[发明专利]用于驱动汽车中用的控制阀的压电执行器的校准方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于驱动汽车控制阀的压电执行器的校准方法和装置。压电执行器在汽车工业中主要作为计量装置尤其是喷油阀的计量装置的伺服驱动。压电执行器可实现喷油阀中的控制阀的极快的开关，并因而例如在内燃机气缸的一个工作循环中实现多个喷油过程。压电执行器用于汽车的其他方面例如制动设备中也在不断地增加。

背景技术

内燃机的现代管理系统今日追求尽可能少排放和少耗油的运行以及(未来的)法定框架条件的满足。内燃机的区段特性由于气体交换和燃烧动力学而具有非线性的特点和明显的温度依赖性。混合气形成过程主要受气体交换、喷油量和喷油过程的影响。在这种情况下，喷油元件的精确控制是头等重要的任务。其中，喷油量的精确性和喷油时间点是构成理想燃烧过程的基本参数。像例如在高压储油罐或泵喷油系统中使用那样，现代喷油元件在今天已经用压电控制的控制阀进行操作。

压电控制的控制阀的优点不仅起着执行器方面的作用，而且在利用压电效应的情况下还可作为传感器使用。由于这种压电元件的固有传感特性，因而可产生有关偏转、作用力、磨损或空行程的信息。通过获取这些信息，便可借助执行机构的力平衡提出精确调节内部系统压力和针阀行程的调节方案。

但这类执行机构也存在压电元件本身的非线性和磁滞特性的缺点。确定压电元件特性的材料系数-与通常的假设相反-不是独立的常数，因为这些已知数只在小信号条件下描述“材料常数”即材料特性。但实际上，其大小是随温度、压力和其他边缘条件变化的，所以对于像压电控制的喷油阀这类特别需要精确控制的复杂元件来说，在实际使用条件下通过线性假定尤其是恒定压电模数d_j的假设不可能足够地预报其特性。例如在温度和负荷变化时，压电执行器具有不同的膨胀系数(压电模数)，这在用现有线性调节方案和由于技术原理压电执行器存在很高制造公差的条件下必须对全部工作点和使用寿命进行调节。

为了确定压电元件的材料系数，一方面迄今已提出了一些小信号测量的方法，亦即压电元件只被加上相当小的电能(例如几伏/毫米)。其中，特别是阻抗频谱测量法是人所熟知的，用这种方法原则上可确定弹性的、介电的和压电的材料参数的完整数据组。为此，将压电陶瓷试样在某一预定的频率范围内进行交变场作用，并用市售的阻抗分析器记录该试样的阻抗与频率的函数关系。从不同几何形状的压电试体中测出谐振频率。通过不同振荡模式的组合，可确定压电体的全部数据组。但即使已从别的测量中预先给出了规定的材料系数而且只测一个试样，这种方法也是一种相当昂贵的试验方法。为此要花费在计算方面的硬件费用在实验室试验之外实际上显然不可接受。

另一方面，在大信号工况中的测量则是直接地测量在用相应场强控制时产生的压电元件的偏转和力。在压电驱动的喷油阀运行过程中实施这种位移很小而力很大的花费大的测量是有较大困难的。

DE 198 04 196 A1提出了一种在运行中的喷油系统的压电机械系统的诊断方法，这种方法实际上是利用机械部分系统的状态(压电元件的机械外围也属于该系统)以特性方式来影响压电元件的电特性值，所以通过采集和分析这些电特性值就可识别压电机械系统的机械功能的功能故障。压电元件用电压信号控制随时间变化的频率，然后从电阻抗过程的极限值中确定谐振频率，这也是人所共知的。除了配置一个电流和/或电压检测器外，还配置了一个频率发生器来产生正弦形的电压信号。

发明内容

本发明的目的在于提出一种方法和装置来校准汽车领域内使用的压电执行器，以便可单个地确定并在必要时在运行中考虑相关工作点的非线性动态特性。

这个目的是通过权利要求1所述的一种方法和权利要求9所述的一种装置来实现的。本发明的诸多有利方案和改进可从下面的说明中、附图中和相关的权利要求中得知。

本发明校准方法涉及一个在汽车中用一个控制电路和一个末级操作的压电执行器，该压电执行器作为伺服驱动作用到控制阀上。在控制电路和末级运行过程中(即车载或在线)，用一个位于压电执行器的大信号范围内的电校准脉冲加到压电执行器上，该脉冲的频率随时间变化。在校准脉冲的过程中，确定并分析相应的与频率有关的电阻抗变化，在这个时间间隔内，控制电路这样控制末级，即不是正常控制脉冲操作压电执行器，而是产生特殊的校准脉冲。这样就可用简单的可测的值或也可用间接的值确定并保持在大信号范围内的相应压电执行器的个性特性，并由此可很精确地进行校准。通过分析压电执行器的阻抗特性即可推测压电执行器本身的非线性特征值和/或其周围的外部事件。