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Stand der
Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Bestimmung der Ansteuerspannung wenigstens eines piezoelektrischen
Aktors eines Einspritzventils zur Einspritzung einer Flüssigkeitsmenge
unter Hochdruck in einen Hohlraum, insbesondere in einen Brennraum
einer Brennkraftmaschine.
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Bei Einspritzsystemen mit piezoelektrischen Aktoren
werden diese Aktoren auf eine gewisse Spannung aufgeladen. Dabei
dehnt sich das piezoelektrische Element aus und erzeugt einen Hub,
der nicht linear von der Spannung abhängt und insoweit die Genauigkeit
der Einspritzung negativ beeinflußt. Gerade bei Einspritzsystemen
für Brennkraftmaschinen,
bei denen verstärkt
Injektoren mit piezoelektrischen Aktoren eingesetzt werden, soll
eine gewünschte
Einspritzmenge mit sehr hoher Genauigkeit, insbesondere auch bei
kleinen Einspritzmengen, wie zum Beispiel bei Voreinspritzungen,
realisiert werden können,
um so ein günstiges
Abgasverhalten der Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
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Aus der
EP 1 139 448 A1 ist ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Ansteuerspannung
eines piezoelektrischen Aktors bekannt, bei dem der Strom, mit dem
der piezoelektrische Aktor beaufschlagt wird, in Abhängigkeit
von dem Spannungsgradienten über
dem Aktor bestimmt wird. Aufgrund der Aufladung und der Längendehnung
des piezoelektrischen Aktors wird ein Steuerventil positioniert,
welches den Hub einer Düsennadel
steuert. Um insbesondere die an moderne Einspritzsysteme bei Brennkraftmaschinen
gestellten Anforderungen zu erfüllen,
ist es erforderlich, daß die
durch die Ansteuerung realisierte Längendehnung des piezoelektrischen
Aktors sehr exakt unter allen Randbedingungen, das heißt insbesondere
auch bei Alterung des piezoelektrischen Aktors, bei Temperaturschwankungen
und dergleichen erfolgt. Dabei ist es problematisch, daß der Aktorhub
selbst nicht gemessen werden kann.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements geht beispielsweise
aus der
DE 199 27
190 A1 hervor. Bei diesem Verfahren und dieser Vorrichtung
erfolgt die Ansteuerung des piezoelektrischen Elements so, daß durch
eine Steuerelektronik eine Sollspannung errechnet wird. Wenn diese
Sollspannung erreicht wird, wird der Ladevorgang des piezoelektrischen
Aktors beendet. Die auf den Aktor aufgebrachte Spannung wird zu
einem vorgegebenen Zeitpunkt nach Beendigung des eigentlichen Ladevorgangs,
jedoch vor dem Beginn des Entladens des piezoelektrischen Aktors
gemessen, sie steht sowohl als Steuergröße als auch zu Diagnosezwecken
zur Verfügung.
Darüber
hinaus ist es bekannt, die Ladung zu messen, die bei jedem Lade- oder Entladevorgang zu-
bzw. von dem Aktor abfließt.
Problematisch ist nun, daß der
Abhängigkeit
des Aktorhubs von der auf den Aktor aufgebrachten Spannung eine
Hysterese zugrunde liegt. Darüber
hinaus wird der funktionale Zusammenhang zwischen Aktorhub und Spannung durch
Temperatureinflüsse
negativ beeinflußt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde die Ansteuerung der piezoelektrischen Aktoren so zu verbessern,
daß eine
wesentlich höhere Genauigkeit
bei der Ansteuerung erzielt wird, die insbesondere auch von Temperatureinflüssen unabhängig ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren
zur Bestimmung der Ansteuerspannung wenigstens eines piezoelektrischen
Aktors eines Einspritzventils zur Einspritzung einer Flüssigkeitsmenge
unter Hochdruck in einen Hohlraum, insbesondere in einen Brennraum
einer Brennkraftmaschine, dadurch gelöst, daß die Ansteuerspannung in Abhängigkeit
von der auf den Aktor aufgebrachten Ladung geregelt wird. Durch
die ladungsbasierte Regelung wird eine wesentlich höhere Genauigkeit
der Ansteuerung erzielt, da der funk tionale Zusammenhang zwischen der
Ladung und dem Hub des Aktors eine größere Linearität aufweist
als der im Stand der Technik verwendete Zusammenhang zwischen der
Ladung und der Ansteuerspannung. Darüber hinaus wird die Beziehung
der Ladung und dem Hub des Aktors weit weniger durch Temperatureinflüsse beeinflußt als die Beziehung
zwischen der Ansteuerspannung und dem Hub.
