DE10331057B4

DE10331057B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen eines Leerhubs eines piezoelektrischen Aktors

Info

Publication number: DE10331057B4
Application number: DE10331057A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Gerken; Christian Dr. Hoffmann; Wolfgang Lingl; Richard Pirkl
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2023-07-10
Also published as: DE10331057A1

Abstract

Vorrichtung zum Einstellen eines Leerhubs eines piezoelektrischen Aktors, die aufweist:
– die von der Spannungsquelle (U1) mit Energie versorgt wird,
– einen ersten Schalter (S1), der zwischen der Spannungsquelle (U1) und einem dem piezoelektrischen Aktor (P1, P2) vorgeschalteten Serienschwingkreis (SK) angeordnet ist,
– einen zweiten Schalter (S2), der zwischen der Ansteuereinheit (AE) und dem Serienschwingkreis (SK) angeordnet ist,
– einen Auswahlschalter (S31), der einerseits mit dem dem Serienschwingkreis (SK) abgewandten Anschluss (–) des piezoelektrischen Aktors (P1, P2) und andererseits mit Masse (GND) verbunden ist, und
– einer Stromsenke (11), die parallel zu dem Auswahlschalter (S31, S32) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Aktors, insbesondere eines piezoelektrischen Aktors zum Betreiben eines Hochdruckeinspritzventils einer Brennkraftmaschine.
Piezoelektrische Elemente ändern beim Beaufschlagen mit einer Spannung schnell ihre Länge. Um größere Längenänderungen zu erreichen weisen piezoelektrische Aktoren eine Vielzahl gestapelt angeordneter piezoelektrischer Elemente auf. Die Länge und die Längenänderung des piezoelektrischen Aktors ist unter anderem von einer am piezoelektrischen Aktor angelegten Spannung abhängig. Es haben jedoch auch andere Parameter, wie beispielsweise die Umgebungstemperatur, die auf den piezoelektrischen Aktor wirkende äußere Kraft, Alterungserscheinungen oder Depolarisation, Einfluss auf die Längenänderung des Aktors.
Wird ein solcher Aktor beispielsweise zur Steuerung eines Hochdruckeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eingesetzt, so ist eine präzise und reproduzierbare Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors aufgrund der kleinen Einspritzmengen von großer Bedeutung. Hier wird abhängig vom Kraftstoffdruck eine Kraft auf den piezoelektrischen Aktor ausgeübt, die wiederum Einfluss auf die Länge des Aktors hat.
Hier wird durch die unter Druck stehende einzuspritzende Flüssigkeit eine Kraft auf den Aktor ausgeübt, die wie bereits erwähnt Einfluss auf die Längenänderung des Aktors hat.
In 4 ist ein Hochdruckeinspritzventil einer Brennkraftmaschine schematisch dargestellt, das von einem piezoelektrischen Aktor P angesteuert wird. Die Arbeitskammer des Hoch druckeinspritzventils ist hier nicht dargestellt. Der piezoelektrische Aktor P weist zwei Anschlüsse A auf und ist von einem Gehäuse G umgeben.
Wird eine positive Spannung an den Anschlüssen A des piezoelektrischen Aktors P angelegt, so verlängert sich der Aktor P in Richtung der Vorzugspolarisierung der piezoelektrischen Keramik (vergleiche Pfeil VR in 4). Das Hochdruckeinspritzventil weist einen Spalt d, den sogenannten Leerhub, auf, der als Sicherheitsabstand für Längenänderungen des piezoelektrischen Aktors P dient. Dieser Leerhub d weist typischerweise ein Maß zwischen 3 und 5 μm auf. Das dargestellte Hochdruckventil weist einen Niederdruckbereich L und einen Hochdruckbereich H auf, die durch eine Membran M getrennt sind.
Ändert sich während des Betriebs des piezoelektrischen Aktors dieser Leerhub d, so ändert sich auch die durch Ansteuerung des Aktors P eingespritzte Flüssigkeitsmenge. Diese Flüssigkeitsmenge lässt sich aus der Öffnungszeit des Ventils und dem Flüssigkeitsdruck im Hochdruckbereich H berechnen. Bei einem verkleinerten Leerhub d verlängert sich die Öffnungszeit des Ventils, da der piezoelektrische Aktor P früher als bei dem Sollleerhub auf den Ventilsitz V auftrifft. Dadurch wird die eingespritzte Flüssigkeitsmenge vergrößert.

