WO2000068558A1 - Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung eines piezoelektrischen aktors - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung eines piezoelektrischen aktors Download PDF

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Norbert Keim
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    • F02D2041/2037—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit for preventing bouncing of the valve needle

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a piezoelectric actuator, such as is used in particular in a high-pressure injection valve of a motor vehicle injection system, and to a circuit arrangement for carrying out this method.
  • Piezoelectric actuators can be used particularly advantageously as actuators for injection valves in motor vehicles, since they are known to have the property of contracting or expanding as a function of a voltage applied to them. The advantage is particularly pronounced when such an injection valve, as in a motor vehicle, has to make rapid or frequent movements.
  • piezoelectric elements are capacitive consumers that contract and expand in accordance with the respective state of charge or the voltage which is established or applied thereon.
  • Charging circuit of the same switch provided or a switch provided in the discharge circuit is repeatedly actuated during charging or discharging in such a way that the piezoelectric actuator element is set to a predetermined value by a predetermined mean charging or discharging current
  • High pressure injection valve come to bounce off the valve needle on the valve seat, which in turn worsens the DFR and wears the valve needle and the valve seat unnecessarily.
  • Time diagrams the time sequences on one with one Piezoelectric actuator equipped and known high-pressure injector illustrates.
  • the upper timing diagram shows that the known piezoelectric actuator with a single charge (stroke) from time t 0 w ith one of the incline in the chart corresponding current intensity I, for opening the valve is transferred.
  • stroke a single charge
  • I current intensity
  • the piezoelectric actuator is reloaded to close the high-pressure injection valve with the same charge (stroke) Q Aktorl and in the opposite direction with the negative slope I ⁇ .
  • the valve closes suddenly, causing the valve needle to bounce on the valve seat (ß).
  • the invention uses the possibilities of one piezoelectric actuator for time-dependent force displacement control, since the displacement and the force of such a piezo actuator increase linearly with the applied charge.
  • the actuator is transferred during opening and closing of the valve only on a partial stroke at maximum slope I- L. After a pause, the final stroke is reached with a further stroke and a different slope l 2 _ which is smaller than the first maximum slope I lr .
  • the remaining charging phase is chosen so that for the mechanical system, i.e. H. Actuator valve needle hydraulics an aperiodic transition to the final value is approximated.
  • Control circuit for the actuator output stage designed so that the partial strokes, the gradients I ⁇ and I 2 and the pause duration can be applied and adapted in accordance with the mechanical vibration properties of the actuator-valve needle-hydraulic system.
  • the characteristic values of the vibration damping can be adapted during a change in measurable system parameters (e.g. pressure in the rail of a common rail injection system) during operation by opening the control circuit in the output stage and closing the valve to the piezoelectric actuator respectively supplied currents and their duration can be changed during operation.
  • measurable system parameters e.g. pressure in the rail of a common rail injection system
  • control method according to the invention is not only used for controlling one in one
  • High pressure injector used piezoelectric actuator but is generally applicable for fast and safe switching of piezoelectric actuators.
  • FIG. 1 shows in the form of two time diagrams the time sequences already described when opening and closing a high-pressure injection valve, which has overshoots and bounces
  • Valve seat is afflicted, and the strokes given to a piezoelectric actuator.
  • FIG. 2 also shows in the form of two time diagrams that with the inventive method in the
  • Actuation of the example used in the high-pressure injection valve behavior achieved by the piezoelectric actuator and the valve strokes dependent on it without overshoot and bouncing.
  • FIG. 3 shows a circuit arrangement implemented for carrying out the method, i. H. a control circuit with actuator output stage.
  • FIG. 4 shows the actual currents flowing through the piezoelectric actuator in relation to the time diagram shown in the upper part of FIG. 2.
  • FIG. 2 shows in the form of a time diagram the function corresponding to the method according to the invention when controlling a piezoelectric actuator used, for example, in a high-pressure injection valve in the motor vehicle injection system.
  • the path and the force of the actuator then corresponds to the applied charge ⁇ n •
  • another partial stroke with a lower transfer rate I 2 dQ actuator / dt 2 takes place to finally open the valve until the final stroke Q Aktoj - 2 reached when opening the valve.
  • the remaining charging phase (Q ⁇ T p , dQ Akt: or / dt 2 , Q W; cor2 ), (Q Akcor3 T p , dQ Aktor / dt 2 , Q Aktor4 ) is therefore chosen so that for the mechanical system: Aktor Valve needle hydraulics approximates an aperiodic transition to the final value, as is illustrated in the time diagram shown in the lower part of FIG. 2 for the valve needle stroke achieved.
  • FIG. 3 a block diagram is shown in FIG. 3 according to the invention
  • the actual currents measured at the measuring resistor R mess which is in series with the piezoelectric actuator, and the actual voltages dropping at the voltage measuring divider are each compared in two-point controllers with nominal values determined by a microcomputer ⁇ C, and the resulting differential signals are fed to an output stage logic, which defines the charging times according to the invention and Corresponding signals feed driver elements of the output stage.
  • FIG. 4 shows the actual currents flowing through the piezoelectric actuator with the method according to the invention in comparison with the time diagram shown in the upper part of FIG. 2 and illustrating the target currents over the slopes I x , I 2 .

