DE10113670A1

DE10113670A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Piezoaktors

Info

Publication number: DE10113670A1
Application number: DE10113670A
Authority: DE
Inventors: Johannes-Joerg Rueger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2002-09-26
Also published as: EP1381764A1; WO2002077432A1; JP2004518884A; US20030150429A1; DE50206903D1; EP1381764B1; US6863055B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine über einen ventilsteuernden Piezoaktor vorgeschlagen, bei dem die Betriebssituation der Brennkraftmaschine erfasst und die zeitliche Ableitung der am Piezoaktor abgreifbaren elektrischen Spannung in Abhängigkeit von der Betriebssituation gewählt wird. Des Weiteren wird ein Steuergerät zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems vorgeschlagen, bei dem ein Piezoelement so angesteuert wird, dass die zeitliche Ableitung der am Piezoaktor abgreifbaren elektrischen Spannung an die Betriebssituation der Brennkraftmaschine angepasst ist. Ferner wird ein Kraftstoffeinspritzsysten mit mindestens einem Piezoaktor vorgeschlagen, der entsprechend angesteuert wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einem Steuergerät bzw. einem Kraftstoffeinspritzsystem, bei dem ein Piezoaktor zur Veränderung seiner Länge durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom elektrisch umgeladen wird. Aus der DE 199 21 456 ist schon ein derartiges Verfahren bekannt, bei dem innerhalb eines Lade- bzw. Entladevorgangs die zeitliche Ableitung der am Piezoaktor anliegenden elektrischen Spannung verändert wird.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, die Geräuschemissionen des Einspritzsystems gerade in den Betriebssituationen zu senken, in denen diese durch die Ansteuerung verwendeter Piezoaktoren signifikant beeinflußt werden. Darüber hinaus besteht der wesentliche Vorteil darin, dass insbesondere bei Common-Rail-Einspritzsystemen, speziell bei hohen Raildrücken, das Systemverhalten, d. h. die Genauigkeit der zeitlichen Ansteuerung sowie die Dosierung der Einspritzmengen unbeeinflußt bleiben, d. h. dass gerade bei hohen Drehzahlen oder hoher Last der Brennkraftmaschine die zu erfüllenden Toleranzen hinsichtlich zeitlicher Ansteuerung sowie Dosiermengengenauigkeit problemlos eingehalten werden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Verfahren bzw. Vorrichtungen möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 zwei Spannungszeitdiagramme,

Fig. 2 ein Flußdiagramm,

Fig. 3 ein Blockschaltbild und

Fig. 4 ein weiteres Blockschaltbild.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1a zeigt ein Spannungszeitdiagramm. Es zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf an einem Piezoaktor, der über ein Ventil die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine steuert. Abgebildet sind zwei prinzipielle Ansteuerverläufe; bei der ersten Ansteuerung wird innerhalb der Ladezeit 1 die Spannung U linear von Null auf einen Wert Δ U1 erhöht, der eine Zeitlang aufrechterhalten wird (z. B. Δ U1 ≈ 200 V). In der sich anschließenden Entladezeit 2 wird die am Piezoaktor anliegende Spannung wieder linear auf Null abgesenkt. Die zweite Ansteuerung weist ein Zwischenniveau Δ U2 auf (z. B. Δ U2 ≈ 100 V), auf das die Spannung zunächst innerhalb der Ladezeit 3 erhöht wird. Nach Erreichen dieses Spannungsniveaus wird innerhalb der weiteren Ladezeit 4 die Spannung um den Differenzwert Δ U3 (z. B. Δ U3 ≈ 100 V) erhöht, um erst darauffolgend in zwei Stufen innerhalb der Entladezeiten 5 und 6 wieder auf den Wert Null heruntergefahren zu werden. Die Fig. 1b zeigt ähnliche Spannungsverläufe mit gleichen Spannungsniveaus Δ U1 bzw. Δ U2. Die Lade- bzw. Entladezeiten 7, 8, 9, 11, 12 und 13 sind jedoch größer als die Lade- bzw. Entladezeiten 1 bis 6 aus Fig. 1a. Der Betrag der zeitlichen Ableitungen der Spannungsverläufe in den Lade- bzw. Entladezeiten ist daher kleiner als in Fig. 1a. Grundsätzlich sind beliebige aus Polygonzügen darstellbare Ansteuerverläufe denkbar und die obige Beschreibung entsprechend übertragbar.