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Die Ladung wird vorteilhafterweise
während des
Ladevorgangs durch Integration des Stroms beim Ladevorgang des Aktors
bestimmt. Nach dem Ende des Ladevorgangs fließt kein Strom mehr und die
ermittelte Ladung bleibt daher konstant. Vorteilhafterweise wird
daher die Ladungsmenge zeitlich nach dem Ende des Ladens und vor
dem Beginn des Entladens des Aktors bestimmt, das heißt gemessen.
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Die Regelung der Ansteuerspannung
erfolgt nun bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens
dadurch, daß die
ermittelte Ladungsmenge mit einer vorgebbaren Solladungsmenge verglichen
wird und die Differenz beider Größen als
Ausgangswert für
eine Regeleinrichtung zur Bestimmung der Ansteuerdauer des Aktors
dient.
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Vorzugsweise dient als Regeleinrichtung
ein PI-Regler, dessen Ausgangsgröße dem Soll-Ladungswert hinzuaddiert
wird. Dabei wird basierend auf dieser Summe die Ansteuerspannung
des wenigstens einen Aktors ermittelt. Auf diese Weise wird gewissermaßen eine
Vorsteuerung erzielt, die nicht nur den Vorteil hat, daß der Regelvorgang
bei einem optimalen Sollwert begonnen werden kann und insoweit auch
sehr schnell erfolgt, sondern daß auch beispielsweise sofort
beim Start der Brennkraftmaschine eine sinnvolle Anfangsgröße in Form
einer Sollspannung vorliegt. Die Transformation der Ladung in eine
Spannung erfolgt deshalb, weil in den meisten Fällen eine Spannung in Steuereinrichtungen
wesentlich einfacher zu verarbeiten ist als eine elektrische Ladung.
Dabei erfolgt die Transformation der Ladung in die Ansteuerspannung
bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens mittels einer
Kennlinie.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung
des Verfahrens wird zusätzlich
zur Ladungsmenge die an dem wenigstens einen Piezo-Aktor anliegende
Ansteuerspannung bestimmt, beispielsweise gemessen, und zur Bildung
einer Ansteuersollspannung zu der ermittelten Ansteuerspannung hinzuaddiert.
Auf diese Weise kann neben der Ladungsmenge auch die Ansteuerspannung
selbst als Regelgröße in den Regelvorgang
einbezogen werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der
Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der
zeichnerischen Darstellungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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In der Zeichnung zeigen:
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1 den
schematischen Aufbau eines aus dem Stand der Technik bekannten Einspritzventils, bei
welchem piezoelektrische Aktoren zur Ansteuerung des Einspritzventils
verwendet werden;
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2 schematisch
eine spannungsgeregelte Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors;
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3 eine
ladungsgeregelte Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors gemäß der Erfindung und
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4 eine
kaskadierte spannungs-/ladungsgeregelte Ansteuerung eines piezoelektrischen
Aktors gemäß der Erfindung.
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Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein aus dem Stand der Technik bekanntes
Einspritzventil 1 mit einer zentralen Bohrung. Im oberen
Teil ist ein Stellkolben 3 mit einem piezoelektrischen
Aktor 2 in die zentrale Bohrung eingebracht, wobei der
Stellkolben 3 mit dem Aktor 2 fest verbunden ist.
