DE102004046080A1

DE102004046080A1 - Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors insbesondere einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102004046080A1
Application number: DE200410046080
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Stoecklein; Holger Rapp; Alexander Hedrich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-23
Filing date: 2004-09-23
Publication date: 2006-04-06

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors insbesondere einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs beschrieben. An den piezoelektrischen Aktor wird eine elektrische Spannung (U) angelegt, die zu einer Längenausdehnung bzw. Verkürzung (x) des piezoelektrischen Aktors führt. Die an den piezoelektrischen Aktor angelegte Spannung wird in positiver Richtung erhöht und wieder vermindert (31, 32). Aufgrund der Veränderung (31, 32) der Spannung wird eine Längenausdehnung und eine Verkürzung des piezoelektrischen Aktors bewirkt. Die an den piezoelektrischen Aktor angelegte Spannung wird nach der Verminderung (32) in negativer Richtung vermindert und wieder erhöht (35, 34).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors insbesondere einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs, bei dem an den piezoelektrischen Aktor eine elektrische Spannung angelegt wird, die zu einer Längenausdehnung bzw. Verkürzung des piezoelektrischen Aktors führt. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Steuergerät für eine Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs, eine Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs sowie ein Computerprogramm für ein Steuergerät und ein Speichermedium für ein Steuergerät.

Ein derartiges Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors ist allgemein bekannt. Üblicherweise wird bei einem derartigen Verfahren eine positive Spannung an den piezoelektrischen Aktor angelegt, die eine Längenausdehnung des Aktors zur Folge hat. Danach wird die Spannung wieder vermindert, so dass sich der Aktor wieder verkürzt.

Wird ein derartiger piezoelektrischer Aktor bei einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs eingesetzt, so wird die Längenausdehnung dazu verwendet, ein Einspritzventil zu öffnen und damit Kraftstoff einzuspritzen. Der Aktor wird damit nur eine sehr kurze Zeitdauer mit der positiven Spannung beaufschlagt, während er sich die meiste Zeit in einem nicht-angesteuerten Ruhezustand befindet, in dem kein Kraftstoff eingespritzt wird.

Wird umgekehrt die Längenausdehnung des Aktors dazu verwendet, das Einspritzventil in seinem geschlossenen Zustand zu halten, so hat dies zur Folge, dass die positive Spannung über eine längere Zeitdauer an den Aktor angelegt werden muss. Es ist bekannt, dass dies zu Veränderungen der Eigenschaften des piezoelektrischen Aktors führen kann, insbesondere zu Veränderungen der Kapazität des Aktors. Damit ist eine reproduzierbare Einspritzung von Kraftstoff nicht mehr möglich.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors zu schaffen, das keine Veränderungen der Eigenschaften des Aktors zur Folge hat.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die an den piezoelektrischen Aktor angelegte Spannung in positiver Richtung erhöht und wieder vermindert wird, dass aufgrund der Veränderung der Spannung eine Längenausdehnung und eine Verkürzung des piezoelektrischen Aktors bewirkt wird, und dass die an den piezoelektrischen Aktor angelegte Spannung nach der Verminderung in negativer Richtung vermindert und wieder erhöht wird.

Der piezoelektrische Aktor wird also nicht fortlaufend nur mit einer positiven Spannung beaufschlagt. Statt dessen wird auch eine negative Spannung an den Aktor angelegt. Dieser Wechsel zwischen der positiven Spannung und der negativen Spannung hat zur Folge, dass sich die Eigenschaften des Aktors nicht oder nur geringfügig verändern. Selbst wenn jedoch Veränderungen der Eigenschaften des Aktors stattfindet, so werden diese Veränderungen nach einem Wechsel der Spannung wieder kompensiert.

Insgesamt wird durch die Erfindung somit erreicht, dass beim Betrieb des piezoelektrischen Aktors keine Veränderungen der Eigenschaften des Aktors entstehen, insbesondere keine Veränderungen der Kapazität des Aktors. Bei einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs ist damit eine reproduzierbare Einspritzung von Kraftstoff gewährleistet.

