DE102015208367A1

DE102015208367A1 - Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Piezoaktors

Info

Publication number: DE102015208367A1
Application number: DE102015208367.5A
Authority: DE
Inventors: Henning Kreschel; Michael Schueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-05-06
Filing date: 2015-05-06
Publication date: 2016-11-10

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Piezoaktors in einem Injektor zu einem Zeitpunkt (20), bei dem eine bei einer bekannten Aktortemperatur ermittelte erste Aktorkapazität herangezogen wird und zu dem Zeitpunkt (20) eine Aktorladung (18) und eine Aktorspannung (16) gemessen werden, daraus eine zweite Aktorkapazität berechnet wird und über ein bekanntes Verhältnis von Aktorkapazitätsänderung zu Aktortemperatur die Temperatur zu dem Zeitpunkt (20) ermittelt wird und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens vorgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Piezoaktors in einem Injektor und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Injektoren, die auch als Einspritzdüsen bezeichnet werden, werden in Verbrennungsmotoren eingesetzt, um einen Kraftstoff oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einen Brennraum bzw. einen Zylinder des Verbrennungsmotors einzuspritzen. Hierzu sind in Einspritzdüsen Aktoren vorgesehen, die ein elektrischen Signal in eine mechanische Bewegung umsetzen und damit den Einspritzvorgang bewirken. Zum Betätigen der Einspritzdüsen werden diese somit mit einem elektrischen Signal angesteuert.
Piezoaktoren sind Aktoren, die den piezoelektrischen Effekt ausnutzen, um angesteuert durch ein elektrisches Signal die erforderliche mechanische Bewegung auszuführen. Piezoelektrische Elemente werden in vielen Fällen als Stellglieder eingesetzt, wenn diese schnelle und/oder häufige Bewegungen ausführen sollen.
Zu beachten ist, dass Piezoaktoren in derzeit eingesetzten Einspritzsystemen ladungs- oder spannungsgesteuert betrieben werden. Für einen stabilen Betrieb ist dabei ein konstanter Aktorhub in allen Betriebssituationen notwendig. Allerdings bewirkt die sich im Betrieb des Aktors ändernde Aktortemperatur eine Änderung der Längsdehnung des Aktors. Diese temperaturbedingte Änderung der Längsdehnung des Aktors bei angesteuertem Aktor wird bislang durch eine angepasste Sollladung bzw. Sollspannung kompensiert. Die aktuelle Aktortemperatur wird dabei über ein Temperaturmodell, das bspw. aus dem Betriebspunkt, der Motordrehzahl, Einspritzmenge, ÖI- und Wassertemperatur usw. die aktuelle Aktortemperatur schätzt, gewonnen.
In dem bekannten Aktortemperaturmodell wird ein aufwendig gemessenes transientes Temperaturverhalten hinterlegt. Zu berücksichtigen ist, dass für den Aufbau und den Abgleich dieses Aktortemperaturmodells umfangreiche und aufwendige Messungen mit speziellen temperatursensierten Aktormodulen, idealerweise im jeweiligen Fahrzeug, durchgeführt werden müssen. Da die Fahrzeuge jedoch in vielen Fällen erst unmittelbar vor Serienstart verfügbar sind, steht die Erstellung und Bedatung eines solchen Temperaturmodells vor terminlichen Herausforderungen. Daher kommt es je nach Komplexität und Bedatungsaufwand des Temperaturmodells zu mehr oder weniger großen Abweichungen der realen Aktortemperatur und der durch das Aktortemperaturmodell ermittelten Aktortemperatur.
Die Druckschrift EP 1 396 625 B1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines Injektors, bei dem eine Temperaturgröße, die die Temperatur des Injektors charakterisiert, berücksichtigt wird. Bei dem beschriebenen Verfahren wird eine elektrische Energie, die dem Injektor zugeführt wird, ein Wärmeübergangsfaktor und eine Kraftstofftemperatur berücksichtigt, um die Temperaturgröße zu ermitteln.
Aus der Druckschrift DE 198 05 184 A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln der Temperatur eines piezoelektrischen Elements bekannt. Dabei wird die Temperatur basierend auf einer ermittelten Kapazität und deren Temperaturabhängigkeit bestimmt. Dabei ist es nicht erforderlich, die Funktion des Elements zu beeinflussen. Die Kapazität des piezoelektrischen Elements wird bspw. basierend auf der Längenänderung des piezoelektrischen Elements, welche dieses beim Laden und Entladen erfährt, berechnet. Alternativ wird die Kapazität basierend auf Werten eines Lade- oder Entladestroms, der Lade- oder Entladezeit und der sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung berechnet.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
Das vorgestellte Verfahren dient zur direkten Bestimmung der Aktortemperatur zu einem Zeitpunkt aus Steuergerätegrößen und bekannten Aktoreigenschaften. Hierzu wird eine bei einer bekannten Aktortemperatur ermittelte erste Aktorkapazität herangezogen bzw. berücksichtigt. Zu dem Zeitpunkt werden dann eine Aktorladung und eine Aktorspannung gemessen, daraus eine zweite Aktorkapazität berechnet und über ein bekanntes Verhältnis von Aktorkapazitätsänderung zu Aktortemperatur wird die Temperatur zu dem Zeitpunkt ermittelt. In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren den Schritt des Ermittelns der ersten Aktorkapazität bei der bekannten Aktortemperatur.
