WO2002078098A2 - Vorrichtung zum ansteuern eines piezoelektrischen stellgliedes - Google Patents

Vorrichtung zum ansteuern eines piezoelektrischen stellgliedes Download PDF

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    • 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
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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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
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits

Definitions

  • the invention relates to a device for controlling a piezoelectric actuator, in particular for a fuel injection valve of an internal combustion engine, with an energy source which supplies the actuator with energy, the expansion of the piezoelectric actuator having a predetermined temperature response.
  • Such a device is known from DE 196 52 801 Cl.
  • the energy source there supplies the piezoelectric actuator with a predetermined amount of energy, the value of which is taken from a map as a function of the temperature.
  • Piezoelectrically driven injection valves for internal combustion engines are becoming more and more attractive among automobile manufacturers due to the speed and stability of their drive.
  • the reproducibility of the injected fuel quantities depends directly on the precision of the movements of the valve needle. Since the needle is driven by the piezoelectric actuator directly, or via a translator or a servo valve in the diesel area, it is necessary to control this actuator electrically with the appropriate precision over the entire temperature range.
  • DE 196 52 801 Cl proposes to supply the piezoelectric actuators with constant energy, for which purpose the value of the energy actually to be supplied is obtained from a characteristic map by means of the measured temperature and the charging voltage is adjusted accordingly in order to obtain the desired amount of energy.
  • a typical, piezo-driven injection valve loses about 15% of the stroke in the temperature range from 0 2 C to 125 ⁇ C according to Figure 2. It would now be possible to readjust the energy to a larger amount of energy using a corresponding map higher temperatures to compensate for the stroke loss. However, this is only possible if there is sufficient computing power available in the output stage and if the energy supplied to the actuator can be measured internally.
  • the object of the present invention is therefore to develop a generic device in a simple manner in such a way that better compensation of needle stroke losses is achieved.
  • the device is designed in such a way that a compensation capacitor is connected in parallel to the piezoelectric actuator, the capacitance of which is dimensioned such that, with a constant amount of energy supplied by the energy source, the expansion of the actuator is almost constant above the temperature.
  • the capacitance of the piezoelectric actuator increases with increasing temperature, while the capacitance of the compensation capacitor remains approximately constant. This means that with increasing temperature, an increasing proportion of the constant amount of energy supplied by the energy source is stored on the piezoelectric actuator, so that the stroke loss can be almost completely compensated for with a suitable dimensioning of the compensation capacitor. In the manner according to the invention, this is not a complex regulation necessary but just another component that must be suitably dimensioned.
  • the device according to the invention for controlling a piezoelectric actuator can be used in a conventional manner in an internal combustion engine, the piezoelectric actuator being designed as a structural unit with the fuel injection valve and being connected via a cable to a control device in which both the energy source and the downstream compensation capacitor are connected as well as a control circuit for controlling the energy source are included.
  • the device according to the invention can be used in a particularly advantageous manner in an “intelligent” fuel injection valve, since not only is the piezoelectric actuator designed as a structural unit with the injection valve, but also the energy source and a simple control unit are arranged in this structural unit.
  • the compensation capacitor is also arranged in this structural unit and enables a particularly simple compensation of the stroke losses, especially since the control unit does not have sufficient computing power for complex control and an exact measurement of the actuator temperature is not possible.
  • FIG. 1 shows a basic circuit diagram of a device for controlling a piezoelectric actuator according to the prior art
  • FIG. 2 shows the course of an actuator stroke over the temperature with constant supplied energy
  • FIG. 3 shows a basic circuit diagram of a device for controlling a piezoelectric actuator according to the invention
  • 4 shows the course of the energy fed into an actuator according to the St.DT and according to the invention
  • FIG. 5 shows a first use of the invention
  • FIG. 6 shows a second use of the invention.
  • Figure 1 shows a device for driving a piezoelectric actuator for a fuel injection valve of an internal combustion engine, as is common in the prior art.
  • An actuator Cp is supplied with a constant energy amount E 0 by an energy source EQ.
  • Figure 2 shows the course of the expansion of a piezoelectric actuator depending on the temperature of the actuator when subjected to a constant amount of energy of 60 mJ.
  • the actuator loses about 15% stroke in the temperature range from 0 2 C to 125 2 C, which must be compensated for if possible in order to be able to ensure that the desired amount of fuel is actually injected when the actuator is used in a fuel injection valve ,
  • a device according to the invention is shown in a basic circuit in FIG.
