WO2004001794A2 - Method for controlling and adjusting the length of a piezoelectric actuator (pa) and an electronic unit for regulating said method - Google Patents

Method for controlling and adjusting the length of a piezoelectric actuator (pa) and an electronic unit for regulating said method Download PDF

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WO2004001794A2
WO2004001794A2 PCT/IB2003/004600 IB0304600W WO2004001794A2 WO 2004001794 A2 WO2004001794 A2 WO 2004001794A2 IB 0304600 W IB0304600 W IB 0304600W WO 2004001794 A2 WO2004001794 A2 WO 2004001794A2
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Bernhard Fischer
Bernhard Gottlieb
Andreas Kappel
Hans Meixner
Randolf Mock
Tim Schwebel
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    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06Drive circuits; Control arrangements or methods
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/802Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits

Definitions

  • the invention relates to all directly driven high: pressure injection valves or valves with no hydraulic power transmission member such as bearings or translator for direct fuel injection, in which a working chamber is filled with the necessary for operating the high-pressure and a piezoelectric multilayer actuator (PMA) in the electrical control by elongation directly opens a servo valve or a nozzle needle or any other directly driven metering valve.
  • PMA piezoelectric multilayer actuator
  • This working principle is currently used in many high-pressure injection valves for diesel direct injection.
  • the injector itself may even leak. In this case, fuel is injected into the combustion chamber in an uncontrolled manner.
  • thermo gap means that there is a gap of approx. 5 ⁇ m between the end of the PMA and the servo valve as a buffer for tuning errors. In cases where this measure is insufficient, the problem has not yet been solved.
  • FIG. 1 schematically shows the function of the piezo actuator in the piezo diesel high-pressure injection valve when the servo valve is opened.
  • the servo valve is closed in the idle state.
  • the piezo actuator lengthens when an external electrical field is applied, which acts in the direction of the preferred polarization of the piezo ceramic. This orientation of the external electric field is simply referred to as positive and the opposite orientation as negative voltage.
  • the piezo actuator first overcomes the thermal gap, i. H. the safety distance for different thermal dilations, and then presses on the servo valve.
  • the thermal gap i. H. the safety distance for different thermal dilations
  • the high-pressure injector opens because the pressure in the working chamber (no longer shown) of the high-pressure injector drops.
  • the length of the piezo actuator and the housing for the piezo actuator can change by a few ⁇ m relative to one another. That is why the so-called "thermal gap" between the servo valve and the piezo actuator is left blank during production.
  • the length of the piezo actuator depends not only on the temperature but also on the state of polarization, and from its history (hysteresis). These processes can also change the coefficient of thermal expansion of the piezo actuator. It is therefore possible that the tolerance band for the thermal gap of 3-5 ⁇ m is left over time.
  • Figure 2 shows the worst case of pressure leakage on the servo valve. It can mean that the high pressure pump (not shown) can no longer build up the necessary pressure in the working chamber and the piezo diesel high pressure injector fails.
  • the piezo actuator reacts to the application of an external electric field, which acts against the direction of preferential polarization of the piezoceramic, just as it reacts to a positive voltage with an extension. It is therefore possible to restore the ideal state of FIG. 1 by applying a negative electrical voltage.
  • the aim of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • the operating area of the PMA which has to perform an elongation for shutdown, is additionally affected by negative voltages extended so that its length can be varied in both directions (lengthening and shortening).
  • This scope in the characteristics of a piezoceramic is large enough to shorten the PMA to such an extent that the high-pressure injection valve can be put into operation again, or the servo valve with the control chamber can be securely closed without the polarities in the ceramic being reversed.
  • This scope is large enough to shorten the PMA to such an extent that the high-pressure injector can be put into operation again.
  • the negative voltage only needs to be applied if necessary, such as a restart after excessive heating or the like.
  • the electrical control of the high-pressure injection valve can take place in a conventional manner.
  • the process can be regulated.
  • the negative voltage can be increased slowly until the high pressure injector starts. This avoids unnecessarily large field strengths.
  • the invention presents a simple solution that can be used without great effort and without the functionality of the current hasten control electronics to enable an individually adjustable offset voltage for each actuator.
  • the solution described here provides for the circuit to be expanded by a capacitance, a resistor and a more controllable voltage source, as shown in FIG. 3.
  • the capacitive voltage divider reduces the voltage that drops at the injector according to the following relationship:
  • the resistance R x determines the time constant with which the potential at the node Ci, Cinjetor and Ri is balanced.
  • FIG. 4 shows how the voltage profile of a current-controlled output stage can look for the procedure according to the invention.
  • the circuitry is low.
  • the offset voltage is independent of the operating state of the injector, it can be applied and changed during the start phase and during operation.
  • the capacitance Ci only requires a rather low dielectric strength.
  • the terminal behavior remains almost the same, so no further changes to the control electronics are necessary.
  • 19 shows the measurement sequence for the fourth cycle, in which the PMA is operated for the first time with at least -20 V,
  • FIG. 20 shows the measurement sequence for step 4, corresponding to FIG. 19, in the hysteresis figure shown.
