DE102006011725B4 - Method and device for calibrating a piezo actuator - Google Patents

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Abstract

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 (CS, CT) 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.Method for calibrating a piezo actuator (1), which is anchored as an actuator via a first free end (5) in a housing (3) and acts via a second free end (7) on a switching valve, wherein the piezo actuator (1) is subjected to an electrical calibration pulse which is determined as a function of at least one operating variable (BG), and in which an electrical charge (Q) supplied to the piezo actuator (1) during the calibration pulse and an electrical voltage dropping therefrom ( U) is determined and dependent on the supplied electrical charge (Q), the falling electrical voltage (Q), predetermined stiffness of the anchor and the housing and the switching valve, a determined small signal and large signal capacity (CS, CT) based on a At the piezoelectric actuator (1) falling electrical voltage (U) of the piezo actuator at least one control parameter (AP) for driving the piezo actuator (1) is adjusted.

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.The invention relates to a method and a device for calibrating a piezo actuator. Such piezo actuators are increasingly used as actuators for metering devices, so in particular for injectors in the automotive sector. Piezo actuators are characterized by very short response times to electrical control signals. They are used as very fast switching stroke actuators. As part of their use as actuators for injection valves for motor vehicles, they enable extremely fast switching of the switching valve encompassed by the injection valve, thus enabling, for example, a plurality of injection operations during a working cycle of a cylinder of an internal combustion engine. They are preferably used for injection valves, which fuel is supplied under very high pressure and meter the fuel directly into the respective combustion chamber of the cylinder of the internal combustion engine. The pressures are in diesel applications, for example, up to 2000 bar. In this way, proper metering of fuel can be ensured to ensure that stringent emissions regulations can be met.

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.For a precise operation of the piezo actuators, it is desirable to know the pressure, temperature or other influences changing properties of the piezo actuator and to take into account in its control.

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.In common-rail systems of the newer generation z. B. a system pressure of the fluid during operation constantly on the piezo actuator. The piezo actuator poles in operation to this new load case, which can lead to changed properties of the piezo actuator.

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.From the DE 199 30 309 A1 For example, a method for controlling the injection quantity in a fuel injection valve with a piezoelectric element actuator is known. The voltage at the piezo element actuator is detected after its initial charging. The start of injection and the needle opening time of the injection valve are determined from the time profile of the voltage at the piezoelectric element actuator and the actual injection quantity is determined from the start of injection, the needle opening time and the activation duration. Optionally, the initial charge of the piezoelectric actuator and / or the drive time for tracking the injection quantity is changed to a predetermined value.

Aus der DE 19931233 A1 ist es bekannt, in Ansteuerpausen mittels Kleinsignalen, die keinen Hub eines kapazitiven Stellgliedes bewirken, eine Stellgliedkapazität zu ermitteln und abhängig von dieser eine proportionale Stellgliedtemperatur zu ermitteln und anschließend aus einem Kennfeld eine Energie zu ermitteln, die erforderlich ist, um einen gewünschten Stellgliedhub einzustellen.From the DE 19931233 A1 It is known to determine an actuator capacity in control pauses by means of small signals which cause no stroke of a capacitive actuator, and to determine a proportional actuator temperature depending on this and then to determine from a map, an energy that is required to set a desired Stellgliedhub.

Aus der DE 103 10 120 A1 ist es bezüglich eines Piezo-Aktuators eines Steuerventils einer Pumpe-Düse-Einheit bekannt, einen Piezostrom und eine Piezospannung zu erfassen und abhängig davon eine differentielle Piezokapazität zu ermitteln. Abhängig von der differentiellen Piezokapazität wird dann eine externe Last des Piezo-Aktuators ermittelt.From the DE 103 10 120 A1 It is known with respect to a piezo actuator of a control valve of a pump-nozzle unit to detect a piezoelectric current and a piezoelectric voltage and to determine depending on a differential piezoelectric capacitance. Depending on the differential piezo capacitance, an external load of the piezo actuator is then determined.