Bei einer vorteilhaften ersten Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Verminderung der an den piezoelektrischen Aktor angelegten Spannung in negativer Richtung eine Umpolarisierung des piezoelektrischen Aktors bewirkt. Es wird also die Längenausdehnung des Aktors abwechselnd mit einer positiven Spannung und einer negativen Spannung erreicht. Dazwischen wird der Aktor immer umpolarisiert. Veränderungen der Eigenschaften des Aktors werden damit sicher vermieden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung werden die Erhöhung und die Verminderung der an den piezoelektrischen Aktor angelegten Spannung in positiver Richtung mehrfach durchlaufen, und es werden ebenfalls die Verminderung und die Erhöhung der an den piezoelektrischen Aktor angelegten Spannung in negativer Richtung mehrfach durchlaufen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Anzahl der Durchläufe in positiver Richtung etwa gleich ist der Anzahl der Durchläufe in negativer Richtung. Damit wird erreicht, dass einerseits der Wechsel zwischen der positiven und der negativen Spannung und damit die Umpolarisierung nicht nach jeder Längenausdehnung und Verkürzung vorgenommen wird, und dass andererseits die genannten Umpolarisierungen gleichmäßig erfolgen. Damit werden Veränderungen der Eigenschaften des piezoelektrischen Aktors noch besser vermieden.

Bei einer vorteilhaften zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Verminderung der an den piezoelektrischen Aktor angelegten Spannung in negativer Richtung keine Umpolarisierung des piezoelektrischen Aktors bewirkt. Zweckmäßigerweise wird die Verminderung und Erhöhung der an den piezoelektrischen Aktor angelegten Spannung in negativer Richtung mindestens ein Mal durchlaufen. Die in negativer Richtung angelegte Spannung dient damit im wesentlichen nur dazu, entstandene Veränderungen der Eigenschaften des piezoelektrischen Aktors wieder zu kompensieren. Danach wird der Betrieb des Aktors wieder mit der positiven Spannung fortgesetzt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs mit einem einen piezoelektrischen Aktor aufweisenden Einspritzventil,
2 zeigt ein schematisches Diagramm der Hysteresekurve eines piezoelektrischen Aktors bei doppelter Umpolarisierung,
3 zeigt ein schematisches Diagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hysteresekurve des piezoelektrischen Aktors der 1,
4 zeigt ein schematisches Diagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hysteresekurve des piezoelektrischen Aktors der 1, und
5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs mit einem einen piezoelektrischen Aktor aufweisenden Einspritzventil.
In der 1 ist eine Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs dargestellt, die ein Steuergerät 10 und ein Einspritzventil 1 aufweist. Das Einspritzventil 11 ist mit einem piezoelektrischen Aktor 12 versehen, der von dem Steuergerät 10 angesteuert wird. Weiterhin weist das Einspritzventil 11 eine Ventilnadel 13 auf, die auf einem Ventilsitz 14 im Inneren des Gehäuses des Einspritzventils 11 aufsitzen kann.
Ist die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz abgehoben, so ist das Einspritzventil 11 geöffnet und es wird Kraftstoff eingespritzt. Dieser Zustand ist in der 1 dargestellt. Sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14 auf, so ist das Einspritzventil 11 geschlossen. Der Übergang von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand wird mit Hilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt. Hierzu wird eine elektrische Spannung an den Aktor 12 angelegt, die eine Längenänderung eines Piezostapels hervorruft, die ihrerseits zum Öffnen bzw. Schließen des Einspritzventils 11 ausgenutzt wird.
