-
Die Erfindung betrifft sämtliche
direkt angetriebenen Hochdruckeinspritzventile 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 Absteuerventils wird in einer Absteuerkammer ein Druckabfall
erzeugt welcher das Öffnen
des Hochdruckeinspritzventils bewirkt.
-
Dieses Arbeitsprinzip wird z.Zt.
bei vielen Hochdruckeinspritzventilen für Diesel-Direkteinspritzung
verwendet.
-
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.
-
Wenn ein hinreichend großer Druckunterschied
zwischen Ventilsitz und Arbeitskammer (Servoansteuerung) aufgebaut
wird, kann sogar eine Leckage des Injektors selbst auftreten. In diesem
Fall wird Kraftstoff unkontrolliert in den Brennraum eingespritzt.
-
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.
-
Zur Darstellung des Problems der
unterschiedlichen Längenausdehnung
von Piezoaktor und Gehäuse
im Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventils:
1 zeigt schematisch die Funktion des
Piezoaktors im Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventil beim Öffnen des
Servoventils. Das Servoventil ist im Ruhezustand geschlossen. Der
Piezoaktor längt
sich beim Anlegen eines äußeren elektrischen
Feldes, das in Richtung der Vorzugspolarisierung der Piezokeramik
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 der Folge öffnet das Hochdruckeinspritzventil
weil der Druck in der Arbeitskammer (nicht mehr dargestellt) des
Hochdruckeinspritzventils sinkt.
-
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 gängen 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. 2).
-
Aber schon vorher leidet die Funktion
des Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventils, 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.
-
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.
-
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 Verlängerung
reagiert. Deshalb ist es möglich
durch das Anlegen einer negativen elektrischen Spannung den Idealzustand von 1 wieder herzustellen.
-
Der Erfindung hat zum Ziel die Nachteile
aus dem Stand der Technik zu eliminieren.
-
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht
durch die eine oder mehrere Merkmalskombinationen des mindestens
einen Hauptanspruches.
-
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.
-
Eine vorhandene Ansteuerelektronik
wird also um die Möglichkeit
erweitert durch eine zusätzliche
negative Offsetspannung, die oben beschriebenen thermischen Effekte
kompensieren zu können.
-
Wie die Messungen in den Ausführungsbeispielen
zeigen, besteht ein nutzbarer Spielraum, eine negative Spannung
auszunutzen, bevor die Depolarisierung und anschließend die
Umpolarisierung der Keramik einsetzt.
-
Dieser Spielraum ist groß genug
um den PMA soweit zu verkürzen,
dass das Hochdruckeinspritzventil wieder in Betrieb genommen werden kann.
-
Vorteile der Erfindung:
- – Das
Problem wird gelöst
ohne mechanische Änderungen
am Hochdruckeinspritzventil.
- – 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.
- – Der
Vorgang ist regelbar. Die negative Spannung kann bis zum Anspringen
des Hochdruckeinspritzventils langsam erhöht werden. Das vermeidet unnötig große Feldstärken.
-
Durch die Erfindung wird eine einfache
Lösung
vorgestellt, die ohne großen
Aufwand und ohne die Funktionsweise der aktu ellen 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 3 dargestellt ist.
-
Durch den kapazitiven Spannungsteiler
(C
Injektor; C
1)
verringert sich zwar die Spannung, die am Injektor abfällt nach
der folgenden Beziehung:
-
Aber durch eine regelbare, positive
Spannungsquelle V1 ist man in der Lage,
eine negative Offsetspannung am Injektor einstellen zu können, die von
der Injektorkapazität
unabhängig
ist. Der Widerstand R1 bestimmt dabei die
Zeitkonstante mit der das Potential am Knoten C1,
CInjektor und R1 ausgeglichen
wird.
-
In 4 wird
verdeutlicht, wie der Spannungsverlauf einer stromgeregelten Endstufe
für die erfindungsgemäße Verfahrensweise
aussehen kann.
-
Vorteile dieser Lösung:
- – Es ist
keine negative Spannung erforderlich.
- – Der
Schaltungsaufwand ist gering.
- – 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.
- – Die
Kapazität
C1 benötigt
nur eine eher geringe Spannungsfestigkeit.