Der Stellkolben 3 schließt nach obenhin einen hydraulischen Koppler 4 ab,
während
nach unten eine Öffnung
mit einem Verbindungskanal zu einem ersten Sitz 6 vorgesehen
ist, in dem ein Kolben 5 mit einem Ventilschließglied 12 angeordnet
ist. Das Ventilschließglied 12 ist
als doppelt schließendes
Steuerventil ausgebildet. Es verschließt den ersten Sitz 6,
wenn der Aktor 2 in Ruhephase ist. Bei Betätigung des
Aktors 2, das heißt
beim Anlegen einer Ansteuerspannung Ua an den Klemmen +, –, betätigt der
Aktor 2 den Stellkolben 3 und drückt über den
hydraulischen Koppler 4 den Kolben 5 mit dem Verschließglied 12 in
Richtung auf einen zweiten Sitz 7. Unterhalb des zweiten
Sitzes ist in einem entsprechenden Kanal eine Düsennadel 11 angeordnet,
die den Auslauf in einem Hochdruckkanal (Common-Rail-Druck) 13 schließt oder öffnet, je
nachdem, welche Ansteuerspannung Ua anliegt. Der Hochdruck wird
durch das einzuspritzende Medium, beispielsweise Kraftstoff für einen
Verbrennungsmotor, über
einen Zulauf 9 zugeführt, über eine
Zulaufdrossel 8 und eine Ablaufdrossel 10 wird
die Zuflußmenge
des Mediums in Richtung auf die Düsennadel 11 und den
hydraulischen Koppler 4 gesteuert. Der hydraulische Koppler 4 hat
dabei die Aufgabe, einerseits den Hub des Kolbens 5 zu
verstärken
und andererseits das Steuerventil von der statischen Temperaturdehnung
des Aktors 2 zu entkoppeln. Die Wiederbefüllung des
Kopplers 4 ist hier nicht dargestellt.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise
dieses Einspritzventils näher
erläutert.
Bei jeder Ansteuerung des Aktors 2 wird der Stellkolben 3 in
Richtung des hydraulischen Kopplers 4 bewegt. Dabei bewegt sich
auch der Kolben 5 mit dem Verschließglied 12 in Richtung
auf den zweiten Sitz 7 zu. Über Leckspalte wird dabei ein
Teil des im hydraulischen Kopplers 4 befindlichen Mediums,
beispielsweise der Kraftstoff, herausgedrückt. Zwischen zwei Einspritzungen
muß daher
der hydraulische Koppler 4 wiederbefüllt werden, um seine Funktionssicherheit
zu erhalten.
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Über
den Zulaufkanal 9 herrscht ein hoher Druck, der beim Common-Rail-System
beispielsweise zwischen 200 und 2000 bar betragen kann. Dieser Druck
wirkt gegen die Düsennadel 11 und
hält sie
geschlossen, so daß kein
Kraftstoff austreten kann. Wird nun infolge der Ansteuerspannung
Ua der Aktor 2 betätigt
und damit das Verschlußglied 12 in
Richtung des zweiten Sitzes bewegt, baut sich der Druck im Hochdruckbereich
ab und die Düsennadel 11 gibt den
Einspritzkanal frei. Mit P1 ist der sogenannte Kopplerdruck
bezeichnet, wie er im hydraulischen Koppler 4 gemessen
wird. Im Koppler 4 stellt sich ohne Ansteuerung Ua ein
stationärer
Druck P1 ein, der beispielsweise 1/10 des
Drucks im Hochdruckteil ist. Nach dem Entladen des Aktors 2 ist
der Kopplerdruck P1 näherungsweise 0 und wird durch
Wiederbefüllung
wieder angehoben.
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Der Aktorhub über der Spannung aufgetragen
weist nun eine größere Hysterese
auf als der Aktorhub aufgetragen über der Ladung. Darüber hinaus ist
der funktionale Zusammenhang zwischen dem Aktorhub und der Ladung
linearer und über
der Temperatur einfacher charakterisierbar als der Zusammenhang
zwischen dem Aktorhub und der Ansteuerspannung.
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Gleichwohl dient die Ansteuerspannung
als alleinige Regelgröße für die Ansteuerung
des Aktors. Der Grund hierfür
liegt darin, daß die
Spannung einfacher meßbar
ist, beispielsweise durch einen einfachen Spannungsteiler, während die
Ladung nur durch eine Integration des geflossenen Stroms meßbar ist.
Für eine
on-line-Abschaltbedingung beim Laden eines piezoelektrischen Aktors
eignet sich damit im Grunde nur die Spannung.
