CN109477440B - 用于促动机动车辆的喷射阀的压电促动器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于促动燃料喷射系统的喷射阀的压电促动器的方法，该方法包括如下步骤：使用所存储的电流/电压特征曲线来识别用于执行喷射过程的用于压电促动器的促动信号，检测在喷射过程期间流动通过压电促动器的电流的走势、以及在喷射过程期间被施加到压电促动器的电压的走势，使用所检测的电流走势和所检测的电压走势来修改所存储的电流/电压特征曲线，以及，使用所存储的、修改的电流/电压特征曲线，来识别用于执行随后的喷射过程的用于压电促动器的促动信号。本发明还涉及用于促动燃料喷射系统的喷射阀的压电促动器的装置。

Description

用于促动机动车辆的喷射阀的压电促动器的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于促动机动车辆的喷射阀的压电促动器的方法，并涉及用于促动机动车辆的喷射阀的压电促动器的装置。

背景技术

许多燃料喷射系统根据共轨原理操作，且使用压电操作的喷射阀。在该情形中，能够以针对性的方式被打开和关闭的一个或多个喷射阀位于每个燃烧室处。在喷射阀打开期间，燃料到达燃烧室的内部且在那里燃烧。从燃烧和废气的角度以及出于舒适的原因，要求非常准确的燃料喷射量的配量。

通过控制单元来控制喷射过程。该控制单元提供由喷射系统的输出级所要求的控制信号。为了识别（Ermittlung）这些控制信号，控制单元根据所存储的操作程序和所存储的特征映射来操作，且在该过程中，评估由被布置在喷射系统中的传感器供应的传感器信号。

当所述控制信号被识别时，燃料被引入到相应燃烧室中的方式十分重要。这通过相应地合适的喷射曲线成形来实施，能够借助于其来避免不期望的废气排放。精准的燃料喷射的主要影响因子是相应喷射器电流走势规定（Injektorstromverlaufsvorgabe）的实施，其与期望的喷射阀移动且因此与喷射过程（Einspritzverlauf）直接地或间接地成比例。

为了能够尽可能精确地显示喷射器电流走势规定，要求精准的喷射定时和对喷射器、供应管线和控制单元中的部件变化的考虑。

在实践中，出于成本的原因，所述部件被提供成具有相对大的公差，其中，所述相对大的公差对于燃料喷射的精度具有不期望的影响。

直到目前为止，在许多情形中，对于精度的所述不期望的影响已经被接受。

在其他情形中，所述相对大的部件公差已经作为在喷射过程中的所有误差的和、或者作为在总喷射量中的误差被纳入考虑，或者已经使用控制器以用于能量平衡或者电荷量平衡。然而，一直以来总是存在不期望的停机时间（Totzeiten）和不期望的控制公差的问题。另外，仅在充电过程结束时的误差的和是一直以来总是被考虑的，并且修正在此基础上进行。此处一直以来通常不考虑放电过程。

此外，已知使用如下来作为用于促动压电促动器的标准电流形式：其具有到相应期望最大电流的预定上升时间或者从相应期望最大电流的预定下降时间的梯形形状。

此外，为了增加喷射过程的灵活性，已知利用多级电流形式来替换所述梯形形状，以便能够积极地影响燃烧结果，并因此积极地影响排放。

发明内容

本发明的目的是提供用于促动燃料喷射系统的喷射阀的压电促动器的方法和装置，其中，结合在喷射阀的促动中的更高的灵活性进一步改善喷射过程的精度。

所述目的借助于具有在本发明中指定的特征的方法以及借助于具有在本发明中指定的特征的装置来实现。有利的配置和发展从优选实施方式显而易见。

在具有在本发明中指定的特征的方法中，执行如下步骤以促动燃料喷射系统的喷射阀的压电促动器：

- 使用所存储的电流-电压特征曲线来识别用于执行喷射过程的用于压电促动器的促动信号，

- 检测在喷射过程期间流动通过压电促动器的电流的走势，以及在喷射过程期间被施加到压电促动器的电压的走势，

- 使用所检测的电流走势和所检测的电压走势，修改所存储的电流-电压特征曲线，以及

- 使用所存储的、修改的电流-电压特征曲线，来识别用于执行随后的喷射过程的用于压电促动器的促动信号。

在该方法中，在整个喷射过程期间，流动通过压电促动器的电流的走势以及跨过压电促动器降低的电压的走势被检测，且被用于修改所存储的电流-电压特征曲线，电流-电压特征曲线继而被用于识别用于随后的喷射过程的促动信号。

