Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der piezoelektrische Aktor mit mindestens einer Ansteuergröße, insbesondere einem Ansteuerstrom und/oder einer Ansteuerspannung beaufschlagt wird, um einen Betriebszustand des piezoelektrischen Aktors, insbesondere dessen Länge, zu beeinflussen.

Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät für einen derartigen piezoelektrischen Aktor.

Herkömmliche Betriebsverfahren und Steuergeräte sehen die Verwendung getakteter Ansteuerströme zur Aufladung des piezoelektrischen Aktors vor oder verwenden Schwingkreise, mit denen eine Resonanzaufladung ermöglicht ist. Die bekannten Verfahren weisen angesichts des weiten Einsatzfeldes piezoelektrischer Aktoren beispielsweise in Kraftstoffeinspritzventilen von Brennkraftmaschinen und der damit einhergehenden verhältnismäßig großen Wertebereiche der Betriebsparameter und der stark schwankenden zeitlichen Anforderungen eine unzureichende Flexibilität auf. Insbesondere ist es nicht in allen denkbaren Betriebsbereichen des piezoelektrischen Aktors beziehungsweise eines dadurch angesteuerten Kraftstoffeinspritzventils möglich, ein optimales zeitliches Ansprechverhalten des piezoelektrischen Aktors oder auch einen verlustarmen beziehungsweise wenig verschleißfördernden Betrieb des piezoelektrischen Aktors zu erhalten.

Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren und ein Steuergerät der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass ein flexiblerer Betrieb des piezoelektrischen Aktors ermöglicht ist, der insbesondere auch über größere Betriebsparameterbereiche hinweg ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten des piezoelektrischen Aktors gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors in mindestens zwei verschiedenen Ansteuerbetriebsarten erfolgt, wobei die jeweilige Ansteuerbetriebsart dadurch gekennzeichnet ist, dass der Ansteuerstrom gesteuert oder geregelt wird, und dass die Ansteuerspannung gesteuert oder geregelt wird.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Betriebsverfahren ermöglicht die vorliegende Erfindung dementsprechend eine Variation hinsichtlich der Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors, wobei vorteilhaft zwischen einer Spannungssteuerung und einer Spannungsregelung beziehungsweise zwischen einer Stromsteuerung und einer Stromregelung gewählt werden kann, wodurch gegenüber den herkömmlichen Systemen weitere Freiheitsgrade bei der Erzielung eines gewünschten Betriebsverhaltens des piezoelektrischen Aktors gegeben sind.

Unter einer Spannungsregelung, das heißt einer Regelung der Ansteuerspannung für den piezoelektrischen Aktor, wird hierbei erfindungsgemäß verstanden, dass der piezoelektrische Aktor auf einen vorgebbaren Spannungssollwert auf- beziehungsweise entladen wird. Im Gegensatz hierzu wird unter einer Spannungssteuerung, das heißt einer Steuerung der Ansteuerspannung des piezoelektrischen Aktors, verstanden, dass ein Auf- beziehungsweise Entladevorgang des piezoelektrischen Aktors nach einer vorgebbaren Zeit beendet wird.

Analog hierzu wird erfindungsgemäß unter einer Stromregelung, das heißt einer Regelung des Ansteuerstroms des piezoelektrischen Aktors, verstanden, dass während eines Auf- beziehungsweise Entladevorgangs des piezoelektrischen Aktors der Ansteuerstrom bei Erreichen eines vorgebbaren Schwellwerts abgeschaltet wird, um nach dem Verstreichen einer vorgebbaren Wartezeit gegebenenfalls wieder eingeschaltet zu werden, so dass der Auf- beziehungsweise Entladevorgang fortgesetzt werden kann. Unter einer Stromsteuerung, das heißt einer Steuerung des Ansteuerstroms des piezoelektrischen Aktors, wird erfindungsgemäß verstanden, dass der Ansteuerstrom mit einem fest vorgebbaren Tastverhältnis ein- und ausgeschaltet wird.

Insgesamt können durch die erfindungsgemäße Ansteuerung vorteilhaft vier verschiedene Ansteuerbetriebsarten realisiert werden, wobei in einer ersten Ansteuerbetriebsart eine Spannungsregelung und eine Stromregelung stattfindet, wobei in einer zweiten Ansteuerbetriebsart eine Spannungsregelung und eine Stromsteuerung stattfindet, usw.