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Grundidee der Erfindung ist es nun,
eine ladungsgeregelte Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors zu
realisieren. Die Erfindung macht sich dabei zunutze, daß die Ladung
ebenso wie die Aktorspannung nach dem Ende des Ladevorgangs und
vor dem Beginn des Entladevorgangs gemessen werden kann und als
Regelgröße zur Verfügung steht.
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Ein Beispiel eines Verfahrens zur
spannungsgeregelten Ansteuerung eines Aktors, wie es aus dem Stand
der Technik bekannt ist, wird in Verbindung mit 2 nachfolgend kurz erläutert.
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Wie in 2 dargestellt,
dient als Eingangsgröße der Raildruck
p_rail, der in einem Kennfeld 210 in eine Sollspannung
Usoll transformiert wird. Von dieser Sollspannung
Usoll wird in einem Subtraktionsglied 220 eine
gemessene Ist-Spannung Uist,meß subtrahiert und diese
Differenz einem PI-Regler 230 zugeführt. In einem Addierglied 240 wird
die Ausgangsgröße des PI-Reglers
zu der Sollspannung Usoll addiert. Diese
Größe wird
dann in einem weiteren Rechenglied in eine Sollspannung Ua (Ansteuerspannung), die einer Ansteuerelektronik,
beispielsweise einem Ansteuer-IC zugeführt wird, umgewandelt. Die Regelung
erfolgt nun immer so, daß die
Differenz zwischen Sollspannung und gemessener Ist-Spannung Iist,meß den
Wert Null annimmt. Dabei dient als Anfangsregelgröße immer
die Sollspannung Usoll. Hierdurch wird eine
gewisse Vorsteuerung erzielt, durch die eine sehr schnelle Regelung
der Ansteuerspannung, mit der der Aktor beaufschlagt wird, erreicht
wird.
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Eine gemäß der Erfindung vorgeschlagene ladungsgeregelte
Ansteuerung wird nachfolgend in Verbindung mit 3 und 4 erläutert. Der
Raildruck p_rail wird in einem Rechenglied 310 in einen Soll-Ladungswert
Qsoll transformiert. Von diesem wird in
einem Subtraktionsglied 320 ein durch Integration des geflossenen
Stroms gemessener Ist-Ladungswert
Qist,meß subtrahiert.
Diese Differenz wird einem PI-Regler 330 zugeführt. Das
Ausgangssignal des PI-Reglers 330 wird in einem Addierglied 340 zu
dem Soll-Ladungswert
Qsoll hinzuaddiert. Diese Summe wird in
einem Rechenglied 350 in eine Ansteuerspannung U;, des Aktors umgerechnet. Die Regelung erfolgt
nun so, daß die
Differenz zwischen Soll-Ladungswert Qsoll und dem gemessenen Ist-Ladungswert
Qist, meß den
Wert Null annimmt. Als Eingangsregelgröße dient dabei der Soll-Ladungswert
Qsoll. Dieser Wert dient auch beispielsweise
beim Starten einer Brennkraftmaschine als Anfangswert, so daß bereits
beim Start der Brennkraftmaschine sinnvolle Ladungswerte vorliegen,
wodurch der Regelvorgang wesentlich beschleunigt wird. Das Rechenglied 350 wird
vorteilhafterweise durch eine Kennlinie realisiert, in der eine
Transformation der Ladungen in die Spannung Ua erfolgt.
Diese Ansteuerspannung Ua ist dann letztendlich
wieder die Größe, die
einer Ansteuerelektronik übermittelt
wird, mit der die piezoelektrischen Aktoren angesteuert werden.
Die Ansteuerspannung Ua dient damit auch
als on-line-Abschaltbedingung. Die Vorteile einer solchen ladungsgeregelten
Ansteuerung liegen zum einen darin, daß der funktionale Zusammenhang
zwischen der auf den Aktor aufgebrachten Ladung und dessen Hub eine wesentlich
größere Linearität aufweist
als der funktionale Zusammenhang zwischen der Ansteuerspannung,
mit der der Aktor beaufschlagt wird und dem Hub des Aktors. Darüber hinaus
weist die Beziehung zwischen der auf den Aktor aufgebrachten Ladung und
dem Hub des Aktors eine wesentlich geringere Temperaturabhängigkeit
auf. Darüber
hinaus ist es auch vorteilhaft, daß die Ladung während des
Ladevorgangs durch Integration des Ladestroms bestimmt wird. Nach
dem Ende des Ladevorgangs fließt kein
Strom mehr und die ermittelte Ladung ist in Folge davon konstant.