Bei Einspritzsystemen mit Piezoaktoren wird in der Regel ein die Bewegung der Düsennadel steuerndes Steuerventil nicht direkt, sondern über einen hydraulischen Koppler angesteuert, wie er beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 197 32 802 beschrieben ist. Dieser Koppler hat im Wesentlichen zwei Funktionen: Zum einen verstärkt er den Hub des Piezoaktors und zum anderen entkoppelt er das Steuerventil von der statischen Temperaturdehnung des Aktors. Die Ansteuerspannung, die erforderlich ist, um das Steuerventil korrekt zu positionieren und damit eine gewünschte Einspritzung zu realisieren, ist i. d. R. stark vom Kraftstoffdruck, bei einem Common-Rail-System vom Raildruck des Kraftstoffs, abhängig. Dies erklärt sich dadurch, dass das Steuerventil gegen bzw. mit dem Raildruck arbeitet, je nachdem, wie die Schaltrichtung des Ventils ist. Die zeitliche Ableitung der Ansteuerspannung U ist i. d. R. gerade so zu wählen, dass die Lade- bzw. Entladezeit gerade der Zeitkonstanten des mechanischen Systems entspricht. In diesem Fall wird die Schwingungsanregung des Systems minimiert. Aus verschiedenen Gründen ist es allerdings wünschenswert, die Lade- bzw. Entladezeit so kurz wie möglich zu halten, insbesondere um möglichst kurze Ansteuerdauern zu realisieren, um kleinste Einspritzmengen zur Verfügung zu stellen, was speziell bei hohen Raildrücken von Bedeutung ist. Andererseits nimmt die Geräuschemission deutlich mit dem Gradienten bzw. der zeitlichen Ableitung des Spannungsverlaufs zu, da aufgrund der großen Geschwindigkeit der Aktorbewegung auch das Steuerventil mit entsprechender Geschwindigkeit bewegt wird. Dieser Effekt ist in bestimmten Betriebssituationen der Brennkraftmaschine störend. In diesem Zusammenhang ist mit der Bezeichnung "Betriebssituation" nicht ein bestimmter Zeitabschnitt innerhalb einer Ansteuerung des Piezoaktors zu verstehen, sondern der im allgemeinen über mehrere Einspritzzyklen hinweg vorhandene Betriebszustand wie beispielsweise der Leerlauf, der durch geringe Last und niedrige Drehzahl charakterisiert ist. Die Ansteuerung gemäß Fig. 1a ist beispielsweise im normalen Fahrbetrieb unter Last anzuwenden, während in der Betriebssituation "Leerlauf" eine Ansteuerung gemäß Fig. 1b mit flacheren Ansteuergradienten vorzuziehen ist, um gerade hier, wo sich das durch die Ansteuerung des Einspritzsystems verursachte Geräusch relativ zu anderen Fahrzeuggeräuschen bemerkbar macht, eine Reduktion der Geräuschemission zu erzielen.

