DE60309469T2

DE60309469T2 - Verfahren um ein Einspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor zu betreiben

Info

Publication number: DE60309469T2
Application number: DE60309469T
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois 1020 Berlemont
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2023-09-10
Also published as: EP1515377B1; EP1515377A1; ATE344537T1; DE60309469D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kraftstoffeinspritzvorrichtungen (Kraftstoffeinspritzventile), die mit einem piezoelektrischen Aktor oder Piezostapel betätigt werden.
Hintergrund der Erfindung
In der Automobilindustrie werden bei dem auf schnell betätigende Kraftstoffeinspritzvorrichtungen bezogenen Stand der Technik piezoelektrische Aktoren verwendet, da beispielsweise Dieselmotoren heutzutage bis zu fünf kurze Einspritzvorgänge während eines Hubs haben. Neben dem Haupteinspritzvorgang betreffen die anderen Vorgänge vorwiegend die Zwecke der Reduzierung des Geräuschpegels und der Emissionswerte.
Das US-Patent 6,464,149 beschreibt eine Aktoranordnung, die ein aus einem piezoelektrischen Material gebildetes piezoelektrisches Element umfasst, wobei ein erstes Ende des piezoelektrischen Elements mit einem Geberkolbenelement zusammenwirkt, das in einer dem Geberkolbenelement zugeordneten Bohrungsoberfläche verschiebbar ist, die teilweise eine Steuerkammer für den Fluiddruck in der Steuerkammer definiert, der auf eine einem Nehmerkolbenelement zugeordnete Oberfläche wirkt, wobei das Fluid in der Steuerkammer im Wesentlichen inkompressibel ist, so dass bei der Verwendung die Bewegung des Geberkolbenelements zum Nehmerkolbenelement übertragen wird, wobei das piezoelektrische Element so in einer Kammer für das Fluid angeordnet ist, dass der Fluiddruck in der Kammer auf zumindest einen Teil der Oberfläche des piezoelektrischen Elements eine Kraft ausübt, die dazu dient, einer Last entgegenzuwirken, die wegen des Fluiddrucks in der Steuerkammer auf das piezoelektrische Element ausgeübt wird, wodurch Verziehungen im piezoelektrischen Material unterdrückt werden.
Das US-Patent 5,779,149 zeigt eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, wobei ein hydraulischer Verstärker zur Vergrößerung des Stellhubs eines piezoelektrischen Aktors verwendet wird, um eine normalerweise geschlossene Ablassvorrichtung zu öffnen, das einer hydraulischen Steuerkammer zugeordnet ist.
EP 1 209 351 A1 offenbart eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, die ein Gehäuse mit einer Aktorkammer, einen in der Aktorkammer angeordneten piezoelektrischen Aktor, eine Einspritzsteuervorrichtung und ein hydraulisches Hubverstärkermodul umfasst. Das hydraulische Hubverstärkermodul ist axial zwischen der Einspritzsteuervorrichtung und dem piezoelektrischen Aktor angeordnet.
Das am 19.04.1988 veröffentlichte Patent JP 63-88246 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung einer elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzanlage mit einem piezoelektrischen Element, wobei nur beim ersten Start des Verbrennungsmotors eine hohe Spannung an das piezoelektrische Element angelegt wird, um das piezoelektrische Element zu polarisieren.
Man kann die Aktivität des piezoelektrischen Aktors und insbesondere des im Aktor verwendeten piezoelektrischen Materials als die Beziehung zwischen der an den Aktor angelegten Spannung und dem Stellweg der Aktorenden definieren.
Es wurde beobachtet, dass die Aktoren mit der Zeit bzw. der Anzahl der in der Anwendung verwendeten Zyklen eine verringerte Aktivität zeigen. Diese Verringerung des Wegs/Hubs zwingt den Konstrukteur dazu, die Länge des im Aktor verwendeten piezoelektrischen Materials zu erhöhen, um den erforderlichen Gesamtstellweg zu realisieren. Diese Längenvergrößerung führt nicht nur zu Problemen bei der Auslegung und der mechanischen Integrität, sondern wirkt sich auch auf die Endkosten des Aktors aus.
Ziel der Erfindung
Ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes technisches Problem besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, das die Verringerung des Wegs/Hubs in einem piezoelektrischen Vielschichtaktor minimiert.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, für das Betreiben einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die einen piezoelektrischen Aktor umfasst, ein besseres Ansteuerungsverfahren bereitzustellen, das den vorstehend genannten Alterungseffekt minimiert oder sogar überwindet.