该过程具有如下优点：在识别用于喷射过程的促动信号时，将单独地存在的输出级的特征纳入考虑。在该过程中，在识别用于喷射过程的控制信号时，特别地将在控制单元、供应管线和在喷射器中的部件变化纳入考虑。因此，在将单独地存在的输出级的实际输出级性质纳入考虑的情况下，识别所述控制信号。这使得有可能在通过使得获得相应期望实际电流走势的方式识别用于相应的随后喷射过程的设定点电流规定时，预测单独地存在的输出级的性质。设定点电流规定的该识别是在将单独地存在的喷射系统的实际性质纳入考虑的情况下实现的，且优选地是独立于梯形形状的自由设定点电流输出。

还能够借助于在本发明中指定的方法来满足对于未来机动车辆的废气排放减少的更高要求。

有利地，在使用所检测的电流走势和所检测的电压走势来修改所存储的电流-电压特征曲线之前，对电流走势和电压走势进行滤波，以便防止或者至少极大地减少不期望的干扰频率对用于随后喷射过程的控制信号的识别的影响。这种干扰频率可能会例如由在电路（谐振电路）中的电磁振荡或者从外部由电磁干扰导致。

附图说明

本发明的进一步优势将从下文中基于附图的本发明的示例性解释显现。在附图中：

图1示出电流控制的压电输出级的图，

图2示出曲线图，其用于示出在充电过程期间比较器的性质，

图3示出曲线图，其用于示出作为压电电压的函数的用于压电促动器的充电过程和放电过程的电流走势，该走势描述了输出级的特征，

图4示出曲线图，其用于示出充能数据（Bestromungsdaten）的识别，

图5示出曲线图，其用于示出在所计算的充电时间与设定点电流之间的关系，

图6示出曲线图，其用于示出电压走势、电流走势和电流-电压曲线图，

图7示出曲线图，其用于示出所存储的电流-电压特征曲线的修改，

图8示出曲线图，其用于示出在将促动器（输出级）的实际性质纳入考虑的情况下，喷射阀的期望性质的识别，以及，

图9示出控制单元的框图。

具体实施方式

图1示出电流控制的压电输出级的图，能够在用于促动燃料喷射系统的喷射阀的压电促动器的方法中使用该电流控制的压电输出级。

该压电输出级具有2象限升降压变换器（Buck-Boost-Konverter），其包括降压变换器T1、D2和升压变换器T2、D1。通过控制信号s1来促动被实施为场效应晶体管的降压变换器的晶体管T1。通过控制信号s2来促动同样被实施为场效应晶体管的升压变换器的晶体管T2。如结合图6所解释地，通过控制单元而使得控制信号s1和s2可用。

在升降压变换器的二极管D1与D2之间的连接点连接至中间电容器C_Z的端子，中间电容器C_Z的另一端子连接至地。在下文中被称为中间电压的电压U_Z被施加到该中间电容器C_Z。

此外，在二极管D1与D2之间的连接点连接至线圈L的端子，线圈L是压电输出级的主电感器。该主电感器的另一端子经由低通滤波器R1/C1连接至压电促动器P。电流i流动通过线圈L，且电流i_P流动通过压电促动器。在下文中被称为压电电压的电压U_P跨过压电促动器下降。

所示出的压电输出级的拓扑（Topologie）能够以简化形式被描述为降压变换器和升压变换器的反并联连接。该压电输出级的操作模式特征在于如下事实：主电感器L的线圈电流i，在降压模式中高于零，而在升压模式中低于零。在该背景下，在压电输出级中，不存在在这两种操作模式之间的重叠。因此，如在图1中所示出，使用仅一个线圈作为主电感器是足够的。

在降压操作模式中，对压电促动器P充电。在该充电期间，借助于脉冲宽度调制，交替地接通和断开开关T1。在T1的接通时间期间，二极管D2最初以阻断方式起作用，且流动通过线圈L的电流上升。在该情形中，能量在用作磁蓄能器（magnetischer Speicher）的线圈中积聚。在该情形中，根据在如下等式(1)中指定的关系，电流均匀地上升：

