EP2063091A2 - Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors und Steuergerät hierfür - Google Patents

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EP2063091A2
EP2063091A2 EP20080105596 EP08105596A EP2063091A2 EP 2063091 A2 EP2063091 A2 EP 2063091A2 EP 20080105596 EP20080105596 EP 20080105596 EP 08105596 A EP08105596 A EP 08105596A EP 2063091 A2 EP2063091 A2 EP 2063091A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
piezoelectric actuator
control
actuator
electrical efficiency
fuel injection
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20080105596
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Klein
Hans-Peter Lehr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a piezoelectric actuator, in particular a fuel injection valve of an internal combustion engine of a motor vehicle, wherein the piezoelectric actuator with at least one control variable, in particular a drive current and / or a drive voltage, is applied to an operating state of the piezoelectric actuator, in particular its length , to influence.
  • the invention further relates to a control device for such a piezoelectric actuator.
  • Piezoelectric actuators of the above type are preferably used in high-pressure fuel injection systems of motor vehicles, because they allow a relatively fast control of a fuel injection valve or its valve needle and thus favor efficient and low-emission combustion.
  • Circuit arrangements for driving piezoelectric actuators are already known, which make it possible to recover part of the electrical energy applied for driving on the piezoelectric actuator during a discharging process.
  • the non-recoverable differential amount of the electrical energy corresponds to a loss energy and must be provided by the control unit or a primary energy supply supplying the control device, such as a DC-DC converter.
  • a simple solution is, for example, to scale the output power of DC-DC converters or to use several existing DC-DC converters simultaneously for the operation of a control device or a predeterminable number of piezoelectric actuators.
  • the control device architectures used can no longer handle a power loss to be implemented, in particular due to their limited size.
  • control variable is set in dependence on a predetermined electrical efficiency and / or energy requirements.
  • control variables for the operation of the piezoelectric actuator are chosen so that a desired electrical efficiency or a corresponding energy requirement sets, whereby the total of the piezoelectric actuator controlling the controller to be implemented power can be influenced.
  • relatively low drive currents can be set particularly advantageously in order to minimize the electrical power dissipation dependent thereon.
  • the setting of the control variables in the sense of the present invention can in particular comprise a control and / or a regulation of the respective control variable or control variables. It is also conceivable to regulate a time profile of the drive variables.
  • the electrical efficiency is formed as a function of a quotient of an electrical energy applied to the piezoelectric actuator during a charging process and an electrical energy recovered by the piezoelectric actuator during a corresponding discharging process.
  • a power loss which is dissipated in a control device which acts on the piezoelectric actuator with the control variable can also be taken into account in the formation of the electrical efficiency.
  • the operating method according to the invention can preferably be used to maximize the electrical efficiency or to minimize the energy requirement of the entire arrangement.
  • the electrical efficiency can also be formed taking into account the plurality or all of the piezoelectric actuators.
  • the computer program can be stored, for example, on an electronic storage medium may be, for example, be included in the controller, the storage medium.
  • FIG. 1 a fuel injection valve 10 designed as an injection valve of an internal combustion engine of a motor vehicle is shown, which is provided with a piezoelectric actuator 12.
  • the piezoelectric actuator 12 is as in FIG. 1 indicated by the arrow driven by a control unit 20.
  • the fuel injection valve 10 has a valve needle 13, which can sit on a valve seat 14 a in the interior of the housing of the fuel injection valve 10.
  • FIG. 1 A fully opened state of the fuel injection valve 10 is characterized in that the valve needle 13 is disposed on a arranged in the region 14b and not shown Nadelhubanschlag, which further movement of the valve needle 13 away from her Valve seat 14a, ie the actuator 12 to prevented. If the valve needle 13 is seated on the valve seat 14a, the fuel injection valve 10 is closed. That is, the whole, according to the picture FIG. 1 vertically extending stroke, which the valve needle 13 can travel, is limited on the one hand by the valve seat 14a (closed position) and on the other hand by the Nadelhubanschlag in the area 14b (opening position).
  • the transition from the closed to the open state is effected by means of the piezoelectric actuator 12.
  • a voltage referred to below as the actuator voltage U is applied to the actuator 12, which causes a change in length of a arranged in the actuator 12 piezo stack, which in turn is used to open or close the fuel injection valve 10.
