DE102007023547B3

DE102007023547B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer Irreversibilität einer Längenänderung eines Piezokristalls

Info

Publication number: DE102007023547B3
Application number: DE200710023547
Authority: DE
Inventors: Uwe Jung; Hong Dr. Zhang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2027-05-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Irreversibilität einer temperaturbedingten spannungslosen Längenänderung eines Piezokristalls durch Ermitteln eines Temperaturgradienten (DeltaT) in einer Umgebung des Piezokristalls bezogen auf eine vorgegebene Zeitdauer (tO), Vorgeben zumindest eines Vergleichs-Temperaturgradienten (DeltaTV) bezogen auf die vorgegebene Zeitdauer (tO); Vergleichen des ermittelten Temperaturgradienten (DeltaT) mit dem zumindest einen Vergleichs-Temperaturgradienten (DeltaTV) und Bestimmen, dass eine temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls irreversibel ist, sofern der ermittelte Temperaturgradient (DeltaT) kleiner als der zumindest eine Vergleichs-Temperaturgradient (DeltaTV) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Irreversibilität einer temperaturbedingten spannungslosen Längenänderung eines Piezokristalls. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Steuern der Funktion eines Piezokristalls.
Ein Piezokristall ist ein polarisierter Kristall, welcher bei Anlegen einer Spannung eine Längenänderung in mindestens einer räumlichen Dimension ausführt. Dieser unter dem Namen Piezoeffekt bekannte Prozess ist reversibel.
Es gibt eine Reihe von natürlichen monokristallinen Materialien wie beispielsweise Quarz, Minerale der Turmalingruppe oder Seignettesalz mit schwachen piezoelektrischen Eigenschaften. Darüber hinaus sind Piezokristalle aus polykristallinen ferroelektrischen Keramiken bekannt, deren piezoelektrische Eigenschaften ausgeprägter sind, sofern sie im polarisierten Zustand vorliegen. Die Polarisation der Piezokristalle kann jedoch durch zu hohe Temperaturen, zu hohen Druck oder ein zu hohes elektrisches Feld zerstört werden. Bei einer Erwärmung eines Piezokristalls auf eine Temperatur, welche noch unter der Curie-Temperatur liegt, wird die Gitterstruktur des Piezokristalls verzerrt, wodurch es zu einer temperaturbedingten spannungslosen Längenänderung des Piezokristalls kommt. Oberhalb der Curie-Temperatur weist der Piezokristall bekanntlich keine Piezoeigenschaften mehr auf.
Aus DE 101 36 513 B4 ist ein Verfahren zur berührungsfreien Messung von temperaturbedingten Längenänderungen bekannt, bei den temperaturbedingte Längenänderung eines Piezoaktors gemessen werden, wobei der Piezoaktor während der Messung elektrisch angesteuert wird.
Aus DE 199 28 176 A1 ist ein Piezoaktor bekannt, bei dem eine seitliche Kontaktierung der Elektroden über Außenelektroden erfolgt, wobei die äußeren elektrischen Anschlüsse für die seitliche Kontaktierung an einem inaktiven Endbereich im Lagenaufbau angebracht sind und der Endbereich einen Kern mit guter Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Aus DE 10 2004 030 606 B4 ist ein piezoelektrischer Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor bekannt, der eine hülsenförmige Gehäuseanordnung aufweist, an dessen Außenumfangsfläche wenigstens eine Aussparung vorgesehen ist, in welcher ein Schubteil aufgenommen ist, der zur Anpassung der thermischen Ausdehnung des Piezoaktors dient.
Aus DE 100 63 080 A1 ist ein Verfahren zur Einstellung eines vorgegebenen Hubs eines piezoelektrischen Aktors für einen Injektor bekannt, bei dem eine erste elektrische Zustandsgröße des Aktors eingestellt wird, die den Hub des Aktors bestimmt, wobei die erste elektrische Zustandsgröße in Abhängigkeit von der Temperatur des Aktors eingestellt wird, um temperaturbedingte Schwankungen des Aktorhubs zu vermeiden.
Aus DE 199 47 779 A1 ist ein piezoelektrischer Aktor für ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei dem zur Kompensation der Temperaturausdehnung des Piezoaktors mindestens ein Dämpfungsglied aus einem Feststoff vorgesehen ist.
Aus DE 199 50 762 A1 ist ein piezoelektrischer Aktor für ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei dem ein Betätigungskörper oder die Ventilnadel des Injektors über mindestens einen Verstemmaktor kraftschlüssig mit den Ventilaktor verbindbar ist.
Die EP 1 429 445 A2 beschreibt ein Verfahren zum Ansteuern eines piezoelektrischen Aktors. Wird bei diesem Verfahren festgestellt, dass der piezoelektrische Aktor aufgrund von äußeren Einflüssen, wie beispielsweise einer Temperatur oberhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur, eine Länge aufweist, die größer als eine gewünschte Länge des piezoelektrischen Aktors ist, so wird durch ein Ansteuern des piezoelektrischen Aktors mittels einer geeignet gewählten Spannung die gewünschte Länge des piezoelektrischen Aktors eingestellt.
Trotzdem kann mit diesem bekannten Verfahren und der Anordnung nicht gewährleistet werden, dass beim Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Motor mittels eines Einspritzventils stets die gewünschte Einspritzmenge eingehalten wird. Stattdessen ergibt sich beim Vergleich mehrerer Einspritzventile gleichen Typs eine mehr oder weniger große Abweichung bei der in den Motor eingespritzten Kraftstoffmenge. Aufgrund des zuviel oder zuwenig eingespritzten Kraftstoffs variiert auch die durch das Verbrennen des Kraftstoffs erzeugte mechanische Arbeit. Dies wirkt sich vor allem bei einem Motorstart und anschließendem Leerlauf nachteilig aus. Wird beispielsweise zuviel mechanische Arbeit durch das Verbrennen einer zu großen Kraftstoffmenge freigesetzt, so kann dies zu einem ruckartigen Anfahren des Fahrzeugs mit dem Verbrennungsmotor führen. Liegt die verbrannte Kraftstoffmenge jedoch unter einer vorgegebenen Mindestmenge, so wird zu wenig mechanische Arbeit freigesetzt und das Fahrzeug wird nicht auf die gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt. Weiterhin kann diese Mengenänderung zu einer geänderten Voreinspritzung führen, was sich negativ auf Geräusch- und Emissionsverhalten des Motors auswirkt.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine bessere und insbesondere verlässlichere Möglichkeit der Dosierung der in einen Verbrennungsmotor eingespritzten Kraftstoffmenge bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und/oder durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum Ermitteln einer Irreversibilität einer temperaturbedingten spannungslosen Längenänderung eines Piezokristalls durch Ermitteln eines Temperaturgradienten in einer Umgebung des Piezokristalls bezogen auf eine vorgegebene Zeitdauer; Vorgeben zumindest eines Vergleichs-Temperaturgradienten bezogen auf die vorgegebene Zeitdauer; Vergleichen des ermittelten Temperaturgradienten mit dem zumindest einen Vergleichs-Temperaturgradienten und Bestimmen, dass eine temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls irreversibel ist, sofern der ermittelte Temperaturgradient kleiner als der zumindest eine Vergleichs-Temperaturgradient ist.
