CN103874843A

CN103874843A - 用于操控压电致动器的方法和装置

Info

Publication number: CN103874843A
Application number: CN201280051366.0A
Authority: CN
Inventors: U.容
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-08-20
Also published as: WO2013024179A2; US9450521B2; US20140340001A1; WO2013024179A3; DE102011081161A1; CN103874843B; EP2744997B1; EP2744997A2

Abstract

本发明描述了一种用于操控具有压电堆叠（1）的压电致动器的方法，所述压电堆叠尤其是作为喷射器的调整元件来运行。压电堆叠（1）在其制造范围中通过极化处理开始时利用第一场强（VPol）被极化，由此得出压电堆叠（1）的第一长度（L1）。在本发明方法中，压电堆叠（1）在运行中利用比第一场强（VPol）小的第二场强（VOp）来操控，其中根据第二场强（VOp）来定义压电堆叠（1）的额定长度（SL）。另外监视压电堆叠（1）的额定长度（SL）的由去极化引起的长度改变。最后，在压电堆叠（1）的长度改变达到预给定的阈值（SW）时利用第三场强（VCor）来运行直至达到压电堆叠的额定长度（SL）。

Description

用于操控压电致动器的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于操控具有压电堆叠的压电致动器的方法，所述压电堆叠尤其是作为喷射器的调整元件来运行。本发明还涉及一种用于操控这样的压电致动器的装置。

背景技术

压电堆叠是通过施加电压来实施机械运动的构件。压电堆叠包括多个对施加电场有反应的原料层和多个电极层，其中每个原料层布置在这些电极层中的两个电极层之间。原料层通常由陶瓷构成。

原料层的材料是铁电的并且在其制造时通过加热到铁电居里温度以上并且接下来在电场中冷却来极化。在制造范围内的该过程被称为极化处理。由此，最初随机取向的偶极矩（白色区）被基本上平行地取向。

通过在正常运行中利用比在极化过程时的场强小的场强来运行压电堆叠，随着时间流逝引起也被称为磁畴的偶极矩的去极化（返回定向）。当压电堆叠遭受变换的温度时，并且当没有施加电场时，出现相同的效应。该效应导致压电堆叠的长度变化。

在该上下文中，正常运行被理解为在压电堆叠的用途条件下来运行该压电堆叠。压电堆叠的用途例如可以是在例如机动车内使用的（燃料）喷射阀或者（燃料）喷射器的致动器内的使用。正常运行在该情况下被理解为车辆的标准（正常）运行。

当压电堆叠被用作为调整元件、例如被用作为机动车的非常不同的发动机类型的喷射阀中的操作元件时，这导致改变的零点位置。在使用喷射阀中的电压堆叠时因此可能出现所谓的空冲程，该空冲程可能损害发动机的功能或效率。

尤其是在作为喷设阀（喷射器）的调整元件来采用时，所述效应导致，必须考虑压电堆叠的长度变化的动态改变，以便确保喷射器的功能安全。为了能够保证由压电堆叠的定义的额定长度得到的零点位置，例如使用液压的路程补偿器或者允许压电堆叠的极性变化运行的电路。另一已知的变型方案探测长度变化的偏差并且对与额定长度有偏差的压电堆叠长度进行校正，所通过的方式是，借助于变化的操控参数对运动的死区时间进行补偿。

发明内容

本发明的任务是说明一种用于操控压电致动器的可能性，其中可以通过更简单的方式来解决压电致动器的零点位置。

该任务通过根据权利要求1的特征的方法以及根据权利要求8的特征的用于操控的装置来解决。有利构型由从属权利要求得出。

本发明提出一种用于操控具有压电堆叠的压电致动器的方法，所述压电堆叠尤其是作为喷射器的调整元件来运行，其中所述压电堆叠是在其制造范围中通过极化处理开始时利用第一场强被极化的压电堆叠，由此得出压电堆叠的第一初始长度。在本方法中，所述压电堆叠在正常运行中、尤其是在机动车的正常运行中利用这样的压电致动器和压电堆叠利用比第一场强小的第二场强来操控，其中根据第二场强来定义压电堆叠的额定长度。压电堆叠的额定长度在正常运行中的由去极化引起的改变受到监视。在达到长度改变的预给定阈值时利用第三场强来运行所述压电堆叠直至达到压电堆叠的额定长度。

