DE19905340A1 - Pre-adjustment method and dynamic correction of piezoelectric actuators e.g. for fuel-injection valve drive in motor vehicles - Google Patents
Pre-adjustment method and dynamic correction of piezoelectric actuators e.g. for fuel-injection valve drive in motor vehiclesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Voreinstellung und dynamischen Nachführung piezoelektrischer Aktoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 7.The invention relates to a method and an arrangement for Presetting and dynamic tracking of piezoelectric 7. Actuators according to the preamble of patent claims 1 and 7 respectively.
Für die Betätigung elektromechanischer bzw. elektrohydrauli scher oder elektropneumatischer Stellelemente werden in zu nehmendem Maße piezoelektrische Aktoren verwendet. Hierzu zählen insbesondere auch die Antriebe für Einspritzventile von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge. Für die Kraft stoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden nämlich zuneh mend Hochdruck-Speichereinspritzsysteme verwendet. Solche Einspritzsysteme etwa für Dieselmotoren werden Common-Rail- Systeme genannt. Bei diesen Einspritzsystemen wird der Kraft stoff mit einer Hochdruckpumpe in einen allen Zylindern des Motors gemeinsamen Druckspeicher gefördert, von dem aus die Einspritzventile an den einzelnen Zylindern versorgt werden. Das Öffnen und Schließen der Einspritzventile, die bei Com mon-Rail-Systemen Injektoren genannt werden, wird elektrisch zum Beispiel mittels der genannten Piezoaktoren gesteuert. Der Piezoaktor wirkt dabei in der Regel auf ein Servoventil ein, das hydraulisch den Druck steuert, der auf die Düsenna del des Einspritzventils ausgeübt wird.For the actuation of electromechanical or electrohydraulic shear or electropneumatic control elements are used in Increasingly used piezoelectric actuators. For this include in particular the drives for injection valves of internal combustion engines for motor vehicles. For the strength Fuel supply to internal combustion engines is increasing mend high-pressure accumulator injection systems are used. Such Injection systems, for example for diesel engines, are becoming common rail Called systems. With these injection systems, the power fabric with a high pressure pump in all cylinders of the Motors promoted common pressure accumulator, from which the Injectors are supplied to the individual cylinders. The opening and closing of the injection valves, which at Com mon-rail systems, called injectors, become electric controlled, for example, by means of the piezo actuators mentioned. The piezo actuator usually acts on a servo valve one that hydraulically controls the pressure on the nozzle del of the injector is exercised.
Die wesentlichen technischen Forderungen an derartige Piezo-
Antriebe sind
The essential technical requirements for such piezo drives are
- - hohe Stellkraft,- high positioning power,
- - großer Stellbereich (Hub),- large adjustment range (stroke),
- - hoher elektromechanischer Wirkungsgrad (geringe elektri sche Steuerleistung),- high electromechanical efficiency (low electri tax benefit),
- - geringe Ansprechzeit,- low response time,
- - große Lebensdauer bzw. Anzahl Schaltspiele, und- Long service life or number of switching cycles, and
- - geringe Temperaturabhängigkeit.- low temperature dependence.
Die Kombination von hoher Stellkraft mit großem Stellbereich läßt sich mit piezoelektrischen Vielschichtaktoren (Multilay er-Stacks) erreichen, die aus einem Stapel aufeinanderliegen der plattenförmiger Piezoelemente bestehen. Derartige Aktoren sind bereits in unterschiedlichen Bauformen und Ausführungen bekannt. Neben Aktoren, bei denen die mechanische Auslenkung ausschließlich orthogonal zur Schichtebene erfolgt (Linear stacks), beispielsweise nach der DE 196 15 695 bzw. der DE 196 46 676, sind auch Ausführungen bekannt, welche eine Kipp bewegung ausführen, z. B. sog. Torqueblocks nach der DE 196 46 511.The combination of high positioning power with a large positioning range can be used with piezoelectric multilayer actuators (multilay stack (s) stacked on top of each other the plate-shaped piezo elements exist. Such actuators are already in different designs and designs known. In addition to actuators where the mechanical deflection only orthogonal to the layer plane (linear stacks), for example according to DE 196 15 695 or DE 196 46 676, designs are also known which tilt Carry out movement, e.g. B. so-called. Torque blocks according to DE 196 46 511.