Eine Vorrichtung zum Betreiben eines Piezokristalls mit einer Sensoreinrichtung, welche innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer mindestens zwei Temperaturen misst, mit einer Recheneinrichtung, welche anhand der gemessenen Temperaturen und der vorgegebenen Zeitdauer einen Temperaturgradienten bezogen auf die vorgegebene Zeitdauer ermittelt, und mit einer Vergleichseinrichtung, welche den ermittelten Temperaturgradienten mit mindestens einem Vergleichs-Temperaturgradient vergleicht und bestimmt, dass eine temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls irreversibel ist, sofern der ermittelte Temperaturgradient kleiner als der zumindest eine Vergleichs-Temperaturgradient ist.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine spannungslose Längenänderung eines Piezokristalls aufgrund einer Temperaturerhöhung des Piezokristalls nur dann reversibel ist, wenn der nachfolgende Abkühlvorgang langsam durchgeführt wird. Diese Reversibilität der temperaturbedingten spannungslosen Längenänderung des Piezokristalls ist damit u. a. eine Funktion der Abkühlgeschwindigkeit des Piezokristalls. Dies führt dazu, dass sich die Ausgangslänge eines Piezokristalls ohne angelegte Spannung in Folge einer Erwärmung des Piezokristalls und einer nachfolgenden schnellen Abkühlung des Piezokristalls verändern kann. Bei einem langsa men Abkühlen eines erwärmten und ausgedehnten Piezokristalls nimmt der Piezokristall seine ursprüngliche Länge wieder an. Wird hingegen der Abkühlvorgang an dem zuvor erwärmten und ausgedehnten Piezokristall sehr schnell durchgeführt, so ist die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung irreversibel und der Piezokristall nimmt eine neue spannungslose Ausgangslänge an, welche größer als die ursprüngliche Ausgangslänge des Piezokristalls ohne angelegte Spannung ist. Dies führt bei einem piezoelektrischen Aktor in einem Einspritzventil zu einer Änderung des aktuell vorliegenden Leerhubs, das heißt zur Veränderung des Abstands zwischen dem piezoelektrischen Aktor und einem Verstellelement des Einspritzventils. Diese Abweichung des aktuell vorliegenden Leerhubs von einem ursprünglichen Standard-Leerhub ist u. a. verantwortlich für die oben beschriebene Ungenauigkeit der Einspritzmenge des in den Verbrennungsmotor eingespritzten Kraftstoffs.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun vorteilhafterweise möglich, festzustellen, ob eine temperaturbedingte spannungslose Längenänderung eines Piezokristalls bedingt durch den Verlauf des nachfolgenden Abkühlvorgangs reversibel oder irreversibel ist. Damit ist es auch möglich, zu ermitteln, ob der Piezokristall nach der Erwärmung und dem anschließenden Abkühlvorgang wieder seine ursprüngliche Ausgangslänge eingenommen hat oder nicht. Diese Information über den aktuellen Zustand des Piezokristalls kann dazu genutzt werden, die gewünschte Einspritzmenge bei einem Einspritzen des Kraftstoffs in einen Verbrennungsmotor genauer einzuhalten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen in Zusammenschau mit den Zeichnungen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen Temperaturgradienten-Vergleich beschränkt, bei welchem der ermittelte Temperaturgradient und der Vergleichs-Temperaturgradient negative Werte sind. Der Temperaturgradient kann auch nach einer Formel berechnet werden, welche bei einem Abkühlvorgang einen positiven Temperaturgradient ergibt. In diesem Fall wird mindestens ein positiver Vergleichs-Temperaturgradient zum Vergleichen mit dem berechneten Temperaturgradient bereitgestellt. Eine irreversible Längenänderung wird dann erkannt, sofern der berechnete Temperaturgradient größer als der mindestens eine positive Vergleichs-Temperaturgradient ist.
Ebenso ist es möglich, den Betrag des berechneten Temperaturgradienten mit mindestens einem positiven Vergleichs-Temperaturgradienten, oder mit einem Betrag mindestens eines negativen Vergleichs-Temperaturgradienten, zu vergleichen. Die Irreversibilität der temperaturbedingten spannungslosen Längenänderung wird dann festgestellt, wenn der Betrag des ermittelten Temperaturgradienten größer als der mindestens eine positive Vergleichs-Temperaturgradient, oder größer als der mindestens eine Betrag eines negativen Vergleichs-Temperaturgradienten ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden eine Ausgangstemperatur TA und nach der vorgegebenen Zeitdauer t0 eine Endtemperatur TE ermittelt und dann der Temperaturgradient ΔT bezogen auf die vorgegebene Zeitdauer t0 nach der folgenden Gleichung berechnet:
Ein auf diese Weise ermittelter Temperaturgradient gibt wieder, ob sich bei dem Abkühlvorgang des Piezokristalls innerhalb einer bestimmten Zeitdauer eine relativ hohe Temperatur differenz eingestellt hat. Der berechnete Temperaturgradient eignet sich damit sehr gut für einen Vergleich mit dem mindestens einen vorgegebenen Vergleichs-Temperaturgradienten.
Vorzugsweise werden die Ausgangstemperatur und die Endtemperatur als Mittelwerte aus mindestens zwei gemessenen Temperaturen berechnet. Durch das Messen mehrerer Temperaturen und das Bestimmen der Ausgangstemperatur und der Endtemperatur als Mittelwerte der gemessenen Temperaturen können Abweichungen aufgrund von beim Messen der Temperaturen auftretenden Fehlern signifikant reduziert werden.
Vorteilhafterweise werden die mindestens zwei Temperaturen an verschiedenen Messpunkten in der Umgebung des Piezokristalls gemessen. Auf diese Weise kann die in der Umgebung des Piezokristalls herrschende mittlere Temperatur verlässlicher bestimmt werden.
