DE10123372B4 - Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors, der der Verschiebung eines Elements dient - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors, der der Verschiebung eines Elements dient,
– wobei der Aktor (A) und das Element (E) in einem Kraftstoffinjektor verwendet werden und zwischen dem Aktor (A) und dem Element (E) ein Leerhub (L) besteht,
– wobei als Element (E) ein Ventil verwendet wird, das die Einspritzmenge von Kraftstoff reguliert.
– bei dem der Aktor (A) zur Verschiebung des Elements (E) mit einer Ansteuerspannung (ANS) beaufschlagt wird,
– bei dem die Ansteuerspannung (ANS) so gewählt wird, daß sie im Sinne eines Ausgleichs einer Änderung des Leerhubs (L) von der Größe des Leerhubs (L) abhängt,
– bei dem die Ansteuerspannung (ANS) aus einer Summe von mindestens einer ersten Spannung (S1) und einer Ausgleichsspannung (AS) gebildet wird, wobei nur die Ausgleichsspannung (AS) von der Größe des Leerhubs (L) abhängt,
– bei dem zur Ermittlung der Ausgleichsspannung (AS) der Wert eines Parameters bestimmt...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors, der der Verschiebung eines Elements dient. Bei einem solchen Verfahren wird der Aktor mit einer Ansteuerspannung beaufschlagt. Aufgrund der durch die Ansteuerung hervorgerufenen Längenänderung des Aktors wird das Element verschoben.
• Ein piezoelektrischer Aktor findet beispielsweise in einem Kraftstoffinjektor Verwendung. Das Element ist in diesem Fall ein Steuerventil, das durch den Aktor betätigt wird.
• Da die Länge des piezoelektrischen Aktors temperaturabhängig ist, sollte zwischen dem unangesteuerten Aktor und dem Element ein Sicherheitsabstand, der sogenannte Leerhub, bestehen, der sicherstellt, dass auch bei Temperaturänderungen der unangesteuerte Aktor das Element nicht verschiebt.
• Es wird angestrebt, die Größe des Leerhubs von Umwelteinflüssen unabhängig zu machen, da sonst das Element bei Ansteuerung des Aktors unterschiedlich stark oder im Extremfall gar nicht verschoben wird. Bei einem Kraftstoffinjektor bewirkt eine Änderung des Leerhubs beispielsweise eine Verzögerung des Einspritzbeginns und des Einspritzendes, was zu hohen Emissionen und lauten Verbrennungsgeräuschen führen kann.
• Es ist bekannt, den Einfluss von Temperaturschwankungen auf den Leerhub abzuschwächen, indem Elemente, die die Größe des Leerhubs bestimmen, aus Materialien mit aufeinander abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Beispielsweise hat sich Invar als geeignetes Material für ein Gehäuse des piezoelektrischen Aktors herausgestellt.
• Die Kompensation der temperaturbedingten Ausdehnung des Aktors gelingt durch diese Maßnahme jedoch nicht vollständig, da nicht alle den Aktor umgebende Bauteile aus Invar erzeugt werden können. Ferner hilft die Maßnahme nicht bei Änderungen des Leerhubs aufgrund nicht temperaturbedingten Umwelteinflüssen.
• Aus der Patentschrift DE 199 05 340 C2 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Voreinstellung und dynamischen Nachführung piezoelektrischer Aktoren bekannt, bei der eine Vorspannung aufgrund eines Druckwertes so geregelt wird, dass eine Änderung des Lehrhubs kompensiert wird.
• Aus der Offenlegungsschrift DE 198 05 184 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Temperatur eines piezoelektrischen Elements bekannt. Die Temperatur wird hier aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Kapazität des piezoelektrischen Elements ermittelt.
• Aus der Offenlegungsschrift DE 199 31 233 A1 ist ein Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes bekannt, das aufgrund einer ermittelten Stellgliedkapazität aus einer gespeicherten Tabelle die Temperatur des Stellglieds entnimmt und die Stellgliedtemperatur zum Regeln der eingespritzten Kraftstoffmenge und auch zum Ermitteln der Kraftstofftemperatur oder eines Fehlers im Stellglied heranzieht.