In der 2 ist der Zusammenhang zwischen der an einem piezoelektrischen Aktor angelegten Spannung U und der daraus resultierenden Längenänderung bzw. Verkürzung x des Aktors dargestellt. Dieser Zusammenhang stellt eine Hysteresekurve 20 des Aktors dar. Es wird davon ausgegangen, dass sich der Aktor im Nullpunkt der Hysteresekurve 20 befindet, dass also keine Spannung an dem Aktor anliegt, und dass der Aktor weder eine Längenausdehnung, noch eine Kürzung aufweist. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass der Aktor momentan in Richtung der positiven Spannung polarisiert ist.
Wird nunmehr die Spannung an dem Aktor in negativer Richtung verändert, so hat dies eine Verkürzung des Aktors zur Folge. Dies ergibt sich aus dem Ast 21 der Hysteresekurve 20. Wird die negative Spannung –UK erreicht, die der sogenannten Koerzitivfeldstärke entspricht, so beginnt sich der Aktor umzupolarisieren. Bei dieser negativen Spannung –UK weist der Aktor seine größte Verkürzung –x2 auf.
Wird nunmehr die der Koerzitivfeldstärke entsprechende Spannung –UK unterschritten, so nimmt die Länge des Aktors wieder zu. Dies wird aus dem Ast 22 der Hysteresekurve 20 ersichtlich. Bei der negativen Spannung –U1 besitzt der Aktor dann seine größte Längenausdehnung x1. Weiterhin führt das Durchlaufen des Astes 22 der Hysteresekurve 20 zu einem Wechsel der Polarisation des Aktors.
Wird nunmehr die an dem Aktor angelegte Spannung wieder in positiver Richtung erhöht, so wird der Ast 23 der Hysteresekurve 20 durchlaufen. Die Länge des Aktors verändert sich von der Längenausdehnung x1 wieder zu der Verkürzung –x2. Diese größte Verkürzung –x2 weist der Aktor bei der positiven Spannung UK auf.
Nach einem Überschreiten der positiven Spannung UK erfolgt erneut eine Umpolarisierung des Aktors, so dass bei einer weiteren Erhöhung der Spannung der Ast 24 durchlaufen wird. Dieser Ast 24 endet bei der positiven Spannung U1, bei der der Aktor die größte Längenausdehnung x1 aufweist.
Wird nunmehr wieder die an dem Aktor angelegte Spannung vermindert, so vermindert sich die Längenausdehnung des Aktors. Dies ergibt sich aus dem Ast 25 der Hysteresekurve 20. Der Ast 25 geht dann im Bereich des Nullpunkts wieder in den Ast 21 der Hysteresekurve 20 über.
In der 3 ist eine Hysteresekurve 30 eines piezoelektrischen Aktors dargestellt, die auf der Hysteresekurve 20 der 2 basiert, bei der jedoch die einzelnen Äste andersartig durchlaufen werden.
Es wird wiederum davon ausgegangen, dass sich der Aktor im Nullpunkt der Hysteresekurve 30 befindet, dass also keine Spannung an dem Aktor anliegt, und dass der Aktor weder eine Längenausdehnung, noch eine Kürzung aufweist. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass der Aktor momentan in Richtung der positiven Spannung polarisiert ist.
Es wird dann die an dem Aktor angelegte Spannung in positiver Richtung erhöht. Dies hat eine Längenausdehnung des Aktors zur Folge. Es wird der Ast 31 der Hysteresekurve 30 durchlaufen. Die Spannung an dem Aktor kann so lange erhöht werden, bis beispielsweise die Spannung U1 und damit die Längenausdehnung x1 erreicht ist, wie dies anhand der 2 bereits erläutert wurde.
Danach wird die Spannung wieder vermindert. Die Längenausdehnung geht damit ebenfalls zurück. Es wird der Ast 32 durchlaufen und etwa der Nullpunkt der Hysteresekurve 30 wieder erreicht.
Dieser Durchlauf der Äste 31, 32 kann mehrfach nacheinander erfolgen. Die an dem Aktor anliegende Spannung ist dabei positiv. Der Aktor erfährt bei jedem Durchlauf eine Längenausdehnung und Verkürzung.