Insbesondere können die mindestens zwei Temperaturen innerhalb einer Kraftstoffzufuhr, einer Luftzufuhr, eines Kühlwassersystems und/oder an einem Zylinderkopf eines Fahrzeugs gemessen werden. Diese Messpositionen gewährleisten ein verlässliches Bestimmen der mittleren Temperatur in der Umgebung eines fahrzeugeigenen Piezokristalls.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der zumindest eine Vergleichs-Temperaturgradient eine Funktion von der Ausgangstemperatur sein. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Piezokristalle mit unterschiedlichen Ausgangstemperaturen auf einen schnell durchgeführten Abkühlvorgang unterschiedlich reagieren. Bei einem nur leicht erwärmten Piezokristall ist die Gitterstruktur des Piezokristalls nur leicht verzerrt und kann sich deshalb relativ schnell wieder entsprechend der polarisierten Gitterstruktur ausrichten. Bei einem stark erwärmten Piezokristall ist die Depolarisation des Piezokristalls hingegen schon stark fortgeschritten. Es erfordert deshalb eine entsprechend längere Zeitdauer, bis die Gitterstruktur wieder in den polarisierten Grundzustand übergeht. Damit steigt mit der Ausgangstemperatur auch die Wahrscheinlichkeit, dass eine temperaturabhängige spannungslose Längenänderung des Piezokristalls irreversibel ist und der Piezokristall nach dem Abkühlvorgang nicht seine ursprüngliche spannungslose Ausganglänge einnimmt.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass mindestens ein erster und ein zweiter, kleinerer Vergleichs-Temperaturgradient und mindestens eine erste und eine zweite, größere Wahrscheinlichkeit vorgegeben werden. Durch den Vergleich des ermittelten Temperaturgradienten mit mehreren Vergleichs-Temperaturgradienten lässt sich genauer ermitteln, mit welcher Wahrscheinlichkeit die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls reversibel oder irreversibel ist.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird dann beispielsweise bestimmt, dass die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls mit mindestens der ersten Wahrscheinlichkeit irreversibel ist, sofern der ermittelte Temperaturgradient kleiner als der erste und größer als der zweite Vergleichs-Temperaturgradient ist, und, dass die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls mit mindestens der zweiten Wahrscheinlichkeit irreversibel ist, sofern der ermittelte Temperaturgradient kleiner als der erste und der zweite Vergleichs-Temperaturgradient ist. Damit lässt sich auch nach Abkühlvorgängen, nach denen nicht mit einer Wahrscheinlichkeit von 100% sicher davon ausgegangen werden kann, dass die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung reversibel oder irreversibel ist, zumindest ein Wahrscheinlichkeitswert bestimmen, nach welchem die Längenänderung irreversibel ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zum Bestimmen einer aktuellen Ausgangslänge eines Piezokristalls ohne angelegte Spannung nach einer temperaturbedingten spannungslosen Längenänderung des Piezokristalls durch Vorgeben einer ursprünglichen Ausgangslänge des Piezokristalls ohne angelegte Spannung, Bestimmen, ob die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls irreversibel ist, und Gleichsetzen der aktuellen Ausgangslänge mit der ursprünglichen Ausgangslänge des Piezokristalls ohne angelegte Spannung, sofern die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls reversibel ist. Auf diese Weise kann nach einer temperaturbedingten spannungslosen Längenänderung des Piezokristalls ermittelt werden, dass der Piezokristall noch seine ursprüngliche Ausgangslänge hat, sofern die Längenänderung reversibel ist.
In einer Weiterbildung dieses Verfahrens wird zusätzlich noch eine nach einer irreversiblen Längenänderung mögliche Ausgangslänge des Piezokristalls ohne angelegte Spannung vorgegeben. In diesem Fall kann die aktuelle Ausgangslänge mit der vorgegebenen möglichen Ausgangslänge des Piezokristalls ohne angelegte Spannung gleichgesetzt werden, sofern die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls irreversibel ist. Auf diese Weise ist es möglich, auch nach einer irreversiblen Längenänderung des Piezokristalls die aktuelle Ausgangslänge des Piezokristalls ohne angelegte Spannung neu festzulegen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden ein erster und ein zweiter, kleinerer Vergleichs-Temperaturgradient und eine erste und eine zweite, größere mögliche Ausgangslänge des Piezokristalls ohne angelegte Spannung vorgegeben. Damit berücksichtigt das Verfahren die Möglichkeit, dass ein Piezokristall nach einer irreversiblen Längenänderung aufgrund eines Abkühlvorgangs abhängig von dem Temperaturgradienten des Abkühlvorgangs eine unterschiedliche neue Ausgangslänge ohne angelegte Spannung aufweisen kann.
In einem anschließenden Verfahrensschritt wird dann beispielsweise die aktuelle Ausgangslänge mit der ersten möglichen Ausgangslänge gleichgesetzt, sofern der ermittelte Temperaturgradient kleiner als der erste und größer als der zweite Vergleichs-Temperaturgradient ist, und die aktuelle Ausgangslänge mit der zweiten möglichen Ausgangslänge gleichgesetzt, sofern der ermittelte Temperaturgradient kleiner als der erste und der zweite Vergleichs-Temperaturgradient ist. Dies gewährleistet ein noch genaueres Ermitteln der aktuellen Ausgangslänge nach einer irreversiblen Längenänderung des Piezokristalls ohne angelegte Spannung.
Die in den oberen Abschnitten beschriebenen Vorteile sind auch gewährleistet durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den entsprechenden Merkmalen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein Kraftstoff-Einspritzventil sein. Mithilfe eines derartigen Kraftstoff-Einspritzventils lässt sich gegenüber einem herkömmlichen Einspritzventil eine gewünschte Einspritzmenge genauer einhalten.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf zum Steuern einer Länge des Piezokristalls ausgehend von der aktuellen Ausgangslänge des Piezokristalls ohne angelegte Spannung durch das Anlegen einer Spannung. Aufgrund der genaueren Kenntnis der aktuellen Ausgangslänge ist es in diesem Fall möglich, eine gewünschte Länge des Piezokristalls genauer einzustellen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematisch dargestellten Piezokristall bei einer variierenden Umgebungstemperatur;
2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Irreversibilität einer temperaturbedingten spannungslosen Längenänderung eines Piezokristalls;
3 ein Koordinatensystem zum Berechnen eines Temperaturgradienten und zum Vergleichen des Temperaturgradienten mit bereitgestellten Vergleichs-Temperaturgradienten; und
4 eine schematisch dargestellte Vorrichtung zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors.
In allen Figuren sind gleiche physikalische Größen – sofern nicht anders angegeben – mit denselben Abkürzungen versehen worden.
Die 1a bis 1c zeigen einen schematisch wiedergegebenen Piezokristall 2, der im Laufe einer Zeitdauer t und t0 unterschiedlichen Umgebungstemperaturen TI, TA und TE ausgesetzt ist. Der Piezokristall 2 ist in einem Fahrzeug angeordnet und kann mittels einer an den Kontaktpunkten 4a und 4b angelegten Spannung in seiner Länge verändert werden. Während der Zeitdauer t und t0 liegt an den Kontaktpunkten 4a und 4b jedoch keine Spannung an.
1a zeigt den Piezokristall 2 in einer nicht wiedergegebenen Umgebung mit einer Temperatur TI. Der Piezokristall 2 weist bei der Umgebungstemperatur TI eine Länge L1 auf.