Mit dem vorgestellten Verfahren kann zum Start des Injektors bei bekannter Aktortemperatur, die bspw. der Umgebungstemperatur entspricht, die individuelle Aktorkapazität bspw. aus aufgebrachter Ladung und sich dabei einstellender elektrischer Spannung bestimmt, und aus der bekannten Aktorkapazitätsänderung über der Aktortemperatur am jeweiligen Betriebspunkt zu jedem beliebigen Zeitpunkt die aktuelle Aktortemperatur aus aufgebrachter Ladung und sich einstellender Aktorspannung ermittelt werden.
Hierzu wird die Änderung der Aktorkapazität zu dem beliebigen Zeitpunkt zu der Aktorkapazität beim Start herangezogen. Anhand der bekannten Änderung der Aktorkapazität als Funktion der Aktortemperatur kann dann die Aktortemperatur zu dem beliebigen Zeitpunkt ermittelt bzw. bestimmt werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in einem Graphen den Verlauf der Aktorspannung und der Aktorladung bei einer Einzeleinspritzung.
2 zeigt in einem Graphen die Aktorkapazität über der Aktortemperatur.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Piezoaktor in einer Einspritzdüse zusammen mit einer Anordnung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 zeigt in einem Graphen, an dessen Abszisse 10 die Zeit und an dessen erster Ordinate 12 eine Spannung und an dessen zweiter Ordinate 14 eine Ladung aufgetragen ist, den Verlauf der Aktorspannung 16 und den Verlauf der Aktorladung 18 bei einer Einzeleinspritzung. Weiterhin ist in der Darstellung ein Zeitpunkt 20, nämlich der Messzeitpunkt, verdeutlicht.
Grundlage des vorgestellten Verfahrens ist die gleichzeitige Messung der Aktorladung 18 und der Aktorspannung 16 typischerweise im angesteuerten Zustand eines Piezoaktors. Diese Messung erfolgt vorzugsweise bei einer langen Ansteuerdauer. Dies bedeutet, dass die Ansteuerdauer im Millisekundenbereich liegt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass durch die Ansteuerung des Piezoaktors neben der Längsdehnung des Aktors zusätzlich Aktorschwingungen in Längsrichtung angeregt werden. Diese Schwingungen sind als Schwankungen in der Aktorspannung 16 direkt sichtbar, klingen aber nach dem Ladevorgang schnell ab. Somit erweist sich ein Messzeitpunkt für die Aktorspannung 16 kurz vor dem Entladen als vorteilhaft, da zu diesem Zeitpunkt die Aktorschwingungen weitestgehend abgeklungen sind und damit der Fehler bei der Aktorspannungsermittlung durch eine überlagerte Schwingung minimiert werden kann.
Im Falle eines Kaltstarts des Motors ist die Aktortemperatur üblicherweise gleich der Umgebungstemperatur. Die Umgebungstemperatur kann bspw. aus der Ansaug- bzw. Umgebungsluft, dem Kühlwasser oder der Öltemperatur über vorhandene Sensoren bestimmt werden. Es kann dann mit den bei der Ansteuerung gemessenen Größen Aktorladung Q und Aktorspannung U die tatsächliche Aktorkapazität C über C_ref = Q/U (1) bestimmt werden. Damit ist der Referenzwert der exemplarabhängigen Aktorkapazität bestimmt. Bspw. aus Grundvermessungen der im Injektor verwendeten Aktortypen ist die Aktorkapazitätsänderung über der Temperatur bekannt. Die bekannte Aktorkapazitätsänderung über der Temperatur kann als Referenzkurve in der Anordnung, die bspw. als Steuergerät ausgebildet ist, hinterlegt werden. Am jeweiligen Betriebspunkt des Aktors werden nun Ladung und Spannung, wie dies vorstehend beschrieben ist, gemessen und über die Gleichung C_akt = Q/U (2) zur jeweils aktuellen Aktorkapazität verrechnet. Über die Differenz der aktuellen zur Referenzaktorkapazität ΔiC = C_akt – C_ref (3) kann nun über die im Steuergerät hinterlegte temperaturabhängige Aktorkapazitätskurve die aktuelle Aktortemperatur ermittelt werden. Dies ist in 2 verdeutlicht.
2 zeigt in einem Graphen, an dessen Abszisse 50 eine Temperatur und an dessen Ordinate 52 eine Kapazität aufgetragen ist, das Verhältnis von Aktorkapazität zur Aktortemperatur. Mit Bezugsziffer 54 ist ein Verlauf der nominellen Aktorkapazität, die hierin als Referenzkennlinie 54 bezeichnet wird, angezeigt. Diese Referenzkennlinie 54 kann in einem Steuergerät hinterlegt sein. Die hierin vorgestellte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens kann dieses Steuergerät umfassen oder durch ein solches Steuergerät verkörpert sein.