  • the fuel injection valve 10 further includes a hydraulic coupler 15.
  • the hydraulic coupler 15 is disposed within the fuel injection valve 10 and has a coupler housing 16 in which two pistons 17, 18 are guided.
  • the piston 17 is connected to the actuator 12 and the piston 18 is connected to the valve needle 13.
  • a volume 19 is included, which accomplishes the transmission of the force exerted by the actuator 12 to the valve needle 13.
  • the coupler 15 is surrounded by pressurized fuel 11.
  • the volume 19 is also filled with fuel. Via the guide gaps between the two pistons 17, 18 and the coupler housing 16, the volume 19 can be adapted over a longer period of time to the respectively existing length of the actuator 12. For short-term changes in the length of the actuator 12, however, the volume 19 remains virtually unchanged and the change in the length of the actuator 12 is transmitted to the valve needle 13.
  • the drive voltage U and / or the drive current I for the piezoelectric actuator 12 are set as a function of a specifiable electrical efficiency and / or energy requirement in order to ensure the most efficient operation of the actuator 12.
  • FIG. 2a shows a temporal course of the drive voltage U for the actuator 12 in three different operating conditions.
  • the An einschreibsverlauf U1 reflects the known from conventional operating methods AnberichtInstitut.
  • the drive voltage curves U2, U3 correspond to a drive according to the invention of the piezoelectric actuator 12 and are described in more detail below.
  • FIG. 2a a complete drive voltage curve for the in FIG. 1 shown fuel injector 10 and the piezoelectric actuator 12 provided therein indicated.
  • the piezoelectric actuator 12 is discharged from the time t00 to a target voltage U01, which is applied to the actuator 12 at the time t01.
  • the fuel injection valve 10 is fully opened, and fuel injection takes place.
  • the fuel injection valve 10 remains in the open state until the time t02. Subsequently, the fuel injection valve 10 is returned to its closed state; For this purpose, the piezoelectric actuator 12 is charged by the voltage U01 back to the output voltage U0.
  • FIG. 2a For the sake of clarity, is in FIG. 2a for the discharge process, that is to say for the activation at t ⁇ t01, only a conventional drive voltage characteristic is mapped, whereas for the charging process, that is to say t> t02, as already described several operating variants according to the invention are illustrated.
  • the conventional operating method provides for the charging process from the time t02 a relatively large drive current for charging the actuator 12, so that there is a correspondingly large voltage gradient in the An horrendsverlauf U1 for t> t02.
  • the operating method according to the invention provides, the control variables U, I for the piezoelectric actuator 12 as a function of a predefinable electrical efficiency set, in the present case the highest possible efficiency is sought. Accordingly, the piezoelectric actuator 12 according to the invention during charging (t> t02) applied to a smaller charging current than in the conventional method, resulting in the correspondingly reduced voltage gradients of Anêtmentsverlufe U2, U3.
  • the first part ensures the closing, the second section of the locking.
  • FIG. 2b shows in addition the electrical efficiency ⁇ for a corresponding drive operation of the piezoelectric actuator 12, in turn, in each case for a conventional drive situation (drive voltage curve U1, FIG. 2a ) and two Anêtwoodsverstructure U2, U3 invention.
  • the efficiency ⁇ is in this case plotted over a control duration ti, which is defined as the time difference between the starting time t02 of a subsequent charging process and the starting time t00 of the preceding discharging process.
  • FIG. 2b An efficiency ⁇ 3 corresponding to the drive voltage curve U3 according to the invention is shown in FIG. 2b designated separately.
  • this drive voltage curve U3 according to investigations by the Applicant, an efficiency improved by up to 6% in comparison with the conventional drive situation with the drive voltage curve U1 is given.
  • control units 20 of internal combustion engines can advantageously operate more efficiently with regard to the electrical power loss, because in many operating areas of the fuel injection valve 10, for example, the activation of the piezoelectric actuator 12 with a maximum voltage gradient is not required and therefore an optimization can be carried out under aspects of efficiency was disregarded in the previous tax systems.
  • the electrical efficiency of the system controlling the actuator 12 can be predetermined, whereby e.g. the load of a DC converter provided for the power supply can be reduced at least temporarily.