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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

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ANSTEUERUNG EINES PIEZOELEKTRISCHEN AKTORS
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 AI bekannt.
Piezoelektrische Aktoren lassen sich besonders vorteilhaft als Aktoren für Einspritzventile in Kraftf hrzeugen 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 AI 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 Ξinspritzmenge 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 d-as 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)
Figure imgf000005_0001
mit einer der Steigung im Diagramm entsprechenden Stromstärke I-, zum Öffnen des Ventils umgeladen wird. Dabei tritt am Ende dieses Ladevorgangs mit Q^on 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) QAktorl und in entgegengesetzer Richtung mit der negativen Steigung Iλ umgeladen. Das Ventil schließt plötzlich, wobei es zum Prellen der Ventilnadel am Ventilsitz kommt (ß) .
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Ansteuεrvorrichtung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors, der insbesondere in einem Hochdruckeinspritznadel entil 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 einhergεhenden Verschleiß zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelös .
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 I-L umgeladen. Nach einer Pause wird mit einem weiteren Hub und einer anderen Steigung l2_ die kleiner ist als die erste maximale Steigung Il r 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 Iτ und I2 und die Pauεendauer entsprechend den mechanischen Schwingeigenschaften des Systems Aktor-Ventilnadel-Hydraulik appliziert und adaptiert werden können.
Durch den Einsatz der oben beschriebenen schwingungsdämp-fenden 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 Ansteuerverf hrens 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 eingeset: tan piezoelektrischen Aktors erzielte Verhalten und die davon abhängigen Vεntilhübe 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 Tεilhub QA),torl mit der maximalen Steigung I1=dQAktor/dt1 umgeladen. Der Weg und die Kraft des Aktors entspricht danach der aufgebrachten Ladung αn • 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 QAktoj-2 beim Öffnen des Ventils erreicht ist.
Nach einer bestimmten Zeit, d. h. zum Zeitpunkt tx, beginnt erneut eine Umladung zum Schließen des Ventils zunächst mit dem Hub Q^^ mit der der Stromstärke entsprechenden Steigung Ix . Dann folgt eine Pause der Dauer Tp und vom Zeitpunkt t2 am Ende der Pause TP beginnt die restliche Umladung- mit QA]cor4 und der geringeren Steigung I2 bis das Ventil geschlossen ist.
Die Restladephase (Q^^ Tp, dQAkt:or/dt2 , QW;cor2) , (QAkcor3 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 C on und QAktor2 > die den Steigungen entsprechenden Stromstärken I1=dQAktor/dt;L 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 Ix, I2 veranschaulichenden Zeitdiagramm.

Claims

PATENTANSPRUCHE
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 (QAktorl) mit einer maximalen Steigung ( I1=dQAkcor/dt1) umgeladen wird,
daß der piezoelektrische Aktor nach einer darauffolgenden Pause (Tp) in derselben Richtung mit einer zweiten Teilladung auf den endgültigen Hub (Q^o^) geladen wird, wobei die Steigung ( I2=dQAktor/dt1) für die zweite Teilladung kleiner sein kann als die maximale Steigung (I des ersten Teilhubs, so daß beim Öffnen bzw. Schließen des Ventils kein Überschwinger auftritt, und
daß die Restladephase (Q^oπ TP, dQAktor/dt2, Qaktor2) , (Q^tox3 Tp, dQAktor/dt2, Qjü-tort) 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 (I 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 gekεnnzeichnet , 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 (Q^torl, Q^^ , Qw-tors, OM-COΓ«) . die den Steigungen entsprechenden Stromstärken ( I1=dQAk-or/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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