DE19848950C2 - Vorrichtung zur Konstantsteuerung piezoelektrischer Aktuatoren für Kraftstoffeinspritzsysteme - Google Patents

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 Kraftstoffeinspritzventilen 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.

In DE 196 44 521 A1 ist ein Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes, insbesondere eines piezoelektrisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventils mittels einer durch eine Steuereinheit über von Sensoren erfaßten Einsatz- und Betriebsbedingungen parametrisierten Stellgröße offenbart, wobei die Stellgröße die einem gewünschten Hub zugeordnete Energiemenge ist.

Nachteilig wirkt sich bei der Verwendung der dem Hub zugeordneten elektrischen Energiemenge als Stellgröße aus, daß die Kennkurve des Hubes über die in den Piezo- Stack eingebrachte Energie stark hysteresebehaftet ist. Außerdem ist die Ansteuerenergie nach einem durchlaufenen Zyklus, d. h. nach dem Erreichen der ursprünglichen Länge, nicht gleich Null, sondern beträgt etwa 15% der Ansteuerenergie bei maximalem Weg. Hinzu kommt, daß bei der Verwendung der Energie als Stellgröße zur Ermittlung der zugeführten Menge, die Rückführung der Meßgrößen Strom und Spannung zur Steuereinheit unbedingt erforderlich ist, eine Vorrichtung zur Konstantsteuerung eines piezoelektrischen Aktuators für die Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen bei unterschiedlichen Einsatz- und Betriebsbedingungen zu schaffen. Hierbei soll die Steuereinheit einfach ausgestaltet sein, so daß im Einsatz schadensanfällige Elektronikkomponenten auf ein Mindestmaß reduziert werden können. Außerdem sollen die charakteristischen Zusammenhänge zwischen Stellgröße und Weg des Aktuators von einer Hysterese befreit werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 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 - Qo)² folgt.

Auf diesen Sachverhalt aufbauend wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, das vorteilhaft die Hubfunktion eines piezoelektrischen Aktuators durch eine präzise Steuerung der elektrischen Ladungsaufnahme konstant 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 Konstantsteuerung 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 gezeigten Piezo- Stack des Piezo-Aktuators 1 eine von der Steuereinheit 2 vorgegebene 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 - Q_o)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 Parametrisierung des Dehnungsverlaufes benutzt werden. In dem Ausführungsbeispiel sind als Einsatz- und Betriebsbedingungen die Motortemperatur T, der Treibstoffdruck 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 wird von der Steuereinheit 2 berechnet und der Konstantstromquelle zugeführt. Anstelle der Konstantstromquelle sind auch andere steuerbare Ladungsgeneratoren verwendbar, die einen zeitlich definierten Stromverlauf erzeugen.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Konstantsteuerung eines piezoelektrischen Aktuators in einem Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen dessen Piezo-Stack mittels einer durch eine Steuereinheit über von Sensoren erfaßte Einsatz- und Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine parametrisierte elektrische Stellgröße längenveränderlich ist und mittels dieser Längenveränderbarkeit eine axiale Verschiebung eines Kraftstoffventils in dem Einspritzsystem bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Stellgröße die zur Längenveränderung auf den Piezo-Stack übertragene elektrische Ladungsmenge (ΔQ) ist, die von einem Ladungsgenerator (3) erzeugt ist.

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.