Ein erster Punkt 56 zeigt die Aktortemperatur zum Startzeitpunkt an, ein zweiter Punkt 58 verdeutlicht die aktuelle Aktortemperatur. Ein Doppelfeil 60 gibt die Aktorkapatitätsänderung wieder, ein umrahmter Bereich 62 verdeutlicht die Toleranz der Aktorkapazität.
Da die Temperaturänderungen auf der Zeitskala eher langsam ablaufen, ist es ausreichend, nur die Haupteinspritzungen für die Temperaturermittlung zu verwenden. Sollte aus Ressourcengründen dabei nur jede, bspw. fünfte oder zehnte, Haupteinspritzung auswertbar sein, stellt das ebenfalls noch keine Einschränkung für das Verfahren dar.
Mit der nach dem beschrieben Verfahren bestimmten Aktortemperatur kann nun im Betrieb die Sollladung bzw. die Sollspannung aktortemperaturspezifisch angepasst werden.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Injektor 80, in dem ein Piezoaktor 82 vorgesehen ist, der mit einem elektrischen Signal anzusteuern ist und auf diese Weise eine Einspritzung in einen ebenfalls dargestellten Zylinder 84 bewirkt.
Die Darstellung zeigt weiterhin eine Anordnung 86, die zur Durchführung des hierin beschrieben Verfahrens eingerichtet ist. Diese Anordnung 86 ist bspw. als Steuergerät ausgebildet. Weiterhin zeigt die Darstellung eine erste Messeinrichtung 88 zum Messen einer Aktor und eine zweite Messeinrichtung 90 zum Messen einer Aktorladung. Die beiden Messeinrichtungen 88 und 90 sind der Anordnung 86 zugeordnet. Diese können aber auch Komponenten dieser Anordnung 86 sein.
In der Anordnung 86 ist eine Recheneinheit 92 und ein Speicher 94 vorgesehen. In diesem Speicher 92 ist eine Referenzkennlinie 96 abgelegt, die ein bekanntes Verhältnis von Aktorkapazitätsänderung zu Aktortemperatur repräsentiert.
Die Anordnung 86 ist dazu eingerichtet, Messwerte der beiden Messeinrichtungen 88 und 90 zu unterschiedlichen Zeitpunkten einzulesen, auf Grundlage der Messwerte eine Aktorkapazität zu berechnen und unter Berücksichtigung der Referenzkennlinie und Differenzen von berechneten Aktorkapazitäten zu jedem beliebigen Zeitpunkt die Aktortemperatur zu bestimmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1396625 B1 [0006]
DE 19805184 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Piezoaktors (82) in einem Injektor (80) zu einem Zeitpunkt (20), bei dem eine bei einer bekannten Aktortemperatur ermittelte erste Aktorkapazität herangezogen wird und zu dem Zeitpunkt (20) eine Aktorladung (18) und eine Aktorspannung (16) gemessen werden, daraus eine zweite Aktorkapazität berechnet wird und über ein bekanntes Verhältnis von Aktorkapazitätsänderung zu Aktortemperatur die Temperatur zu dem Zeitpunkt (20) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt des Ermittelns der ersten Aktorkapazität bei der bekannten Aktortemperatur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als bekannte Aktortemperatur die Temperatur des Piezoaktors (82) bei einem Kaltstart verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als bekannte Aktortemperatur bei einem Kaltstart die Umgebungstemperatur herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Messung der Aktorladung (18) und der Aktorspannung (16) zu dem Zeitpunkt (20) bei einer langen Ansteuerdauer erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Messung der Aktorladung (18) und der Aktorspannung (16) zu dem Zeitpunkt (20) unmittelbar vor einem Entladen des Piezoaktors (82) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das bekannte Verhältnis von Aktorkapazitätsänderung zu Aktortemperatur als Referenzkennlinie (54, 96) abgelegt ist.
Anordnung zum Bestimmen der Temperatur eines Piezoaktors (82) in einem Injektor (80) zu einem Zeitpunkt (20), die dazu eingerichtet ist, eine bei einer bekannten Aktortemperatur ermittelte erste Aktorkapazität heranzuziehen und aus einer zu dem Zeitpunkt (20) gemessenen Aktorladung (18) und einer zu dem Zeitpunkt gemessenen Aktorspannung (16) eine zweite Aktorkapazität zu berechnen und über ein bekanntes Verhältnis von Aktorkapazitätsänderung zu Aktortemperatur die Temperatur zu dem Zeitpunkt (20) zu ermitteln.
Anordnung nach Anspruch 8, in der das bekannte Verhältnis von Aktorkapazitätsänderung zu Aktortemperatur als Referenzkennlinie (54, 96) abgelegt ist.
Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, die als Steuergerät ausgebildet ist.