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Die
Erfindung betrifft ein Stellgebersystem, insbesondere ein Einspritzsystem
für eine
Brennkraftmaschine, mit einem Stellgeber, der einen Piezoaktor umfasst.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stellgeber, insbesondere
ein Einspritzventil mit einem Piezoaktor sowie eine Steuereinheit
und ein Verfahren zur Ansteuerung des Stellgebers.
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Stellgeber
werden häufig
mithilfe von Piezoaktoren ausgebildet, die eine Stellbewegung, insbesondere
einen Schalthub bzw. einen Stellweg, erzeugen. Die Verwendung von
Piezoaktoren hat den Vorteil, dass sie gegenüber herkömmlichen Magnetantrieben sehr
kurze Schaltzeiten und einen geringeren Energieverbrauch aufweisen.
Der Stellweg eines Piezoaktors ist jedoch aufgrund seiner begrenzten
Länge und
seiner elektrischen Parameter klein. Im Fall der Verwendung eines
solchen Stellgebers für
ein Einspritzventil in einer Brennkraftmaschine muss der Piezoaktor
so ausgelegt werden, dass der Stellweg über den gesamten Temperaturbereich
in ausreichendem Maß zur
Verfügung
steht. Weiterhin weisen Piezoaktoren über ihre gesamte Betriebsdauer
eine Längsdrift
auf, die ebenfalls kompensiert und der gegebenenfalls entgegengewirkt
werden muss, um die Funktion des Einspritzventils dauerhaft zu gewährleisten.
Anderenfalls führte
dies zu einer Einschränkung
der Funktion des Einspritzventils oder zu seinem vollständigen Ausfall,
so dass ein Öffnen
und Schließen
nicht im ausreichenden Maße
sichergestellt werden kann. Aus diesem Grunde werden herkömmliche
Einspritzventile mit Piezoaktoren hergestellt, in denen der Piezoaktor
deutlich überdimensioniert
ist. D. h. der Piezoaktor inklusive der den Piezoaktor ansteuernden
Steuereinheit wird bislang so ausgelegt, dass er die Funktion sicher
bei jeder Temperatur und Systemgröße über die gesamte Lebensdauer
gewährleistet.
Dadurch entsteht ein Mehraufwand bei der Herstellung eines solchen
Piezoaktors, und die Schaltzeiten sind aufgrund der erhöhten kapazitiven
Last erhöht.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Stellgebersystem
sowie einen Stellgeber zur Verfügung
zu stellen, bei dem die Überdimensionierung
reduziert werden kann und bei dem der benötigte Stellhub bei bestimmten
Betriebszuständen sowie über die
gesamte Lebensdauer gewährleistet werden
kann.
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Es
ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Stellgeber
für ein
solches Stellgebersystem zur Verfügung zu stellen. Es ist weiterhin
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung
eines Stellgebers mit reduzierter Überdimensionierung zur Verfügung zu
stellen, wobei der Stellhub über
die gesamte Lebensdauer und bei besonderen Betriebszuständen gewährleistet
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch das Stellgebersystem nach Anspruch 1, den Stellgeber
nach Anspruch 9, die Steuereinheit nach Anspruch 13 sowie das Verfahren
zur Ansteuerung eines Stellgebers nach Anspruch 16 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Stellgebersystem,
insbesondere ein Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, vorgesehen.
Das Stellgebersystem weist einen Stellgeber, insbesondere ein Einspritzventil,
auf, der ein erstes Piezoelement und ein zweites Piezoelement umfasst.
Das erste und das zweite Piezoelement sind so aufeinander angeordnet,
dass sich bei einer Ansteuerung ihre Stellbewegungen addieren. Das
Stellgebersystem weist weiterhin eine Steuereinheit auf, die zur
Ansteuerung mit dem ersten und mit dem zweiten Piezoelement verbunden
ist. Die Steuereinheit steuert in einem ersten Betriebsmodus nur
das erste Piezoelement an und in einem zweiten Betriebsmodus parallel
das erste und das zweite Piezoelement an.
