WO2009130096A1 - Verfahren zur ansteuerung eines piezoaktors in einem kraftstoffinjektor - Google Patents

Verfahren zur ansteuerung eines piezoaktors in einem kraftstoffinjektor Download PDF

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Martin Hopp
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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/40—Controlling fuel injection of the high pressure type with means for controlling injection timing or duration
    • F02D41/402—Multiple injections

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a piezoelectric actuator in a fuel injector, in which the electrically controllable piezoelectric actuator transmits a longitudinal movement (stroke) on an actuating element, wherein between a Aktorêtplatte and the actuating element, a predetermined idle stroke is set, which from a predetermined starting position of the Aktorteilplatte before the control is dependent.
  • stroke longitudinal movement
  • this longitudinal expansion is for example mechanically reinforced by a lever translator mounted in the fuel or hydraulically by a pressure chamber.
  • a lever translator mounted in the fuel or hydraulically by a pressure chamber.
  • the goal in most applications is that approximately the entire stroke of the piezoelectric actuator is also used for the mechanical movement of the actuating element, since the size increases with the required stroke. It would follow, the game (idle stroke) between the piezoelectric actuator and the actuator as possible to reduce. On the other hand, always has one
  • Actuator and actuator is set so that the required minimum clearance is available even under the most adverse conditions and known aging effects (shrinkage, setting and the like) are considered as far as possible.
  • Object of the present invention is to provide a method by which the jittery starting position which occupies the Aktorêtplatte before injection, can be stabilized.
  • the piezoelectric actuator, the Aktorteilplatte is in the fluctuating predetermined starting position, is controlled immediately before injection so that a defined deflection of the piezoelectric actuator takes place, so that the Aktorêtplatte before the subsequent Injection assumes a less jittery new starting position.
  • the invention is based on the recognition that the Aktorteilplatte is not cleanly returned to the predetermined starting position due to acting at a Einspritzevent highly dynamic forces and therefore exposes the Aktorêtplatte an additional large force to a virtual stop (new starting position) for to produce the Aktorêtplatte with defined, stabilized position ratios.
  • the method according to the invention which is advantageously based solely on the modification of the drive signal, makes it possible to realize precisely small amounts in the case of multiple injections and thus to fulfill strict legal standards with regard to the exhaust gas values.
  • the piezoelectric actuator is negatively energized to effect the deflection, so that the Aktorêtplatte is retracted to a defined new starting position.
  • this can be implemented in a simple manner that the piezoelectric actuator for driving in each case with a
  • FIG. 1 shows schematically and in section a structure for a valve controller with a piezoelectric actuator known from the prior art
  • FIG. 2 shows a time diagram of the actuator base plate position of a piezoactuator controlled according to the prior art
  • FIG. 3 shows, in the same representation as FIG. 2, the actuator base plate position of a piezoactuator actuated according to the invention.
  • FIG. 1 of the drawing shows diagrammatically and by way of example the construction of a valve control with an electric piezoactuator 1, which consists of a stack of plate-shaped piezoelectric elements, which are closed towards the valve by an actuator bottom plate 7.
  • the mechanical deflection takes place when a voltage is applied perpendicular to the layer plane of the individual piezo elements, that is to say in the longitudinal direction (z direction) of the piezoactuator 1.
  • the piezoelectric actuator 1 has in the rest position, that is, without a drive voltage applied, the length I 0 , the Aktorêtplatte 7 assumes its predetermined starting position.
  • the distance between the unstretched piezoelectric actuator 1 and a mechanical adjusting or actuating element (here a valve piston 3) is the idle stroke h 0 .
  • a mechanical adjusting or actuating element here a valve piston 3
  • FIG. 2 shows a diagram in which the position of the actuator base plate 7 of a piezoelectric actuator 1 controlled according to the prior art is shown over time.
  • the predetermined starting position (zero position) of the Aktorêtplatte 7 before energization is subject to fluctuation for the reasons above, that is, it has the indicated in Figure 2 scattering ⁇ i, which is reflected in a corresponding scattering of the opening of the valve, since at Each control of the piezoelectric actuator 1 is indeed within the range of variation ⁇ i lying, but slightly different idle stroke is effective.