Dieses Ziel wird durch ein Verfahren zum Betreiben der den piezoelektrischen Aktor umfassenden Kraftstoffeinspritzvorrichtungen nach Anspruch 1 erreicht.
Weitere bevorzugte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Einspritzvorrichtung vorgeschlagen, die einen piezoelektrischen Aktor zum Verstellen einer Düsennadel umfasst, um eine Einspritzöffnung zu öffnen. Es wird eine Spannung, die in einem Spannungsbetriebsbereich liegt, an den piezoelektrischen Aktor angelegt, um die Verstellung der Nadel zu bewirken. Der Spannungsbetriebsbereich kann bipolar sein, d.h. positive und negative Spannung aufweisen. Dem Piezostapel des piezoelektrischen Aktors können mehrere Spannungswerte innerhalb des Betriebsbereichs zugeführt werden. Der maximale Spannungswert innerhalb des Betriebsbereichs wird durch die Möglichkeit, den Ansteuerkreis zu verwenden, und durch den Piezostapel selbst bestimmt. Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung wird während der Abschaltung des Zylinders, wenn die Kraftstoffeinspritzvorrichtung keinen Kraftstoff einspritzt, eine Wiederkehrspannung an den Piezostapel angelegt, die dem umgekehrten Koerzitivfeldspannungswert gleicht oder höher als dieser ist, der dem im Aktor verwendeten piezoelektrischen Material entspricht. Der Koerzitivfeldspannungswert ist der Spannungswert, bei dem das Keramikmaterial des Piezostapels zu depolarisieren beginnt. Bei Eintreten der Depolarisation schaltet eine Mehrzahl der Dipole zu ihrer ursprünglichen, zufälligen Ausrichtung zurück, d.h. in der sie nicht auf das elektrische Feld ausgerichtet sind. Die Ausdehnung des Piezostapels kehrt somit fast zu ihrem ursprünglichen Wert zurück, so als ob der Piezostapel vorher nie betrieben worden wäre. Der mit dem Wort „umgekehrt" bezeichnete Koerzitivfeldspannungswert hat das entgegengesetzte Vorzeichen des Spannungsbereichs, in dem der piezoelektrische Aktor betrieben wird. Bei einer bevorzugten Ausführung wird die Wiederkehrspannung angelegt, wenn die Kraftstoffeinspritzvorrichtung keinen Kraftstoff einspritzt. Das vorliegende Verfahren wird in einem Moment des Zyklus der Verwendung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung eingesetzt, wenn keine Einspritzung von Kraftstoff notwendig ist. Dadurch wird Zeit zur Verfügung gestellt, damit die Wiederherstellungswirkung stattfinden kann.
Ein mehrzylindriger Verbrennungsmotor mit mehreren Brennräumen kann so betrieben werden, dass ein Brennraum keinen Druckanstieg erzeugt. Dieser Betrieb, der in der Automobilindustrie üblicherweise als Zylinderabschaltung bekannt ist, ermöglicht, dass ein Verbrennungsmotor auf weniger Zylindern laufen kann als er tatsächlich hat. Der Verbrennungsmotor erzeugt immer noch Energie und erlaubt gleichzeitig den Betrieb des nicht angeschalteten Zylinders in anderer Weise. Die Wiederkehrspannung kann demnach an der Kraftstoffeinspritzvorrichtung des abgeschalteten Zylinders angelegt werden. Diese Art von Strategie kann auch angewendet werden, wenn der Aktor seine Alterungsgrenze erreicht hat und wenn der Motor nicht vor kurzem ausgeschaltet wurde. Jeder Zylinder kann der Reihe nach abgeschaltet werden, um so die piezoelektrischen Aktoren jeder Kraftstoffeinspritzvorrichtung in vorbestimmten Intervallen „rückzustellen". Diese Situation kann auch bei Verbrennungsmotoren auftreten, die für Anwendungen mit Dauerbetrieb eingesetzt werden, beispielsweise in der Energiegewinnung.
Vorteilhafterweise ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung an einem Verbrennungsmotor angebracht und wird die Wiederkehrspannung nach Ausschalten des Verbrennungsmotors angelegt. Sobald der Verbrennungsmotor ausgeschaltet ist, steht Zeit für die Durchführung des Wiederherstellungsvorgangs zur Verfügung. Demzufolge sind alle Einspritzvorrichtungen eines Verbrennungsmotors für optimales Verhalten beim nächsten Motorstart vorbereitet.
Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist vorteilhafterweise eine Dieseleinspritzvorrichtung. Obwohl der piezoelektrische Aktor bei anderen Arten von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen verwendet werden kann, ist die Dieseleinspritzvorrichtung besonders für die Anwendung solcher piezoelektrischen Aktoren geeignet. Dieseleinspritzvorrichtungen benötigen schnelle Aktoren, damit ihnen die größte Flexibilität bei der Ansteuerung ermöglicht wird, da bessere Strategien der Einspritzverstellung eine beträchtliche Anzahl von Einspritzvorgängen während eines Hubs des Motors vorsehen.
Der Verbrennungsmotor ist vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug angebracht. Die Automobilindustrie ist der größte Verbraucher von Verbrennungsmotoren. Der Marktanteil von Fahrzeugen, die mit einem Dieselmotor versehen sind, nimmt zu, da diese Motoren für den Endverbraucher einen größeren Wertzuwachs als ihre Benzinpendants darstellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1: einen Stellweg eines Piezostapels im Vergleich zu einer angelegten Spannung; und
2: einen Stellweg eines Piezostapels im Vergleich zu einer angelegten Spannung, wobei die Darstellung die drei anderen Quadranten des Diagramms mit negativem x und negativem y umfasst.
1 zeigt drei Kurven eines Stellwegs eines piezoelektrischen Aktors im Vergleich zu einer angelegten Spannung.
V1 ist die minimale Spannung.
V2 ist die maximale Spannung.
V3 ist ein Zwischenspannungsbereich.
D1 ist der Stellweg des Stapels, der V1 entspricht.
D2 ist der Stellweg des Stapels, der V2 entspricht, wenn der Piezostapel neu ist.
D3 ist der Stellweg des Stapels, der V2 entspricht, wenn der Piezostapel gealtert ist.
D4 ist der Stellweg des Stapels, der V2 entspricht, wenn an dem Piezostapel ein Wiederherstellungsvorgang durchgeführt wurde.
Ein erster Blick auf die als „neu" bezeichnete Kurve (Linie mit Dreiecken) zeigt, dass, wenn die angelegte Spannung von V1 auf V2 angehoben wird, der Piezostapel sich nicht in der gleichen Weise ausdehnt wie bei Reduzierung der Spannung von V2 auf V1. Der Piezostapel zeigt daher ein hystereseartiges Verhalten.
Darüber hinaus ist zu erkennen, dass bei einer Spannung V3 beide Teile der als „neu" bezeichneten Kurve eine Änderung an ihrem Wendepunkt aufweisen. V3 ist ein Bereich, in dem eine Änderung des physikalischen Verhaltens des Piezostapels geschieht. Die als „nach 60 Stunden" bezeichnete Kurve (Linie mit Quadraten) zeigt das Ansprechverhalten des Piezostapels nach ungefähr 60 Stunden Betrieb, beispielsweise nach ungefähr mehreren Millionen Zyklen von Ausdehnung und Rückstellung in unter hohem Druck stehender Umgebung. Vergleicht man den maximalen Stellweg des Stapels bei der Spannung V2, erkennt man, dass der Stellweg des Stapels nach 60 Stunden Betrieb ungefähr 12,5% kleiner ist (siehe 1 – D3 verglichen mit D2 bei der als „nach 60 Stunden" bezeichneten Kurve).
Ein Hauptnachteil der Alterung des Piezostapels bezieht sich auf die Kosten, da der Piezostapel gealtert werden muss, bevor er in einer Einspritzvorrichtung verwendet wird.
Eine Vermeidung der Alterung des Piezostapels ist möglich – beispielsweise hat der Piezostapel dann wieder Eigenschaften in Bezug auf den Vergleich zwischen Stellweg und angelegter Spannung, die denen sehr ähnlich sind, die er hatte, bevor er für eine bestimmte Zeit unter Druck betrieben wurde. Um dies zu realisieren, muss eine bestimmte Spannung an den Piezostapel angelegt werden. Diese Spannung muss den umgekehrten Koerzitivfeldwert nahe der Depolarisation des Piezostapels erreichen.