Es ist erfindungsgemäß möglich, dass über mindestens einen vollständigen Auf- und/oder Entladezyklus des piezoelektrischen Aktors hinweg jeweils nur eine Ansteuerbetriebsart gewählt wird, so dass kein Umschalten zwischen verschiedenen Ansteuerbetriebsarten innerhalb eines entsprechenden Zyklus erforderlich ist. Andererseits lässt sich durch ein bewusstes Wechseln zwischen den verschiedenen erfindungsgemäßen Ansteuerbetriebsarten auch innerhalb eines einzigen Auf- und/oder Entladezyklus eine besonders flexible Feinansteuerung des piezoelektrischen Aktors realisieren.

Die erfindungsgemäße Ansteuerung ermöglicht vorteilhaft die Realisierung unterschiedlicher Lade- und Entladegradienten der Ansteuerspannung beziehungsweise des Ansteuerstroms, wodurch beispielsweise mit den Bewegungen des piezoelektrischen Aktors einhergehende akustische Effekte beeinflusst werden können. Insbesondere kann durch eine Einstellung geringerer Gradienten der Ansteuerspannung beziehungsweise des Ansteuerstroms das Betriebsgeräusch des piezoelektrischen Aktors reduziert werden.

Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Ansteuerprinzips kann ferner vorteilhaft ein besonders schnelles Öffnen und/oder Schließen einer Ventilnadel eines durch den piezoelektrischen Aktor betätigten Kraftstoffeinspritzventils erfolgen, nämlich durch hinreichend große Gradienten der Ansteuerspannung beziehungsweise des Ansteuerstroms. Dadurch kann ein verbesserter Strahlbildaufbau des Kraftstoffeinspritzventils und ein verbesserter Strahlbildabbau erfolgen, so dass unvollständige Verbrennungen weitestgehend vermieden werden. Hierdurch ergibt sich primär eine Verbesserung des Emissionsverhaltens der Brennkraftmaschine.

Ein weiterer vorteilhafter Aspekt bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Ansteuerprinzips besteht darin, dass auf einfache Weise ein zeitlicher Verlauf der Ansteuerspannung beziehungsweise des Ansteuerstroms realisierbar ist, der ein Abbremsen der Ventilnadel vor dem Erreichen eines entsprechenden Ventilnadelsitzes beziehungsweise eines den Ventilnadelhub begrenzenden Nadelhubanschlags zum Gegenstand hat, wodurch ein entsprechendes unerwünschtes Prellen der Ventilnadel vermieden wird und somit verbesserte Emissionswerte beziehungsweise ein geringerer Kraftstoffverbrauch erreicht werden.

Auch die Aufschlagskraft der Ventilnadel auf den Ventilsitz kann vorteilhaft reduziert werden, um einen Verschleiß des Düsensitzes zu vermindern.

Gleichfalls kann das erfindungsgemäße Ansteuerprinzip dazu verwendet werden, während des Öffnens und/oder Schließens des Kraftstoffeinspritzventils möglichst schnell solche Betriebszustände des Kraftstoffeinspritzventils zu durchlaufen, die mit verhältnismäßig hohen Toleranzen behaftet sind. Auf diese Weise kann eine entsprechende Auswirkung der jeweiligen Toleranzen auf einen Einspritzverlauf minimiert werden.

Bei einer weiteren ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist vorgesehen, dass unterschiedlichen Kraftstoffeinspritzventilen zugeordnete piezoelektrische Aktoren gleichzeitig in unterschiedlichen Ansteuerbetriebsarten im Sinne der vorliegenden Erfindung betrieben werden, wodurch eine maximale Flexibilität bei dem Betrieb einer Brennkraftmaschine gegeben ist. Insbesondere können auf diese Weise aktorspezifische Streuungen der Betriebcharakteristik kompensiert werden, die mit herkömmlichen Systemen bisher nicht kompensierbar waren.

Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms, das auf einem Computer beziehungsweise einer Recheneinheit eines Steuergeräts ablauffähig und zur Ausführung des Verfahrens geeignet ist. Das Computerprogramm kann beispielsweise auf einem elektronischen Speichermedium abgespeichert sein, wobei das Speichermedium seinerseits zum Beispiel in dem Steuergerät enthalten sein kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

In der Zeichnung zeigt:

1a eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kraftstoffeinspritzventils zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

1b ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Steuergeräts,

2–5 jeweils unterschiedliche erfindungsgemäße Ansteuerbetriebsarten, und

6 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens.