本发明还提出一种用于操控燃料喷射器的压电致动器的装置，所述压电致动器具有通过在其制造范围中进行的极化处理在开始时利用第一场强被极化的压电堆叠，由此得出压电堆叠的第一长度。用于操控的所述装置被构造为在运行中利用比第一场强小的第二场强来操控所述压电堆叠，其中根据第二场强来定义压电堆叠的额定长度。所述操控还被构造为监视压电堆叠的额定长度的由去极化引起的偏差。所述用于操控的装置另外被构造为，在达到长度改变的预给定阈值时利用第三场强来运行压电堆叠直至达到压电堆叠的额定长度。

本发明所基于的认识是，在利用比用于极化的场强更高的场强运行压电致动器时引起“后极化效应”，其导致磁畴的较强取向。这提供了去极化的压电堆叠的延长，使得该去极化的压电堆叠可以返回到其额定长度。

根据本发明的做法使得能够对压电堆叠进行主动的零点校正。该做法的优点在于，与由现有技术已知的解决方法不同不需要液压的间隙补偿（Spielausgleich）来保证用于避免死区路程的路程补偿。同样可以放弃昂贵的、耗费的双极电路，该电路在已知解决方案中确保零点位置。与在现有技术中使用的纯适配方法不同，根据本发明的做法提出一种对零点位置的真实的物理校正。优点在于，其中压电堆叠作为调整元件运行的喷射器的设计不必考虑零点位置的推移。

有利地可以在喷射器的正常运行中校正零点位置的推移。

尤其是，用于主动的长度改变并且由此用于零点校正的第三场强大于第二场强。另外优选的，第三场强也大于第一场强。

根据另一适宜的构型，所述压电堆叠在达到预给定的阈值之后连续地利用第三场强来运行，直至压电堆叠的真实长度对应于额定长度。对应地，根据本发明的操控在一个扩展方案中被构造为连续的利用第三场强来运行压电堆叠，直至压电堆叠的真实长度对应于额定长度。

在本发明方法的一个扩展方案中，压电堆叠在重新达到其额定长度之后利用第二场强来运行。为此以对应的方式在一个扩展方案中构造根据本发明的操控。

根据另一适宜的构型，预给定了压电堆叠在无操控情况下的初始位置的额定长度通过空冲程探测方法来确定。

在另一适宜的构型中，同样通过空冲程探测方法来确定长度变化。根据本发明的操控对应地构造来执行这样的空冲程探测方法。这样的方法可以例如像在WO2006/029931A1中所述那样来执行。

附图说明

本发明接下来根据附图中的实施例被进一步阐述。其中：

图1示出具有不同状态中的压电堆叠的压电致动器的不同长度的图示，和

图2示出如下图示，该图示示出极化的压电堆叠取决于不同的作用于其的电场的长度变化。

具体实施方式

对具有压电堆叠的压电致动器的操控的出发点是，一般这样选择在压电堆叠的陶瓷层的极化处理时的场强VPol和在压电堆叠运行中的场强VOp，使得压电堆叠——例如作为发动机的喷射器的调整元件——的标准运行（也或者：正常运行）导致其磁畴的去极化。这如出现的温度变化那样导致压电堆叠的确定无疑的缩短。

图1示出不同状态ZS0、ZS1和ZS2中的压电堆叠1的长度L0、L1和L2。压电堆叠1在状态ZS0中具有长度L0，在状态ZS0中压电堆叠1未被极化。在状态ZS0中，陶瓷层的偶极矩仍然随机取向。所述偶极矩也被称为白色区或磁畴。由于执行了极化处理，在该极化处理中压电堆叠1的陶瓷层被施加具有第一电场强度VPol的场，因此长度增大至L1。在此，压电堆叠1具有长度L1的状态ZS1表示压电堆叠被极化并且尚未被运行的状态。在极化之后（状态ZS1），偶极矩基本上被平行取向。

状态ZS2示出压电堆叠1被极化并且利用电场强度VOp被运行的情形，该电场强度VOp小于场强VPol，这在正常运行中通常是这种情况。这导致偶极矩或磁畴的去极化、也即返回定向。由此（随着时间）得出长度越来越小，所述长度在图1中在ZS2的情况下用L2来表示。

该过程在图2的图表中可以更好地看出。示出的是随着时间t的极化参数PP以及压电堆叠的长度L，所述极化参数例如施加在压电堆叠1上的电压或由此得出的场强。在图2的长度－时间图表中要注意的是，长度L以越向下越大和越向上越小的方式示出。

