专利名称：压电元件的控制电路和控制方法
压电元件的控制电路和控制方法
技术领域：
本发明涉及用于将燃料喷射到内燃机燃烧室中的压电元件的控制 电路和控制方法。
现有技术
压电元件的控制装置比如被应用于机动车的燃料喷射系统中。压电 元件用作执行器，其中燃料喷射系统的功能基于的是利用控制电流对执 行器的精确控制。
在DE 10 2004 037 720 Al中描述了用于执行器的控制电路 (Ansteuerschaltung)，其中一个压电元件净皮控制，以影响至内燃机的燃烧 室中的燃料喷射，其中该压电元件比如移动喷射阀的阀针。
在DE 10 2004 058 671 Al中公开了用于控制尤其是机动车的燃料 喷射设备的压电元件的另 一种电路，其中该电路具有压电元件的串联电 路和选择晶体管，其相互并联连接。直流电压变换器的次级侧通过一个 二极管与一个緩冲电容器相连接，其中该緩沖电容器提供相对于机动车 地电位直至330V直流电压的工作电位。该工作电^f立可以通过可利用时 钟控制的开关晶体管而被输送至该压电元件的阳极，其中分别借助选择
晶体管来选择压电元件。在此提供了两个串联的开关晶体管，其共同的 端子点与要控制的压电元件的阳极相耦合，并且其中相应的一个开关晶
体管被设置用于该压电元件的阳极的充电以及放电。在此，地电位处于 阴极上。
如果现在压电元件之一通过被设置用于充电的开关晶体管而被充 电，那么该压电元件就作用于喷射阀的阀针，并且燃料被喷射到内燃机 的燃烧室中。在随后的放电中，通过被设置用于放电的开关晶体管，该 压电元件使阀针返回，使得该阀再次关闭。
为了能够按照所期望的喷射曲线在尽可能精确确定的时间点以精 确的量来进行喷射，所期望的是，能够通过该压电元件利用尽可能大的 行程尽可能迅速地打开和关闭阀。在已知的控制电路中从而为了压电元
件阳极的充电而使用了尽可能高的工作电位，以能够以尽可能的大幅度 和高边缘陡度来生成控制信号。
4然而在此要使用的最大工作电位受限于该压电元件的最大耐压强 度，因为在施加高于该值的电压时将导致压电元件的损坏。另外采用较 高的电压还需要在布线和插头连接中的较高耗费，并且此外还可能导致 该控制电路的电磁兼容性变差，使得在该控制电路本身以及在机动车中 其他电子装置上产生用于屏蔽的额外耗费。
从而本发明基于的任务在于，提供一种控制电路，该控制电路实现 了扩大的行程以及较高的阀针关闭和打开速度，并从而能够以较大的变 化范围可变地设计喷射曲线，而不必把工作电位提高到高于 一个最大的 确定值。
本发明的公开
为了解决该问题，根据本发明推荐了具有权利要求1特征的用于把 燃料喷射到内燃机燃烧室中的压电元件的控制电路。另外还提供了用于 控制压电元件以把燃料喷射到内燃机燃烧室中的控制方法，其中该方法 具有在并列权利要求10中所包含的步骤。
本发明的其他扩展方案参见从属权利要求。
本发明的一个基本想法在于，不仅周期性地单极地(unipolar)给 该压电元件充电和放电，而且把由该控制电路施加到该压电元件电极上 的电压极性在一个喷射周期期间进行反转。
由此一方面所获得的优点是，扩大了在一个喷射过程中能够在两个 方向上分别施加到该压电元件上的带代数符号的电压值之间的差的数 值。由此提高了喷射阀的可达到的机械行程，而不需要提高在任意时间 点施加在压电元件上的电压的最大数值。
另一主要优点在于，增加了控制电流信号的边缘陡度，这实现了阀 更迅速的打开和关闭，并从而实现了喷射时间点的更精确确定。较大的 边缘陡度另外还允许以高的精确度来调节相应施加在该压电元件上的 电压，并从而调节该元件的机械偏转和所喷射的燃料的量。
