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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines reproduzierbaren Spannungsmesswertes einer gemessenen Aktorspannung während des Entladens eines Piezo-Aktors.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches das erfindungsgemäße, maschinenlesbare Speichermedium umfasst.
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Stand der Technik
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Für die Einspritzung von Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, werden auch als Injektoren bezeichnete Einspritzventile verwendet, die durch Piezo-Aktoren betätigbar sind. Um das Einspritzventil zu öffnen, wird der Piezo-Aktor für eine bestimmte Zeit, die sogenannte Ladezeit, mit einem Strom, dem sogenannten Ladestrom, beaufschlagt, wodurch eine elektrische Ladung auf den Aktor aufgebracht wird. Dadurch stellt sich eine bestimmte Spannung am Aktor ein. Die nach Beendigung des Ladevorgangs am Aktor anliegende Spannung hängt vom Ladestrom, der Ladezeit und der Kapazität des Aktors ab. Am Ende einer solchen Ansteuerung muss die beim Laden aufgebrachte Ladung wieder abgeführt werden, um den Injektor zu schließen. Das Abführen der Ladung geschieht über eine gepulste Bestromung des Piezo-Aktors. Um ein gewünschtes und reproduzierbares Schließverhalten zu erreichen, muss das Abführen der Ladung beim Entladen in einer bestimmten Zeit erfolgen. Dadurch ergibt sich ein bestimmter gewünschter Spannungsverlauf am Piezo-Aktor.
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Um den Einfluss von Toleranzen der Piezo-Endstufe, sowie des Piezo-Aktors (Kapazität) auf das Schließverhalten zu minimieren, wird der Entladestrom über einen Regler, der nachfolgend auch "Entladeregler" genannt wird, eingeregelt, sodass sich der gewünschte Spannungsverlauf beim Entladen einstellt. Als Regelgröße dient dabei ein während der Entladephase gemessener Aktorspannungswert.
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Aus der
DE 102 47 988 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Piezo-Aktors bekannt geworden, bei dem der Aktorspannungswert präzise dadurch erfasst werden kann, dass bei einem Vorliegen bestimmter Größen die Erfassung der Spannungswerte und/oder deren Weiterleitung gesperrt wird. Auf diese Weise können Einflüsse, die aufgrund von beispielsweise Spannungsschwingungen, die auch nach dem Ende des Lade- beziehungsweise Entladevorgangs vorliegen und nur langsam abklingen, berücksichtigt werden.
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Der Lade-/Entladevorgang findet nun mit einer sehr hohen Geschwindigkeit statt. Durch die hohe Geschwindigkeit des Ladevorgangs wird die gesamte Stellerkette Aktor + hydraulischer Koppler + Schaltventil zu einer Schwingung angeregt, die durch den Sensor-Effekt des Piezo-Aktors als Schwingung in der Aktorspannung sichtbar wird. Diese Schwingung ist auch während des Entladens im Spannungsverlauf als überlagerte Schwingung sichtbar und wird zusätzlich noch durch den Entladestrom zu Beginn des Entladens angeregt.
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Auch die Entladestrompulse verursachen eine überlagerte Schwingung des Spannungsverlaufs. Die Periodendauer der Strompulse verändert sich während des Entladens aufgrund der elektrischen Endstufeneigenschaften. Da die Aktorspannung zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Entladens als Eingangssignal für die injektorspezifische Regelung des Entladeverlaufs im Endladeregler dient, wirken sich die überlagerten Störschwingungen der Aktorspannung störend auf die Entladeregelung aus.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines reproduzierbaren Spannungsmesswertes einer gemessenen Aktorspannung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass der Einfluss der überlagerten Störschwingungen minimiert ist und dadurch ein reproduzierbarer Eingangswert für den Entladeregler bereitgestellt wird, bei dem Toleranzen im Entladestrom-Pfad der Endstufe eines Steuergerätes, sowie Toleranzen der Aktorkapazität ausgeglichen sind. Hierzu wird der zeitliche Verlauf der Aktorspannung während des Entladens erfasst und als Spannungsmesswert der Mittelwert zweier gemessener erster Aktorspannungswerte während des Entladens gebildet, wobei diese beiden Aktorspannungswerte im zeitlichen Abstand einer halben oder eines ganzzahligen Vielfachen einer halben Aktoreigenschwingungsperiode symmetrisch um einen zeitlichen Mittelpunkt der Spannungsmessung liegen. Durch Minimierung der überlagerten Störschwingungen und den Ausgleich der Toleranzen im Entlade-Stromstellpfad der Endstufe des Steuergeräts sowie der Toleranzen der Aktorkapazität ist es möglich, einen Eingangswert für den Entladeregler bereitzustellen, der zu einer deutlichen Verbesserung des Brennverhaltens führt.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in dem unabhängigen Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich, so sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass jeder der beiden ersten Aktorspannungswerte selbst ein Mittelwert aus einer vorgegebenen Anzahl von gemessenen zweiten Aktorspannungswerten ist. Dies dient zur Eliminierung der von den Strompulsen verursachten überlagerten Grundfrequenz der Störschwingung aus den jeweiligen Mittelwerten.
