DE10136513A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von tempertaurbedingten Längenänderungen eines Piezoaktors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Messung von tempertaurbedingten Längenänderungen eines Piezoaktors

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von temperaturbedingten Längenänderungen eines Piezoaktors. Dabei wird die temperaturbedingte Längenänderung des Piezoaktors (6) berührungsfrei gemessen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung Messung von temperaturbedingten Längenänderungen eines Piezoaktors, insbesondere eines Piezoaktors für einen Injektorantrieb bei Kraftfahrzeug-Einspritzsystemen.
  • Aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften finden Piezoaktoren, insbesondere als Steuerelemente, im Stand der Technik eine weitere Verbreitung. Beispielsweise werden bei Kraftstoffeinspritzsystemen Injektoren mit Piezoaktoren ausgestattet, um die Einspritzung durch den Injektor zu steuern. Durch die Verwendung von Piezoaktoren ist es dabei möglich, mit einem sehr kleinen Hub des Piezoaktors die Einspritzung zu steuern. Aufgrund von Temperatureinflüssen durch Umgebungstemperatur oder während des Betriebs im Motor kann es bei den Piezoaktoren jedoch zu einer temperaturbedingten Längenänderung kommen, so dass die Einspritzgenauigkeit verringert wird bzw. im Extremfall sich der Piezoaktor soweit lenkt, dass ein Steuerventil des Injektors ständig geöffnet ist und dadurch eine dauernde Einspritzung von Kraftstoff hervorrufen würde. Daher wird im Betrieb von Piezoaktoren in einem Motor versucht, die Piezoaktoren durch andere Bauteile in der Temperaturdehnung zu kompensieren, um betriebsbedingte Temperaturänderungen von den Piezoaktoren fernzuhalten. Dies gelingt jedoch nur bedingt, da insbesondere die einzelnen Piezoaktoren auch unterschiedliche, temperaturbedingte Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen können.
  • Um derartige Schwankungen bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlicher Piezoaktoren bestimmen zu können, wird daher während der Herstellung der Piezoaktoren versucht, deren thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu bestimmen. Dies wird zur Zeit mittels Dilatometrieverfahren durchgeführt, wobei zum einen eine mechanische Kopplung zwischen dem Messobjekt und dem Messsystem vorhanden ist und zum anderen eine thermische Kopplung zwischen dem Messobjekt und dem Messsystem aufgrund der mechanischen Verbindung gegeben ist. Bei diesen bekannten Messverfahren wird daher versucht, die mechanische und thermische Kopplung durch Korrekturwerte zu eliminieren, was jedoch aufgrund der sehr großen Wege des Messaufnehmers im Gegensatz zu den extrem kleinen Längenänderungen des Messobjekts (Piezoaktor) zu groben Unsicherheiten führt. Daher ist mit den bekannten Messverfahren eine exakte Bestimmung thermischer Wärmeausdehnungskoeffizienten von Piezoaktoren nicht möglich.
  • Weiterhin treten beim Betrieb des Piezoaktors bei dessen elektrischer Ansteuerung extreme Beschleunigungswerte von sehr viel größer als 1000 g auf, welche bei den bisherigen Messverfahren nicht beachtet wurden, welche jedoch auch Auswirkungen auf die Messergebnisse haben, da der Piezoaktor sehr stark in seiner Längungscharakteristik durch die elektrische Ansteuerung geprägt ist.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren bzw. eine verbesserte Vorrichtung zur Messung von temperaturbedingten Längenänderungen von Piezoaktoren bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1 bzw. einer Vorrichtung nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
  • Im Gegensatz zur bisher verwendeten Messung mittels Dilatometrie verwendet das erfindungsgemäße Verfahren einen berührungslosen Messvorgang, mit dem temperaturbedingte Längenänderungen eines Piezoaktors gemessen werden kann. Erfindungsgemäß wird somit eine mechanische und thermische Abkoppelung zwischen dem zu messenden Piezoaktor und der Messvorrichtung erreicht. Dadurch treten keine Störungen bzw. Ungenauigkeiten aufgrund der im Stand der Technik benutzten, fehlerbehafteten Messwertkorrektur auf.
  • Besonders bevorzugt wird als berührungsloses Messverfahren eine Messung mittels Lasertriangulation eingesetzt. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Lasertriangulation unter Temperaturkonstanz extrem langzeitstabil ist, so dass besonders genaue Messwerte erhalten werden können.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind zwei Messsensoren zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen, um mit einem Messstrahl für den Piezoaktor und einem Referenzstrahl zu arbeiten. Der Referenzstrahl nimmt dabei etwaige temperaturbedingte Dehnungen eines um den Piezoaktor angeordneten Gehäuses auf. Dadurch ist es möglich, etwaige Gehäusedehnungen aus der Bestimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zu kompensieren. Hierdurch wird es insbesondere möglich, Genauigkeiten von weit unter 1 pm zu erreichen.