Grundsätzlich besteht bei den meisten Anwendungen das Ziel darin, daß näherungsweise der gesamte Hub des Piezoaktors auch für die mechanische Bewegung des Stellelementes genutzt wird, da die Baugröße mit dem erforderlichen Hub anwächst. Daraus folgt, daß das Spiel zwischen dem Piezoaktor und dem Stellelement, das auch als Leerhub bezeichnet wird, möglichst klein sein soll. Ein kleiner Leerhub dient außerdem der Redu zierung der dynamischen Belastung von Piezoaktor und Stelle lement, da bei konstanter elektrischer Steuerspannung die Auslenkgeschwindigkeit des Aktors im Bereich kleiner Auslen kungen mit dem Hub wächst. Außerdem nimmt mit steigender Aus lenkung die Stellkraft näherungsweise linear ab.Basically, the goal is for most applications in that approximately the entire stroke of the piezo actuator also used for the mechanical movement of the control element because the size increases with the required stroke. It follows that the game between the piezo actuator and the Control element, which is also referred to as an idle stroke, if possible should be small. A small idle stroke also serves the Redu decoration of the dynamic load on the piezo actuator and position lement, because at constant electrical control voltage Deflection speed of the actuator in the area of small deflections kungen grows with the hub. It also increases with increasing out deflect the actuating force approximately linearly.
Andererseits muß stets ein Mindestspiel zwischen Aktor und Stellelement gewährleistet sein, um Fehlfunktionen im Betrieb zu vermeiden. Daher geht man heute in der Praxis im allgemei nen so vor, daß der Leerhub bei der Montage von Aktor und Stellelement so eingestellt wird, daß das geforderte Mindest spiel auch unter den ungünstigsten Bedingungen vorhanden ist und bekannte Alterungseffekte (Einlaufen, Setzen u. ä.) soweit wie möglich berücksichtigt sind. Der Leerhub ist daher trotz eines hohen Meß- und Einstellaufwandes während der Montage des Systems in der Regel im Betrieb nicht funktionsoptimal. Er kann zudem bei abweichendem Systemverhalten im Betrieb un zulässig klein werden. Dies hat beispielsweise zur Folge, daß das Servoventil eines Common-Rail-Injektors nicht vollständig schließt und somit keine definierte Kraftstoffeinspritzung möglich ist.On the other hand, there must always be a minimum play between the actuator and Control element to be guaranteed to malfunction in operation to avoid. That is why today in general one goes NEN so that the idle stroke when mounting the actuator and Adjusting element is set so that the required minimum game even under the most unfavorable conditions and known aging effects (shrinking, setting, etc.) so far are taken into account as possible. The idle stroke is therefore despite a high measurement and adjustment effort during assembly the system usually does not function optimally during operation. He can also un in the system behavior in operation become small. This has the consequence, for example, that the servo valve of a common rail injector is not complete closes and therefore no defined fuel injection is possible.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, bei dem bzw. bei der der Aufwand für das Einstellen des Leerhubes während der Montage insbe sondere in der Serienfertigung reduziert ist, und bei dem bzw. bei der auf einfache Weise eine sichere dynamische Nach führung des Leerhubes im Betrieb möglich ist.The object of the present invention is a method and to create an arrangement in which the effort for setting the idle stroke during assembly is reduced in particular in series production, and in which or in a simple way a safe dynamic night guidance of the idle stroke in operation is possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 bzw. den im Patentanspruch 7 angegebenen Maßnahmen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den diesen Ansprüchen jeweils folgenden Unteransprüchen angeführt.This object is achieved with the in claim 1 or the measures specified in claim 7 solved. Preferred embodiments of the invention are in these Claims cited in each of the following subclaims.
Die obige Aufgabe wird demnach erfindungsgemäß dadurch ge löst, daß der elektrischen Ansteuerspannung des Aktors zur dynamischen Auslenkung ein davon unabhängiger steuerbarer Gleichspannungsanteil überlagert wird. Dieser Gleichspan nungsanteil bestimmt dann eine neue Ruhelage des Aktors und kann somit zur Einstellung des Leerhubs und zur Nachführung des Leerhubes im Betrieb genutzt werden. Von Vorteil ist da bei, daß der Piezoaktor nahezu keine elektrische Leistung aus der Gleichspannungsquelle aufnimmt.The above object is therefore ge according to the invention triggers that the electrical control voltage of the actuator dynamic deflection an independent controllable DC voltage component is superimposed. This DC chip then determines a new rest position of the actuator and can thus be used to adjust the idle stroke and for tracking of the idle stroke can be used in operation. An advantage is there at that the piezo actuator has almost no electrical power the DC voltage source.
Die Größe des Leerhubes kann z. B. durch Messung des vom Aktor aufgenommenen Stromes sowie durch die Messung sekundärer Grö ßen, welche sich aus der Systemfunktion ableiten lassen, be stimmt werden, z. B. durch den Druckverlauf am Injektor wäh rend des Einspritzvorganges. Somit ergibt sich ein geschlos sener Regelkreis. Da eine Änderung des Leerhubes im allgemei nen sehr langsam gegenüber dem dynamischen Betrieb verläuft, ist diese Regelung nicht zeitkritisch. The size of the idle stroke can e.g. B. by measuring the actuator absorbed current and by measuring secondary size which can be derived from the system function, be be true, e.g. B. by the pressure curve at the injector rend of the injection process. This results in a closed its control loop. Since a change in the idle stroke in general runs very slowly compared to dynamic operation, this regulation is not time-critical.