• Aus der Japanischen Patentschrift JP 03249371 A ist ein Kraftstoffeinspritzsystem für Dieselmotoren bekannt, das die Pulsweite des Leerlaufeinspritzpulses in Abhängigkeit von der Temperatur des Motorkühlwassers verändert.
• Aus der Patentschrift DE 196 52 801 C1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes bekannt. Hier wird ein kapazitives Stellglied mit einem vorgegebenen Energiebetrag angesteuert und von diesem Energiebetrag und der Temperatur des Stellglieds auf die Ansteuerspannung geschlossen.
• Ein weiteres bekanntes Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellglieds ist aus der Offenlegungsschrift DE 198 41 460 A1 bekannt, die ein Schaltnetzteil aufgrund eines Vergleichs zwischen einer gemessenen Ladespannung und einem Sollwert der Ladespannung ansteuert.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Aktors, der der Verschiebung eines Elements dient, anzugeben, bei dem die Verschiebung des Elements im Vergleich zum Stand der Technik in geringerem Ausmaß von Umweltbedingungen beeinflusst wird.
• Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors, der der Verschiebung eines Elements dient, mit folgendem Merkmalen: Zwischen dem Aktor und dem Element besteht ein Leerhub. Der Aktor wird zur Verschiebung des Elements mit einer Ansteuerspannung beaufschlagt. Die Ansteuerspannung wird so gewählt, dass sie im Sinne eines Ausgleichs einer Änderung des Leerhubs von der Größe des Leerhubs abhängt.
• Bei diesem Verfahren wird nicht versucht, die Größe des Leerhubs von Umwelteinflüssen unabhängig zu machen, sondern es wird eine Änderung des Leerhubs durch eine geeignete Ansteuerspannung kompensiert.
• Wird der Leerhub beispielsweise größer, so wird die Ansteuerspannung entsprechend größer gewählt, damit der Aktor den größeren Abstand zum Element überwinden kann und mit der erforderlichen Kraft das Element verschieben kann. Durch dieses Verfahren können schon kleinste Leerhubänderungen kompensiert werden, so dass die Verschiebung des Elements von Umweltbedingungen im wesentlichen unabhängig ist. Da mit diesem Verfahren die Änderung des Leerhubs im Prinzip unabhängig von ihrer Ursache kompensiert werden kann, ist das Verfahren dazu geeignet, den Einfluss auch von nicht temperaturbedingten Umweltbedingungen auf die Verschiebung des Elements auszuschalten.
• Vorzugsweise wird das Verfahren so durchgeführt, dass die Ansteuerspannung aus einer Summe von mindestens einer ersten Spannung und einer Ausgleichsspannung gebildet wird, wobei nur die Ausgleichsspannung von der Größe des Leerhubs abhängt. Aufgrund der Abtrennung der Ausgleichsspannung als zu addierender Summand, lässt sich das Verfahren mit einer besonders einfachen und übersichtlichen Vorrichtung durchführen. Dazu weist die Vorrichtung zum einen eine Grundwertberechnung auf, die immer aktiv ist, und zum anderen eine Korrekturwertberechnung auf, die abhängig von den Umweltbedingungen durchgeführt wird.
• Die erste Spannung kann eine feste Grundspannung sein.
• Insbesondere bei der Anwendung in Kraftstoffinjektoren ist die erste Spannung vorzugsweise abhängig von Kenngrößen, wie zum Beispiel Motorlast, Motordrehzahl oder Kraftstoffdruck, um die Einspritzmenge, den Einspritzbeginn und das Einspritzende an die aktuelle Betriebsbedingung, wie z. B. Anfahren oder Ausrollen, anzupassen.