  • Cycles 2-4 were repeated to further investigate the creep behavior and hysteresis of the PMA. Since the existing electronics are not designed for negative voltages, a tool was used to represent this voltage range. The measurement in the positive branch was started, e.g. B. at 0 V to +160 V and again to 0 V.
  • the shortening is about 2 ⁇ m. Due to the hysteresis, the PMA is still shortened by 1 ⁇ m at 0 V.
  • the shortening is already -7 ⁇ m.
  • the oval of the hysteresis curve is not closed on the first cycle down to -20 V.
  • the hysteresis now shows itself in the usual form of a closed oval curve.
  • Fig. 16 The first cycle down to -30 V is shown. The shortening reaches -10 ⁇ m.
  • Fig. 17 The second cycle to -0 V is shown.
  • the hysteresis is again shown in the usual form of a closed oval curve.
  • Fig. 18 Double polarization of a diesel piezo stack:
  • the polarity reversal begins between -70 V and -80 V and, for reasons of symmetry, the polarity is reversed again at +70 V to +80 V, the piezo stack is not shortened further.
  • the outer field and preferred polarization direction point in the same direction again, which again leads to an elongation of the piezo stack.
  • the available area up to the polarity reversal can be used precisely to shorten the PMA.
  • Figure 18 shows that a shortening of about 40 microns is possible. This is sufficient to solve the problem of pressure leakage in the diesel injector, which is known to be due to an adaptation error of just a few micrometers.
  • the measurement sequence of FIG. 19 is shown in the hysteresis curve.

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Abstract

The invention relates to a method for controlling piezoelectric actuators (PA), in particular piezoelectric multilayer actuators (PMA), which are regularly subjected to a positive voltage during operation to induce elongation. According to the invention, the PMA is subjected to a restricted negative voltage or offset voltage, which does not cause a polarization reversal, for predefined operating modes of the PMA, in order to return the latter to a definable initial position.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren zur Ansteuerung und Längeneinstellung eines piezoelektrischen Aktors (PA) und elektronische Einheit zur Steue- rung des VerfahrensProcess for controlling and adjusting the length of a piezoelectric actuator (PA) and electronic unit for controlling the process
Die Erfindung betrifft sämtliche direkt angetriebenen Hoch- : druckeinspritzventile oder Ventile ohne hydraulisches Kraftübertragungselement wie Lager oder Übersetzer für Kraftstoff- Direkteinspritzung, bei denen eine Arbeitskammer mit dem zum Betrieb notwendigen Hochdruck gefüllt wird und ein Piezoelektrischer Multilayer Aktor (PMA) bei dessen elektrischer Ansteuerung durch Elongation direkt ein Servoventil oder eine Düsennadel öffnet oder jegliches anderes direkt angetriebenes Dosierventil. Durch das Öffnen des Servo- oder Absteuerven- tils wird in einer Absteuerkämmer ein Druckabfall erzeugt welcher das Öffnen des Hochdruckeinspritzventils bewirkt.The invention relates to all directly driven high: pressure injection valves or valves with no hydraulic power transmission member such as bearings or translator for direct fuel injection, in which a working chamber is filled with the necessary for operating the high-pressure and a piezoelectric multilayer actuator (PMA) in the electrical control by elongation directly opens a servo valve or a nozzle needle or any other directly driven metering valve. By opening the servo or control valve, a pressure drop is generated in a control chamber, which causes the high-pressure injector to open.
Dieses Arbeitsprinzip wird z.Zt. bei vielen Hochdruckein- spritzventilen für Diesel-Direkteinspritzung verwendet.This working principle is currently used in many high-pressure injection valves for diesel direct injection.
Beim Betrieb von derartigen Hochdruckeinspritzventilen treten manchmal Probleme auf wenn das Ventil mindestens einmal heiß geworden ist. Obwohl das Ventil und der PMA bezüglich ihrer thermischen Längenausdehnung abgestimmt sind, ändert sich die Länge des PMA oft zu stark. Dabei genügt eine Längendifferenz von wenigen μm und die Absteuerkammer des Hochdruckeinspritzventils oder ein ähnliches Einspritzventil wird nicht mehr sicher verschlossen. Bei einer Leckage in der Absteuerkammer kann die Hochdruckpumpe als Folge davon nicht mehr den notwendigen Druck aufbauen und das Hochdruckeinspritzventil versagt.Problems sometimes arise in the operation of such high-pressure injection valves if the valve has become hot at least once. Although the thermal expansion of the valve and the PMA are matched, the length of the PMA often changes too much. A difference in length of a few μm is sufficient and the control chamber of the high-pressure injector or a similar injector is no longer securely closed. As a result, if there is a leak in the control chamber, the high pressure pump can no longer build up the necessary pressure and the high pressure injector fails.
