DE102006011725A1

DE102006011725A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kalibrieren eines Piezo-Aktuators

Info

Publication number: DE102006011725A1
Application number: DE102006011725A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Reichinger; Hans-Jörg Wiehoff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: WO2007104770A1; DE102006011725B4

Abstract

Ein Piezo-Aktuator ist als Stellantrieb über ein erstes freies Ende in einem Gehäuse verankert und wirkt über ein zweites freies Ende auf ein Schaltventil ein. Der Piezo-Aktuator wird mit einem elektrischen Kalibrierpuls beaufschlagt, der abhängig von mindestens einer Betriebsgröße (BG) ermittelt wird. Während des Kalibrierpulses wird eine dem Piezo-Aktuator zugeführte elektrische Ladung (Q) und eine an diesem abfallende elektrische Spannung (U) ermittelt. Abhängig von der zugeführten elektrischen Ladung (Q), der abfallenden elektrischen Spannung (U), vorgegebener Steifigkeit der Verankerung und des Gehäuses und des Schaltventils, einer ermittelten Kleinsignal- und Großsignal-Kapazität (C<SUP>S</SUP>, C<SUP>T</SUP>), bezogen auf die an dem Piezo-Aktuator abfallende elektrische Sapnnung (U) des Piezo-Aktors, wird mindestens ein Ansteuerparameter (AP) zum Ansteuern des Piezo-Aktuators angepasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Piezo-Aktuators. Derartige Piezo-Aktuatoren werden zunehmend als Stellantriebe für Zumessvorrichtungen, so insbesondere für Einspritzventile im Kfz-Bereich eingesetzt. Piezo-Aktuatoren zeichnen sich aus durch sehr kurze Ansprechzeiten auf elektrische Stellsignale. Sie werden als sehr schnell schaltende Hub-Aktuatoren eingesetzt. Im Rahmen ihres Einsatzes als Stellantriebe für Einspritzventile für Kraftfahrzeuge ermöglichen sie ein extrem schnelles Schalten des von dem Einspritzventil umfassten Schaltventils und ermöglichen so beispielsweise mehrere Einspritzvorgänge während eines Arbeitszykluses eines Zylinders einer Brennkraftmaschine. Sie werden bevorzugt eingesetzt für Einspritzventile, denen Kraftstoff unter sehr hohem Druck zugeführt wird und die den Kraftstoff direkt in den jeweiligen Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine zumessen. Die Drücke betragen bei Dieselanwendungen beispielsweise bis zu 2000 bar. Auf diese Weise kann eine geeignete Zumessung von Kraftstoff gewährleistet werden, um sicherzustellen, dass strenge Abgasvorschriften eingehalten werden können.

Für ein präzises Betreiben der Piezo-Aktuatoren ist es wünschenswert die sich über Druck, Temperatur oder andere Einflüsse ändernden Eigenschaften des Piezo-Aktuators zu kennen und bei seiner Ansteuerung zu berücksichtigen.

Bei Common-Rail-Systemen der neueren Generation wirkt z.B. ein Systemdruck des Fluids während des Betriebs ständig auf den Piezo-Aktuator ein. Der Piezo-Aktuator polt sich im Betrieb auf diesen neuen Lastfall um, was zu geänderten Eigenschaften des Piezo-Aktuators führen kann.