  • the predetermined initial position can be achieved in a manner known per se by a negative energization of the elongate piezoactuator 1, that is, by a discharge.
  • a pre-deflection of the piezoactuator 1 takes place immediately before the actual injection event. This deflection leads the Aktorêtplatte 7 in a range that has increased positional stability based on reproducibility.
  • the pre-deflection can be advantageously realized as a retraction of the piezoelectric actuator 1 by negative energization and is shown in Figure 3.
  • the retraction of the Aktorteilplatte 7 in a new Starting position indicates.
  • This new starting position is through a scattering o ⁇ - characterized, which is smaller than the predetermined initial position associated scattering ⁇ i.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ansteuerverfahren, bei dem zwischen einer Aktorbodenplatte (7) und einem Betätigungselement (3) ein vorbestimmter Leerhub (h0) eingestellt ist, der von einer vorbestimmten Ausgangslage der Aktorbodenplatte (7) vor der Ansteuerung abhängig ist. Um die schwankungsbehaftete Ausgangsanlage zu stabilisieren und damit die Einspritzgenauigkeit zu verbessern, wird vorgeschlagen, den Piezoaktor (1) unmittelbar vor einer Einspritzung so anzusteuern, dass eine definierte Vorauslenkung erfolgt, so dass die Aktorbodenplatte (7) vor der anschliessenden Einspritzung eine weniger schwankungsbehaftete neue Ausgangslage einnimt. Der Piezoaktor (1) wird zur Bewirkung der Vorauslenkung negativ bestromt, so dass die Aktorbodenplatte (7) in eine definierte neue Ausgangs läge zurückgezogen wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoaktors in einem Kraft stoffinjektor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoaktors in einem Kraftstoffinjektor, bei dem der elektrisch ansteuerbare Piezoaktor eine Längsbewegung (Hub) auf ein Betätigungselement überträgt, wobei zwischen einer Aktorbodenplatte und dem Betätigungselement ein vorbestimmter Leerhub eingestellt ist, der von einer vorbestimmten Ausgangslage der Aktorbodenplatte vor der Ansteuerung abhängig ist.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 199 05 340 C2 bekannt.
Bei der Kraftstoffversorgung von Brennkraftmaschinen werden Speichereinspritzsysteme eingesetzt, bei denen mit hohen Einspritzdrücken und schnellen Schaltgeschwindigkeiten gearbeitet wird. Bei diesen Systemen wird Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe in einen Hochdruckspeicher gefördert, von dem aus der Kraftstoff mithilfe von Kraftstoffinjektoren in den jeweiligen Zylinder eingespritzt wird. Der Kraftstoffinjektor weist ein Einspritzventil auf, das von einem Servoventil geöffnet und geschlossen wird, um den zeitlichen Verlauf des Einspritzvorgangs in die Brennkammer festzulegen. Das Servoventil wird dabei von einem elektrisch angesteuerten Piezoaktor betätigt, bei dem durch Anlegen von elektrischer Spannung eine Längsdehnung hervorgerufen wird. Diese wird auf das Servoventil übertragen, das wiederum das Einspritzventil steuert. Damit die im μm-Bereich liegende Längsdehnung des Piezoaktors das Servoventil geeignet betätigen kann, wird diese Längsdehnung z.B. mechanisch durch einen im Kraftstoff gelagerten Hebelübersetzer oder hydraulisch durch einen Druckraum verstärkt. Um die für einen optimalen Verbrennungsverlauf erforderlichen schnellen Schaltgeschwindigkeiten und kleinen Einspritzmengen beim Kraftstoffinjektor erzielen zu können, ist es erforderlich, den Injektor sehr genau einzustellen. Dies gilt insbesondere für den sich zwischen dem Piezoaktor und dem Betätigungselement (Servoventil) ergebenden Leerhub im Injektor .