  • the invention accordingly also makes possible the targeted reduction of the electrical energy dissipated in the control unit 20, so that, for example, with the same thermal design, e.g. the number of partial injections in many operating points of an internal combustion engine can be increased. Also fuel systems with higher fuel pressure, which also require an increased amount of electrical energy to drive the actuator 12 can be realized using the inventive principle with an equal number of injections or partial injections as previous systems with a lower fuel pressure.
  • control variables U, I can also be selected while carrying out the method according to the invention such that characteristic gradients or gradient changes ("kinks") still result, so that control or compensation methods based thereon can continue to be used.
  • kinks characteristic gradients or gradient changes

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors (12), insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils (10) einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der piezoelektrische Aktor (12) mit mindestens einer Ansteuergröße, insbesondere einem Ansteuerstrom (I) und/oder einer Ansteuerspannung (U), beaufschlagt wird, um einen Betriebszustand des piezoelektrischen Aktors (12), insbesondere dessen Länge, zu beeinflussen. Erfindungsgemäß wird die Ansteuergröße (I, U) in Abhängigkeit eines vorgebbaren elektrischen Wirkungsgrads (·) und/oder Energiebedarfs eingestellt, um einen effizienteren Betrieb zu ermöglichen.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der piezoelektrische Aktor mit mindestens einer Ansteuergröße, insbesondere einem Ansteuerstrom und/oder einer Ansteuerspannung, beaufschlagt wird, um einen Betriebszustand des piezoelektrischen Aktors, insbesondere dessen Länge, zu beeinflussen.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät für einen derartigen piezoelektrischen Aktor.
  • Piezoelektrische Aktoren des vorstehend genannten Typs werden bevorzugt in Hochdruck-Kraftstoffeinspritsystemen von Kraftfahrzeugen verwendet, weil sie eine verhältnismäßig schnelle Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils beziehungsweise dessen Ventilnadel ermöglichen und somit eine effiziente und emissionsarme Verbrennung begünstigen.
  • Es sind bereits Schaltungsanordnungen zur Ansteuerung von piezoelektrischen Aktoren bekannt, die es ermöglichen, einen Teil der zur Ansteuerung auf den piezoelektrischen Aktor aufgebrachten elektrischen Energie während eines Entladevorgangs zurückzugewinnen. Der nicht zurückgewinnbare Differenzbetrag der elektrischen Energie entspricht einer Verlustenergie und muss von dem Steuergerät beziehungsweise einer das Steuergerät versorgenden Primärenergieversorgung wie beispielsweise einem Gleichstromwandler bereitgestellt werden.
  • Neue Betriebsarten für Brennkraftmaschinen sowie neue Typen von Abgasnachbehandlungssystemen verlangen eine immer größere Anzahl von Teileinspritzungen. Gleichzeitig weisen die zukünftig zur Verwendung geplanten piezoelektrischen Aktoren eine verhältnismäßig große elektrische Kapazität auf. Darüberhinaus steigt auch der maximale Kraftstoffdruck bei den zukünftig einzusetzenden Hochdruck-Kraftstoffsystemen. Alle diese Effekte machen die Bereitstellung einer größeren elektrischen Energiemenge je Einspritzung für ein den piezoelektrischen Aktor ansteuerndes Steuergerät erforderlich.
  • Ein einfacher Lösungsansatz besteht beispielsweise darin, die Ausgangsleistung von Gleichstromwandlern zu skalieren bzw. mehrere bestehende Gleichstromwandler gleichzeitig zum Betrieb eines Steuergeräts beziehungsweise einer vorgebbaren Anzahl piezoelektrischer Aktoren einzusetzen. Allerdings ist bei diesem Lösungsansatz der Nachteil gegeben, dass die verwendeten Steuergerätearchitekturen eine hierbei umzusetzende Verlustleistung insbesondere aufgrund ihrer begrenzten Baugröße nicht mehr handhaben können.
  • Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren und ein Steuergerät der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein effizienterer Betrieb möglich ist und auch zukünftig eintretende Anforderungen erfüllt werden können.
  • Diese Aufgabe wird bei dem Betriebsverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Ansteuergröße in Abhängigkeit eines vorgebbaren elektrischen Wirkungsgrads und/oder Energiebedarfs eingestellt wird.
