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DE10228146A1 - Method for controlling and adjusting the length of a piezoelectric actuator (PA) and electronic unit for controlling the method - Google Patents

Method for controlling and adjusting the length of a piezoelectric actuator (PA) and electronic unit for controlling the method Download PDF

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Publication number
DE10228146A1
DE10228146A1 DE10228146A DE10228146A DE10228146A1 DE 10228146 A1 DE10228146 A1 DE 10228146A1 DE 10228146 A DE10228146 A DE 10228146A DE 10228146 A DE10228146 A DE 10228146A DE 10228146 A1 DE10228146 A1 DE 10228146A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
pma
length
voltage
controlling
high pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10228146A
Other languages
German (de)
Inventor
Georg Bachmaier
Bernhard Fischer
Bernhard Dr. Gottlieb
Andreas Dr. Kappel
Hans Prof. Dr. Meixner
Randolf Dr. Mock
Tim Dr. Schwebel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Corp filed Critical Siemens Corp
Priority to DE10228146A priority Critical patent/DE10228146A1/en
Priority to PCT/IB2003/004600 priority patent/WO2004001794A2/en
Publication of DE10228146A1 publication Critical patent/DE10228146A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/062Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. for removing hysteresis
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/802Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits

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  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Abstract

Verfahren zur Ansteuerung von piezoelektrischen Aktoren (PA), insbesondere von Piezoelektrischen Multilayer Aktoren (PMA), die im Betrieb regelmäßig zur Elongation mit positiver Spannung beaufschlagt werden, wobei für vorgegebene Betriebszustände des PMA dieser auch mit einer begrenzten, den PMA nicht umpolarisierenden negativen Spannung bzw. Offsetspannung beaufschlagt wird, um diesen in eine definierbare Ausgangslage zurückzustellen.Method for controlling piezoelectric actuators (PA), in particular piezoelectric multilayer actuators (PMA), which are regularly subjected to positive voltage during elongation during operation, whereby for predetermined operating states of the PMA, the latter also has a limited negative voltage that does not polarize the PMA, or Offset voltage is applied in order to reset it to a definable starting position.

Description

Die Erfindung betrifft sämtliche direkt angetriebenen Hochdruckeinspritzventile oder Ventile ohne hydraulisches Kraftübertragungselement wie Lager oder Übersetzer für Kraftstoff-Direkteinspritzung, bei denen eine Arbeitskammer mit dem zum Betrieb notwendigen Hochdruck gefüllt wird und ein Piezoelektrischer Multilayer Aktor (PMA) bei dessen elektrischer Ansteuerung durch Elongation direkt ein Servoventil oder eine Düsennadel öffnet oder jegliches anderes direkt angetriebenes Dosierventil. Durch das Öffnen des Servo- oder Absteuerventils wird in einer Absteuerkammer ein Druckabfall erzeugt welcher das Öffnen des Hochdruckeinspritzventils bewirkt.The invention relates to all directly driven high pressure injectors or valves without hydraulic power transmission element like warehouse or translator for direct fuel injection, where a working chamber with the high pressure necessary for operation filled and a piezoelectric multilayer actuator (PMA) in its electrical Control by elongation opens or opens a servo valve or a nozzle needle any other directly driven metering valve. By opening the Servo or control valve becomes a pressure drop in a control chamber which creates the opening of the high pressure injector.

Dieses Arbeitsprinzip wird z.Zt. bei vielen Hochdruckeinspritzventilen für Diesel-Direkteinspritzung verwendet.This working principle is currently with many high-pressure injection valves for diesel direct injection used.

Beim Betrieb von derartigen Hochdruckeinspritzventilen treten manchmal Probleme auf wenn das Ventil mindestens einmal heiß geworden ist. Obwohl das Ventil und der PMA bezüglich ihrer thermischen Längenausdehnung abgestimmt sind, ändert sich die Länge des PMA oft zu stark. Dabei genügt eine Längendifferenz von wenigen μm und die Absteuerkammer des Hochdruckeinspritzventils oder ein ähnliches Einspritzventil wird nicht mehr sicher verschlossen. Bei einer Leckage in der Absteuerkammer kann die Hochdruckpumpe als Folge davon nicht mehr den notwendigen Druck aufbauen und das Hochdruckeinspritzventil versagt.When operating such high-pressure injection valves Problems sometimes arise when the valve gets hot at least once is. Although the valve and the PMA in terms of their thermal linear expansion are coordinated changes the length of the PMA is often too strong. One is sufficient length difference of a few μm and the control chamber of the high pressure injector or the like Injector is no longer securely closed. In the event of a leak As a result, the high pressure pump cannot operate in the control chamber build up the necessary pressure and the high pressure injector failed.