Grundsätzlich besteht zwar bei den meisten Anwendungen das Ziel darin, dass näherungsweise der gesamte Hub des Piezoaktors auch für die mechanische Bewegung des Stellelementes genutzt wird, da die Baugröße mit dem erforderlichen Hub anwächst. Daraus würde folgen, das Spiel (Leerhub) zwischen dem Piezoaktor und dem Betätigungselement möglichst zu verringern. Andererseits muss stets ein
Mindestspiel zwischen Aktor und Betätigungselement in Form eines Leerhubs vorgehalten werden, um Fehlfunktionen im Betrieb zu vermeiden und die Betriebssicherheit des Injektors zu gewährleisten. Daher geht man heute in der Praxis im allgemeinen so vor, dass der Leerhub bei der Montage von
Aktor und Betätigungselement so eingestellt wird, dass das geforderte Mindestspiel auch unter den ungünstigsten Bedingungen vorhanden ist und bekannte Alterungseffekte (Einlaufen, Setzen und Ähnliches) so weit wie möglich berücksichtigt sind.
Ausgehend von einem derartigen Verfahren zur Leerhubeinstellung zwischen einem Piezoaktor und einem Übertragungselement eines Ventils, das typischerweise einmalig bei der Montage durchgeführt wird, ist aus der oben genannten Patentschrift auch ein Verfahren zum Einstellen und Nachführen eines vorgegebenen Leerhubs während des Betriebs des Piezoaktors bekannt. Dabei wird wenigstens einem Teil der Piezoelemente des Piezoaktors eine Gleichspannung zugeführt, die eine von der Ansteuerspannung unabhängige Längenänderung des Piezoaktors bewirkt, durch die ein durch Alterungs- und Temperatureffekte veränderter Leerhub ausgeglichen werden soll. Die Anmelderin hat allerdings festgestellt, dass neben derartigen Exemplarstreuungen, die gegenüber dem dynamischen Betrieb des Piezoaktors sehr langsam verlaufende Leerhubänderungen bewirken, auch schnelle Leerhubänderungen auftreten, die offenbar von der unmittelbaren dynamischen Vorgeschichte, also der vorangegangenen Einspritzung, abhängig sind. Zu Grunde liegt dabei die Tatsache, dass der Leerhub von der Position der Aktorbodenplatte vor der Einspritzung mitbestimmt wird, die somit die
Einspritzcharakteristik der Injektoren mitbestimmt. Die stabile Ausgangslage der Aktorbodenplatte ist demnach Voraussetzung für eine reproduzierbare stabile Kleinstmengeneinspritzung. Besonders bei Mehrfacheinspritzungen stellen sich jedoch unterschiedliche Bodenplattenpositionen als Ausgangslage ein, die wiederum zu instabilen Kleinstmengen führen. Ursache sind unter anderem Kriechen und Domänenklappungen des Piezoaktors, Eigenspannungen von der Membran, Membranraumdruckschwingungen sowie Reibkräfte.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die schwankungsbehaftete Ausgangslage, die die Aktorbodenplatte vor der Einspritzung einnimmt, stabilisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den folgenden Unteransprüchen angeführt.
Die obige Aufgabe wird demnach erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Piezoaktor, dessen Aktorbodenplatte sich in der schwankungsbehafteten vorbestimmten Ausgangslage befindet, unmittelbar vor einer Einspritzung so angesteuert wird, dass eine definierte Vorauslenkung des Piezoaktors erfolgt, so dass die Aktorbodenplatte vor der anschließenden Einspritzung eine weniger schwankungsbehaftete neue Ausgangslage einnimmt.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Aktorbodenplatte aufgrund der bei einem Einspritzevent wirkenden hochdynamischen Kräfte nicht sauber in die vorbestimmte Ausgangslage zurückgeführt wird und setzt die Aktorbodenplatte deshalb einer zusätzlichen großen Kraft aus, um durch elektrische Ansteuerung einen virtuellen Anschlag (neue Ausgangslage) für die Aktorbodenplatte mit definierten, stabilisierten Lageverhältnissen herzustellen. Das vorteilhaft allein auf der Modifizierung des Ansteuersignals beruhende erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, präzise kleine Mengen bei Mehrfacheinspritzungen zu realisieren und damit strenge gesetzliche Normen hinsichtlich der Abgaswerte zu erfüllen.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Piezoaktor zur Bewirkung der Vorauslenkung negativ bestromt wird, so dass die Aktorbodenplatte in eine definierte neue Ausgangslage zurückgezogen wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung diese Ausführungsform kann dies auf einfache Weise dadurch implementiert werden, dass der Piezoaktor zur Ansteuerung jeweils mit einem