根据本发明的一个一般观点，提供了用于把燃料喷射到内燃机燃烧 室中的压电元件的控制电路，该控制电路具有电压源、充电开关元件以 及放电开关元件，该电压源在第一、第二和第三端子点上分别提供较低 的电位、中等的电位和较高的电位，其中该第二端子点构造用于耦合到 该压电元件的第一电才及，该充电开关元件4巴该压电元件的第二电4及与该电压源的第三端子点相连接，该放电开关元件把该压电元件的第二电极 与该电压源的第一端子点相连接。
所述的控制电路从而能够通过在运行中对开关元件的合适控制而 将第二电极有选择地与较低的电位或较高的电位相连接，而该第一电极 通过耦合被耦合到该中等的电位。
根据一个优选的改进方案，该电压源的第 一端子点构造用于耦合到 该内燃机的地电位。这所具有的优点是，该放电开关元件相对于地而位 于一个^f氐电位，并/人而可以通过晶体管来构造，该晶体管不用耐压的驱 动级的中间电路而直接由集成电路来控制。优选地该电压源被构造用于 从直流电网来馈电，其中该第二和第三端子点如同该直流电网一样具有 相对于地电位的相同极性。这样，就可以比如在具有相对于地正极性的 机动车车载电网中仅仅利用同样相对于地为正的电位来进行压电元件
的控制，由此能够通过这些电路来控制和调节这些电位，其中给这些电 路单独馈送了来自该车载电网的相对于地为正极性的直流电压。同样也 可以比如在具有相对于地负极性的车载电网中仅仅利用同样相对于地 为负的电位来进行该压电元件的控制，由此能够通过这些电路来控制和 调节这些电位，其中给这些电路单独馈送了来自该车载电网的相对于地 为负极性的直流电压。
在压电元件上，可典型地在可能的极性方向之一上施加比在相应相 反的极性方向上大的最大电压。根据本发明的控制电路的一个优选改 进，在该较高的电位和中等的电位之间的电压具有比在该中等的电位和 较低的电位之间的电压大的数值。这所具有的优点是，该压电元件可以 如此被运行，使得该中间电位、并从而该压电元件的第一电极、以及该 控制电路的尽可能大的部分全部都处于相对于地的一个尽可能低的电 位上。由此降低了电路耗费和绝缘耗费，而改善了电磁兼容性。
根据一个优选的改进方案，该电压源包括直流电压变换器，尤其反 向变换器或者单端正向变换器。由此所需的电位可以在高效并且电路耗 费微小的情况下由现有的直流电网、比如机动车的车载电网来获得。反 向变换器由于其更简单的电路构造和更微小的位置需求而是尤其有利 的，而单端正向变换器在所需输出功率较高的情况下比如在较大内燃机 的应用中是优选的。
优选地该直流电压变换器包括具有初级线圏和第一及第二次级线
6圈的变压器，其中设置有初级回路以及笫一及第二次级回路。该初级回 路包含有初级回路开关元件和该变压器的初级线圏。该次级回路包含有 第一整流器单元、第一电容器和第一次级线圏，而该第二次级回路包含 有第二整流器单元、第二电容器和该变压器的第二次级线圈。这是尤其
有利的，因为不仅在该较低的与中等的电位之间的电压、而且在该中等 的与较高的电位之间的电压都可以通过直流电压变换器利用唯——个
初级回路而被生成，这降低了电路耗费。优选地，该第一和第二电容器 相串联，其中电容器的相互连接的端子端与该电压源的第二端子点相连 接。该第一和第二电容器的相应另外的端子端与该电压源的第一以及第 三端子点耦合。
优选地该电压源包含有一个调节单元用于调节在该第一和第三端 子点之间的总电压，其中该调节单元连接到该电压源的第 一和第三端子 点并根据该总电压来周期地激活该初级回路开关元件。这是有利的，因 为这样针对该压电元件的整个行程而确定的总电压超越两个串联的次 级回路而被调节。通过采用仅仅一个唯一的调节单元限制了电路耗费， 尤其当借助分压器把该总电压降低到适合该调节单元的 一个值时。优选 地，该调节单元包含有一个特性曲线，该特性曲线确定了在该总电压(作 为该电压源的要调节的输出电压)与该初级回路开关元件的激活持续时 间之间的关系。这样该调节单元就可以借助该特性曲线被调节到该内燃 机运行中的特殊负载要求。有利地，在此该特性曲线确定了在电网电压 (作为馈送该电压源的输入电压)、该总电压(作为该电压源的要调节 的输出电压)与该初级回路开关元件的激活持续时间之间的三重关系， 这能够使得该电压源并从而该内燃才几的运行相对于电网电压的波动变 得高度健壮。