Aus der DE 199 30 309 A1 ist ein Verfahren zur Regelung der Einspritzmenge bei einem Kraftstoffeinspritzventil mit einem Piezoelement-Aktor bekannt. Die Spannung am Piezoelement-Aktor wird nach dessen anfänglicher Aufladung erfasst. Der Einspritzbeginn und die Nadelöffnungszeit des Einspritzventils werden aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung am Piezoelement-Aktor festgestellt und die tatsächliche Einspritzmenge wird aus dem Einspritzbeginn, der Nadelöffnungszeit und der Ansteuerdauer ermittelt. Gegebenenfalls wird die anfängliche Aufladung des Piezolement-Aktors und/oder die Ansteuerdauer zur Nachführung der Einspritzmenge auf einen vorgegebenen Wert geändert.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Piezo-Aktuators zu schaffen, das bzw. die ein präzises Kalibrieren ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zum Kalibrieren eines Piezo-Aktuators und eine korrespondierende Vorrichtung zum Kalibrieren eines Piezo-Aktuators, der als Stellantrieb über ein erstes freies Ende in einem Gehäuse verankert ist und über ein zweites freies Ende auf ein Schaltventil einwirkt. Der Piezo-Aktuator wird mit einem elektrischen Kalibrierpuls beaufschlagt, der abhängig von mindestens einer Betriebsgröße ermittelt wird. Während des Kalibrierpulses wird eine dem Piezo-Aktuator zugeführte elektrische Ladung und eine an diesem abfallende elektrische Spannung ermittelt. Abhängig von der zugeführten elektrischen Ladung, der abfallenden elektrischen Spannung, vorgegebener Steifigkeit der Verankerung und des Gehäuses und vorgegebener Steifigkeit des Schaltventils, einer ermittelten Kleinsignal- und Großsignal-Kapazität bezogen auf die an dem Piezo-Aktuator abfallende elektrische Spannung des Piezo-Aktuators wird mindestens ein Ansteuerparameter zum Ansteuern des Pie zo-Aktuators angepasst. Auf diese Weise kann mit einfach messbaren Größen oder auch mittelbaren Größen das individuelle Verhalten des jeweiligen Piezo-Aktuators ermittelt werden und somit ein Kalibrieren sehr präzise durchgeführt werden. Dies hat dann den Vorteil, dass der Piezo-Aktuator sehr präzise angesteuert werden kann und insbesondere, wenn dieser zum Zumessen von Fluid eingesetzt wird, dieses sehr präzise auch bei Kleinstmengen zugemessen werden kann.