Aus der DE 10025579 A1 ist es bekannt zum Ansteuern eines kapazitiven Stellglieds in Ansteuerpausen des Stellglieds eine Kalibrierung des Ladungsmesszweiges oder des Spannungsmesszweiges zur Ermittlung von Korrekturfaktoren vorzunehmen, mit denen gemessene Werte von Ladung und Stellgliedspannung bei wenigstens dem nächsten folgenden Ansteuervorgang des Stellgliedes korrigiert werden.From the DE 10025579 A1 For controlling a capacitive actuator during actuation pauses of the actuator, it is known to carry out a calibration of the charge measuring branch or the voltage measuring branch to determine correction factors with which measured values of charge and actuator voltage are corrected in at least the next following activation process of the actuator.

Aus der DE 10063080 A1 ist es zum Einstellen eines vorgegebenen Hubs eines piezoelektrischen Aktuators bekannt, eine erste elektrische Zustandsgröße des Aktuators einzustellen, die den Hub bestimmt, wobei die erste elektrische Zustandsgröße in Abhängigkeit von der Temperatur des Aktors eingestellt wird, um temperaturbedingte Schwankungen des Aktorhubs zu vermeiden.From the DE 10063080 A1 For adjusting a given stroke of a piezoelectric actuator, it is known to set a first electrical state quantity of the actuator which determines the stroke, wherein the first electrical state quantity is adjusted as a function of the temperature of the actuator in order to avoid temperature-induced fluctuations of the actuator stroke.

Aus der DE 10149671 A1 ist es bekannt, zum Steuern eines Piezoantriebs eine anzulegende Sollspannung für eine gewünschte Auslenkung des Piezo-Aktuators mit Hilfe einer Auslenkungslinie des Piezo-Aktuators zu ermitteln. Ferner wird der Piezo-Aktuator mittels einer Stromquelle mit einem Strom gespeist. Die Spannung an dem Piezo-Aktuator wird bei dem Speisen des Piezo-Aktuators mit dem Strom aus der Stromquelle gemessen. Die gemessene Spannung wird mit der Sollspannung verglichen und beim Erreichen der Sollspannung wird die Speisung des Piezo-Aktuators mit dem Strom aus der Stromquelle abgeschaltet.From the DE 10149671 A1 It is known to determine a target voltage to be applied for a desired deflection of the piezoelectric actuator with the aid of a deflection line of the piezoelectric actuator for controlling a piezoelectric drive. Further, the piezo actuator is powered by a current source with a current. The voltage at the piezo actuator is measured when feeding the piezo actuator with the current from the current source. The measured voltage is compared with the setpoint voltage and when the setpoint voltage is reached, the supply of the piezoactuator with the current from the current source is switched off.

Aus der WO 2005/026516 A1 ist es bekannt, eine Ansteuerspannung eines piezoelektrischen Aktuators eines Kraftstoffinjektors in Abhängigkeit von dem Druck, mit dem eine Flüssigkeitsmenge beaufschlagt ist, zu variieren. Eine Drift der für einen vorgegebenen Hub des Schaltventils des Injektors benötigten Ansteuerspannung wird injektorindividuell durch Regelung der Differenz zwischen Abschaltspannungsschwelle und stationärer Endspannung auf einen für einen Arbeitspunkt vorgegebenen Sollwert geregelt.From the WO 2005/026516 A1 It is known to vary a drive voltage of a piezoelectric actuator of a fuel injector as a function of the pressure with which an amount of liquid is applied. A drift of the control voltage required for a given stroke of the switching valve of the injector is controlled injector-individually by controlling the difference between the cut-off voltage threshold and the stationary end voltage to a predetermined setpoint for an operating point.

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.The object of the invention is to provide a method and a device for calibrating a To provide piezo actuator that allows a precise calibration.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The object is solved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.

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 Piezo-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.The invention is characterized by a method for calibrating a piezo actuator and a corresponding device for calibrating a piezo actuator, which is anchored as an actuator via a first free end in a housing and acts via a second free end on a switching valve. The piezo actuator is subjected to an electrical calibration pulse, which is determined depending on at least one operating variable. During the calibration pulse, an electrical charge supplied to the piezoelectric actuator and an electrical voltage dropping across it are determined. Depending on the supplied electrical charge, the falling voltage, predetermined stiffness of the anchorage and the housing and predetermined stiffness of the switching valve, a determined small signal and large signal capacitance based on the voltage dropping on the piezoelectric actuator of the piezoelectric actuator is at least adapted a drive parameter for driving the piezo actuator. In this way, the individual behavior of the respective piezoelectric actuator can be determined with easily measurable variables or even indirect variables and thus a calibration can be carried out very precisely. This has the advantage that the piezo actuator can be controlled very precisely and in particular, if this is used for metering fluid, this can be very precisely metered even at very small quantities.