(1)。

在充电过程开始时，被施加到线圈的电压大致对应于通过电压源Q被使得可用的直流电压U_Q的值。

能够通过如下等式(2)来描述在T1的接通阶段中主电感器L的差分电流：

(2)。

在T1的断开阶段期间，被存储在电感器中的能量减少。在该背景下，二极管D2以无载运行（续流，freilaufend）方式起作用，因此，负载电流能够继续流动。因为输出电压现在被施加到线圈，所以线圈电压的极性改变。此处，输出电流连续降低。在该情形中，通过线圈来馈送压电促动器P。如下关系适用于在断开阶段期间在主电感器处的电流的差分考虑：

(3)。

使用升压变换器执行压电促动器P的放电，其中，压电促动器P充当电压源。在压电促动器的放电期间，线圈电流i低于零。正如在充电阶段中的降压变换器，在放电阶段中，利用脉冲宽度调制来操作升压变换器。在T2的接通阶段期间，首先发生无载运行操作。这意味着电流流动通过开关T2，因此流动通过线圈的电流上升。在T2的断开阶段中，反馈经由二极管D1和D2两者发生到电压源Q中。在该背景下，电流从用户（即，压电促动器P）经由线圈L流动回到源Q中。如下关系适用于差分电流：

(4)。

如下关系适用于在T2的断开阶段期间的差分电流：

(5)。

由于2象限变换器的工作方法，在放电阶段期间，随着压电电压水平下降，压电促动器的功率变换减少。这导致设定了显著更长的放电时间，因此压电促动器可能不完全放电。为了避免这一点，在放电期间，电流控制的电阻器（未示出）与压电促动器P并联连接。

如在图2中所示出，上文中提到的脉冲宽度调制源于比较器阈值的使用。

在该图2中，在上方以安培为单位绘制电流，且在右侧以毫秒为单位绘制时间。曲线K1示出流动通过线圈L的实际电流，曲线K2示出对应于比较器上阈值的期望设定点电流，曲线K3对应于形成比较器下阈值的电流的零值，且曲线K4示出流动通过压电促动器P的实际电流。

借助于比较器，比较线圈L的期望设定点电流与相关联的实际电流。如果例如在压电促动器的充电期间，在开关T1接通之后，实际电流超过预先限定的设定点电流，则比较器输出断开开关T1，因此实际电流再次降低。如果降低的实际电流到达了过零点，则T1再次接通。重复这些过程，直到到达期望的预先限定的充电时间为止。

以等同方式执行在放电过程期间发生的脉冲宽度调制。

作为对上文描述的比较器的使用的替代方案，其他特定模式也能够被用于脉冲宽度调制。另一特定模式例如包括使用第一脉冲的控制的脉冲操作，其基于所使用的开关的最小切换时间性质。

有可能从上文描述动态脉冲宽度调制的使用得到的是，电流梯度对于所使用的开关T1和T2的切换性质具有显著的影响。如从在上文中指定的等式（2）显而易见地，电流的上升函数主要受在U_Q与压电电压U_P之间的电压差的影响。

如果将压电电压U_P和压电电流i_P的走势转移至电流设定点值的曲线图，则获得了表征输出级的性质的电压-电流特征曲线。这在下文中基于图3示出。

所述图3示出结合压电输出级的压电促动器的充电过程（图3a）和放电过程（图3b）的电流走势。相对于压电电压（所得到的绝对电流在该压电电压处存在）绘制所得到的绝对电流。此处，单独的线对应于被指定为最大电流强度的百分比的特定设定点电流强度。在图3a中，对应于顶部线的100%曲线代表在该背景下可能的最快充电过程。显而易见的是，如果设定点电流规定保持恒定，则随着电压上升，可用的绝对电流值相对低。这导致减速的充电或放电过程。此外显而易见的是，在低电压（<50V）处，不可能达到某些电流范围。其原因是对可容许的电流梯度的限制。在图3a中在顶部线下方示出的曲线是90%曲线、80%曲线、70%曲线等。