Wenn ein hinreichend großer Druckunterschied zwischen Ventil- sitz und Arbeitskammer (Servoansteuerung) aufgebaut wird, kann sogar eine Leckage des Injektors selbst auftreten. In diesem Fall wird Kraftstoff unkontrolliert in den Brennraum eingespritzt.If a sufficiently large pressure difference is built up between the valve seat and the working chamber (servo control), the injector itself may even leak. In In this case, fuel is injected into the combustion chamber in an uncontrolled manner.
Bisher hat man darauf vertraut, dass durch sorgfältige thermische Abstimmung der Bauteile und ein sog. "Thermisches Gap" das Problem beherrschbar ist. Ein "Thermisches Gap" das bedeutet, dass zwischen dem Ende des PMA und dem Servoventil, ein Abstand verbleibt von ca. 5 μm als Puffer für Abstimmungsfehler. Für die Fälle in denen diese Maßnahme nicht ausreicht ist das Problem noch nicht gelöst.So far, people have relied on the fact that the problem can be mastered through careful thermal coordination of the components and a so-called "thermal gap". A "thermal gap" means that there is a gap of approx. 5 μm between the end of the PMA and the servo valve as a buffer for tuning errors. In cases where this measure is insufficient, the problem has not yet been solved.
Zur Darstellung des Problems der unterschiedlichen Längenausdehnung von Piezoaktor und Gehäuse im Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventils :To illustrate the problem of the different linear expansion of the piezo actuator and housing in the piezo diesel high pressure injector:
Figur 1 zeigt schematisch die Funktion des Piezoaktors im Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventil beim Öffnen des Servo- ventils. Das Servoventil ist im Ruhezustand geschlossen. Der Piezoaktor längt sich beim Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes, das in Richtung der Vorzugspolarisierung der Piezoke- ramik wirkt. Diese Ausrichtung des äußeren elektrischen Feldes wird vereinfacht als positive und die entgegengesetzte Ausrichtung als negative Spannung bezeichnet. Beim Sichverlängern überwindet der Piezoaktor zuerst das thermische Gap, d. h. den Sicherheitsabstand für unterschiedliche thermische Dilatationen, und drückt dann das Servoventil auf. In derFIG. 1 schematically shows the function of the piezo actuator in the piezo diesel high-pressure injection valve when the servo valve is opened. The servo valve is closed in the idle state. The piezo actuator lengthens when an external electrical field is applied, which acts in the direction of the preferred polarization of the piezo ceramic. This orientation of the external electric field is simply referred to as positive and the opposite orientation as negative voltage. When extending itself, the piezo actuator first overcomes the thermal gap, i. H. the safety distance for different thermal dilations, and then presses on the servo valve. In the
Folge öffnet das Hochdruckeinspritzventil weil der Druck in der Arbeitskammer (nicht mehr dargestellt) des Hochdruckeinspritzventils sinkt.As a result, the high-pressure injector opens because the pressure in the working chamber (no longer shown) of the high-pressure injector drops.
Da das Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventils im Automobilbereich eingesetzt wird, sind Betriebstemperaturen zw. -40°C und +120°C möglich. Die Länge von Piezoaktor und dem Housing für den Piezoaktor können sich dabei um einige μm relativ zueinander ändern. Deshalb wird bei der Fertigung ja das sog. "Thermisches Gap" zwischen Servoventil und Piezoaktor freigelassen. Die Länge des Piezoaktors hängt aber außer von der Temperatur auch noch vom Polarisierungszustand, von Setzvor- gangen und von seiner Vorgeschichte (Hysterese) ab. Diese Prozesse können auch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Piezoaktors verändern. Es ist also möglich, dass das Toleranzband für das thermische Gap von 3-5 μm im lauf der Zeit verlassen wird. Im schlimmsten Fall kommt es dann zu einer Druckleckage im Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventil, weil der Piezoaktor das Servoventil auch dann schon aufdrückt, wenn er gar nicht angesteuert wird. (vgl. Fig. 2) . Aber schon vorher leidet die Funktion des Piezo Diesel Hoch- druckeinspritzventils, weil die Dosierung kleiner Einspritzmengen (z.B. bei der sog. "Voreinspritzung") außerhalb des Toleranzbands für das thermische Gap von 3-5 μm an Präzision verliert.Since the Piezo Diesel high pressure injector is used in the automotive sector, operating temperatures between -40 ° C and + 120 ° C are possible. The length of the piezo actuator and the housing for the piezo actuator can change by a few μm relative to one another. That is why the so-called "thermal gap" between the servo valve and the piezo actuator is left blank during production. The length of the piezo actuator depends not only on the temperature but also on the state of polarization, and from its history (hysteresis). These processes can also change the coefficient of thermal expansion of the piezo actuator. It is therefore possible that the tolerance band for the thermal gap of 3-5 μm is left over time. In the worst case, there is pressure leakage in the piezo diesel high-pressure injection valve because the piezo actuator presses the servo valve on even when it is not being activated. (see Fig. 2). However, the function of the Piezo Diesel high-pressure injector suffers beforehand because the metering of small injection quantities (eg in the so-called "pre-injection") loses precision outside the tolerance band for the thermal gap of 3-5 μm.