• Zur Ermittlung der Ausgleichsspannung wird der Wert eines Parameters bestimmt, der von der Temperatur des Aktors abhängt und als Maß für die aktuelle Größe des Leerhubs dient.
• Für den Parameter kann beispielsweise die Kapazität des Aktors verwendet werden. Beispielsweise kann der Parameter die Kapazität des Aktors sein. Sind mehrere Aktoren in derselben Vorrichtung angeordnet und führen sie im wesentlichen dieselbe Funktion aus, so kann der Parameter statt dessen ein Mittelwert der Kapazitäten der Aktoren sein. Dies ist z. B. der Fall bei einem Mehrzylindermotor, der pro Zylinder einen Kraftstoffinjektor aufweist.
• Es hat sich gezeigt, dass die Kapazität des Aktors unabhängig von seiner Ansteuerung von der Temperatur des Aktors abhängt. Von der Temperatur des Aktors kann wiederum auf die temperaturbedingte Änderung des Leerhubs geschlossen werden, so dass die Kapazität des Aktors ein Maß für die Größe des Leerhubs darstellt. Die Verwendung eines solchen Parameters erlaubt die Kompensation temperaturbedingter Änderungen des Leerhubs.
• Werden der Aktor und das Element in einem Kraftstoffinjektor verwendet, so wird als Element ein Ventil verwendet, das die Einspritzmenge von Kraftstoff reguliert.
• In diesem Fall kann für den Parameter die Kraftstofftemperatur verwendet werden.
• Auch die Kühlwassertemperatur kann für den Parameter verwendet werden. In diesem Fall wird bei der Bestimmung der Abhängigkeit der Ansteuerspannung vom Wert des Parameters die Laufzeit des Motors auch berücksichtigt, indem aus der Kühlwassertemeperatur zum Startzeitpunkt des Motors und aus der aktuellen Laufzeit des Motors auf die Temperatur des Aktors geschlossen wird.
• Zur Ermittlung der Ausgleichsspannung aus dem Wert des Parameters kann eine gespeicherte Zuordnung von Parameterwerten zu Ausgleichsspannungen verwendet werden.
• Die Zuordnung kann anhand eines Modellaktors ermittelt werden und anschließend in allen entsprechend dem Modellaktor gefertigten Aktoren abgespeichert werden. Dazu wird eine Anzahl verschiedener Umweltbedingungen des Modellaktors eingestellt. Für jede der Umweltbedingungen wird der dazugehörige Wert des Parameters bestimmt. Für jede der Umweltbedingungen wird diejenige Ansteuerspannung ermittelt, bei der der Aktor das Element in der gewünschten Art und Weise, z.B. mit einer bestimmten Kraft, betätigt. Aus der Ansteuerspannung läßt sich bei bekannter erster Spannung die Ausgleichsspannung bestim men. Bei der Anwendung in einem Kraftstoffinjektor kann die Ausgleichsspannung dadurch ermittelt werden, dass geprüft wird, bei welcher Ansteuerspannung die richtige Menge an Kraftstoff eingespritzt wird.
• Der Wert des Parameters bei einer bestimmten Umweltbedingung kann sich jedoch aus fertigungstechnischen Gründen von Aktor zu Aktor unterscheiden. Um die zunächst gespeicherte Zuordnung, die anhand des Modellaktors ermittelt wurde, an den jeweiligen Aktor auf einfache Weise anpassen zu können, ist es vorteilhaft, im Verfahren zur Ansteuerung des Aktors die Ausgleichsspannung zu ermitteln, indem der Differenzwert aus dem Wert des Parameters und einem festen gespeicherten Wert gebildet wird und anschließend aus einer gespeicherten Zuordnung von Differenzwerten zu Ausgleichsspannungen die entsprechende Ausgleichsspannung ermittelt wird. Auch diese Zuordnung kann anhand eines Modellaktors ermittelt werden. In diesem Fall genügt es zur Anpassung den Wert des Parameters unter derselben Umweltbedingung zu messen, unter der der feste gespeicherte Wert beim Modellaktor gemessen wurde, und bei Abweichung den festen gespeicherten Wert durch den gemessenen Wert des Parameters des Aktors zu ersetzen.