根据本发明的用于控制用于把燃料喷射到内燃机燃烧室中的压电 元件的控制方法，首先提供了该内燃机的地电位和预确定的充电电位。 该压电元件的第 一 电极被确定为在该地电位与该充电电位之间的 一个 预确定的中间电位。在该压电元件的第二电才及上现在净皮施加了该充电电 位。在另外的步骤中，该第二电极与该充电电位断开，并且该地电位4皮 施加到该第二电才及。这样该压电元件通过放电电流以尤其大的边缘陡度 被放电，因为在该第二电极上施加该地电位的时刻，该第一电极处于该 中间电位并/人而一个电压^皮施加到该压电元件上，该电压与该元件纟皮充电的电压相比是4及性相反的。因此，两个电压在生成方文电电流时共同起 作用。
附图简述
本发明下面借助优选的实施方案和附图来进行解释。其中
图1示出了根据本发明的一个实施方案的、用于把燃料喷射到内燃 机燃烧室中的压电元件的控制电路的电路框图；以及
图2示出了图1的压电元件控制电路的电压源的电路图。
本发明的实施方案
图1示出了用于把燃料喷射到内燃机燃烧室比如驱动机动车的内燃 机燃烧室中的压电元件102的控制电路100的电路框图。
该控制电路100包括电压源104,该电压源由直流电网122来馈电， 该直流电网提供比如为12V直流电压的电网电压123。在此该直流电网 122的负极与包含该内燃机的机动车的地电位120相连接，使得该直流 电网122在其另一极上提供相对于地电位120为12V的一个正电位。典 型地机动车拥有这种或类似的直流电位122来作为车载电网，使得所示 的控制电路可以用机动车的通常具有的电网来运行。
该电压源104在输出侧具有三个端子点106、 108、 110，在其上提 供两个电压124、 126。第一端子点106在此处于地电位120。在第二端 子点108和第三端子点IIO之间提供了一个直流电压124来作为充电电 压，该直流电压体现为用于在运行中应该给该压电元件102充电的电压 的上限。比如该充电电压124具有220V的数值。该控制电路100代替 地可以包含有附加的调节装置(未示出)，该调节装置对在运行中被施 加到该压电元件上的电压进行监控和限制。在这种情况下，该充电电压 124可以具有比要施加到该压电元件上的最大电压大的数值，比如240 至250V。
在处于地电位120的第一端子点与第二端子点108之间，该电压源 104提供了另一直流电压126来作为》文电电压，该方文电电压应该在运刊-中被施加到该压电元件102上，以便将其放电并且在必要时将其以相反 的极性充电直至最大为放电电压126的值。比如该放电电压126具有45V 的数值。如果该控制电路100如上所述包含有附加的调节装置(未示出)，其中该调节装置对在运行中施加到该压电元件上的电压进行监控和限
制，那么该压电元件102的反向充电在运行中也^f又仅可以进行直至一个
较小的最大电压数值，或者也可以完全省略。
在该第一端子点106与该第二端子点108之间所提供的放电电压 126具有与在该第二端子点108与该第三端子点IIO之间所提供的充电 电压124相同的极性，使得二者相加为一个总电压。另外，该充电电压 124和放电电压126具有与该直流电网122相同的极性。该电压源104 因此在其第一端子点106、第二端子点108和第三端子点IIO上分别提 供了一个与地电位120相比的较低(也即与地电位120—致)的电位、 一个中等的电位(在本例子中相对于地120为+45V)和一个较高的电位 (在本例子中为+45V+220V二+265V),其中概念"低，，、"中，，和"高，， 涉及相对于地电位120的相应电压数值，从而其在本发明的所有极性相 反的可选实施方案中同样适用。