Figur 2 zeigt den Worst Case einer Druckleckage am Servoventil. Er kann dazu führen, dass die Hochdruckpumpe (nicht eingezeichnet) den notwendigen Druck in der Arbeitskammer nicht mehr aufbauen kann und das Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventil versagt.Figure 2 shows the worst case of pressure leakage on the servo valve. It can mean that the high pressure pump (not shown) can no longer build up the necessary pressure in the working chamber and the piezo diesel high pressure injector fails.
Wie beschrieben reagiert der Piezoaktor auf das Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes, das gegen die Richtung der Vorzugspolarisierung der Piezokeramik wirkt, mit Verkürzung genauso wie er auf eine positive Spannung mit einer Verlänge- rung reagiert. Deshalb ist es möglich durch das Anlegen einer negativen elektrischen Spannung den Idealzustand von Figur 1 wieder herzustellen.As described, the piezo actuator reacts to the application of an external electric field, which acts against the direction of preferential polarization of the piezoceramic, just as it reacts to a positive voltage with an extension. It is therefore possible to restore the ideal state of FIG. 1 by applying a negative electrical voltage.
Der Erfindung hat zum Ziel die Nachteile aus dem Stand der Technik zu eliminieren.The aim of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die eine oder mehrere Merkmalskombinationen des mindestens einen Hauptanspruches .This object is achieved by the one or more combinations of features of the at least one main claim.
Der Betriebsbereich des PMA, der zur Absteuerung eine Elongation vollführen muss, wird zusätzlich auf negative Spannungen erweitert so dass seine Länge in beiden Richtungen (Verlängerung und Verkürzung ) variiert werden. Dieser Spielraum in der Charakteristik einer Piezokeramik ist groß genug um den PMA soweit zu verkürzen, dass das Hochdruckeinspritzventil wieder in Betrieb genommen werden kann, bzw. das Servoventil mit der Absteuerkammer sicher geschlossen werden kann, ohne dass es zu Umpolarisierungen in der Keramik kommt.The operating area of the PMA, which has to perform an elongation for shutdown, is additionally affected by negative voltages extended so that its length can be varied in both directions (lengthening and shortening). This scope in the characteristics of a piezoceramic is large enough to shorten the PMA to such an extent that the high-pressure injection valve can be put into operation again, or the servo valve with the control chamber can be securely closed without the polarities in the ceramic being reversed.
Eine vorhandene Ansteuerelektronik wird also um die Möglich- keit erweitert durch eine zusätzliche negative Offsetspannung, die oben beschriebenen thermischen Effekte kompensieren zu können.Existing control electronics are thus expanded by the possibility of being able to compensate for the thermal effects described above by an additional negative offset voltage.
Wie die Messungen in den Ausführungsbeispielen zeigen, be- steht ein nutzbarer Spielraum, eine negative Spannung auszunutzen, bevor die Depolarisierung und anschließend die Umpolarisierung der Keramik einsetzt.As the measurements in the exemplary embodiments show, there is a usable scope to utilize a negative voltage before the depolarization and then the polarization of the ceramic begins.
Dieser Spielraum ist groß genug um den PMA soweit zu verkür- zen, dass das Hochdruckeinspritzventil wieder in Betrieb genommen werden kann.This scope is large enough to shorten the PMA to such an extent that the high-pressure injector can be put into operation again.
Vorteile der Erfindung:Advantages of the invention:
• Das Problem wird gelöst ohne mechanische Änderungen am Hochdruckeinspritzventil .• The problem is solved without mechanical changes to the high pressure injector.
• Die negative Spannung braucht nur bei Bedarf, wie beispielsweise Neustart nach starker Erwärmung oder ähnlichem angelegt werden. Bei allen andern Betriebszuständen kann die elektrische Ansteuerung des Hochdruckeinspritzventils in herkömmlicher Weise erfolgen.• The negative voltage only needs to be applied if necessary, such as a restart after excessive heating or the like. In all other operating states, the electrical control of the high-pressure injection valve can take place in a conventional manner.
• Der Vorgang ist regelbar. Die negative Spannung kann bis zum Anspringen des Hochdruckeinspritzventils langsam erhöht werden. Das vermeidet unnötig große Feldstärken.• The process can be regulated. The negative voltage can be increased slowly until the high pressure injector starts. This avoids unnecessarily large field strengths.
Durch die Erfindung wird eine einfache Lösung vorgestellt, die ohne großen Aufwand und ohne die Funktionsweise der aktu- eilen Ansteuerelektroniken zu beeinflussen, eine individuell für jeden Aktor regelbare Offsetspannung ermöglicht. Die hier beschrieben Lösung sieht vor, die Schaltung um eine Kapazität, einen Widerstand und einer regelbareren Spannungsquelle ,zu erweitern, wie es in Figur 3 dargestellt ist.The invention presents a simple solution that can be used without great effort and without the functionality of the current hasten control electronics to enable an individually adjustable offset voltage for each actuator. The solution described here provides for the circuit to be expanded by a capacitance, a resistor and a more controllable voltage source, as shown in FIG. 3.
