ES2294608T3 - Procedimiento y dispositivo para vigilar y evaluar el funcionammiento de un actuador piezoelectrico. - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para vigilar y evaluar el funcionammiento de un actuador piezoelectrico. Download PDF

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Abstract

Procedimiento para vigilar y evaluar el funcionamiento de un actuador (10) piezoeléctrico en el que una emisión acústica del actuador (10) es vigilada por medio de un sensor (22; 34) acústico y en el que el funcionamiento del actuador (10) es evaluada por medio de la emisión acústica medida por el sensor (22; 34) por comparación de la emisión acústica medida con la emisión nominal acústica del actuador (10), cuando el actuador (10) funciona correctamente.

Description

Procedimiento y dispositivo para vigilar y evaluar el funcionamiento de un actuador piezoeléctrico.
El invento se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para vigilar y evaluar el funcionamiento de un actuador piezoeléctrico.
Los actuadores piezoeléctricos son fundamentalmente conocidos y son utilizados, por ejemplo, en las válvulas de inyección de combustibles accionadas piezoeléctricamente, conocidas como piezoinyectores, para controlar la inyección de combustible en las cámaras de combustión de motores de combustión, por ejemplo de un vehículo de motor.
Un actuador piezoeléctrico conocido comprende un paquete, de manera típica, de varios centenares de capas cerámicas, que poseen propiedades piezoeléctricas, apiladas una encima de otra. Cada una de las capas cerámicas se puede dilatar, por aplicación de una carga eléctrica correspondiente, unas pocas décimas de micrometro, con lo que la totalidad del paquete piezoeléctrico se puede dilatar varias centésimas de milímetro, según la cantidad de capas cerámicas apiladas una encima de otra. Esto puede ser suficiente para separar la aguja de la válvula de un piezoinyector de su asiento de válvula y abrir la válvula.
El análisis de actuadores piezoeléctricos averiados resulta problemático hasta ahora, ya que los actuadores piezoeléctricos defectuosos sólo podían ser identificados como defectuosos, cuando fallan de manera definitiva.
El fallo definitivo del actuador piezoeléctrico se debe con frecuencia a un desarrollo local excesivo de calor, en especial en aquellos puntos en lo que se halla el origen del defecto. Debido al desarrollo local de calor es posible, que las capas cerámicas adyacentes al punto de la avería se fundan, respectivamente que las capas de pasivado previstas en la superficie de las capas cerámicas y/o el encapsulado del paquete piezoeléctrico se carbonice, con lo que se destruye totalmente el punto de avería original.
De esta manera no sólo se destruye la información de la causa del fallo del actuador piezoeléctrico, es decir del defecto original, sino que también se destruyen los detalles del desarrollo en el tiempo del daño. Un actuador piezoeléctrico averiado por desarrollo de calor incluso puede ser destruido hasta tal punto, que ni siquiera se pueda determinar si la avería del actuador se inició en su superficie o en su interior.
A través del documento US-B-6 487 505 se conoce un procedimiento para el diagnóstico de sistemas piezomecánicos. El sistema comprende un sistema piezoeléctrico parcial, es decir un elemento piezoeléctrico acoplado con el sistema mecánico parcial, que sirve para la activación del sistema mecánico parcial. Con la medición y la evaluación de valores eléctricos característicos del elemento piezoeléctrico se determina y vigila el estado de funcionamiento de la totalidad del sistema. Para la activación del sistema mecánico parcial se aplica al elemento piezoeléctrico una señal de excitación, por ejemplo una señal eléctrica rectangular. Al mismo tiempo se mide en el elemento piezoeléctrico una señal piezoeléctrica, que se compone de la señal de excitación aplicada y de una señal adicional resultante del acoplamiento del elemento piezoeléctrico con el sistema mecánico parcial. En la señal piezoeléctrica medida se realiza una exploración del valor umbral y basándose en el resultado de la exploración del valor umbral se evalúa si se ha producido una avería en el funcionamiento de la parte mecánica y/o de la parte piezoeléctrica de la totalidad del sistema.
