vorgabe des Korrekturbefehls I1* an die erste Teilschaltung 2' wird gleichzeitig einer der Schalter T1 bis Tn durch einen entsprechenden Schaltbefehl Ti* angesteuert. Dadurch wird mittels der Schalteinrichtung 6 gesteuert, an welchen der Piezoaktoren P1 bis Pn das Korrektursignal I1 abgegeben wird. Durch dieses Korrektursignal I1 wird der angesteuerte Piezoaktor Pi aus der Nulllage in eine Korrekturlage überführt, die zwischen der Nulllage und der Ansteuerlage liegt.

Wenn von der Steuerschaltung 3 der Korrekturbefehl I2* an die zweite Teilschaltung 2'' abgegeben wird, wird von dieser ein Korrektursignal I2 abgegeben. In diesem Fall werden die Schalter T1 bis Tn nicht angesteuert. Hingegen wird von der Steuerschaltung 3 der Schalter T0 geschlossen. Dadurch werden alle Piezoaktoren P1 bis Pn gleichermaßen angesteuert. In diesem Fall erfolgt eine Negativauslenkung der Piezoaktoren P1 bis Pn. Die Nulllage liegt also in diesem Fall zwischen der Korrekturlage und der Ansteuerlage der Piezoaktoren P1 bis Pn.

Wie aus 2 ersichtlich ist, beginnen die Bereiche innerhalb derer der Korrekturschaltung 2 ein Korrekturbefehl I1*, I2* vorgegeben werden kann, bezüglich jedes Zylinders bei ca. 80° vor dem oberen Totpunkt. Die Bereiche – in 2 schraffiert eingezeichnet – erstrecken sich bis kurz vor den oberen Totpunkt des jeweiligen Zylinders. In der Regel enden sie spätestens 10° vor dem oberen Totpunkt. In jedem Fall aber wird durch die Steuerschaltung 3 gewährleistet, dass der Ansteuerbefehl S* erst dann vorgegeben wird, wenn die Vorgabe des Korrekturbefehls I1* bzw. I2* beendet ist. Die Steuerschaltung 3 ist also derart ausgebildet, dass die Vorgabe des Ansteuerbefehls S* und die Vorgabe des Korrekturbefehls I1* bzw. I2* gegeneinander verriegelt sind.

Gemäß 1 werden die Korrektursignale I1, I2, die von den Teilschaltungen 2', 2'' abgegeben werden, an Messstellen 7', 7'' erfasst und wieder den Teilschaltungen 2', 2'' zugeführt. Diese sind somit als Korrektursignalregelungen ausgebildet, da sie das abgegebene Korrektursignal I1 bzw. I2 nachregeln können, bis es den gewünschten Wert des Korrekturbefehls I1*, I2* annimmt. Die Messstellen 7', 7'' könnten aber auch entfallen. In diesem Fall wären die Teilschaltungen 2', 2'' als Korrektursignalsteuerungen ausgebildet.

Es ist ferner möglich, direkt oder indirekt ein Lagesignal &dgr;t zu messen, welches charakteristisch für eine optimale Korrekturlage ist. Beispielsweise kann eine Zeitdifferenz &dgr;t erfasst werden, die zwischen dem Beginn der Ausgabe des Ansteuerbefehls S* und dem tatsächlichen Aufsetzen des angesteuerten Piezoaktors Pi auf einem zu betätigenden Stößel vergeht. Diese Zeitdifferenz &dgr;t ist charakteristisch für den Abstand der Nulllage vom Stößel. Die Zeitdifferenz &dgr;t ist also ein Signal, das aus dem Überführen des Piezoaktors Pi in die Ansteuerlage abgeleitet wird.

Anhand des Lagesignals &dgr;t ist von der Steuerschaltung 3 eine Solllage für die Piezoaktoren P1 bis Pn ermittelbar. Die Steuerschaltung 3 kann somit derart ausgebildet sein, dass von ihr anhand des Lagesignals die Solllage und anhand der Solllage der korrespondierende Korrekturbefehl I1* bzw. I2* ermittelbar ist.

Gemäß 1 wird sowohl das Korrektursignal I1 als auch das Korrektursignal I2 von den Teilschaltungen 2', 2'' auf einen Grenzwert begrenzt, der kleiner oder maximal gleich 30 Volt ist. Durch diese Bemessung der Korrektursignale I1, I2 wird gewährleistet, dass durch die Korrektursignale I1, I2 keine Depolarisierung des jeweiligen angesteuerten Piezoaktors Pi erfolgt.

Bei der Ausführungsform gemäß 1 weist die Korrekturschaltung 2 zwei Teilschaltungen 2', 2'' auf. Gegebenenfalls könnte aber auch eine der beiden Teilschaltungen 2', 2'' entfallen. Welche der beiden Teilschaltungen 2', 2'' entfallen kann, ist dabei eine Frage der Auslegung der Piezoaktoren P1 bis Pn sowie der sonstigen mechanischen Gegebenheiten des Systems.