Durch den kapazitiven Spannungsteiler (Cinjektor; Ci) verringert sich zwar die Spannung, die am Injektor abfällt nach der folgenden Beziehung:The capacitive voltage divider (cinjector; Ci) reduces the voltage that drops at the injector according to the following relationship:
Figure imgf000007_0001
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Aber durch eine regelbare, positive Spannungsquelle Vi ist man in der Lage, eine negative Offsetspannung am Injektor einstellen zu können, die von der Injektorkapazität unabhängig ist. Der Widerstand Rx bestimmt dabei die Zeitkonstante mit der das Potential am Knoten Ci, Cinjetor und Ri ausgeglichen wird.But with an adjustable, positive voltage source Vi, one is able to set a negative offset voltage on the injector, which is independent of the injector capacity. The resistance R x determines the time constant with which the potential at the node Ci, Cinjetor and Ri is balanced.
In Figur 4 wird verdeutlicht, wie der Spannungsverlauf einer stromgeregelten Endstufe für die erfindungsgemäße Verfahrensweise aussehen kann.FIG. 4 shows how the voltage profile of a current-controlled output stage can look for the procedure according to the invention.
Vorteile dieser Lösung:Advantages of this solution:
- Es ist keine negative Spannung erforderlich.- No negative voltage is required.
- Der Schaltungsaufwand ist gering.- The circuitry is low.
- Die zusätzlichen elektrischen Verluste, die durch die Schaltung entstehen sind klein - Die Offsetspannung ist unabhängig vom Betriebszustand des Injektors, sie kann während der Startphase und während der Betriebs angelegt und verändert werden.- The additional electrical losses caused by the circuit are small - The offset voltage is independent of the operating state of the injector, it can be applied and changed during the start phase and during operation.
Die Kapazität Ci benötigt nur eine eher geringe Spannungsfestigkeit. Das Klemmenverhalten bleibt annähernd gleich, deshalb sind auch keine weiteren Änderungen and der Ansteuerelektronik notwendig.The capacitance Ci only requires a rather low dielectric strength. The terminal behavior remains almost the same, so no further changes to the control electronics are necessary.
Im Folgenden werden schematische Ausführungsbeispiele, die die Erfindung nicht einschränken, beschrieben. Die Figuren zeigen im Einzelnen:In the following, schematic exemplary embodiments that do not restrict the invention are described. The figures show in detail:
Fig. 1 eine Funktionsgruppe des Piezo Diesel Hochdruckein- spritzventils,1 shows a functional group of the piezo diesel high-pressure injection valve,
Fig. 2 eine Druckleckage am Servoventil infolge ungleichmäßiger thermischer Ausdehnung von Piezoaktor und Hou- sing/Gehäuse,2 shows a pressure leak on the servo valve due to uneven thermal expansion of the piezo actuator and housing / housing,
Fig. 3 eine elektrische Schaltung zur Erzeugung einer geregelten Offsetspannung,3 shows an electrical circuit for generating a regulated offset voltage,
Fig. 4 einen Spannungsverlauf einer stromgeregelten Endstufe die um die in dieser Erfindung beschriebene Funktion erweitert worden ist,4 shows a voltage curve of a current-controlled output stage which has been expanded by the function described in this invention,
Fig. 11 eine Hysteresekurve eines Diesel PMA in ihrem an- fänglichen Zustand und innerhalb des normalen Span- nungsbereichs von 0 V bis 160 V,11 shows a hysteresis curve of a diesel PMA in its initial state and within the normal voltage range from 0 V to 160 V,
Fig. 12 und 13 einen ersten Zyklus in den negativen Bereich bis -10 V,12 and 13 a first cycle in the negative range to -10 V,
Fig. 14 dass bei -20 V die Kontraktion ca. -7 μm beträgt; das14 shows that at -20 V the contraction is approximately -7 μm; the
Oval ist nach dem ersten Zyklus nicht geschlossen,Oval is not closed after the first cycle,
Fig. 15 den zweiten Zyklus bis zu -20 V; die Hysteresekurve zeigt nun die übliche ovale Form, Fig. 16 einen ersten Zyklus mit negativem Bereich bis zu -30 V; die Kontraktion erreicht -10 μm,15 shows the second cycle down to -20 V; the hysteresis curve now shows the usual oval shape, 16 shows a first cycle with a negative range down to -30 V; the contraction reaches -10 μm,
Fig. 17 einen zweiten Zyklus bis zu -20 V; die Hysteresekurve zeigt nun die übliche ovale Form,17 shows a second cycle down to -20 V; the hysteresis curve now shows the usual oval shape,
Fig. 18 die doppelte Umpolarisierung des Diesel Piezo Stacks,18 shows the double polarization of the diesel piezo stack,
Fig. 19 die Messreihenfolge für den vierten Zyklus, bei dem der PMA zum ersten Mal mit mindestens -20 V betrieben wird,19 shows the measurement sequence for the fourth cycle, in which the PMA is operated for the first time with at least -20 V,
Fig. 20 die Messreihenfolge für Schritt 4, entsprechend Fig. 19, findet sich in der gezeigten Hysteresefigur.FIG. 20 shows the measurement sequence for step 4, corresponding to FIG. 19, in the hysteresis figure shown.