Besonders vorteilhaft kann die Messung und Nachstellung des Leerhubes durch die Einbindung eines separaten Einstellalgo rithmus in den Startvorganges eines Verbrennungsmotors erfol gen.The measurement and adjustment of the Empty stroke through the integration of a separate adjustment algo rhythm in the starting process of an internal combustion engine gene.
Der nutzbare Regelbereich beträgt in der Praxis ca. ±10% des Gesamthubes. Bei Common-Rail-Injektoren wird beispielsweise ein Gesamthub des Aktors von ca. 40 bis 50 µm angestrebt. Daraus folgt ein Regelbereich von ca. ±5 µm. Dieser Wertebe reich ist für die Kompensation von Alterungs- und Temperatu reffekten ausreichend.In practice, the usable control range is approx. ± 10% of the Total stroke. With common rail injectors, for example a total stroke of the actuator of approx. 40 to 50 µm is aimed for. This results in a control range of approx. ± 5 µm. This value is rich for the compensation of aging and temperatu sufficient effects.
In ähnlicher Weise wird eine separat aufschaltbare Gleich spannung genutzt, um während der Montage das Spiel zwischen Aktor und Stellelement exakt einzustellen. Hierbei wird vor teilhafterweise so verfahren, daß der Aktor bei der Montage mit einem Gleichspannungswert beaufschlagt wird, welcher zu einer statischen Auslenkung führt, die dem einzustellenden Spiel oder einem davon abgeleiteten Wert entspricht. Sobald während des Montagevorganges der mechanische Kontakt von Ak tor und Stellelement erfolgt, wird der Einstellvorgang been det, und die Komponenten werden zueinander lagefixiert. Nach dem Abschalten der Gleichspannung geht der Aktor in seine Ru helage zurück, so daß sich das geforderte Spiel einstellt. Da der Zusammenhang zwischen elektrischer Spannung und Aktoraus lenkung sehr exakt bekannt ist, läßt sich das Spiel mit hoher Präzision einstellen (Genauigkeit besser als 1 µm).In a similar way, a separately switchable equal voltage used to clear the game between during assembly Adjust actuator and control element exactly. This is before partly proceed so that the actuator during assembly is supplied with a DC voltage value, which too a static deflection that leads to the Match or a value derived from it. As soon as during the assembly process the mechanical contact of Ak If the gate and actuator are set, the adjustment process will be completed det, and the components are fixed in relation to each other. To when the DC voltage is switched off, the actuator goes into its Ru helage back so that the required game sets in. There the relationship between electrical voltage and actuator steering is known very precisely, the game can be played with high Set precision (accuracy better than 1 µm).
Auf diese Weise werden fehlerkritische geometrische Meß- und Paarungsoperationen bzw. mechanische Rückstellbewegungen weitgehend vermieden. Der mechanische Kontakt von Aktor und Stellelement läßt sich sehr einfach erfassen, z. B. durch Weg messung am Stellelement oder durch indirekte Größen, z. B. durch eine pneumatische Druckabfallprüfung.In this way, error-critical geometric measurement and Mating operations or mechanical reset movements largely avoided. The mechanical contact of the actuator and Actuator can be detected very easily, for. B. by way measurement on the control element or by indirect variables, e.g. B. through a pneumatic pressure drop test.
Grundsätzlich kann die beschriebene Aufgabe auch dadurch ge löst werden, daß der Aktor aus zwei unabhängig voneinander ansteuerbaren, mechanisch in Serie geschalteten Stapeln von Piezoelementen besteht, wobei einer der beiden Stapel mit ei ner Gleichspannung zur Einstellung des Leerhubs beaufschlagt wird, während der andere Stapel zur Steuerung des Stell- oder Betätigungselementes genutzt wird.Basically, the described task can also be done by ge triggers that the actuator consists of two independently controllable, mechanically connected stacks of Piezo elements, one of the two stacks with egg ner DC voltage applied to adjust the idle stroke while the other stack is used to control the positioning or Actuator is used.