Nach jedem Durchlauf oder nach einer vorgebbaren Anzahl von Durchläufen durch die Äste 31, 32 wird die an dem Aktor angelegte Spannung nach Erreichen des Nullpunkts der Hystereskurve 30 weiter vermindert, so dass die Spannung negativ wird. Gemäß den Erläuterungen zur Hysteresekurve 20 der 2 hat dies zur Folge, dass sich der Aktor zuerst weiter verkürzt, um dann nach seiner Umpolarisierung wieder eine Längenausdehnung zu erfahren. Dies ist bei der Hysteresekurve 30 der 3 gestrichelt als Wechselkurve 33 eingezeichnet. Die Spannung an dem Aktor kann so lange in negativer Richtung vermindert werden, bis beispielsweise die Spannung –U1 und damit wieder die Längenausdehnung x1 erreicht ist.
Nunmehr wird die an dem Aktor anliegende negative Spannung wieder in positiver Richtung erhöht. Dies führt zu einer Verkürzung des Aktors. Es wird der Ast 34 durchlaufen, bis etwa der Nullpunkt der Hysteresekurve 30 wieder erreicht ist.
Danach wird die Spannung an dem Aktor wieder in negativer Richtung vermindert. Der Aktor erfährt eine Längenausdehnung. Es wird der Ast 35 durchlaufen. Die Spannung an dem Aktor kann so lange in negativer Richtung vermindert werden, bis beispielsweise die Spannung –U1 und damit wieder die Längenausdehnung x1 erreicht ist.
Dieser Durchlauf der Äste 35, 34 kann mehrfach nacheinander erfolgen. Die Anzahl der Durchläufe durch die Äste 35, 34 kann dabei etwa der Anzahl der Durchläufe durch die Äste 31, 32 entsprechen. Die an dem Aktor anliegende Spannung ist bei den Durchläufen durch die Äste 35, 34 negativ. Der Aktor erfährt bei jedem Durchlauf eine Längenausdehnung und Verkürzung.
Nach jedem Durchlauf oder nach einer vorgebbaren Anzahl von Durchläufen durch die Äste 35, 34 wird die an dem Aktor angelegte Spannung nach Erreichen des Nullpunkts der Hystereskurve 30 weiter erhöht, so dass die Spannung positiv wird. Gemäß den Erläuterungen zur Hysteresekurve 20 der 2 hat dies zur Folge, dass sich der Aktor zuerst weiter verkürzt, um dann nach seiner Umpolarisierung wieder eine Längenausdehnung zu erfahren. Dies ist bei der Hysteresekurve 30 der 3 gestrichelt als Wechselkurve 36 eingezeichnet. Die Spannung an dem Aktor kann so lange in positiver Richtung erhöht werden, bis beispielsweise die Spannung U1 und damit wieder die Längenausdehnung x1 erreicht ist.
Danach kann der Aktor wieder die Äste 31, 32 durchlaufen. Die an dem Aktor anliegende Spannung ist positiv.
Mit Hilfe der Wechselkurven 33, 36 wird somit der Aktor abwechselnd mit einer positiven und einer negativen Spannung angesteuert. In beiden Fällen erfährt der Aktor laufend aufeinanderfolgende Längenausdehnungen und Verkürzungen.
Bei der Kraftstoffeinspritzanlage einer Brennkraftmaschine gemäß der 1 kann der Aktor 12 derart ausgebildet sein, dass in dem Nullpunkt der Hysteresekurve 30 sich der angesteuerte Zustand S des zugehörigen Einspritzventils 11 befindet, in dem Kraftstoff eingespritzt wird. In diesem angesteuerten Zustand S ist die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz 14 abgehoben, so dass das Einspritzventil 11 geöffnet ist. Das Abheben der Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz 14 wird dabei durch die erläuterte Verkürzung des Aktors bei dem Durchlauf durch einen der Äste 32, 34 erreicht. In den beiden Ruhezuständen R1, R2, in denen der Aktor 12 seine größte Längenausdehnung x1 aufweist, sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14 auf und das Einspritzventil 11 ist geschlossen. Der angesteuerte Zustand S ist dabei zeitlich wesentlich kürzer als die Ruhezustände R1, R2, in denen das Einspritzventil 11 geschlossen ist.