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Hierzu ist vorgesehen, dass die zweiten Aktorspannungswerte im Abstand einer viertel Periodendauer einer Strompulsschwingung des Piezo-Aktors symmetrisch um die ersten Aktorspannungswerte angeordnet sind.
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Dabei ist ferner vorteilhafterweise vorgesehen, dass sich die Periodendauern der Strompulsschwingungen des Piezo-Aktors an den beiden ersten Aktorspannungswerten voneinander unterscheiden. Die Mittelwertbildungen eliminieren die Störschwingungen, die dem eigentlichen Nutzsignal überlagert sind auf sehr wirkungsvolle Weise.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, wenn es beispielsweise auf einem Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne an diesem bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode vorgesehen, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist. Auf diese Weise kann das Computerprogramm und damit das Verfahren auch in bestehende Steuergeräte "eingelesen" und damit nachgerüstet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In 1 ist schematisch ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem Piezo-Aktor dargestellt, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt.
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In 2 ist der zeitliche Aktorspannungsverlauf zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt und in 3 und 4 sind schematisch Blockschaltbilder, welche die Bestimmung des Spannungsmesswerts aus den ersten Aktor-Spannungswerten und die Bestimmung der ersten Aktorspannungswerte aus einer vorgegebenen Anzahl zweiter Aktorspannungswerte zeigen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements 10 als Aktuator gezeigt. Das piezoelektrische Element 10 wird bestromt, damit es sich als Reaktion auf eine gegebene Aktivierungsspannung ausdehnt und zusammenzieht. Die Bestromung erfolgt durch ein Steuergerät 5 einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine. In dem Steuergerät 5 sind auch die Aktor-Spannungswerte verarbeitbar. Das piezoelektrische Element 10 ist an einen Kolben 15 gekoppelt. Im ausgedehnten Zustand bewirkt das piezoelektrische Element 10, dass der Kolben 15 in einen Hydraulikadapter 20 vorragt, der ein Hydraulikfluid, beispielsweise Kraftstoff, enthält. In Folge des Ausdehnens des piezoelektrischen Elements wird ein doppelt wirkendes Steuerventil 25 hydraulisch von dem Hydraulikadapter 20 weggedrückt und der Ventil-Absperrkörper 35 wird von einer ersten geschlossenen Position 40 weggefahren. Die Kombination aus doppelt wirkendem Steuerventil 25 und Hohlbohrung 50 wird deshalb oftmals als ein doppelt wirkendes Doppelsitzventil bezeichnet, weil das doppelt wirkende Steuerventil 25, wenn sich das piezoelektrische Element 10 in einem nicht angeregten Zustand befindet, in seiner ersten geschlossenen Position 40 ruht. Wenn das piezoelektrische Element 10 andererseits vollständig ausgefahren ist, ruht es in seiner zweiten geschlossenen Position 30, die in 7 mit stichpunktierten Linien schematisch dargestellt ist.
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Das Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine Einspritznadel
70, um das Einspritzen von Kraftstoff aus einer unter einem Druck p
rail stehenden Kraftstoffzufuhrleitung
60 in den Zylinder (nicht dargestellt) zu gestatten. Wenn das piezoelektrische Element
10 nicht angeregt ist oder wenn es vollständig ausgefahren ist, ruht das doppelt wirkende Steuerventil
25 jeweils in seiner ersten geschlossenen Position
40 beziehungsweise in seiner zweiten geschlossenen Position
30. Die Anregung des piezoelektrischen Elements
10 erfolgt über einen Entladeregler (nicht gezeigt). In jedem Fall hält der Hydraulikraildruck die Einspritznadel
70 in einer geschlossenen Position. Somit tritt das Kraftstoffgemisch nicht in den (nicht dargestellten) Zylinder ein. Wenn umgekehrt das piezoelektrische Element
10 angeregt wird, sodass sich das doppelt wirkende Steuerventil
25 bezüglich der Hohlbohrung
50 in der sogenannten Mittelposition befindet, dann kommt es in der unter Druck stehenden Kraftstoffzufuhrleitung
60 zu einem Druckabfall. Dieser Druckabfall führt in der unter Druck stehenden Kraftstoffzufuhrleitung
60 zu einer Druckdifferenz zwischen der Ober- und der Unterseite der Einspritznadel
70, sodass die Einspritznadel
70 angehoben wird und Kraftstoff in den Zylinder (nicht dargestellt) eingespritzt werden kann. Eine detailliertere Beschreibung des entsprechenden Systems ist der deutschen Anmeldung
DE 197 42 073 A1 zu entnehmen, auf die insoweit vorliegend Bezug genommen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, das bei einem solchen System zum Einsatz kommt, wird nachfolgend anhand der 2 beschrieben.