In der 1a ist ein als Kraftstoffeinspritzventil 10 ausgebildetes Einspritzventil einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt, das mit einem piezoelektrischen Aktor 12 versehen ist. Der piezoelektrische Aktor 12 wird wie in 1a durch den Pfeil angedeutet von einem Steuergerät 20 angesteuert. Weiterhin weist das Kraftstoffeinspritzventil 10 eine Ventilnadel 13 auf, die auf einem Ventilsitz 14a im Inneren des Gehäuses des Kraftstoffeinspritzventils 10 aufsitzen kann.

Ist die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz 14a abgehoben, so ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 geöffnet und es wird Kraftstoff eingespritzt. Dieser Zustand ist in der 1a dargestellt. Ein vollständig geöffneter Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 10 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel 13 an einem in dem Bereich 14b angeordneten und nicht näher dargestellten Nadelhubanschlag anliegt, der eine weitere Bewegung der Ventilnadel 13 weg von ihrem Ventilsitz 14a, d. h. auf den Aktor 12 zu, verhindert. Sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14a auf, so ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 geschlossen. D. h., der gesamte, bei der Abbildung nach 1a vertikal verlaufende, Hubweg, den die Ventilnadel 13 zurücklegen kann, ist einerseits durch den Ventilsitz 14a (Schließposition) und andererseits durch den Nadelhubanschlag in dem Bereich 14b (Öffnungsposition) begrenzt.

Der Übergang von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand wird mithilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt. Hierzu wird eine nachfolgend auch als Aktorspannung U bezeichnete elektrische Spannung an den Aktor 12 angelegt, die eine Längenänderung eines in dem Aktor 12 angeordneten Piezostapels hervorruft, welche ihrerseits zum Öffnen beziehungsweise Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 10 ausgenutzt wird.

Das Kraftstoffeinspritzventil 10 weist ferner einen hydraulischen Koppler 15 auf. Der hydraulische Koppler 15 ist innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10 angeordnet und weist ein Kopplergehäuse 16 auf, in dem zwei Kolben 17, 18 geführt sind. Der Kolben 17 ist mit dem Aktor 12 und der Kolben 18 ist mit der Ventilnadel 13 verbunden. Zwischen den beiden Kolben 17, 18 ist ein Volumen 19 eingeschlossen, das die Übertragung der von dem Aktor 12 ausgeübten Kraft auf die Ventilnadel 13 bewerkstelligt.

Der Koppler 15 ist von unter Druck stehendem Kraftstoff 11 umgeben. Das Volumen 19 ist ebenfalls mit Kraftstoff gefüllt. Über die Führungsspalte zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 kann sich das Volumen 19 über einen längeren Zeitraum hinweg an die jeweils vorhandene Länge des Aktors 12 anpassen. Bei kurzzeitigen Änderungen der Länge des Aktors 12 bleibt das Volumen 19 jedoch nahezu unverändert und die Änderung der Länge des Aktors 12 wird auf die Ventilnadel 13 übertragen.

1b zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Steuergeräts 20 aus 1a. Das Steuergerät 20 weist eine beispielsweise als Mikrocontroller oder digitaler Signalprozessor ausgebildete Recheneinheit 21 auf, die einer beispielhaft extern ausgebildeten Ansteuereinheit 22 ein Taktsignal CLK zuführt. Die Ansteuereinheit 22 kann beispielsweise als ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ausgebildet sein und steuert ihrerseits die Leistungsendstufe 23 an, welche Leistungs-Ausgangssignale wie einen Ansteuerstrom I und eine Ansteuerspannung U für das Kraftstoffeinspritzventil 10 beziehungsweise den darin enthaltenen piezoelektrischen Aktor 12 bereitstellt.

Neben dem Taktsignal CLK führt die Recheneinheit 21 der Ansteuereinheit 22 auch weitere Signale zu, bei denen es sich vorliegend beispielhaft um Sollwerte I_soll, U_soll für die Ansteuerspannung und den Ansteuerstrom für den piezoelektrischen Aktor 12 handelt. In Abhängigkeit dieser Sollwerte I_soll, U_soll beaufschlagt die Ansteuereinheit 22 die Leistungsendstufe 23.