Dies bedeutet, dass der Aktor in seinen Ruhezuständen R1, R2 mit einer wechselnden Spannung angesteuert wird, nämlich mit der positiven Spannung U1 oder der negativen Spannung –U1. Veränderungen des piezoelektrischen Aktors, die beispielsweise aufgrund einer längeren Ansteuerung nur mit einer positiven oder nur mit einer negativen Spannung entstehen können, werden damit aufgrund des wiederholten Wechsels zwischen einer positiven und einer negativen Spannung vermieden.
Der Wechsel zwischen der Ansteuerung des Aktors mit einer positiven Spannung und der Ansteuerung mit einer negativen Spannung kann nach jedem Durchlauf durch eine Längenausdehnung mit nachfolgender Verkürzung des Aktors erfolgen oder nach einer vorgegebenen Anzahl derartiger Durchläufe oder nach einer vorgebbaren Zeitdauer oder in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Betriebszustand der Kraftstoffeinspritzanlage oder des Kraftfahrzeugs. So kann der Wechsel beispielsweise erfolgen, wenn das Kraftfahrzeug vorübergehend abgestellt wird.
In der 4 ist eine Hysteresekurve 40 eines piezoelektrischen Aktors dargestellt, die auf der Hysteresekurve 20 der 2 basiert, bei der jedoch die einzelnen Äste andersartig durchlaufen werden.
Es wird wiederum davon ausgegangen, dass sich der Aktor im Nullpunkt der Hysteresekurve 40 befindet, dass also keine Spannung an dem Aktor anliegt, und dass der Aktor weder eine Längenausdehnung, noch eine Kürzung aufweist. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass der Aktor momentan in Richtung der positiven Spannung polarisiert ist.
Es wird dann die an dem Aktor angelegte Spannung in negativer Richtung vermindert. Dies hat eine Verkürzung des Aktors zur Folge. Es wird der Ast 41 der Hysteresekurve 40 durchlaufen. Die Spannung an dem Aktor kann so lange vermindert werden, bis beispielsweise die negative Spannung –U2 erreicht ist, die betragsmäßig kleiner ist als die negative Spannung –UK. Es findet damit keine Umpolarisierung des piezoelektrischen Aktors statt.
Danach wird die Spannung wieder in positiver Richtung erhöht. Die Verkürzung geht damit ebenfalls zurück. Es wird der Ast 42 durchlaufen und etwa der Nullpunkt der Hysteresekurve 40 wieder erreicht. Dieser Durchlauf der Äste 41, 42 wird zumindest ein einziges Mal durchgeführt.
Nunmehr wird die an den Aktor angelegte Spannung weiter in positiver Richtung verändert. Es wird der Ast 43 durchlaufen. Dies hat eine Längenausdehnung des Aktors zur Folge. Beispielsweise kann die Spannung so lange erhöht werden, bis die bereits erläuterte positive Spannung U1 erreicht ist. Bei dieser positiven Spannung U1 weist der Aktor eine Längenausdehnung x1 auf.
Danach wird die an dem Aktor anliegende Spannung wieder in negativer Richtung verändert, also vermindert. Dies ergibt sich aus dem Ast 44 der 4. Der Aktor erfährt eine Verkürzung. Die Spannung wird dabei so lange verändert, bis etwa der Nullpunkt der Hysteresekurve 40 wieder erreicht wird.
Dieser Durchlauf durch die Äste 43, 44 kann ein Mal oder mehrmals hintereinander erfolgen. Bei jedem Durchlauf erfolgt eine Längenausdehnung und nachfolgende Verkürzung des Aktors.