Dieser Vorgang kann in das Steuergerät der Kraftstoffanlage integriert und durchgeführt werden, wenn die Einspritzvorrichtung nicht arbeitet. Der Wiederherstellungsbetrieb muss regelmäßig durchgeführt werden. Ein elektronisches Steuergerät der Kraftstoffanlage kann ohne weiteres eine Funktion bereitstellen, die die Gesamtbetriebszeit oder die Gesamtanzahl der Einspritzungen zählt, die eine Einspritzvorrichtung seit dem letzten Wiederherstellungsvorgang vorgenommen hat. Somit lässt sich die Zeitspanne ohne weiteres bestimmen, wann ein weiterer Wiederherstellungsbetrieb durchzuführen ist.
Der Stellweg des Piezostapels im Vergleich zur angelegten Spannung des gleichen gealterten Piezostapels wurde nach der Durchführung eines Wiederherstellungsvorgangs erneut gemessen. Die als „nach Wiederherstellung" bezeichnete Kurve (Linie mit Rauten) zeigt den Stellweg des Piezostapels nach dem Wiederherstellungsvorgang. Der maximale Piezostapel-Stellweg D4 hat um ungefähr 15% im Vergleich zu dem Stapel-Stellweg vor der Wiederherstellung (D3) zugenommen und ist wieder mit dem Stapel-Stellweg eines neuen Piezostapels (D2) vergleichbar. Die als „nach Wiederherstellung" bezeichnete Kurve liegt tatsächlich sehr nahe an der als „neu" bezeichneten ursprünglichen Kurve, was darauf hinweist, dass der Piezostapel nach dem Wiederherstellungsvorgang wieder Stellwege aufweist, die denen sehr ähnlich sind, die er im Neuzustand hatte.
2 zeigt den Stellweg eines Piezostapels im Vergleich zu einer angelegten Spannung, wobei die angelegte Spannung entweder positiv (rechte Seite von 2) oder negativ (linke Seite von 2) ist.
Die als „direkter Betriebsregelkreis" bezeichnete Kurve (Linie mit Rauten) ist das Äquivalent der in 1 als „neu" bezeichneten Kurve. Sie zeigt den Stellweg des Piezostapels im Vergleich zur angelegten Spannung.
V10 ist die minimale negative Spannung.
V20 ist die maximale positive Spannung.
V30 ist die maximale negative Spannung.
V40 ist die minimale positive Spannung.
V_k ist die Koerzitivfeldspannung.
V_uk ist die umgekehrte Koerzitivfeldspannung.
D10 ist der Stellweg des Stapels, der V10 oder V40 entspricht.
D20 ist der Stellweg des Stapels, der V20 oder V30 entspricht.
D30 ist der Stellweg des Stapels, der V_k oder V_uk entspricht.
Die als „direkter Betriebsregelkreis" bezeichnete Hysteresekurve schließt sich bei V10 und D10 sowie bei V20 und D20.
Die als „umgekehrter Betriebsregelkreis" bezeichnete Kurve (Linie mit Quadraten) ist mehr oder weniger ein vertikales Spiegelbild der als „direkter Betriebsregelkreis" bezeichneten Kurve. Sie zeigt, dass der Piezostapel, wenn eine negative Spannung an ihn angelegt wird, im Wesentlichen das gleiche Verhalten wie die entsprechende positive Spannung in Bezug auf seinen Stellweg aufweist. Dieses Mal reichen die Schließpunkte von V30 und D20 bis V40 und D10.
Die als „umgekehrter Betriebsregelkreis" bezeichnete Kurve hat auch einen Koerzitivfeldspannungswert. Dieser Wert entspricht im Wesentlichen dem Gegenteil des Koerzitivfeldspannungswerts (V_k) der als „direkter Betriebsregelkreis" bezeichneten Kurve und wird als umgekehrte Koerzitivfeldspannung (V_uk) bezeichnet.
Man kann von der als „direkter Betriebsregelkreis" bezeichneten Kurve zu der als „umgekehrter Betriebsregelkreis" bezeichneten Kurve bzw. von der als „umgekehrter Betriebsregelkreis" bezeichneten Kurve zu der als „direkter Betriebsregelkreis" bezeichneten Kurve gelangen, indem man der als „umgekehrte Repolarisation" bezeichneten Kurve (Kurve mit Dreiecken) bzw. der als „direkte Repolarisation" bezeichneten Kurve (Kurve mit Kreuzen) folgt.