Wenn ein hinreichend großer Druckunterschied zwischen Ventilsitz und Arbeitskammer (Servoansteuerung) aufgebaut wird, kann sogar eine Leckage des Injektors selbst auftreten. In diesem Fall wird Kraftstoff unkontrolliert in den Brennraum eingespritzt.If there is a sufficiently large pressure difference built between valve seat and working chamber (servo control) there may even be a leak in the injector itself. In this In this case, fuel is injected into the combustion chamber in an uncontrolled manner.

Bisher hat man darauf vertraut, dass durch sorgfältige thermische Abstimmung der Bauteile und ein sog. "Thermisches Gap" das Problem beherrschbar ist. Ein "Thermisches Gap" das bedeutet, dass zwischen dem Ende des PMA und dem Servoventil, ein Abstand verbleibt von ca. 5 μm als Puffer für Abstimmungsfehler. Für die Fälle in denen diese Maßnahme nicht ausreicht ist das Problem noch nicht gelöst.So far, people have trusted that through careful thermal tuning of the components and a so-called "thermal gap" the problem is manageable. A "thermal gap" means that between the end of the PMA and the servo valve, a distance remains from approx. 5 μm as a buffer for Reconciliation errors. For the cases in which this measure the problem is not yet solved.

Zur Darstellung des Problems der unterschiedlichen Längenausdehnung von Piezoaktor und Gehäuse im Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventils:
1 zeigt schematisch die Funktion des Piezoaktors im Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventil beim Öffnen des Servoventils. Das Servoventil ist im Ruhezustand geschlossen. Der Piezoaktor längt sich beim Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes, das in Richtung der Vorzugspolarisierung der Piezokeramik wirkt. Diese Ausrichtung des äußeren elektrischen Feldes wird vereinfacht als positive und die entgegengesetzte Ausrichtung als negative Spannung bezeichnet. Beim Sichverlängern überwindet der Piezoaktor zuerst das thermische Gap, d. h. den Sicherheitsabstand für unterschiedliche thermische Dilatationen, und drückt dann das Servoventil auf. In der Folge öffnet das Hochdruckeinspritzventil weil der Druck in der Arbeitskammer (nicht mehr dargestellt) des Hochdruckeinspritzventils sinkt.
To illustrate the problem of the different linear expansion of the piezo actuator and housing in the piezo diesel high-pressure injector:
1 shows schematically the function of the piezo actuator in the Piezo Diesel high pressure injection valve when opening the servo valve. The servo valve is closed in the idle state. The piezo actuator lengthens when an external electrical field is applied, which acts in the direction of the preferred polarization of the piezoceramic. This orientation of the external electric field is simply referred to as positive and the opposite orientation as negative voltage. When extending itself, the piezo actuator first overcomes the thermal gap, ie the safety distance for different thermal dilations, and then presses on the servo valve. As a result, the high-pressure injection valve opens because the pressure in the working chamber (no longer shown) of the high-pressure injection valve drops.

Da das Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventils im Automobilbereich eingesetzt wird, sind Betriebstemperaturen zw. –40°C und +120°C möglich. Die Länge von Piezoaktor und dem Housing für den Piezoaktor können sich dabei um einige μm relativ zueinander ändern. Deshalb wird bei der Fertigung ja das sog. "Thermisches Gap" zwischen Servoventil und Piezoaktor freigelassen. Die Länge des Piezoaktors hängt aber außer von der Temperatur auch noch vom Polarisierungszustand, von Setzvor gängen und von seiner Vorgeschichte (Hysterese) ab. Diese Prozesse können auch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Piezoaktors verändern. Es ist also möglich, dass das Toleranzband für das thermische Gap von 3–5 μm im lauf der Zeit verlassen wird. Im schlimmsten Fall kommt es dann zu einer Druckleckage im Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventil, weil der Piezoaktor das Servoventil auch dann schon aufdrückt, wenn er gar nicht angesteuert wird. (vgl. 2).Since the Piezo Diesel high pressure injector is used in the automotive sector, operating temperatures between –40 ° C and + 120 ° C are possible. The length of the piezo actuator and the housing for the piezo actuator can change by a few μm relative to one another. That is why the so-called "thermal gap" between the servo valve and the piezo actuator is left blank during production. The length of the piezo actuator depends not only on the temperature, but also on the state of polarization, on setting processes and on its history (hysteresis). These processes can also change the thermal expansion coefficient of the piezo actuator. It is therefore possible that the tolerance band for the thermal gap of 3–5 μm will be left over time. In the worst case, there is a pressure leak in the piezo diesel high-pressure injection valve because the piezo actuator presses the servo valve on even when it is not being activated. (see. 2 ).