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.A small-signal capacitance is that which is determined when the piezo-actuator is acted upon with only a comparatively small electrical energy, in contrast to the case when the large-signal capacitance is determined, with correspondingly significantly more electrical energy being applied to the piezoactuator is supplied.

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.According to an advantageous embodiment of the invention, the at least one control parameter is adjusted in relation to the at least one operating variable. In this way, calibration can then be carried out at different values of the at least one operating variable with respect to the then or respectively then valid values of the operating variable with regard to the respective actuation parameter and thus enables a particularly precise operation of the piezoactuator over a very wide operating range become.

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.According to a further advantageous embodiment of the invention, the calibration is performed following a pole of the piezo actuator. In this way, on the one hand, the piezoelectric actuator can be poled, if it is already anchored in the housing and acts on the switching valve and in addition then the calibration can be performed very well, so from the beginning of a precise operation of the piezo actuator to enable.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.Embodiments of the invention are explained below with reference to the schematic drawings.

Es zeigen:Show it:

1 eine Zumessvorrichtung mit einem Piezo-Aktuator und eine zugeordnete Steuervorrichtung, 1 a metering device with a piezoelectric actuator and an associated control device,

2 ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Kalibrieren des Piezo-Aktuators. 2 a flow chart of a program for calibrating the piezo actuator.

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 nL an Piezoelementen. Die Anzahl nL 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.A metering device ( 1 ), which may in particular be an injection valve, has an actuator which acts as a piezo actuator 1 is trained. The piezo actuator 1 has a number n L of piezo elements. The number n L may be, for example, about 200. The piezo actuator 1 has a first free end 5 and a second free end 7 , The piezo actuator 1 is with his first free end 5 in a housing 3 anchored the metering device, this is preferably achieved by a corresponding welding of the piezo actuator 1 in the case 3 in the area of his first free end. In the area of his second free end 7 it is caused by a length of the piezo actuator 1 to a switching valve of the metering device. The switching valve comprises a pin 9 , a lever device 11 , which prefers the stroke of the piezo actuator 1 reverses. The switching valve further includes a nozzle needle 13 that with a nozzle spring 15 coupled, and a nozzle body 17 in which a seat 19 for the nozzle needle 13 is trained. The nozzle spring 15 is arranged so that it without the action of forces caused by the actuator, the nozzle needle into the nozzle needle 13 biased into its closed position, in which the nozzle needle 13 a fluid flow through an injection port 21 in derogation. Outside the closed position are the nozzle needle 13 the fluid flow through the injection port 21 free.

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 Csys zu berücksichtigen ist, der bestimmt wird durch das Schaltventil. Abhängig von demjenigen Teil der Systemsteifigkeit Csys, 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 Csys 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.The metering device further has a high pressure fluid supply via which the metering device in its mounted state is preferably hydraulically coupled to a fluid high pressure accumulator and through which the fluid to the injection port 21 can flow. Whether the nozzle needle 13 is in its closed position or located outside the closed position depends on a balance of forces of the forces acting on them, caused by the force of the nozzle spring 15 , the forces coupled to the nozzle needle via the pressure of the fluid and through the piezo actuator 1 force acting on them. Due to the essentially direct coupling of the piezo actuator 1 with the nozzle needle 13 An elongation of the piezoactuator affects a change in the second free end 7 in terms of its position relative to the local axial housing area directly from the position of the nozzle needle 13 , in which connection also that part of a system rigidity C sys , which is determined by the switching valve, has to be considered. Depending on the part of the system stiffness C sys caused by the anchoring of the piezo actuator 1 and the operatively thereafter lying part of the housing 3 is conditional, also affects the system stiffness C sys and possibly leads to a shift of the piezo actuator 1 with a corresponding application of force away from the region of the metering device in which the injection opening 21 is trained.

Die Systemsteifigkeit Csys 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 Csys kann somit vorab fest in einem Speicher einer Steuervorrichtung 25 gespeichert sein, die der Zumessvorrichtung zugeordnet ist.The system stiffness C sys can be determined in advance very precisely, since the stiffness of the corresponding components of the housing 3 , The anchoring, and the switching valve are very precisely beforehand determined. The system stiffness C sys can thus be fixed in advance in a memory of a control device 25 stored, which is associated with the metering device.