Damit kann dieser Meßwert
zu jedem Zeitpunkt nach der Beendigung des Ladevorgangs und vor
dem Beginn des Entladens mit gleicher Genauigkeit gemessen werden.
Demgegenüber zeigt
beispielsweise das Spannungssignal, das an einem Piezo-Aktor gemessen
werden kann, auch nach dem Ende des Ladevorgangs keinen konstanten Wert, da
sich in der Aktorspannung mechanische Schwingungen des Aktors, Änderungen
der Kräfte auf
den Aktor oder dergleichen deutlich zeigen und eine Verfälschung
des Signals herbeiführen.
Dieser Effekt klingt zwar nach einiger Zeit ab und ist bei längeren Ansteuerdauern
(beispielsweise bei einer Haupteinspritzung) nicht mehr von großer Bedeutung.
Jedoch wird die Spannung auch durch andere Einflüsse, wie beispielsweise eine
zurückgehende Kopplerkraft
aufgrund von Leckagen aus dem hydraulischen Koppler, die eine kontinuierliche
Verringerung der Aktorgegenkraft und damit eine Verringerung der
Spannung zufolge haben, negativ beeinflußt. In diesem Falle hängt die
Ansteuerspannung von der Ansteuerdauer ab. Bei kürzeren Ansteuerdauern ist der
Effekt aufgrund der Leckagen noch vernachlässigbar, bei längeren Ansteuerdauern
wirkt sich dieser Einfluß jedoch
sehr nachteilig aus. Im Gegensatz hierzu ist das Ladungssignal einerseits
gewissermaßen "schwingungsfrei" und andererseits unabhängig von
der Ansteuerdauer. Die vorbeschriebene ladungsgeregelte Ansteuerung
ermöglicht
daher eine wesentlich höhere
Präzision
der Ansteuerung und damit bei einer Brennkraftmaschine wesentlich
verbesserte Abgaswerte.
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In 4 ist
eine Ausgestaltung des in 3 beschriebenen
Verfahrens dargestellt, wobei in 4 gleiche
Elemente wie in 3 mit
gleichen Bezugszeichen versehen sind, so daß zu deren Beschreibung auf
die vorstehenden Ausführungen
Bezug genommen wird. Im Unterschied zu dem in Verbindung mit 3 beschriebenen Verfahren
erfolgt jedoch nach Bestimmung der Ansteuerspannung Ua nicht
eine direkte Ansteuerung des Aktors, sondern diese Größe ist nun
ihrerseits Eingangsgröße einer weiteren
spannungsgeregelten Ansteuerung. Die so ermittelte Spannung wird
in diesem Falle als Sollspannung Usoll verwendet,
von der in einem Subtraktionsglied 410 die gemessene Ist-Spannung
Uist,meß subtrahiert
wird. Die so ermittelte Differenz wird einem weiteren PI-Regler 420 zugeführt, in
dem die Differenz auf den Wert Null geregelt wird. Die Ausgangsgröße des PI-Reglers 420 wird
nun zu der Sollspannung Usoll in einem Addierglied 430 addiert
und diese so ermittelte Größe als Ansteuerspannung
Ua ausgegeben. Dieses Verfahren hat den
Vorteil, daß neben
der Ladung auch gleichzeitig noch die gemessene Spannung als weitere
Regelgröße in die
Regelung einbezogen wird. Auch bei dem in Verbindung mit 4 beschriebenen Verfahren
ist die gemessene Aktorladung die für die Ansteuerung der Piezo-Aktoren
bestimmende Größe.
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Das vorstehende Verfahren zur Ansteuerung des
piezoelektrischen Aktors zeichnet sich dadurch aus, daß es eine
wesentlich größere Genauigkeit
bei der Positionierung der Düsennadel
von Einspritzsystemen oder auch eines Steuerventils ermöglicht und damit
die Zumessung des Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
wesentlich verbessert.