-
Das Klemmenverhalten bleibt annähernd gleich,
deshalb sind auch keine weiteren Änderungen and der Ansteuerelektronik
notwendig.
-
Im Folgenden werden schematische
Ausführungsbeispiele,
die die Erfindung nicht einschränken, beschrieben.
Die Figuren zeigen im Einzelnen:
-
1 eine
Funktionsgruppe des Piezo Diesel Hochdruckeinspritzventils,
-
2 eine
Druckleckage am Servoventil infolge ungleichmäßiger thermischer Ausdehnung
von Piezoaktor und Housing/Gehäuse,
-
3 eine
elektrische Schaltung zur Erzeugung einer geregelten Offsetspannung,
-
4 einen
Spannungsverlauf einer stromgeregelten Endstufe die um die in dieser
Erfindung beschriebene Funktion erweitert worden ist,
-
11 eine
Hysteresekurve eines Diesel PMA in ihrem anfänglichen Zustand und innerhalb des
normalen Spannungsbereichs von 0 V bis 160 V,
-
12 und 13 einen ersten Zyklus in
den negativen Bereich bis –10
V,
-
14 dass
bei –20
V die Kontraktion ca. –7 μm beträgt; das
Oval ist nach dem ersten Zyklus nicht geschlossen,
-
15 den
zweiten Zyklus bis zu –20
V; die Hysteresekurve zeigt nun die übliche ovale Form,
-
16 einen
ersten Zyklus mit negativem Bereich bis zu –30 V; die Kontraktion erreicht –10 μm,
-
17 einen
zweiten Zyklus bis zu –20
V; die Hysteresekurve zeigt nun die übliche ovale Form,
-
18 die
doppelte Umpolarisierung des Diesel Piezo Stacks,
-
19 die
Messreihenfolge für
den vierten Zyklus, bei dem der PMA zum ersten Mal mit mindestens –20 V betrieben
wird,
-
20 die
Messreihenfolge für
Schritt 4, entsprechend 19,
findet sich in der gezeigten Hysteresefigur.
-
Betrieb eines
Diesel Piezo Stacks mit negativer Spannung
-
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 Auslängung. 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.
-
Experimentelle Ergebnisse:
-
Für
die Untersuchungen wurde ein Standard Diesel Aktor mit 30 mm Baulänge verwendet.
Es wurden 5 Testzyklen gefahren:
- 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
Verkürzungen
- 3. Zyklus zwischen –20
V und +160 V als zweiter Test für
mögliche
Verkürzungen
- 4. Zyklus zwischen –30
V und +160 V als dritter Test für
mögliche
Verkürzungen
- 5. Zyklus zwischen –160
V und +160 V als Test für die
Grenzen möglicher
Verkürzungen
und zur Untersuchung der Umpolungsvorgänge.
-
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. 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.
-
Die Ergebnisse werden in den 11 bis 20 dargestellt.
-
11:
Wenn
man nur die 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.
-
12 und 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.
-
14:
Bei –20 V beträgt die Verkürzung bereits –7 μm. Das Oval
der Hysteresekurve ist beim ersten Zyklus bis –20 V nicht geschlossen.
-
15:
Die
Hysterese zeigt sich jetzt in der gewohnten Form einer geschlossenen
ovalen Kurve.
-
16: Der
erste Zyklus bis hinab zu –30
V wird gezeigt. Die Verkürzung
erreicht –10 μm.
-
17:
Es
wird der zweite Zyklus bis –0
V gezeigt. Die Hysterese zeigt sich wieder in der gewohnten Form
einer geschlossenen ovalen Kurve.
-
18:
Doppelte
Umpolarisierung eines Diesel Piezo Stacks:
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. 18 zeigt, dass
eine Verkürzung von
etwa 40 μm
möglich
ist. Dies reicht aus, um das Problem der Druckleckage im Dieselinjektor
zu lösen, welches
bekanntlich begründet
ist durch einen Anpassungsfehler von nur wenigen Mikrometern.
-
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 Gesamtlänge um –5 μm verändert.
-
20:
Es
wird die Messreihenfolge von 19 in
der Hysteresekurve wiedergegeben.
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 16, entsprechend dem Zyklus 6,
dargestellt ist.