Während einer Zeitdauer t erhöht sich die Temperatur der Umgebung des Piezokristalls 2 von der Temperatur TI auf eine Ausgangstemperatur TA. Diese Erwärmung der Umgebung des Piezokristalls 2 ist darauf zurückzuführen, dass das Fahrzeug mit dem Piezokristalls 2 während der Zeitdauer t fährt. Wie beim Betrachten von 1b auffällt, weist der Piezokristall 2 nach der Zeitdauer t bei der Ausgangstemperatur TA eine Länge L2 auf, die deutlich über der Länge L1 liegt. Diese Längenausdehnung von der Länge L1 auf die Länge L2 ist auf die Erwärmung der Umgebung des Piezokristalls 2 von der Temperatur TI auf die Ausgangstemperatur TA zurückzuführen.
In einer anschließenden Zeitdauer t0, welche deutlich kürzer als die Zeitdauer t ist, befindet sich das Fahrzeug mit dem Piezokristall 2 bei abgestellten Motor im Stillstand. Während der Zeitdauer t0 kühlt sich die Umgebung des Piezokristalls 2 deshalb auf eine Endtemperatur TE ab, die ungefähr der Temperatur TI entspricht. Bei diesem relativ schnellen Abkühlvorgang nimmt der Piezokristall 2 trotz der relativ niedrigen Endtemperatur TE in seiner Umgebung nicht seine ursprüngliche Ausgangslänge L1 ein, sondern weist, wie in 1c zu erkennen ist, eine neue Ausgangslänge L3 auf, die größer als seine ursprüngliche Länge L1 ist. Am Piezokristall 2 hat somit eine irreversible Längenänderung stattgefunden.
2 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Ermitteln einer Irreversibilität einer temperaturbedingten spannungslosen Längenänderung eines Piezokristalls. Mithilfe des Verfahrens soll festgestellt werden, ob der Piezokristall, wie beispielsweise in den 1a bis 1c gezeigt, nach einer deutlichen Erwärmung und einem nachfolgenden, schnell abgelaufenen Abkühlvorgang eine veränderte Ausgangslänge ohne angelegte Spannung aufweist. Auch in dem Beispiel aus 2 ist der Piezokristall innerhalb eines Fahrzeugs angeordnet, was jedoch zum Durchführen des Verfahrens nicht notwendig ist.
In einem ersten Schritt S1 wird in einer Umgebung des Piezokristalls ein Temperaturgradient ΔT bezogen auf eine Zeitdau er t0 ermittelt. Dies kann beispielsweise durch die angegebenen Teilschritte S11 bis S13 erfolgen. Zuerst wird in Schritt 11 eine Ausgangstemperatur TA ermittelt. Diese Ausgangstemperatur TA kann beispielsweise ein Mittelwert von mehreren in der Umgebung des Piezokristalls gemessenen Temperaturen sein. Der Schritt S11 wird dabei vorzugsweise nach einem Abstellen des Motors ausgeführt.
Nach einer Zeitdauer t0 wird eine Endtemperatur TE auf analoge Weise in der Umgebung des Piezokristalls bestimmt (siehe Schritt S12). Vorzugsweise ist die Zeitdauer t0 eine Parkzeit, während der das Fahrzeug mit dem Piezokristall nicht gefahren wird. Der Schritt S12 wird dann nach kurz nach einem Erkennen einer Eingabe eines Fahrers des Fahrzeugs zum Starten des Motors durchgeführt.
In einem sofort nachfolgenden Schritt S13 wird anhand der Temperaturen TA und TE und der Zeitdauer t0 ein Temperaturgradient ΔT berechnet. In dem Beispiel aus der 2 wird der Temperaturgradient ΔT nach einer Formel berechnet, welche für einen Abkühlvorgang einen negativen Temperaturgradienten ΔT ergibt.
In der Regel wird schon vor dem Ermitteln des Temperaturgradienten ΔT ein Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV bereitgestellt (Schritt S2). Dieser Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV entspricht einem Temperaturgradienten ΔT für einen Abkühlvorgang welcher bei dem Piezokristall zu einer irreversible Längenänderung führt.
Anschließend wird in einem weiteren Schritt S3 der berechnete Temperaturgradient ΔT mit dem bereitgestellten Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV verglichen. Weist der berechnete, negative Temperaturgradient ΔT einen Wert oberhalb des nega tiven Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV auf, so wird dies so gewertet, dass die Längenänderung des Piezokristalls reversibel ist. Eine entsprechende Information wird in Schritt S4 ausgegeben. Die Information kann beispielsweise ein elektrisches Signal an eine Steuereinrichtung zum Steuern des Piezokristalls sein, welches der Steuereinrichtung mitteilt, dass der Piezokristall noch seine ursprüngliche Länge aufweist.
Ist der berechnete Temperaturgradient ΔT dahingegen kleiner als der bereitgestellte Vergleichs-Temperaturgradient ΔTV, so hat am Piezokristall während der Zeitdauer t0 ein relativ schneller Abkühlvorgang stattgefunden, welcher zu einer irreversiblen Längenänderung des Piezokristalls geführt hat. Der spannungslose Piezokristall weist deshalb, wie in 1c gezeigt, eine Ausgangslänge auf, die größer als seine ursprüngliche Ausgangslänge ist. In einem nachfolgenden Schritt S5 wird die ermittelte Information an die Steuereinrichtung ausgegeben. Die Steuereinrichtung berücksichtigt daraufhin während eines Startens des Motors, dass der Piezokristall eine neue, gegenüber seiner ursprünglichen Ausgangslänge größere Länge aufweist.
3 zeigt ein Koordinatensystem zum Berechnen eines Temperaturgradienten und zum Vergleichen des Temperaturgradienten mit bereitgestellten Vergleichs-Temperaturgradienten. Das Koordinatensystem weist als Abszisse eine Zeitachse für die Zeiten P1 und P2 zum Messen von Temperaturen auf. Zur Zeit 21 wird die Ausgangstemperatur TA in je einer Umgebung zweier Piezokristalle gemessen. Nach einer Zeitdauer t0 werden zur Zeit 22 die Endtemperaturen TE1 und TE2 beide in den Umgebungen der Piezokristalle gemessen. Dabei ist die Endtemperatur TE1 größer als die Endtemperatur TE2. Die Ordinate des Koordinatensystems gibt die Temperaturen TA, TE1 und TE2 wieder.
Die in das Koordinatensystem eingetragenen Temperaturen TA und TE1 lassen sich mittels einer Verbindungsgeraden 61 miteinander verbinden. Die Steigung der Verbindungsgerade 61 entspricht dem Temperaturgradienten ΔT1 für den Abkühlvorgang von der Ausgangstemperatur TA zur Endtemperatur TE1 während der Zeitdauer t0. Ebenso lässt sich aus der Steigung der Verbindungsgerade 62, welche von der Ausgangstemperatur TA zu der Endtemperatur TE2 verläuft, der Temperaturgradient ΔT2 des zugehörigen Abkühlvorgangs während der Zeitdauer t0 berechnen.