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.The control device preferably stores data and stores programs that are executed during the operation of the metering device. The control device is also used to calibrate the piezo actuator 1 and may also be used as a device for calibrating the piezo actuator 1 be designated.

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 Zumessvorrichtung 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.A program for calibrating the piezo actuator 1 is in a memory of the control device 25 is stored and is started at predetermined times during the operation of the metering device in a step S1. This may be the case, for example, after the respective expiration of a predetermined period of time, or it may be the case if predetermined operating variables assume predetermined values. This may also be the case if the piezo actuator 1 just been poled.

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.The control device is preferably associated with sensors that detect measured variables, such as a fluid pressure in the high-pressure accumulator or, for example, a temperature of the fluid. However, any further sensors can be provided which detect further measured variables. Operating variables include not only the measured variables but also derived from these variables.

In dem Schritt S1 werden gegebenenfalls Variablen initialisiert.If necessary, variables are initialized in step S1.

In einem Schritt S2 werden eine Kleinsignal-Kapazität CS und eine Großsignal-Kapazität CT des Piezo-Aktuators 1 ermittelt. Dazu wird der Piezo-Aktuator 1 beispielsweise mit einem Ansteuerpuls mit niedriger Höhe zum Ermitteln der Kleinsignal-Kapazität CS und mit einem Ansteuerpuls mit deutlich größerer Pulshöhe zum Ermitteln der Großsignal-Kapazität CT 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.In a step S2, a small-signal capacitance C S and a large-signal capacitance C T of the piezo actuator 1 determined. This is the piezo actuator 1 For example, with a drive pulse with low altitude for determining the small-signal capacitance C S and driven with a drive pulse with significantly greater pulse height for determining the large-signal capacitance C T. In this case, for example, an electrical voltage can be used as the drive parameter for the drive pulse, or else an electrical energy or also the pulse length can form a drive parameter.

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 CS beziehungsweise die Großsignal-Kapazität CT ermittelt werden.By integrating the electrical current supplied during the drive pulse and offsetting with the voltage dropping at the piezo actuator at the end of the pulse, it is then possible in each case on the premise that the geometric proportions of the piezoactuator 1 in principle known in advance, the small-signal capacitance C S and the large-signal capacitance C T are determined.

Abhängig von der Kleinsignal-Kapazität CS kann unter Berücksichtigung der Geometrie des Piezo-Aktuators 1 eine Kleinsignal-Dielektrizitätskonstante ε33 S ermittelt werden. Entsprechend kann abhängig von der Großsignal-Kapazität CT eine Großsignal-Dielektrizitätskonstante ε33 T ermittelt werden.Depending on the small-signal capacitance C S , taking into account the geometry of the piezo actuator 1 a small-signal dielectric constant ε 33 S can be determined. Accordingly, depending on the large-signal capacitance C T, a large-signal dielectric constant ε 33 T can be determined.

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.In a step S3, the piezo actuator 1 subjected to an electrical calibration pulse. This occurs within a period of time within which no metering of fluid through the injection opening is provided. The duration and / or the height of the calibration pulse is preferably determined as a function of at least one operating variable in such a way that it can be ensured that the application of the piezoelectric actuator causes it to be ensured 1 with the electrical calibration pulse reliably the nozzle needle 13 not moved away from its closed position. For this purpose, for example, one or more characteristic maps may be stored in the memory of the control device, as a function of the at least one operating variable, which is preferably the fluid pressure in the high-pressure accumulator. The maps can be determined by experiments or simulations with the metering device and then stored in the memory. By appropriate map interpolation then simply the respective parameter or the respective parameter combination of the calibration pulse, so for example its height and / or duration can be determined from the map. The electrical calibration pulse, for example, be an electrical voltage applied to the piezo actuator, but it can also represent, for example, an electrical energy or power or charge, with which the piezo actuator is acted upon. For generating the calibration pulse and also the drive pulse, the control device 25 provided with a corresponding output stage.

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.While the piezo actuator 1 is applied to the electrical calibration pulse, which is applied to the piezo actuator 1 falling voltage U detected or detected and the piezo actuator 1 supplied power is integrated and thus the the piezo actuator 1 supplied charge Q determined.