Nach jedem Durchlauf der Äste 43, 44 oder nach einer Mehrzahl von Durchläufen können durch eine an dem Aktor angelegte negative Spannung die Äste 41, 42 durchlaufen werden. Dies kann einfach oder mehrmals erfolgen. Danach können dann wiederum die Äste 43, 44 durchlaufen werden.
Werden die Äste 43, 44 mehrmals hintereinander durchlaufen, so hat dies eine Verschiebung dieser Äste zur Folge. Dies ist in der 4 durch die Äste 43', 44' dargestellt. Nach einer Anzahl von Durchläufen, werden also nicht mehr die Äste 43, 44, sondern die Äste 43', 44' durchlaufen. Nach dieser Anzahl von Durchläufen ist damit auch nicht mehr die Längenausdehnung x1 erreichbar, sondern nur noch die geringere Längenausdehnung x1'.
Wird nach einem Durchlauf durch den Ast 44' die Spannung weiter vermindert, so werden die Äste 41', 42' durchlaufen. Auf diese Weise wird durch die beim Durchlauf durch die Äste 41', 42' anliegende negative Spannung –U2 eine Verschiebung der Äste 43', 44' zurück zu den Ästen 43, 44 erreicht.
Bei der Kraftstoffeinspritzanlage einer Brennkraftmaschine kann der Aktor 12 derart ausgebildet sein, dass in dem Nullpunkt der Hysteresekurve 40 sich der angesteuerte Zustand S des zugehörigen Einspritzventils 11 befindet, in dem die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz 14 abgehoben ist und damit Kraftstoff eingespritzt wird. Bei der erläuterten Verschiebung der Äste der Hysteresekurve 40 wird dieser Zustand S ebenfalls verschoben. Dies ist in der 4 durch den Zustand S' kenntlich gemacht.
In dem Zustand S bzw. S' ist das Einspritzventil 11 also geöffnet. Das Abheben der Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz 14 wird dabei durch die erläuterte Verkürzung des Aktors 12 bei dem Durchlauf durch den Ast 44 erreicht. In dem Ruhezustand R, in dem der Aktor 12 seine Längenausdehnung x1 bzw. x1' aufweist, sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14 auf. Das Einspritzventil 11 ist damit geschlossen und es wird kein Kraftstoff eingespritzt.
Dies bedeutet, dass der Aktor in seinem Ruhezustand R mit einer Spannung angesteuert wird, nämlich insbesondere mit der positiven Spannung U1. Damit können Veränderungen des piezoelektrischen Aktors auftreten, die beispielsweise aufgrund einer längeren Ansteuerung nur mit einer positiven oder nur mit einer negativen Spannung entstehen können. Treten derartige Veränderungen auf, so können sie mit Hilfe des ein- oder mehrmaligen Durchlaufs der Äste 41, 42 bzw. 41', 42' vermieden bzw. kompensiert werden.
Der Wechsel zwischen der Ansteuerung des Aktors mit einer positiven Spannung und dem Durchlauf durch die Äste 41, 42 bzw. 41', 42' kann nach einem oder einer vorgegebenen Anzahl von Durchläufen durch die Äste 43, 44 bzw. 43', 44' oder nach einer vorgebbaren Zeitdauer oder in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Betriebszustand der Kraftstoffeinspritzanlage oder des Kraftfahrzeugs erfolgen. So kann der Wechsel beispielsweise erfolgen, wenn das Kraftfahrzeug vorübergehend abgestellt wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Aktor 12 bei der Kraftstoffeinspritzanlage der Brennkraftmaschine derart ausgebildet sein, dass in dem Nullpunkt der Hysteresekurve 40 die Ventilnadel 13 des Einspritzventils 11 auf dem Ventilsitz 14 aufsitzt und das Einspritzventil 11 damit geschlossen ist. Durch Anlegen einer negativen Spannung, die niemals kleiner als die negative Spannung –UK ist, werden die Äste 41, 42 der Hysteresekurve 40 durchlaufen. Damit wird der Aktor 12 verkürzt und die Ventilnadel 13 wird von dem Ventilsitz 14 abgehoben. Das Einspritzventil 11 wird damit geöffnet.