Aus der Patenschrift DE 199 05 340 C2 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Voreinstellung und dynamischen Nachführung piezoelektrischer Aktoren bekannt. Hier wird der gepulsten Ansteuerspannung ein Gleichspannungssignal überlagert. Dieses Gleichspannungssignal bewirkt eine Längenänderung des piezoelektrischen Aktors. Auf diese Weise können temperaturbedingte Längenänderungen kompensiert werden.

Da jedoch das Gleichspannungssignal der gepulsten Ansteuerspannung überlagert wird, kann es zu Ungenauigkeiten in Bezug auf die eingespritzte Flüssigkeitsmenge kommen.

Durch eine Erhöhung der auf den piezoelektrischen Aktor wirkenden Kraft kommt es zu einer Vergrößerung des Leerhubs. Diese Krafterhöhung wird bei Common-Rail-Systemen hauptsächlich durch den Anstieg des Drucks im Kraftstoffvorratsbehälter (Rail) und bei Pumpe-Düse-Systemen vorwiegend durch Druckschwingungen im Kraftstoff Zu- und Rücklauf ausgelöst. Es ist ein Verfahren zum Ansteuern eines piezoelektrischen Aktors bekannt, bei dem ein Parameter als Maß für den aktuellen Leerhub des piezoelektrischen Aktors bestimmt wird und bei der Ansteuerung die Ansteuerspannung so gewählt wird, dass sie im Sinne eines Ausgleichs einer Änderung des Leerhubs von der Größe des Leerhubs abhängt.

Weiter ist ein Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellglieds bekannt ( DE 100 12 607 C2 ) bei dem die Ansteuerenergie in Abhängigkeit von einem Leerhub variiert wird.

Es ist eine Ansteuerschaltung ( DE 199 31 235 C2 , DE 197 09 717 C1 ) bekannt, die eine Reihenschaltung aus einem Umladekondensator und einer Umladespule zum Auf- oder Entladen des piezoelektrischen Aktors aufweist.

Des Weiteren sind Vorrichtungen ( DE 196 44 521 A1 , DE 101 02 286 A1 ) bekannt, die Stromsenken zum Entladen eines Piezoelements aufweisen.

Auch ist eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines Piezoelements bekannt ( DE 197 33 560 A1 ), bei der das Piezoelement durch einen vorgegebenen mittleren Lade- bzw. Entladestrom auf eine vorgegebene Spannung gebracht wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen eines Leerhubs eines piezo elektrischen Aktors zu schaffen, bei denen etwaige Änderungen des Leerhubs schon vor dem eigentlichen Ladevorgang des Aktors kompensiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 und durch eine Anordnung mit den in Patenanspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung lösen die Aufgabe dadurch, dass vor der eigentlichen Einspritzung eine Abweichung des Leerhubs von einem Sollleerhub ermittelt wird. Anschließend wird der piezoelektrische Aktor für eine von der Abweichung des tatsächlichen Leerhubs vom Sollleerhub abhängigen Zeit mit einem konstanten Strom angesteuert. Der Leerhub entspricht nun dem Sollleerhub und der piezoelektrische Aktor wird erst jetzt entsprechend der gewünschten Auslenkung angesteuert. Die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors erfolgt so mit einer geringen Toleranz und einer hohen Reproduzierbarkeit.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.

Vorzugsweise wird der Leerhub anhand der Temperatur des piezoelektrischen Aktors und/oder der auf den piezoelektrischen Aktor wirkenden Kraft ermittelt.