El invento se basa en el problema de crear un procedimiento y un dispositivo para vigilar y evaluar el funcionamiento de un actuador piezoeléctrico, que hagan posible una detección lo más temprana posible de un defecto del actuador piezoeléctrico.
Para la solución de este problema se prevén un procedimiento y un dispositivo según las reivindicaciones no subordinadas.
En el procedimiento según el invento para vigilar y evaluar el funcionamiento de un actuador piezoeléctrico se vigila con un sensor acústico una emisión acústica del actuador y el funcionamiento del actuador se determina por medio de la emisión acústica registrada con el sensor y, en especial, por comparación de la emisión acústica registrada con una emisión acústica nominal del actuador, cuando este funciona correctamente.
Una desviación de la emisión acústica del actuador detectada con relación a la emisión nominal prevista en el funcionamiento correcto del actuador es un indicio de un defecto del actuador. En este caso se comprobó, que incluso aquellos defectos, que no conducen o al menos no conducen inmediatamente al fallo definitivo del actuador, ya dan lugar a una modificación detectable de la emisión acústica.
Por lo tanto, con el procedimiento según el invento es posible una identificación prematura de los defectos. Con ello es posible, que un actuador sea puesto fuera de servicio ya antes de su destrucción total y analizar el defecto y, en especial, analizar en profundidad su causa. De manera alternativa o adicional se puede analizar el desarrollo en el tiempo del defecto hasta la destrucción total del actuador. El análisis detallado de esta clase del origen y del desarrollo del defecto hace posible modificar los actuadores piezoeléctricos futuros de tal modo, que se evite ampliamente el defecto detectado. Como resultado, con ello se pueden crear actuadores piezoeléctricos con una fiabilidad y vida útil mayores.
Además, el procedimiento no sólo se puede utilizar para el análisis de averías, sino también para la vigilancia de un actuador piezoeléctrico durante su utilización correcta. Si el actuador forma parte de un piezoinyector de un motor de combustión para vehículos de motor, se puede utilizar por ejemplo el procedimiento para advertir al conductor del vehículo lo antes posible de un fallo del actuador, respectivamente de la válvula de inyección y hacer posible con ello su sustitución.
De acuerdo con una configuración ventajosa del procedimiento según el invento se mide la emisión acústica por medio de un sensor acústico, que se halle en contacto con el actuador. Esto significa una disposición compacta y con ello en poco espacio del actuador y del sensor, que es especialmente ventajosa, cuando se dispone el actuador en el interior de una válvula de inyección.
En el caso del sensor se puede tratar por ejemplo de un componente separado, que se fija a un actuador ya montado previamente y que se dispone por ejemplo en el lado exterior del actuador. El sensor puede ser, de manera alternativa o adicional, un componente del propio actuador y abarcar en especial un componente del paquete piezoeléctrico del actuador.
La emisión acústica es medida con preferencia por medio de un sensor piezoeléctrico de aceleración. Un sensor de esta clase no sólo posee un tamaño pequeño, sino que también responde de manera especialmente sensible a las vibraciones del actuador y con ello a la emisión acústica del actuador. El sensor de aceleración puede ser por ejemplo un medidor de aceleración tridimensional, de manera, que se puedan detectar las vibraciones del actuador en las tres direcciones del espacio.
La medición de la emisión acústica se basa en el efecto piezoeléctrico, es decir, que la vibración de un actuador, que dé lugar a una señal acústica, provoca una deformación de un elemento piezoeléctrico del sensor, con lo que se genera en el elemento piezoeléctrico un campo eléctrico, que puede ser detectado en forma de una tensión eléctrica.
La tensión eléctrica generada por el sensor puede ser amplificada con un amplificador y puede ser representada de manera acústica u óptica en un medio de salida adecuado, como por ejemplo un altavoz o un osciloscopio. La señal de tensión medida puede ser evaluada eventualmente de manera automática en una unidad de evaluación y se puede medir la desviación de la señal medida con relación a una señal nominal.