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Um eine zuverlässige Regelung der Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt während der Entladephase und damit eine zuverlässige Regelung des Spannungsverlaufs während des Entladens auch bei kurzer Ansteuerdauer zu ermöglichen, müssen aus dem Spannungsverlauf während des Entladens die überlagerten Störschwingungen ausgeblendet werden. Als Eingangswert eines Entladereglers wird betriebspunktabhängig zu einem bestimmten Zeitpunkt während einer Entladeflanke ein reproduzierbarer gemessener Spannungswert erwartet.
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Der Spannungsverlauf während des Entladens setzt sich zusammen aus einem idealen betriebspunktabhängigen und reproduzierbaren Spannungsverlauf, dem sogenannten Nutzsignal, ohne überlagerte Schwingungen und additiv überlagerte Störschwingungen, dem sogenannten Störsignal. Der ideale Spannungsverlauf während des Entladens fällt die Aktorspannung uActr betriebspunktabhängig und reproduzierbar ausgehend von der Aktorspannung vor dem Entladen innerhalb der Entladezeit auf 0 Volt ab, wie es in 2 dargestellt ist.
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Aus Untersuchungen der Anmelderin ist nun bekannt, dass bereits mit Beginn des Ladevorgangs der Piezo-Aktor 10 zu einer Eigenschwingung mit einer charakteristischen Frequenz angeregt wird. Diese Aktorschwingung führt durch den piezoelektrischen Effekt zu einer Spannungsschwingung, die sich dem Spannungsverlauf während des Entladens überlagert. Die Schwingung setzt sich auch während der Entladeflanke mit dieser charakteristischen Frequenz fort und wird zusätzlich noch durch den Entladestrom zu Beginn des Entladens angeregt. Die Periodendauer dieser Eigenschwingung ist bei dem für aktuelle Servo-Injektoren verwendeten Ansteuerverfahren kleiner als die Entladezeit.
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Dem idealen reproduzierbaren Spannungsverlauf während des Entladens (Nutzsignal) ist als weitere Störgröße eine durch die Entladestrompulse verursachte Spannungsschwingung überlagert. Die Frequenz dieser Spannungsschwingung ändert sich aufgrund der elektrischen Endstufeneigenschaften (des Steuergeräts) während des Entladeverlaufs, ist aber bei den für aktuelle Servo-Injektoren verwendeten Ansteuerverfahren viel kleiner als die Entladezeit und die Periodendauer der Aktoreigenschwingung. Innerhalb einer Periodendauer der Strompulsschwingung ist die Frequenzänderung dieser Schwingung in erster Näherung vernachlässigbar.
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Bei bekannter, konstanter Frequenz der überlagerten sinusförmigen Störschwingungen, entspricht der Mittelwert umn, der anhand zweier Spannungswerte u1 und u2 im zeitlichen Abstand der halben Periodendauer der Störschwingung Δt1 gebildet wird, dem entsprechenden Mittelwert des Nutzsignals ohne überlagerte Störschwingungen. Durch diese Mittelwertbildung wird mit anderen Worten die Störschwingung mit der betrachteten Frequenz aus dem Mittelwert eliminiert. Dies ist schematisch in 2 dargestellt, wo der Mittelwert umn der im Zeitpunkt tmn auftretende Mittelwert der beiden Messwerte u1 und u2, die zu Zeiten t1, t2 auftreten, ist. Die Spannungswerte u1 und u2 werden dabei über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) (nicht dargestellt) mit hoher Genauigkeit in einem Steuergerät bestimmt Es gilt folgende Formel: umn = (u1 + u2)/2
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Um auch bei nicht-sinusförmigen Störungen (Grundschwingungen mit Oberschwingungen) den Einfluss der Störungen zu vermindern, wird der Mittelwert aus mehreren Spannungswerte-Paaren bestimmt: umn = (um1 + um2 + ... + umn)/n
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Um die Grundfrequenz der Aktoreigenschwingungen aus dem Mittelwert der gemessenen Spannungen während des Entladens zu eliminieren, werden zwei Spannungswerte im Abstand einer halben Aktoreigenschwingung-Periode symmetrisch um den zeitlichen Mittelpunkt der Spannungsmessung in der Entladephase ermittelt. Diese beiden Werte sind in 2 als u1, u2 dargestellt. Sie liegen symmetrisch um den Mittelwert umn.
