DE10113802A1

DE10113802A1 - Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Stellgliedes

Info

Publication number: DE10113802A1
Application number: DE10113802A
Authority: DE
Inventors: Eric Chemisky; Walter Schrod
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: EP1371099A2; US7034436B2; WO2002078098A3; US20040195936A1; WO2002078098A2; DE10113802B4

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Stellgiedes (Cp), insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, mit einer Energiequelle (EQ), die das Stellglied (Cp) mit Energie (E¶0¶) versorgt, wobei die Ausdehnung des piezoelektrischen Stellglieds (Cp) einen vorgegebenen Temperaturgang aufweist, ist dem piezoelektrischen Stellglied (Cp) ein Kompensationskondensator (C¶0¶) parallel geschaltet, dessen Kapazität derart bemessen ist, daß bei einem von der Energiequelle (EQ) gelieferten konstanten Energiebetrag (E¶0¶) die Ausdehnung des Stellglieds (Cp) nahezu konstant über der Temperatur ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Stellgliedes, insbesondere für ein Kraft stoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, mit einer Energiequelle, die das Stellglied mit Energie versorgt, wobei die Ausdehnung des piezoelektrischen Stellglieds einen vorge gebenen Temperaturgang aufweist.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 196 52 801 C1 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 Brennkraft maschinen, sowohl für Benzin- als auch für Dieselanwendungen, gewinnen aufgrund der Schnelligkeit und Stabilität ihres An triebes immer mehr an Attraktivität bei den Automobilherstel lern. Allerdings hängt die Reproduzierbarkeit der einge spritzten Kraftstoffmengen direkt von der Präzision der Bewe gungen der Ventilnadel ab. Da die Nadel direkt, oder über ei nen Wegübersetzer bzw. ein Servoventil im Dieselbereich, von dem piezoelektrischen Stellglied angetrieben wird, ist es notwendig, dieses Stellglied über den ganzen Temperaturbe reich mit entsprechender Präzision elektrisch anzusteuern.

In der DE 196 52 801 C1 ist vorgeschlagen, die piezoelektri schen 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 0°C bis 125°C entsprechend Fig. 2. Es wäre nun möglich, die Energie auch hier durch ein ent sprechendes Kennfeld nachzuregeln auf einen größeren Energie betrag bei höheren Temperaturen, um den Hubverlust zu kompen sieren. Dies ist jedoch nur möglich, wenn in der Endstufe ei ne 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 gat tungsgemäße Vorrichtung in einfacher Weise derart weiterzu bilden, daß eine bessere Kompensation von Nadelhubverlusten erreicht wird.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 ge löst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü chen angegeben.

Demgemäß ist die Vorrichtung dahingehend ausgebildet, daß dem piezoelektrischen Stellglied ein Kompensationskondensator pa rallel geschaltet ist, dessen Kapazität derart bemessen ist, daß bei einem von der Energiequelle gelieferten konstanten Energiebetrag die Ausdehnung des Stellglieds nahezu konstant über der Temperatur ist.

Die Kapazität des piezoelektrischen Stellgliedes nimmt mit zunehmender Temperatur zu, während die Kapazität des Kompen sationskondensators annähernd konstant bleibt. Dies führt da zu, 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 Kompensati onskondensators 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 piezo elektrischen Stellgliedes kann in herkömmlicher Weise in ei ner Brennkraftmaschine verwendet werden, wobei das piezo elektrische 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 ent halten sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich jedoch in beson ders vorteilhafter Weise in einem "intelligenten" Kraftstoff einspritzventil verwenden, da hier nicht nur das piezoelekt rische Stellglied als Baueinheit mit dem Einspritzventil aus gebildet ist, sondern auch die Energiequelle sowie eine ein fache Steuereinheit in dieser Baueinheit angeordnet sind. Der Kompensationskondensator wird in vorteilhafter Ausbildung der Erfindung ebenfalls in dieser Baueinheit angeordnet und er möglicht hier eine besonders einfache Kompensation der Hub verluste, zumal die Steuereinheit keine ausreichende Rechen leistung 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

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zur Ansteu erung eines piezoelektrischen Stellgliedes gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 den Verlauf eines Stellgliedhubes über der Tempera tur bei konstanter eingespeister Energie,