In das Koordinatensystem der 3 sind auch ausgehend von der Ausgangstemperatur TA Trennlinien 81 und 82 eingezeichnet, deren Steigungen den Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV1 und ΔTV2 entsprechen. Dabei ist der Vergleichs-Temperaturgradient ΔTV1 so gewählt, dass ein Abkühlvorgang mit einem Temperaturgradienten gleich dem Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV1 gerade noch mit einer Wahrscheinlichkeit von 100% reversibel ist. Der zweite Vergleichs-Temperaturgradient ΔTV2 gibt den kleinsten Temperaturgradienten wieder, ab welchem ein Abkühlvorgang zu 100% irreversibel ist.
Die Trennlinien 81 und 82 unterteilen die Fläche zwischen den Zeitpunkten 21 und 22 in drei Teilflächen A1, A2 und A3. Liegt eine Verbindungsgerade 61 oder 62 für einen berechneten Temperaturgradienten ΔT1 oder ΔT2 innerhalb der Teilfläche A1, so ist der Piezokristall innerhalb der Zeitdauer t0 nur um eine relativ geringe Temperaturdifferenz abgekühlt. Am Piezokristall hat deshalb keine irreversible Längenänderung stattgefunden. In dem Beispiel aus 3 folgt deshalb aus der zwischen der Ausgangstemperatur TA und der Endtemperatur TE1 gezogener Verbindungsgeraden 61, dass der zugehörige Ab kühlvorgang nicht mit einer irreversiblen Längenänderung des Piezokristalls verbunden ist.
Die zwischen der Ausgangstemperatur TA und der Endtemperatur TE2 gezogene Verbindungsgerade 62 liegt innerhalb der Teilfläche A3. Der zugehörige Temperaturgradient ΔT2 ist deshalb kleiner als die beiden Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV1 und ΔTV2. Für den Abkühlvorgang von der Ausgangstemperatur TA zur Endtemperatur TE2 mit der Verbindungsgeraden 62 innerhalb der Teilfläche A3 lässt sich damit ermitteln, dass am Piezokristall mit einer Wahrscheinlichkeit von 100% eine irreversible Längenänderung stattgefunden hat.
Für einen Abkühlvorgang mit einer Verbindungsgeraden, welche innerhalb der Teilfläche A2 liegt, lässt sich keine eindeutige Aussage bezüglich der Irreversibilität der Längenänderung treffen. Allerdings kann anhand des Abstands der Verbindungsgeraden zu den beiden Trennlinien 81 und 82 ermittelt werden, mit welcher Wahrscheinlichkeit eine irreversible Längenänderung nach dem Abkühlvorgang vorliegt.
In 4 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors 10 schematisch wiedergegeben. Dargestellt ist dabei der piezoelektrische Aktor 10 mit den beiden Kontaktpunkten 12a und 12b zum Anlegen einer Spannung. Ein Temperatursensor 14 ist so in der Umgebung des piezoelektrischen Aktors 10 angeordnet, dass er eine Kapazität C des piezoelektrischen Aktors 10 und die Temperaturen T1 und T2 innerhalb der Umgebung des piezoelektrischen Aktors messen kann. Der Temperatursensor 14 ist mit einer Signalleitung zum Weiterleiten einer bestimmten mittleren Temperatur TE und TA an eine Auswerteeinrichtung 16 gekoppelt. Die von dem Temperatursensor 14 bestimmten Temperaturen TA und TE werden auf diese Weise an eine Rechenein richtung 18 der Auswerteeinrichtung 16 bereitgestellt. Eine Speichereinrichtung 20 der Auswerteeinrichtung 16 empfängt nur die Ausgangstemperatur TA. Sowohl die Recheneinrichtung 18 als auch die Speichereinrichtung 20 sind mit je einer Signalleitung 22a und 22b an eine Vergleichseinrichtung 24 gekoppelt. Die Vergleichseinrichtung 24 ist über eine Signalleitung 26 mit einer Steuereinrichtung 28 zum Steuern des piezoelektrischen Aktors 10 verbunden. Nachfolgend wird die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben des piezoelektrischen Aktors 10 erläutert.
Der in 4 schematisch wiedergegebene piezoelektrische Aktor 10 kann mithilfe einer zwischen den Kontaktpunkten 12a und 12b angelegten Spannung in seiner Länge variiert werden. Durch das Verändern der Länge des piezoelektrischen Aktors 10 ist ein nicht dargestelltes Einspritzventil eines Fahrzeugs betätigbar. Ab einer bestimmten Länge des piezoelektrischen Aktors 10 wird das Einspritzventil geöffnet, so dass ein Kraftstoff aus einem Kraftstoffspeicher in einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs eingespritzt wird. Wird der piezoelektrische Aktor 10 nachfolgend in seiner Länge wieder reduziert, so schließt sich das Einspritzventil und die Kraftstoffzufuhr in den Verbrennungsmotor ist unterbunden.
Während einer Fahrt des Fahrzeugs kann sich die unmittelbare Umgebung des piezoelektrischen Aktors 10 stark erwärmen. Dadurch wird der piezoelektrische Aktor 10 temperaturbedingt und spannungslos ausgedehnt. Wird der piezoelektrische Aktor 10 anschließend innerhalb einer relativ kurzen Zeit auf eine deutlich niedrigere Temperatur abgekühlt, so ist diese temperaturbedingte spannungslose Ausdehnung zumindest teilweise irreversibel. Der piezoelektrische Aktor 10 nimmt in diesem Fall eine neue Ausgangslänge an, welche größer als die ursprüngliche Ausgangslänge des piezoelektrischen Aktors 10 oh ne angelegte Spannung ist.
Um die Irreversibilität einer temperaturbedingten spannungslosen Längenänderung des piezoelektrischen Aktors 10 nachzuweisen ist das Fahrzeug mit dem Temperatursensor 14 und der Auswerteeinrichtung 16 ausgestattet. Der Temperatursensor 14 ermittelt die temperaturabhängige Kapazität C des piezoelektrischen Aktors 10 und bestimmt anschließend anhand der Kapazität C die Temperatur des piezoelektrischen Aktors 10.
Zusätzlich misst der Temperatursensor 14 an verschiedenen Messpunkten innerhalb der Umgebung des piezoelektrischen Aktors 10 eine aktuelle Teilumgebungstemperatur T1 und T2. Eine Teilumgebungstemperatur T1 oder T2 kann beispielsweise eine Kraftstofftemperatur, eine Lufttemperatur, eine Kühlwassertemperatur oder eine Zylinderkopftemperatur sein. Der Temperatursensor 14 berechnet anschließend aus den gemessenen Teilumgebungstemperatur T1 und T2 einen Mittelwert. Werden die Teilumgebungstemperatur T1 und T2 vor einem Motorstillstand gemessen, so berechnet der Temperatursensor 14 den Mittelwert als Ausgangstemperatur TA vor einem Abkühlvorgang. Werden die Teilumgebungstemperatur T1 und T2 hingegen kurz vor einem bevorstehenden Motorstart erfasst, so berechnet der Temperatursensor 14 aus den Temperaturwerten eine Endtemperatur TE. Die Ausgangstemperatur TA und die Endtemperatur TE werden an die Auswerteeinrichtung 16 ausgegeben.