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Jeder dieser Spannungswerte u1, u2 ist wiederum selbst ein Mittelwert, der aus einem Block von mehreren Messwerten ermittelt wird. Diese Messwerte sind in der 2 als 1, 2, 3, 4 bezeichnet. Die Spannungswerte 1, 2, 3, 4 werden dabei über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) (nicht dargestellt) mit hoher Genauigkeit in einem Steuergerät bestimmt. Sie sind im Abstand einer ¼ Periodendauer der Strompulsschwingung Δt2, Δt’2 symmetrisch um die Messwerte u1, u2 angeordnet. Die Periodendauern der Strompulsschwingung zu den Messzeitpunkten u1, u2 sind dabei unterschiedlich. Dadurch wird die von den Strompulsen überlagerte Grundfrequenz der Störschwingung aus dem jeweiligen Mittelwert der beiden Messblöcke eliminiert. Der über beide Messblöcke gebildete Gesamtmittelwert enthält somit weder die Grundfrequenzanteile der Aktorschwingungen noch die Anteile der Strompulsschwingung.
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3 zeigt ein Blockschaltbild zur Bestimmung des Abstands der Messpunkte in einem ersten, beziehungsweise in einem zweiten Messblock (310 bzw. 320). Der erste und der zweite Messblock (310, 320) korrespondieren dabei mit den Messzeitpunkten u1, u2. Betriebspunktparameter 311 werden jeweils dem ersten Messblock 310 zugeführt, in dem die Strompulsperioden zum Messzeitpunkt u1 bestimmt werden. Diese Strompulsperioden werden durch die Anzahl der Messtrigger 312 für diesen ersten Messblock in Block 315 dividiert. Diese Anzahl 312 muss einem Wert von 2m (mit m = 0 ... x) entsprechen. Das ergibt den Abstand 317 der Messtrigger 312 zueinander im ersten Messblock 310.
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In gleicher Weise werden Betriebspunktparameter 321 dem zweiten Messblock 320 zugeführt, in dem die Strompulsperioden zum Messzeitpunkt u2 berechnet werden. Auch diese werden in einem Block 325 dividiert durch die Anzahl der Messtrigger 322 in dem zweiten Messblock 2m (mit m = 0 ... x) Dies ergibt den Abstand 327 der Messtrigger zueinander im zweiten Messblock 320, was der 1/2m Periodendauer der Strompulsschwingung entspricht.
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4 zeigt die Bestimmung der Messzeitpunkte u1, u2 in der Entladeflanke. Betriebspunktparameter 405 werden einem Block 410 zugeführt, in dem die Aktoreigenschwingungsperiode bestimmt wird. Diese wird in Block 420 dividiert durch eine Größe 421, die 2× der Anzahl der Messblöcke entspricht. Das Resultat ist der Abstand der Messwert u1, u2 vom Mittelpunkt der Spannungsmessung. Der zeitliche Mittelpunkt tmn der Spannungsmessung 425 in der Entladeflanke wird einem Addierer 430 und gleichzeitig einem Subtrahierer 440 zugeführt. Aus dem zeitlichen Mittelpunkt 425 und dem ermittelten Abstand der Messpunkte u1, u2 werden durch Addition (Block 430) und Subtraktion (Block 440) die Messzeitpunkte u2, u1 in der Entladeflanke bestimmt.
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Der auf diese Weise ermittelte störschwingungsbefreite Gesamtmittelwert der Aktorspannung während des Entladens aus beiden Messblöcken dient nun als reproduzierbare betriebspunktabhängige Eingangsgröße für den Entladeregler.
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Durch die Verwendung einzelner Spannungswerte-Paare im Abstand der halben Periodendauer und der Kenntnis der Frequenz der überlagerten Schwingungen, kann die Messung der Werte über einen Analog-Digitial-Converter (ADC) mit hoher absoluter Genauigkeit erfolgen. Ein solcher ADC ist im Steuergerät implementiert und praktisch in allen heutigen Steuergeräten vorhanden.
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Als Alternative dazu könnte eine hochfrequente Abtastung des Spannungssignals über einen FADC (Fast Analog-Digital-Converter) und eine anschließende Mittelwertbildung dienen. Aufgrund der hohen Absoluttoleranzen des FADC würde eine solche Messung jedoch keine ausreichende Genauigkeit des ermittelten Spannungsmittelwertes liefern.
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Das vorstehend beschriebene Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm in dem Steuergerät 5 einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine implementiert sein und dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einen maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, den das Steuergerät 5 lesen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10247988 A1 [0005]
- DE 19742073 A1 [0016]
