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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben
von Stellgliedern nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und
6.
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Die
in letzter Zeit strenger gewordenen Abgasnormen für Brennkraftmaschinen
haben in der Kraftfahrzeugindustrie die Entwicklung von Kraftstoffinjektoren
mit schnell- und verzögerungsfrei
ansprechenden Stellgliedern bzw. Aktoren ausgelöst. Bei der praktischen Realisierung
derartiger Stellglieder haben sich insbesondere piezoelektrische
Elemente (Piezoaktoren) als vorteilhaft erwiesen. Derartige piezoelektrische
Elemente sind üblicherweise
als ein Stapel von piezokeramischen Scheiben zusammengesetzt, die über eine
elektrische Parallelschaltung betrieben werden, um die für einen
ausreichenden Hub notwendigen elektrischen Feldstärken erreichen
zu können.
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Beim
Ansteuern einer kapazitiven Last, wie hier eines Piezoaktors, der
zur Betätigung
eines Einspritzventils Verwendung findet, dass heißt beim
Auf- und Entladen der kapazitiven Last mittels eines elektrischen
Laststroms, werden erhebliche Anforderungen an die Ansteuerelektronik
gestellt. Die Ansteuerung erfolgt meist in Bruchteilen von Millisekunden. Gleichzeitig
sollte während
dieser Lade- und Entladevorgänge
der Strom und die Spannung am Piezoaktor möglichst kontrolliert zugeführt werden.
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Ein
weiterer wichtiger Faktor, der zur Einhaltung der strengen Grenzwerte
künftiger
Emissionsgesetze beiträgt,
ist die Nutzung von Mehrfacheinspritzungen hierbei können bei
jedem Einspritztakt individuell gesteuert und dosiert fünf und mehr
einzelne Kraftstoffportionen von minimal 1,0 mm2 in
die Zylinder eingebracht werden. Mit mehreren Piloteinspritzungen
wird ein sanfter und gleichmäßiger Anstieg
des Verbrennungs druckes ermöglicht,
was das klassische Nageln eines Dieselmotors deutlich verringert.
Die Haupteinspritzung dient der Erzeugung thermischer Energie, wobei
man in bestimmten Betriebsbereichen mit einer geteilten Haupteinspritzung die
Stickoxidemissionen deutlich reduzieren kann. Mehrere Nacheinspritzungen
reduzieren die Rohemissionen und den Partikelausstoß und erleichtern die
Regeneration evtl. nachgeschalteter Partikelfilter.
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Bei
modernen Brennkraftmaschinen sind mehrere die Stellglieder ansteuernde
Endstufen zu einer so genannten Bank zusammengefasst. Mit einer
Bank werden mehrere Stellglieder angesteuert, wobei jeweils ein
Stellglied für
die Kraftstoffzumessung eines Zylinders zuständig ist.
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Bei
einer 6 Zylinder Brennkraftmaschine werden so beispielsweise jeweils
drei Stellglieder von einer Bank angesteuert. Üblicherweise wird hier der
zur Verfügung
stehende Winkel/Zeitbereich gleichmäßig auf alle Einspritzventile
aufgeteilt, dass heißt
das bei einem Verbrennungstakt, der einem Kurbelwellenwinkelbereich φges von 720 Grad entspricht, steht jedem
Einspritzventil ein Kurbelwellenwinkelbereich Δφ von 240 Grad zur Verfügung steht.
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Aus
der
EP 1 497 544 ist
ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor
bekannt, bei dem zumindest zwei piezoelektrische Stellglieder jeweils
einer Bank zugeordnet sind. Es wird überwacht, ob eine Überschneidung
eines Zeitintervalls, in dem ein erster Piezoaktor ge- oder entladen
werden soll mit einem Zeitintervall, in dem ein zweiter Piezoaktor
ge- oder entladen werden soll, auftritt. Hierbei ist den Einspritzungen
jeweils eine Priorität
zugeordnet. Im Falle einer Überschneidung
wird dann die Einspritzung mit der niederen Priorität verschoben
oder verkürzt.
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Um
jedoch die Vorteile einer Mehrfacheinspritzung vollständig ausnützen zu
können,
reicht der durch eine symmetrische Auf teilung bestimmte Winkelbereich
von
(n = Anzahl Stellglieder
pro Bank) nicht mehr aus, so dass die Anzahl der Bänke erhöht werden
müsste.
