EP1179129B1 - Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung eines piezoelektrischen aktors - Google Patents

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EP1179129B1 EP00936649A EP00936649A EP1179129B1 EP 1179129 B1 EP1179129 B1 EP 1179129B1 EP 00936649 A EP00936649 A EP 00936649A EP 00936649 A EP00936649 A EP 00936649A EP 1179129 B1 EP1179129 B1 EP 1179129B1
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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 eine Teilhub (QAktor1) mit einer maximalen Steigung (I1) umlädt und nach einer Pause mit einer anderen Steigung (I2) zum Erreichen des endgültigen Hubs (QAktor2) lädt. Dabei ist die Restladephase (QAktor1 Tp, dQAktor/dt2, QAktor2), (QAktor3 Tp, dQAktor/dt2, QAktor4) so gewählt, dass für das mechanische System aus Aktor-Ventilnadel-Hydraulik ein aperiodischer Übergang zum Endwert angenähert wird.

Description

Stand der Technik
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.
Aus der EP 0 371 469 A1 ist eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Piezo-Aktors zum Öffnen und Schließen eines Ventilglieds bekannt, welche den Piezo-Aktor in zwei Phasen ansteuert. In einer ersten Phase wird der Aktor mit einer ersten Spannung angesteuert. Die erste Phase endet kurz bevor das Ventilglied den Ventilsitz erreicht. In einer daran anschließenden zweiten Phase wird die am Piezo-Aktor angelegte Spannung erhöht. In Folge dessen erhöht sich auch die Schließkraft des Ventilglieds. Durch diese Maßnahme kann zwar möglicherweise das unerwünschte Prellen des Ventilglieds auf dem Ventilsitz unterbunden werden, allerding ist der Verschleiß von Ventilsitz und Ventilgliedspitze entsprechend hoch.
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 Figur 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 Figur 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 entgegengesetzer Richtung mit der negativen Steigung I1 umgeladen. Das Ventil schließt plötzlich, wobei es zum Prellen der Ventilnadel am Ventilsitz kommt (β).
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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. Anschließend wird der Piezo-Aktor mit 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.
Zeichnung
Figur 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.
Figur 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.
Figur 3
zeigt eine zur Durchführung des Verfahrens realisierte Schaltungsanordnung, d. h. eine Ansteuerschaltung mit Aktorendstufe.
Figur 4
zeigt die durch den piezoelektrischen Aktor fließenden Istströme bezogen auf das im oberen Teil der Figur 2 gezeigte Zeitdiagramm.
Ausführungsbeispiel
In der oberen Hälfte der Figur 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 Figur 2 dargestellten Zeitdiagramm für den erreichten Ventilnadelhub veranschaulicht ist.
Zur Realisierung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß eine in Figur 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.
Figur 4 zeigt die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierten, durch den piezoelektrischen Aktor strömenden Istströme im Vergleich mit dem im oberen Teil der Figur 2 gezeigten, die Sollströme über die Steigungen I1, I2 veranschaulichenden Zeitdiagramm.

Claims (7)

  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, QAktor3) mit einer maximalen Steigung (I1) umgeladen wird,
    daß der piezoelektrische Aktor in derselben Richtung mit einer zweiten Teilladung auf den endgültigen Hub (QAktor2, QAktor4) geladen wird, wobei die Steigung (I2) für die zweite Teilladung kleiner ist als die maximale Steigung (I1) des ersten Teilhubs, so daß beim Öffnen bzw. Schließen des Ventils kein Überschwinger auftritt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen erster Teilladung (QAktor1, QAktor3) und zweiter Teilladung (QAktor2, QAktor4) eine Pause (TP) vorgesehen ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß eine an die erste Teilladung (QAktor1) anschließende Restladephase (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.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilladung (QAktor1) so gewählt wird, dass das Ventilglied seinen Anschlag nicht erreicht.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pausendauer (TP) zum Öffnen und Schließen des Ventils jeweils unterschiedlich gewählt ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.
  7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 6, 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) und (I2) und die Pause (TP) entsprechend den mechanischen Schwingeigenschaften des aus Aktor, Ventilglied und Hydraulik bestehenden Systems appliziert und adaptiert werden.
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