DE102011007359A1

DE102011007359A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Piezoaktors

Info

Publication number: DE102011007359A1
Application number: DE102011007359A
Authority: DE
Inventors: Guido Porten; Jan-Mathias Meng
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2031-04-15
Also published as: JP2014519298A; CN103492695A; WO2012139851A1; US20140125257A1; US9438137B2; EP2697495A1; KR20140024319A; DE102011007359B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Piezoaktors (12), der mittels eines Ansteuersignals betätigbar ist. Der Piezoaktor ist in einer passiven und in einer aktiven Betriebsart betreibbar. Der Piezoaktor (12) wird ohne funktionsgemäße Betätigungsanforderung betätigt, sofern sich der Piezoaktor (12) in einer passiven Betriebsart befindet.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Betreiben eines Piezoaktors. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Betreiben eines Piezoaktors. Die Erfindung betrifft schließlich eine Verbrennungskraftmaschine mit einer derartigen Vorrichtung.
Stand der Technik
Für Piezoaktoren gibt es zahlreiche technische Anwendungen, wie bspw. als Piezoaktor zum Steuern der Position von Ventilnadeln von Einspritzventilen in Kraftstoffeinspritzsystemen. Die Grundkörper bekannter Piezoaktoren werden durch eine Piezokeramik gebildet, die sich aufgrund des piezoelektrischen Effekts beim Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. Aufbringung einer Ladung ausdehnt.
Ein Problem beim Einsatz von Piezokeramiken lag bisher darin, dass Piezokeramiken eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen aufweisen. In der Praxis beeinflussen häufige Temperaturwechsel an Piezoaktoren deren Wirkungsfähigkeit dahingehend, dass mit der Zeit der Aktorhub verringert wird. Eine Verringerung des Aktorhubes wirkt sich beim Einsatz des Piezoaktors in Einspritzventilen in einer Verschiebung des Schließ- und Öffnungszeitpunkts der Ventilnadel und damit letztlich in einer fehlerhaften Einspritzmenge aus.
Die DE 10 2004 018 211 A1 beschreibt einen Piezoaktor, der ein Ventilelement einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung betätigt. Es wird geprüft, ob der Wunsch des Anlassens der Verbrennungskraftmaschine besteht und bei positivem Prüfungsergebnis eine Polarisierung des Piezoaktors angefordert.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Piezoaktors bereitzustellen, wodurch eine mit geringem apparativen Aufwand praktikable Lösung zur Erhöhung der Robustheit und zur Verlängerung der Lebensdauer von Piezoaktoren geschaffen wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Das Verfahren dient dem Betreiben eines Piezoaktors, der mittels eines Ansteuersignals, insbesondere einer Ansteuerspannung betätigbar ist. Das Ansteuersignal kann auch ein elektrischer Ansteuerstrom oder eine elektrische Ansteuerladung sein. Der Piezoaktor ist in einer passiven und in einer aktiven Betriebsart betreibbar. Dabei wird der Piezoaktor betätigt, sofern er sich in einer passiven Betriebsart befindet. Das heißt mit anderen Worten, dass der Piezoaktor allein zu dem Zweck betätigt wird, um die oben beschriebenen, in einer passiven Betriebsart des Piezoaktors auftretenden nachteiligen Effekte zu unterbinden. Im Wortlaut dieser Anmeldung ist unter dem Begriff ”passive Betriebsart des Piezoaktors” eine Betriebsart des Piezoaktors zu verstehen, in der sich der Piezoaktor in einem Ruhezustand befindet, also die funktionsmäßige Betätigung nicht angefordert wird (das heißt, es liegt kein Ansteuersignal am Piezoaktor an oder aber es liegt ein konstantes Ansteuersignal am Piezoaktor an). Entsprechend ist im Wortlaut dieser Anmeldung unter dem Begriff „aktive Betriebsart des Piezoaktors” eine Betriebsart des Piezoaktors zu verstehen, in der der Piezoaktor funktionsgemäß betätigt wird.
Bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Piezoaktor betätigt, sofern sich der Piezoaktor für eine vorbestimmte Zeitdauer in der passiven Betriebsart befindet. Damit kann die maximale Dauer einer Passiv-Betriebs-Phase begrenzt werden, um so die Zeit, in der die zuvor beschriebenen nachteiligen Effekte auftreten, möglichst gering zu halten.
Um bei passivem Betrieb der Piezoeinspritzventile deren Hubfähigkeit über Alterung und Laufzeit sicherzustellen, wird bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Temperatur im Bereich des Piezoaktors ermittelt und eine Änderung der ermittelten Temperatur bestimmt. Dabei wird der Piezoaktor durch das Ansteuersignal betätigt, sofern die Temperaturänderung einen vordefinierten Wert überschreitet.