Zur Erfassung von Betriebsgrößen des piezoelektrischen Aktors 12 ist auch eine entsprechende Signalisierung von der Ansteuereinheit 22 zu der Recheneinheit 21 vorgesehen, die in 1b beispielhaft durch die Signalleitungen sig symbolisiert ist.

Über die Signalleitungen sig kann der Recheneinheit 21 beispielsweise das Erreichen eines Sollwerts für den Ansteuerstrom I oder auch eines Sollwerts für die Ansteuerspannung U angezeigt werden.

Zur Realisierung einer möglichst flexiblen Formung des zeitlichen Verlaufs der Ansteuerspannung U und/oder des Ansteuerstroms I sieht das erfindungsgemäße Betriebsverfahren vor, dass die Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 in mindestens zwei verschiedenen Ansteuerbetriebsarten erfolgt, wobei die jeweilige Ansteuerbetriebsart durch eine Regelung oder Steuerung des Ansteuerstroms I und durch eine Regelung oder Steuerung der Ansteuerspannung U gekennzeichnet ist.

Das heißt, im Gegensatz zu herkömmlichen Betriebsverfahren, bei denen allenfalls eine einzige Ansteuervariante verwendet wird, sieht die vorliegende Erfindung eine Kombination beziehungsweise Variation zwischen den verschiedenen Ansteuerbetriebsarten vor und erzielt damit eine größtmögliche Flexibilität bei der Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12.

Es ist sowohl denkbar, mindestens einen vollständigen Auf- und/oder Entladezyklus des piezoelektrischen Aktors 12 hinweg mit einer einzigen der erfindungsgemäß möglichen Ansteuerbetriebsarten durchzuführen.

Eine gesteigerte Flexibilität ist demgegenüber jedoch vorteilhaft durch eine Variation zwischen verschiedenen Ansteuerbetriebsarten innerhalb eines Auf- und/oder Entladezyklus gegeben.

Nachfolgend werden die vier unterschiedlichen erfindungsgemäßen Ansteuerbetriebsarten unter Bezugnahme auf die 2–5 näher beschrieben.

2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Ansteuerspannung U und des Ansteuerstroms I im Rahmen eines Aufladevorgangs des piezoelektrischen Aktors 12 gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ansteuerbetriebsart, bei der sowohl die Ansteuerspannung U als auch der Ansteuerstrom I geregelt wird.

Aus der 2 ist ersichtlich, dass der piezoelektrische Aktor 12 dabei ausgehend von einer Ausgangsspannung U1 auf eine Sollspannung U2 aufgeladen wird, was zwischen den entsprechenden Zeitpunkten t1 und t2 erfolgt.

Bei der in 2 verdeutlichten erfindungsgemäßen ersten Ansteuerbetriebsart wird die Ist-Spannung des piezoelektrischen Aktors 12 gemessen und mit dem Sollwert U_soll (1b) verglichen, was der Auswertung einer Regelabweichung entspricht. Der Ansteuerstrom I wird in an sich bekannter Weise über einen Shunt gemessen, und mit dem Überschreiten eines oberen Sollwerts I_max wird der Ladestrom zunächst abgeschaltet, bis er nach einer durch das Taktsignal CLK vorgegebenen Wartezeit gegebenenfalls wieder angeschaltet wird, um den Aufladevorgang des piezoelektrischen Aktors 12 fortzusetzen, wenn nicht bereits die Sollspannung U2 erreicht worden ist.

Die vorstehend beschriebene erste Ansteuerbetriebsart mit Strom- und Spannungsregelung kann beispielsweise dazu eingesetzt werden, den Gradienten der Ansteuerspannung U auf einen vorgebbaren Wert einzustellen, um das akustische Verhalten des piezoelektrischen Aktors 12 zu steuern, insbesondere um dessen Betriebsgeräusche zu vermindern. Diese Betriebsweise ist insbesondere bei einem Leerlauf der Brennkraftmaschine zweckmäßig. Eine bestimmte Flankensteilheit der Ansteuerspannung U sollte jedoch insbesondere während des Öffnens eines durch den piezoelektrischen Aktors 12 betätigten Kraftstoffeinspritzungsventils 10 nicht unterschritten werden, da in diesem Fall der Einfluss der Fertigungstoleranzen des Kraftstoffeinspritzventils 10 zunähme und eine Verschlechterung des Emissionsverhaltens bewirkte.

