DE19644521A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes, insbesondere eines piezoelektrisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine.
Piezo-Stellglieder bestehen aus einer Vielzahl piezokerami­ scher Schichten und bilden einen sog. "Stack", der bei Anle­ gen einer Spannung seine Abmessungen, insbesondere seine Län­ ge s um einen Hub ds verändert, oder bei mechanischem Druck oder Zug eine elektrische Spannung erzeugt.
Es sind unterschiedliche Verfahren zur Ansteuerung von Piezo- Stellgliedern, die sich elektrisch wie Kondensatoren verhal­ ten, bekannt, bei denen die am Piezostellglied anliegende Spannung überwacht wird. Als Kriterium für das Beenden der Aufladung wird bei allen bekannten Verfahren das Erreichen einer bestimmten Spannung am Piezostellglied herangezogen, sofern keine aufwendige Messung für den erreichten Stell­ glied-Hub ds vorgesehen ist. Ein Beispiel dafür ist die älte­ re deutsche Patentanmeldung 19 32 872.1.
Die elektrischen Eigenschaften eines derartigen Piezostacks ändern sich mit der Temperatur, der er ausgesetzt ist. Mit steigender Temperatur vergrößert sich seine Kapazität, aber auch der Hub nimmt zu. Bei den für automotive Anwendungen zu berücksichtigenden Temperaturen von etwa -40°C bis +150°C sind dabei Änderungen bis zu einem Faktor 2 zu beobachten.
Wird ein Piezo-Stellglied in allen Betriebspunkten beispiels­ weise auf eine konstante Spannung aufgeladen, die bei niedri­ gen Temperaturen den benötigten Hub ds erbringt, so erhält man bei hohen Temperaturen einen Hub, der deutlich größer ist als erforderlich - was bei Kraftstoffeinspritzventilen mit konstantem Kraftstoffdruck eine zu große Kraftstoffmenge be­ deutet, oder umgekehrt. Da bei hohen Temperaturen die Kapazi­ tät des Piezostacks ebenfalls größer ist, wird sehr viel mehr Ladung und Energie (E = ½.C.U2) benötigt, als erforderlich.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Ansteuerung eines kapaziti­ ven Stellgliedes derart durchzuführen, daß im gesamten Tempe­ raturbereich, in welchem das Stellglied betrieben wird, ein möglichst konstanter Hub ds erreicht wird. Aufgabe der Erfin­ dung ist auch, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver­ fahrens zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Untersuchungen haben gezeigt, daß die einem kapazitiven Stellglied zugeführte Energie ein sehr viel präziseres Maß für den Hub ds darstellt als die angelegte Spannung, und daß eine Aufladung mit konstanter Energie über den benötigten Temperaturbereich einen wesentlich konstanteren Hub erbringt. Der Hub ändert sich etwa linear mit der angelegten Spannung bei einer bestimmten Temperatur. Ändert sich die Temperatur, so ändert sich auch der Hub bei gleichbleibender Spannung. Hingegen ändert sich der Hub proportional zum Quadrat der aufgebrachten Energie (ds ≈ e2), jedoch unabhängig von der Temperatur.
Bei der großserienmäßigen Herstellung von Piezostacks ist die Schichtdicke der einzelnen Piezoschichten nicht exakt gleich. Man kann beispielsweise Stacks mit konstanter Länge s, aber unterschiedlicher Anzahl der Schichten herstellen. Solch un­ terschiedliche Stacks gelangen dann auch zum Einsatz, wenn ein defektes Kraftstoffventil durch ein anderes ersetzt wird. Bei der Aufladung solch unterschiedlicher Stacks mit konstan­ ter Spannung ergeben sich bereits bei gleicher Temperatur un­ terschiedliche Hübe ds. Ein weiterer Vorteil des erfindungs­ gemäßen Ansteuerverfahrens ist es deshalb, daß bei Ansteue­ rung mit konstanter Energie solche unterschiedlichen Stacks nicht nur bei einer bestimmten Temperatur, sondern auch über den gesamten, oben bezifferten Temperaturbereich einen nahezu gleichen, konstanten Hub ds aufweisen.