Die Vorteile der beschriebenen Lösung sind
The advantages of the solution described are
- - einfache schaltungstechnische Realisierbarkeit,- simple circuitry feasibility,
- - hohe technische Wirksamkeit,- high technical effectiveness,
- - Diagnosefunktionen zum Zustand des Injektors im Betrieb ableitbar,- Diagnostic functions for the state of the injector in operation derivable,
- - Kosteneinsparung und Prozeßsicherheit in der Serienferti gung.- Cost savings and process reliability in series production supply.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are described below the drawing explained in more detail. Show it:
Fig. 1 einen Aufbau für eine Ventilsteuerung mit einem Piezo aktor, wobei in der Fig. 1a der Piezoaktor in Ruhelage und das Ventil geschlossen ist und in der Fig. 1b der Piezoaktor ausgelenkt und das Ventil geöffnet ist;1 shows a structure for a control valve with a piezoelectric actuator, said piezoelectric actuator 1a of the rest position and the valve is in the closed and Fig deflected in Figure 1b of the piezoelectric actuator and the valve is open...;
Fig. 2 schematisch den Leerhub in der Anordnung der Fig. 1, wobei in der Fig. 2a der Leerhub in der Ruhelage des Piezoak tors dargestellt ist und in der Fig. 2b ein durch Anlegen ei ner Gleichspannung nachgeführter Leerhub; Fig. 2 shows schematically the idle stroke in the arrangement of Figure 1, wherein the idle stroke is shown in the rest position of the Piezoak gate in Figure 2a and in Figure 2b an idle stroke tracked by applying egg ner DC voltage.
Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der elektrischen Klemmenspan nung U, des Hubes h und der zeitlichen Ableitung dh/dt des Hubes; Fig. 3 shows the time course of the electrical clamping voltage U, the stroke h and the time derivative dh / dt of the stroke;
Fig. 4 die Übertragungsfunktion h(U); FIG. 4 shows the transfer function h (U);
Fig. 5 ein Blockschaltbild für die Überlagerung der dynami schen Anregungsspannung U1 und der statischen Vorspannung Uv; Figure 5 is a block diagram for the superposition of the dynamic excitation voltage U1 and the static bias voltage U v .
Fig. 6 den zeitlichen Verlauf der dynamischen Anregungsspan nung U1, des Druckes Pv und die zeitliche Ableitung dpv/dt des Druckes; Fig. 6 shows the time course of the dynamic clamping excitation voltage U1, the pressure P v and the time derivative dp v / dt of the pressure;
Fig. 7 ein Zeitdiagramm für das Einstellen des Leerhubes beim Starten des Motors; Fig. 7 is a timing diagram for the adjustment of the idle stroke when starting the engine;
Fig. 8 die Vorgänge bei der Montage eines Piezoaktors, wobei die Fig. 8a den Zustand zu Beginn des Zusammenbaus, die Fig. 8b einen Zustand während des Zusammenbaus, die Fig. 8c den Zustand nach dem Zusammenbau und die Fig. 8d ein Zeitdiagramm für den Zusammenbau darstellt; Fig. 8, the operations during the assembly of a piezoelectric actuator, with FIG. 8a to the state at the beginning of the assembly, FIG. 8b a state during assembly, Fig. 8c the state after assembly, and Fig. 8D is a time chart for represents the assembly;
Fig. 9 einen Piezoaktor zur Erzeugung einer Kippbewegung, wo bei die Fig. 9a den Ruhezustand und die Fig. 9b den ausge lenkten Zustand darstellt; FIG. 9 shows a piezo actuator for generating a tilting movement, where in FIG. 9a the rest state and FIG. 9b the deflected state;
Fig. 10 schematisch Schaltungsanordnungen zur Einstellung des Leerkippwinkels ϕ0 bei der Anordnung der Fig. 9, wobei die Fig. 10 shows schematically circuit arrangements for adjusting the empty tilt angle ϕ 0 in the arrangement of Fig. 9, the
Fig. 10a und 10b Alternativen mit einer bzw. zwei Gleichspan nungsquellen darstellen; und FIG. 10a and 10b represent voltage sources alternatives with one or two equal tension; and
Fig. 11 eine alternative Anordnung eines linearen Piezoak tors, der in zwei getrennt ansteuerbare Piezoelementstapel unterteilt ist. . 11, an alternative arrangement is a linear divided Piezoak catalyst which separately controllable in two piezo element stack FIG.
Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt schematisch und beispielhaft den Aufbau einer Ventilsteuerung mit einem elektrischen Pie zoaktor 1, der aus einem Stapel plattenförmiger piezoelektri scher Elemente besteht. Bei der gezeigten Ausführungsform er folgt die mechanische Auslenkung beim Anlegen einer Spannung senkrecht zur Schichtebene der einzelnen Piezoelementplatten, das heißt in Längsrichtung (z-Richtung) des Piezoaktors. Die einzelnen Piezoelemente sind über gemeinsame äußere Stapel kontakte elektrisch mit Anschlußklemmen 2 verbunden. Fig. 1 of the drawing shows schematically and by way of example the structure of a valve control with an electrical piezo actuator 1 , which consists of a stack of plate-shaped piezoelectric elements. In the embodiment shown, it follows the mechanical deflection when a voltage is applied perpendicular to the layer plane of the individual piezo element plates, that is to say in the longitudinal direction (z direction) of the piezo actuator. The individual piezo elements are electrically connected to terminals 2 via common outer stack contacts.