  • Das heißt, erfindungsgemäß werden die Ansteuergrößen für den Betrieb des piezoelektrischen Aktors so gewählt, dass sich ein gewünschter elektrischer Wirkungsgrad beziehungsweise ein entsprechender Energiebedarf einstellt, wodurch die insgesamt von dem den piezoelektrischen Aktor steuernden Steuergerät umzusetzende Leistung beeinflussbar ist.
  • Besonders vorteilhaft können dadurch beispielsweise in solchen Betriebszuständen des piezoelektrischen Aktors, in denen keine verhältnismäßig großen Spannungsgradienten der Ansteuerspannung zu erzielen sind, verhältnismäßig geringe Ansteuerströme eingestellt werden, um die hiervon abhängige elektrische Verlustleistung zu minimieren.
  • Das Einstellen der Ansteuergrößen im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine Steuerung und/oder eine Regelung der betreffenden Ansteuergröße beziehungsweise Ansteuergrößen umfassen. Es ist auch denkbar, einen zeitlichen Verlauf der Ansteuergrößen zu regeln.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass der elektrische Wirkungsgrad in Abhängigkeit eines Quotienten aus einer während eines Ladevorgangs auf den piezoelektrischen Aktor aufgebrachten elektrischen Energie und einer während eines entsprechenden Entladevorgangs von dem piezoelektrischen Aktor zurückgewonnenen elektrischen Energie gebildet wird.
  • Ferner kann erfindungsgemäß bei der Bildung des elektrischen Wirkungsgrads auch eine Verlustleistung berücksichtigt werden, die in einem den piezoelektrischen Aktor mit der Ansteuergröße beaufschlagenden Steuergerät dissipiert wird.
  • Zusätzlich kann erfindungsgemäß vorteilhaft auch vorgesehen sein, dass ein Betriebszustand von mit dem piezoelektrischen Aktor gekoppelten mechanischen und/oder hydraulischen Systemen berücksichtigt wird.
  • Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren kann bevorzugt dazu verwendet werden, den elektrischen Wirkungsgrad zu maximieren beziehungsweise den Energiebedarf der gesamten Anordnung zu minimieren.
  • Wenn mehrere piezoelektrische Aktoren zum Antrieb von mehreren Kraftstoff-Einspritzventilen einer Brennkraftmaschine vorgesehen sind, kann der elektrische Wirkungsgrad erfindungsgemäß auch unter Berücksichtigung der mehreren beziehungsweise aller piezoelektrischen Aktoren gebildet werden.
  • Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms, das auf einem Computer beziehungsweise einer Recheneinheit eines Steuergeräts ablauffähig und zur Ausführung des Verfahrens geeignet ist. Das Computerprogramm kann beispielsweise auf einem elektronischen Speichermedium abgespeichert sein, wobei das Speichermedium seinerseits zum Beispiel in dem Steuergerät enthalten sein kann.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung zeigt:
    • Figur 1
    eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kraftstoffeinspritzventils zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    Figur 2a
    einen zeitlichen Verlauf einer Ansteuerspannung, und
    Figur 2b
    elektrische Wirkungsgrade unterschiedlicher Verfahrensvarianten aufgetragen über einer Ansteuerzeit.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • In der Figur 1 ist ein als Kraftstoffeinspritzventil 10 ausgebildetes Einspritzventil einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt, das mit einem piezoelektrischen Aktor 12 versehen ist. Der piezoelektrische Aktor 12 wird wie in Figur 1 durch den Pfeil angedeutet von einem Steuergerät 20 angesteuert. Weiterhin weist das Kraftstoffeinspritzventil 10 eine Ventilnadel 13 auf, die auf einem Ventilsitz 14a im Inneren des Gehäuses des Kraftstoffeinspritzventils 10 aufsitzen kann.
  • Ist die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz 14a abgehoben, so ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 geöffnet und es wird Kraftstoff eingespritzt. Dieser Zustand ist in der Figur 1 dargestellt. Ein vollständig geöffneter Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 10 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel 13 an einem in dem Bereich 14b angeordneten und nicht näher dargestellten Nadelhubanschlag anliegt, der eine weitere Bewegung der Ventilnadel 13 weg von ihrem Ventilsitz 14a, d.h. auf den Aktor 12 zu, verhindert. Sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14a auf, so ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 geschlossen. D.h., der gesamte, bei der Abbildung nach Figur 1 vertikal verlaufende, Hubweg, den die Ventilnadel 13 zurücklegen kann, ist einerseits durch den Ventilsitz 14a (Schließposition) und andererseits durch den Nadelhubanschlag in dem Bereich 14b (Öffnungsposition) begrenzt.