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, nL die Anzahl der Piezoelemente, die der Piezo-Aktuator 1 umfasst.In a step S4, the equation system specified in step S4 is then solved from the equations F1 to F5. This is done in a manner known to the skilled artisan in this context. k 33 denotes a coupling factor of the piezo actuator 1 , Δl denotes a piezo elongation caused by the calibration pulse. S 33 E denotes an elastic compliance of the piezo actuator 1 , d 33 denotes a piezo module of the piezo actuator 1 , F denotes the on the piezo actuator 1 acting piezo force F, l the length of the piezo actuator, which is much longer than the piezo elongation .DELTA.l. A denotes the cross section of the piezo actuator 1 , n L is the number of piezo elements that the piezo actuator 1 includes.

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.The unknown quantities when solving the equation system are thus the coupling factor k 33 , the piezo elongation Δl, the elastic compliance S 33 E , the piezo module d 33 and the piezo force F. These quantities can be determined by solving the equation system from the equations F1 to F5.

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 Ansteuerpulses sein zum Ansteuern der Zumessvorrichtung zum Zumessen von Fluid durch die Einspritzöffnung 21.In a step S5, the drive parameter for controlling the piezoactuator is subsequently adjusted as a function of the elastic compliance S 33 E and / or the piezo module d 33 , preferably with respect to the values of the at least valid ones in step S3 when the electrical calibration pulse is performed a company size BG. During operation of the piezoactuator, the respective actuation parameter is then determined either as a function of the operating variable BG and no longer with renewed consideration of the elastic compliance S 33 E and of the piezo module d 33 , if a corresponding assignment specification in step S 5 is taken into account, taking into account the elastic compliance S 33 E and / or the piezo module d 33 has already been adapted. Alternatively, however, the control parameter AP can also be determined depending on the elastic compliance S 33 E and / or the piezo module d 33 and / or the at least one operating variable BG during further operation of the metering device. The drive parameter may be, for example, the level and / or duration of a drive pulse for actuating the metering device for metering fluid through the injection opening 21 ,

In einem Schritt S6 wird das Programm dann beendet.In a step S6, the program is then terminated.

Claims (4)

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 (CS, CT) 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.Method for calibrating a piezo actuator ( 1 ), which as an actuator via a first free end ( 5 ) in a housing ( 3 ) and a second free end ( 7 ) acts on a switching valve, in which the piezo actuator ( 1 ) is acted upon by an electrical calibration pulse, which is determined as a function of at least one operating variable (BG), and in which during the calibration pulse a the piezo actuator ( 1 supplied electric charge (Q) and a voltage dropping across this (U) is determined and depending on the supplied electrical charge (Q), the falling voltage (Q), predetermined stiffness of the anchorage and the housing and the switching valve, a determined small-signal and large-signal capacitance (C S , C T ) relative to a on the piezo actuator ( 1 ) falling electrical voltage (U) of the piezo actuator at least one control parameter (AP) for driving the piezo actuator ( 1 ) is adjusted. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine Ansteuerparameter (AP) bezogen auf die mindestens eine Betriebsgröße (BG) angepasst wird.Method according to Claim 1, in which the at least one activation parameter (AP) is adjusted with reference to the at least one operating variable (BG). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem im Anschluss an ein Polen des Piezo-Aktuators (1) das Kalibrieren durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, in which, following a pole of the piezo actuator ( 1 ) the calibration is performed. 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 (CS, CT) bezogen auf die an dem Piezo-Aktuator (1) abfallenden elektrischen Spannung (U) des Piezo-Aktuators (1) (1).Device for calibrating a piezo actuator ( 1 ), which as an actuator via a first free end ( 5 ) in a housing ( 3 ) and a second free end ( 7 ) acts on a switching valve which is designed to - act on the piezo actuator ( 1 ) with an electrical calibration pulse, which is determined as a function of at least one operating variable (BG), and - determining a during the calibration pulse the piezo actuator ( 1 ) supplied electrical charge (Q) and a voltage dropping at this (U) and - adjusting at least one Ansteuerparameters (AP) for driving the piezoelectric actuator depending on the supplied electrical charge (Q), the falling voltage (U), predetermined stiffness of the anchorage and the housing and the switching valve, a determined small signal and large signal capacity (C S , C T ) based on the on the piezo actuator ( 1 ) falling electrical voltage (U) of the piezo actuator ( 1 ) ( 1 ).
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