aansturing piëzo verstuivers - Timloto

Piëzo injectoren bij common-rail Diesel motoren (Siemens)
Het piëzo-effect
Zoals bekend kan door het aanleggen van een spannning op een piëzo-element
een lengte-verandering van het materiaal worden verkregen. Afhankelijk van
de polariteit kan het materiaal korter of langer worden. De lengte-verandering
is echter zeer klein. Ook heeft het piëzokristal een zekere capaciteit waardoor
het zich tevens als een condensator gedraagt. Bij het piëzo-element van de
Siemens/Bosch injector maakt men gebruik van 300 piëzo-lagen met een dikte
van 0,1 mm. Dit 3 cm dikke piëzo-element geeft slechts een lengteverandering
van 0,08 mm. Een hefboomwerking in de injector verdubbelt de slag naar
0,16 mm. Piëzo-gestuurde ventielen werken ongeveer 4 x zo snel als de elektromagnetische.
De inspuitdrukken zijn momenteel ongeveer 1300 bar en de nabije
toekomst kan dit oplopen tot 2000 bar. Acht-gatsverstuivers met een gatdiameter
van 0,09 mm kunnen worden toegepast.
De aansturing. (theoretisch)
Door de capacitieve eigenschap is voor de opening van de injector een korte
stroomstoot nodig. (De condensator wordt geladen). Om de injector geopend
te houden moet de aangelegde spanning uiteraard gehandhaafd blijven. Om
snel te kunnen sluiten moet de condensator worden ontladen en kan/moet de
spanningsrichting worden omgekeerd.
De schakeling
Er wordt gebruik o.a gemaakt van 3 transistoren en een condensator C1.
De transistoren zijn hier als schakelaars afgebeeld.(in geleiding=gesloten, gesperd=geopend)
In de rusttoestand zijn de transistoren T1 t/m T3 gesperd
(geopend) De parallel-weerstand R2 zorgt ervoor dat een eventuele restlading
kan wegoscilleren. Fig. 1
T1
C1
Fig. 1 De rusttoestand van de schakeling
T2
R1
T3
Injector
C2
R2
1

Voor het inspuiten sluiten de tranistoren T1 en T3 waardoor een laadstroom
van ongeveer 7 A ontstaat. De aanlegspanning van 70 Volt wordt
door de capaciteit van het piëzo-element verdubbeld tot ongeveer 140 V. De
injectornaald wordt geopend. Fig. 2
T1
7A
C1
T2
R1
T3
Injector
140 V
Injector
gesloten Injector open
200 us
Fig. 2 Een laadstroom ontstaat wanneer T1 en T3 in geleiding gaan. De
injectornaald wordt geopend.
Zodra de condensatoren C1 en C2 (C2 = capaciteit van het piëzo-element)
opgeladen zijn spert (opent) de transistor T1, terwijl T2 geopend blijft.
De spanning over de condensatoren blijft gehandhaafd en de injector blijft
geopend. Fig. 3
T1
7A
C1
−
T2
R1
T3
t
Injector
Injector
gesloten Injector open
200 us
140 V
Fig. 3 T1 en T2 geopend. Injectornaald blijft geopend.
t
C2
C2
R2
R2
2

De parallel-weerstand van 200kΩ speelt gedurende de korte inspuittijd een verwaarloosbare
rol. Voor het snel sluiten van de naald wordt de transistor 2 gesloten
(T1=geopend, T2 en T3 gesloten) waardoor beide condensatoren ontladen
en waardoor de stroom in omgekeerde richting door het pizo-element vloeit. Fig.
4 Vervolgens openen T2 en T3 waardoor alle transistoren geopend zijn en de
beginsituatie weer is bereikt.
7A
T1
Injector
gesloten
200 us
140 V
C1
T2
Injector open
t
R1
T3
Injector
C2
R2
Injector
gesloten
Fig. 4 Door het sluiten van T2 worden de condensatoren ontladen en sluit de
injectornaald.
3

Het spannings- en stroomverloop kan men met behulp van een oscilloscoop
zichtbaar maken. Fig. 5
150
100
50
0
15
10
5
0
inspuittijd
spanning
t
t
stroom
Fig. 5 Het spannings- en stroomverloop van een piëzo-injector
Copyright (c) 2002 by Ep Gernaat. This material may be distributed only to the terms and con-
ditions set forth in the Open Publication License, v1.0 or later.The latest version is presently
available at:http://www.opencontent .org/openpub/
4