Aber schon vorher leidet die Funktion des Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventils, weil die Dosierung kleiner Einspritzmengen (z.B. bei der sog. "Voreinspritzung") außerhalb des Toleranzbands für das thermische Gap von 3–5 μm an Präzision verliert.But the function suffers beforehand of the Piezo Diesel high pressure injector because the dosage is smaller Injection quantities (e.g. in the so-called "pre-injection") outside the tolerance band for the thermal Gap of 3–5 μm loses precision.

2 zeigt den Worst Case einer Druckleckage am Servoventil. Er kann dazu führen, dass die Hochdruckpumpe (nicht eingezeichnet) den notwendigen Druck in der Arbeitskammer nicht mehr aufbauen kann und das Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventil versagt. 2 shows the worst case of pressure leakage on the servo valve. It can mean that the high pressure pump (not shown) can no longer build up the necessary pressure in the working chamber and the piezo diesel high pressure injector fails.

Wie beschrieben reagiert der Piezoaktor auf das Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes, das gegen die Richtung der Vorzugspolarisierung der Piezokeramik wirkt, mit Verkürzung genauso wie er auf eine positive Spannung mit einer Verlängerung reagiert. Deshalb ist es möglich durch das Anlegen einer negativen elektrischen Spannung den Idealzustand von 1 wieder herzustellen.As described, the piezo actuator reacts to the application of an external electrical field, which acts against the direction of preferential polarization of the piezoceramic, with shortening, just as it reacts to a positive voltage with an extension. It is therefore possible to apply the ideal state of by applying a negative electrical voltage 1 restore.

Der Erfindung hat zum Ziel die Nachteile aus dem Stand der Technik zu eliminieren.The aim of the invention is to have the disadvantages to eliminate from the prior art.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die eine oder mehrere Merkmalskombinationen des mindestens einen Hauptanspruches.This task is solved through the one or more combinations of features of the at least a main claim.

Der Betriebsbereich des PMA, der zur Absteuerung eine Elongation vollführen muss, wird zusätzlich auf negative Spannungen erweitert so dass seine Länge in beiden Richtungen (Verlängerung und Verkürzung ) variiert werden. Dieser Spielraum in der Charakteristik einer Piezokeramik ist groß genug um den PMA soweit zu verkürzen, dass das Hochdruckeinspritzventil wieder in Betrieb genommen werden kann, bzw. das Servoventil mit der Absteuerkammer sicher geschlossen werden kann, ohne dass es zu Umpolarisierungen in der Keramik kommt.The operating range of the PMA, which has to perform an elongation for control, is additionally expanded to negative voltages so that its length can be varied in both directions (lengthening and shortening). This latitude in the characteristics of a piezoceramic is large enough to shorten the PMA to such an extent that the high-pressure injection valve can be put into operation again, or the servo valve with the control chamber can be securely closed without it being closed Reverse polarization in ceramics is coming.

Eine vorhandene Ansteuerelektronik wird also um die Möglichkeit erweitert durch eine zusätzliche negative Offsetspannung, die oben beschriebenen thermischen Effekte kompensieren zu können.An existing control electronics is about the possibility extended by an additional negative offset voltage, the thermal effects described above to be able to compensate.

Wie die Messungen in den Ausführungsbeispielen zeigen, besteht ein nutzbarer Spielraum, eine negative Spannung auszunutzen, bevor die Depolarisierung und anschließend die Umpolarisierung der Keramik einsetzt.Like the measurements in the exemplary embodiments show there is a usable scope, a negative tension exploit before depolarization and then the Reverse polarization of the ceramic begins.