La emisión acústica es medida ventajosamente por medio de una capa piezoeléctrica separada dispuesta sobre un lado exterior del actuador o del paquete piezoeléctrico del actuador. Una capa piezoeléctrica de esta clase representa una forma especialmente sencilla de un sensor piezoeléctrico de aceleración y no da lugar a un aumento esencial del tamaño del paquete piezoeléctrico, respectivamente del actuador.
La lectura del sensor acústico se realiza con preferencia a través de un conductor con el que se gobierna el actuador. Dado que en una válvula de inyección Diesel de un sistema "Common Rail" pueden reinar presiones hasta de 2000 bar, resulta difícil y posiblemente peligroso prever en la carcasa de la válvula orificios de entrada, respectivamente de salida para la lectura del sensor. Esto es tanto más válido por cuanto que el actuador se dispone en la válvula de inyección de tal modo, que sea bañado por el combustible.
Dado que el gobierno del actuador y la lectura del sensor tiene lugar a través del mismo conductor, no es necesario prever en la válvula orificios de entrada, respectivamente de salida adicionales. Por lo tanto, cuando se utiliza un sensor acústico, la válvula de inyección puede ser utilizada con su forma existente.
De acuerdo con otra forma de ejecución del procedimiento según el invento se sacan de la clase de la emisión acústica medida y en especial de la desviación de la emisión acústica medida con relación a una emisión nominal prevista en el caso de un funcionamiento correcto conclusiones acerca de la clase del daño del actuador. Para ello se aprovecha, que determinados defectos dan lugar a una modificación característica de la emisión acústica.
En una forma predeterminada de la desviación de la emisión acústica medida con relación emisión nominal prevista en el caso de un funcionamiento correcto se puede generar una señal de alarma. Esto hace posible la señalización anticipada de la amenaza de un fallo del actuador piezoeléctrico.
La desviación prefijada de la señal acústica detectada con relación a la señal nominal puede ser elegida de tal modo, que sea posible una desactivación y/o la sustitución del actuador piezoeléctrico defectuoso antes de que este sea destruido totalmente. Si el actuador sirve por ejemplo para el accionamiento de un piezoinyector de un motor de combustión de un vehículo de motor, se puede alertar así al conductor del vehículo de motor del defecto con tanta antelación, que sea posible la sustitución del actuador piezoeléctrico antes de que influya de manera manifiesta en la potencia del motor o dañe el motor.
El dispositivo según el invento sirve para la realización del procedimiento según el invento y hace con ello posible la obtención de las ventajas mencionadas más arriba.
En lo que sigue se describirá el invento a título de ejemplo por medio de formas de ejecución ventajosas y haciendo referencia al dibujo. En él muestran:
La figura 1, una representación esquemática de una primera forma de ejecución del dispositivo según el invento para la vigilancia y evaluación del funcionamiento de un actuador piezoeléctrico.
La figura 2, una representación esquemática de una segunda forma de ejecución del dispositivo según el invento para la vigilancia y evaluación del funcionamiento de un actuador piezoeléctrico.
En la figura 1 se representa una primera forma de ejecución del dispositivo según el invento para la vigilancia y evaluación de la capacidad de funcionamiento de un actuador 10 piezoeléctrico.
El actuador 10 comprende un paquete 12 piezoeléctrico formado por varios centenares de capas 14 cerámicas apiladas una encima de otra de las que en la figura sólo se representan siete a título de ejemplo. Cada capa 14 cerámica está conectada por medio de dos electrodos 16 con dos electrodos 18 colectores, conectados a su vez con una conexión 20 externa del actuador 10.
El actuador 10 está conectado a través de conexiones 20 con una fuente 21 de corriente, que suministra al actuador 10 una corriente pulsada modulada con el ancho del impulso. Con el impulso de corriente se descarga en primer lugar el actuador 10 y después se carga nuevamente de manera definida. Durante el tiempo entre dos impulsos se mantiene en el actuador la carga eléctrica aplicada. El paquete 12 piezoeléctrico está dilatado en este estado cargado, de manera, que, por ejemplo, la aguja de una válvula de inyección es retenida sobre el correspondiente asiento de válvula.