在图3a和图3b中示出的曲线走势是在喷射系统的启动之前被识别的针对参考输出级的曲线走势，且被存储在存储器中。在稍后的实际操作中所使用的压电促动器和经受部件变化的输出级的情形中，实际存在的电流-电压特征曲线偏离于在图3中示出的相应参考特征曲线。特别地，其向上、向下、向右或向左移位。因此，在实际操作中，存在从相应参考特征曲线偏离的走势、偏离的总电荷/能量和从其得到的改变的喷射过程。

在图3中示出的电流走势允许呈带有系数a至f的二维多项式的形式的回归。此处忽略低电压的范围，因为其与本申请不相关；

(6)

在该背景下：

I[A] 表示压电绝对电流强度，

I[%] 表示压电设定点电流强度，

U[V] 表示压电电压。

此处显著的优点在于，能够避免用于在下文中描述的迭代过程的电流值的高代价的存储和读取。

现在在控制单元中使用输出级的上文描述的模型式描述，以便确定压电促动器在充电和放电期间的充能数据。在该背景下，从用于稳态最终电压或最终充电的设定点值和预先限定的梯形设定点电流配置开始执行迭代。在该背景下，发生充电过程和/或放电过程的时间性离散。对于每个时间步，识别绝对电流、相关联的离散电荷量和所设定的压电电压。其基础是上文中描述的多项式回归模型。反映了期望设定点电荷状态/设定点电压状态的必要的时间步的数目对应于将确定的充电时间和/或放电时间，即，充能时段。

用于每个迭代步的计算规则如下：

用于当前时间步的设定点电流配置值：

cur_step = cur_step + step_cur_1

确定绝对电流：

i_step = f(v_step, cur_step) （参见等式(6)）

确定所设定的压电电压（简化的压电模型）：

v_step = v_step + (i_step ∙ dt)/(q_stat/(v_stat – (R_piezo ∙ i_step)))

确定所设定的电荷：

q_step = q_step + (i_step ∙ dt)

在该背景下，适用如下：

i_step = 来自多项式模型[A]的绝对电流状态

v_step = 电压状态[V]

cur_step= 设定点电流状态[%]

q_step = 电荷状态[As]

step_cur_1=在上升函数的情形中设定点电流的增量[%]

dt= 时间增量[s]

q_stat = 稳态设定点电荷值（模型输入）[As]

v_stat = 稳态设定点电压值（模型输入）[V]

R_piezo = 压电促动器的欧姆电阻[Ohm]。

图4示出在梯形设定点电流规定（CUR_CHA/cur_step）的情形中作为充电时间（T_CHA）的函数计算的电流走势（I_LOAD/i_step）、电压走势（V_REF/v_step）和电荷走势（Q_REF/q_step）。单独的曲线各自对应于包括上升电流缘、保持阶段和下降电流缘的特定梯形配置。变得显而易见的是，如果要实现电压和电荷的相同最终值，则每个配置精确地对应于一充电时间。

图5示出曲线图，其示出在稳态最终电压和/或最终电荷的不同设定点值处，在电流的设定点值CUR_CHA与所计算的充电时间T_CHA之间的关系。

图6示出曲线图，其用于示出压电电压随时间的走势、压电电流随时间的走势和从其得到的输出级的电流-电压特征曲线。使用传感器来识别所述电流走势和所述电压走势，传感器的输出信号经由A/D变换器被供应到控制单元。在控制单元中，发生滤波以消除不期望的干扰频率的影响，且通过新识别的电流-电压特征曲线修改已经存储的电流-电压特征曲线，该新识别的电流-电压特征曲线与单独地存在的喷射系统相关联，且通常偏离于在图3中示出的最初识别的电流-电压特征曲线。

图7示出曲线图，其用于示出所存储的电流-电压特征曲线的修改。此处，实线是所存储的输出级的标准特征曲线，其能够通过所提到的多项式来描述。虚线是单独喷射系统的在控制单元中产生的实际特征曲线。在梯度之间的偏离代表标准特征曲线（多项式）的必要的修改。所示出的箭头表征借助于多项式模型识别的相应标准特征曲线至相应实际特征曲线的必要的修改。