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Dadurch,
dass der Stellgeber zwei oder mehrere getrennt ansteuerbare Piezoelemente
aufweist, kann der Stellgeber sowohl in einem ersten Betriebsmodus
(Standardbetriebsweise) mit nur einem der Piezoelemente betrieben
werden. Benötigt
man einen größeren Stellweg,
d. h. weiteren Hub, so wird der das zweite Piezoelement dazugeschaltet
und parallel zu dem ersten Piezoelement in geeigneter Weise angesteuert.
Auf diese Weise können
Reserven zur Erreichung eines größeren Stellwegs,
z. B. für
kritische Kaltstarts bzw. Heißstarts
abgerufen werden. Es ist weiterhin möglich eine Drift der Piezoelemente, die
während
ihrer Betriebsdauer auftritt, so zu kompensieren, dass der Stellgeber
in seinem Verhalten wieder dem Verhalten, das der Stellgeber zu
einem Anfangszustand hatte, angeglichen wird. Insbesondere kann
der erste oder zweite Betriebsmodus so gewählt werden, dass die Drift
des Stellgebers bezüglich
des Stellweges möglichst
kompensiert wird.
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Insbesondere
kann der Stellgeber ein oder mehrere weitere Piezoelemente umfassen,
die so an den ersten bzw. zweiten Piezoelement angeordnet sind,
dass sich die Stellbewegungen des einen oder der mehreren weiteren
Piezoelemente zu der Stellbewegung des ersten und zweiten Piezoelements addiert.
Die weiteren Piezoelemente können
abhängig
von der Betriebsdauer durch die Steuereinheit individuell angesteuert
werden.
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Auf
diese Weise ist es möglich
während
der gesamten Betriebsdauer eines Piezoelements dieses mehrfach an
eine veränderte
Drift oder eine sonstige zeitweilige oder dauerhafte Änderung
des Stellwegs des Piezoaktors anzupassen. Diesbezüglich kann
vorgesehen sein, dass das weitere Piezoelement abhängig von
der Betriebsdauer durch die Steuereinheit in einem dritten Betriebsmodus
gemeinsam mit dem ersten und dem zweiten Piezoelement angesteuert
wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform kann
zwischen dem ersten und dem zweiten Piezoelement eine Stabilisierungseinrichtung
vorgesehen sein, um einer Querbewegung senkrecht zur Richtung der
Stellbewegung entgegenzuwirken. Auf diese Weise kann eine Querverbiegung
des Stellgebers mit mehreren Piezoelementen verhindert werden. Insbesondere
kann die Stabilisierungseinrichtung als eine elastische Membran
ausgebildet sein, die mit einem Gehäuse des Einspritzventils verbunden
ist, um den Bereich des ersten Piezoelementes und dem Bereich des
zweiten Piezoelementes voneinander zu trennen. Auf diese weise kann
beispielsweise erreicht werden, dass das die Stabilisierungseinrichtung
neben der Stabilisierung des Stellgebers gegenüber einer Querbewegung auch
dazu geeignet ist, Schmutz oder sonstige Materialien, wie beispielsweise
Flüssigkeiten,
vom Eindringen in einen der Bereiche abzuhalten.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Stellgeber vorgesehen,
der ein erstes Piezoelement und ein zweites Piezoelement aufweist.
Das erste und das zweite Piezoelement sind so aufeinander angeordnet,
dass sich bei ihrer Ansteuerung ihre Stellbewegungen addieren. Die
Piezoelemente sind voneinander separat ansteuerbar ausgebildet.
Ein solcher Stellgeber hat den Vorteil, dass die Piezoelemente sowohl
einzeln als auch gemeinsam ansteuerbar sind, so dass Ansteuerung und
gewünschte
Stellbewegung im Wesentlichen ausgewählt werden können, indem
entweder nur eines der Piezoelemente oder das erste und zweite Piezoelement
angesteuert werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung kann zwischen dem ersten und dem zweiten Piezoelement
eine Stabilisierungseinrichtung vorgesehen sein, um einer Querbewegung senkrecht
zur Richtung der Stellbewegung entgegen zu wirken.