• Bei Anwendung in einem Kraftstoffinjektor ist die oben genannte Umweltbedingung vorzugsweise der Zustand des Kraftstoffinjektors bei Betriebstemperatur, da diese Umweltbedingung ohne zusätzliche Messungen einfach eingestellt werden kann, indem eine genügend lange Zeit nach Inbetriebnahme gewartet wird, bis mit hoher Wahrscheinlichkeit die Betriebstemperatur des Kraftstoffinjektors erreicht ist.
• Die Berechnung der erforderlichen Ansteuerspannung wird beispielsweise von einer Steuereinheit durchgeführt.
• Der Ladestrom, mit dem der Aktor bei Ansteuerung geladen wird, ist von der Ansteuerspannung abhängig und stellt sich je nach Widerständen und Kapazitäten im Stromkreis der Steu ereinheit und des Aktors ein. Da der Ladestrom abhängig von der Höhe der Ansteuerspannung ist, ist die Ausdehnung des Aktors nicht proportional zur Ansteuerspannung. Jedoch ist die Ansteuerenergie, mit der der Aktor geladen wird, proportional zur Ausdehnung des Aktors. Die Ansteuerenergie ergibt sich durch Multiplikation der Ansteuerspannung mit dem Ladestrom und mit der Ladezeit. Es empfiehlt sich folglich, die Ermittlung der Ansteuerspannung auf eine Berechnung der Ansteuerenergie zurückzuführen. Da der Ladestrom in eindeutiger und unveränderlicher Weise von der Ansteuerspannung abhängt und die Ladezeit unabhängig von der Ansteuerspannung ist, ist der Zusammenhang zwischen Ansteuerspannung und Ansteuerenergie eineindeutig. Durch Ermittlung der Ansteuerenergie wird folglich indirekt die Ansteuerspannung ermittelt.
• So können die erste Spannung und die Ausgleichsspannung indirekt durch Ermittlung einer ersten Energie und einer Ausgleichsenergie bestimmt werden.
• Die gespeicherte Zuordnung von Parameterwerten zu Ausgleichsspannungen kann aus einer gespeicherten Zuordnung der Parameterwerte zu Ausgleichsenergien bestehen.
• Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
• 1 zeigt einen piezoelektrischen Aktor mit Aktorgehäuse und Element.
• 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ansteuerung des Aktors.
• Im Ausführungsbeispiel sind vier Kraftstoffinjektoren vorgesehen, die einen Brennraum speisen. Jeder der Kraftstoffinjektoren weist einen piezoelektrischen Aktor A auf, der der Verschiebung eines Elements E dient, das als Steuerventil ausgestaltet ist. Zwischen den Aktoren A im unangesteuerten Zustand und den Elementen E ist jeweils ein Abstand vorgesehen, der als Leerhub L bezeichnet wird (siehe 1).
• Es ist eine elektronische Steuereinheit (ECU) vorgesehen, die die Aktoren A steuert. In der ECU ist in einem Kennfeld eine erste Zuordnung Z1 zwischen Kraftstoffdruck und einer ersten Energie und damit einer ersten Spannung S1 gespeichert. Die erste Zuordnung Z1 gibt die Ansteuerenergien und damit die Ansteuerspannungen ANS an, die jeweils bei Betriebstemperatur und bei bestimmten Kraftstoffdrücken zum Erzielen einer optimalen Einspritzmenge erforderlich sind. Ferner ist in einem weiteren Kennfeld eine zweite Zuordnung Z2 von Differenzwerten DW zu Ausgleichsenergien und damit Ausgleichsspannungen AS gespeichert (siehe 2).