3 zeigt analog zu 2 einen zeitlichen Verlauf der Betriebsgrößen U, I, CLK, wie sie sich bei einer Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 (1a) im Rahmen einer zweiten erfindungsgemäßen Ansteuerbetriebsart ergeben, die gekennzeichnet ist durch eine Spannungsregelung und eine Stromsteuerung. Das heißt, im Vergleich zu dem vorstehend unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen ersten Betriebsmodus wird bei der zweiten erfindungsgemäßen Ansteuerbetriebsart nach 3 der Ansteuerstrom I gesteuert und nicht geregelt. Vorliegend wird diese Steuerung des Ansteuerstroms I über ein festes zeitliches Ein- und Ausschaltverhältnis des Ansteuerstroms I, beispielsweise im Sinne einer Pulsweitenmodulation, erreicht. Das heißt, es wird insbesondere nicht das Überschreiten eines vorgebbaren Maximalstroms I_max (2) überwacht, wie dies bei der ersten Ansteuerbetriebsart zur Realisierung der Stromregelung erfolgt ist.

Das Ein- und Ausschaltverhältnis ist in 3 durch die entsprechenden Ein- und Ausschaltzeiten T_an, T_aus des Taktsignals CLK angedeutet. Es wird erfindungsgemäß im Sinne einer Steuerung vorgegeben, sein Wert ist jedoch frei wählbar, wodurch wiederum flexibel ein gewünschter zeitlicher Verlauf des Ansteuerstroms I beziehungsweise der Ansteuerspannung U erzielt werden kann.

Die vorliegend unter Bezugnahme auf 3 erläuterte zweite Ansteuerbetriebsart mit Spannungsregelung und Stromsteuerung kann beispielhaft dann vorteilhaft angewandt werden, wenn die Flankensteilheit des zeitlichen Verlaufs der Ansteuerspannung U und ein ripple der Ansteuerspannung U eine untergeordnete Rolle spielen, wie dies beispielsweise bei einem Nachladen des piezoelektrischen Aktors 12 während eines bereits zumindest teilweise aufgeladenen Betriebszustands gegeben ist. Je nach dem verwendeten Injektorprinzip kann das durch den piezoelektrischen Aktor 12 betätigte Kraftstoffeinspritzventil 10 hierbei geöffnet oder auch geschlossen sein. Das vorstehend beschriebene Nachladen kann insbesondere dazu eingesetzt werden, um den aktuellen Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventils 10 aufrechtzuerhalten. Da die vorstehend diskutierte zweite Ansteuerbetriebsart ebenso wie die erste erfindungsgemäße Ansteuerbetriebsart eine Regelung der Ansteuerspannung U zum Gegenstand hat, wird auch in 3 der Ladevorgang beendet, sobald die Ansteuerspannung U den vorgebbaren Sollwert U2 erreicht hat, vgl. den Zeitpunkt t2.

4 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Betriebsgrößen I, U, CLK, wie er sich während eines Aufladevorgangs des piezoelektrischen Aktors 12 gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ansteuerbetriebsart ergibt, bei der die Ansteuerspannung U gesteuert und der Ansteuerstrom I geregelt wird.

Im Unterschied zu der unter Bezugnahme auf 2 erläuterten ersten erfindungsgemäßen Ansteuerbetriebsart mit Spannungsregelung wird der Ladevorgang des piezoelektrischen Aktors 12 vorliegend nach einer fest vorgegebenen Zeit – bezogen auf den Beginn des Ladevorgangs – beendet, um die erfindungsgemäße Spannungssteuerung zu realisieren. Vorliegend handelt es sich hierbei um die Zeitdifferenz t2–t1.

Die erfindungsgemäße dritte Ansteuerbetriebsart ist insbesondere dann bevorzugt einzusetzen, wenn ein möglichst großer Gradient der Ansteuerspannung U erreicht werden soll. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der piezoelektrische Aktor 12 möglichst schnell von einem ersten Betriebszustand, der beispielsweise einem Öffnungszustand des Kraftstoffeinspritzventils 10 entspricht, in einen zweiten Betriebszustand zu verbringen ist, der beispielsweise einem Schließzustand des Kraftstoffeinspritzventils 10 entspricht.

Für das Umladen des piezoelektrischen Aktors 12 auf Zwischenspannungsniveaus ist die dritte erfindungsgemäße Ansteuerbetriebsart ebenfalls verwendbar.