In der 5 ist eine Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs dargestellt, die weitgehend der Kraftstoffeinspritzanlage der 1 entspricht. Es werden deshalb nachfolgend nur die Unterschiede der 5 im Vergleich zu der 1 erläutert. Gleiche Bauteile sind in der 5 in gleicher Weise bezeichnet wie in der 1. Insoweit wird auf die Erläuterungen zu der 1 verwiesen.
Im Unterschied zur 1 weist das Einspritzventil 11 der 5 einen hydraulischen Koppler 15 auf. Zu diesem Zweck ist innerhalb des Einspritzventils 11 ein Kopplergehäuse 16 vorhanden, in dem zwei Kolben 17, 18 geführt sind. Der Kolben 17 ist mit dem Aktor 12 und der Kolben 18 ist mit der Ventilnadel 13 verbunden. Zwischen den beiden Kolben 17, 18 ist ein Volumen 19 eingeschlossen, das die Übertragung der von dem Aktor 12 ausgeübten Kraft auf die Ventilnadel 13 bewerkstelligt.
Der Koppler 15 ist von unter Druck stehendem Kraftstoff umgeben. Das Volumen 19 ist ebenfalls mit Kraftstoff gefüllt. Über die Führungsspalte zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 kann sich das Volumen 19 über einen längeren Zeitraum hinweg an die jeweils vorhandene Länge des Aktors 12 anpassen. Bei kurzzeitigen Änderungen der Länge des Aktors 12 bleibt das Volumen 19 jedoch nahezu unverändert und die Änderung der Länge des Aktors 12 wird auf die Ventilnadel 13 übertragen.
Bei dieser Ausführungsform befindet sich das Einspritzventil 11 unabhängig vom Arbeitspunkt des Aktors 12 immer dann in seinem geschlossenen Zustand, wenn der Aktor 12 über einen längeren Zeitraum hinweg unverändert an einem beliebigen Punkt der Hysteresekurve 40 verbleibt. Ein Öffnen des Einspritzventils 11 erfolgt dann durch eine vergleichsweise schnelle Verkürzung des Aktors 12 aus diesem Punkt der Hysteresekurve 40 heraus. Ein Schließen des Einspritzventils 11 wird durch die Rückkehr des Aktors 12 in seinen vor Beginn der Einspritzung vorliegenden Arbeitspunkt erreicht.
Bei der Ausführungsform der 5 kann beispielsweise im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 11 der Aktor 12 mit der positiven Spannung U1 beaufschlagt sein und die Längenausdehnung x1 aufweisen. Ein Öffnen des Einspritzventils 11 kann dann durch einen Durchlauf durch die Äste 44, 43 der Hysteresekurve 40 erfolgen.
Ein Wechsel des Arbeitspunkts des Aktors 12 kann beispielsweise durch ein langsames Absenken der positiven Spannung U1 im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 11 erreicht werden. Danach kann das Öffnen des Einspritzventils 11 durch einen Durchlauf durch die Äste 41, 42 der Hysteresekurve 40 ausgelöst werden.
Beim Betrieb des Aktors 12 in den Ästen 41, 42 werden Veränderungen des Aktors 12, die sich gegebenenfalls durch den längeren Betrieb in den Ästen 43, 44 ergeben können, wieder rückgängig gemacht.