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Die
Stabilisierungseinrichtung kann als elastische Membran ausgebildet
sein, die mit einem Gehäuse
des Stellgebers verbunden ist, um den Bereich des ersten Piezoelementes
und den Bereich des zweiten Piezoelementes voneinander zu trennen.
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Ferner
kann vorgesehen sein, dass eine Dichtungseinrichtung zwischen dem
ersten und dem zweiten Piezoelement vorgesehen ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Steuereinheit
zum Ansteuern eines anschließbaren
Stellgebers, insbesondere eines Einspritzventils für eine Brennkraftmaschine, vorgesehen.
Die Steuereinheit weist einen ersten und einen zweiten Anschluss
auf, um ein erstes bzw. ein zweites Piezoelement eines anschließbaren Stellgebers
anzusteuern. Die Steuereinheit ist so gestaltet, dass die in einem
ersten Betriebsmodus nur das erste Piezoelement ansteuert und in
einem zweiten Betriebsmodus parallel das erste und das zweite Piezoelement
ansteuert. Der zweite Betriebsmodus wird insbesondere bei besonderen
Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine und/oder nach Ablauf einer bestimmten Betriebsdauer
des Einspritzventils eingenommen. Weiterhin kann die Steuereinheit
so gestaltet sein, dass der erste oder der zweite Betriebsmodus
so gewählt
wird, dass die Drift des Stellgebers bezüglich des Stellweges möglichst
kompensiert wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur
Ansteuerung eines Stellgebers vorgesehen. Der Stellgeber umfasst
ein erstes und ein zweites Piezoelement, das sich bei ihrer Ansteuerung
ihrer Stellbewegungen addieren. Das Verfahren umfasst die Schritte
des Ansteuerns nur des ersten Piezoelements in einem ersten Betriebsmodus
und des Parallelansteuerns des ersten und des zweiten Piezoelementes
in einem zweiten Betriebsmodus.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Einspritzsystem gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
eine Ausführungsform
eines Einspritzventils; und
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Einspritzventils.
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In 1 ist
ein Ausschnitt eines Einspritzsystems 1 dargestellt, das
eine Steuereinheit 2 und ein Einspritzventil 3 umfasst.
Das Einspritzventil 3 dient zum Steuern der Zuführung von
Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine. Das Einspritzventil 3 ist
der Übersichtlichkeit
halber in der 1 nur als ein Ausschnitt dargestellt,
in dem ein Piezoaktor vorgesehen ist. Der Piezoaktor weist ein erstes
Piezoelement 4 und ein zweites Piezoelement 5 auf
und ist elektrisch mit der Steuereinheit 2 über erste
Ansteuerleitungen 6 bzw. zweite Ansteuerleitungen 7 verbunden.
Die Steuereinheit 2 steuert die Piezoelemente 4, 5 separat
an, um in ihnen eine Stellbewegung hervorzurufen, die im Falle eines
Einspritzventils 3 das Ventil öffnet oder schließt. Das Öffnen und
Schließen
des Einspritzventils 3 wird durch die Steuereinheit 2 abhängig von
gemessenen Systemgrößen gesteuert.
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Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, das Einspritzventil in zwei Betriebsarten zu betreiben.
In einem ersten Betriebsmodus steuert die Steuereinheit 2 nur
das erste Piezoelement 4 an, das so ausgelegt ist, um den
gewünschten
Sollhub, d. h. die Stellbewegung, die zum Öffnen und Schließen des Einspritzventil
notwendig ist, zu erreichen. In dem ersten Betriebsmodus wird das
zweite Piezoelement nicht angesteuert, so dass es lediglich durch
die Stellbewegung des ersten Piezoelementes mitbewegt wird.