Da der piezoelektrische Aktor 12 üblicherweise aus einem so genannten Piezostack, das heißt einer Stapelanordnung mehrerer einzelner piezoelektrische Elemente, besteht, ist er bei gängigen Systemen mittels einer Feder druckvorbelastet, um zu verhindern, dass sich Zugkräfte in dem piezoelektrischen Aktor 12 ausbilden. Infolge der Massenträgheit des Piezostacks kann es bei einem zu schnellen Entladen dennoch zu einer lokalen Zugbeanspruchung und damit zu einer Zerstörung des Piezostack kommen. Um dies zu verhindern, darf daher eine vorgebbare Flankensteilheit der Ansteuerspannung U nicht überschritten werden, was ergänzend auch durch die Stromregelung bei der dritten Ansteuerbetriebsart sichergestellt werden kann.

Die vierte erfindungsgemäße Ansteuerbetriebsart ist durch eine Spannungssteuerung und eine Stromsteuerung gekennzeichnet. Der zeitliche Verlauf des Ansteuerstroms I ist hierbei über ein festes, aber vorgebbares, zeitliches Ein- und Ausschaltverhältnis im Sinne einer Pulsweitenmodulation vorgegeben, vergleiche auch die zweite erfindungsgemäße Ansteuerbetriebsart nach 3. Um die Steuerung der Ansteuerspannung U im Sinne der vorliegenden Erfindung zu realisieren, ist bei der vierten Ansteuerbetriebsart ferner vorgesehen, dass ein Lade- beziehungsweise Entladevorgang nach einer fest vorgegebenen Zeit, vergleiche beispielsweise die Zeitdifferenz t2–t1 gemäß 4 oder 5, beendet wird.

Die erfindungsgemäße vierte Ansteuerbetriebsart ist insbesondere zur Ermittlung von Kenngrößen des piezoelektrischen Aktors 12 beziehungsweise des ihn aufweisenden Kraftstoffeinspritzventils 10 verwendbar. Die durch die Recheneinheit 21 (1b) vorgegebenen Soll- beziehungsweise Schwellwerte für die Ansteuerspannung U und den Ansteuerstrom I werden zumindest temporär konstant gehalten und insbesondere gespeichert, um in Verbindung mit den zugehörigen Messgrößen zum Beispiel für die tatsächliche Spannung an dem piezoelektrischen Aktor 12 einen zeitlichen Verlauf der Ladung des piezoelektrischen Aktors 12 und hieraus Aussagen über eine Drift, Alterung und gegebenenfalls Defekte des piezoelektrischen Aktors 12 beziehungsweise des Kraftstoffeinspritzventils 10 zu erhalten. Die vorstehenden Informationen können einerseits zur Diagnose verwendet werden, andererseits können entsprechende Kompensationsverfahren zum Ausgleich der Drift- beziehungsweise Alterungseffekte durchgeführt werden.

Dadurch, dass das erfindungsgemäße Betriebsverfahren mit Hilfe einer Recheneinheit 21 realisiert ist, kann ohne jede Einschränkung zwischen den erfindungsgemäßen Ansteuerbetriebsarten gewechselt werden, entweder innerhalb eines einzelnen Lade-/Entladezyklus oder auch zwischen verschiedenen, aufeinander folgenden Ladezyklen. Über die bereits unter Bezugnahme auf 1b beschriebenen Signale I_soll, U_soll gibt die Recheneinheit 21 die Abschaltspannung für den spannungsgeregelten Betrieb und die Stromschwelle für den stromgeregelten Betrieb an die nachgeordneten Elemente 22, 23 weiter. Auf dieselbe Weise kann auch eine Lade-/Entladezeit t2–t1 für einen spannungsgesteuerten Betrieb vorgegeben werden. Die Stromsteuerung kann – wie bereits beschrieben – durch das Taktsignal CLK beeinflusst werden.

Die eigentliche Strom- beziehungsweise Spannungsregelung im Sinne der vorliegenden Erfindung, das heißt das Abarbeiten der zugehörigen Regelalgorithmen, kann einer Ausführungsform zufolge bevorzugt in der Recheneinheit 21 stattfinden. Bei dieser Erfindungsvariante liefert die Ansteuereinheit 22 lediglich das Vergleichsergebnis zwischen den Sollgrößen U_soll, I_soll und den tatsächlichen Betriebsgrößen des piezoelektrischen Aktors 12. Sofern beispielsweise der Strom-Istwert den Strom-Sollwert I_soll überschreitet, wird eine Zustandsänderung des Logiksignals auf einer der Signalleitungen sig erzeugt. Diese Zustandsänderung erkennt die Recheneinheit 21 und verwendet sie als Triggerereignis beispielsweise zur Abschaltung eines Highside-Transistors, der einen Ladestrom zum Aufladen des piezoelektrischen Aktors 12 steuert.