Der Temperatursensor 14 kann auch dazu ausgelegt sein, aus den ermittelten Temperaturwerten ein Modell für die temperaturbedingte Belastung des piezoelektrischen Aktors 10 zu erstellen. Aus den während eines Motorlaufs und einem Motorstillstand fortlaufend ermittelten und abgespeicherten Temperaturwerten wird dann eine Abkühlkurve modelliert, welche bei einem Motorstart abgespeichert vorliegt.
Die Auswerteeinrichtung 16 umfasst eine Recheneinrichtung 18, welche aus der Ausgangstemperatur TA und der Endtemperatur TE eine Differenz TE – TA bestimmt. Die Recheneinrichtung 18 ist auch dazu ausgelegt, die Zeitdauer t0 des noch vorliegenden Motorstillstands zu empfangen. Beispielsweise ist die Recheneinrichtung 18 dazu an einen Fahrzeugbus gekoppelt, an welchen die Zeitdauer t0 von einer zentralen Zeiterfassungseinrichtung bereitgestellt wird. Nach dem Empfang der Zeitdauer t0 berechnet die Recheneinrichtung 18 einen Temperaturgradienten ΔT als Quotienten der Temperaturdifferenz TE – TA und der Zeitdauer t0. Die Recheneinrichtung 18 gibt den berechneten Temperaturgradienten ΔT anschließend über die Signalleitung 22a an die Vergleichseinrichtung 24 aus.
Auf der Speichereinrichtung 20 sind mehrere Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV abgespeichert. Diese abgespeicherten Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV sind unterschiedlichen Wertebereichen für eine ermittelte Ausgangstemperatur TA zugeordnet. Wird eine ermittelte Ausgangstemperatur TA von dem Temperatursensor 14 an die Speichereinrichtung 20 ausgegeben, so bestimmt die Speichereinrichtung 20 den abgespeicherten Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV, welchem ein Temperaturwertebereich zugeordnet ist, innerhalb dem die aktuell ermittelte Ausgangstemperatur TA liegt. Der bestimmte Vergleichs-Temperaturgradient ΔTV wird anschließend über Signalleitung 22b an die Vergleichseinrichtung 24 ausgegeben.
Die Vergleichseinrichtung 24 vergleicht den von der Recheneinrichtung 18 berechneten Temperaturgradienten ΔT mit dem von der Speichereinrichtung 20 ausgewählten zugehörigen Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV. Ist der berechnete Temperaturgradient ΔT größer als der ausgewählte Vergleichs-Temperaturgradient ΔTV, so deutet dies darauf hin, dass der Abkühlprozess des piezoelektrischen Aktors während des Motorstillstands ausreichend langsam verlaufen ist und der piezoelektrische Aktor 10 wieder seine ursprüngliche Ausgangslänge eingenommen hat. Die Vergleichseinrichtung 24 gibt daraufhin ein entsprechendes Informationssignal über die Signalleitung 26 an eine Steuereinrichtung 28 aus.
Liegt der berechnete Temperaturgradient ΔT unter dem der Ausgangstemperatur TA zugeordneten Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV, so wird dies von der Vergleichseinrichtung 24 so gewertet, dass am piezoelektrischen Aktor 10 eine bezüglich der temperaturbedingten spannungslosen Längenänderung zu schnelle Abkühlung erfolgt ist. Dem piezoelektrischen Aktor 10 muss nun eine neue spannungslose Ausgangslänge zugeordnet werden, welche größer ist als die ursprüngliche Ausgangslänge des piezoelektrischen Aktors 10 ohne angelegte Spannung. Das von der Vergleichseinrichtung 24 an die Steuereinrichtung 28 ausgegebene Informationssignal enthält in diesem Fall eine entsprechende Information.
Die Steuereinrichtung 28 dient dazu, die Länge des piezoelektrischen Aktors mit Hilfe der an den Kontaktpunkten 12a und 12b angelegten Spannung zu steuern. Dazu empfängt die Steuereinrichtung 28 an einem nicht skizzierten Signaleingang ein Steuersignal, aus welchem hervorgeht, ob das dem piezoelektrischen Aktor 10 zugeordnete Kraftstoff-Einspritzventil geöffnet oder geschlossen werden soll. Nach einem Empfang eines derartigen Steuersignals bestimmt die Steuereinrichtung 28 mit Hilfe des bereitgestellten Informationssignals die aktuelle Ausgangslänge des piezoelektrischen Aktors 10 ohne eine an den Kontaktpunkten 12a und 12b angelegte Spannung. Die Steuereinrichtung 28 berechnet anschließend aus der aktuellen Ausgangslänge des piezoelektrischen Aktors den aktuellen Wert des Leerhubs, d. h. des Abstands zwischen dem piezoelektri schen Aktor 10 und einem in 4 nicht eingezeichneten Verstellelement des Einspritzventils. Die Steuereinrichtung 28 hat damit die Möglichkeit, einen exakteren Wert für die zum Öffnen des Einspritzventils notwendige Längenausdehnung des piezoelektrischen Aktors 10 zu berechnen. Diesen genau bestimmten Wert ordnet die Steuereinrichtung 28 dann einem Spannungswert zu, welcher an den Kontaktpunkten 12a und 12b angelegt wird.
Dadurch, dass die aktuelle Ausgangslänge des piezoelektrischen Aktors 10 der Steuereinrichtung 28 bekannt ist, kann die Steuereinrichtung 28 den piezoelektrischen Aktor 10 genauer ansteuern. Beispielsweise lässt sich somit die Öffnungszeitdauer, innerhalb welcher das Einspritzventil durch den piezoelektrischen Aktor 10 geöffnet ist und somit auch die in den Verbrennungsmotor eingespritzte Kraftstoffmenge genauer bestimmen. Dies führt zu einem genaueren Einhalten der gewünschten Einspritzmenge, zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs auf die tatsächlich notwendige Menge und zu einem verbesserten und gleichmäßigeren Startverhalten bei einem Motorstart.