  • Um die temperaturbedingten Längenänderungen des Piezoaktors möglichst praxisnah messen zu können, wird der Piezoaktor während der Messung elektrisch angesteuert. Dadurch kann beispielsweise bei Verwendung des Piezoaktors in einem Injektorantrieb für Kraftfahrzeug-Einspritzsysteme eine Messung vorgenommen werden, wie sie beispielsweise unter den Randbedingungen einer elektrischen Ansteuerungen im Common-Rail-System eines Fahrzeugs vorkommt. Dadurch kann eine Messung der Piezoaktoren unter Berücksichtigung der tatsächlich vorkommenden Gegebenheiten in einem Motor durchgeführt werden und somit eine genaue Bestimmung der tatsächlich auftretenden, temperaturbedingten Längenänderungen durchgeführt werden.
  • Um die Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter zu verbessern, ist vorzugsweise zwischen dem Piezoaktor und dem Messsensor eine Isolation vorgesehen. Dadurch können temperaturbedingte Auswirkungen auf den Messsensor vermieden werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von temperaturbedingten Längenänderungen eines Piezoaktors weist eine berührungslose Messvorrichtung auf, um diese Längenänderungen zu messen. Da dadurch die bei den bisherigen Messverfahren verwendete mechanische und thermische Kopplung zwischen Piezoaktor und Messsystem entfällt, werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr genaue Messwerte erreicht, ohne dass Korrekturwerte notwendig sind, welche zu falschen Ergebnissen führen können.
  • Vorzugsweise ist die berührungslose Messvorrichtung dabei als Lasertriangulation ausgebildet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung dabei zwei berührungslose Messvorrichtungen, um gleichzeitig eine Längenänderung des Piezoaktors als auch eine Längenänderung eines den Piezoaktor umgebenden Gehäuses aufzunehmen. Dadurch können etwaige Gehäusedehnungen kompensiert werden.
  • Um eine Messung des Temperaturausdehnungskoeffizienten des Piezoaktors unter den elektrischen Randbedingungen zu ermöglichen, wie sie in einem Automobil vorkommen, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter bevorzugt eine Einrichtung zur elektrischen Ansteuerung des Piezoaktors auf. Dadurch ist eine sehr genaue Simulation des Verhaltens des Piezoaktors im tatsächlichen Betrieb möglich.
  • Vorzugsweise ist eine Isolationseinrichtung zwischen dem Piezoaktor und der berührungslosen Messvorrichtung angeordnet.
  • Bevorzugterweise wird die Isolationseinrichtung dabei durch einen Gasvolumenstrom bereitgestellt, welcher zwischen zwei reflexionsfreien Gläsern bzw. Scheiben geführt ist.
  • Um möglichst genaue Messergebnisse zu erhalten, ist der Plezoaktor vorzugsweise in einem, eine Temperaturzelle bildenden Isoliermantel angeordnet.
  • Um verschiedene Temperaturen simulieren zu können, umfasst die erfindungsgemäße Messvorrichtung vorzugsweise Kühl- bzw. Heizschlangen, welche benachbart zum Piezoaktor angeordnet sind. Besonders bevorzugt wird dabei ein Temperaturbereich zwischen ca. -50° bis ca. +150° simuliert. Somit können sowohl statische Punkte als auch unterschiedliche Temperaturverläufe simuliert werden und die entsprechenden Verhalten des Piezoaktors aufgezeichnet werden.
  • Vorzugsweise ist der Piezoaktor mittels einer Klemmvorrichtung in der Messvorrichtung geklemmt. Dabei wird besonders bevorzugt ein Klemmfutter verwendet. Vorzugsweise klemmt die Klemmvorrichtung den Piezoaktor dabei nahe der Aktorbezugsfläche.
  • Weiterhin ist vorteilhaft ein Aufnahmelager für die Temperaturzelle vorgesehen, welches auf Höhe der Aktorbezugsfläche angeordnet ist. Somit bleibt eine Temperaturausdehnung des Isoliermantels der Temperaturzelle als Störgröße ohne Auswirkung auf die Bewegung der Aktorbezugsfläche bzw. der Referenzfläche.