Die Temperatur ist eine messtechnisch relativ leicht und genau erfassbare Größe, weshalb die Temperatur bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemessen wird.
Bei einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur anhand eines Modells berechnet. Die modellbasierte Berechnung hat den Vorteil, dass Messwerte von Sensoren verwendet werden können, die ohnehin bereits im Fahrzeug vorhanden sind.
Da sich die Temperaturwechselbeanspruchung gerade in der passiven Betriebsart (auch als „Passivbetrieb” bezeichnet) besonders nachteilig auf die Eigenschaften der Piezokeramik auswirkt, wird bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens regelmäßig geprüft, ob sich der Piezoaktor in der passiven Betriebsart befindet.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der vordefinierte Wert durch eine Temperaturdifferenz gebildet. Die Temperaturdifferenz zwischen einem ersten Wert der Temperatur zu einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Wert der Temperatur zu einem zweiten Zeitpunkt ist ein messtechnisch leicht ermittelbares Maß für die thermische Beanspruchung des Piezoaktors.
Bei einer Änderung des Temperaturverlaufs im Bereich des Piezoaktors tritt eine zur Temperaturänderungsgeschwindigkeit proportionale thermische Beanspruchung des Piezoaktors auf, die bei längerem Einsatz des Piezoaktors in Einspritzventilen – wie oben beschrieben – zu unannehmbaren Ungenauigkeiten in der Einspritzmenge führt. Deshalb ist der vordefinierte Wert bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens durch eine Temperaturänderungsgeschwindigkeit (definiert z. B. als zeitliche Ableitung der Temperatur) gebildet.
Bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Piezoaktor betätigt, sofern ein oder mehrere Temperaturwechsel erfasst wird oder werden. Dadurch wird ein Verlust des Hubvermögens über die Laufzeit des Piezoaktors verhindert oder wenigstens verringert.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Betreiben eines Piezoaktors, der mittels eines Ansteuersignals betätigbar ist, mit Mitteln zum Erfassen, ob der Piezoaktor in einer aktiven oder einer passiven Betriebsart betrieben wird, und mit einer Steuereinrichtung (24), die dazu ausgebildet ist, den Piezoaktor (12) mittels des Ansteuersignals zu betätigen, sofern sich der Piezoaktor im passiven Betrieb befindet.
Hinsichtlich der Vorteile der Vorrichtung wird auf das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren hingewiesen, das mittels der Vorrichtung durchgeführt werden kann, wobei sich die vorab beschriebenen Vorteile ergeben. Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch entsprechend auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zutreffen bzw. anwendbar sind.
Ein mit der Erfindung hauptsächlich erzielter Vorteil besteht dann, dass sie eine wirksame Maßnahme aufzeigt, einer drohenden Verringerung der Lebensdauer des Piezoaktors vorzubeugen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Einspritzventils; und
2 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer beispielhaften Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Einspritzventils 10. Dabei sind in stark schematisierter Darstellung die für die Ausführung der Erfindung wesentlichen Komponenten des Einspritzventils 10 dargestellt. Ein innerhalb einer Verbrennungskraftmaschine angeordneter Piezoaktor 12 ist zum Steuern der Position einer Ventilnadel 18 des Einspritzventils 10 in einem Kraftstoffeinspritzsystem ausgebildet. Der Piezoaktor 12 wirkt in angesteuertem Zustand indirekt über ein zwischen dem Piezoaktor 12 und der Düse 14 angeordnetes Ventilelement 16 auf die Ventilnadel 18. Es ist selbstverständlich auch denkbar, dass die Ventilnadel 18 direkt von Piezoaktor 12 betätigt wird. Der Piezoaktor 12 wird von einem Signal angesteuert, das ein elektrisches Stromsignal, ein elektrisches Spannungssignal oder ein elektrisches Ladungssignal sein kann.
Die Anordnung 10 weist ferner eine Temperaturermittlungseinrichtung 22 auf, mit der eine Temperatur am Piezoaktor 12 über ein Modell ermittelt wird.
Eine Auswerte/Steuer-Einrichtung 24 prüft, ob eine Änderung der von der Temperaturermittlungseinrichtung 22 ermittelten Temperatur am Piezoaktor 12 innerhalb eines Sollwertebereiches liegt bzw. einen vordefinierten Sollwert überschreitet. Die Auswerte/Steuer-Einrichtung 24 ist darüber hinaus fähig, unterschiedliche Betriebsarten des Piezoaktors 12 zu erkennen. Hierzu werden Daten, die den gegenwärtigen Betriebszustand des Piezoaktors 12 betreffen, über eine Datenleitung 26 an die Auswerte/Steuer-Einrichtung 24 übertragen und von dieser zur Ermittlung der gegenwärtigen Betriebsart ausgewertet. Die Auswerte/Steuer-Einrichtung 24 ist insbesondere fähig, durch die Auswertung der Daten einen Passivbetrieb des Piezoaktors 12 zu erkennen.
