DE102005058301A1

DE102005058301A1 - Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102005058301A1
Application number: DE200510058301
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2007-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors (12) eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Aktor (12) mit einer Ansteuerspannung (U) angesteuert wird, die Werte zwischen einer minimalen Ansteuerspannung (U_min) und einer maximalen Ansteuerspannung (U_max) annehmen kann, und wobei die minimale Ansteuerspannung (U_min) negativ ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird als minimale oder maximale Ansteuerspannung eine Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs verwendet.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Aktor mit einer Ansteuerspannung angesteuert wird, die Werte zwischen einer minimalen Ansteuerspannung und einer maximalen Ansteuerspannung annehmen kann, und wobei die minimale Ansteuerspannung negativ ist.

Eine derartige, insbesondere bipolare Ansteuerung piezoelektrischer Aktoren ist per se bekannt und wird beispielsweise verwendet, um einen möglichst großen Aktorhub des piezoelektrischen Aktors zu erzielen.

Es ist ferner bekannt, piezoelektrische Aktoren abwechselnd mit einer positiven Ansteuerspannung und mit einer negativen Ansteuerspannung zu beaufschlagen, um einer unerwünschten irreversiblen Veränderung wesentlicher Eigenschaften des piezoelektrischen Aktors wie z.B. dessen Kapazität entgegenzuwirken.

Bekannte Vorrichtungen zur bipolaren Ansteuerung weisen zur Erzeugung der positiven Ansteuerspannung und der negativen Ansteuerspannung üblicherweise jeweils separate Spannungs- bzw. Stromquellen auf, die z.B. Spannungen von –200 Volt bis +200 Volt bereitstellen und einen dementsprechenden schaltungstechnischen Aufwand bedingen.

Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine möglichst wenig aufwendige, insbesondere bipolare Ansteuerung des Aktors möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als minimale oder maximale Ansteuerspannung eine Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs verwendet wird.

Vorteile der Erfindung

Durch die erfindungsgemäße Verwendung einer Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs als minimale oder maximale Ansteuerspannung erübrigt sich vorteilhaft der von herkömmlichen Systemen bekannte Aufwand, eine Spannungs- bzw. Stromquelle zur Bereitstellung dieser Ansteuerspannung für den piezoelektrischen Aktor vorzusehen, so dass insgesamt nur noch eine gesonderte Spannungs- bzw. Stromquelle zur Bereitstellung der negativen Ansteuerspannung benötigt wird, um den piezoelektrischen Aktor vorzugsweise bipolar anzusteuern.

Auf diese Weise kann der piezoelektrische Aktor mit besonders geringem schaltungstechnischen Aufwand mit Ansteuerspannungen verschiedener Polarität angesteuert werden, so dass trotz der einfachen Ansteuerung eine Maximierung des nutzbaren Aktorhubs möglich ist.

Darüberhinaus ist durch die bipolare Ansteuerung auch die Möglichkeit gegeben, den piezoelektrischen Aktor abwechselnd mit einer positiven Ansteuerspannung und mit einer negativen Ansteuerspannung zu beaufschlagen, um einer unerwünschten irreversiblen Veränderung wesentlicher Eigenschaften des piezoelektrischen Aktors wie z.B. dessen Kapazität entgegenzuwirken.

Auch die unipolare Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors wird durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich vereinfacht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

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.

Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Einspritzventils mit einem piezoelektrischen Aktor, und
2 zeigt den zeitlichen Verlauf einer zur Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors aus 1 verwendeten Spannung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 1 ist beispielhaft eine Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs dargestellt, die ein Einspritzventil 10 und ein Steuergerät 20 aufweist. Das Einspritzventil 10 ist mit einem piezoelektrischen Aktor 12 versehen, der von dem Steuergerät 20 nach dem erfindungsgemäßen Prinzip angesteuert wird, das weiter unten mit Bezug auf 2 beschrieben ist. Weiterhin weist das Einspritzventil 10 eine Ventilnadel 13 auf, die auf einem Ventilsitz 14 im Inneren des Gehäuses des Einspritzventils 10 aufsitzen kann.
Ist die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz 14 abgehoben, so ist das Einspritzventil 10 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 10 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 in dem Aktor 12 angeordneten Piezostapels hervorruft, die ihrerseits zum Öffnen bzw. Schließen des Einspritzventils 10 ausgenutzt wird.
Die Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 erfolgt bipolar, das heißt der piezoelektrische Aktor 12 ist durch das Steuergerät 20 sowohl mit einer negativen Ansteuerspannung als auch mit einer positiven Ansteuerspannung beaufschlagbar. Durch eine derartige bipolare Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 ergibt sich eine optimale Ausnutzung des theoretisch möglichen Aktorhubs.
In 2 ist beispielhaft der zeitliche Verlauf der Ansteuerspannung U dargestellt, mit der der piezoelektrische Aktor 12 von dem Steuergerät 20 (1) beaufschlagt wird. Wie aus 2 ersichtlich, umfasst der Wertebereich der Ansteuerspannung U einen Spannungsbereich, der von einer minimalen Ansteuerspannung U_min bis zu einer maximalen Ansteuerspannung U_max reicht.
Beispielhaft kann die minimale Ansteuerspannung U_min einen Wert von etwa – 180 Volt annehmen. Als maximale Ansteuerspannung U_max wird erfindungsgemäß besonders vorteilhaft eine Bordnetzspannung des den piezoelektrischen Aktor 12 beziehungsweise die Kraftstoffeinspritzanlage (1) aufweisenden Kraftfahrzeugs verwendet. Auf diese Weise ist nur zur Erzeugung der negativen beziehungsweise minimalen Ansteuerspannung U_min eine besondere Strom- beziehungsweise Spannungsquelle in dem Steuergerät 20 vorzusehen. Zur Erzeugung der maximalen Ansteuerspannung U_max ist dagegen sehr vorteilhaft keine separate Schaltung vorzusehen, weil die maximale Ansteuerspannung U_max in Form der Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs ohnehin bereits in dem Steuergerät 20 beziehungsweise in dem Kraftfahrzeug vorliegt und damit sehr vorteilhaft zusammen mit der negativen Ansteuerspannung genutzt werden kann, um eine bipolare Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 zu realisieren.
Je nach Kraftfahrzeug kann die Bordnetzspannung beispielsweise 12 Volt, 24 Volt oder auch 42 Volt betragen.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Kraftfahrzeugen mit einem Bordnetz, das eine Nennspannung von 42 Volt aufweist, weil bei gegebener minimaler Ansteuerspannung U_min damit ein besonders großer Wertebereich für die Ansteuerspannung U erhalten wird.
Besonders vorteilhaft kann der piezoelektrische Aktor 12 in einem ersten Betriebszustand auf die minimale Ansteuerspannung U_min aufgeladen sein. Bei diesem ersten Betriebszustand kann es sich beispielsweise um denjenigen Betriebszustand handeln, in dem das Kraftstoffeinspritzventil 10 (1) seinen geöffneten Zustand aufweist.
Darüber hinaus kann der piezoelektrische Aktor 12 in einem zweiten Betriebszustand auf die Bordnetzspannung aufgeladen sein. Bei diesem zweiten Betriebszustand kann es sich beispielsweise um denjenigen Betriebszustand handeln, in dem das Kraftstoffeinspritzventil 10 seinen geschlossenen Zustand aufweist.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist nicht auf piezoelektrische Aktoren von Kraftstoffeinspritzventilen 10 einer Brennkraftmaschine beziehungsweise eines Kraftfahrzeugs begrenzt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Verfahren mit allen piezoelektrischen Aktoren eingesetzt werden, die eine bipolare Ansteuerung erfordern.
Eine unipolare Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls sehr einfach realisierbar, da in diesem Fall anstelle der Bordnetzspannung beispielsweise das Massepotential als maximale Ansteuerspannung verwendet werden kann.
Ferner ist auch eine unipolare Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens denkbar, bei dem eine minimale Ansteuerspannung U_min einen Wert von etwa – 180 Volt annimmt, und bei als maximale Ansteuerspannung U_max eine negative Bordnetzspannung verwendet wird.
Darüberhinaus ist es erfindungsgemäß auch möglich, als minimale Ansteuerspannung U_min eine negative Bordnetzspannung zu verwenden und als maximale Ansteuerspannung eine positive Spannung, die beispielsweise von einer eigens hierfür vorgesehenen Spannungsquelle bereitgestellt wird.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors (12) eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Aktor (12) mit einer Ansteuerspannung (U) angesteuert wird, die Werte zwischen einer minimalen Ansteuerspannung (U_min) und einer maximalen Ansteuerspannung (U_max) annehmen kann, und wobei die minimale Ansteuerspannung (U_min) negativ ist, dadurch gekennzeichnet, dass als minimale oder maximale Ansteuerspannung eine Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bordnetzspannung 12 Volt oder 24 Volt beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bordnetzspannung 42 Volt beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktor (12) in einem ersten Betriebszustand auf die minimale Ansteuerspannung (U_min) aufgeladen ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktor (12) in einem zweiten Betriebszustand auf die Bordnetzspannung aufgeladen ist.