Fig. 2 illustriert den Verfahrensablauf der Ansteuerung eines Piezoaktors, der beispielsweise in einem Common-Rail- Injektor die Einspritzung von Dieselkraftstoff in den Brennraum des Dieselmotors steuert. Nach dem Einschalten 10 des Motors bzw. Einspritzsystems wird zunächst in der Abfrage 20 abgewartet, ob ein Lade-/Entladevorgang angefordert wird. Falls dies der Fall ist, wird der Betriebszustand des Motors erfaßt (Verfahrensschritt 30). Der Betriebszustand des Motors ist charakterisiert durch die Drehzahl und/oder die Last an der Brennkraftmaschine und/oder durch den Kraftstoffdruck im Einspritzsystem. Weitere charakterisierende Größen können die Temperatur des Piezoaktors, die Temperatur des Kraftstoffs oder weitere Kenndaten sein. Im darauffolgenden Verfahrensschritt 40 wird der Sollwert des Zeitgradienten, der in den Lade- /Entladezeiten an den Piezoaktor anzulegenden elektrischen Spannung in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine ermittelt. Der Gradientensollwert wird dabei so festgelegt, dass unter Beibehaltung der Funktionstüchtigkeit des Einspritzsystems die Geräuschentwicklung aufgrund der Bewegung mechanischer Komponenten des Einspritzsystems minimiert wird. Hierbei wird bei dem Erreichen bestimmter Schwellenwerte der Drehzahl des Lastmoments und/oder des Raildrucks (z. B. Drehzahl < als 2000 Umdrehungen/Min., die Last ist kleiner als 10% der Maximallast und der Raildruck liegt unterhalb 500 bar) ein fließender Übergang des Gradientensollwerts im Vergleich zum "Normalbetrieb" realisiert, so dass unterhalb der genannten Schwellenwerte der Zeitgradient der anzulegenden Spannung kontinuierlich zu kleineren Werten übergeht. Die Ladezeit bzw. Entladezeit bewegt sich dabei typischerweise (z. B. bei 50% der Maximallast) in einem Bereich von 80 µs bis 100 µs, während sie unterhalb der Schwellenwerte Werte von 100 µs bis 150 µs annimmt. In der nachfolgenden Abfrage 50 wird geprüft, ob es sich um die erste Anforderung des Einspritzsystems nach dem Einschalten handelt. Falls ja, erfolgt eine Berechnung eines Treibersignals für einen Treiber, der an den Piezoaktor anlegbare Auf-/Entlademittel ansteuert. Das Treibersignal wird dabei so berechnet, dass ein ausreichender elektrischer Strom in den Piezoaktor eingespeist wird, um den ermittelten Sollwert des Zeitgradienten bzw. der Lade-/Entladezeit der anzulegenden Spannung zu erzielen. In einem weiteren Schritt 80 erfolgt die Ansteuerung des Treibers, der die Lade- /Entlademittel ansteuert, bis der zu erzielende Endwert der elektrischen Spannung am Piezoaktor erreicht ist. In einem weiteren Schritt 90 wird der Ist-Wert der Zeit ermittelt, die nötig war, um den Piezoaktor auf die zu erzielende Spannung zu laden bzw. zu entladen. Anschließend wird zur Abfrage 20 zurückgekehrt.

Falls bei der Abfrage 50 das Ergebnis "Nein" ist, wird in einem Verfahrensschritt 60 die Regelabweichung, d. h. die Abweichung des letzten Ist-Werts der für die Umladung benötigten Zeit vom berechneten Soll-Wert ermittelt und im nachfolgenden Verfahrensschritt 70 bei der Berechnung des Treibersignals für die nächste Umladung des Piezoaktors berücksichtigt.

Die Veränderung der Ansteuerung nur in bestimmten Betriebspunkten wie beispielsweise dem Leerlauf, (wie oben durch die angegebenen Schwellenwerte charakterisiert), ist vollkommen ausreichend, da nur in diesen das vom Injektor imitierte Geräusch aufgrund der Ansteuerung signifikanten Einfluß auf das Gesamtgeräusch des Antriebsaggregats hat. Im Teil- oder Vollastbetrieb hingegen wird das Gesamtgeräusch bei weitem durch das Verbrennungsgeräusch dominiert. Dabei liegt der Erfindung die Idee zugrunde, die Ansteuergradienten bzw. Lade-/Entladezeit nicht wie bisher nur spannungsabhängig zu verändern, um eine Lade- bzw. Entladezeit im Bereich der Systemzeit konstanter realisieren zu können, sondern in bestimmten Betriebssituationen, nämlich insbesondere dem Leerlauf, auf einen flacheren Gradienten umzuschalten. Dabei kann die Geräuschemission signifikant verringert werden. Insbesondere beim Leerlauf ist auch der Raildruck relativ niedrig, so dass auch bei längeren Lade- bzw. Entladezeiten kleinste Einspritzmengen realisierbar sind und die einzuhaltenden engen Toleranzen bezüglich der Einspritzmengen gewährleistet werden können.

Alternativ zu einem fließenden Übergang des Gradienten bzw. Zeitsollwerts zwischen Normalbetrieb und Leerlaufbetrieb kann auch eine harte Umschaltung zu kleineren Gradienten vorgesehen sein, sobald einer oder mehrere der genannten Schwellenwerte einen bestimmten Wert unterschreiten.