  • Weiterhin sind bevorzugt in der Temperaturzelle einer oder mehrere Temperatursensoren zur genauen Bestimmung der Temperatur vorgesehen.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von temperaturbedingten Längenänderungen eines Piezoaktors werden somit durch eine berührungslose Messtechnik die sehr kleinen thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Piezoaktors gemessen. Durch diese mechanische und thermische Abkopplung des Piezoaktors bzw. der Aufnahme für den Piezoaktor und dem Messgerät können im Wesentlichen Störungen und fehlerbehaftete Messwertkorrekturen eliminiert werden. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist dabei sehr langzeitstabil und es sind Genauigkeiten von deutlich unter einem Mikrometer möglich. Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, einen Piezoaktor unter elektrischen Randbedingungen zu messen, wie sie in einem Automobil vorkommen, wenn der Piezoaktor z. B. als Injektorantrieb eines Kraftstoffinjektors verwendet wird. Durch die vorliegende Erfindung ist es somit möglich, schon nach Herstellung des Piezoaktors beispielsweise durch Proben von einer Herstellungscharge defekte Piezoaktoren bzw. mangelhafte Chargen zu eliminieren.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Messung von temperaturbedingten Längenänderungen eines Piezoaktors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung temperaturbedingter Längenänderungen eines Piezoaktors einen ersten Abstandsmesssensor 1 und einen zweiten Abstandsmesssensor 2. Die beiden Abstandsmesssensoren 1 und 2 sind dabei an einer Aufnahme 3 für die Messsensoren befestigt.
  • Weiter umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine aus einem Isolationsmaterial hergestellte Temperaturzelle 9, in welcher ein Piezoaktor 6 angeordnet ist. Der Piezoaktor 6 ist von einem Gehäuse 7 umgeben. Bei einer Verwendung des Piezoaktors 6 in einem Injektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem besteht dieses Gehäuse 7 üblicherweise aus einer Hülse. Weiterhin ist am Piezoaktor 6 ein elektrischer Anschluss 13 vorgesehen, über welchen elektrischen Ansteuersignale zugeführt werden können. Dadurch kann eine Simulation der Vorgänge erreicht werden, wie sie bei einem Injektor für Kraftstoffeinspritzsysteme vorkommen.
  • Der Piezoaktor 6 wird mittels einer Klemmvorrichtung 8 mit einer Klemmkraft Fk geklemmt. Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht die Klemmvorrichtung aus zwei Klemmbacken, welche jeweils die halbe Klemmkraft Fk/2 auf das Gehäuse 7 des Piezoaktors 6 aufbringen und diesen somit halten. Die Temperaturzelle 9 ist in einem Aufnahmelager 17 angeordnet. Das Aufnahmelager 17 für die Temperaturzelle 9 befindet sich dabei auf einer Höhe mit der Aktorbezugsfläche A, an welcher die Messung der Längenänderungen durchgeführt wird (vgl. Fig. 1). Ebenso ist die Klemmvorrichtung 8 auf Höhe dieser Aktorbezugsfläche A angeordnet.
  • Weiterhin ist in der Temperaturzelle 9 eine Kühl- bzw. Heizschlange 10 angeordnet, um unterschiedliche Temperaturverläufe bzw. statische Temperaturpunkte simulieren zu können. Um die Temperatur möglichst genau aufnehmen zu können, sind zwei Temperatursensoren 11 und 12 in der Temperaturzelle 9 vorgesehen.
  • Wie weiter aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist zwischen den Abstandssensoren und der Temperaturzelle 9 eine Isolationseinrichtung in Form von zwei Glasscheiben 14, 15 vorgesehen, zwischen welchen ein Gasvolumenstrom 16 geführt ist. Dadurch wird erreicht, dass die Temperaturzelle 9 und die Sensoren 1, 2 voneinander getrennt sind, so dass die Sensoren immer in einem konstanten Klima arbeiten können. Dadurch werden die Sensoren 1, 2 sehr langzeitstabil und es sind Genauigkeiten von deutlich kleiner als 1 µm möglich.
  • Wie in Fig. 1 dargestellt, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine berührungslose Messung der temperaturbedingten Längenänderung des Piezoaktors 6 ausgeführt. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel werden als Abstandsmesssensoren 1 und 2 jeweils eine Lasertriangulation verwendet. Wie in Fig. 1 dargestellt, wird dabei vom ersten Abstandsmesssensor 1 ein Messstrahl 4 auf die Aktorbezugsfläche A abgestrahlt, welcher von der Aktorbezugsfläche A mit einem vorbestimmten Winkel reflektiert wird. Gleichzeitig wird durch den zweiten Abstandsmesssensor 2 ein Messstrahl 5 auf das Gehäuse 7 abgegeben, welcher ebenfalls durch einen vorbestimmten Winkel reflektiert wird.
  • Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, gehen die beiden Messstrahlen 4 und 5 dabei durch die reflexionsfreien Gläser 14, 15 und den Gasvolumenstrom 16 hindurch. Dabei misst der Abstandssensor 1 die Bewegung über der Temperatur von der Aktorbezugsfläche A. Hierbei bildet die Aktorbezugsfläche A die eigentliche Aktorstößelfläche des Piezoaktors. Als Referenz misst der zweite Abstandssensor 2 den Abstand von der Bezugsfläche des Aktorgehäuses 7 zum zweiten Abstandsmesssensor 2. Durch die Differenzbildung der beiden Abstandswerte können dabei Dehnungen des Gehäuses 7 eliminiert werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es weiterhin möglich, dass der Aktor 6 während der Messungen fahrzeugkonform angesteuert wird. Dabei erfolgt eine Ansteuerung über den elektrischen Anschluss 13. Somit ist es erfindungsgemäß auch möglich, die Längenänderungen des Piezoaktors bei den Ansteuerungen zu messen, bei denen extreme Beschleunigungen von deutlich über 1000 g auftreten. Dadurch ist es auch möglich, den elektrischen Einfluss auf die Längenänderung zu quantifizieren. Weiterhin ist es möglich, dass die Auslenkungswerte, welche von dem Abstandsmesssensor 1 während der Ansteuerung des Aktors 6 gemessen werden, herauszufiltern, da die Auslenkung extrem hochfrequent zum Temperaturgang ist.
  • Durch die gute Isolierung der Temperaturzelle 9 wird auch die Luftfeuchtigkeit im Bereich der Abstandsmesssensoren 1, 2 weitestgehend konstant gehalten, was ebenfalls zu einer Stabilisierung des Messsignals beiträgt.
  • Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von temperaturbedingten Längenänderungen eines Piezoaktors. Dabei wird die temperaturbedingte Längenänderung des Piezoaktors 6 berührungsfrei gemessen.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Es können verschiedene Abweichungen und Änderungen ausgeführt werden, ohne den Erfindungsumfang zu verlassen.

Claims (17)

1. Verfahren zur Messung von temperaturbedingten Längenänderungen eines Piezoaktors (6), insbesondere eines Piezoaktors für einen Injektorantrieb bei Kraftfahrzeug- Einspritzsystemen, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturbedingten Längenänderungen des Piezoaktors (6) berührungsfrei gemessen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mittels Lasertriangulation ausgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die temperaturbedingten Längenänderungen des Piezoaktors (6) als auch die eines den Piezoaktor (6) umgebenden Gehäuses (7) gemessen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (6) während der Messung elektrisch angesteuert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Piezoaktor (6) und dem Messsensor (1, 2) eine Isolation (14, 15, 16) vorgesehen ist, um temperaturbedingte Auswirkungen auf den Messsensor (1, 2) zu vermeiden.
6. Vorrichtung zur Messung von temperaturbedingten Längenänderungen eines Piezoaktors (6), insbesondere eines Piezoaktors für einen Injektorantrieb bei Kraftfahrzeug- Einspritzsystemen, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenänderungen des Piezoaktors (6) mittels einer berührungslosen Messvorrichtung gemessen werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslose Messvorrichtung eine Lasertriangulation ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei berührungslose Messvorrichtungen (1, 2) vorgesehen sind, um Längenänderungen des Piezoaktors (6) und eines den Piezoaktor (6) umgebenden Gehäuses (7) gleichzeitig aufzunehmen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (13) zur elektrischen Ansteuerung des Piezoaktors.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch eine Isolationseinrichtung (14, 15, 16), welche zwischen dem Piezoaktor (6) und dem berührungslosen Messsensor (1, 2) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationseinrichtung einen Gasvolumenstrom (16) umfasst, welcher zwischen zwei reflexionsfreien Scheiben (14, 15) geführt ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, gekennzeichnet durch einen eine Temperaturzelle (9) bildenden Isoliermantel, in welchem der Piezoaktor (6) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, gekennzeichnet durch Kühl- bzw. Heizschlangen (10), welche benachbart zum Piezoaktor (6) angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (6) mittels einer Klemmvorrichtung (8) geklemmt ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmvorrichtung (8) den Piezoaktor (6) in Höhe einer Aktorbezugsfläche (A) klemmt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aufnahmelager (17) für die Temperaturzelle (9) auf Höhe der Aktorbezugsfläche (A) angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen oder mehrere Temperatursensoren (11, 12) umfasst.
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