Bestromungsprofil beaufschlagt wird, das die definierte Vorauslenkung und die anschließende Einspritzung bewirkt, wobei der Bestromungsbeginn soweit nach vorn verlagert wird, dass trotz Vorauslenkung ein vorbestimmter hydraulischer Öffnungszeitpunkt eines Ventils des Injektors erreicht wird. Gemäß einer Weiterbildung kann dabei der Ladestromverlauf des Piezoaktors über die Parameter des Bestromungsprofils so beeinflusst werden, dass die gewünschten Positionen der Aktorbodenplatte zu den gewünschten Zeitpunkten eingenommen werden. Figur 1 zeigt schematisch und geschnitten einen Aufbau für eine aus dem Stand der Technik bekannte Ventilsteuerung mit einem Piezoaktor,
Figur 2 zeigt ein Zeitdiagramm der Aktorbodenplattenposition eines gemäß dem Stand der Technik angesteuerten Piezoaktors,
Figur 3 zeigt, in gleicher Darstellung wie Figur 2, die Aktorbodenplattenposition eines erfindungsgemäß angesteuerten Piezoaktors.
Die Figur 1 der Zeichnung zeigt schematisch und beispielhaft den Aufbau einer Ventilsteuerung mit einem elektrischen Piezoaktor 1, der aus einem Stapel plattenförmiger piezoelektrischer Elemente besteht, die zum Ventil hin durch eine Aktorbodenplatte 7 abgeschlossen sind. Bei der gezeigten Ausführungsform erfolgt die mechanische Auslenkung beim Anlegen einer Spannung senkrecht zur Schichtebene der einzelnen Piezo-Elemente, das heißt in Längsrichtung (z- Richtung) des Piezoaktors 1.
Der Piezoaktor 1 hat in der Ruhelage, das heißt, ohne dass eine Ansteuerspannung anliegt, die Länge I0, wobei die Aktorbodenplatte 7 ihre vorbestimmte Ausgangslage einnimmt. Der Abstand zwischen dem ungedehnten Piezoaktor 1 und einem mechanischen Stell- oder Betätigungselement (hier einem Ventilkolben 3) ist der Leerhub h0. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Anschlussklemmen 2 des Piezoaktors 1 dehnt sich dieser in z-Richtung und nimmt eine Länge Ii an mit Ii > lo+ho.
In dem in der Figur 1 gezeigten Zustand befindet sich, da keine elektrische Spannung angelegt ist, der Piezoaktor 1 in seiner Ruhelage, das Ventil ist geschlossen, und im Steuerraum 4 des Ventils herrscht ein Druck p0. Wenn eine Ansteuerspannung angelegt wird, wird der Piezoaktor 1 ausgelenkt, der Ventilkolben 3 hebt eine Ventilkugel 5 gegen die Wirkung einer Rückstellfeder 6 von ihren Sitz ab, das Ventil ist dadurch geöffnet, und in dem Steuerraum stellt sich ein Druck pi ein.
Figur 2 zeigt ein Diagramm, in dem die Position der Aktorbodenplatte 7 eines gemäß dem Stand der Technik angesteuerten Piezoaktors 1 über die Zeit dargestellt ist. Mit Beginn der Bestromung zum Zeitpunkt t0 beginnt sich der Piezoaktor 1 zu längen, so dass die Aktorbodenplatte 7 nach einer bestimmten, vom Leerhub abhängigen Zeitspanne auf das Betätigungselement 3 einwirkt. Zu einem Zeitpunkt tOffnung ist dann der hydraulische Öffnungszeitpunkt des Schaltventils des Injektors erreicht. Die vorbestimmte Ausgangslage (Nullage) der Aktorbodenplatte 7 vor der Bestromung ist jedoch aus den weiter oben dargestellten Gründen schwankungsbehaftet, das heißt, sie weist die in Figur 2 angedeutete Streuung σi auf, die sich in einer entsprechenden Streuung des Öffnungsbeginns des Ventils niederschlägt, da bei jeder Ansteuerung des Piezoaktors 1 ein zwar innerhalb der Schwankungsbreite σi liegender, aber doch etwas unterschiedlicher Leerhub wirksam wird. Die vorbestimmte Ausgangslage kann im Übrigen in an sich bekannter Weise durch eine negative Bestromung des gelängten Piezoaktors 1, also durch eine Entladung, erreicht werden .