Betrieb eines Diesel Piezo Stacks mit negativer SpannungOperation of a diesel piezo stack with negative voltage
Motivation:Motivation:
Aktuelle Probleme mit einer internen Druck-Leckage bei Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventilen machen deutlich, dass es nicht genügt, die Wärmeausdehnungskoeffizienten von den Injektorteilen und dem Piezo Multilayer Actuator (PMA) einmal abzugleichen. Es gibt noch andere Effekte, welche die Länge de PMA verändern. Wenn diese Länge zunimmt, dann entlastet der PMA einen Ventilsitz und drückt diesen im schlimmsten Fall sogar auf. Damit kommt es zu einer internen Druckleckage und die Hochdruckpumpe kann nicht genügend Druck aufbauen. Dadurch versagt dann das Hochdruckeinspritzventil. Dies kann passieren, wenn sich die kritischen Längen von PMA und Ventil auch nur um einige μm unterscheiden. Der Diesel Piezo HPDI- Injektor (Hochdruck-Direkteinspritzung) arbeitet nur dann optimal, wenn zwischen PMA und Servoventil ein Spalt von 3-5 μm offen bleibt. Glücklicherweise kann man mit einem kritischen Effekt, nämlich mit dem Piezoeffekt selbst, die Länge des PMA auch wieder korrigieren. Im gewöhnlichen Betrieb arbeitet der PMA mit positiver Spannung, typischerweise zwischen 0 und 160 Volt. Damit ist gemeint, dass das äußere elektrische Feld in der gleichen Richtung wirkt, in die die Vorzugspolarisierung des PMA zeigt. Analog dazu spricht man vereinbarungsgemäß von negativer Spannung, wenn das äußere elektrische Feld entgegengesetzt zur Richtung der Vorzugspolarisierung des PMA wirkt. Negative Spannungen führen zunächst zur Verkürzung des PMA, dann zur Umpolung und anschließend zur erneuten Auslän- gung. Somit wird gezeigt, dass des möglich ist, den Bereich, der zur Verkürzung des PMA führt, zur Korrektur der Länge zu nutzen ohne den PMA zu depolarisieren.Current problems with internal pressure leakage in Piezo Diesel high-pressure injection valves make it clear that it is not enough to adjust the thermal expansion coefficients of the injector parts and the Piezo Multilayer Actuator (PMA). There are other effects that change the length of the PMA. If this length increases, the PMA relieves pressure on a valve seat and, in the worst case, even presses it open. This leads to an internal pressure leak and the high pressure pump cannot build up enough pressure. This causes the high pressure injector to fail. This can happen if the critical lengths of the PMA and valve differ by only a few μm. The Diesel Piezo HPDI injector (high pressure direct injection) only works optimally if a gap of 3-5 μm remains open between the PMA and the servo valve. Fortunately, with a critical effect, namely the piezo effect itself, you can correct the length of the PMA again. In normal operation the works PMA with positive voltage, typically between 0 and 160 volts. This means that the external electric field acts in the same direction in which the preferred polarization of the PMA points. Analogously, by convention, one speaks of negative voltage if the external electrical field acts in the opposite direction to the preferred polarization of the PMA. Negative voltages lead first to a shortening of the PMA, then to a polarity reversal and then to a renewed elongation. It is shown that it is possible to use the area that leads to the shortening of the PMA to correct the length without depolarizing the PMA.
Experimentelle Ergebnisse:Experimental results:
Für die Untersuchungen wurde ein Standard Diesel Aktor mit 30 mm Baulänge verwendet. Es wurden 5 Testzyklen gefahren:A standard diesel actuator with 30 mm length was used for the investigations. 5 test cycles were run:
1. Zyklus von 0 V bis 160 V und zurück; die übliche Betriebsweise 2. Zyklus zwischen -10 V und +160 V als erster Test für mögliche Verkürzungen1st cycle from 0 V to 160 V and back; the usual mode of operation 2nd cycle between -10 V and +160 V as a first test for possible reductions
3. Zyklus zwischen -20 V und +160 V als zweiter Test für mögliche Verkürzungen3rd cycle between -20 V and +160 V as a second test for possible reductions
4. Zyklus zwischen -30 V und +160 V als dritter Test für mögliche Verkürzungen4. Cycle between -30 V and +160 V as a third test for possible reductions
5. Zyklus zwischen -160 V und +160 V als Test für die Grenzen möglicher Verkürzungen und zur Untersuchung der Um- polungsvorgänge .5. Cycle between -160 V and +160 V as a test for the limits of possible reductions and for examining the polarity reversal processes.