Der Piezoaktor 1 hat in der Ruhelage, das heißt ohne daß eine elektrische Spannung U anliegt, die Länge l0 (Fig. 1a). Bei Anlegen einer elektrischen Spannung U = U1 an die Anschluß klemmen 2 des Piezoaktors 1 dehnt sich dieser in z-Richtung und nimmt die Länge l1 an mit l1 < l0 (Fig. 1b). Die Differenz l1-l0 wird als Hub h bezeichnet. Der Abstand zwischen dem un gedehnten Piezoaktor 1 der Fig. 1a und dem mechanischen Stell- oder Betätigungselement (hier einem Ventilkolben 3) ist der Leerhub h0. Der effektive Ventilhub hv ergibt sich, wie in der Fig. 1b gezeigt, zu hv = h-h0 = l1-l0-h0. In the rest position, that is to say without an electrical voltage U being present, the piezo actuator 1 has the length l 0 ( FIG. 1a). When an electrical voltage U = U 1 is applied to the terminals 2 of the piezo actuator 1 , the latter expands in the z direction and takes on the length l 1 with l 1 <l 0 ( FIG. 1b). The difference l 1 -l 0 is referred to as stroke h. The distance between the un-expanded piezo actuator 1 of FIG. 1 a and the mechanical actuating or actuating element (here a valve piston 3 ) is the idle stroke h 0 . The effective valve lift h v , as shown in FIG. 1b, results in h v = hh 0 = l 1 -l 0 -h 0 .
In dem in der Fig. 1a gezeigten Zustand befindet sich, da keine elektrische Spannung U angelegt ist, der Piezoaktor 1 in seiner Ruhelage, das Ventil ist geschlossen, und im Steu erraum 4 des Ventils herrscht ein Druck p0. In dem in der Fig. 1b gezeigten Zustand ist an die Anschlußklemmen 2 die Spannung U1 angelegt, der Piezoaktor 1 ist ausgelenkt, der Ventilkolben 3 hat eine Ventilkugel 5 gegen die Wirkung einer Rückstellfeder 6 von ihrem Sitz abgehoben, das Ventil ist da durch geöffnet, und im Steuerraum stellt sich ein Druck p1 ein.In the state shown in FIG. 1 a , since no electrical voltage U is applied, the piezo actuator 1 is in its rest position, the valve is closed, and a pressure p 0 prevails in the control chamber 4 of the valve. In the state shown in FIG. 1b, the voltage U1 is applied to the connecting terminals 2 , the piezo actuator 1 is deflected, the valve piston 3 has a valve ball 5 lifted out of its seat against the action of a return spring 6 , the valve is open through it, and a pressure p 1 is established in the control room.
Die Fig. 2a zeigt noch einmal im Detail den Leerhub h0 in der Ruhelage des Piezoaktors 1, wenn keine Spannung U anliegt. Es besteht nun die Möglichkeit, den Leerhub, das heißt den Ab stand oder das Spiel zwischen Piezoaktor 1 und Ventilkolben 3, durch Anlegen einer Gleichspannung Uv an die Anschlußklem men 2 des Piezoaktors 1 zu verringern. Die Gleichspannung Uv ist dabei kleiner als die Ansteuerspannung U1 der Fig. 1b. Bei der Gleichspannung Uv kommt der Piezoaktor 1 daher nicht mit dem Ventilkolben 3 in mechanischen Kontakt, sondern nä hert sich diesem nur an. Der Piezoaktor 1 dehnt sich somit bei Anlegen der Gleichspannung Uv auf eine Länge l0', die kleiner ist als die Länge a, bei der der Piezoaktor 1 gerade mit dem Ventilkolben 3 in Kontakt kommt, ohne diesen zu bewe gen. In der Fig. 2b ist entsprechend der Leerhub durch Anle gen der Gleichspannung Uv auf den Sollwert h0' mit h0' < h0 eingestellt.The Fig. 2a again shows in detail the idle stroke h 0 in the rest position of the piezoelectric actuator 1, when no voltage U is applied. There is now the possibility of reducing the idle stroke, that is, the position or the play between piezo actuator 1 and valve piston 3 , by applying a direct voltage U v to the connecting terminals 2 of the piezo actuator 1 . The DC voltage U v is less than the control voltage U 1 of FIG. 1b. At the direct voltage U v , the piezo actuator 1 therefore does not come into mechanical contact with the valve piston 3 , but only approximates it. The piezoelectric actuator 1 thus expands upon application of the DC voltage U v to a length l 0 'which is smaller than the length a, in which the piezoelectric actuator 1 just comes into contact with the valve piston 3 without these to bewe gen In FIG. . 2b is set in accordance with the idle stroke h by Anle gene of the DC voltage U v to the set value h0 'h0'<0,.