  • Der Übergang von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand wird mithilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt. Hierzu wird eine nachfolgend auch als Aktorspannung U bezeichnete elektrische Spannung an den Aktor 12 angelegt, die eine Längenänderung eines in dem Aktor 12 angeordneten Piezostapels hervorruft, welche ihrerseits zum Öffnen beziehungsweise Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 10 ausgenutzt wird.
  • Das Kraftstoffeinspritzventil 10 weist ferner einen hydraulischen Koppler 15 auf. Der hydraulische Koppler 15 ist innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10 angeordnet und weist ein Kopplergehäuse 16 auf, in dem zwei Kolben 17, 18 geführt sind. Der Kolben 17 ist mit dem Aktor 12 und der Kolben 18 ist mit der Ventilnadel 13 verbunden. Zwischen den beiden Kolben 17, 18 ist ein Volumen 19 eingeschlossen, das die Übertragung der von dem Aktor 12 ausgeübten Kraft auf die Ventilnadel 13 bewerkstelligt.
  • Der Koppler 15 ist von unter Druck stehendem Kraftstoff 11 umgeben. Das Volumen 19 ist ebenfalls mit Kraftstoff gefüllt. Über die Führungsspalte zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 kann sich das Volumen 19 über einen längeren Zeitraum hinweg an die jeweils vorhandene Länge des Aktors 12 anpassen. Bei kurzzeitigen Änderungen der Länge des Aktors 12 bleibt das Volumen 19 jedoch nahezu unverändert und die Änderung der Länge des Aktors 12 wird auf die Ventilnadel 13 übertragen.
  • Erfindungsgemäß wird die Ansteuerspannung U und/oder der Ansteuerstrom I für den piezoelektrischen Aktor 12 in Abhängigkeit eines vorgebbaren elektrischen Wirkungsgrads und/oder Energiebedarfs eingestellt, um einen möglichst effizienten Betrieb des Aktors 12 sicherzustellen.
  • Figur 2a zeigt hierzu einen zeitlichen Verlauf der Ansteuerspannung U für den Aktor 12 in drei unterschiedlichen Betriebszuständen.
  • Der Ansteuerspannungsverlauf U1 gibt die von herkömmlichen Betriebsverfahren bekannten Ansteuerverhältnisse wieder. Die Ansteuerspannungsverläufe U2, U3 entsprechen einer erfindungsgemäßen Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 und sind nachstehend näher beschrieben.
  • Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist in Figur 2a ein kompletter Ansteuerspannungsverlauf für das in Figur 1 abgebildete Kraftstoffeinspritzventil 10 beziehungsweise den darin vorgesehenen piezoelektrischen Aktor 12 angegeben. Ausgehend von einer Ausgangsspannung U0, bei der der Aktor 12 eine maximale Länge aufweist und das Kraftstoffeinspritzventil 10 demnach geschlossen ist, wird der piezoelektrische Aktor 12 ab dem Zeitpunkt t00 bis auf eine Zielspannung U01 entladen, die zu dem Zeitpunkt t01 an dem Aktor 12 anliegt. In diesem Zustand, das heißt ab dem Zeitpunkt t01, ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 vollständig geöffnet, und es findet eine Kraftstoffeinspritzung statt.
  • Wie aus Figur 2a ersichtlich ist, bleibt das Kraftstoffeinspritzventil 10 bis zu dem Zeitpunkt t02 in dem geöffneten Zustand. Anschließend wird das Kraftstoffeinspritzventil 10 wieder in seinen Schließzustand überführt; hierfür wird der piezoelektrische Aktor 12 von der Spannung U01 wieder auf die Ausgangsspannung U0 aufgeladen.
  • Der Übersichtlichkeit halber ist in Figur 2a für den Entladevorgang, das heißt für die Ansteuerung bei t < t01, allein ein herkömmlicher Ansteuerspannungsverlauf abgebildet, während für den Aufladevorgang, das heißt t > t02, wie bereits beschrieben mehrere erfindungsgemäße Betriebsvarianten veranschaulicht sind.