Erfindungsgemäß erfolgt eine Vorauslenkung des Piezoaktors 1 unmittelbar vor dem eigentlichen Einspritzevent. Diese Vorauslenkung führt die Aktorbodenplatte 7 in einen Bereich, der erhöhte Lagestabilität bezogen auf Reproduzierbarkeit besitzt. Die Vorauslenkung kann vorteilhaft als ein Zurückziehen des Piezoaktors 1 durch negative Bestromung realisiert sein und ist in Figur 3 dargestellt. Um denselben hydraulischen Öffnungszeitpunkt des Schaltventils toffnung wie bei konventioneller Ansteuerung zu erreichen, ist aufgrund des größeren, aber definierteren Aktorweges der Bestromungsbeginn nach vorn zu verlagern, vergleiche den wannenförmigen negativen Teil der in Figur 3 dargestellten Kurve, der das Zurückziehen der Aktorbodenplatte 7 in eine neue Ausgangslage andeutet. Diese neue Ausgangslage ist durch eine Streuung oλ- charakterisiert, die kleiner als die der vorbestimmten Ausgangslage zugeordnete Streuung σi ist. Dies erklärt sich daraus, dass durch die Vorauslenkung der Anteil der Aktorkraft in der Kraftgleichung aus Rohrfeder, Membranspannung, Membranraumdruck, thermische Spannung und Reibung gegenüber den äußeren Einflüssen (Umgebungstemperatur, Druck) sowie gegenüber der Vorgeschichte, das heißt der vorangegangenen Einspritzung, steigt, die zu schwankungsbehafteten Aktorbodenplattenausgangslagen führen. Dies bedeutet, dass der Anteil definiert steuerbarer Kräfte gegenüber ( stochastisch) fremd gesteuerter Kräfte zunimmt. Die Aktorbodenplattenausgangslage wird stabiler und folglich wird die Streuung des tatsächlichen Ventilöffnungsbeginns geringer, wodurch, wie gewünscht, die Einspritzgenauigkeit zunimmt .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoaktors (1) in einem Kraftstoffinjektor, bei dem der elektrisch ansteuerbare Piezoaktor (1) eine Längsbewegung (Hub) auf ein
Betätigungselement (3) überträgt, wobei zwischen einer Aktorbodenplatte (7) und dem Betätigungselement (3) ein vorbestimmter Leerhub (ho) eingestellt ist, der von einer vorbestimmten Ausgangslage der Aktorbodenplatte (7) vor der Ansteuerung abhängig ist, dadurch gekennzeichnet , dass der Piezoaktor (1), dessen Aktorbodenplatte (7) sich in der schwankungsbehafteten vorbestimmten Ausgangslage befindet, unmittelbar vor einer Einspritzung so angesteuert wird, dass eine definierte Vorauslenkung des Piezoaktors (1) erfolgt, so dass die Aktorbodenplatte (7) vor der anschließenden Einspritzung eine weniger schwankungsbehaftete neue Ausgangslage einnimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) zur Bewirkung der Vorauslenkung negativ bestromt wird, so dass die Aktorbodenplatte (7) in eine definierte neue Ausgangslage zurückgezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (1) zur Ansteuerung jeweils mit einem Bestromungsprofil beaufschlagt wird, das die definierte Vorauslenkung und die anschließende Einspritzung bewirkt, wobei der Bestromungsbeginn soweit nach vorn verlagert wird, dass trotz Vorauslenkung ein vorbestimmter hydraulischer Öffnungszeitpunkt eines Ventils (4, 5, 6) des Injektors erreicht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Ladestromverlauf des Piezoaktors (1) über die Parameter des Bestromungsprofils so beeinflusst wird, dass die gewünschten Positionen der Aktorbodenplatte (7) zu den gewünschten Zeitpunkten eingenommen werden.
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