Der Wechsel zwischen der Ansteuerung des Aktors mit einer positiven Spannung und dem Durchlauf durch die Äste 41, 42 kann nach einem oder einer vorgegebenen Anzahl von Durchläufen durch die Äste 43, 44 oder nach einer vorgebbaren Zeitdauer oder in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Betriebszustand der Kraftstoffeinspritzanlage oder des Kraftfahrzeugs erfolgen. So kann der Wechsel beispielsweise erfolgen, wenn das Kraftfahrzeug vorübergehend abgestellt wird.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des beschriebenen Verfahrens in der Form eines Computerprogramms, das auf einem Computer ablauffähig und zur Ausführung des Verfahrens geeignet ist. Das Computerprogramm kann auf einem Speichermedium abgespeichert sein, wobei das Speichermedium seinerseits in einem Steuergerät enthalten sein kann.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors (12) insbesondere einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs, bei dem an den piezoelektrischen Aktor (12) eine elektrische Spannung (U) angelegt wird, die zu einer Längenausdehnung bzw. Verkürzung (x) des piezoelektrischen Aktors (12) führt, dadurch gekennzeichnet, dass die an den piezoelektrischen Aktor (12) angelegte Spannung in positiver Richtung erhöht und wieder vermindert wird (31, 32 oder 43, 44), dass aufgrund der Veränderung (31, 32 oder 43, 44) der Spannung eine Längenausdehnung und eine Verkürzung des piezoelektrischen Aktors (12) bewirkt wird, und dass die an den piezoelektrischen Aktor (12) angelegte Spannung nach der Verminderung (32 oder 44) in negativer Richtung vermindert und wieder erhöht wird (35, 34 oder 41, 42).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verminderung (35) der an den piezoelektrischen Aktor (12) angelegten Spannung in negativer Richtung eine Umpolarisierung des piezoelektrischen Aktors (12) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Umpolarisierung die an den piezoelektrischen Aktor (12) angelegte Spannung weiterhin in negativer Richtung vermindert (35) wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Verminderung (35) und der Erhöhung (34) der an den piezoelektrischen Aktor (12) angelegten Spannung in negativer Richtung eine Längenausdehnung und eine Verkürzung des piezoelektrischen Aktors (12) bewirkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung (31) und die Verminderung (32) der an den piezoelektrischen Aktor (12) angelegten Spannung in positiver Richtung mehrfach durchlaufen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verminderung (35) und die Erhöhung (34) der an den piezoelektrischen Aktor (12) angelegten Spannung in negativer Richtung mehrfach durchlaufen wird.
Verfahren nach Anspruch 5 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Durchläufe in positiver Richtung etwa gleich ist der Anzahl der Durchläufe in negativer Richtung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verminderung (41) der an den piezoelektrischen Aktor (12) angelegten Spannung in negativer Richtung keine Umpolarisierung des piezoelektrischen Aktors (12) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung (43) und die Verminderung (44) der an den piezoelektrischen Aktor (12) angelegten Spannung in positiver Richtung mehrfach durchlaufen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verminderung (41) und Erhöhung (42) der an den piezoelektrischen Aktor (12) angelegten Spannung in negativer Richtung mindestens ein Mal durchlaufen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der piezoelektrische Aktor (12) einem Einspritzventil (11) einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventil (11) nach der Längenausdehnung des piezoelektrischen Aktors (12) geschlossen ist, und dass das Einspritzventil (11) nach der Verkürzung des piezoelektrischen Aktors (12) geöffnet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem dem piezoelektrischen Aktor (12) ein hydraulischer Koppler (15) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Wechseln des Arbeitspunkts des Aktors (12) die an den Aktor (12) angelegte Spannung langsam vorzugsweise auf Null abgesenkt wird.
Steuergerät (10) für eine Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergerichtet ist.
Steuergerät (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speichermedium vorgesehen ist, auf dem ein Computerprogramm abgespeichert ist, das zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 programmiert ist.
Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs mit einem Einspritzventil (11) mit einem piezoelektrischen Aktor (12) sowie mit einem Steuergerät (10) nach einem der Ansprüche 13 oder 14.
Computerprogramm für ein Steuergerät (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 programmiert ist.
Speichermedium für ein Steuergerät (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Speichermedium ein Computerprogramm abgespeichert ist, das zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 programmiert ist.