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Es
ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zu schaffen, die auf einfache Weise eine flexiblere Gestaltung der
Ansteuerung von Stellgliedern möglich
machen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. einem Verfahren nach Anspruch
6. Die abhängigen
Ansprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass zumindest zwei Stellglieder, insbesondere piezoelektrische
Stellglieder zum Zumessen von Kraftstoff in jeweils einen Zylinder
einer Brennkraftmaschine, von einer Endstufe angesteuert werden,
wobei die Ansteuerung zumindest in zwei Schritten erfolgt. Hierbei erfolgt
zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt der Ansteuerung des
ersten Stellglieds zumindest eine Ansteuerung des zweiten Stellglieds.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere Schritte
als Paket zusammengefasst. Ein Paket fasst hier mehrere Schritte, die
insbesondere verbrennungstechnisch zusammengehören, zusammen. Ein solches
Paket kann weiter bestimmte Begrenzungszeitpunkte oder Winkel aufweisen.
Es handelt sich hierbei um einen frühesten Startzeitpunkt und einen
spätesten
Endzeitpunkt des ersten bzw. des letzten Schrittes des Paketes.
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Ein
solches Paket beschreibt vorteilhafterweise auch eine Menge von
Schritten, zwischen denen nicht auf ein anderes Stellglied gewechselt
werden darf.
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Vorteilhafterweise
können
so auf einfache Weise verbrennungstechnisch oder funktionstechnisch
zusammengehörende
Schritte zu einem Paket zusammengefasst werden, wodurch sie bei
der Abarbeitung der einzelnen Arten nicht voneinander getrennt werden
können.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung werden die Schritte oder Pakete
nach einer vorgegebenen Reihenfolge abgearbeitet, wobei insbesondere
der Startzeitpunkt und/oder die Dauer des Schrittes in Abhängigkeit
von zumindest einem Parameter, insbesondere von einem Betriebsparameter
der Brennkraftmaschine, gewählt
werden.
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Hier
ergibt sich der Vorteil, dass zwar die Reihenfolge fest vorgegeben
ist, jedoch aber in Variationen in einem zulässigen Rahmen möglich sind.
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Weiter
kann die Vorrichtung eine Steuervorrichtung aufweisen, die einem
Schritt oder einem Paket ein bestimmtes Stellglied zuweist. Die
Zuordnung kann hierbei mittelbar oder unmittelbar erfolgen. Bei einer
mittelbaren Zuordnung wird das anzusteuernde Stellglied in Abhängigkeit
vom aktuell angesteuerten Stellglied definiert. Bei einer unmittelbaren
Zuordnung erfolgt die Angabe des Stellglieds unabhängig von
dem aktuell angesteuerten Stellglied.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung
einen Datenspeicher auf. Die Ansteuerung erfolgt hier aufgrund eines
Datensatzes, der in dem Datenspeicher abgelegt ist. Der Datensatz
enthält
für jeden
Schritt Informationen über die
Reihenfolge der Schritte, den Startzeitpunkt, die Dauer des Schrittes
und/oder des anzusteuernden Stellglieds. Die Information über das
anzusteuernde Stellglied kann sich hierbei sowohl auf das im aktuellen
Schritt anzusteuerndes Stellglied, als auch auf das im nächsten Schritt
anzusteuerndes Stellglied beziehen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung
eine Aktivierungseinheit auf. Hier erfolgt die Ansteuerung nur für den Fall,
dass für den
jeweiligen Schritt ein Aktivierungssignal vorliegt. Auf diese Weise
können
ver schiedene Schritte mehrfach in der vorgegeben Reihenfolge vorgesehen
sein und nur im Fall des aktiven Aktivierungssignals wirklich ausgeführt werden.
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Dieses
Aktivierungssignal kann beispielsweise in Abhängigkeit von zumindest einem
Parameter, insbesondere von einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine
erzeugt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die in einem Paket
beschriebene Ansteuerung eines Stellglieds nur durchgeführt, wenn
ein zusätzliches
Aktivierungssignal vorliegt. Auf diese Weise kann ein Paket für eine bestimmte
Ansteuerungsform mehrfach vorhanden sein und der Zeitpunkt der Ausführung abhängig von
einem Parameter bestimmt werden.
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Auch
kann das Paket insbesondere am Anfang oder am Ende Informationen
beinhalten, die das als nächstes
anzusteuernde Stellglied angeben. Diese Information kann absolut
oder relativ erfolgen.
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Die
oben beschriebene Vorrichtung kann auch in vorteilhafter Weise in
einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) integriert werden.
Hierbei können
insbesondere die Steuervorrichtung, der Datenspeicher und die Aktivierungseinheit
in einem ASIC integriert werden.
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Ferner
gehört
zum Umfang der Erfindung ein Computerprogramm, das bei Ablauf auf
einem Computer oder Computer-Netzwerk das erfindungsgemäße Verfahren
in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
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Weiterhin
gehört
zum Umfang der Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um
das erfindungsgemäße Verfahren
in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf
einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die
Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert
sein.
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Außerdem gehört zum Umfang
der Erfindung ein Datenträger,
auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden
in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes
das erfindungsgemäße Verfahren in
einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann.