Fig. 3 zeigt ein mit einem Treiber 120 und Auf- /Entlademitteln 110 verbundenes Steuergerät 200. Das Steuergerät weist eine Kontrolleinheit 150 auf, der Betriebszustandsgrößen 210 der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Bei diesen Betriebszustandsgrößen handelt es sich um die Drehzahl, das Lastmoment, den Raildruck und/oder die Piezoaktortemperatur und/oder die Kraftstofftemperatur und/oder weiteren Parametern. Die Kontrolleinheit 150 bestimmt den Sollwert für die Lade-/Entladezeiten bzw. die Lade-/Entladegradienten und übermittelt diese der Logikschaltung 130. Die Logikschaltung 130 ist mit einer Ist-Wert-Ermittlungs-Einheit 140 verbunden, die wie in Fig. 3 abgebildet, in das Steuergerät integriert oder aber separat beispielsweise in unmittelbarer Nähe der Auf- /Entlademittel 110 angeordnet sein kann. Die Ist-Wert- Ermittlungs-Einheit 140 ist mit den Auf-/Entlademitteln 110 verbunden. Über die Leitung 220 kann die Logikschaltung 130 von übergeordneten, nicht näher dargestellten Motorsteuergeräten ein Anforderungssignal erhalten. Die Logikschaltung 130 ist mit einem Treiber 120 verbunden, der wiederum mit den Auf-/Entlademitteln 110 verschaltet ist, die zur zeitabhängigen Beaufschlagung des Piezoaktors 100 mit einer elektrischen Spannung dienen.

Der Sollwert für die Lade-/Entladezeit wird unter Berücksichtigung der Größen Drehzahl, Last und Raildruck in der Kontrolleinheit 150 bestimmt, die den ermittelten Wert an die Logikschaltung 130 weiterleitet. Diese Logikschaltung 130 berechnet bei einer Anforderung über die Signalleitung 220 unter Berücksichtigung des von der Ist-Wert-Ermittlungs- Einheit 140 gemessenen Ist-Werts der Lade-/Entladezeit bzw. des Lade-/Entladegradienten ein Treibersignal. Die Logikschaltung 130 leitet das Treibersignal an den Treiber 120 weiter, der die Lade-/Entlademittel 110 entsprechend ansteuert, um die zu erzielenden Spannungsgradienten am Piezoaktor 100 zu realisieren.

Alternativ können andere Größen als Drehzahllast und/oder Raildruck zur Ermittlung des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine und/oder des Einspritzsystems zur Regelung der Ansteuergradienten in den Umladephasen herangezogen werden.

Fig. 4 zeigt einen in Form eines Blockschaltbilds dargestellten Bestandteil 131 der Logikschaltung 130. Über die Leitungen 250 bzw. 260 werden einem Summationsknoten 255 der von der Ist-Wert-Ermittlungseinheit 140 ermittelte Ist- Wert bzw. der von der Kontrolleinheit 150 berechnete Sollwert zugeführt. Der Summationsknoten berechnet die Regelabweichung, d. h. die Differenz von Sollwert mit dem Istwert und führt diese Differenz dem PI-Regler 270, also einem Proportionalverstärker, der mit einem Integrator parallel geschaltet ist, zu. Der Ausgang des PI-Reglers 270 ist mit einem zweiten Summationsknoten 275 verbunden, der den Ausgangswert des PI-Reglers und den Sollwert aus der Kontrolleinheit 150 addiert. Über die Leitungen 280 bzw. 290 werden die elektrischen Spannungsniveaus vor bzw. nach dem zu berechnenden Umladevorgang einem dritten Summationsknoten 285 zugeführt, der deren Differenz berechnet und diese einem Multiplizierer 295 zuführt, der wiederum aus der Differenz und dem über die Leitung 300 zugeführten Wert der Kapazität des Piezoaktors die für den Umladevorgang erforderliche Ladungsmenge berechnet. Der Dividierer 305 dividiert den aus dem Multiplizierer 295 erhaltenen Wert der elektrischen Ladung mit dem aus dem Summationsknoten 275 erhaltenen Wert der Lade- bzw. Entladezeit, so dass am Ausgang 310 des Dividierers 305 die Information über den für den Umladevorgang am Piezoaktor erforderlichen Stromwert abgreifbar ist. Der Ausgang 310 des Dividierers 305 ist dabei mit dem Treiber 120 verbunden und steht diesem zur Ansteuerung der Auf-/Entlademittel 110 (vgl. Fig. 3) zur Verfügung. Die Leitungen 280, 290 und 300 sind entweder mit einem Speicherelement bzw. Speicherelementen verbunden, in denen die zu abzurufenden Spannungs- bzw. Kapazitätswerte abgelegt sind, oder sie sind mit gesonderten, nicht näher dargestellten Schaltungseinheiten verbunden, die je nach Ansteuerungsbedarf bzw. Schaltungszustand die Spannungs- bzw. Kapazitätswerte neu ermitteln bzw. festlegen.