Dieser Spielraum ist groß genug um den PMA soweit zu verkürzen, dass das Hochdruckeinspritzventil wieder in Betrieb genommen werden kann.This scope is large enough to shorten the PMA so far that the high pressure injector can be put back into operation.

Vorteile der Erfindung:

  • – Das Problem wird gelöst ohne mechanische Änderungen am Hochdruckeinspritzventil.
  • – Die negative Spannung braucht nur bei Bedarf, wie beispielsweise Neustart nach starker Erwärmung oder ähnlichem angelegt werden. Bei allen andern Betriebszuständen kann die elektrische Ansteuerung des Hochdruckeinspritzventils in herkömmlicher Weise erfolgen.
  • – Der Vorgang ist regelbar. Die negative Spannung kann bis zum Anspringen des Hochdruckeinspritzventils langsam erhöht werden. Das vermeidet unnötig große Feldstärken.
Advantages of the invention:
  • - The problem is solved without mechanical changes to the high pressure injector.
  • - The negative voltage only needs to be applied if necessary, such as restarting after excessive heating or the like. In all other operating states, the electrical control of the high-pressure injection valve can take place in a conventional manner.
  • - The process can be regulated. The negative voltage can be slowly increased until the high pressure injector starts. This avoids unnecessarily large field strengths.

Durch die Erfindung wird eine einfache Lösung vorgestellt, die ohne großen Aufwand und ohne die Funktionsweise der aktu ellen Ansteuerelektroniken zu beeinflussen, eine individuell für jeden Aktor regelbare Offsetspannung ermöglicht. Die hier beschrieben Lösung sieht vor, die Schaltung um eine Kapazität, einen Widerstand und einer regelbareren Spannungsquelle zu erweitern, wie es in 3 dargestellt ist.The invention presents a simple solution which enables an offset voltage which can be regulated individually for each actuator without great effort and without influencing the functioning of the current control electronics. The solution described here provides for the circuit to be expanded by a capacitance, a resistor and a more controllable voltage source, as described in 3 is shown.

Durch den kapazitiven Spannungsteiler (CInjektor; C1) verringert sich zwar die Spannung, die am Injektor abfällt nach der folgenden Beziehung:

Figure 00050001
The capacitive voltage divider (C injector ; C 1 ) reduces the voltage that drops at the injector according to the following relationship:
Figure 00050001

Aber durch eine regelbare, positive Spannungsquelle V1 ist man in der Lage, eine negative Offsetspannung am Injektor einstellen zu können, die von der Injektorkapazität unabhängig ist. Der Widerstand R1 bestimmt dabei die Zeitkonstante mit der das Potential am Knoten C1, CInjektor und R1 ausgeglichen wird.But with a controllable, positive voltage source V 1 , one is able to set a negative offset voltage on the injector, which is independent of the injector capacity. Resistor R 1 determines the time constant with which the potential at node C 1 , C injector and R 1 is balanced.

In 4 wird verdeutlicht, wie der Spannungsverlauf einer stromgeregelten Endstufe für die erfindungsgemäße Verfahrensweise aussehen kann.In 4 it is made clear how the voltage profile of a current-controlled output stage can look for the procedure according to the invention.

Vorteile dieser Lösung:

  • – Es ist keine negative Spannung erforderlich.
  • – Der Schaltungsaufwand ist gering.
  • – Die zusätzlichen elektrischen Verluste, die durch die Schaltung entstehen sind klein
  • – Die Offsetspannung ist unabhängig vom Betriebszustand des Injektors, sie kann während der Startphase und während der Betriebs angelegt und verändert werden.
  • – Die Kapazität C1 benötigt nur eine eher geringe Spannungsfestigkeit.
Advantages of this solution:
  • - No negative voltage is required.
  • - The circuitry is low.
  • - The additional electrical losses caused by the circuit are small
  • - The offset voltage is independent of the operating state of the injector, it can be applied and changed during the start phase and during operation.
  • - The capacitance C 1 only requires a rather low dielectric strength.

Das Klemmenverhalten bleibt annähernd gleich, deshalb sind auch keine weiteren Änderungen and der Ansteuerelektronik notwendig.The terminal behavior remains approximately the same, therefore there are no further changes to the control electronics necessary.