Die Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung U an den Anschlußklemmen 2 des Piezoaktors 1, das heißt U(t), sowie den Hub h(t) und dessen zeitliche Ableitung dh/dt (die Bewegungsgeschwindigkeit). Dargestellt ist auch der im allgemeinen gewünschte Zielbereich h0 opt des Leerhu bes, in dem der Wert von dh/dt und somit die dynamische Bela stung des Ventilkolbens 3 noch hinreichend gering ist. Der optimale Bereich für den Leerhub h0 liegt bei (0,01 ... 0,1) * h. FIG. 3 shows the time curve of the voltage U at the terminals 2 of the piezoelectric actuator 1, that is U (t), and the stroke of h (t) and its time derivative dh / dt (the moving speed). Also shown is the generally desired target area h 0 opt of the Leerhu bes, in which the value of dh / dt and thus the dynamic load on the valve piston 3 is still sufficiently low. The optimal range for the idle stroke h 0 is (0.01 ... 0.1) * h.
Die Fig. 4 stellt die Übertragungsfunktion h(U) schematisch dar. Durch Aufschalten der Vorspannung Uv im Wertebereich ΔUv wird die Kennlinie in Richtung der h-Achse um den Bereich Δh0 verschoben. Der zulässige Wertebereich für ΔUv liegt bei ±0.1 * U1. Bei konventioneller Piezokeramik beträgt die maximale elektrische Feldstärke U/d ca. 2 kV/mm (d = Dicke eines ein zelnen Piezoelementes im Piezoaktorstapel). Die untere Grenze der elektrischen Spannung wird durch die Depolarisationsfeld stärke bestimmt. Fig. 4 illustrates the transfer function h (U) schematically. By injecting the bias voltage U v in the range of values .DELTA.U v shifting the characteristic curve in the direction of the h-axis by the area .DELTA.h 0th The permissible range of values for ΔU v is ± 0.1 * U 1 . With conventional piezoceramic, the maximum electrical field strength U / d is approx. 2 kV / mm (d = thickness of a single piezo element in the piezo actuator stack). The lower limit of the electrical voltage is determined by the depolarization field strength.
Die Fig. 5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild für eine Schaltungsanordnung zur Überlagerung der dynamischen (puls förmigen) Anregungsspannung U1 und der statischen Vorspannung Uv für eine dynamische Nachführung des Leerhubes im Betrieb des Piezoaktors 1. Die Schaltung umfaßt einen Impulsgenerator 10 zum Erzeugen der Anregungsspannungsimpulse, die in einem Verstärker 11 auf die gepulste Anregungsspannung U1 verstärkt werden. Die Anregungsspannung U1 wird über eine Summations schaltung 12 zum Piezoaktor 1 des Injektors 14 geführt. Vom Injektor 14 werden zum Beispiel Druckwerte x1...n am Ventil 15 erfaßt und zu einem Mikroprozessor µC 16 geführt, an dessen Eingängen auch andere Werte wie die Anregungsspannung U1, der Anregungsstrom i und dergleichen anliegen. Der Mikroprozessor 16 berechnet dann die zur Einstellung des Leerhubs auf den Sollwert h0 soll erforderliche Gleichspannung Uv und stellt ei ne regelbare Gleichspannungsquelle 18 so ein, daß diese die Gleichspannung Uv an die Summationsschaltung 12 abgibt, in der die Gleichspannung Uv der Anregungsspannung U1 überlagert wird. FIG. 5 shows a schematic block diagram of a circuit arrangement for superimposing the dynamic (pulse-shaped) excitation voltage U 1 and the static bias voltage U v for dynamic tracking of the idle stroke during operation of the piezoelectric actuator 1. The circuit comprises a pulse generator 10 for generating the excitation voltage pulses, which are amplified in an amplifier 11 to the pulsed excitation voltage U 1 . The excitation voltage U 1 is guided via a summation circuit 12 to the piezo actuator 1 of the injector 14 . For example, pressure values x 1 ... n at the valve 15 are detected by the injector 14 and passed to a microprocessor μC 16, at the inputs of which other values such as the excitation voltage U 1 , the excitation current i and the like are also present. The microprocessor 16 then calculates the DC voltage U v required to set the idle stroke to the setpoint h 0 target and sets a controllable DC voltage source 18 so that it outputs the DC voltage U v to the summation circuit 12 , in which the DC voltage U v is the excitation voltage U 1 is superimposed.