El ancho del impulso puede ser, cuando se utiliza el actuador 10 en una válvula piezoeléctrica de inyección del motor de combustión de un vehículo de motor, de aproximadamente 0,4 ms y equivaler al 5% de la duración del ciclo, de manera, que el tiempo entre dos impulsos de corriente es del 95 6 de la duración del ciclo y con ello aproximadamente de 0,7 s.
Para la medición de una emisión acústica del actuador 10 sirve un sensor 22 piezoeléctrico de aceleración. En el caso del sensor 22 de aceleración se trata de un componente separado fijado en el ejemplo de ejecución representado en un lado exterior del actuador 10. De manera alternativa también es posible montar el sensor 22 de aceleración directamente en el paquete 12 piezoeléctrico.
Con la ayuda del sensor 22 de aceleración se puede detectar una vibración del actuador 10, que dé lugar a una emisión acústica del actuador 10. La vibración del actuador 10 da lugar a una deformación del elemento piezoeléctrico del sensor 22 de aceleración con la que se genera un campo eléctrico en el elemento piezoeléctrico.
El campo eléctrico es leído en forma de tensión eléctrica a través de conductores 24 eléctricos. El valor y la curva en función del tiempo de la tensión medida informan del desarrollo en función del tiempo de la deformación del elemento piezoeléctrico del sensor 22 de aceleración y con ello de la amplitud y de la frecuencia de la vibración del actuador 10, que definen en última instancia la amplitud y la frecuencia de la emisión acústica del actuador 10.
La señal de tensión extraída del sensor 22 de aceleración se aplica a un amplificador 26 de señales. La señal eléctrica amplificada es comparada en una unidad 28 de comparación con la señal nominal prevista en un actuador 10, que funcione correctamente, y se determina la desviación de la señal medida con relación a la señal nominal.
La desviación detectada de la señal medida con relación a la señal nominal es analizada en una unidad 30 de evaluación. Con una forma predeterminada de la desviación, por ejemplo, cuando se rebasa por arriba, respectivamente por abajo, un umbral de frecuencia y/o de amplitud prefijado, se puede generar una señal de alarma correspondiente par alertar de un defecto del actuador 10, respectivamente de la amenaza de fallo del actuador 10 y hacer posible la desactivación, respectivamente la sustitución anticipadas del actuador 10.
El amplificador 26 de señales, la unidad 28 de comparación y la unidad 30 de evaluación están agrupados en el ejemplo de ejecución representado en una unidad 32 computadora. Sin embargo, fundamentalmente también es posible prever el amplificador 26 de señales, la unidad 28 de comparación y la unidad 30 de evaluación como componentes separados.
Para fines de laboratorio es, además, posible prescindir de una evaluación automática de la señal acústica medida y prever, en lugar de la unidad 28 de comparación y de la unidad 30 de evaluación, un medio óptico o acústico de presentación, por ejemplo un altavoz o un osciloscopio, para hacer posible la evaluación de la emisión acústica medida por medio de la vista o del oído.
Como se indica en la figura 1, los conductores 24 eléctricos para la lectura del sensor 22 de aceleración y los conductores 33 eléctricos para la excitación del actuador 10 se agrupan, al menos por tramos, en un cable común. Esto reduce el coste en aparatos necesario para la vigilancia de la emisión acústica del actuador 10. Si se prevé el actuador 10 por ejemplo para el accionamiento de una válvula de inyección de combustible, no es necesario prever en la carcasa de la válvula orificios adicionales para el paso de los conductores 24 eléctricos. Por el contrario, los conductores 24 eléctricos para la lectura del sensor 22 de aceleración y los conductores 33 eléctricos previstos para la alimentación con corriente del actuador 10 pueden entrar, respectivamente salir de la carcasa de la válvula a través de un orificio común.
En la figura 2 se representa una segunda forma de ejecución del dispositivo según el invento para la vigilancia y evaluación de la capacidad de funcionamiento del actuador 10 piezoeléctrico.