图8示出曲线图，其用于示出对于在随后的喷射过程期间的压电电流的期望性质的识别。

首先，在控制单元中，通过评估描述喷射系统的实际状态的传感器信号，识别压电电流的随时间的期望实际性质，且识别压电电压的随时间的期望实际性质。从压电电流的期望实际性质和压电电压的期望实际性质，然后使用所存储的电流-电压特征曲线来识别压电电流的随时间的期望走势。该识别的期望走势针对单独地存在的喷射系统被修改，即，已经在将单独地存在的喷射系统的管线系统和公差纳入考虑的情况下被识别。在该情形中，还将输出级特征的温度依赖性纳入考虑，因为温度响应的时间常数显著大于所存储的电流-电压特征曲线借助于其而被修改的时间常数。

图9示出控制单元1的框图，控制单元1使得用于升降压变换器的晶体管T1和T2的控制信号s1和s2（在图1中示出）可用。所述控制单元1具有识别单元2，其使用存储在存储器3中的操作程序和特征映射，从被供应到控制单元的输入信号e1,…, em识别用于回归模型4的输入参数p1, …, pn。除了其他以外，所存储的特征映射还包括这样的特征映射：其包含不同的设定点电流规定的根据经验识别的电流-电压特征曲线作为标准或参考特征曲线，其中，如上文中已经解释地，在燃料喷射系统的操作期间，使用跨过压电元件降低的电压和在喷射过程期间流动通过压电促动器的电流的所识别的走势，来修改所述电流-电压特征曲线。

回归模型4（如上文所描述，其为多项式回归模型）在上文中示出的示例性实施例中执行呈带有系数a至f的二维多项式的形式的回归，从被供应到其的输入参数识别充能数据，优选地包括充能时段BD和被给出为百分比的设定点电流强度SS。此外，回归模型4优选地还从被供应到其的输入参数识别被给出为百分比的被供应到外部控制器6的绝对电流强度AS。

指定的充能数据BD和SS被供应到变换器单元5，变换器单元5将所识别的充能数据变换成用于晶体管T1和T2的控制信号s1和s2。

控制单元1的输入信号e1, …, em是表征或描述喷射系统的瞬时操作点的数据。通过传感器被使得可用的这些数据，举例来说，包括关于在内燃机的轨道中的燃料压力的信息、关于油门踏板的位置的信息、关于高压燃料泵的上游的燃料温度的信息以及关于压电促动器的温度的信息。此外，输入信号e1, …, em包括这样的传感器信号：其描述在喷射过程期间流动通过压电促动器P的电流i_P的走势以及在喷射过程期间在压电促动器P处降低的电压U_P的走势。对该电流走势和电压走势的考虑提供关于每个现有喷射系统的单独性质的结论，该现有喷射系统包括在控制单元中的现有部件和相应现有管线，在该情形中，尤其是关于如在图1中所示出的功率输出级的单独的性质。

回归模型4的输入参数p1, …, pn特别地是关于期望的压电电压的信息和/或关于期望压电电荷的信息，以及关于压电促动器的温度的信息。此外，回归模型的输入参数优选地还包括关于喷射阀的期望打开性质的信息、关于压电促动器的期望振荡性质的信息、关于系统特定参数（诸如，例如压电促动器的内部电阻）的信息和关于喷射系统的更多边界条件的信息，例如，关于可用于充能的最大时间窗口的信息。

Claims (4)

1.一种用于促动燃料喷射系统的喷射阀的压电促动器的方法，所述方法包括如下步骤：

- 使用所存储的电流-电压特征曲线来识别用于执行喷射过程的用于所述压电促动器的促动信号，所述电流-电压特征曲线表示所述电流与所述电压之间的关系；

- 检测在所述喷射过程期间流动通过所述压电促动器的电流的走势，以及在所述喷射过程期间被施加到所述压电促动器的电压的走势，

- 使用所检测的电流走势和所检测的电压走势来修改所存储的电流-电压特征曲线，以及

- 使用所存储的、修改的电流-电压特征曲线，来识别用于执行随后的喷射过程的用于所述压电促动器的促动信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将单独的燃料喷射系统的实际性质纳入考虑，识别独立于梯形形状的自由设定点电流规定。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在修改所存储的电流-电压特征曲线之前，对所测量的电流走势和所测量的电压走势或者从其识别的电流-电压特征进行滤波。

4.一种用于促动燃料喷射系统的喷射阀的压电促动器的装置，所述装置具有控制单元，所述控制单元用于识别用于所述压电促动器的促动信号，其特征在于，所述控制单元被设计为执行具有在权利要求1中所指定的特征的方法。

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