DE19921456A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen AktorsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit der Überschwingen und Prellen eines mit einem piezoelektrischen Aktor ausgestatteten Hochdruckeinspritzventils vermieden werden. Eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors ist so gestaltet, daß sie den Aktor zunächst nur über einen Teilhub (Q¶Aktor1¶) mit einer maximalen Steigung (I¶1¶) umlädt und nach einer Pause mit einer anderen Steigung (I¶2¶) zum Erreichen des endgültigen Hubs (Q¶Aktor2¶) lädt. Dabei ist die Restladephase (Q¶Aktor1¶ T¶p¶, dQ¶Aktor¶/dt¶2¶, Q¶Aktor2¶), (Q¶Aktor3¶ T¶p¶, dQ¶Aktor¶/dt¶2¶, Q¶Aktor4¶) so gewählt, daß für das mechanische System aus Aktor-Ventilnadel-Hydraulik ein aperiodischer Übergang zum Endwert angenähert wird.
Description
Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur
Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors, wie er
insbesondere in einem Hochdruckeinspritzventil eines
Kraftfahrzeugeinspritzsystems eingesetzt ist, und mit einer
Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren ist aus DE 197 33 560 A1 bekannt.
Piezoelektrische Aktoren lassen sich besonders vorteilhaft
als Aktoren für Einspritzventile in Kraftfahrzeugen
einsetzen, da sie bekanntermaßen die Eigenschaft aufweisen,
sich in Abhängigkeit von einer daran angelegten Spannung
zusammenzuziehen oder auszudehnen. Der Vorteil ist
insbesondere dort ausgeprägt, wenn ein solches
Einspritzventil, wie im Kraftfahrzeug, schnelle oder
häufige Bewegungen auszuführen hat. Allgemein sind
piezoelektrische Elemente kapazitive Verbraucher, die sich
entsprechend dem jeweiligen Ladungszustand bzw. der sich
daran einstellenden oder angelegten Spannung zusammenziehen
und ausdehnen.
Bei einem mit einem piezoelektrischen Aktor ausgerüsteten
Kraftstoffeinspritzventil kann es, vor allem, wenn eine
zeitlich variierende Lade- und Entladegeschwindigkeit
auftritt, zu mehr oder weniger stark ausgeprägten
Einschwingvorgängen kommen.
Bei dem in der oben erwähnten DE 197 33 560 A1
beschriebenen piezoelektrischen Aktor wird ein im
Ladestromkreis desselben vorgesehener Schalter bzw. ein im
Entladestromkreis vorgesehener Schalter während des Ladens
bzw. Entladens wiederholt derart betätigt, daß das
piezoelektrische Aktorelement durch einen vorgegebenen
mittleren Lade- bzw. Entladestrom auf eine vorgegebene
Spannung gebracht wird. Dabei wird durch das wiederholte
Öffnen und Schließen des jeweiligen Schalters ein
getaktetes Laden bzw. Entladen durchgeführt.
Bei kürzlich entwickelten mit piezoelektrischem Aktor
ausgerüsteten Hochdruckeinspritzventilen für die
Benzindirekteinspritzung im Kraftfahrzeug soll bei kurzen
Einspritzzeiten eine gute Reproduzierbarkeit und Linearität
der Einspritzmenge über der Ventilöffnungszeit (nachstehend
abgekürzt DFR) sichergestellt werden. Das Problem dabei ist
jedoch, daß, je kürzer die Öffnungszeit eines solchen
Hochdruckeinspritzventils wird, der DFR beim Öffnen durch
das Überschwingen einer stark beschleunigten Ventilnadel
wieder verschlechtert wird. Darüberhinaus führt das Prellen
zu einem erhöhten Verschleiß der Anschlagpartner. Umgekehrt
kann es beim Schließen eines schnellen
Hochdruckeinspritzventils zum Abprallen der Ventilnadel am
Ventilsitz kommen, was wiederum den DFR verschlechtert und
die Ventilnadel und den Ventilsitz unnötig verschleißt.
In magnetisch betriebenen Hochdruckeinspritzventilen wird
die Schwingungsdämpfung, Prellervermeidung und der
Verschleißschutz mit mechanischen Konstruktionen gelöst.