  • a compensation capacitor Co is connected in parallel to the piezoelectric actuator Cp, both capacitors being supplied with a constant amount of energy E 0 by the energy source. There is an amount of energy on the actuator
  • the course of the amount of energy Ep attributable to the actuator as a function of the ratio of the capacitance of the actuator to the capacitance of the compensation capacitor Cp / C 0 is shown in FIG.
  • the course of the amount of energy for a circuit according to FIG. 1 is also shown there.
  • the energy Ep stored on a piezoelectric actuator increases with increasing actuator capacity Cp and thus with increasing temperature, so that the stroke loss can be compensated for.
  • an energy source EQ In conventional control circuits for piezoelectric actuators, an energy source EQ, a control circuit ST for controlling the energy source EQ are contained in a control unit SG, which is connected via a cable K to the piezoelectric actuator Cp or to a fuel injection valve containing the actuator Cp.
  • the compensation compensator Co is also arranged in the control unit SG according to FIG.
  • the voltage at the actuator Cp or its temperature can be transmitted to the control circuit via a measuring line L in order to be able to regulate the stroke, for example.
  • a capacitor is usually already present at the output of the energy source EQ, but only for the purpose of complying with EMC guidelines.
  • the capacitance of such capacitors is approximately 2 ⁇ F.
  • a layer thickness of 80 ⁇ m and SiPd contacting but capacities of about 10.5 ⁇ F are required.
  • a particularly advantageous use of the device according to the invention is suitable for so-called “intelligent” fuel injection valves, in which the piezoelectric actuator Cp, an energy source EQ and a control circuit ST and the compensation capacitor Co according to the invention are accommodated in the housing of the fuel injection valve.
  • This is shown in principle in FIG , A measuring line L is also drawn in there, but in this embodiment it is not connected to the actuator itself, but rather only to the housing of the fuel injection valve, the temperature of which is measured.
  • FIG. 6 also shows a control unit SG which is acted upon on the one hand by the signal on the measuring line L for processing and on the other hand can control the “intelligent” fuel injection valve with control signals.

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Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Stellgliedes (Cp), insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, mit einer Energiequelle (EQ), die das Stellglied (Cp) mit Energie (E0) versorgt, wobei die Ausdehnung des piezoelektrischen Stellglieds (Cp) einen vorgegebenen Temperaturgang aufweist, ist dem piezoelektrischen Stellglied (Cp) ein Kompensationskondensator (C0) parallel geschaltet, dessen Kapazität derart bemessen ist, dass bei einem von der Energiequelle (EQ) gelieferten konstanten Energiebetrag (E0) die Ausdehnung des Stellglieds (Cp) nahezu konstant über der Temperatur ist.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Stellgliedes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Stellgliedes, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, mit einer E- nergiequelle, die das Stellglied mit Energie versorgt, wobei die Ausdehnung des piezoelektrischen Stellglieds einen vorgegebenen Temperaturgang aufweist.
Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 196 52 801 Cl bekannt. Die dortige Energiequelle versorgt das piezoelektrische Stellglied mit einem vorgegebenen Energiebetrag, dessen Wert abhängig von der Temperatur aus einem Kennfeld entnommen wird.
Piezoelektrisch angetriebene Einspritzventile für Brennkraftmaschinen, sowohl für Benzin- als auch für Dieselanwendungen, gewinnen aufgrund der Schnelligkeit und Stabilität ihres Antriebes immer mehr an Attraktivität bei den Automobilherstellern. Allerdings hängt die Reproduzierbarkeit der eingespritzten Kraftstoffmengen direkt von der Präzision der Bewegungen der Ventilnadel ab. Da die Nadel direkt, oder über einen Wegübersetzer bzw. ein Servoventil im Dieselbereich, von dem piezoelektrischen Stellglied angetrieben wird, ist es notwendig, dieses Stellglied über den ganzen Temperaturbereich mit entsprechender Präzision elektrisch anzusteuern.
In der DE 196 52 801 Cl ist vorgeschlagen, die piezoelektrischen Stellglieder mit konstanter Energie zu versorgen, wozu der Wert der tatsächlich zuzuführenden Energie mittels der gemessenen Temperatur aus einem Kennfeld gewonnen wird und die Ladespannung entsprechend nachgeregelt wird, um auf den gewünschten Energiebetrag zu kommen. Durch eine Ansteuerung mit konstanter Energie verliert ein typisches, piezogetriebenes Einspritzventil jedoch etwa 15% Hub im Temperaturbereich von 02C bis 125 ΞC entsprechend Figur 2. Es wäre nun möglich, die Energie auch hier durch ein entsprechendes Kennfeld nachzuregeln auf einen größeren Energiebetrag bei höheren Temperaturen, um den Hubverlust zu kompensieren. Dies ist jedoch nur möglich, wenn in der Endstufe eine genügend große Rechenleistung zur Verfügung steht und wenn die dem Stellglied zugeführte Energie geräteintern gemessen werden kann .
