DE10012607A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines kapazitiven Stellgliedes - Google Patents

Verfahren zur Ansteuerung eines kapazitiven Stellgliedes

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Abstract

Dem Stellglied, insbesondere für ein piezoelektrisch betriebenes Kraftstoffeinspritzventil, wird bei einem Ansteuervorgang ein Energiebetrag E = E¶V¶ + E¶L¶ zugeführt, der aus einem für den vorgegebenen Arbeitshub des Ventils benötigten Energiebetrag E¶V¶ und aus einem für die Durchführung eines Leerhubs erforderlichen Energiebetrag E¶L¶ besteht, wobei letzterer als der dem Stellglied zugeführte Energiebetrag bestimmt wird, nach dessen Erhöhung die Kapazität des Stellgliedes plötzlich geringer wird.

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 er ausgesetzt ist.
Aus der DE 196 44 521 A1 ist bekannt, ein Piezo-Stellglied mit einem konstanten Energiebetrag anzusteuern, um in dem Temperaturbereich, in welchem piezoelektrisch betriebene Kraftstoffeinspritzventile einer Brennkraftmaschine betrieben werden, einen konstanten Ventilhub zu erzielen.
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 ei­ nes 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 sL auf einen Ventilstößel S eines nicht dargestell­ ten Kraftstoffeinspritzventils trifft und diesen gegen eine vom Kraftstoffdruck verursachte Gegenkraft F bewegt (Ventil­ hub sV), 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 = ∫Itd/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 sL beispielsweise eine Kapa­ zität C von 6 µF, so reduziert sich dieser Wert bei einem Ven­ tilhub sV 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 sL abrupt vermindernde Kapazität C des Stellgliedes P über dem Hub s dargestellt.
Aufgrund dieser Feststellung ist die Energie EL, die das Stellglied P zur Überwindung des Leerhubs sL 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 EL. 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 sV) vorgegebenen Energie EV hinzuad­ diert:
E = EV + EL
Man kann statt kontinuierlicher Erhöhung der Ladungsmenge Q und kontinuierlicher Ermittlung der Kapazität C auch dem Stellglied P in zeitlichen Abständen jeweils eine vorgegebene Ladungsmenge ΔQ zuführen und anschließend die Kapazität C nach der Formel C = ΔQ/U ermitteln u. s. w., bis der ermittel­ te Kapazitätswert C plötzlich deutlich geringer als der vor­ her ermittelte Wert ist.
Auf diese Weise wird der durch Verschleiß ansteigende Leerhub sL exakt kompensiert und ein über die Lebensdauer des Kraft­ stoffeinspritzventils konstanter Ventilhub sV als Vorausset­ zung für eine konstante Kraftstoffeinspritzmenge erreicht.

Claims (4)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines kapazitiven Stellgliedes (P), insbesondere für ein piezoelektrisch betriebenes Kraft­ stoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, mit einem ei­ nem vorgegebenen Arbeitshub (sV) des Ventils zugeordneten Energiebetrag EV, bei welchem bei einem Kraftstoffeinspritz­ vorgang das Stellglied (P) vor der Betätigung des Ventils ei­ nen Leerhub (sL) durchläuft, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stellglied (P) bei einem Ansteuervorgang ein Ener­ giebetrag E zugeführt wird, welcher der Summe E = EV + EL aus dem für den vorgegebenen Arbeitshub (sV) des Ventils benötig­ ten Energiebetrag EV und aus einem für die Durchführung des Leerhubs (sL) erforderlichen Energiebetrag EL entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Durchführung des Leerhubs (sL) erforderliche Energiebetrag EL als der dem Stellglied (P) zugeführte Ener­ giebetrag EL = Q . U/2 bestimmt wird, nach dessen Erhöhung die Kapazität C = Q/U des Stellgliedes (P) plötzlich geringer wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stellglied (P) in zeitlichen Abständen eine vorgegebene Ladungsmenge ΔQ zugeführt wird und jeweils anschließend die Kapazität C nach der Formel C = ΔQ/U ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die Ermittlung des für die Durchführung des Leer­ hubs (sL) erforderlichen Energiebetrags EL in Betriebspausen des Stellgliedes (P) - bei einem Kraftfahrzeug nach Einschal­ ten der Betriebsspannung und vor einem Motorstart oder bei Schiebebetrieb - erfolgt.
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