In der beiliegenden Fig. 1 sind in Form zweier
Zeitdiagramme die zeitlichen Abläufe an einem mit einem
piezoelektrischen Aktor ausgerüsteten und bekannten
Hochdruckeinspritzventil verdeutlicht.
Das obere Zeitdiagramm zeigt, daß der bekannte
piezoelektrische Aktor vom Zeitpunkt t0 an mit einer
einzigen Ladung (Hub) QAktor1, mit einer der Steigung im
Diagramm entsprechenden Stromstärke I1 zum Öffnen des
Ventils umgeladen wird. Dabei tritt am Ende dieses
Ladevorgangs mit QAktor1 ein starkes Überschwingen auf,
wodurch, wie mit A im unteren Teil der Fig. 1 angedeutet
ist, eine Schwingung der Ventilnadel im geöffneten Zustand
verursacht wird. Nach einer bestimmten Ventilöffnungszeit
wird der piezoelektrische Aktor zum Schließen des
Hochdruckeinspritzventils mit derselben Ladung (Hub) QAktor1
und in entgegengesetzter Richtung mit der negativen Steigung
I1 umgeladen. Das Ventil schließt plötzlich, wobei es zum
Prellen der Ventilnadel am Ventilsitz kommt (β).
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine
Ansteuervorrichtung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen
Aktors, der insbesondere in einem
Hochdruckeinspritznadelventil eines
Kraftfahrzeugeinspritzsystems eingesetzt ist, zu
ermöglichen, wobei eine Schwingungsdämpfung, die
Überschwinger beim Öffnen des Ventils, und dadurch den
schädlichen Einfluß auf den DFR und Verschleiß vermeidet,
und außerdem ein weiches Schließen des Einspritzventils
erreicht werden sollen, um dadurch ein Prellen des
Ventilglieds am Ventilsitz und den damit einhergehenden
Verschleiß zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
Die Erfindung benutzt die Möglichkeiten eines
piezoelektrischen Aktors zur zeitabhängigen Kraft-
Wegesteuerung, da der Weg und die Kraft eines solchen
Piezoaktors linear mit der aufgebrachten Ladung steigt.
Erfindungsgemäß wird der Aktor beim Öffnen und Schließen
des Ventils nur über einen Teilhub mit maximaler Steigung
I1 umgeladen. Nach einer Pause wird mit einem weiteren Hub
und einer anderen Steigung I2, die kleiner ist als die
erste maximale Steigung I1, der endgültige Hub erreicht.
Die Restladephase wird so gewählt, daß für das mechanische
System, d. h. Aktor-Ventilnadel-Hydraulik ein aperiodischer
Übergang zum Endwert angenähert wird.
Zur Durchführung dieses Ansteuerverfahrens wird eine
Steuerschaltung für die Aktorendstufe so ausgelegt, daß die
Teilhübe, die Steigungen I1 und I2 und die Pausendauer
entsprechend den mechanischen Schwingeigenschaften des
Systems Aktor-Ventilnadel-Hydraulik appliziert und
adaptiert werden können.
Durch den Einsatz der oben beschriebenen
schwingungsdämpfenden elektrischen Ansteuerung werden
kostenintensive mechanische Dämpfungsmaßnahmen vermieden.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Kennwerte
der Schwingungsdämpfung bei einer Änderung meßbarer
Systemparameter (z. B. Druck im Rail eines Common-Rail-
Einspritzsystems) während des Betriebs angepaßt werden
können, indem die von der Ansteuerschaltung in der Endstufe
zum Öffnen und Schließen des Ventils an den
piezoelektrischen Aktor jeweils zugeführten Stromstärken
und deren Dauer während des Betriebs verändert werden.
Nachstehend wird anhand der Zeichnung ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Ansteuerverfahrens am Beispiel eines mit einem
piezoelektrischen Aktor ausgestatteten
Hochdruckeinspritzventils beschrieben. Es ist jedoch zu
bemerken, daß das erfindungsgemäße Ansteuerverfahren nicht
nur bei der Ansteuerung eines in einem
Hochdruckeinspritzventil eingesetzten piezoelektrischen
Aktors sondern allgemein zum schnellen und sicheren
Schalten von piezoelektrischen Aktoren anwendbar ist.