Die Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Vorrichtung in einfacher Weise derart weiterzubilden, daß eine bessere Kompensation von Nadelhubverlusten erreicht wird.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demgemäß ist die Vorrichtung dahingehend ausgebildet, daß dem piezoelektrischen Stellglied ein Kompensationskondensator parallel geschaltet ist, dessen Kapazität derart bemessen ist, daß bei einem von der Energiequelle gelieferten konstanten E- nergiebetrag die Ausdehnung des Stellglieds nahezu konstant über der Temperatur ist.
Die Kapazität des piezoelektrischen Stellgliedes nimmt mit zunehmender Temperatur zu, während die Kapazität des Kompensationskondensators annähernd konstant bleibt. Dies führt dazu, daß mit zunehmender Temperatur ein zunehmender Anteil des von der Energiequelle gelieferten konstanten Energiebetrags auf dem piezoelektrischen Stellglied gespeichert wird, so daß der Hubverlust bei geeigneter Dimensionierung des Kompensationskondensators fast vollständig kompensiert werden kann. In erfindungsgemäßer Weise ist hierzu keine aufwendige Regelung nötig sondern lediglich ein weiteres Bauteil, das geeignet dimensioniert werden muß.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Stellgliedes kann in herkömmlicher Weise in einer Brennkraftmaschine verwendet werden, wobei das piezoelektrische Stellglied als Baueinheit mit dem Kraftstoffein- spritzventil ausgebildet ist und über ein Kabel mit einem Steuergerät verbunden ist, in dem sowohl die Energiequelle mit dem nachgeschalteten Kompensationskondensator als auch eine Steuerschaltung zur Ansteuerung der Energiequelle enthalten sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich jedoch in besonders vorteilhafter Weise in einem „intelligenten" Kraftstoff- einspritzventil verwenden, da hier nicht nur das piezoelektrische Stellglied als Baueinheit mit dem Einspritzventil ausgebildet ist, sondern auch die Energiequelle sowie eine einfache Steuereinheit in dieser Baueinheit angeordnet sind. Der Kompensationskondensator wird in vorteilhafter Ausbildung der Erfindung ebenfalls in dieser Baueinheit angeordnet und ermöglicht hier eine besonders einfache Kompensation der Hubverluste, zumal die Steuereinheit keine ausreichende Rechenleistung für eine aufwendige Regelung hat und eine genaue Messung der Stellgliedtemperatur nicht möglich ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie- len mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Stellgliedes gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 den Verlauf eines Stellgliedhubes über der Temperatur bei konstanter eingespeister Energie,
Figur 3 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Stellgliedes gemäß der Erfindung, Figur 4 den Verlauf der in ein Stellglied eingespeisten E- nergie gemäß dem St.d.T. und gemäß der Erfindung, Figur 5 eine erste Verwendung der Erfindung und Figur 6 eine zweite Verwendung der Erfindung.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Stellgliedes für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, wie sie im Stand der Technik üblich ist. Ein Stellglied Cp wird von einer Energiequelle EQ mit einem konstanten Energiebetrag E0 versorgt.
Figur 2 zeigt den Verlauf der Ausdehnung eines piezoelektrischen Stellgliedes abhängig von der Temperatur des Stellgliedes bei Beaufschlagung mit einem konstanten Energiebetrag von 60 mJ. Wie zu erkennen ist verliert das Stellglied im Temperaturbereich von 02C bis 1252C etwa 15% Hub, was nach Möglichkeit kompensiert werden muß, um bei einer Verwendung des Stellgliedes in einem Kraftstoffeinspritzventil sicherstellen zu können, daß die gewünschte Kraftstoffmenge auch wirklich eingespritzt wird.
In Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Prinzipschaltung dargestellt. Im Gegensatz zur Schaltung gemäß Figur 1 ist dem piezoelektrischen Stellglied Cp ein Kompensationskondensator Co parallel geschaltet, wobei beide Kondensatoren von der Energiequelle mit einem konstanten E- nergiebetrag E0 versorgt werden. Auf das Stellglied entfällt dabei ein Energiebetrag
Cp/Co Ep = E0 *
1 + Cp/Cc
Der Verlauf des auf das Stellglied entfallenden Energiebetrags Ep als Funktion des Verhältnisses der Kapazität des Stellglieds zur Kapazität des Kompensationskondensators Cp/C0 ist in Figur 4 dargestellt. Dort ist außerdem der Verlauf des Energiebetrags für eine Schaltung gemäß Figur 1 dargestellt. Wie aus dem Verlauf der obigen Funktion zu erkennen ist, nimmt die auf einem piezoelektrischen Stellglied gespeicherte Energie Ep mit zunehmender Stellgliedkapazität Cp und somit mit zunehmender Temperatur zu, so dass der Hubverlust ausgeglichen werden kann.
Bei üblichen Ansteuerschaltungen für piezoelektrische Stellglieder sind eine Energiequelle EQ, eine Steuerschaltung ST zur Ansteuerung der Energiequelle EQ in einem Steuergerät SG enthalten, das über ein Kabel K mit dem piezoelektrischen Stellglied Cp bzw. einem das Stellglied Cp enthaltenden Kraftstoffeinspritzventil verbunden ist. Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Stellgliedes ist gemäß Figur 5 auch der Kompen- sationskompensator Co in dem Steuergerät SG angeordnet . Über eine Messleitung L kann die Spannung am Stellglied Cp oder dessen Temperatur der Steuerschaltung übermittelt werden, um eine Regelung beispielsweise des Hubes vornehmen zu können.
In solchen üblichen Ansteuerschaltungen ist zwar zumeist bereits ein Kondensator am Ausgang der Energiequelle EQ vorhanden, jedoch ausschließlich zum Zweck der Einhaltung von EMV- Richtlinien. Die Kapazität solcher Kondensatoren beträgt etwa 2μF. Zur erfindungsgemäßen Kompensation von temperaturbedingten Hubverlusten sind bei heute üblichen piezoelektrischen Stellgliedern, wie sie z.B. von der Firma EPCOS mit Außenabmessungen von 5, 5x5, 5x40, 5mm, einer Schichtdicke von 80μm und SiPd-Kontaktierung geliefert werden, jedoch Kapazitäten von etwa 10,5μF nötig.
Eine besonders vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bietet sich bei sogenannten „intelligenten" Kraftstoffeinspritzventilen an, bei denen das piezoelektrische Stellglied Cp, eine Energiequelle EQ und eine Steuerschaltung ST sowie der erfindungsgemäße Kompensationskondensator Co im Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils untergebracht sind. Dies ist prinzipiell in Figur 6 dargestellt. Auch dort ist eine Messleitung L eingezeichnet, die jedoch bei dieser Ausführung nicht mit dem Stellglied selbst verbunden ist, sondern lediglich mit dem Gehäuse des Kraftstoffein- spritzventils, dessen Temperatur gemessen wird.
In Figur 6 ist außerdem ein Steuergerät SG dargestellt, das einerseits mit dem Signal auf der Messleitung L zur Verarbeitung beaufschlagt wird und andererseits das „intelligente" Kraftstoffeinspritzventil mit Steuersignalen ansteuern kann.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Stellgliedes (Cp) , insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, mit einer Energiequelle (EQ) , die das Stellglied (Cp) mit Energie (Eo) versorgt, wobei die Ausdehnung des piezoelektrischen Stellglieds (Cp) einen vorgegebenen Temperaturgang aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem piezoelektrischen Stellglied (Cp) ein Kompensationskondensator (Co) parallel geschaltet ist, dessen Kapazität derart bemessen ist, daß bei einem von der Energiequelle (EQ) gelieferten konstanten Energiebetrag (E0) die Ausdehnung des Stellglieds (Cp) nahezu konstant über der Temperatur ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle (EQ) , ein die Energiequelle (EQ) ansteuerndes Steuergerät (SG) und der Kompensationskondensator (C0) in einem Gehäuse untergebracht sind und über ein Kabel (K) mit dem piezoelektrischen Stellglied (Cp) verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle (EQ) , eine die Energiequelle (EQ) ansteuernde Steuerschaltung (ST) , der Kompensationskondensator (Co) und das piezoelektrische Stellglied (Cp) in einem Gehäuse untergebracht sind, wobei die Steuerschaltung (ST) von einem externen Steuergerät (SG) ansteuerbar ist.
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