DE10012607C2 - Verfahren zur Ansteuerung eines kapazitiven Stellgliedes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines kapazitiven Stellgliedes, insbesondere eines piezoelektrisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftma­ schine, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Ein kapazitives Stellglied besteht aus einer Vielzahl piezo­ keramischer Schichten; es verändert bei Anlegen einer Span­ nung seine Abmessungen, insbesondere seine Länge. Die elekt­ rischen Eigenschaften eines solchen Stellglieds ändern sich mit der Temperatur, der es ausgesetzt ist.

Aus DE 196 44 521 A1 ist bekannt, ein Piezo-Stellglied mit einem konstanten Energiebetrag anzusteuern, um in dem Tempe­ raturbereich, in welchem piezoelektrisch betriebene Kraft­ stoffeinspritzventile einer Brennkraftmaschine betrieben wer­ den, einen konstanten Ventilhub zu erzielen. Dies ist auch aus DE 199 05 340 A1 zu entnehmen.

Aus dieser Druckschrift sowie aus DE 198 05 184 A1 und WO 99/40408 A1 ist bekannt, Betriebsparameter von Piezoakto­ ren durch Messung der Kapazität zu bestimmen.

Aus DE 198 56 617 A1 ist bekannt, bei Einspritzventilen me­ chanisch oder hydraulisch arbeitende Elemente zum Ausgleich sich ändernden Spiels, einzusetzen.

Die nachveröffentlichte DE 199 05 340 A1 mit älterem Zeitrang offenbart ein Verfahren, bei dem das sich ändernde Spiel durch Maßnahmen in der elektrischen Ansteuerung (ausgleichen­ der Gleichstrompegel) ausgeglichen wird.

Bei einem piezoelektrisch betriebenen Kraftstoffeinspritzven­ til drückt ein Stellglied entweder direkt oder über eine He­ belübersetzung auf ein Hochdruckventil, welches dadurch ge­ öffnet wird, und steuert auf diese Weise die Kraftstoffein­ spritzung in den Brennraum eines Zylinders der Brennkraftma­ schine.

Aufgrund relativ großer Fertigungstoleranzen solcher Stell­ glieder ist es erforderlich, einen "Leerhub" von einigen µm (d. h., im Ruhezustand einen Abstand) zwischen Stellglied und Ventilstößel vorzusehen, der bei Betätigung des Ventils erst durchlaufen werden muß, bevor die Ventilbewegung beginnt. Dieser Leerhub, anfangs etwa 3 µm, vergrößert sich mit zuneh­ mender Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils durch Ver­ schleiß bis auf etwa 10 µm. Da nur der Gesamthub des Stell­ glieds (maximal etwa 40 µm) eingestellt werden kann, führt ei­ ne Zunahme des Leerhubs zu einer Reduzierung des Ventilhubs und damit zu einer mit fortschreitendem Verschleiß des Kraft­ stoffeinspritzventils immer geringeren Kraftstoffeinspritz­ menge. Dies bewirkt eine fortschreitende Verfälschung des Einspritzverhaltens, was erhöhte Abgasemissionen und schlech­ teren Fahrkomfort mit sich bringt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes anzugeben, welches während der gesamten Lebensdauer des Stellgliedes einen konstanten Ven­ tilhub gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.

In der einzigen Figur ist schematisch ein Piezostellglied P dargestellt, welches bei Ansteuerung nach Überwindung eines Leerhubs s_L auf einen Ventilstößel S eines nicht dargestell­ ten Kraftstoffeinspritzventils trifft und diesen gegen eine vom Kraftstoffdruck verursachte Gegenkraft F bewegt (Ventil­ hub s_V), wodurch das Kraftstoffeinspritzventil geöffnet wird und Kraftstoff in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird.

Ein kapazitives Stellglied P verhält sich im Prinzip wie ein elektrischer Kondensator und dehnt sich bei Aufbringen einer elektrischen Ladung Q aus. Seine Kapazität C entspricht dem Verhältnis von aufgebrachter Ladung Q und an ihm abfallender Spannung U:

C = Q/U

Dabei wird der dem Stellglied zugeführte Strom I integriert (die Ladung Q entspricht dem Integral des Stromes über der Zeit) und durch die an ihm abfallende Spannung U dividiert:

Q = ∫Idt → C = ∫Idt/U

Die dem Stellglied P zugeführte Energie E ist dann:

E = Q.U/2 = U/2.∫Idt

Es wurde festgestellt, daß die Kapazität des Stellgliedes P wesentlich davon abhängt, ob es sich frei bewegen kann oder eine Gegenkraft F überwinden muß, wenn es das Ventil betä­ tigt, hinter dem beispielsweise bei Diesel-Common-Rail-Ein­ spritzung ein Kraftstoffdruck von bis zu 1500 bar herrschen kann.