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Auch
gehört
zum Umfang der Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren
Träger
gespeicherten Programmcode-Mitteln, um das erfindungsgemäße Verfahren
in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf
einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.
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Dabei
wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares
Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen,
so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger, und
kann insbesondere über
ein Datenübertragungsnetz
verteilt werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die
in den Figuren schematisch dargestellt sind. Gleiche Bezugszeichen
in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche
bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen aneinander entsprechende Elemente.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Betreiben von Stellgliedern,
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2 einen
zeitlichen Verlauf der Ansteuerung für einen Verbrennungszyklus,
und
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3 den
schematischen Aufbau einer Bank.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zum Betreiben von Stellgliedern P0 bis P5. Hier
der Stellglieder P0 bis P5 einer sechszylindrigen Brennkraftmaschine. Hierbei
sind zwei Bänke
B0 und B1 vorgesehen, die jeweils drei Stellglieder, im vorliegenden
Fall piezoelektrische Stellglieder P0, P2, P4 bzw. P1, P3, P5 ansteuern.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
bezeichnet der Begriff „Bank" die jeweilige Endstufe
E und eine dazugehörige
Steuereinheit ST (vgl. 3). Jedes Stellglied P0 bis
P5 ist hierbei mit der jeweiligen Bank B0 bzw. B1 elektrisch über eine
Steuerleitung K0 bis K5 verbunden.
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Wird
ein Stellglied P0 über
die Steuerleitung K0 von der erste Bank B0 angesteuert, so wird
es ge- oder entladen. Alternativ kann auch der Ladungszustand des
Stellglieds P überwacht
und gegebenenfalls durch Nachladen aufrechterhalten werden. In Abhängigkeit
von der am Stellglied P0 angelegten elektrischen Spannung, dem Stellglied
P0 zugeführten
Strom, der übertragenen
Ladungsmenge und/oder der Zeitdauer bis zur Entladung wird die zugemessene
Kraftstoffmenge variiert.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung der zeitlichen Abfolge einer Ansteuerung
der Stellglieder P0 bis P5 für
das oben beschriebene Ausführungsbeispiel.
Hierbei sind im oberen Teil der 2 die Zylinder
0, 2 und 4 dargestellt, die von der ersten Bank B0 angesteuert werden
und im unteren Teil der 2 die Zylinder 1, 3 und 5, die
von der zweiten Bank B1 angesteuert werden. Die 2 zeigt
den zeitlichen Verlauf der Ansteuerung in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel.
Die Darstellung umfasst einen Verbrennungszyklus, d. h. für einen
Viertaktmotor einen Winkelbereich von 720° Kurbelwellenwinkel.
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Die
durch Klammern gekennzeichneten Zeitpunkte φ1, φ2 zeigen im vorliegenden Beispiel
einen Winkelbereich Δφ auf, in
dessen Schranken der jeweilige Ansteuerungsschritt Sn verschoben
werden kann. Im vorliegenden Beispiel wird über die erste Bank B0 zunächst das
Stellglied P2 in einem Schritt S2 angesteuert. Nach diesem Ansteuern
erfolgt ein Wechsel zum Stellglied P0 des Zylinders 0, wobei für den Zylinder
0 eine Ansteuerung mit einem aus zwei Teilschritten S11 und S12
bestehenden Paket erfolgt. Der zweite Teilschritt S12 folgt hier
unmittelbar auf den ersten Teilschritt S11, d.h. es erfolgt zwischen den
beiden Teilschritten S11, S12 kein Ansteuern ei nes anderen Stellglieds.
Ein Paket legt hier eine nicht trennbare Folge von Teilschritten
fest, wobei erst nach dem vollständigen
Abarbeiten eines Pakets für ein
Stellglied ein Ansteuern eines weiteren Stellglieds erfolgt.
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Nach
dem das Ansteuern mit Schritt S12 erfolgt ist, verzweigt die Ansteuerung
auf das Stellglied P4 des vierten Zylinders 4, das wiederum mit
in einem zweiten Schritt S2' angesteuert
wird. Im darauf folgenden Schritt S1 wird das Stellglied P2 des
Zylinders 2 ebenfalls mit einem Paket aus den Teilschritten S11
und Schritt S12 angesteuert. Nach dem Ansteuern mit Schritt 12 wird
zum Stellglied P0 des Zylinders 0 verzweigt, der dann im Schritt
S2 angesteuert wird.
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Im
Anschluss daran wird das Stellglied P4 des Zylinders 4 angesteuert,
dann wieder das Stellglied P2, das Stellglied P0 und im Anschluss
daran wieder das Stellglied P4.
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Im
hier Beschriebenen Ausführungsbeispiel stellt
jeweils die das Paket S11, S12 und den Schritt S2 aufweisende Schrittfolge
das Ansteuern eines Stellglieds während eines Verbrennungszyklusses (720° Kurbelwelle)
dar.