• Zur Ansteuerung der Aktoren A werden in einem ersten Schritt die Kapazitäten C1, C2, C3, C4 der Aktoren A bestimmt. Aus den Kapazitäten C1, C2, C3, C4 wird der Mittelwert CM gebildet. Dieser Mittelwert CM wird von einem festen gespeicherten Wert W1 abgezogen, um einen Differenzwert DW zu bilden. Der feste gespeicherte Wert W1 repräsentiert den Mittelwert der Kapazitäten bei Betriebstemperatur, die zwischen 70°C und 90°C liegt.
• Anhand der zweiten Zuordnung Z2 wird aus dem Differenzwert DW die zugehörige Ausgleichsenergie und damit Ausgleichsspannung AS ermittelt.
• Es wird der Kraftstoffdruck gemessen. Anhand der ersten Zuordnung Z1 wird aus dem Kraftstoffdruck die entsprechende erste Energie und damit die erste Spannung S1 ermittelt.
• Anschließend werden die erste Energie und die erste Ausgleichsenergie und damit die erste Spannung S1 und die Ausgleichsspannung AS addiert um die Ansteuerenergie und damit die Ansteuerspannung ANS der Aktoren A zu ermitteln.
• Mit dieser ermittelten Ansteuerenergie bzw. Ansteuerungsspannung ANS werden die Aktoren A angesteuert, um die Elemente E zu verschieben.

Claims (7)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors, der der Verschiebung eines Elements dient, – wobei der Aktor (A) und das Element (E) in einem Kraftstoffinjektor verwendet werden und zwischen dem Aktor (A) und dem Element (E) ein Leerhub (L) besteht, – wobei als Element (E) ein Ventil verwendet wird, das die Einspritzmenge von Kraftstoff reguliert. – bei dem der Aktor (A) zur Verschiebung des Elements (E) mit einer Ansteuerspannung (ANS) beaufschlagt wird, – bei dem die Ansteuerspannung (ANS) so gewählt wird, daß sie im Sinne eines Ausgleichs einer Änderung des Leerhubs (L) von der Größe des Leerhubs (L) abhängt, – bei dem die Ansteuerspannung (ANS) aus einer Summe von mindestens einer ersten Spannung (S1) und einer Ausgleichsspannung (AS) gebildet wird, wobei nur die Ausgleichsspannung (AS) von der Größe des Leerhubs (L) abhängt, – bei dem zur Ermittlung der Ausgleichsspannung (AS) der Wert eines Parameters bestimmt wird, der von der Temperatur des Aktors (A) abhängig ist und als Maß für die aktuelle Größe des Leerhubs (L) dient.
2. Verfahren nach Anspruch 1, – bei dem für den Parameter die Kapazität des Aktors (A) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, – bei dem für den Parameter die Kraftstofftemperatur verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, – bei dem für den Parameter die Kühlwassertemperatur verwendet wird, – bei dem mit dem Kraftstoffinjektor ein Motor betrieben wird, – bei dem bei der Bestimmung der Abhängigkeit der Ausgleichspannung (AS) vom Wert des Parameters die Laufzeit des Motors berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, – bei dem die Ausgleichsspannung (AS) ermittelt wird, indem der Differenzwert (DW) aus dem Wert des Parameters und einem festen gespeicherten Wert (W1) gebildet wird und anschließend aus einer gespeicherten Zuordnung (Z2) von Differenzwerten (DW) zu Ausgleichsspannungen (AS) die entsprechende Ausgleichsspannung (AS) ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5 (und einem der Ansprüche 1 bis 5), – bei dem zu einer Zeit nach Inbetriebnahme des Kraftstoffinjektors, zu der der Kraftstoffinjektor mit hoher Wahrscheinlichkeit seine Betriebstemperatur erreicht hat, der Wert des Parameters bestimmt wird, mit dem festen gespeicherten Wert (W1) verglichen wird und bei Abweichung den festen gespeicherten Wert (W1) ersetzt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, – bei dem die Ansteuerspannung indirekt durch Ermittlung der Ansteuerenergie gewählt wird.