Hat ein Stellglied P bei Leerhub s_L beispielsweise eine Kapa­ zität C von 6 µF, so reduziert sich dieser Wert bei einem Ven­ tilhub s_V gegen einen Kraftstoff-Raildruck (Gegenkraft F) von 1000 bar auf beispielsweise 5 µF und verringert sich bei stei­ gendem Kraftstoff-Raildruck weiter. Da diese Gegenkraft F bei sich ausdehnendem Stellglied P plötzlich auftritt, verringert sich die Kapazität C des Stellgliedes P abrupt.

In der Zeichnung ist die sich nach Überwindung des Leerhubs s_L abrupt vermindernde Kapazität C des Stellgliedes P über dem Hub s dargestellt.

Aufgrund dieser Feststellung ist die Energie E_L, die das Stellglied P zur Überwindung des Leerhubs s_L benötigt, ein­ fach zu ermitteln: man erhöht die dem Stellglied P zugeführte Ladung Q und mißt die an ihm abfallende Spannung U so lange, bis die aus diesen Werten ermittelte Kapazität C = Q/U plötz­ lich einbricht (geringer wird). Der vor dem Kapazitätsein­ bruch dem Stellglied P zugeführte Energiebetrag ist die Leer­ hub-Energie E_L. Diese wird in größeren Abständen, beispiels­ weise in Betriebspausen des Stellgliedes, bei einem Kraft­ fahrzeug nach Einschalten der Betriebsspannung und vor einem Motorstart oder bei Schiebebetrieb, ermittelt und zu der von einer nicht dargestellten Motorsteuerung für eine bestimmte Ventilöffnung (Ventilhub s_V) vorgegebenen Energie E_V hinzuad­ diert:

E = E_V + E_L

Man kann statt kontinuierlicher Erhöhung der Ladungsmenge Q und kontinuierlicher Ermittlung der Kapazität C auch dem Stellglied P in zeitlichen Abständen eine jeweils um eine vorgegebene Ladungsmenge ΔQ erhöhte Ladungsmenge Q zuführen und anschließend die Kapazität C nach der Formel C = Q/U er­ mitteln usw., bis der ermittelte Kapazitätswert C plötzlich deutlich geringer als der vorher ermittelte Wert ist.

Auf diese Weise wird der durch Verschleiß ansteigende Leerhub s_L exakt kompensiert und ein über die Lebensdauer des Kraft­ stoffeinspritzventils konstanter Ventilhub s_V als Vorausset­ zung für eine konstante Kraftstoffeinspritzmenge erreicht.

Claims (3)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines kapazitiven Stellgliedes (P) mit Leerhub (s_L), insbesondere für ein piezoelektrisch betriebenes Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschi­ ne, mit Zuführung eines vorgegebenen Energiebetrags, der ei­ nem vorgegebenen Arbeitshub (s_V) zugeordnet ist gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) die dem Stellglied (P) zugeführte Ladung Q wird sukzessive erhöht,
• b) der für die Durchführung des Leerhubs (s_L) erforderliche Energiebetrag E_L wird als der dem Stellglied (P) zugeführ­ te Energiebetrag E_L bestimmt, nach dessen weiterer Erhö­ hung die ermittelte Kapazität C des Stellgliedes (P) plötzlich geringer wird,
• c) die Summe E = E_V + E_L aus dem für den benötigten Arbeits­ hub (s_V) des Ventils vorgegebenen Energiebetrag E_V und aus dem für die Durchführung des Leerhubs (s_L) erforderlichen Energiebetrag E_L wird gebildet, und
• d) dem Stellglied (P) wird bei jedem Ansteuervorgang der Sum­ menenergiebetrag E zugeführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stellglied (P) in zeitlichen Abständen eine jeweils um eine vorgegebene Ladungsmenge ΔQ erhöhte Ladungsmenge Q zu­ geführt wird und anschließend die Kapazität C = Q/U ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ermittlung des für die Durchführung des Leerhubs (s_L) erforderlichen Energiebetrags E_L in Betriebspausen des Stellgliedes (P) - bei einem Kraftfahrzeug nach Einschalten der Betriebsspannung und vor einem Motorstart oder bei Schie­ bebetrieb - erfolgt.