Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Festkörperak- tuators

Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoffemissio- nen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die während des Verbrennungsprozesses des Luft-/Kraftstoffgemisches erzeugten Kraftstoffemissionen zu senken. Insbesondere die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoffgemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine sehr gute Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohen Druck zugemessen. Im Falle von Dieselbrennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu 2000 Bar. Für derartige Anwendungen setzen sich zunehmend Einspritzventile durch, bei denen ein Festkörperaktuator als Piezoaktuator ausgebildet ist.

Piezoaktuatoren zeichnen sich aus durch sehr kurze Ansprechzeiten. Derartige Einspritzventile sind auf diese Weise gegebenenfalls dazu geeignet mehrfach innerhalb eines Arbeits- zyklusses eines Zylinders der Brennkraftmaschine Kraftstoff zuzumessen.

Eine besonders gute Gemischaufbereitung lässt sich erreichen, wenn vor einer Haupteinspritzung eine oder mehrere Voreinspritzungen erfolgen, die auch als Piloteinspritzungen be- zeichnet werden, wobei für die einzelne Voreinspritzung gegebenenfalls eine sehr geringe Kraftstoffmasse zugemessen werden soll. Ein präzises Ansteuern des Einspritzventils ist insbesondere für diese Fälle sehr wichtig. Eine wichtige Rolle kommt im Zusammenhang mit dem präzisen Ansteuern des Einspritzventils dem Laden und Entladen des Piezoaktuators zu. Insbesondere bei einer beabsichtigten Anwendung von Piloteinspritzungen ist ein schnelles Laden und Entladen des Piezoaktuators von großer Bedeutung.

Die DE 10 2005 040 531 Al offenbart eine Steuervorrichtung mit einer Stromquelle, die vorgesehen ist zum Steuern eines Piezoaktuators, wobei die Stromquelle so mit dem Piezoaktua- tor koppelbar ist, dass sie den Piezoaktuator entladen kann, und wobei sie eine Leistungsendstufe zum Laden und Entladen des Piezoaktuators aufweist, die elektrisch parallel zu der Stromquelle angeordnet ist.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein

Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Festkör- peraktuators bereitzustellen, mittels der beziehungsweise mittels dem der Festkörperaktuator schnell entladen werden kann .

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zur Ansteuerung eines Festkör- peraktuators . Während eines Entladevorgangs des Festkörperak- tuators wird ein Strom erfasst, der den mit elektrischer E- nergie beaufschlagten Festkörperaktuator entlädt. Ein Schalt- element wird von einer Offenposition in eine Geschlossenposition geschaltet abhängig von einem Unterschreiten einer betragsmäßig vorgegebenen Schwelle des Stroms und zwar zum Kurzschließen des Festkörperaktuators für eine Entnahme e- lektrischer Energie aus dem Festkörperaktuator über das Schaltelement. Das Kurzschließen ermöglicht ein schnelles Entladen des Festkörperaktuators . Die betragsmäßig vorgegebene Schwelle kann dazu beitragen einer Überhitzung des Schaltelements wirksam entgegenzuwirken.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die vorgegebene Schwelle repräsentativ für einen betragsmäßig vorgegebenen maximalen mittleren Strom des Schaltelements. Dadurch kann besonders einfach und präzise ein Beitrag geleistet werden, dass das Schaltelement ohne Schaden zu nehmen betrieben werden kann. Insbesondere kann einer thermischen Überlastung des Schaltelements einfach entgegengewirkt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Schaltbild mit einem Festkörperaktuator, einer Steuervorrichtung und einem Schaltelement,