  • Das herkömmliche Betriebsverfahren sieht für den Aufladevorgang ab dem Zeitpunkt t02 einen verhältnismäßig großen Ansteuerstrom zum Aufladen des Aktors 12 vor, so dass sich ein entsprechend großer Spannungsgradient bei dem Ansteuerspannungsverlauf U1 für t > t02 ergibt.
  • Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren sieht demgegenüber vor, die Ansteuergrößen U, I für den piezoelektrischen Aktor 12 in Abhängigkeit eines vorgebbaren elektrischen Wirkungsgrads einzustellen, wobei vorliegend ein möglichst großer Wirkungsgrad angestrebt wird. Dementsprechend wird der piezoelektrische Aktor 12 erfindungsgemäß während des Aufladens (t > t02) mit einem kleineren Ladestrom beaufschlagt als bei dem herkömmlichen Verfahren, wodurch sich die entsprechend verringerten Spannungsgradienten der Ansteuerspannungsverläufe U2, U3 ergeben.
  • Denkbar ist auch eine geteilte Ansteuerung beim Aufladen, wobei der erste Teil das Schließen sicherstellt, der zweite Teilabschnitt das Zuhalten.
  • Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass sich der elektrische Wirkungsgrad, der vorliegend als Quotient gebildet ist aus einer während des Ladevorgangs auf den Aktor 12 aufgebrachten elektrischen Energie und einer während des Entladevorgangs von dem Aktor 12 zurückgewonnenen elektrischen Energie, mit sinkendem Ansteuerspannungsgradienten, das heißt für die Ansteuerspannungsverläufe U2, U3 gegenüber dem herkömmlichen Ansteuerspannungsverlauf U1, verbessert. D.h., bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Ansteuerspannungsverläufe U2, U3 kann eine elektrische Verlustleistung verringert werden.
  • Figur 2b zeigt hierzu ergänzend den elektrischen Wirkungsgrad η für einen entsprechenden Ansteuervorgang des piezoelektrischen Aktors 12, wiederum jeweils für eine herkömmliche Ansteuersituation (Ansteuerspannungsverlauf U1, Figur 2a) und zwei erfindungsgemäße Ansteuerspannungsverläufe U2, U3. Der Wirkungsgrad η ist hierbei aufgetragen über einer Ansteuerdauer ti, die definiert ist als Zeitdifferenz zwischen dem Startzeitpunkt t02 eines nachfolgenden Aufladevorgangs und dem Startzeitpunkt t00 des vorhergehenden Entladevorgangs. In Figur 2a hat diese Zeitdifferenz den Wert t02 - t00 = ti0, der in Figur 2b eingetragen ist.
  • Ein dem erfindungsgemäßen Ansteuerspannungsverlauf U3 entsprechender Wirkungsgrad η3 ist in Figur 2b gesondert bezeichnet. Bei diesem Ansteuerspannungsverlauf U3 ist, Untersuchungen der Anmelderin zufolge, ein um bis zu 6 % verbesserter Wirkungsgrad im Vergleich zu der herkömmlichen Ansteuersituation mit dem Ansteuerspannungsverlauf U1 gegeben.
  • Dies gilt jedoch nicht nur für die der Figur 2a zugrundeliegende Zeitdifferenz von ti0, sondern auch für andere Werte der ti - Achse gemäß Figur 2b. D.h., auch bei anderen Entladezeiten wirkt sich das erfindungsgemäße Prinzip positiv auf den elektrischen Wirkungsgrad η aus.
  • Der mitunter komplexe Zusammenhang zwischen dem elektrischen Wirkungsgrad η bei einer Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 und den Ansteuergrößen U, I kann für vorgegebene Systeme beispielsweise messtechnisch erfasst oder aufgrund eines rechnerischen Modells ermittelt werden. Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prinzips können Steuergeräte 20 von Brennkraftmaschinen vorteilhaft effizienter hinsichtlich der elektrischen Verlustleistung arbeiten, weil in vielen Betriebsbereichen des Kraftstoffeinspritzventils 10 beispielsweise nicht die Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 mit einem maximalen Spannungsgradienten erforderlich ist und daher eine Optimierung unter Wirkungsgradgesichtspunkten durchgeführt werden kann, die bei den bisherigen Steuersystemen außer Acht gelassen wurde.