该压电元件102将第一电极U2耦合到该电压源104的第二端子点 108上。利用示例性说明的电压，从而该第一电极112在运行中恒定处 于+45V的中等的电位。该压电元件102的第二电极113分别通过充电 开关元件114和放电开关元件118可开关地与第三端子点IIO或第一端 子点106相连接。该开关元件114、 118与时钟信号单元130相连接， 该时钟信号单元通过一个时钟信号协调地控制该开关元件114、 118。
在运行中该电压源104首先在其端子点106、 108、 IIO上分别提供 较低的、中等的和较高的电位。从而+45V的中等的电位施加在该压电 元件102的第一电极上。在该时钟信号单元130的时钟周期的过程中， 该时钟信号单元130发送一个信号至该充电开关元件114,使得该充电 开关元件把该压电元件102的第二电极113与该电压源104的第三端子 点110导通连接。由此220V的充电电压124被施加到该压电元件102 上。在完全充电之后，该第二电极113处于+265V的电位。在该情况中， 该时钟信号单元130发送一个时钟信号至该充电开关元件114,该充电 开关元件又断开在该压电元件102的第二电极113与该电压源104的第 三端子点IIO之间连接。为了对在充电期间流过该压电元件102的充电 电流进行限制，比如为了避免损坏，另外还可以规定，在该压电元件102 充电到所期望电压的完全值之前，该时钟信号单元130使该充电开关元 件114在此期间一次或多次地中断充电电流。如果该充电电流超过一个
9预确定的最大值，那么该时钟信号单元130比如可以触发中断，以便然 后在低于另一预确定阈值或者在经过一个预确定时间之后又发送时钟 信号至该充电开关元件114,其中该时钟信号促使该充电开关元件继续 该充电过程。
如果该压电元件102应该在时钟周期的过程中被放电，那么该时钟 信号单元130就发送一个信号至该放电开关元件118,使得该放电开关 元件导通在该压电元件102的第二电极113与该电压源104的第一端子 点106之间连接。由此，45V的放电电压126^皮施加到该压电元件102, 而且与220V的电压的极性相反，在该点上该压电元件102仍利用所述 220V的电压浮皮充电。这两个电压在其作用上相加，/人而一个高的放电 电流流过该压电元件102，而该第二电^f及113的电位下降。如果该第二 电极113的电位下降到该电压源104的中等的电位，那么由于放电电压 126的作用而使放电电流继续流过，直至该压电元件102利用相反的极 性被充电到45V的电压。比如一旦达到了该第二电极113的一个期望电 位，该时钟信号单元130必要时可以中断该放电过程以及提前的再充电 过程，其中该期望电位不^f旦可以高于该电压源104的中等的电位而且可 以4氐于该电位，并且还为了限制该放电电流以及再充电电流，在此期间 一次或多次地类似于前面针对充电过程所述地进行中断。
图2示出了电压源104的一个示例电路图，比如它可以应用于4十对 图1的压电元件的控制电路。该电压源104包含直流电压变换器200, 该直流电压变换器按照反向变换器原理来工作。该直流电压变换器200 包括变压器202,该变压器202具有初级线圈204和两个次级线圈206、 208。
该初级线圏204与作为可由调节单元220控制的开关元件的晶体管 210 —起共同构成了初级回路，该初级回路;波构造用于连接到该车载电 网的电网电压123上。该第一次级线圈206与一个第一二极管212和一 个第一緩沖电容器214 —起构成了一个第一次级回路，而该第二次级线 圈208与一个第二二极管216和一个第二緩冲电容器218 —起构成了一 个第二次级回路。该第一緩沖电容器214的与该第一二极管212相连接 的端子端和该第二緩沖电容器的不与该第二二极管216相连接的端子端 相互连接，并与该电压源104的第二端子点108相连接。该第一緩沖电 容器214或第二电容器的相应的另一端子端与该电压源104的第一端子