Wird der piezoelektrische Aktor beispielsweise zur Steuerung eines Injektors eingesetzt, so kann auch der Druck einer einzuspritzenden Flüssigkeit oder einer Förderrate Aufschluss über den aktuellen Leerhub geben.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der piezoelektrische Aktor zum Ansteuern eines Steuerventils für eine Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine verwendet, hier kann zusätzlich die Drehzahl der Brennkraftmaschine Einfluss auf die Steuerung des Leerhubs haben.

Diese vorgenannten Parameter können auf einfache Weise ohne zusätzliche Sensoren ermittelt werden und ermöglichen somit eine einfache Einstellung eines präzisen Leerhubs.

Werden mehrere piezoelektrische Aktoren in einer ähnlichen Umgebung eingesetzt, so kann die Leerhubeinstellung aufgrund des bei einem oder bei mehreren Aktoren ermittelten Parameters für alle Aktoren gleich erfolgen. So kann eine schnelle und einfache Leerhubeinstellung bei mehreren Aktoren vorgenommen werden.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine schematische Darstellung einer Stromsenke für die Vorrichtung gemäß 1,
3 ein Ablaufdiagramm, das die Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergibt, und
4 ein bekanntes Hochdruckeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, das einen piezoelektrischen Aktor aufweist.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zum Ansteuern piezoelektrischer Aktoren P. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei piezoelektrische Aktoren P1 und P2 dargestellt. Die Aktoren weisen einen negativen (–) und einen positiven Spannungsanschluss (+) auf. Der negative Anschluss (–) der Aktoren P1, P2 ist jeweils über einen Auswahlschalter S31 beziehungsweise S32 mit Masse (GND) verbunden. Der positive Anschluss (+) der piezoelektrischen Aktoren P1 und P2 ist über einen Serienschwingkreis SK und einen ersten Schalter S1 mit einer Spannungsquelle U1 und einer Ansteuereinheit AE verbunden. Diese Spannungsquelle U1 ist hier eine Fahrzeugbatterie eines Kraftfahrzeugs und weist eine Nennspannung von 12 Volt auf.
Der positive Anschluss (+) der Aktoren P1 und P2 ist ebenfalls über den Serienschwingkreis und einen zweiten Schalter S2 mit der Ansteuereinheit AE elektrisch verbunden. Diese Ansteuereinheit AE wird ebenfalls von der Spannungsquelle U1 mit Energie versorgt. Die Ansteuereinheit AE ist weiter mit Masse verbunden.
Des Weiteren weist die Vorrichtung eine – parallel zu den Auswahlschaltern S31 und 532 angeordnete – Stromsenke 11 mit einem Steuereingang st auf, die zum einen mit den negativen Anschlüssen (–) der Aktoren P1 und P2 und zum anderen mit Masse verbunden ist.
Eine Steuereinheit ST stellt in Abhängigkeit von mehreren Parametern das Steuersignal zum Steuern des Steuereingangs st der Stromsenke und/oder des Schalters S1 zur Verfügung. Zum Erzeugen des Steuersignals weist die Steuereinheit ST mehrere Eingänge auf, hier einen Temperatursignaleingang T, einen Drehzahlsignaleingang n und einen Drucksignaleingang p_Rail, deren Eingangssignale zum Erzeugen des Steuersignals st herangezogen werden.
Als Temperatur T kann die Temperatur eines oder mehrerer piezoelektrischer Aktoren P1, P2 oder eine Temperatur oder ein Parameter, der oder die Aufschluss über die Temperatur der piezoelektrischen Aktoren P1, P2 geben, beispielsweise die Kraftstofftemperatur oder die Kapazität des Aktors P, verwendet werden. Der Druckwert p_Rail kann von einem Druckssensor geliefert werden, wie er beispielsweise im Hochdruckvorratsbehälter (Rail) der Brennkraftmaschine schon vorhanden ist. Hier kann auch ein Drucksignal, das vom piezoelektrischen Aktor selbst aufgenommen wird Anwendung finden.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stromsenke (Konstantstromquelle) 11. Die negativen Anschlüsse der piezoelektrischen Aktoren P1, P2 sind über jeweils eine Diode D1 beziehungsweise D2 mit dem Kollektor eines Transistors T1 verbunden. Hierbei sind die Dioden D1, D2 so angeordnet, dass ihre Durchlassrichtung in Richtung des Kollektors des Transistors T1 zeigt.