Fig. 1 zeigt in Form zweier Zeitdiagramme die bereits
beschriebenen zeitlichen Abläufe beim Öffnen und
Schließen eines Hochdruckeinspritzventils,
welches mit Überschwingern und mit Prellen am
Ventilsitz behaftet ist, und die einem
piezoelektrischen Aktor dabei erteilten Hübe.
Fig. 2 zeigt ebenfalls in Form zweier Zeitdiagramme das
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der
Ansteuerung des beispielshaft im
Hochdruckeinspritzventil eingesetzten
piezoelektrischen Aktors erzielte Verhalten und
die davon abhängigen Ventilhübe ohne
Überschwingen und Prellen.
Fig. 3 zeigt eine zur Durchführung des Verfahrens
realisierte Schaltungsanordnung, d. h. eine
Ansteuerschaltung mit Aktorendstufe.
Fig. 4 zeigt die durch den piezoelektrischen Aktor
fließenden Istströme bezogen auf das im oberen
Teil der Fig. 2 gezeigte Zeitdiagramm.
In der oberen Hälfte der Fig. 2 ist in Form eines
Zeitdiagramms die dem erfindungsgemäßen Verfahren
entsprechende Funktion bei der Ansteuerung eines
beispielshaft in einem Hochdruckeinspritzventil im
Kraftfahrzeugeinspritzsystem eingesetzten piezoelektrischen
Aktors dargestellt.
Beginnend mit dem Zeitpunkt t0 wird der (nicht gezeigte)
Aktor nur über einen Teilhub QAktor1 mit der maximalen
Steigung I1 = dQAktor/dt1 umgeladen. Der Weg und die Kraft des
Aktors entspricht danach der aufgebrachten Ladung QAktor1.
Nach einer Pause der Zeitdauer TP erfolgt zum endgültigen
Öffnen des Ventils ein weiterer Teilhub mit einer
geringeren Umladesteigung I2 = dQAktor/dt2, bis der endgültige
Hub QAktor2 beim Öffnen des Ventils erreicht ist.
Nach einer bestimmten Zeit, d. h. zum Zeitpunkt t1, beginnt
erneut eine Umladung zum Schließen des Ventils zunächst mit
dem Hub QAktor3 mit der der Stromstärke entsprechenden
Steigung I1. Dann folgt eine Pause der Dauer Tp und vom
Zeitpunkt t2 am Ende der Pause TP beginnt die restliche
Umladung mit QAktor4 und der geringeren Steigung I2, bis das
Ventil geschlossen ist.
Die Restladephase (QAktor1 TP, dQAktor/dt2, QAktor2), (QAktor3 TP,
dQAktor/dt2, QAktor4) wird demnach so gewählt, daß für das
mechanische System: Aktor-Ventilnadel-Hydraulik ein
aperiodischer Übergang zum Endwert angenähert wird, wie
dies in dem im unteren Teil der Fig. 2 dargestellten
Zeitdiagramm für den erreichten Ventilnadelhub
veranschaulicht ist.
Zur Realisierung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß eine
in Fig. 3 als Blockschaltbild dargestellte
Schaltungsanordnung, d. h. eine Ansteuerschaltung für die
Aktorendstufe so ausgelegt, daß die Hübe QAktor1 und QAktor2,
die den Steigungen entsprechenden Stromstärken I1 = dQAktor/dt1
und I2 = dQAktor/dt2 und die Pausendauer TP entsprechen den
mechanischen Schwingeigenschaften des Systems: Aktor-
Ventilnadel-Hydrauliksystems appliziert und adaptiert
werden können.
Die am Messwiderstand Rmess, der in Reihe zum
piezoelektrischen Aktor liegt, gemessenen Istströme und die
am Spannungsmessteiler abfallenden Istspannungen werden
jeweils in Zweipunktreglern mit von einem Mikrocomputer µC
ermittelten Sollwerten verglichen und die daraus sich
ergebenden Differenzsignale einer Endstufenlogik zugeführt,
welche die erfindungsgemäße Ladezeiten festlegt und
entsprechende Signale Treibergliedern der Endstufe zuführt.