Der Bestandteil 131 realisiert die in Fig. 2 dargestellten Verfahrensschritte 60 und 70. Die Lade- bzw. Entladezeit wird über einen PI-Regler geregelt, wobei über die Differenz der zu überbrückenden Spannungsniveaus und die Aktorkapazität der zugehörigen Lade- bzw. Entladestrom bestimmt wird.

Claims

1. Verfähren zur Ansteuerung eines die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine über ein Ventil steuernden Piezoaktors, bei dem der Piezoaktor zur Veränderung seiner Länge durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom zumindest teilweise aufgeladen beziehungsweise entladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebssituation der Brennkraftmaschine erfaßt (30) und die zeitliche Ableitung der am Piezoaktor (100) abgreifbaren elektrischen Spannung während der Lade-/Entladezeit in Abhängigkeit von der Betriebssituation gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebssituation durch die Drehzahl und/oder die Last an der Brennkraftmaschine und/oder durch den Kraftstoffdruck im Einspritzsystem der Brennkraftmaschine definiert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem ein Common-Rail-System und der Kraftstoffdruck der Druck des Kraftstoffs im Rail des Common-Rail-Systems ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Ableitung in einer Betriebssituation niedriger Drehzahl und/oder niedriger Last und/oder niedrigen Kraftstoffdrucks im Vergleich zu einer Betriebssituation höherer Drehzahl beziehungsweise höherer Last beziehungsweise höheren Kraftstoffdrucks verkleinert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Leerlaufs der Brennkraftmaschine die zeitliche Ableitung verkleinert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des am Piezoaktor während des Ladens beziehungsweise des Entladens anliegende elektrische Strom je nach zu erzielender zeitlicher Ableitung eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine eine Dieselbrennkraftmaschine ist.

8. Steuergerät zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystem mit mindestens einem die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine über ein Ventil steuernden Piezoaktor, bei dem der Piezoaktor zur Veränderung seiner Länge durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom zumindest teilweise auf- beziehungsweise entladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontrolleinheit (150) zur Erfassung der Betriebssituation der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, so dass die zeitliche Ableitung der am Piezoaktor (100) abgreifbaren elektrischen Spannung während der Lade-/Entladezeit in Abhängigkeit von der Betriebssituation gewählt werden kann.

9. Steuergerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebssituation durch die Drehzahl und/oder die Last an der Brennkraftmaschine und/oder durch den Kraftstoffdruck im Einspritzsystem der Brennkraftmaschine definiert ist.

10. Steuergerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffdruck durch den Druck des Kraftstoffs im Rail eines Common-Rail-Systems der Brennkraftmaschine gegeben ist.

11. Steuergerät nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit bei niedriger Drehzahl und/oder niedriger Last und/oder niedrigem Kraftstoffdruck die zeitliche Ableitung im Vergleich zu Betriebssituationen höherer Drehzahl beziehungsweise höherer Last beziehungsweise höheren Kraftstoffdrucks verkleinert.

12. Steuergerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Leerlaufs der Brennkraftmaschine die zeitliche Ableitung verkleinert wird.

13. Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des am Piezoaktor während des Ladens beziehungsweise des Entladens anliegende elektrische Strom je nach zu erzielender zeitlicher Ableitung eingestellt wird.

14. Steuergerät nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine eine Dieselbrennkraftmaschine ist.

15. Kraftstoffeinspritzsystem mit mindestens einem die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine über ein Ventil steuernden Piezoaktor, bei dem der Piezoaktor zur Veränderung seiner Länge durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom zumindest teilweise auf- beziehungsweise entladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontrolleinheit zur Erfassung der Betriebssituation der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, so dass die zeitliche Ableitung der am Piezoaktor (100) abgreifbaren elektrischen Spannung während der Lade- /Entladezeit in Abhängigkeit von der Betriebssituation gewählt werden kann.