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zur Ansteu erung eines piezoelektrischen Stellgliedes gemäß der Erfindung,

Fig. 4 den Verlauf der in ein Stellglied eingespeisten Energie gemäß dem St. d. T, und gemäß der Erfindung,

Fig. 5 eine erste Verwendung der Erfindung und

Fig. 6 eine zweite Verwendung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Ansteuern eines piezo elektrischen 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.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Ausdehnung eines piezoelektri schen Stellgliedes abhängig von der Temperatur des Stellglie des bei Beaufschlagung mit einem konstanten Energiebetrag von 60 mJ. Wie zu erkennen ist verliert das Stellglied im Tempe raturbereich von 0°C bis 125°C etwa 15% Hub, was nach Mög lichkeit kompensiert werden muß, um bei einer Verwendung des Stellgliedes in einem Kraftstoffeinspritzventil sicherstellen zu können, daß die gewünschte Kraftstoffmenge auch wirklich eingespritzt wird.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Prinzipschaltung dargestellt. Im Gegensatz zur Schaltung ge mäß Fig. 1 ist dem piezoelektrischen Stellglied Cp ein Kom pensationskondensator C₀ parallel geschaltet, wobei beide Kondensatoren von der Energiequelle mit einem konstanten E nergiebetrag E₀ versorgt werden. Auf das Stellglied entfällt dabei ein Energiebetrag

Der Verlauf des auf das Stellglied entfallenden Energiebe trags Ep als Funktion des Verhältnisses der Kapazität des Stellglieds zur Kapazität des Kompensationskondensators Cp/C₀ ist in Fig. 4 dargestellt. Dort ist außerdem der Verlauf des Energiebetrags für eine Schaltung gemäß Fig. 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 ausge glichen werden kann.

Bei üblichen Ansteuerschaltungen für piezoelektrische Stell glieder 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 piezo elektrischen Stellgliedes ist gemäß Fig. 5 auch der Kompen sationskompensator C₀ 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 be reits ein Kondensator am Ausgang der Energiequelle EQ vorhan den, jedoch ausschließlich zum Zweck der Einhaltung von EMV- Richtlinien. Die Kapazität solcher Kondensatoren beträgt etwa 2 µF. Zur erfindungsgemäßen Kompensation von temperaturbeding ten Hubverlusten sind bei heute üblichen piezoelektrischen Stellgliedern, wie sie z. B. von der Firma EPCOS mit Außenab messungen von 5,5 × 5,5 × 40,5 mm, einer Schichtdicke von 80 µm und SiPd-Kontaktierung geliefert werden, jedoch Kapazitäten von etwa 10,5 µF nötig.

Eine besonders vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bietet sich bei sogenannten "intelligenten" Kraftstoffeinspritzventilen an, bei denen das piezoelektri sche Stellglied Cp, eine Energiequelle EQ und eine Steuer schaltung ST sowie der erfindungsgemäße Kompensationskonden sator C₀ im Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils unterge bracht sind. Dies ist prinzipiell in Fig. 6 dargestellt.

Auch dort ist eine Messleitung L eingezeichnet, die jedoch bei dieser Ausführung nicht mit dem Stellglied selbst verbun den ist, sondern lediglich mit dem Gehäuse des Kraftstoffein spritzventils, dessen Temperatur gemessen wird.

In Fig. 6 ist außerdem ein Steuergerät SG dargestellt, das einerseits mit dem Signal auf der Messleitung L zur Verarbei tung beaufschlagt wird und andererseits das "intelligente" Kraftstoffeinspritzventil mit Steuersignalen ansteuern kann.

Claims

1. Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Stell gliedes (Cp), insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, mit einer Energiequelle (EQ), die das Stellglied (Cp) mit Energie (E₀) versorgt, wobei die Aus dehnung des piezoelektrischen Stellglieds (Cp) einen vorgege benen Temperaturgang aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem piezoelektrischen Stellglied (Cp) ein Kompensations kondensator (C₀) 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) ansteuern des 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) ansteu ernde Steuerschaltung (ST), der Kompensationskondensator (C₀) und das piezoelektrische Stellglied (Cp) in einem Gehäuse un tergebracht sind, wobei die Steuerschaltung (ST) von einem externen Steuergerät (SG) ansteuerbar ist.