Eine Kleinsignal-Kapazität ist diejenige, die ermittelt wird, wenn der Piezo-Aktuator lediglich mit einer vergleichsweise geringen elektrischen Energie beaufschlagt wird im Gegensatz zu dem Fall, wenn die Großsignal-Kapazität ermittelt wird, bei dem entsprechend deutlich mehr elektrische Energie dem Piezo-Aktuator zugeführt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der mindestens eine Ansteuerparameter bezogen auf die mindestens eine Betriebsgröße angepasst. Auf diese Weise kann dann das Kalibrieren bei verschiedenen Werten der mindestens einen Betriebsgröße bezogen auf den dann oder die dann jeweils gültigen Werte der Betriebsgröße im Hinblick auf den jeweiligen Ansteuerparameter durchgeführt werden und somit über einen sehr weiten Betriebsbereich ein besonders präzises Betreiben des Piezo-Aktuators ermöglicht werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird im Anschluss an ein Polen des Piezo-Aktuators das Kalibrieren durchgeführt. Auf diese Weise kann zum Einen der Piezo-Aktuator gepolt werden, wenn er bereits in dem Gehäuse verankert ist und auf das Schaltventil einwirkt und darüber hinaus kann dann das Kalibrieren sehr gut durchgeführt werden, um so von Anfang an ein präzises Betreiben des Piezo-Aktuators zu ermöglichen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1 eine Zumessvorrichtung mit einem Piezo-Aktuator und eine zugeordnete Steuervorrichtung,
2 ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Kalibrieren des Piezo-Aktuators.
Eine Zumessvorrichtung (1), die insbesondere ein Einspritzventil sein kann, hat einen Stellantrieb, der als Piezo-Aktuator 1 ausgebildet ist. Der Piezo-Aktuator 1 hat eine Anzahl n_L an Piezoelementen. Die Anzahl n_L kann beispielsweise in etwa 200 betragen. Der Piezo-Aktuator 1 hat ein erstes freies Ende 5 und ein zweites freies Ende 7. Der Piezo-Aktuator 1 ist mit seinem ersten freien Ende 5 in einem Gehäuse 3 der Zumessvorrichtung verankert, dies ist bevorzugt erreicht durch ein entsprechendes Einschweißen des Piezo-Aktuators 1 in dem Gehäuse 3 im Bereich seines ersten freien Endes. Im Bereich seines zweiten freien Endes 7 wirkt er hervorgerufen durch ein Längen des Piezo-Aktuators 1 auf ein Schaltventil der Zumessvorrichtung ein. Das Schaltventil umfasst einen Stift 9, eine Hebelvorrichtung 11, die bevorzugt den Hub des Piezo-Aktuators 1 umkehrt. Das Schaltventil umfasst ferner eine Düsennadel 13, die mit einer Düsenfeder 15 gekoppelt ist, und einen Düsenkörper 17, in dem ein Sitz 19 für die Düsennadel 13 ausgebildet ist. Die Düsenfeder 15 ist so angeordnet, dass sie ohne das Einwirken von Kräften hervorgerufen durch den Stellantrieb die Düsennadel in die Düsennadel 13 in ihre Schließposition vorspannt, in der die Düsennadel 13 einen Fluidfluss durch eine Einspritzöffnung 21 unterbindet. Außerhalb der Schließposition gibt die Düsennadel 13 den Fluidfluss durch die Einspritzöffnung 21 frei.
Die Zumessvorrichtung hat darüber hinaus eine Hochdruckfluidzuführung, über die die Zumessvorrichtung in ihrem montierten Zustand bevorzugt mit einem Fluid-Hochdruckspeicher hydraulisch gekoppelt ist und durch die das Fluid zu der Einspritzöffnung 21 strömen kann. Ob sich die Düsennadel 13 in ihrer Schließposition befindet oder außerhalb der Schließposition befindet hängt ab von einer Kräftebilanz der auf sie wirkenden Kräfte, hervorgerufen durch die Kraft der Düsenfeder 15, der über den Druck des Fluids auf die Düsennadel eingekoppelten Kräfte und der durch den Piezo-Aktuator 1 auf sie einwirkenden Kraft. Durch die im Wesentlichen direkte Kopplung des Piezo-Aktuators 1 mit der Düsennadel 13 wirkt sich eine Längung des Piezo-Aktuators in einer Veränderung an dem zweiten freien Ende 7 hinsichtlich seiner Position bezogen auf den dortigen axialen Gehäusebereich direkt aus auf die Position der Düsennadel 13, wobei in diesem Zusammenhang auch derjenige Teil einer Systemsteifigkeit C_sys zu berücksichtigen ist, der bestimmt wird durch das Schaltventil. Abhängig von demjenigen Teil der Systemsteifigkeit C_sys, der durch die Verankerung des Piezo-Aktuators 1 und den wirkungsmäßig danach liegenden Teil des Gehäuses 3 bedingt wird, wirkt sich ebenfalls auf die Systemsteifigkeit C_sys aus und führt gegebenenfalls zu einer Verlagerung des Piezo-Aktuators 1 bei entsprechender Kraftbeaufschlagung weg von dem Bereich der Zumessvorrichtung, in der die Einspritzöffnung 21 ausgebildet ist.
Die Systemsteifigkeit C_sys kann vorab sehr präzise ermittelt werden, da die Steifigkeiten der entsprechenden Komponenten des Gehäuses 3, der Verankerung, und des Schaltventils sehr präzise vorab bestimmbar sind. Die Systemsteifigkeit C_sys kann somit vorab fest in einem Speicher einer Steuervorrichtung 25 gespeichert sein, die der Zumessvorrichtung zugeordnet ist.
In der Steuervorrichtung sind vorzugsweise Daten gespeichert und Programme gespeichert, die während des Betriebs der Zumessvorrichtung abgearbeitet werden. Die Steuervorrichtung wird auch eingesetzt zum Kalibrieren des Piezo-Aktuators 1 und kann auch als Vorrichtung zum Kalibrieren des Piezo-Aktuators 1 bezeichnet werden.
Ein Programm zum Kalibrieren des Piezo-Aktuators 1 ist in einem Speicher der Steuervorrichtung 25 gespeichert und wird zu vorgebbaren Zeitpunkten während des Betriebs der Zumessvor richtung in einem Schritt S1 gestartet. Dies kann beispielsweise nach jeweiligem Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer der Fall sein oder auch der Fall sein, wenn vorgegebene Betriebsgrößen, vorgegebene Werte einnehmen. Dies kann auch der Fall sein, wenn der Piezo-Aktuator 1 gerade gepolt worden ist.