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Das
erste und das zweite Piezoelement 4, 5 sind miteinander über ein
Verbindungselement 8 gekoppelt, so dass bei ihrer Ansteuerung
ihre Stellbewegungen gleichgerichtet in Richtung ihrer Längsachse
sind. Das Verbindungselement 8 zwischen dem ersten und
dem zweiten Piezoelement 4, 5 verbindet vorzugsweise
die beiden Piezoelemente 4, 5 so miteinander,
dass eine Querbewegung senkrecht zur Richtung der Stellbewegung
möglichst
verhindert bzw. abgeschwächt
wird. Ein festes Ende 9 des ersten Piezoelementes 4 ist
fest mit einem Gehäuse 10 des Einspritzventils 3 verbunden,
so dass eine Stellbewegung in Form einer Dehnung bzw. Streckung durch
Abstützen
an dem festen Ende 9 direkt über das Verbindungselement 8 auf
das zweite Piezoelement 5 wirkt und das zweite Piezoelement 5 somit bewegt.
Eine durch entsprechende Ansteuerung bewirkte Stellbewegung des
zweiten Piezoelementes 5 ist gleichgerichtet und addiert
sich bei Ansteuerung zu der Stellbewegung des ersten Piezoelementes,
so dass ein an einem festen Ende 11 des zweiten Piezoelementes 5 befestigter
Stellstift 12 eine Stellbewegung ausführt.
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In
einem zweiten Betriebsmodus steuert die Steuereinheit 2 nun
beide Piezoelemente 4, 5 über die entsprechenden Ansteuerleitungen 6, 7 an,
so dass sich die Stellbewegung aus den addierten Stellbewegungen
der einzelnen Piezoelemente 4, 5 zusammensetzt.
Der zweite Betriebsmodus kann bei besonderen Betriebszuständen des
Einspritzsystems eingenommen werden, wie beispielsweise bei einem
Warmstart bzw. Kaltstart, bei sonstigen Änderungen des Stellweges des
Piezoaktors, abhängig von
einer Temperatur in der Brennkraftmaschine, oder kann nach einer
bestimmten Gesamtbetriebsdauer des Einspritzventils eingenommen
werden, um eine üblicherweise
in einem Einspritzventil vorhandene Drift der Längungen der Piezoelemente auszugleichen.
D. h. wenn während
der Betriebsdauer des ersten Piezoelements 4 dieses bei
Wegnehmen der Ansteuerspannung nicht zu seiner ursprünglichen Länge zurückkehrt,
sondern länger
oder kürzer bleibt,
als dies zu Beginn der Betriebsdauer (bei Inbetriebnahme) des Einspritzventils
der Fall war, so kann durch Wechseln in den zweiten Betriebsmodus gleichzeitig
das zweite Piezoelement 5 angesteuert werden, um die Stellbewegung
des durch die beiden Piezoelemente 4, 5 gebildeten
Piezoaktors zu korrigieren. Somit ist es möglich eine Drift des Piezoaktors über seine
Lebensdauer wieder an den Anfangszustand (bei Inbetriebnahme) anzugleichen.
Sonstige Änderungen
des Stellweges des Piezoaktors können
beispielsweise von der Motorelektronik durch Bestimmung des Luft-/Kraftstoffgemisches
und durch Vergleich mit einem Soll-Luft-/Kraftstoffgemisch ermittelt werden
und abhängig
von eventu ellen Abweichungen des ersten oder zweiten Betriebsmodus
gewählt
werden.
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In 2 ist
eine weitere Ausführungsform des
Einspritzventils der 1 dargestellt. Die Ausführungsform
der 2 unterscheidet sich von dem Einspritzventil in
der Ausführungsform
der 1 dadurch, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Piezoelement 4, 5 ein
Zwischenelement 13 vorgesehen ist, das zum einen als elastische
Membran ausgebildet sein kann, um den Bereich des ersten Piezoelementes 4 und
den Bereich, in dem sich das zweite Piezoelement 5 befindet,
voneinander so zu trennen, so dass keine Schmutzpartikel, Flüssigkeiten
und dergleichen zwischen den Bereichen der beiden Piezoelemente 4, 5 ausgetauscht
werden können.