Fig. 4 zeigt die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
realisierten, durch den piezoelektrischen Aktor strömenden
Istströme im Vergleich mit dem im oberen Teil der Fig. 2
gezeigten, die Sollströme über die Steigungen I1, I2
veranschaulichenden Zeitdiagramm.
Claims (6)
1. Verfahren zur Ansteuerung eines in einem
Einspritzventil, insbesondere Hochdruckeinspritznadelventil
eines Kraftfahrzeugeinspritzsystems eingesetzten
piezoelektrischen Aktors mit einer den piezoelektrischen
Aktor zum Öffnen und Schließen des Ventils in mehreren
Zeitintervallen ladenden bzw. entladenden
Ansteuerschaltung, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Öffnen und Schließen des Ventils der piezoelektrische Aktor anfänglich mit einer ersten Teilladung (QAktor1) mit einer maximalen Steigung (I1 = dQAktor/dt1) umgeladen wird,
daß der piezoelektrische Aktor nach einer darauffolgenden Pause (TP) in derselben Richtung mit einer zweiten Teilladung auf den endgültigen Hub (QAktor2) geladen wird, wobei die Steigung (I2 = dQAktor/dt2) für die zweite Teilladung kleiner sein kann als die maximale Steigung (I1) des ersten Teilhubs, so daß beim Öffnen bzw. Schließen des Ventils kein Überschwinger auftritt, und
daß die Restladephase (QAktor1 TP, dQAktor/dt2, QAktor2), (QAktor3 TP, dQAktor/dt2, QAktor4) so gewählt ist, daß für das mechanische System (Aktor, Ventilglied, Hydraulik) ein aperiodischer Übergang zum Endwert angenähert wird.
daß beim Öffnen und Schließen des Ventils der piezoelektrische Aktor anfänglich mit einer ersten Teilladung (QAktor1) mit einer maximalen Steigung (I1 = dQAktor/dt1) umgeladen wird,
daß der piezoelektrische Aktor nach einer darauffolgenden Pause (TP) in derselben Richtung mit einer zweiten Teilladung auf den endgültigen Hub (QAktor2) geladen wird, wobei die Steigung (I2 = dQAktor/dt2) für die zweite Teilladung kleiner sein kann als die maximale Steigung (I1) des ersten Teilhubs, so daß beim Öffnen bzw. Schließen des Ventils kein Überschwinger auftritt, und
daß die Restladephase (QAktor1 TP, dQAktor/dt2, QAktor2), (QAktor3 TP, dQAktor/dt2, QAktor4) so gewählt ist, daß für das mechanische System (Aktor, Ventilglied, Hydraulik) ein aperiodischer Übergang zum Endwert angenähert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die der maximalen Steigung entsprechende Stromstärke (I1)
so gewählt wird, daß der für den Anschlag relevante Strom
(I2) nicht erreicht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Pausendauer (TP) zum Öffnen und Schließen des Ventils
jeweils unterschiedlich gewählt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Pausendauer (TP) im Grenzfall Null ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die mechanischen Schwingeigenschaften des Aktor-
Ventilglied-Hydrauliksystems ermittelt und entsprechend
dieser ermittelten Systemparameter die Größen und
Steigungen für die Aktorhübe angepaßt werden.
6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuerschaltung für die Endstufe eines
piezoelektrischen Aktors für ein Einspritzventil eines
Kraftfahrzeugeinspritzsystems so ausgelegt ist, daß die zum
Öffnen und Schließen des Ventils vom piezoelektrischen
Aktor ausgeübten Teilhübe (QAktor1, QAktor2, QAktor3, QAktor4), die
den Steigungen entsprechenden Stromstärken (I1 = dQAktor/dt1
und I2 = dQAktor/dt2) und die Pause (TP) entsprechend den
mechanischen Schwingeigenschaften des Systems: Aktor-
Ventilglied-Hydraulik appliziert und adaptiert werden.
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