Einem kapazitiven Stellglied eine bestimmte Energiemenge zu­ zuführen, kann auf verschiedenen Weise geschehen, beispiels­ weise durch Umladung eines entsprechend geladenen Kondensa­ tors oder durch Messung der einer Energiequelle entnommenen oder dem Stellglied zugeführten Energie.
Zwei Ausführungsbeispiele zur Ladung eines über ein Piezo­ stellglied betätigten Kraftstoffeinspritzventils werden nach­ stehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 ein Flußdiagramm, betreffend die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 1,
Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels,
Fig. 4 ein schematisches Schaltbild eines dritten Ausfüh­ rungsbeispiels, und
Fig. 5 ein Flußdiagramm, betreffend die Arbeitsweise der Schaltungen nach Fig. 3 und 4.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipschaltung zum Ansteuern eines ein­ zelnen, weiter nicht dargestellten Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine über ein piezoelektrisches Stell­ glied P, mittels einer üblicherweise mikroprozessorgesteuer­ ten Steuerschaltung ST.
Zwischen dem Pluspol +V und dem Minuspol GND einer Energie­ quelle liegt eine Reihenschaltung eines gesteuerten, elektro­ nischen, nur in einer Richtung stromdurchlässigen Energie­ schalters X1 und eines Kondensators C.
In der weiteren Beschreibung, wenn von Schaltern X1 bis X4 die Rede ist, handelt es sich um elektronische, nur in einer Richtung stromdurchlässige, aus wenigstens einem Halbleiter­ element bestehende Schalter, vorzugsweise Thyristorschalter, die von der Steuerschaltung ST angesteuert werden.
In stromleitendem Zustand des Energieschalters X1 = 1 wird der Kondensator C von der Energiequelle aufgeladen.
Parallel zum Kondensator C liegt eine Reihenschaltung aus ei­ ner mit dem Energieschalter X1 verbundenen Umschwingspule L und einem Ladestopschalter X3, dessen Funktion später erklärt wird.
Parallel zum Ladestopschalter X3 ist eine Reihenschaltung aus einer Parallelschaltung eines in Richtung von der Umschwings­ pule L weg stromdurchlässigen Ladeschalters X2 und eines in Richtung zur Umschwingspule hin stromdurchlässigen Entlade­ schalters X4 und aus einer Parallelschaltung des Stellgliedes P mit einer Diode D, die in Richtung zum Ladeschalter X2 hin stromdurchlässig ist, angeordnet.
Die Schalter X1 bis X4 werden von einer mikroprozessorgesteu­ erten Steuerschaltung ST abhängig von einem externen Steuer­ signal st gesteuert.
In der Steuerschaltung ST sind ein oberer und ein unterer Sollwert Ucmax und Ucmin für die Kondensatorspannung Uc ge­ speichert, die je nachdem, ob der Kondensator C oder das Stellglied P geladen werden soll, einem Eingang einer Kompa­ ratorschaltung K zugeführt werden, an deren anderen Eingang die Kondensatorspannung Uc angelegt wird. Das Ausgangssignal k der Komparatorschaltung K wird der Steuerschaltung ST als weiteres Eingangssignal zugeführt.
Anhand des in Fig. 2 gezeigten Flußdiagramms wird ein Ver­ fahren zum Betreiben der Vorrichtung am Beispiel der Schal­ tung nach Fig. 1 beschrieben, ausgehend von einem Anfangszu­ stand (Zustand I), in welchem der Kondensator C voll auf die Spannung Uc = Ucmax geladen ist, sämtliche Schalter X1 bis X4 nichtleitend sind und die Umschwingspule L stromlos ist.