Der Steuervorrichtung sind bevorzugt Sensoren zugeordnet, die Messgrößen erfassen, wie beispielsweise einen Fluiddruck in dem Hochdruckspeicher oder auch beispielsweise eine Temperatur des Fluids. Es können jedoch beliebige weitere Sensoren vorgesehen sein, die weitere Messgrößen erfassen. Betriebsgrößen umfassen neben den Messgrößen auch von diesen abgeleitete Größen.
In dem Schritt S1 werden gegebenenfalls Variablen initialisiert.
In einem Schritt S2 werden eine Kleinsignal-Kapazität C^S und eine Großsignal-Kapazität C^T des Piezo-Aktuators 1 ermittelt. Dazu wird der Piezo-Aktuator 1 beispielsweise mit einem Ansteuerpuls mit niedriger Höhe zum Ermitteln der Kleinsignal-Kapazität C^S und mit einem Ansteuerpuls mit deutlich größerer Pulshöhe zum Ermitteln der Großsignal-Kapazität C^T angesteuert. Als Ansteuerparameter für den Ansteuerpuls kann dabei beispielsweise eine elektrische Spannung Einsatz finden, oder auch eine elektrische Energie oder auch die Pulslänge kann einen Ansteuerparameter bilden.
Durch Integrieren des während des Ansteuerpulses zugeführten elektrischen Stromes und Verrechnung mit der am Ende des Pulses an dem Piezo-Aktuator abfallenden Spannung kann dann jeweils unter der Voraussetzung, dass die geometrischen Proportionen des Piezo-Aktuators 1 grundsätzlich vorab bekannt sind die Kleinsignal-Kapazität C^S beziehungsweise die Großsignal-Kapazität C^T ermittelt werden.
Abhängig von der Kleinsignal-Kapazität C^S kann unter Berücksichtigung der Geometrie des Piezo-Aktuators 1 eine Kleinsig nal-Dielektrizitätskonstante ε₃₃ ^S ermittelt werden. Entsprechend kann abhängig von der Großsignal-Kapazität C^T eine Großsignal-Dielektrizitätskonstante ε₃₃ ^T ermittelt werden.
In einem Schritt S3 wird der Piezo-Aktuator 1 mit einem elektrischen Kalibrierpuls beaufschlagt. Dies erfolgt innerhalb eines Zeitraumes, innerhalb dessen kein Zumessen von Fluid durch die Einspritzöffnung vorgesehen ist. Die Dauer und/oder die Höhe des Kalibrierpulses wird bevorzugt abhängig von mindestens einer Betriebsgröße so ermittelt, dass sichergestellt werden kann, dass durch das Beaufschlagen des Piezo-Aktuators 1 mit dem elektrischen Kalibrierpuls zuverlässig sich die Düsennadel 13 nicht von ihrer Schließposition wegbewegt. Zu diesem Zweck können beispielsweise ein oder mehrere Kennfelder in dem Speicher der Steuervorrichtung gespeichert sein, und zwar in Abhängigkeit von der mindestens einen Betriebsgröße, die bevorzugt der Fluiddruck in dem Hochdruckspeicher ist. Die Kennfelder können durch Versuche oder Simulationen mit der Zumessvorrichtung ermittelt sein und dann in dem Speicher abgespeichert sein. Durch entsprechende Kennfeldinterpolation kann dann einfach der jeweilige Parameter oder die jeweilige Parameterkombination des Kalibrierpulses, also beispielsweise seine Höhe und/oder Dauer aus dem Kennfeld ermittelt werden. Der elektrische Kalibrierpuls kann beispielsweise eine elektrische Spannung sein, mit der der Piezo-Aktuator beaufschlagt wird, er kann jedoch auch beispielsweise eine elektrische Energie oder Leistung oder Ladung repräsentieren, mit der der Piezo-Aktuator beaufschlagt wird. Zum Erzeugen des Kalibrierpulses und auch des Ansteuerpulses ist die Steuervorrichtung 25 mit einer entsprechenden Endstufe versehen.
Während der Piezo-Aktuator 1 mit dem elektrischen Kalibrierpuls beaufschlagt wird, wird die an dem Piezo-Aktuator 1 abfallende Spannung U erfasst oder ermittelt und der dem Piezo-Aktuator 1 zugeführte Strom integriert und somit die dem Piezo-Aktuator 1 zugeführte Ladung Q ermittelt.
In einem Schritt S4 wird dann das in dem Schritt S4 angegebene Gleichungssystem aus den Gleichungen F1 bis F5 gelöst. Dies erfolgt auf eine für den zuständigen Fachmann in diesem Zusammenhang bekannte Art und Weise. k₃₃ bezeichnet einen Kopplungsfaktor des Piezo-Aktuators 1. Δl bezeichnet eine Piezolängung hervorgerufen durch den Kalibrierpuls. S₃₃ ^E bezeichnet eine elastische Nachgiebigkeit des Piezo-Aktuators 1. d₃₃ bezeichnet ein Piezomodul des Piezo-Aktuators 1, F bezeichnet die auf den Piezo-Aktuator 1 einwirkende Piezokraft F, l die Länge des Piezo-Aktuators, die wesentlich länger als die Piezolängung Δl ist. A bezeichnet den Querschnitt des Piezo-Aktuators 1, n_L die Anzahl der Piezoelemente, die der Piezo-Aktuator 1 umfasst.
Die beim Lösen des Gleichungssystems unbekannten Größen sind somit der Kopplungsfaktor k₃₃, die Piezolängung Δl, die elastische Nachgiebigkeit S₃₃ ^E, das Piezomodul d₃₃ und die Piezokraft F. Diese Größen können durch Lösen des Gleichungssystems aus den Gleichungen F1 bis F5 ermittelt werden.
In einem Schritt S5 wird anschließend der Ansteuerparameter zum Ansteuern des Piezo-Aktuators angepasst abhängig von der elastischen Nachgiebigkeit S₃₃ ^E und/oder dem Piezomodul d₃₃ und zwar bevorzugt im Hinblick auf die beim Durchführen des elektrischen Kalibrierpulses in dem Schritt S3 gültigen Werte der mindestens einen Betriebsgröße BG. Beim Betrieb des Piezo-Aktuators wird dann der jeweilige Ansteuerparameter entweder abhängig von der Betriebsgröße BG und nicht mehr unter erneuter Berücksichtigung der elastischen Nachgiebigkeit S₃₃ ^E und des Piezomoduls d₃₃ ermittelt, wenn eine entsprechende Zuordnungsvorschrift in dem Schritt S5 unter Berücksichtigung der elastischen Nachgiebigkeit S₃₃ ^E und/oder des Piezomoduls d₃₃ bereits angepasst wurde. Alternativ kann jedoch auch der Ansteuerparameter AP jeweils abhängig von der elastischen Nachgiebigkeit S₃₃ ^E und/oder dem Piezomodul d₃₃ und/oder der mindestens einen Betriebsgröße BG beim weiteren Betrieb der Zumessvorrichtung ermittelt werden. Der Ansteuerparameter kann beispielsweise die Höhe und/oder Dauer eines Ansteuer pulses sein zum Ansteuern der Zumessvorrichtung zum Zumessen von Fluid durch die Einspritzöffnung 21.
In einem Schritt S6 wird das Programm dann beendet.