10点106或第三端子点110相连接。两个电容器214、 218从而串联连接。 在运行中该初级回路被连接到该车载电网的电网电压123。该调节 单元220把该晶体管210导通连接，从而在输入侧施加的电网电压123 等于施加在该初级线圏204上的电压230,并且该初级电流232线性上 升。在该阶段中，能量通过该初级线圏204被馈入到该变压器202的铁 芯。该次级线圈206、 208在该阶^a中是无电流的，因为二^f及管212、 216 截止。如果该晶体管210现在通过该调节单元220被截止，那么该二极 管212、 216就变成导通，并且在变压器铁芯中所存储的能量在次级侧 被输出到该电容器214、 128上。所存储的能量在此正好如此划分，使 得次级电压234、236以及从而该输出电压124、126相应于次级线圈206、 208的匝数比来划分。该输出电压124、 126由于电容器214、 216的串 :眹电^^而累加为一个总电压222。
该调节单元220在一个时钟周期期间通过分压器224、 226测量施 加在串联电容器214、 218上并且由该电压源104在其第一端子点106 和第三端子点IIO之间所提供的电压，并在内部把该测量值与一个所存 储的阈值相比较。如果该测量值低于该阈值，那么该调节单元220就首 先把该晶体管210接通，并在经过一个激活时间之后又不导通。该晶体 管210的激活时间在此通过存储在该调节单元220中的特性曲线族228 来获得，其中该特性曲线族根据施加在该初级线圏204上的电压(也即 提供给该调节单元220的电网电压123)来提供最佳的激活持续时间。 所述最佳的激活持续时间在此是其间每个时钟周期输送最大可能的能 量而不会使变压器202进入到饱和区的持续时间。该特性曲线族228也 可以包括其他的特性曲线，其中利用这些特性曲线比如来控制该直流电 压变换器从静态开始的加速。
权利要求
1.用于把燃料喷射到内燃机燃烧室中的压电元件(102)的控制电路(100)，其具有电压源(104)，该电压源在第一端子点(106)、第二端子点(108)和第三端子点(110)上各提供较低的电位、中等的电位和较高的电位，其中该第二端子点(108)被构造用于耦合到该压电元件(102)的第一电极(112)上；充电开关元件(114)，该充电开关元件把该压电元件(102)的第二电极(113)与该电压源(104)的第三端子点(110)相连接；以及放电开关元件(118)，该放电开关元件把该压电元件(102)的第二电极(113)与该电压源(106)的第一端子点相连接。
2. 根据权利要求1所述的控制电路(100)，其特征在于，该电压 源(104)的第一端子点(106 )被构造用于耦合到该内燃机的地电位(120) 上。
3. 根据权利要求2所述的控制电路(100),其特征在于，该电压 源(104)被构造用于由直流电网(122)来馈电，其中该第二端子点(108) 和第三端子点(110)具有相对于地电位(120)而与该直流电网(122) 相同的极性。
4. 根据前述权利要求之一所述的控制电路(100)，其特征在于， 在该较高的电位与该中等的电位之间的电压(124)具有比在该中等的 电位与该较低的电位之间的电压(126)大的数值。
5. 根据前述权利要求之一所述的控制电路(100),其特征在于， 该电压源(104)包含直流电压变换器(200)、尤其是反向变换器(200) 或者单端正向变换器。