In dem Beispiel aus 4 gibt die Speichereinrichtung 20 nur einen Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV, welcher der ermittelten Ausgangstemperatur TA zugeordnet werden kann, als elektrisches Signal 22 an die Vergleichseinrichtung 24 aus. In einer Weiterführung der vorliegenden Erfindung können auf der Speichereinrichtung 20 auch mehrere Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV abgespeichert sein, welcher einer ermittelten Ausgangstemperatur TA und einer gemessenen Zeitdauer t0 zugeordnet sind. Die Vergleichseinrichtung 24 vergleicht den berechneten Temperaturgradienten ΔT in diesem Fall mit einer Folge von Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV und ermittelt dabei die beiden aufeinanderfolgenden Ver gleichs-Temperaturgradienten ΔTV, zwischen denen der berechnete Temperaturgradient ΔT liegt. Beispielsweise ist dabei jeweils zwei aufeinanderfolgenden Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV der Folge eine mögliche Ausgangslänge des piezoelektrischen Aktors 10 zugeordnet. Die Vergleichseinrichtung 24 gibt daraufhin die ermittelte neue Ausgangslänge des piezoelektrischen Aktors 10 als Informationssignal an die Steuereinrichtung 28 aus. Ebenso ist es möglich, dass zwei aufeinanderfolgenden Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV der Folge ein Wahrscheinlichkeitswert zuordnet ist, welcher die Wahrscheinlichkeit wiedergibt, nach der die zuvor erfolgte temperaturbedingte spannungslose Längenausdehnung des piezoelektrischen Aktors während des anschließenden Abkühlvorgangs wieder aufgehoben wird und der piezoelektrische Aktor wieder seine ursprüngliche Ausgangslänge aufweist. Das Informationssignal kann in diesem Fall auch den ermittelten Wahrscheinlichkeitswert an die Steuereinrichtung 28 enthalten. Die Steuereinrichtung 28 ist dann dazu ausgelegt, die Wahrscheinlichkeitseinformation bezüglich einer an den Kontaktpunkten 12a und 12b anzulegenden Spannung auszuwerten.
In einer Ergänzung zur vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung 28 auch einen Signaleingang aufweisen, an welchem die mit Hilfe der Kapazität C des piezoelektrischen Aktors 10 ermittelte aktuelle Temperatur des piezoelektrischen Aktors 10 bereitgestellt wird. Die Steuereinrichtung 28 bestimmt dann, ob der piezoelektrische Aktor aufgrund seiner aktuellen Temperatur eine temperaturbedingte spannungslose Längenänderung aufweist oder inwieweit der piezoelektrische Aktor 10 aufgrund des Verhältnis zwischen der aktuellen Temperatur und der Curie-Temperatur Piezoeigenschaften aufweist. Die Steuereinrichtung 28 kann diese Information auch bezüglich einer an den Kontaktpunkten 12a und 12b anzulegenden Spannung auswerten. Anstelle der aktuellen Temperatur des piezoelektrischen Aktors 10 kann die Steuereinrichtung 28 auch eine bereitgestellte Endtemperatur TE diesbezüglich auswerten.
An einem weiteren Signaleingang der Steuereinrichtung 28 kann auch ein erfasster Raildruck bereitgestellt werden. Der Raildruck wirkt entgegen der Ausdehnungsrichtung des piezoelektrischen Aktors 10 auf das Verstellelement des Einspritzventils. Ein hoher Raildruck kann den piezoelektrischen Aktor 10 auf eine reduzierte Länge zusammendrücken. Ebenso kann ein hoher Raildruck während eines Motorstillstands dazu führen, dass der piezoelektrische Aktor während eines schnell verlaufenden Abkühlungsprozesses auf seine ursprüngliche spannungslose Ausgangslänge zusammengedrückt wird.
Die Recheneinrichtung 18 kann ebenfalls einen Signaleingang zur Bereitstellung eines ermittelten Raildrucks aufweisen. Die Recheneinrichtung 18 ist dann dazu ausgelegt, eine Größe zu bestimmen, in welche auch der bereitgestellte Raildruck eingeht.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Beispielsweise kann der Temperatursensor 14 zum Ermitteln einer Umgebungstemperatur eines Piezokristalls innerhalb einer kompakt ausgebildeten Vorrichtung zum Betreiben des Piezokristalls ausgebildet sein. Die Vorrichtung zum Betreiben des Piezokristalls kann dabei auch mit einer Steuereinrichtung ausgestattet sein, welche dazu dient, die an den Piezokristall angelegte Spannung zu steuern. Mit einer derartigen Vor richtung können auch mehrere Piezokristalle betrieben werden. Insbesondere kann die 3-dimensionale Ausdehnung eines jeden Piezokristalls mittels angelegter Spannungen durch die Vorrichtung variiert werden.
In 4 ist die Vergleichseinrichtung als Komparator schematisch wiedergegeben. Anstelle eines Komparators kann eine Vorrichtung zum Betreiben eines Piezokristalls auch mit einem Mikrocontroller ausgestattet sein. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn ein berechneter Temperaturgradient ΔT mit mehreren Vergleichs-Temperaturgradienten ΔTV verglichen werden soll. Vorteilhafterweise lässt sich dabei die Wahrscheinlichkeit für eine Irreversibilität einer Längenänderung sehr genau berechnen.
Das anhand der 4 dargestellte Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eines Piezokristalls bezieht sich auf einen piezoelektrischen Aktor für ein Einspritzventil. Viele Fahrzeuge weisen darüber hinaus Sensoreinrichtungen mit Piezokristallen auf. Beispielsweise sind an manchen Fahrzeugsitzen Piezosensoren angebracht, mit Hilfe derer eine aktuelle Sitzposition eines Fahrzeuginsassen zum Betreiben eines Airbags bestimmbar ist. Bei einem derartigen Piezosensor ist es wichtig, dass die aktuelle Ausgangslänge des Piezokristalls genau bekannt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eines Piezokristalls ist deshalb auch für einen derartigen Piezosensor vorteilhaft.

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Irreversibilität einer temperaturbedingten spannungslosen Längenänderung eines Piezokristalls (2, 10), mit den Schritten: Ermitteln eines Temperaturgradienten (ΔT) in einer Umgebung des Piezokristalls (2, 10) bezogen auf eine vorgegebene Zeitdauer (t0); Vorgeben zumindest eines Vergleichs-Temperaturgradienten (ΔTV) bezogen auf die vorgegebene Zeitdauer (t0); Vergleichen des ermittelten Temperaturgradienten (ΔT) mit dem zumindest einen Vergleichs-Temperaturgradienten (ΔTV) und Bestimmen, dass eine temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls (2, 10) irreversibel ist, sofern der ermittelte Temperaturgradient (ΔT) kleiner als der zumindest eine Vergleichs-Temperaturgradient (ΔTV) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Ausgangstemperatur (TA) und nach der vorgegebenen Zeitdauer (t0) eine Endtemperatur (TE) ermittelt werden und dann der Temperaturgradient (ΔT) bezogen auf die vorgegebene Zeitdauer (t0) nach der folgenden Gleichung berechnet wird:
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangstemperatur (TA) und die Endtemperatur (TE) als Mittelwerte aus mindestens zwei gemessenen Temperaturen (T1, T2) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Temperaturen (T1, T2) innerhalb einer Kraftstoffzufuhr, einer Luftzufuhr, eines Kühlwassersys tems und/oder an einem Zylinderkopf eines Fahrzeugs gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Vergleichs-Temperaturgradient (ΔTV) eine Funktion von der Ausgangstemperatur (TA) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster und ein zweiter, kleinerer Vergleichs-Temperaturgradient (ΔTV) und mindestens eine erste und eine zweite, größere Wahrscheinlichkeit vorgegeben werden, wobei bestimmt wird, dass die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls (2, 10) mit mindestens der ersten Wahrscheinlichkeit irreversibel ist, sofern der ermittelte Temperaturgradient (ΔT) kleiner als der erste und größer als der zweite Vergleichs-Temperaturgradient (ΔTV) ist, und dass die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls (2, 10) mit mindestens der zweiten Wahrscheinlichkeit irreversibel ist, sofern der ermittelte Temperaturgradient (ΔT) kleiner als der erste und der zweite Vergleichs-Temperaturgradient (ΔTV) ist.