Mittels der vorliegenden Erfindung ist insbesondere im Anwendungsfall der Steuerung der Einspritzung bei einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere bei Pumpe-Düse-Systemen, auf einfache Weise eine unerwünschte Autoinjektion während der Einspritzpausen der einzelnen Zylinder verhinderbar. Ferner werden durch die Vermeidung eines „offen stehenden" Servoventils Startprobleme aufgrund unzureichenden Druckaufbaus vermieden.


Anspruch[de]
  1. Schaltung mit mindestens einem Piezoaktor (P1 bis Pn), einer Ansteuerschaltung (1), einer Korrekturschaltung (2) und einer Steuerschaltung (3),

    – wobei ein Piezoaktor (P1 bis Pn) im beaufschlagungsfreien Zustand eine Nulllage einnimmt,

    – wobei bei Vorgabe eines Ansteuerbefehls (S*) durch die Steuerschaltung (3) von der Ansteuerschaltung (1) ein Ansteuersignal (S) an den Piezoaktor (Pi) abgebbar ist, aufgrund dessen der Piezoaktor (Pi) aus der Nulllage in eine Ansteuerlage überführbar ist,

    – wobei bei Vorgabe eines Korrekturbefehls (I1*, I2*) durch die Steuerschaltung (3) von der Korrekturschaltung (2) ein Korrektursignal (I1, I2) an den Piezoaktor (Pi) abgebbar ist, aufgrund dessen der Piezoaktor (Pi) aus der Nulllage in eine Korrekturlage überführbar ist,

    – wobei die Steuerschaltung (3) derart ausgebildet ist, dass die Vorgabe des Ansteuerbefehls (S*) und die Vorgabe des Korrekturbefehls (I1*, I2*) gegeneinander verriegelt sind.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

    – dass die Korrekturschaltung (2) eine erste und eine zweite Teilschaltung (2', 2'') aufweist,

    – dass die Steuerschaltung (3) derart ausgebildet ist, dass der Korrekturbefehl (I1*, I2*) alternativ an die erste oder an die zweite Teilschaltung (2', 2'') ausgebbar ist,

    – dass die erste Teilschaltung (2') derart ausgebildet und angeordnet ist, dass bei Vorgabe des Korrekturbefehls (I1*) an die erste Teilschaltung (2') die Korrekturlage zwischen der Nulllage und der Ansteuerlage liegt, und

    – dass die zweite Teilschaltung (2'') derart ausgebildet und angeordnet ist, dass bei Vorgabe des Korrekturbefehls (I2*) an die zweite Teilschaltung (2'') die Nulllage zwischen der Korrekturlage und der Ansteuerlage liegt.
  3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturschaltung (2) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Korrekturlage stets zwischen der Nulllage und der Ansteuerlage liegt.
  4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturschaltung (2) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Nulllage stets zwischen der Korrekturlage und der Ansteuerlage liegt.
  5. Schaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturschaltung (2) als Korrektursignalsteuerung und/oder als Korrektursignalregelung ausgebildet ist.
  6. Schaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschaltung (3) ein Lagesignal (&dgr;t) zuführbar ist, anhand dessen von der Steuerschaltung (3) eine Solllage ermittelbar ist, und dass die Steuerschaltung (3) derart ausgebildet ist, dass von ihr anhand der Solllage der korrespondierende Korrekturbefehl (I1*, I2*) ermittelbar ist.
  7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagesignal (&dgr;t) ein aus dem Überführen des Piezoaktors (Pi) in die Ansteuerlage abgeleitetes Signal (St) ist.
  8. Schaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturschaltung (2) derart ausgebildet ist, dass das Korrektursignal (I1, I2) von ihr auf einen Grenzwert begrenzt wird, bei dem keine Depolarisierung des Piezoaktors (P1 bis Pn) erfolgt.
  9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert kleiner oder maximal gleich 30 Volt ist.
  10. Schaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (1) und die Korrekturschaltung (2) mit einem Gleichspannungsnetz (4) verbindbar sind.
  11. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Spannungswandler (5) aufweist, der zwischen dem Gleichspannungsnetz (4) einerseits und der Ansteuerschaltung (1) und der Korrekturschaltung (2) andererseits angeordnet ist.
  12. Schaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Piezoaktoren (P1 bis Pn) und eine von der Steuerschaltung (3) ansteuerbare Schalteinrichtung (6) aufweist, so dass steuerbar ist, an welchen der Piezoaktoren (P1 bis Pn) das Ansteuersignal (S) abgegeben wird.
  13. Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Schalteinrichtung (6) auch steuerbar ist, an welchen der Piezoaktoren (P1 bis Pn) das Korrektursignal (I1, I2) abgegeben wird.
  14. Schaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Steuerung der Einspritzung bei einer Verbrennungskraftmaschine verwendet wird.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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