Der Piezoaktor 12 kann in einer aktiven Betriebsart und in einer passiven Betriebsart betrieben werden. Die aktive Betriebsart ist dabei eine Betriebsart, in der der Piezoaktor regelmäßig oder dauerhaft funktionsgemäß betätigt wird. Die passive Betriebsart ist dabei eine Betriebsart, in der der Piezoaktor sich in einem Ruhezustand befindet, in dem keine funktionsgemäße Betätigung angefordert wird. In diesem Zustand wird der Piezoaktor demnach nicht betätigt und nicht bewegt. Aufgrund einer Reihe von möglichen Temperatureinflüssen kann es insbesondere, wenn der Piezoaktor in der passiven Betriebsart betrieben wird, zum Verlust an Hubvermögen kommen. Solche Temperatureinflüsse können sein: Ein übermäßig hoher Temperaturwert, der über einem kritischen Temperaturwert liegt, eine Temperaturänderung, ein einmaliger Temperaturwechsel, oder eine Anzahl von Temperaturzyklen bzw. Temperaturwechseln.
Bei Brennkraftmaschinen mit einer dualen Kraftstoffeinspritzvorrichtung, bei dem die Direkteinspritzung in den Brennraum mit einem ersten Einspritzventil mit vergleichsweise hohem Druck und eine Saugrohreinspritzung in den Luftansaugkanal mit einem zweiten Einspritzventil mit verhältnismäßig geringem Druck erfolgt, können die Vorteile beider Einspritzarten durch einen entsprechenden Betriebsartenwechsel genutzt werden.
Der Piezoaktor 12 zeigt generell die mechanische Eigenschaft, bei passiver Temperaturwechselbeanspruchung an Hubvermögen zu verlieren. Bei Verbrennungskraftmaschinen mit wahlweisem Betrieb mit flüssigem Kraftstoff und Gas, insbesondere Autogas oder Erdgas, kann das zuvor genannte Problem im reinen Gasbetrieb bzw. im Betrieb über Saugrohreinspritzung der Verbrennungskraftmaschine auftreten. Deshalb erfolgt eine Betätigung des Piezoaktors 12 in einem derartigen passiven Betrieb z. B. regelmäßig oder unter vorbestimmten Bedingungen. Diese Betätigung erfolgt ohne funktionsgemäße Betätigungsanforderung lediglich, um die oben genannten Nachteile zu verhindern. Eine vorbestimmte Bedingung kann zum Beispiel in einer bestimmten Anzahl Temperaturzyklen bzw. Temperaturwechseln bestehen. Der Piezoaktor 12 kann auch nach einer vorbestimmten Zeit ohne Berücksichtigung oder Temperatur betätigt werden
Hierzu ist die Auswerte/Steuer-Einrichtung 24 ausgebildet, um den Piezoaktor 12 anzusteuern und zu betätigen, sofern ein Passivbetrieb des Piezoaktors 12 erkannt ist und zugleich die Temperaturänderung vom Sollwertebereich abweicht bzw. den vordefinierten Sollwert überschreitet oder eine vordefinierte Zeit verstrichen ist. Zur Ansteuerung des Piezoaktors 12 wird ein elektrischer Strom 20, dessen zeitlicher Verlauf ein definiertes Profil aufweist, durch den Piezoaktor 12 geleitet. Durch das Bestromen wird eine Ausdehnung des Piezoaktors 12 verändert und dadurch das Ventilelement 16 und letztlich auch die Ventilnadel 18 betätigt.
Durch das Betätigen der Ventilnadel 18 entstehen Druckunterschiede zwischen einem Sitz der Ventilnadel 18 und dem oberen Teil der Ventilnadel 18, die das Öffnen der Ventilnadel 18 zur Folge haben. Dadurch kann im passiven Betrieb eine Veränderung des Hubvermögens verhindert werden.
2 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Piezoaktors 12. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einem Startschritt 28 gestartet. Nach dem Start wird zunächst in einem Betriebsartprüfungsschritt 30 geprüft, ob sich der Piezoaktor 12 in einem Passivbetrieb befindet. Bei negativem Prüfungsergebnis im Betriebsartprüfungsschritt 30 (d. h. der Piezoaktor 12 befindet sich nicht im Passivbetrieb) wird das Verfahren im Beendigungsschritt 32 beendet.