  • D.h., zumindest in einem gewissen Teil der möglichen Betriebszustände des Aktors 12 ist es denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, ohne andere Anforderungen wie z.B. Ansteuerzeitparameter usw. vernachlässigen zu müssen. In diesem Fall kann vorteilhaft der elektrische Wirkungsgrad des den Aktor 12 steuernden Systems vorgegeben werden, wodurch z.B. die Belastung eines zur Energieversorgung vorgesehenen Gleichstromwandlers zumindest temporär reduzierbar ist.
  • Die Erfindung ermöglicht demnach auch die gezielte Reduktion der in dem Steuergerät 20 dissipierten elektrischen Energie, so dass bei gleicher thermischer Auslegung z.B. die Anzahl der Teileinspritzungen in vielen Betriebspunkten einer Brennkraftmaschine erhöht werden kann. Auch Kraftstoffsysteme mit höherem Kraftstoffdruck, die ebenfalls ein gesteigertes Maß an elektrischer Energie zur Ansteuerung des Aktors 12 erfordern, können unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prinzips mit einer gleichen Anzahl von Einspritzungen beziehungsweise Teileinspritzungen wie bisherige Systeme mit einem geringeren Kraftstoffdruck realisiert werden.
  • Darüber hinaus ist es bei bestehenden Kraftstoffsystemen unter Umständen möglich, unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips weniger leistungsfähige Gleichstromwandler vorzusehen und damit die Herstellungskosten für entsprechende Systeme zu reduzieren.
  • Neben der erfindungsgemäßen Optimierung der Ansteuergrößen U, I im Hinblick auf den elektrischen Wirkungsgrad können auch weitere Randbedingungen für die Zeitverläufe der Ansteuergrößen U, I berücksichtigt werden. Beispielsweise können die Ansteuergrößen U, I auch unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens so gewählt werden, dass sich charakteristische Gradienten beziehungsweise Gradientenänderungen ("Knicke") nach wie vor ergeben, so dass hierauf basierende Regelungs- beziehungsweise Kompensationsverfahren weiterhin einsetzbar sind.
  • Es ist darüber hinaus auch denkbar, andere Ansteuergrößen als die Spannung U bzw. den Strom I, erfindungsgemäß einzustellen, z. B. Lade- und/oder Entladezeiten usw.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors (12), insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils (10) einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der piezoelektrische Aktor (12) mit mindestens einer Ansteuergröße, insbesondere einem Ansteuerstrom (I) und/oder einer Ansteuerspannung (U), beaufschlagt wird, um einen Betriebszustand des piezoelektrischen Aktors (12), insbesondere dessen Länge, zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuergröße (I, U) in Abhängigkeit eines vorgebbaren elektrischen Wirkungsgrads (η) und/oder Energiebedarfs eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen der Ansteuergröße (I, U) bzw. Ansteuergrößen (I, U) eine Steuerung und/oder eine Regelung der Ansteuergröße (I, U) bzw. Ansteuergrößen (I, U) umfasst.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Wirkungsgrad (η) in Abhängigkeit eines Quotienten aus einer während eines Ladevorgangs auf den piezoelektrischen Aktor (12) aufgebrachten elektrischen Energie und einer während eines entsprechenden Entladevorgangs von dem piezoelektrischen Aktor (12) zurückgewonnenen elektrischen Energie gebildet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung des elektrischen Wirkungsgrads (η) auch eine Verlustleistung berücksichtigt wird, die in einem den piezoelektrischen Aktor (12) mit der Ansteuergröße (I, U) beaufschlagenden Steuergerät (20) dissipiert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch ein Betriebszustand von mit dem Aktor (12) gekoppelten mechanischen und/oder hydraulischen Systemen berücksichtigt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Ansteuergröße (I, U) eingestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Wirkungsgrad (η) maximiert und/oder der Energiebedarf minimiert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere piezoelektrische Aktoren (12) zum Antrieb mehrerer Kraftstoffeinspritzventile (10) einer Brennkraftmaschine vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Wirkungsgrad (η) unter Berücksichtigung der mehreren bzw. aller piezoelektrischer Aktoren (12) gebildet wird.
  9. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 programmiert ist.
  10. Steuergerät (20) für einen piezoelektrischen Aktor (12), insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils (10) einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
EP20080105596 2007-11-22 2008-10-17 Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors und Steuergerät hierfür Withdrawn EP2063091A2 (de)

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