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Der
untere Teil der 2 zeigt eine entsprechende Abfolge
der Ansteuerschritte für
die zweite Bank B1. Die Abfolge für die Ansteuerung der Stellglieder
P1, P3, P5 ist hier im Vergleich zur Ansteuerung der Stellglieder
P0, P2, P4 zeitlich verschoben. Die Verteilung der Pakete und Schritte
entspricht hier jedoch weitestgehend der eben für die erste Bank B0 beschriebenen
Verteilung. Hier wird zunächst
das Stellglied P5 des fünften
Zylinders 5 mit einem Paket, dass die Teilschritte S11 und S12 aufweist
angesteuert.
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Im
Folgenden wird zum Zylinder 3 verzweigt, der gemäß der vorgegebenen Schrittfolge
mit dem Schritt S2 angesteuert werden sollte. Im vorliegenden Beispiel
wird für
diesen Schritt S2 überprüft, ob ein
Aktivierungssignal A vorliegt. Dies ist hier nicht der Fall, was
in Figur durch den Pfeil A_ darge stellt ist. Aufgrund dieser Konstellation
erfolgt zu diesem Zeitpunkt keine Ansteuerung des Stellglieds P3.
Der weitere Ablauf entspricht wieder dem bereits für die erste
Bank B0 beschriebenen.
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Nach
der Ansteuerung des fünften
Stellglieds P5 mit den Teilschritten S11 und S12 erfolgt eine erneute
Verzweigung auf das dritte Stellglied P3, das wiederum in einem
Schritt S2 angesteuert wird. Hier liegt nun ein Aktivierungssignal
A vor, in der Figur mit dem Pfeil A+ gekennzeichnet,
so dass in diesem Fall ein Ansteuern des dritten Stellglieds P3
erfolgt.
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Wie
dargestellt können
beliebige Schrittfolgen vorgegeben werden, wobei für ein Stellglied
Pn bestimmte Schritte S in der Folge auch mehrfach vorhanden sein
können.
Liegt für
einen Schritt Sn kein Aktivierungssignal A vor, so wird das Ansteuern
des betreffenden Stellglieds P übergangen,
wobei dann mit oder ohne Pause mit dem nächsten Schritt der Folge fortgefahren
wird.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung einer Bank B. Diese weist einen Speicher
M, eine Steuereinheit ST und eine Endstufe E auf. Der Speicher M
ist mit der Steuereinheit ST elektrisch verbunden. Die Steuereinheit
ST ist wiederum mit der Endstufe E elektrisch verbunden. Vom Speicher
M wird die Reihenfolge der Schritte S oder der aktuelle Schritt
Sn an die Steuereinheit ST übertragen,
die dann wiederum einen Steuerbefehl an die Endstufe E weitergibt.
Die Endstufe E steuert daraufhin die jeweiligen Stellglieder P0
bis P5 an. Die Endstufe E ist über
die Steuerleitungen K0 bis K5 – wie
in 1 dargestellt – mit den Stellgliedern P0
bis P5 elektrisch verbunden.
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Die
Steuereinheit ST weist hier weiter eine Aktivierungseinheit ENA
auf. Hier kann in Abhängigkeit
vom Vorliegen eines Aktivierungssignals A ein Steuerbefehl für das jeweilige
Stellglied Pn von der Steuereinheit ST an die Endstufe E übermittelt
werden. Die Aktivierungssignale A können wiederum im Speicher M
abgelegt sein und/oder durch ein externes Signal S beeinflusst werden.
Dieses externe Signal S kann beispielsweise ein Parameter der Berennkraftmaschine
sein, wie z.B. die Drehzahl oder das Drehmoment.
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Die
Steuereinheit ST kann vor dem Ansteuern prüfen, ob für das jeweilige Paket oder
den Schritt Sn ein Aktivierungssignal A vorliegt. So können über das
Aktivierungssignal A Variationen einer im Speicher M fest vorgegebene
Abfolge von Schritten oder Paketen vorgenommen werden. Diese Abfolge
der Schritte S oder Pakete P kann für zumindest einen Verbrennungszyklus
(720° Kurbelwelle)
fest vorgegeben sein.
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Die
im Speicher M abgelegten Informationen über einen Schritt oder ein
Paket können
unter anderem den Startzeitpunkt, die Dauer des Schrittes, insbesondere
in Abhängigkeit
von einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine enthalten.
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Weiter
können
Informationen über
das anzusteuernde Stellglied Pn abgelegt sein. Diese Information
kann direkt für
den aktuellen oder den nächsten Schritt über eine
direkte Angabe des Stellglieds, z.B. Stellglied P5 oder über eine
indirekte Adressierung, z.B. aktuelles Stellglied P0 plus vier,
d.h. Stellglied P4, erfolgen.