Figur 2 den Verlauf einer Spannung des Festkörperaktuators,

Figur 3 den Verlauf eines Stroms des Festkörperaktuators,

Figur 4 ein Ablaufdiagramm.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Figur 1 zeigt ein Schaltbild mit einer schematischen Darstel- lung eines Festkörperaktuators 2, einer Steuervorrichtung 4 zur Ansteuerung des Festkörperaktuators 2 sowie eines Schaltelements 6. Der Festkörperaktuator 2 weist zwei elektrische Anschlüsse auf und kann beispielsweise als Piezoaktuator ausgebildet sein. Die Steuervorrichtung 4 kann beispielsweise als Mikro- controller ausgebildet sein und umfasst einen Prozessor 8, einen Programmspeicher 10 sowie einen Datenspeicher 12. Der Prozessor 8, der Programmspeicher 10 und der Datenspeicher 12 sind elektrisch miteinander gekoppelt über einen Systembus 14, beispielsweise für einen Austausch von Daten. Ebenfalls elektrisch gekoppelt mit dem Systembus 14 ist eine Endstufe 16, die über den Systembus 14 angesteuert werden kann und ausgebildet ist zum Beaufschlagen des Festkörperaktuators 2 mit elektrischer Energie. Die Endstufe 16 kann beispielsweise als Leistungsendstufe ausgebildet sein. Zum Messen eines Stroms I ist die Endstufe 16 elektrisch gekoppelt mit einer Stromerfassungseinrichtung 18. Die Steuervorrichtung 4 umfasst ferner eine Schnittstelle 20.

Die Steuervorrichtung 4 ist elektrisch gekoppelt mit dem Schaltelement 6 über die Schnittstelle 20. Über die Stromer- fassungsvorrichtung 18 ist die Steuervorrichtung 4 elektrisch gekoppelt mit dem einen elektrischen Anschluss des Festkörperaktuators 2 sowie mit dem Schaltelement 6. Sowohl das Schaltelement 6 als auch der weitere elektrische Anschluss des Festkörperaktuators 2 sind elektrisch gekoppelt mit einem Bezugspotential 22, bei dem es sich um das Massepotential handeln kann.

Das Schaltelement 6 kann beispielsweise als Transistor ausgebildet sein. Transistoren können durch Wärmeentwicklung als Folge großer Ströme einfach thermisch überlastet werden. Insbesondere wenn das Schaltelement 6 als Transistor ausgebildet ist, ist der maximale auf ein zeitliches Mittel bezogene Strom I, der durch das Schaltelement 6 fließt, bevorzugt derart vorgegeben, dass er auf die Stromtragfähigkeit des Schaltelements 6 angepasst ist. In der Regel ist es möglich, dass der für das zeitliche Mittel vorgegebene maximale Strom

1 für kurze Zeitintervalle überschritten werden kann, ohne zu einer Überhitzung zu führen.

Die Figuren 2 und 3 zeigen den Verlauf einer Spannung U über der Zeit t beziehungsweise den Verlauf des Stroms I über der Zeit t während eines Ladevorgangs tc und eines Entladevorgangs td.

Zum Beaufschlagen des Festkörperaktuators 2 mit elektrischer Energie werden von der Endstufe 16 während des Ladevorgangs tc ein oder mehrere Strompulse vorgegeben, die den Festkörpe- raktuator 2 elektrisch laden. Infolgedessen steigt während des Ladevorgangs tc die an dem Festkörperaktuator 2 anliegende Spannung U an . In einem Zeitraum zwischen dem Ladevorgang tc und dem Entladevorgang td ist die an dem Festkörperaktuator 2 anliegende Spannung U nahezu konstant. Während des Entladevorgangs td wird dem Festkörperaktuator 2 elektrische E- nergie abgeführt. Der Endladevorgang td kann beispielsweise passiv erfolgen. Bei einem passiven Entladevorgang td resultiert aus der über dem Festkörperaktuator 2 anliegenden Spannung U der den Festkörperaktuator 2 entladende Strom I .

