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