Die Zyklen 2-4 wurden wiederholt, um das Kriechverhalten und die Hysterese des PMA genauer zu untersuchen. Da die vorhandene Elektronik nicht für negative Spannungen ausgelegt ist, wurde ein Hilfsmittel angewendet, um diesen Spannungsbereich darstellen zu können. Es wurde mit der Messung im positiven Ast begonnen, z. B. bei 0 V bis +160 V und wieder bis 0 V.Cycles 2-4 were repeated to further investigate the creep behavior and hysteresis of the PMA. Since the existing electronics are not designed for negative voltages, a tool was used to represent this voltage range. The measurement in the positive branch was started, e.g. B. at 0 V to +160 V and again to 0 V.
Dann wurde der Zyklus kurz unterbrochen, um die Anschlüsse zu vertauschen. Und der Rest der Messung wurde mit positiver, d.h. unveränderter Polarität bezogen auf die Elektronik, weitergemessen. Wegen der vertauschten Anschlüsse wirkt dies aber auf den PMA wie eine negative Spannung.Then the cycle was briefly interrupted to swap the connections. And the rest of the measurement was positive, ie unchanged polarity in relation to the electronics. Because of the interchanged connections, however, this affects the PMA like a negative voltage.
Die Ergebnisse werden in den Figuren 11 bis 20 dargestellt.The results are shown in FIGS. 11 to 20.
Fig. 11:Fig. 11:
Wenn man nur die Fig. 11 betrachten würde, könnte man meinen, dass die Länge des Piezo Stacks bei 0 V und gleicher Temperatur immer dieselbe ist. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Beispielsweise kann sich die Polarisierung des Piezo Stacks ändern. Dies kann vorkommen, bzw. notwendig sein, wenn der Piezo Stack heiß wird. Die einzelnen Bereiche werden dadurch beweglich und ordnen sich neu an. Anschließend ergibt sich nach Ankühlung eine andere Gesamtlänge. Dabei kann sich sogar der Wärme-Ausdehnungskoeffizient selbst ändern. Eine einmal getroffene Abstimmung der Länge und des Wärme- Ausdehnungskoeffizienten muss deshalb nicht für alle Zeiten Bestand haben.If one only looked at FIG. 11, one might think that the length of the piezo stack at 0 V and the same temperature is always the same. However, this is not always the case. For example, the polarization of the piezo stack can change. This can happen or be necessary if the piezo stack gets hot. This makes the individual areas flexible and rearranges them. Then a different total length results after cooling. Even the coefficient of thermal expansion can change itself. Once the length and the coefficient of thermal expansion have been coordinated, this does not have to be the case for all times.
Fig. 12 und 13:12 and 13:
Bei -10 V beträgt die Verkürzung etwa 2 μm. Aufgrund der Hysterese bleibt der PMA anschließend bei 0 V immer noch 1 μm verkürzt.At -10 V the shortening is about 2 μm. Due to the hysteresis, the PMA is still shortened by 1 μm at 0 V.
Fig. 14:Fig. 14:
Bei -20 V beträgt die Verkürzung bereits -7 μm. Das Oval der Hysteresekurve ist beim ersten Zyklus bis -20 V nicht ge- schlössen.At -20 V, the shortening is already -7 μm. The oval of the hysteresis curve is not closed on the first cycle down to -20 V.
Fig. 15:Fig. 15:
Die Hysterese zeigt sich jetzt in der gewohnten Form einer geschlossenen ovalen Kurve.The hysteresis now shows itself in the usual form of a closed oval curve.
Fig. 16: Der erste Zyklus bis hinab zu -30 V wird gezeigt. Die Verkürzung erreicht -10 μm.Fig. 16: The first cycle down to -30 V is shown. The shortening reaches -10 μm.
Fig. 17: Es wird der zweite Zyklus bis -0 V gezeigt. Die Hysterese zeigt sich wieder in der gewohnten Form einer geschlossenen ovalen Kurve.Fig. 17: The second cycle to -0 V is shown. The hysteresis is again shown in the usual form of a closed oval curve.
Fig. 18: Doppelte Umpolarisierung eines Diesel Piezo Stacks:Fig. 18: Double polarization of a diesel piezo stack:
Zwischen -70 V und -80 V beginnt die Umpolung und aus Symmetriegründen erfolgt eine erneute Umpolung bei +70 V bis +80 V erfolgt keine weitere Verkürzung des Piezo Stacks. Äußeres Feld und bevorzugte Polarisierungsrichtung zeigen wieder in die gleiche Richtung, was wieder zu einer Auslängung des Piezo Stacks führt. Der verfügbare Bereich bis zur Umpolung kann genau dazu genutzt werden, dass der PMA verkürzt wird. Figur 18 zeigt, dass eine Verkürzung von etwa 40 μm möglich ist. Dies reicht aus, um das Problem der Druckleckage im Dieselin- jektor zu lösen, welches bekanntlich begründet ist durch einen Anpassungsfehler von nur wenigen Mikrometern.The polarity reversal begins between -70 V and -80 V and, for reasons of symmetry, the polarity is reversed again at +70 V to +80 V, the piezo stack is not shortened further. The outer field and preferred polarization direction point in the same direction again, which again leads to an elongation of the piezo stack. The available area up to the polarity reversal can be used precisely to shorten the PMA. Figure 18 shows that a shortening of about 40 microns is possible. This is sufficient to solve the problem of pressure leakage in the diesel injector, which is known to be due to an adaptation error of just a few micrometers.