Um den passiven Entladevorgang td zu beschleunigen, können beispielsweise beide elektrischen Anschlüsse des Festkörperaktuators 2 mit dem Bezugspotential 22 gekoppelt werden. Dies kann beispielsweise mittels des Schaltelements 6 erfolgen, welches von der Steuervorrichtung 4 von einer Offenposi- tion in eine Geschlossenposition geschaltet werden kann. Befindet sich das Schaltelement 6 in der Geschlossenposition, so sind beide elektrischen Anschlüsse des Festkörperaktuators

2 mit dem Bezugspotential 22 gekoppelt, was auch als Kurz- schluss des Festkörperaktuators 2 bezeichnet werden kann. Das Schalten von der Offenposition in die Geschlossenposition des Schaltelements 6 erfolgt zu einem Zeitpunkt T Shunt. Der Zeitpunkt T_Shunt des Schaltens ist abhängig von einer vorgegebenen Schwelle Is und tritt dann ein, wenn der Betrag des Stroms I die betragsmäßig vorgegebene Schwelle Is unterschreitet .

In den Figuren 2 und 3 ist der Entladevorgang td sowohl mit als auch ohne ein Umschalten des Schaltelements 6 von der Of- fenposition in seine Geschlossenposition gezeigt. Die gestrichelte Kurve in Figur 2 repräsentiert den Spannungsverlauf U für einen Fall, bei dem das Schaltelement 6 in seiner Offenposition verbleibt und nicht in die Geschlossenposition geschaltet wird. Dazu korrespondiert der in Figur 3 gestrichelt fortgesetzte Stromverlauf I. Die durchgezogen fortgesetzte

Kurve der Spannung U in Figur 2 beziehungsweise des Stroms I in Figur 3 repräsentiert den Fall, für den das Schaltelement 6 zu dem Zeitpunkt T_Shunt in seine Geschlossenposition geschaltet wird. Wie aus einem Vergleich der gestrichelt fort- gesetzten Kurven zu der durchgezogen fortgesetzten Kurven in den Figuren 2 und 3 leicht ersichtlich ist, wird der Entladevorgang td im Falle des Kurzschließens mittels des Schaltelements 6 zeitlich früher abgeschlossen als bei einem Entladevorgang td ohne dem Kurzschluss.

Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm mit den Verfahrensschritten Vl bis V4 zur Ansteuerung des Festkörperaktuators 2 mittels der Steuervorrichtung 4. Die Verfahrensschritte Vl bis V4 können beispielsweise in einem Programm der Steuervorrichtung 4 implementiert sein, das beispielsweise in dem Programmspeicher 10 abgespeichert sein kann. Das Programm beginnt in einem ersten Schritt Vl . Während des ersten Schritts Vl können beispielsweise Variablen initialisiert werden.

Ein zweiter Schritt V2 beginnt, sobald sich der Festkörperak- tuator 2 in dem Entladevorgang td befindet. Mittels der Stromerfassungsvorrichtung 18 wird der Strom I erfasst, mit dem der Festkörperaktuator 2 entladen wird.

In einem dritten Schritt V3 wird ermittelt, wann der Strom I die betragsmäßig vorgegebene Schwelle Is unterschreitet. Bei einem Unterschreiten der betragsmäßig vorgegebenen Schwelle Is des Stroms I wird das Schaltelement 6 mittels der Steuervorrichtung 4 von der Offenposition in die Geschlossenpositi- on geschaltet, so dass der Festkörperaktuator 2 kurzgeschlossen ist und fortan über das Schaltelement 6 entladen wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schwelle Is repräsentativ für einen betragsmäßig vorgegebenen maximalen mittleren Strom I des Schaltelements 6. Die Schwelle Is kann jedoch beispielsweise auch repräsentativ sein für einen betragsmäßig vorgegebenen maximalen mittleren Strom eines anderen elektronischen Bauteils, beispielsweise eines elektronischen Bauteils in der Endstufe 16. Das Schalten des Schalt- elements 6 von der Offenposition in die Geschlossenposition zu dem Zeitpunkt, an dem der betragsmäßig vorgegebene maximale mittlere Strom unterschritten wird, T_Shunt, ermöglicht ein schnelles Entladen des Festkörperaktuators 2, ohne dass das Schaltelement 6 oder andere elektronische Bauteile zu Schaden kommen.

Das Programm endet in einem vierten Schritt V4.