6. 根据权利要求5所述的控制电路(100),其特征在于，该直流 电压变换器(200)包括变压器(202 ),该变压器具有初级线圈(204 )和第一次级线圈(206 ) 与笫二次级线圈(208 );初级回路，该初级回路包含有初级回路开关元件(210)和该变压 器(202)的初级线圈(204);第一次级回3各，该第一次级回路包含有第一整流单元(212)、第 一电容器(214)和该变压器(202 )的笫一次级线圈(206 );以及第二次级线圈，该第二次级线圈包含有第二整流单元(216)、第 二电容器(218)和该变压器(202)的第二次级线圏(208)。
7. 根据权利要求6所述的控制电路(100)，其特征在于，该第一 电容器(214)和第二电容器(218)串联，其中这些电容器(214, 218)的相互连接的端子端与该电压源的第二端 子点(108)相连接；并且该第一电容器(214)和第二电容器(218)的相应的另外的端子端 与该电压源(104)的第一端子端(106)以及第三端子端(110)相连 接。
8. 根据权利要求7所述的控制电路(100),其特征在于，该电压 源(104)包含有调节单元(220)，该调节单元(220)用于调节在该 第一端子点(106)与第三端子点(110)之间的总电压(222)，其中 该调节单元尤其通过分压器(224， 226)连接到该电压源(104)的第 一端子点(106)和第三端子点(110)上，并根据该总电压(222 )来 周期地激活该初级回路开关元件(210)。
9. 根据权利要求8所述的控制电路(100),其特征在于，该调节 单元(220)包含有特性曲线(228 )，所述特性曲线确定了在该总电压(222)与该初级回路开关元件(210)的激活持续时间之间的关系，并 尤其确定了在电网电压(123)、该总电压(222)与该激活持续时间之 间的关系。
10. 用于控制用于把燃料喷射到内燃机燃烧室中的压电元件(102) 的控制方法，其具有以下的步骤-提供该内燃才几的地电位(120)以及预确定的工作电位； 誦将该压电元件(102 )的第 一电极确定到在该地电位与该工作电位 之间的预确定的中间电位上；画将该工作电位施加到该压电元件(102)的第二电极(113)上； 誦将该第二电极(113)与该工作电位断开；以及 -将该地电位(120)施加到该第二电极上。
全文摘要
本发明提供了用于把燃料喷射到内燃机燃烧室中的一种压电元件(102)的一种控制电路(100)，其具有一个电压源(104)，该电压源在一个第一(106)、第二(108)和第三(110)端子点上相应提供一个较低的、中等的和较高的电位，其中该第二端子点(108)构造用于连接到该压电元件(102)的一个第一电极(112)上，一个充电开关元件(114)，该充电开关元件把该压电元件(102)的一个第二电极(113)与该电压源(104)的第三端子点(110)相连接，以及一个放电开关元件(118)，该放电开关元件把该压电元件(102)的第二电极(113)与该电压源(106)的第一端子点相连接。另外本发明还提供了用于控制一种压电元件(102)以把燃料喷射到内燃机燃烧室中的一种控制方法，其中首先提供该内燃机的地电位(120)以及一个预定的工作电位。该压电元件(102)的一个第一电极被确定为在该地电位与该工作电位之间的一个预定中间电位上。现在在该压电元件(102)的一个第二电极(113)上施加了该充电电位。在其他步骤中把该第二电极(113)与该工作电位断开并且把该地电位(120)施加到该第二电极上。
文档编号F02D41/20GK101646853SQ200880009975
公开日2010年2月10日 申请日期2008年3月11日 优先权日2007年3月26日
发明者J·谢斯塔格, N·德拉斯 申请人:罗伯特·博世有限公司