Im Folgenden werden schematische Ausführungsbeispiele, die die Erfindung nicht einschränken, beschrieben. Die Figuren zeigen im Einzelnen:The following are schematic Embodiments, that do not limit the invention. The figures show in detail:

1 eine Funktionsgruppe des Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventils, 1 a functional group of the Piezo Diesel high pressure injector,

2 eine Druckleckage am Servoventil infolge ungleichmäßiger thermischer Ausdehnung von Piezoaktor und Housing/Gehäuse, 2 a pressure leak on the servo valve due to uneven thermal expansion of the piezo actuator and housing,

3 eine elektrische Schaltung zur Erzeugung einer geregelten Offsetspannung, 3 an electrical circuit for generating a regulated offset voltage,

4 einen Spannungsverlauf einer stromgeregelten Endstufe die um die in dieser Erfindung beschriebene Funktion erweitert worden ist, 4 2 shows a voltage curve of a current-controlled output stage which has been expanded by the function described in this invention,

11 eine Hysteresekurve eines Diesel PMA in ihrem anfänglichen Zustand und innerhalb des normalen Spannungsbereichs von 0 V bis 160 V, 11 a hysteresis curve of a diesel PMA in its initial state and within the normal voltage range from 0 V to 160 V,

12 und 13 einen ersten Zyklus in den negativen Bereich bis –10 V, 12 and 13 a first cycle in the negative range to -10 V,

14 dass bei –20 V die Kontraktion ca. –7 μm beträgt; das Oval ist nach dem ersten Zyklus nicht geschlossen, 14 that at –20 V the contraction is approx. –7 μm; the oval is not closed after the first cycle,

15 den zweiten Zyklus bis zu –20 V; die Hysteresekurve zeigt nun die übliche ovale Form, 15 the second cycle down to -20 V; the hysteresis curve now shows the usual oval shape,

16 einen ersten Zyklus mit negativem Bereich bis zu –30 V; die Kontraktion erreicht –10 μm, 16 a first cycle with negative range down to -30 V; the contraction reaches –10 μm,

17 einen zweiten Zyklus bis zu –20 V; die Hysteresekurve zeigt nun die übliche ovale Form, 17 a second cycle down to -20 V; the hysteresis curve now shows the usual oval shape,

18 die doppelte Umpolarisierung des Diesel Piezo Stacks, 18 the double polarization of the diesel piezo stack,

19 die Messreihenfolge für den vierten Zyklus, bei dem der PMA zum ersten Mal mit mindestens –20 V betrieben wird, 19 the measurement sequence for the fourth cycle, in which the PMA is operated for the first time with at least –20 V,

20 die Messreihenfolge für Schritt 4, entsprechend 19, findet sich in der gezeigten Hysteresefigur. 20 the measurement order for step 4, accordingly 19 , can be found in the hysteresis figure shown.

Betrieb eines Diesel Piezo Stacks mit negativer SpannungOperation of a Diesel piezo stacks with negative voltage

Motivation:Motivation:

Aktuelle Probleme mit einer internen Druck-Leckage bei Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventilen machen deutlich, dass es nicht genügt, die Wärmeausdehnungskoeffizienten von den Injektorteilen und dem Piezo Multilayer Actuator (PMA) einmal abzugleichen. Es gibt noch andere Effekte, welche die Länge de PMA verändern. Wenn diese Länge zunimmt, dann entlastet der PMA einen Ventilsitz und drückt diesen im schlimmsten Fall sogar auf. Damit kommt es zu einer internen Druckleckage und die Hochdruckpumpe kann nicht genügend Druck aufbauen. Dadurch versagt dann das Hochdruckeinspritzventil. Dies kann passieren, wenn sich die kritischen Längen von PMA und Ventil auch nur um einige μm unterscheiden. Der Diesel Piezo HPDI-Injektor (Hochdruck-Direkteinspritzung) arbeitet nur dann optimal, wenn zwischen PMA und Servoventil ein Spalt von 3–5 μm offen bleibt. Glücklicherweise kann man mit einem kritischen Effekt, nämlich mit dem Piezoeffekt selbst, die Länge des PMA auch wieder korrigieren. Im gewöhnlichen Betrieb arbeitet der PMA mit positiver Spannung, typischerweise zwischen 0 und 160 Volt. Damit ist gemeint, dass das äußere elektrische Feld in der gleichen Richtung wirkt, in die die Vorzugspolarisierung des PMA zeigt. Analog dazu spricht man vereinbarungsgemäß von negativer Spannung, wenn das äußere elektrische Feld entgegengesetzt zur Richtung der Vorzugspolarisierung des PMA wirkt. Negative Spannungen führen zunächst zur Verkürzung des PMA, dann zur Umpolung und anschließend zur erneuten Auslängung. Somit wird gezeigt, dass des möglich ist, den Bereich, der zur Verkürzung des PMA führt, zur Korrektur der Länge zu nutzen ohne den PMA zu depolarisieren.Current problems with internal pressure leakage in Piezo Diesel high-pressure injection valves make it clear that it is not enough to adjust the thermal expansion coefficients of the injector parts and the Piezo Multilayer Actuator (PMA). There are other effects that change the length of the PMA. If this length increases, the PMA relieves pressure on a valve seat and, in the worst case, even presses it open. This leads to an internal pressure leak and the High pressure pump cannot build up enough pressure. This causes the high pressure injector to fail. This can happen if the critical lengths of the PMA and valve differ by just a few μm. The Diesel Piezo HPDI injector (high-pressure direct injection) only works optimally if a gap of 3–5 μm remains open between the PMA and the servo valve. Fortunately, with a critical effect, namely the piezo effect itself, you can also correct the length of the PMA. In normal operation, the PMA works with positive voltage, typically between 0 and 160 volts. This means that the external electric field acts in the same direction in which the preferred polarization of the PMA points. Similarly, by convention, one speaks of negative voltage if the external electric field acts in the opposite direction to the preferred polarization of the PMA. Negative voltages lead first to a shortening of the PMA, then to a polarity reversal and then to a renewed elongation. It is thus shown that it is possible to use the area that leads to the shortening of the PMA to correct the length without depolarizing the PMA.

Experimentelle Ergebnisse:Experimental results:

Für die Untersuchungen wurde ein Standard Diesel Aktor mit 30 mm Baulänge verwendet. Es wurden 5 Testzyklen gefahren:

  • 1. Zyklus von 0 V bis 160 V und zurück; die übliche Betriebsweise
  • 2. Zyklus zwischen –10 V und +160 V als erster Test für mögliche Verkürzungen
  • 3. Zyklus zwischen –20 V und +160 V als zweiter Test für mögliche Verkürzungen
  • 4. Zyklus zwischen –30 V und +160 V als dritter Test für mögliche Verkürzungen
  • 5. Zyklus zwischen –160 V und +160 V als Test für die Grenzen möglicher Verkürzungen und zur Untersuchung der Umpolungsvorgänge.
A standard diesel actuator with an overall length of 30 mm was used for the investigations. 5 test cycles were run:
  • 1st cycle from 0 V to 160 V and back; the usual mode of operation
  • 2nd cycle between –10 V and +160 V as the first test for possible reductions
  • 3rd cycle between –20 V and +160 V as a second test for possible reductions
  • 4. Cycle between –30 V and +160 V as a third test for possible reductions
  • 5. Cycle between –160 V and +160 V as a test for the limits of possible reductions and for examining the polarity reversal processes.

Die Zyklen 2-4 wurden wiederholt, um das Kriechverhalten und die Hysterese des PMA genauer zu untersuchen. Da die vorhandene Elektronik nicht für negative Spannungen ausgelegt ist, wurde ein Hilfsmittel angewendet, um diesen Spannungsbereich darstellen zu können. Es wurde mit der Messung im positiven Ast begonnen, z. B. bei 0 V bis +160 V und wieder bis 0 V. Dann wurde der Zyklus kurz unterbrochen, um die Anschlüsse zu vertauschen. Und der Rest der Messung wurde mit positiver, d.h. unveränderter Polarität bezogen auf die Elektronik, weitergemessen. Wegen der vertauschten Anschlüsse wirkt dies aber auf den PMA wie eine negative Spannung.Cycles 2-4 were repeated to investigate the creep behavior and hysteresis of the PMA in more detail. Because the existing electronics are not designed for negative voltages is a tool has been applied to this voltage range to be able to represent. The measurement in the positive branch was started, e.g. B. at 0 V to +160 V and again to 0 V. Then the cycle was briefly interrupted, around the connectors to swap. And the rest of the measurement was positive, i.e. unchanged polarity related to electronics, measured further. Because of the swapped connections however, this acts as a negative voltage on the PMA.