Ab dem Punkt des minimalen Piezoaktor-Stellwegs der als „direkter Betriebsregelkreis" bezeichneten Kurve, beispielsweise dem Punkt (V10, P10), wird die angelegte Spannung weiter reduziert und stellt sich der Piezostapel immer mehr zurück, bis die angelegte Spannung den umgekehrten Koerzitivfeldspannungswert (V_uk in 2) erreicht. Bei noch weiterer Verringerung der angelegten Spannung beginnt der Piezostapel, sich wieder auszudehnen und dabei schnell seinen ursprünglichen Stellweg D20 bei der angelegten Spannung zu erreichen. Ab diesem Punkt (V30, D20) kehrt der Stellweg des Piezostapels zu seinem „normalen Verhalten" zurück, das durch die als „umgekehrter Betriebsregelkreis" bezeichnete Kurve beschrieben wird, wenn eine höhere Spannung angelegt wird, die beispielsweise höher als V30 ist.
Die gleiche Folgerung kann auf das Erreichen der als „direkter Betriebsregelkreis" bezeichneten Kurve angewandt werden, indem man bei der als „umgekehrter Betriebsregelkreis" bezeichneten Kurve anfängt und der als „direkte Repolarisation" bezeichneten Kurve (Linie mit Kreuzen) folgt. Die als „direkte Repolarisation" bezeichnete Kurve ist im Wesentlichen das vertikale Spiegelbild der als „umgekehrte Repolarisation" bezeichneten Kurve.
Das hierdurch gebildete Diagramm ist typisch für einen Piezostapel und wird als „Schmetterlingskurve" bezeichnet.
Die Vermeidung der Alterung bzw. die Realisierung der Verjüngung des Piezostapels kann dadurch erzielt werden, dass man den Piezostapel-Stellweg bezogen auf die an ihn angelegte Spannung bei der „Schmetterlingskurve" zwischen der als „direkter Betriebsregelkreis" bezeichneten Kurve und der als „umgekehrter Betriebsregelkreis" bezeichneten Kurve vor- und zurückschaltet. Durch Umschalten von einer Kurve zur anderen kann der Piezostapel sehr leicht wiederhergestellt werden. Zur Verjüngung des Piezostapels muss demnach eine bestimmte Spannung, die dem umgekehrten Koerzitivfeldspannungswert entspricht, angelegt werden, um den Piezostapel dazu zu zwingen, den als „direkte Repolarisation" und „umgekehrte Repolarisation" bezeichneten Kurven zu folgen. Dieser Betrieb kann in das Steuergerät der Kraftstoffanlage integriert und durchgeführt werden, wenn der Piezostapel unter Druck steht, jedoch während des Zeitraums ohne Einspritzung („Kraftstoff abgestellt").
Der positive Stellweg des Piezostapels, beispielsweise die Ausdehnung, wird dadurch erreicht, dass man eine positive oder negative Spannung an den Piezostapel anlegt. Bei beiden Spannungsarten können der Piezostapel und somit die Einspritzvorrichtung, in dem er eingebaut ist, genau mit dem gleichen Stellweg bzw. der gleichen Einspritzmenge betrieben werden.
Es ist anzumerken, dass die Ausdehnung des Piezostapels in einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung verwendet wird, um dessen Öffnen und Schließen zu steuern. Je länger eine Einspritzvorrichtung geöffnet ist, desto länger spritzt sie Kraftstoff ein.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors mit mindestens einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung einen piezoelektrischen Aktor zum Verstellen einer Einspritznadel umfasst, um eine Einspritzöffnung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung zu öffnen, wobei eine Spannung in einem Betriebsspannungsbereich an den piezoelektrischen Aktor angelegt wird, um die Verstellung der Nadel zu bewirken, und wobei, wenn der mehrzylindrige Verbrennungsmotor in laufendem Betrieb ist und wenn die Kraftstoffeinspritzvorrichtung keinen Kraftstoff während der Zylinderabschaltung einspritzt, eine Wiederkehrspannung an den Aktor angelegt wird, die dem umgekehrten Koerzitivfeldspannungswert des piezoelektrischen Aktors gleicht oder höher als der umgekehrte Koerzitivfeldspannungswert ist.
Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung an einem Verbrennungsmotor angebracht ist und die Wiederkehrspannung angelegt wird, nachdem der Verbrennungsmotor ausgeschaltet wurde.
Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung eine Dieseleinspritzvorrichtung ist.
Mehrzylindriger Verbrennungsmotor, betrieben nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug, umfassend einen mehrzylindrigen Verbrennungsmotor, der nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 betrieben wird.