Die Basis des Transistors T1 ist über einen Widerstand R1 mit dem Steuereingang st verbunden. Der Emitter des Transistors t1 ist über einen Emitterwiderstand R2 mit Masse verbunden.
Der durch den Emitterwiderstand R2 fließende Strom I_E ist, soweit man die Stromsenke als ideal ansieht, unabhängig von der Spannung, die an der Stromsenke – hier an der Basis des Transistors T1 – anliegt.
Es können hier jedoch auch andere Konstantstromquellen zum Einsatz kommen.
Gemäß dem in 3 dargestellten Ablaufdiagramm wird nach dem Start des erfindungsgemäßen Verfahrens (Schritt 301) im Schritt 302 der Leerhub d ermittelt. Hierzu werden von der Steuereinheit ST die Parameter Temperatur T, Drehzahl n und/oder Druck p_Rail aufgenommen und abhängig von diesen Parametern der aktuelle Leerhub d ermittelt. Im folgenden Schritt 303 wird überprüft, ob der aktuelle Leerhub d in einem Toleranzbereich zwischen einem minimal zulässigen Leerhub d_min und einem maximal zulässigen Leerhub d_max liegt. Ist dies der Fall, so wird direkt zu Schritt 305 verzweigt und der Aktor P von der Ansteuereinheit AE über den dann geschlossenen Schalter S2 und den Serienschwingkreis SK geladen.
Andernfalls wird in Schritt 304 der Leerhub d auf einen vorgegebenen Sollleerhub d_soll, der im Toleranzbereich zwischen d_min und d_max liegt, eingestellt. Hierzu wird der Schalter S1 geschlossen und über den Serienschwingkreis SK der Aktor P mit der Spannung der Spannungsquelle U1 beaufschlagt. Hierbei fließt der Strom I_R2 solange das Steuersignal der Steuereinheit ST am Steuereingang st anliegt und so der Transistor T1 leitend geschaltet ist. Auf diese Weise kann die Ladungsmenge, die auf den oder die piezoelektrischen Aktoren P1, P2 aufgebracht wird, entsprechend der Differenz zwischen dem aktuellen Leerhub d und dem Sollleerhub d_Soll aufgebracht werden.
Die Schalter S1 und S2 werden hier von einer nicht dargestellten Steuereinheit angesteuert.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden die piezoelektrischen Aktoren P1 und P2 mit den gleichen elektrischen Ladungen geladen. Falls es jedoch nötig sein sollte, eine Leerhubeinstellung für jeden Aktor P1, P2 getrennt vorzunehmen, so ist dies beispielsweise auch einfach durch Einbau weiterer Schaltelemente in der Verbindung zwischen dem nega iven Anschluss der Aktoren P1, P2 und der Stromsenke 11 möglich.
Im nächsten Schritt (Schritt 305) wird nun der durch Schließen einer der Auswahlschalter S31 oder S32 ausgewählte Aktor P1 oder P2 von der Ansteuereinheit AE über den dann geschlossenen Schalter S2 geladen.
Wird der Aktor P1, P2 zum Ansteuern eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine verwendet, so ist nun sicher gestellt, dass beim Öffnen des Ventils nur eine geringe Toleranz und eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der Einspritzmenge erreicht werden kann. Im folgenden Schritt 306 wird der Aktor ebenfalls über die Ansteuereinheit AE und den geschlossenen Schalter S2 wieder entladen und im Schritt 307 das erfindungsgemäße Verfahren beendet.
Bei einem darauffolgenden weiteren Ansteuervorgang beginnt das Verfahren wieder bei Schritt 301.
Die Dioden D1 und D2 in der Stromsenke 11 dienen hier zum Entkoppeln der einzelnen piezoelektrischen Aktoren P während der eigentlichen Ladephase (Schritt 306).
Da der Strom durch die Stromsenke 11 konstant gehalten wird kann die auf einen Aktor P1, P2 aufgebrachte Ladung Q einfach durch die Zeit bestimmt werden, die der Schalter S1 geschlossen ist und die Stromsenke durch das Steuereingang st anliegende Steuersignal angesteuert wird.