Wie in der Fig. 6 gezeigt, kann der aktuelle Wert (Istwert) des Leerhubes im Mikroprozessor 16 beispielsweise aus dem Zeitversatz Δt0 zwischen den Flanken der pulsförmigen elek trischen Anregungsspannung U1(t) und der zeitlichen Änderung des Druckes pv am Ventil 15 abgeleitet werden. Der Druckver lauf pv(t) läßt sich mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand, z. B. mittels eines vorhandenen Drucksensors, messen.As shown in FIG. 6, the current value (actual value) of the idle stroke in the microprocessor 16 can be derived, for example, from the time offset Δt0 between the edges of the pulse-shaped electrical excitation voltage U 1 (t) and the change over time in the pressure p v at the valve 15 become. The Druckver run p v (t) can be done with comparatively little technical effort, for. B. using an existing pressure sensor.
Die Fig. 7 zeigt anhand eines Zeitdiagramms eine andere Mög lichkeit der Einstellung des Leerhubs. Dieser Einstellvorgang kann zum Beispiel während des Startvorganges eines Verbren nungsmotors durchgeführt werden. Auch hier kann der etwa bei einem Common-Rail-System im allgemeinen ohnehin vorhandene Drucksensor vorteilhaft für die Messung des Druckverlaufes genutzt werden. Fig. 7 shows another way of setting the idle stroke based on a timing diagram. This adjustment process can be carried out, for example, during the starting process of an internal combustion engine. Here, too, the pressure sensor which is generally present in any case in a common rail system can advantageously be used for measuring the pressure curve.
Der Einstellvorgang der Fig. 7 läuft wie folgt ab: Die Vor spannung Uv wird ausgehend von einem Minimalwert -Uv max gleichmäßig erhöht, bis zum Zeitpunkt t1 bei einer Vorspan nung Uv0 das Ventil öffnet und der Druck p in der Kraft stoffleitung abfällt. Anschließend wird die Vorspannung Uv auf einen Wert Uv soll verringert, der dem gewünschten Leerhub h0 soll entspricht. . The setting operation of Figure 7 is as follows: The on voltage U v is increased starting from a minimum value -U v max evenly, until time t 1 at a Vorspan voltage U v0, the valve opens and the pressure p in the fuel line falls off. The bias voltage U v is then reduced to a value U v soll which corresponds to the desired idle stroke h 0 soll .
Zur Bestimmung von Uv soll gilt:
Uv soll = Uv0 - h0 soll/s, mit s = Δh/ΔU.The following applies to the determination of U v :
U v soll = U v0 - h 0 soll / s, with s = Δh / ΔU.
Je nach Auslegung des Gesamtsystems kann der Druck p automa tisch unmittelbar nach dem Schließen des Ventils zum Zeit punkt t2 (gestrichelte Linie) oder unabhängig vom Einstell vorgang zu einem späteren Zeitpunkt (durchgehende Linie) wie der aufgebaut werden.Depending on the design of the overall system, the pressure p can be built up automatically immediately after the valve closes at time t 2 (dashed line) or independently of the adjustment process at a later point in time (continuous line).
Die Fig. 8 zeigt die Vorgänge bei einer Einstellung des Leer hubes während des Einbaus des Piezoaktors 1 in ein Einspritz ventil. Der mit einer Gleichspannung Uv soll beaufschlagte Ak tor 1 wird bei der Montage mechanisch in z-Richtung auf den Ventilkolben 3 zu bewegt (Fig. 8a). Im Moment des mechani schen Kontaktes von Aktor 1 und Ventilkolben 3 sinkt der Prüfdruck pv im Ventil ab (Fig. 8b, t1 in der Fig. 8d). Der mechanische Vorschub in z-Richtung wird dann sofort unterbro chen und der Aktor 1 in seiner Lage bezüglich des Ventilkol bens 3 fixiert. Beim Abschalten der Vorspannung Uv soll zum Zeitpunkt t2 in der Fig. 8d geht der Aktor 1 dann in seine Ruhelage 10 zurück, und der Leerhub h0 soll hat exakt den vor gesehenen Wert, der mittels der Spannung Uv soll gewählt wurde. Fig. 8 shows the processes at an adjustment of the empty stroke during the installation of the piezo actuator 1 in an injection valve. The acted upon with a DC voltage U v should Ak tor 1 is mechanically moved in the z direction towards the valve piston 3 during assembly ( Fig. 8a). At the moment of mechanical contact between actuator 1 and valve piston 3 , the test pressure p v in the valve drops ( FIG. 8b, t 1 in FIG. 8d). The mechanical feed in the z direction is then immediately interrupted and the actuator 1 is fixed in position with respect to the valve piston 3 . When the bias voltage U v should be switched off at time t2 in FIG. 8d, the actuator 1 then returns to its rest position 10 , and the idle stroke h 0 target has exactly the value seen before, which was selected by means of the voltage U v target .