Nach einer gewissen Pausenzeit bezogen auf die Zustandsänderung des Signals sig wird der Highside-Transistor wieder eingeschaltet. Bei einer besonders bevorzugten Erfindungsvariante ist das Aus- und Einschalten des Transistors dabei ohne Softwareunterstützung seitens der Recheneinheit 21 möglich, vielmehr ist der entsprechende Algorithmus hardwaremäßig entweder direkt in der Recheneinheit 21 oder auch in der Ansteuereinheit 22 realisiert.

Analog hierzu kann auch bei dem Erreichen des Sollwerts U_soll für die Ansteuerspannung eine Zustandsänderung auf einer entsprechenden Signalleitung sig hervorgerufen werden, die den Highside-Transistor deaktiviert und beispielsweise auch das Taktsignal CLK beeinflussen kann.

Anstelle der in 1b abgebildeten Struktur können die funktionalen Einheiten 21, 22, 23 auch in einem einzigen integrierten Schaltkreis integriert sein oder in anderer Weise auf verschiedene Komponenten verteilt sein.

Insgesamt ist durch die erfindungsgemäße Kombination der vier erfindungsgemäßen Ansteuerbetriebsarten ein sehr flexibler Betrieb des piezoelektrischen Aktors 12 sichergestellt. Ganz besonders vorteilhaft kann eine Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 unter Reduktion seiner Betriebsgeräusche erfindungsgemäß durchgeführt werden. Ferner kann durch ein Abbremsen einer durch den piezoelektrischen Aktor 12 betätigten Ventilnadel 13 (1a) auch der Verschleiß des Kraftstoffeinspritzventils 10 verringert werden. Darüber hinaus können durch entsprechende Ansteuerung auch ein Prellen der Ventilnadel 13 und sonstige unerwünschte Betriebszustände vermieden werden, so dass die Emissionseigenschaften und auch ein Kraftstoffverbrauch verbessert werden.

Ganz besonders vorteilhaft kann bei der Verwendung des piezoelektrischen Aktors 12 in Kraftstoffeinspritzventilen 10 von Brennkraftmaschinen jeder piezoelektrische Aktor 12 eines individuellen Kraftstoffeinspritzventils 10 auf unterschiedliche Weise, das heißt z. B. in einer unterschiedlichen erfindungsgemäßen Ansteuerbetriebsart betrieben werden, so dass für die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine gleichzeitig verschiedene Ansteuercharakteristiken möglich sind.

6 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens, bei der in einem ersten Schritt 100 überprüft wird, ob ein Taktsignal CLK vorhanden ist. Sofern das Taktsignal vorhanden ist, werden in dem nachfolgenden Verfahrensschritt 110 Sollwerte U_soll, I_soll für die Ansteuerspannung U und den Ansteuerstrom I beispielsweise durch die Ansteuereinheit 22 eingelesen und für die nachfolgende Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 verwendet. Eine hierauf folgende weitere Abfrage 120 hat die Überprüfung zum Gegenstand, ob im Laufe der Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 ein vorgebbarer Schwellwert beispielsweise für die Ansteuerspannung U oder für den Ansteuerstrom I erreicht worden ist. Sofern dies nicht der Fall ist, wird in dem nachfolgenden Verfahrensschritt 130 eine weitere Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 mit Hilfe der Leistungsendstufe 23 vorgenommen.

Ist zuvor jedoch einer der genannten Schwellwerte erreicht worden, so verzweigt das erfindungsgemäße Verfahren wiederum in den Verfahrensschritt 100.

Nach der Ansteuerung gemäß Verfahrensschritt 130 erfolgt analog zu Verfahrensschritt 100 in dem weiteren Verfahrensschritt 140 erneut eine Überprüfung, ob ein Taktsignal CLK vorhanden ist. Falls ja, verzweigt das erfindungsgemäße Verfahren zu der Abfrage gemäß Verfahrensschritt 120. Andernfalls verzweigt das erfindungsgemäße Verfahren wiederum zu dem Verfahrensschritt 100.