Claims

Vorrichtung zum Einstellen eines Leerhubs eines piezoelektrischen Aktors, die aufweist: – die von der Spannungsquelle (U1) mit Energie versorgt wird, – einen ersten Schalter (S1), der zwischen der Spannungsquelle (U1) und einem dem piezoelektrischen Aktor (P1, P2) vorgeschalteten Serienschwingkreis (SK) angeordnet ist, – einen zweiten Schalter (S2), der zwischen der Ansteuereinheit (AE) und dem Serienschwingkreis (SK) angeordnet ist, – einen Auswahlschalter (S31), der einerseits mit dem dem Serienschwingkreis (SK) abgewandten Anschluss (–) des piezoelektrischen Aktors (P1, P2) und andererseits mit Masse (GND) verbunden ist, und – einer Stromsenke (11), die parallel zu dem Auswahlschalter (S31, S32) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsenke (11) einen Transistor (T1) aufweist, dessen Basis mit einem Steuereingang (st) verbunden ist, wobei der Steuereingang (st) gemeinsam mit dem Schalter (S1) angesteuert wird, wodurch der piezoelektrische Aktor (P1, P2) für eine vorbestimmte Zeit (t) mit einem konstanten Strom (I_R2) geladen wird.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 oder 2, das die folgenden Schritte aufweist: – Ermitteln zumindest eines Parameters, der direkt oder indirekt vom Leerhub (d) des piezoelektrischen Aktors (P) abhängig ist, – Vergleichen des ermittelten Wertes für den Leerhub (d) mit einem maximal zugelassenen Toleranzwert (d_max), – Laden des piezoelektrischen Aktors (P) mit einer vorbestimmten Ladung (Q), so dass der Leerhub (d) des piezoelektrischen Aktors (P1, P2) beim Beginn der eigentlichen Ansteuerung einem vorgegebenen Leerhub (d_soll) entspricht, wobei der piezoelektrische Aktor (P) für eine vorbestimmte Zeit (t) durch Schließen eines ersten Schalters (S1) mit einem Strom (I_E) mit vorbestimmter Stromstärke geladen wird, und – Schließen eines zweiten Schalters (S2) zum laden des Aktors (P) über eine Ansteuereinheit (AE) und einen Serienschwingkreis (SK).
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladezeit (t) abhängig von der Temperatur (T) des piezoelektrischen Aktors (P1, P2) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladung (Q) mit der der piezoelektrischen Aktor (P1, P2) geladen wird als Funktion einer auf den piezoelektrischen Aktor wirkenden Kraft ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktor (P) zum Ansteuern eines Einspritzventils verwendet wird und die Ladung (Q) zum Einstellen des Leerhubs als Funktion eines Drucks (p_rail) und/oder einer Förderrate bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktor (P1, P2) zum Ansteuern eines Einspritzventils einer Brennkraftma schine verwendet wird und zum Bestimmen der Ladung (Q) mit der der piezoelektrische Aktor (P1, P2) geladen wird, die Drehzahl (n) der Brennkraftmaschine herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einstellen des Leerhubs (d) der Ladevorgang durch eine von der Spannungsquelle (U1) versorgte Ansteuervorrichtung durch Schließen eines Auswahlschalters (S31 oder S32) und eines Ladeschalters (S2) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere piezoelektrische Aktoren (P1, P2) mit der gleichen elektrischen Ladung (Q) zum Einstellen des Leerhubs (d) geladen werden.