Die Ergebnisse werden in den 11 bis 20 dargestellt.The results are shown in the 11 to 20 shown.

11:
Wenn man nur die 11 betrachten würde, könnte man meinen, dass die Länge des Piezo Stacks bei 0 V und gleicher Temperatur immer dieselbe ist. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Beispielsweise kann sich die Polarisierung des Piezo Stacks ändern. Dies kann vorkommen, bzw. notwendig sein, wenn der Piezo Stack heiß wird. Die einzelnen Bereiche werden dadurch beweglich und ordnen sich neu an. Anschließend ergibt sich nach Ankühlung eine andere Gesamtlänge. Dabei kann sich sogar der Wärme-Ausdehnungskoeffizient selbst ändern. Eine einmal getroffene Abstimmung der Länge und des Wärme-Ausdehnungskoeffizienten muss deshalb nicht für alle Zeiten Bestand haben.
11 :
If only you 11 one might think that the length of the piezo stack at 0 V and the same temperature is always the same. However, this is not always the case. For example, the polarization of the piezo stack can change. This can happen or be necessary if the piezo stack gets hot. This makes the individual areas flexible and rearranges them. Then a different overall length results after cooling. Even the coefficient of thermal expansion can change itself. Once the length and the coefficient of thermal expansion have been coordinated, this does not have to be the case for all times.

12 und 13:
Bei –10 V beträgt die Verkürzung etwa 2 μm. Aufgrund der Hysterese bleibt der PMA anschließend bei 0 V immer noch 1 μm verkürzt.
12 and 13 :
At –10 V, the shortening is approximately 2 μm. Due to the hysteresis, the PMA is still shortened by 1 μm at 0 V.

14:
Bei –20 V beträgt die Verkürzung bereits –7 μm. Das Oval der Hysteresekurve ist beim ersten Zyklus bis –20 V nicht geschlossen.
14 :
At –20 V, the shortening is –7 μm. The oval of the hysteresis curve is not closed down to –20 V on the first cycle.

15:
Die Hysterese zeigt sich jetzt in der gewohnten Form einer geschlossenen ovalen Kurve.
15 :
The hysteresis now shows itself in the usual form of a closed oval curve.

16: Der erste Zyklus bis hinab zu –30 V wird gezeigt. Die Verkürzung erreicht –10 μm. 16 : The first cycle down to –30 V is shown. The shortening reaches –10 μm.

17:
Es wird der zweite Zyklus bis –0 V gezeigt. Die Hysterese zeigt sich wieder in der gewohnten Form einer geschlossenen ovalen Kurve.
17 :
The second cycle to -0 V is shown. The hysteresis is again shown in the usual form of a closed oval curve.

18:
Doppelte Umpolarisierung eines Diesel Piezo Stacks:
Zwischen –70 V und –80 V beginnt die Umpolung und aus Symmetriegründen erfolgt eine erneute Umpolung bei +70 V bis +80 V erfolgt keine weitere Verkürzung des Piezo Stacks. Äußeres Feld und bevorzugte Polarisierungsrichtung zeigen wieder in die gleiche Richtung, was wieder zu einer Auslängung des Piezo Stacks führt. Der verfügbare Bereich bis zur Umpolung kann genau dazu genutzt werden, dass der PMA verkürzt wird. 18 zeigt, dass eine Verkürzung von etwa 40 μm möglich ist. Dies reicht aus, um das Problem der Druckleckage im Dieselinjektor zu lösen, welches bekanntlich begründet ist durch einen Anpassungsfehler von nur wenigen Mikrometern.
18 :
Double polarization of a diesel piezo stack:
The polarity reversal begins between –70 V and –80 V and, for reasons of symmetry, the polarity is reversed again at +70 V to +80 V, the piezo stack is not shortened further. The outer field and preferred polarization direction point in the same direction again, which again leads to an elongation of the piezo stack. The available area up to the polarity reversal can be used precisely to shorten the PMA. 18 shows that a shortening of about 40 μm is possible. This is sufficient to solve the problem of pressure leakage in the diesel injector, which is known to be due to an adaptation error of just a few micrometers.