Die Fig. 9 zeigt den aus der DE 196 46 511 bekannten Torque block. Hier wird anstelle der linearen Bewegung eine Kippbe wegung erzeugt, wenn die an die beiden nebeneinanderliegenden Piezoelementstapel 20 und 22 jeweils angelegten Spannungen Ua und Ub verschieden voneinander sind. Dem Leerhub h0 ent spricht hier der Leerkippwinkel ϕ0. Dieser Winkel ϕ0 kann durch eine Differenz der Steuerspannungen Ua und Ub wie der Leerhub h0 voreingestellt bzw. im Betrieb nachgestellt wer den. Fig. 9 shows the torque block known from DE 196 46 511. Here, a Kippbe movement is generated instead of the linear movement when the voltages U a and U b applied to the two adjacent piezo element stacks 20 and 22 are different from one another. The idle stroke h 0 corresponds here to the idle tilt angle ϕ 0 . This angle ϕ 0 can be preset by a difference in the control voltages U a and U b like the idle stroke h 0 or adjusted during operation.
Die Fig. 10 zeigt schematisch Schaltungsanordnungen zum Ein stellen des Leerkippwinkels ϕ0. In diesen Anordnungen wurden zur Bezeichnung entsprechender Bauteile die gleichen Bezugs zeichen wie in der Fig. 5 verwendet, die zur Unterscheidung der beiden Parallelzweige für die Piezoelementstapel 20 und 22 mit den Buchstaben A und B ergänzt wurden. Bei der Schal tung der Fig. 10a ist nur eine Summationsschaltung 12 in ei nem der beiden Parallelzweige A bzw. B und eine Gleichspan nungsquelle 18 für eine Vorspannung Uv vorgesehen, die sowohl positive als auch negative Werte an die Summationsschaltung 12' abgeben kann. Bei der Schaltung der Fig. 10b ist in jedem der beiden Parallelzweige eine Summationsschaltung 12A, 12B vorgesehen und für jede der beiden Summationsschaltungen 12A, 12B eine eigene Gleichspannungsquelle 18A, 18B zur Abgabe der Vorspannungen Uva und Uvb. Von Vorteil ist bei dieser Ausfüh rungsform, daß nur positive Spannungen erforderlich sind und somit die Feldstärke an den piezoelektrischen Elementen stets in Polarisationsrichtung wirkt. Fig. 10 shows schematically circuit arrangements for a set the empty tilt angle ϕ 0 . In these arrangements, the same reference signs were used to designate corresponding components as in FIG. 5, which were added to distinguish the two parallel branches for the piezo element stack 20 and 22 with the letters A and B. In the scarf Fig processing. 10a is a summing circuit 12 in egg nem of the two parallel branches A and B, respectively, and a DC clamping voltage source 18 for a bias voltage U v is provided, capable of delivering both positive and negative values to the summation circuit 12 '. In the circuit of FIG. 10b, a summation circuit 12 A, 12 B is provided in each of the two parallel branches and for each of the two summation circuits 12 A, 12 B a separate DC voltage source 18 A, 18 B for delivering the bias voltages U va and U vb . The advantage of this embodiment is that only positive voltages are required and the field strength at the piezoelectric elements always acts in the direction of polarization.
Die Fig. 11 zeigt schließlich eine Lösung, bei der ein linea rer Piezoaktor in zwei elektrisch getrennte und damit unab hängig voneinander ansteuerbare, mechanisch jedoch in Serie geschaltete Bereiche 30, 31 unterteilt ist. Jeder Bereich weist ein eigenes Paar von Anschlußklemmen 32, 33 auf. Der obere Bereich 30 hat lediglich die Aufgabe, den Leerhub ein zustellen, wozu an die Anschlußklemmen 32 die Vorspannung Uv angelegt wird. Mit dem unteren Bereich 31, dem die Ansteuer spannung U1 zugeführt wird, erfolgt die dynamische Ansteue rung des Betätigungselements bzw. Ventils. Das Längenverhält nis lv/l1 der Bereiche 30, 31 kann bei gleicher Dicke der piezoelektrischen Schichten in den beiden Bereichen etwa 1 : 10 betragen.The Fig. 11, finally, shows a solution in which a piezoelectric actuator in linea rer two electrically separated and inde pendent controllable from one another but mechanically connected in series regions 30, 31 is divided. Each area has its own pair of terminals 32 , 33 . The upper area 30 only has the task of adjusting the idle stroke, for which purpose the bias voltage U v is applied to the connection terminals 32 . With the lower area 31 , to which the control voltage U 1 is supplied, the dynamic control of the actuating element or valve takes place. The length ratio l v / l 1 of the regions 30 , 31 can be approximately 1:10 with the same thickness of the piezoelectric layers in the two regions.
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