DE19848950A1 - Vorrichtung zur Konstantsteuerung piezoelektrischer Aktuatoren für Kraftstoffeinspritzsysteme - Google Patents

Vorrichtung zur Konstantsteuerung piezoelektrischer Aktuatoren für Kraftstoffeinspritzsysteme

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Aktuator für die Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen mit konstanter Aktuatorfunktion bei unterschiedlichen Einsatz- und Betriebsbedingungen zu schaffen. DOLLAR A Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektrische Stellgröße die zur Längenveränderung auf den Piezo-Stack übertragene elektrische Ladungsmenge (DELTAQ) ist, die von einem Ladungsgenerator (3) erzeugt und bezüglich der Ladungsmenge von einer Steuereinheit (2) gesteuert ist und daß auf den Piezo-Aktuator (1) einwirkende Einsatz- und Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine von Sensoren (4) erfaßt und der Steuereinheit (2) zu einer Parametrisierung der Ladungsmengensteuerung zugeführt sind. DOLLAR A Die Erfindung findet Anwendung zur Konstantsteuerung eines piezoelektrischen Aktuators in einem Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen, dessen Piezo-Stack mittels einer elektrischen Stellgröße längenveränderlich ist und mittels dieser Längenveränderbarkeit eine Betätigung eines Kraftstoffventils in dem Einspritzsystem bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konstantsteuerung eines piezoelektrischen Aktuators für Kraftstoffeinspritzsysteme gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Steuerung von Kraftstoffeinspritzventilen für Brennkraftmaschinen ist die Verwendung von piezoelektrischen Aktuatoren bekannt, deren unter Einwirkung einer elektrischen Steuerspannung längenveränderlicher Piezo-Stack zur Betätigung des Ventilgliedes dient (DE 195 31 652 A1). Bei piezoelektrischen Aktuatoren treten während eines Betriebszyklus bekannterweise deutliche Hystereseeffekte zwischen einer an den Piezo- Stack zur Aufnahme von elektrischer Ladung angelegten elektrischen Spannung und der damit am Piezo-Stack erzeugten Dehnung auf. Durch diese dielektrische Hysterese sind mit piezoelektrischen Aktuatoren die hohen Anforderungen an die Präzision der Stellbewegung bei Kraftstoff­ einspritzventilen nur unzureichend erfüllbar.
Weiterhin ist eine Konstantsteuerung der Aktuatoren durch wechselnde Einsatz- und Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschinen, wie z. B. Last und Temperatur und durch Alterungseffekte des Piezo-Stacks beeinträchtigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Aktuator für die Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen mit konstanter Aktuatorfunktion bei unterschiedlichen Einsatz- und Betriebsbedingungen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.
Wird bei einer Piezo-Keramik die aufgenommene elektrische Ladungsmenge gegenüber der Dehnung aufgetragen, so ist zwischen der Ladungsmenge und der damit erzeugten Dehnung keine dielektrische Hysterese feststellbar. Die Hysterese tritt nur zwischen der aufgenommenen elektrische Ladung und einer die Ladungsaufnahme treibenden elektrischen Spannung auf.
Der Dehnungsverlauf S(Q) - mit S für die relative Dehnung der Keramik und Q für die von der Keramik aufgenommenen elektrische Ladungsmenge kann bekannterweise durch eine mathematische Funktion wiedergegeben werden, die einem quadratischen Ansatz S = a ( Q-Q0)2 folgt.
Auf diesen Sachverhalt aufbauend wird erfindungsgemäß ein Verfahren vor­ geschlagen, das vorteilhaft die Hubfunktion eines piezoelektrischen Aktu­ ators durch eine präzise Steuerung der elektrischen Ladungsaufnahme kon­ stant hält. Einflüsse externer mechanischer und/oder thermischer Größen auf den Aktuator, wie z. B. der Treibstoffdruck und die Motortemperatur, werden erfindungsgemäß vorteilhaft dadurch eliminiert, daß diese über Sensoren erfaßt und als Parameter in die Aktuatorsteuerung Eingang finden. Derartige Sensoren sind in modernen Motorsteuerung üblicherweise vorhanden. Über eine sensorische Erfassung der Betriebsstundendauer sind Alterungseffekte des Piezo-Aktuators kompensierbar.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Abbildung näher erläutert.
Die Abbildung zeigt als Blockschaltbild eine Vorrichtung zur Konstantsteue­ rung eines piezoelektrischen Aktuators.
Die in der Abbildung gezeigte Vorrichtung besteht aus dem Piezo-Aktuator 1, einer Steuereinheit 2, einem Ladungsgenerator 3 und Sensoren 4.
Der Ladungsgenerator 3 überträgt auf den in dem Blockschaltbild nicht gezeig­ ten Piezo-Stack des Piezo-Aktuators 1 eine von der Steuereinheit 2 vorgege­ bene Ladungsmenge ΔQ, die zu einer Längenänderung am Piezo-Stack führt. Die Steuereinheit 2 ermittelt diese Ladungsmenge aus einem typischen, in der Steuereinheit 2 resistent abgespeicherten Dehnungsverlauf S = a (Q-Q0)2 des verwendeten Piezo-Stacks. Zusätzlich werden aktuelle Einsatz- und Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine mit Sensoren 4 erfaßt und der Steuereinheit zugeführt, in der diese zu einer computergestützten Parametrisie­ rung des Dehnungsverlautes benutzt werden. In dem Ausführungsbeispiel sind als Einsatz- und Betriebsbedingungen die Motortemperatur T, der Treibstoff­ druck P und die Betriebsstundendauer h erfaßt.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ladungsgenerator 3 als eine zeitgesteuerte Konstantstromquelle ausgebildet. Die Einschaltdauer Δt zur Steuerung der von der Konstantstromquelle abgegebenen Ladungsmenge ΔQ ist von der Steuereinheit 2 berechnet und der Konstantstromquelle zugeführt. Anstelle der Konstantstromquelle sind auch andere steuerbare Ladungsgeneratoren verwendbar, die einen zeitlich definierten Stromver­ lauf erzeugen.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Konstantsteuerung eines piezoelektrischen Aktu­ ators in einem Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen dessen Piezo-Stack mittels einer elektrischen Stellgröße längenverän­ derlich ist und mittels dieser Längenveränderbarkeit eine axiale Ver­ schiebung eines Kraftstoffventils in dem Einspritzsystem bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Stellgröße die zur Län­ genveränderung auf den Piezo-Stack übertragene elektrische Ladungs­ menge (ΔQ) ist, die von einem Ladungsgenerator (3) erzeugt und bezüglich der Ladungsmenge von einer Steuereinheit (2) gesteuert ist und daß auf den Piezo-Aktuator (1) einwirkende Einsatz- und Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine von Sensoren (4) erfaßt und der Steuereinheit (2) zu einer Parametrisierung der Ladungsmengensteuerung zugeführt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsgenerator (3) eine von der Steuereinheit (2) zeitgesteuerte Konstantstromquelle ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Einsatz- und Betriebsbedingungen die Motortem­ peratur T, der Treibstoffdruck P und die Betriebsstundendauer h erfaßt sind.
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