Claims

Verfahren zum Kalibrieren eines Piezo-Aktuators (1), der als Stellantrieb über ein erstes freies Ende (5) in einem Gehäuse (3) verankert ist und über ein zweites freies Ende (7) auf ein Schaltventil einwirkt, bei dem der Piezo-Aktuator (1) mit einem elektrischen Kalibrierpuls beaufschlagt wird, der abhängig von mindestens einer Betriebsgröße (BG) ermittelt wird, und bei dem während des Kalibrierpulses eine dem Piezo-Aktuator (1) zugeführte elektrische Ladung (Q) und eine an diesem abfallende elektrische Spannung (U) ermittelt wird und abhängig von der zugeführten elektrischen Ladung (Q), der abfallenden elektrischen Spannung (Q), vorgegebener Steifigkeit der Verankerung und des Gehäuses und des Schaltventils, einer ermittelten Kleinsignal- und Großsignal-Kapazität (C^S, C^T) bezogen auf eine an dem Piezo-Aktuator (1) abfallenden elektrischen Spannung (U) des Piezo-Aktuators mindestens ein Ansteuerparameter (AP) zum Ansteuern des Piezo-Aktuators (1) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine Ansteuerparameter (AP) bezogen auf die mindestens eine Betriebsgröße (BG) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem im Anschluss an ein Polen des Piezo-Aktuators (1) das Kalibrieren durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Kalibrieren eines Piezo-Aktuators (1), der als Stellantrieb über ein erstes freies Ende (5) in einem Gehäuse (3) verankert ist und über ein zweites freies Ende (7) auf ein Schaltventil einwirkt, die ausgebildet ist zum – Beaufschlagen des Piezo-Aktuators (1) mit einem elektrischen Kalibrierpuls, der abhängig von mindestens einer Betriebsgröße (BG) ermittelt wird, und – Ermitteln einer während des Kalibrierpulses dem Piezo-Aktuator (1) zugeführten elektrischen Ladung (Q) und einer an diesem abfallenden elektrischen Spannung (U) und – Anpassen mindestens eines Ansteuerparameters (AP) zum Ansteuern des Piezo-Aktuators abhängig von der zugeführten elektrischen Ladung (Q), der abfallenden elektrischen Spannung (U), vorgegebener Steifigkeit der Verankerung und des Gehäuses und des Schaltventils, einer ermittelten Kleinsignal- und Großsignal-Kapazität (C^S, C^T) bezogen auf die an dem Piezo-Aktuator (1) abfallenden elektrischen Spannung (U) des Piezo-Aktuators (1) (1).