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Das
Zwischenelement 13 kann auch als nicht die beiden Bereiche
trennendes elastisches Element vorgesehen sein, dass mit dem Gehäuse 10 des
Einspritzventils 3 verbunden ist, um den gesamten Piezoaktor
in Querrichtung senkrecht zur Richtung der Stellbewegung zu stabilisieren.
Insbesondere, wenn durch die Stellbewegung eine Druckkraft auf den
Piezoaktor ausgeübt
wird, kann es zu einem seitlichen Ausweichen und Verbiegen des Piezoaktors
kommen. Mithilfe des Zwischenelementes 13, dass dann als
Stabilisierungselement dient, kann die Auslenkung des Piezoaktors
in eine seitliche Richtung verhindert bzw. reduziert werden.
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Insbesondere
eine Ausführung
des Zwischenelements 13 als Dichtungselement und gleichzeitig
als Stabilisierungselement ist vorteilhaft, da damit gleichzeitig
der Piezoaktor in Querrichtung stabilisiert werden kann und weiterhin
eine Abdichtung der beiden Bereiche gegeneinander erreicht werden kann.
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In 3 ist
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Einspritzventils
dargestellt. Das dort gezeigte Einspritzventil weist einen Piezoaktor 20 mit
vier getrennt ansteuerbaren Piezoelementen 21, 22, 23, 24 auf,
die übereinan der
angeordnet sind, so dass sich ihre jeweiligen Stellbewegungen bei
entsprechender Ansteuerung addieren. Jedes der Piezoelemente 21 weist
eigene Ansteuerleitungen 25 auf, die mit einer Steuereinheit
verbunden werden können,
um die Piezoelemente 21, 22, 23, 24 separat
anzusteuern. In einem Einspritzventil kann der Piezoaktor 20 so
dimensioniert sein, dass bei Betriebnahme des Einspritzventils die
Stellbewegung eines ersten der Piezoelemente 21 ausreicht,
um den gewünschten
Ventilbetrieb zu gewährleisten.
Je nach verstrichener Betriebsdauer bzw. nach erfolgter Drift des
ersten Piezoelementes 21 ist es nun während der Betriebsdauer möglich, das
zweite 22, dritte 23 und/oder vierte Piezoelement 24 hinzuzuschalten,
d. h. gleichzeitig mit dem ersten Piezoelement 21 anzusteuern.
Um bereits eine geringere Drift des ersten Piezoelementes 21 ausgleichen
zu können,
können das
zweite bis vierte Piezoelement 22, 23, 24 jeweils kleiner
als das erste Piezoelement ausgebildet sein und z. B. etwa 10% der
Größe des ersten
Piezoelementes, d. h. einen entsprechend reduzierten Stellweg aufweisen.
Insbesondere können
die zweiten bis vierten Piezoelemente 22, 23, 24 mit
verschiedenen Längen
vorgesehen sein und/oder verschiedene maximale Stellwege aufweisen,
so dass durch eine geeignete Kombination der des zweiten bis vierten
Piezoelementes 22, 23, 24 eine Reihe
von möglichen Kompensationsstellwegen
realisiert werden können, um
entsprechend dem zweiten Betriebsmodus eine Anpassung des Stellhubs
vorzunehmen. Damit ist es möglich,
eine Drift des Piezoaktors über
seine Betriebsdauer stufenweise anzugleichen und z. B. einem Verschleiß gezielt
entgegenzuwirken. Zudem kann bei Bedarf zusätzlicher Hub bei kritischen
Betriebssituationen, z. B. Warmstart, Kaltstart eines Verbrennungsmotors
zur Verfügung
gestellt werden.
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Das
Einspritzsystem bzw. das Einspritzventil der vorliegenden Erfindung
ermöglicht
es, eine Überdimensionierung
des in dem Einspritzventil verwendeten Piezoaktors zu vermeiden
und eine Anpassungsmöglichkeit
für verschiedene
Betriebszustände bzw.
für eine
während
der Betriebsdauer auftretende Drift des Piezoaktors bereitzustellen.