Fig. 19:Fig. 19:
Messreihenfolge für den vierten Zyklus. Zunächst wird eine Rampe bis +160 V und zurück bis 0 V abgefahren. Die Länge des Piezo Stacks verändert sich von -3 μm auf etwa +40 μm. Der Startwert für die Länge des Piezo Stacks ist nicht 0 μm, da vorher schon zwei Zyklen bis -10 V gefahren worden sind und aufgrund der Hysterese eine Verkürzung von 3 μm verblieben ist. Wieder bei 0 V angelangt, kriecht der PMA zurück zu seiner Ausgangslänge bei -3 μm. Wenn schließlich die Polarität gewechselt wird, hat fast keine Längenänderung stattgefunden. Anschließend wird der für den PMA negative Teil durchlaufen. Danach hat sich die Gesamtlän- ge um -5 μm verändert. Fig. 20:Measurement sequence for the fourth cycle. First, a ramp is traversed to +160 V and back to 0 V. The length of the piezo stack changes from -3 μm to approximately +40 μm. The starting value for the length of the piezo stack is not 0 μm, since two cycles to -10 V had already been run and a shortening of 3 μm remained due to the hysteresis. Back at 0 V, the PMA creeps back to its original length at -3 μm. When the polarity is finally changed, there is almost no change in length. Then the part negative for the PMA is run through. After that, the total length changed by -5 μm. Fig. 20:
Es wird die Messreihenfolge von Fig. 19 in der Hysteresekurve wiedergegeben.The measurement sequence of FIG. 19 is shown in the hysteresis curve.
Am Piezo Stack liegen wieder 0 V an. Seine Gesamtlänge ist jedoch kleiner geworden. Ein neuer Zyklus mit der gleichen Messreihenfolge führt wieder zu einer geschlossenen Hysteresekurve, die bereits in Fig. 16, entsprechend dem Zyklus 6, dargestellt ist. 0 V are again present at the piezo stack. However, its overall length has become smaller. A new cycle with the same measurement sequence again leads to a closed hysteresis curve, which is already shown in FIG. 16, corresponding to cycle 6.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Ansteuerung von piezoelektrischen Aktoren (PA) , insbesondere von Piezoelektrischen Multilayer Aktoren (PMA) , die im Betrieb regelmäßig zur Elongation mit positiver Spannung beaufschlagt werden, wobei für vorgegebene Betriebs- zustände des PMA dieser auch mit einer begrenzten, den PMA nicht umpolarisierenden negativen Spannung bzw. Offsetspannung beaufschlagt wird, um diesen in eine definierbare Aus- gangslage zurückzustellen.1. Method for controlling piezoelectric actuators (PA), in particular piezoelectric multilayer actuators (PMA), which are regularly subjected to positive voltage during operation for elongation, whereby for predetermined operating states of the PMA the latter also does not have a limited one, the PMA polarizing negative voltage or offset voltage is applied in order to reset it to a definable starting position.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die in einem Betriebszustand mit nicht ausreichender konstruktiver Kompensation von thermischen Ausdehnungseffekten ausführbare Zurückstellung, bei einem Diesel-Hochdruckeinspritzventile beispielsweise das Absteuerventil beim Startvorgang sicher geschlossen halten kann.2. The method according to claim 1, in which the reset which can be carried out in an operating state with insufficient structural compensation of thermal expansion effects, for example in a diesel high-pressure injection valve, can keep the control valve securely closed during the starting process.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Sicherheitsfunktion die Überwachung des Hochdruckeinspritzventils im Betrieb immer mitläuft und die Länge des PMA anpasst, wenn das Hochdruckeinspritzventile in einen kritischen Betriebszustand kommt.3. The method according to claim 1 or 2, in which the monitoring of the high-pressure injection valve always runs as a safety function and adjusts the length of the PMA when the high-pressure injection valve comes into a critical operating state.
4. Elektronische Einheit zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem zur Erzeugung einer für jeden Aktor individuellen Offsetspannung die zum Aktor gehörende Schaltung um eine Kapazität, einen Widerstand und eine regelbare Spannungsquelle erweitert ist.4. Electronic unit for carrying out the method according to one of claims 1, 2 or 3, in which for generating an individual offset voltage for each actuator, the circuit belonging to the actuator is expanded by a capacitance, a resistor and a controllable voltage source.
5. Elektronische Einheit nach Anspruch 4, bei der die Offsetspannung regelbar ist. 5. Electronic unit according to claim 4, wherein the offset voltage is adjustable.
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