Bei einem positiven Prüfungsergebnis des Betriebsartprüfungsschritts 30, das heißt, wenn festgestellt wurde, dass sich der Piezoaktor 12 im Passivbetrieb befindet, geht das Verfahren zum Temperaturänderungsprüfungsschritt 34 über. Im Temperaturänderungsprüfungsschritt 34 wird geprüft, ob eine Temperaturänderung am Piezoaktor 12 innerhalb eines vorbestimmten Sollbereichs liegt bzw. ob die Temperaturänderung einen vordefinierten Sollwert überschreitet.
Bei dem Sollwert kann es sich um eine Temperaturdifferenz delta T = T1 – T2 handeln. Dabei sind T1 und T2 zwei Temperaturwerte, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt wurden. Der sinnvolle zeitliche Abstand zwischen beiden Messungen hängt von den Begleitumständen, wie der absoluten Temperatur oder dem Profil des zeitlichen Verlaufs der Temperatur ab, und ist vom Fachmann so zu wählen, dass aussagekräftige Ergebnisse erzielt werden.
Bei dem Sollwert kann es sich auch um eine Temperaturänderungsgeschwindigkeit (dT/dt = zeitliche Ableitung der Temperatur) handeln. Bei dem Temperaturänderungsprüfungsschritt 34 kann ferner geprüft werden, ob ein Temperaturwechsel oder eine vordefinierte Anzahl von Temperaturwechseln erfasst wurden.
Bei negativem Prüfungsergebnis im Temperaturänderungsprüfungsschritt 34 wird die Prüfung der Temperaturänderung periodisch so lange wiederholt, bis die Temperaturänderung vom Sollwertebereich abweicht bzw. den Sollwert überschreitet oder ein Temperaturwechsel bzw. eine vorbestimmte Anzahl von Temperaturwechseln vorliegt. Bei positivem Prüfungsergebnis im Temperaturänderungsprüfungsschritt 34 wird das Verfahren mit dem Ansteuerungsschritt 36 fortgesetzt. Im Ansteuerungsschritt 36 erfolgt eine Ansteuerung des Piezoaktors 12. Die Ansteuerung des Piezoaktors 12 kann zusätzlich zu primärer Kraftstoffeinspritzung (Aufteilung des Kraftstoffs eines Zylinders) oder als Ersatz zu primärer Kraftstoffeinspritzung erfolgen.
Obwohl die Erfindung oben am Beispiel eines Piezoaktors in einem Einspritzventil beschrieben wurde, ist sie keineswegs auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt. Sondern die Erfindung ist vielmehr grundsätzlich auf alle Piezoaktorangesteuerte Stellglieder anwendbar, wie zum Beispiel auf einen Piezoaktor für die Nockenwellenhubverstellung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004018211 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Piezoaktors (12), der mittels eines Ansteuersignals betätigbar ist, wobei der Piezoaktor (12) in einer aktiven und in einer passiven Betriebsart betreibbar ist, wobei der Piezoaktor in der aktiven Betriebsart funktionsgemäß betätigt wird und sich in der passiven Betriebsart in einem Ruhezustand befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (12) in der passiven Betriebsart ohne funktionsgemäße Betätigungsanforderung betätigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Piezoaktor (12) betätigt wird, sofern sich der Piezoaktor (12) für eine vorbestimmte Zeitdauer in der passiven Betriebsart befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine Temperatur im Bereich des Piezoaktors (12) ermittelt und eine Änderung der ermittelten Temperatur bestimmt wird, und wobei der Piezoaktor (12) durch das Ansteuersignal betätigt wird, sofern die Temperaturänderung einen vordefinierten Wert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Temperatur mit Temperaturerfassungsmitteln erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3 wobei die Temperatur anhand eines Modells berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei regelmäßig geprüft wird, ob sich der Piezoaktor (12) in der passiven Betriebsart befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der vordefinierte Wert durch eine Temperaturdifferenz gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der vordefinierte Wert durch eine Temperaturänderungsgeschwindigkeit gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Piezoaktor (12) betätigt wird, sofern ein oder mehrere Temperaturwechsel erfasst wird oder werden.
Vorrichtung zum Betreiben eines Piezoaktors (12), der mittels eines Ansteuersignals betätigbar ist, mit: – Mitteln zum Erfassen, ob der Piezoaktor (12) in einer aktiven oder einer passiven Betriebsart betrieben wird, und mit einer Steuereinrichtung (24), die dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
Verbrennungskraftmaschine mit einem Einspritzventil, einem Piezoaktor (12) und einer Vorrichtung nach Anspruch 10.