19:
Messreihenfolge für den vierten Zyklus.
Zunächst wird eine Rampe bis +160 V und zurück bis 0 V abgefahren. Die Länge des Piezo Stacks verändert sich von –3 μm auf etwa +40 μm. Der Startwert für die Länge des Piezo Stacks ist nicht 0 μm, da vorher schon zwei Zyklen bis –10 V gefahren worden sind und aufgrund der Hysterese eine Verkürzung von 3 μm verblieben ist. Wieder bei 0 V angelangt, kriecht der PMA zurück zu seiner Ausgangslänge bei –3 μm. Wenn schließlich die Polarität gewechselt wird, hat fast keine Längenänderung stattgefunden. Anschließend wird der für den PMA negative Teil durchlaufen. Danach hat sich die Gesamtlänge um –5 μm verändert.
19 :
Measurement sequence for the fourth cycle.
First, a ramp is traversed to +160 V and back to 0 V. The length of the piezo stack changes from –3 μm to approximately +40 μm. The starting value for the length of the piezo stack is not 0 μm, since two cycles to –10 V had already been run and a shortening of 3 μm remained due to the hysteresis. Back at 0 V, the PMA creeps back to its original length at -3 μm. When the polarity is finally changed, there is almost no change in length. Then the part negative for the PMA is run through. After that, the total length has changed –5 μm changed.

20:
Es wird die Messreihenfolge von 19 in der Hysteresekurve wiedergegeben.
Am Piezo Stack liegen wieder 0 V an. Seine Gesamtlänge ist jedoch kleiner geworden. Ein neuer Zyklus mit der gleichen Messreihenfolge führt wieder zu einer geschlossenen Hysteresekurve, die bereits in 16, entsprechend dem Zyklus 6, dargestellt ist.
20 :
It will be the measurement order of 19 reproduced in the hysteresis curve.
0 V are again present at the piezo stack. However, its overall length has become smaller. A new cycle with the same measurement order again leads to a closed hysteresis curve, which is already in 16 , according to the cycle 6 , is shown.

Claims (5)

Verfahren zur Ansteuerung von piezoelektrischen Aktoren (PA), insbesondere von Piezoelektrischen Multilayer Aktoren (PMA), die im Betrieb regelmäßig zur Elongation mit positiver Spannung beaufschlagt werden, wobei für vorgegebene Betriebszustände des PMA dieser auch mit einer begrenzten, den PMA nicht umpolarisierenden negativen Spannung bzw. Offsetspannung beaufschlagt wird, um diesen in eine definierbare Ausgangslage zurückzustellen.Process for controlling piezoelectric Actuators (PA), in particular of piezoelectric multilayer actuators (PMA), which are regularly used in operation Elongation can be applied with positive tension, whereby for given operating conditions the PMA also with a limited one that does not polarize the PMA negative voltage or offset voltage is applied to this return to a definable starting position. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die in einem Betriebszustand mit nicht ausreichender konstruktiver Kompensation von thermischen Ausdehnungseffekten ausführbare Zurückstellung, bei einem Diesel-Hochdruckeinspritzventile beispielsweise das Absteuerventil beim Startvorgang sicher geschlossen halten kann.The method of claim 1, wherein the in an operating state with insufficient structural compensation of thermal Extension effects executable Deferral, in the case of a diesel high-pressure injection valve, for example, the control valve can keep safely closed during the start-up process. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Sicherheitsfunktion die Überwachung des Hochdruckeinspritzventils im Betrieb immer mitläuft und die Länge des PMA anpasst, wenn das Hochdruckeinspritzventile in einen kritischen Betriebszustand kommt.Method according to claim 1 or 2, in which as a safety function The supervision of the high pressure injector always runs during operation and the Length of PMA adjusts when the high pressure injectors are in a critical Operating state comes. Elektronische Einheit zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem zur Erzeugung einer für jeden Aktor individuellen Offsetspannung die zum Aktor gehörende Schaltung um eine Kapazität, einen Widerstand und eine regelbare Spannungsquelle erweitert ist.Electronic unit for executing the method according to a of claims 1, 2 or 3, in which to generate an individual for each actuator Offset voltage the one belonging to the actuator Switching by one capacity a resistor and a controllable voltage source is expanded. Elektronische Einheit nach Anspruch 4, bei der die Offsetspannung regelbar ist.Electronic unit according to claim 4, wherein the Offset voltage is adjustable.
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