La segunda forma de ejecución se diferencia de la primera forma de ejecución representada en la figura 1 únicamente porque en el actuador 10 no se dispone un sensor 22 de aceleración separado, sino que el sensor acústico es integrado directamente en el paquete 12 piezoeléctrico. Dicho con mayor exactitud, el sensor acústico es formado en la segunda forma de ejecución por una capa 34 cerámica del paquete 12 piezoeléctrico. La emisión acústica del actuador 10 no sólo es generada en este ejemplo de ejecución por el paquete 12 piezoeléctrico, sino que también es detectada por una parte de él.
En el ejemplo de ejecución representado en la figura 2 se prevé como sensor una capa 34 cerámica, que se halla en un extremo del paquete 12 piezoeléctrico. Sin embargo, en principio también es posible utilizar como capa de sensor una capa 14 cerámica dispuesta en la zona central del paquete 12 piezoeléctrico.
Lista de símbolos de referencia
10
Actuador
12
Paquete piezoeléctrico
14
Capa cerámica
16
Electrodo
18
Electrodo colector
20
Conexión
21
Fuente de corriente
22
Sensor de aceleración
24
Conductor
26
Amplificador de señales
28
Unidad de comparación
30
Unidad de evaluación
32
Unidad computadora
33
Conductor
34
Capa de sensor

Claims (14)

1. Procedimiento para vigilar y evaluar el funcionamiento de un actuador (10) piezoeléctrico en el que una emisión acústica del actuador (10) es vigilada por medio de un sensor (22; 34) acústico y en el que el funcionamiento del actuador (10) es evaluada por medio de la emisión acústica medida por el sensor (22; 34) por comparación de la emisión acústica medida con la emisión nominal acústica del actuador (10), cuando el actuador (10) funciona correctamente.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la emisión acústica se mide con un sensor (22; 34) acústico que se halla en contacto con el actuador (10).
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la emisión acústica es medida con un sensor (22; 34) acústico dispuesto en un lado exterior del actuador (10).
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la emisión acústica es medida con un sensor (22; 34) piezoeléctrico de aceleración, por ejemplo un medidor tridimensional de la aceleración.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la emisión acústica es medida con una capa (22) piezoeléctrica dispuesta en un lado exterior del actuador (10) o de un paquete (12) piezoeléctrico del actuador (10).
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la emisión acústica es medida con una capa (34) piezoeléctrica, que forma parte del actuador (10) y en especial de un paquete (12) piezoeléctrico del actuador (10).
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sensor (22; 34) acústico es leído a través de un cable conductores a través del que se excita el actuador (10).
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque de la clase de la emisión acústica medida y en especial de la desviación de la emisión acústica medida con relación de una emisión nominal prevista, cuando el actuador (10) funciona correctamente, se sacan conclusiones sobre la clase del defecto del actuador (10).
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque, con una forma prefijada de la desviación de la emisión acústica medida con relación a la emisión prevista, cuando el actuador (10) funciona correctamente, se genera una señal de alarma.
10. Dispositivo para la vigilancia y evaluación del funcionamiento de un actuador (10) piezoeléctrico con un sensor (22; 34) acústico para vigilar la emisión acústica del actuador (10) y con una unidad (30) de evaluación conectada con el sensor (22; 34) para evaluar el funcionamiento del actuador (10) por comparación de la emisión acústica medida con el sensor (22; 34) con la emisión acústica nominal del actuador (10) prevista, cuando el actuador (10) funciona correctamente.
11. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado porque el sensor (22; 34) es un sensor piezoeléctrico de aceleración.
12. Dispositivo según la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque el sensor (34) comprende una capa piezoeléctrica dispuesta en un lado exterior del actuador (10) o de un paquete (12) piezoeléctrico del actuador (10).
13. Dispositivo según una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado porque el sensor comprende una capa (34) piezoeléctrica, que es un componente del actuador (10) y en especial de un paquete (12) piezoeléctrico del actuador (10).
14. Dispositivo según una de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado porque se prevé un dispositivo de alarma para genera una señal de alarma en el caso de una forma predeterminada de la desviación de la emisión acústica medida con relación a la emisión nominal.
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