Verfahren zum Bestimmen einer aktuellen Ausgangslänge eines Piezokristalls (2, 10) ohne angelegte Spannung nach einer temperaturbedingten spannungslosen Längenänderung des Piezokristalls (2, 10) mit den Schritten: – Vorgeben einer ursprünglichen Ausgangslänge (L1) des Piezokristalls (2, 10) ohne angelegte Spannung, – Bestimmen, ob die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls (2, 10) irreversibel ist unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und – Gleichsetzen der aktuellen Ausgangslänge mit der ursprünglichen Ausgangslänge (L1) des Piezokristalls (2, 10) ohne angelegte Spannung, sofern die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls (2, 10) reversibel ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine nach einer irreversiblen Längenänderung mögliche Ausgangslänge (L3) des Piezokristalls (2, 10) ohne angelegte Spannung vorgegeben wird, wobei die aktuelle Ausgangslänge mit der vorgegebenen möglichen Ausgangslänge (L3) des Piezokristalls (2, 10) ohne angelegte Spannung gleichgesetzt wird, sofern die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls (2, 10) irreversibel ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und ein zweiter, kleinerer Vergleichs-Temperaturgradient (ΔTV) und eine erste und eine zweite, größere mögliche Ausgangslänge (L3) des Piezokristalls (2, 10) ohne angelegte Spannung vorgegeben werden, wobei die aktuelle Ausgangslänge mit der ersten möglichen Ausgangslänge (L3) gleichgesetzt wird, sofern der ermittelte Temperaturgradient (ΔT) kleiner als der erste und größer als der zweite Vergleichs-Temperaturgradient (ΔTV) ist, und die aktuelle Ausgangslänge mit der zweiten möglichen Ausgangslänge (L3) gleichgesetzt wird, sofern der ermittelte Temperaturgradient (ΔT) kleiner als der erste und der zweite Vergleichs-Temperaturgradient (ΔTV) ist.
Vorrichtung zum Betreiben eines Piezokristalls (2, 10) mit einer Sensoreinrichtung (14), welche innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer (t0) mindestens zwei Temperaturen (TA, TE) misst, mit einer Recheneinrichtung (18), welche anhand der gemessenen Temperaturen (TA, TE) und der vorgegebenen Zeitdauer (t0) einen Temperaturgradienten (ΔT) bezogen auf die vorgegebene Zeitdauer (t0) ermittelt, und mit einer Vergleichseinrichtung (24), welche den ermittelten Temperaturgradienten (ΔT) mit mindestens einem Vergleichs-Temperaturgradient (ΔTV) vergleicht und bestimmt, dass eine temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezo kristalls (2, 10) irreversibel ist, sofern der ermittelte Temperaturgradient (ΔT) kleiner als der zumindest eine Vergleichs-Temperaturgradient (ΔTV) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (14) eine Ausgangstemperatur (TA) und nach der vorgegebenen Zeitdauer (t0) eine Endtemperatur (TE) misst und die Recheneinrichtung (18) den Temperaturgradienten (ΔT) nach der folgenden Formel berechnet:
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangstemperatur (TA) und die Endtemperatur (TE) als Mittelwerte aus den mindestens zwei gemessenen Temperaturen (T₁, T₂) durch die Sensoreinrichtung (14) oder die Recheneinrichtung (18) berechnet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch eine Speichereinrichtung (20), auf welcher bezogen auf die Zeitdauer (t0) mindestens zwei Vergleichs-Temperaturgradienten (ΔTV) abgespeichert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Vergleichs-Temperaturgradienten (ΔTV) unterschiedlichen Ausgangstemperaturen (TA) zugeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Speichereinrichtung (20) mindestens eine erste und eine zweite, größere Wahrscheinlichkeit abgespeichert sind, wobei die Speichereinrichtung dazu ausgelegt ist, die erste und die zweite Wahrscheinlichkeit zusammen mit einem ersten und einem zweiten Vergleichs-Temperaturgradienten an die Vergleichseinrichtung (24) auszugeben, wobei die Vergleichseinrichtung (24) bestimmt, dass die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls (2, 10) mit mindestens der ersten Wahrscheinlichkeit irreversibel ist, sofern der ermittelte Temperaturgradient (ΔT) kleiner als der erste und größer als der zweite Vergleichs-Temperaturgradient (ΔTV) ist, und dass die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls (2, 10) mit mindestens der zweiten Wahrscheinlichkeit irreversibel ist, sofern der ermittelte Temperaturgradient (ΔT) kleiner als der erste und der zweite Vergleichs-Temperaturgradient (ΔTV) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung (24) zum Ermitteln einer aktuellen Ausgangslänge des Piezokristalls ohne angelegte Spannung ausgelegt ist, wobei die Vergleichseinrichtung (24) die aktuelle Ausgangslänge mit einer vorgegebenen ursprünglichen Ausgangslänge (L1) gleichsetzt, sofern die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls (2, 10) reversibel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung (24) die aktuelle Ausgangslänge mit einer vorgegebenen, nach einer irreversiblen Längenänderung möglichen Ausgangslänge (L3) des Piezokristalls (2, 10) ohne angelegte Spannung gleichsetzt, sofern die temperaturbedingte spannungslose Längenänderung des Piezokristalls (2, 10) irreversibel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Speichereinrichtung (20) mindestens eine erste und eine zweite, größere mögliche Ausgangslänge (L3) des Piezokristalls (2, 10) ohne angelegte Spannung abgespeichert sind, wobei die Speichereinrichtung dazu ausgelegt ist, die erste und die zweite Ausgangslänge (L3) zusammen mit dem ersten und dem zweiten Vergleichs-Temperaturgradienten an die Vergleichseinrichtung (24) auszugeben, wobei die Vergleichseinrichtung (24) die aktuelle Ausgangslänge mit der ersten möglichen Ausgangslänge (L3) gleichsetzt, sofern der ermittelte Temperaturgradient (ΔT) kleiner als der erste und größer als der zweite Vergleichs-Temperaturgradient (ΔTV) ist, und die aktuelle Ausgangslänge mit der zweiten möglichen Ausgangslänge (L3) gleichsetzt, sofern der ermittelte Temperaturgradient (ΔT) kleiner als der erste und der zweite Vergleichs-Temperaturgradient (ΔTV) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuereinrichtung (28) aufweist zum Steuern einer Länge des Piezokristalls (2, 10) ausgehend von der aktuellen Ausgangslänge des Piezokristalls (2, 10) ohne angelegte Spannung durch das Anlegen einer Spannung.