在上部分图表中因此示出了用于施加给压电堆叠的电场强度随着时间的走向。

所述施加在此尤其是可以以单个的施加脉冲的方式来进行，因此在该情况下应将该图示理解为在所示时间段期间的操控脉冲的所选幅度的图示。

在时刻t0，压电堆叠具有额定长度SL。在t0和t1之间，压电堆叠被以场强VOp运行。由此得出已经描述的长度变化、也即缩短，该长度变化可以通过下部分图表中的实际长度IL看出。在时刻t1，实际长度IL达到长度变化的预给定的阈值SW，从而需要主动的零点校正。为此目的，以场强VCor连续地运行该压电堆叠直至时刻t2。通过向压电堆叠施加场强VCor，可以使得去极化减弱，从而压电堆叠的长度再次增大。在时刻t2，真实长度（实际长度IL）又达到了额定值SL。出于该目的，压电堆叠现在可以再次被用场强VOp来运行，由此压电堆叠1的长度又增大。在时刻t3，长度变化又达到预给定的额定值，由此压电堆叠1又被用第三场强VCor运行直至时刻t4，等等。

如从图2中不难看出的那样，用于主动的零点校正的第三场强VCor大于在运行中所使用的第二场强VOp和用于极化处理的第一场强VPol。

额定长度——即压电堆叠的长度的初始位置——和允许的长度变化可以通过已知的空冲程探测方法来检测。

所述方法的优点在于，根据本发明执行的主动的零点校正使得不需要液压的间隙补偿。同样可以放弃昂贵的、耗费的电路，所述电路允许压电堆叠的极性变化的运行。与纯适配方法不同，在根据本发明的做法中进行零点位置的真实的物理校正。由此，喷射器设计不必考虑零点位置的推移。压电堆叠的去极化尤其是也可以使得随着时间的流逝在燃料喷射器的正常运行中减弱。

Claims

1.用于操控燃料喷射器的具有压电堆叠（1）的压电致动器的方法，其中所述压电堆叠（1）是在其制造范围中通过极化处理开始时利用第一场强（VPol）被极化的压电堆叠（1），由此得出压电堆叠（1）的第一长度（L1），其中

－所述压电堆叠（1）在正常运行中利用比第一场强（VPol）小的第二场强（VOp）来操控，其中根据第二场强（VOp）来定义压电堆叠（1）的额定长度（SL）；

－与压电堆叠（1）的额定长度（SL）相比较地监视压电堆叠（1）的长度的取决于第二场强（VOp）的由去极化引起的改变；

－在压电堆叠（1）的长度的取决于第二场强（VOp）的这种改变达到预给定的阈值（SW）时利用第三场强（VCor）来运行直至达到压电堆叠的额定长度（SL）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三场强（VCor）大于第二场强（VOp）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第三场强（VCor）大于第一场强（VPol）。

4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述压电堆叠在达到预给定的阈值之后连续地利用第三场强（VCor）来运行，直至压电堆叠（1）的真实长度对应于额定长度（SL）。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述压电堆叠（1）在重新达到其额定长度（SL）之后利用第二场强（VOp）来运行。

6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，预给定了压电堆叠在无操控情况下的初始位置的额定长度（L2）通过空冲程探测方法来确定。

7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过空冲程探测方法来确定长度变化。

8.用于操控具有压电堆叠（1）的压电致动器的装置，所述压电致动器包括燃料喷射器的压电致动器，其中所述压电堆叠是在其制造范围中通过极化处理开始时利用第一场强（VPol）被极化的压电堆叠（1），由此得出压电堆叠（1）的第一长度（L1），其中操控被构造为

－在正常运行中利用比第一场强（VPol）小的第二场强（VOp）来操控所述压电堆叠（1），其中根据第二场强（VOp）来定义压电堆叠（1）的额定长度（SL）；

－在压电堆叠（1）的长度的这种改变达到预给定的阈值（SW）时利用第三场强（VCor）来运行直至达到压电堆叠的额定长度（SL）。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，该装置还被构造为连续地利用第三场强（VCor）来运行压电堆叠，直至压电堆叠（1）的真实长度对应于额定长度（SL）。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，该装置还被构造为在重新达到压电堆叠的额定长度（SL）之后利用第二场强来运行该压电堆叠（1）。

11.根据权利要求8至10之一所述的装置，其特征在于，该装置还被构造为通过空冲程探测方法确定预给定压电堆叠的初始位置的额定长度（SL）和/或长度改变。