Mit dem Beginn eines externen Steuersignals st = 1 (Zustand II) wird der Ladeschalter X2 gezündet (stromleitend gesteu­ ert). Damit beginnt der Kondensator C, sich über die Um­ schwingspule L in das wie ein Kondensator wirkende Stellglied P zu entladen und dieses aufzuladen (Zustand III), was sich als Längenänderung des Piezostellgliedes auswirkt. Die am Stellglied anliegende Spannung steigt an.
Sobald die Spannung Uc den an einem Eingang der Komparator­ schaltung K anliegenden Sollwert Ucmin unterschreitet (Zustand IV), wird der Ladevorgang beendet, der Ladeschalter X2 wird nichtleitend, X2 = 0, und der Ladestopschalter X3 wird leitend (X3 = 1, Zustand V). Der Schwingkreis L-C schwingt weiter, bis die Umschwingspule L stromlos ist.
Die Entladung des Kondensators C um die Spannung Ucmax- Ucmin entspricht der Entnahme einer bestimmten Energiemenge unter der Voraussetzung, daß die Änderung der Kondensatorka­ pazität abhängig von der Temperatur vernachlässigbar klein ist.
Der Ladezustand des Stellgliedes P bleibt erhalten, solange das Steuersignal st anliegt. Wenn es verschwindet (st = 0, Zustand VI), muß das Stellglied entladen werden. Dazu wird der Ladestopschalter X3 nichtleitend gesteuert, X3 = 0, und der Entladeschalter leitend, X4 = 1 (Zustand VII). Nun ent­ lädt sich das Stellglied P über die Umschwingspule L in den Kondensator C. Ist das Stellglied bis auf die Schwellspannung der Diode D entladen, übernimmt diese den Strom; der Schwing­ kreis L-C schwingt weiter, bis die Umschwingspule stromlos ist. Schalter X4 wird nichtleitend.
Zum Nachladen des Kondensators C (Zustand IX) wird der Soll­ wert Ucmax an die Komparatorschaltung K gelegt und der Ener­ gieschalter X1 solange geöffnet, bis die Kondensatorspannung Uc diesen Sollwert übersteigt. Damit ist ein Ladezyklus des Stellgliedes P beendet.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel zum Ansteuern eines Piezostellgliedes P eines nicht dargestellten Kraft­ stoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine, ebenfalls mittels einer üblicherweise mikroprozessorgesteuerten Steuer­ schaltung ST.
Zwischen dem Pluspol +V und dem Minuspol GND einer Energie­ quelle V liegt eine Reihenschaltung aus einem von der Steuer­ schaltung ST gesteuerten, elektronischen Schalter T1, aus ei­ nem strombegrenzenden Element, beispielsweise einem Wider­ stand R (oder einer Spule) und aus einem Piezostellglied P des Kraftstoffeinspritzventils mit der Länge s. Parallel zur Reihenschaltung aus Piezostellglied P und Widerstand R ist ein weiterer elektronischer Schalter T2 angeordnet.
Die elektronischen Transistorschalter T1 und T2 werden von der Steuerschaltung ST angesteuert, die ein externes Steuer­ signal st für die Einspritzdauer, beispielsweise von einem Motorsteuergerät (in welchem auch die Steuerschaltung inte­ griert sein kann) erhält. Des weiteren werden bei leitend ge­ schaltetem Schalter T1 der in das Piezostellglied P fließen­ de, durch den Widerstand R begrenzte Strom i und die am Pie­ zostellglied P abfallende Spannung u gemessen und der Steuer­ schaltung ST als weitere Eingangsgrößen zugeführt. In der Steuerschaltung ST sind - strichliert umrandet - ein Multiplizierglied X, ein Integrator I und ein Komparator K in Reihe hintereinander angeordnet, wobei der Ausgang des Multi­ pliziergliedes X mit dem Eingang des Integrators I und dessen Ausgang mit einem Eingang des Komparators K verbunden ist. Dem anderen Eingang des Komparators K wird ein Sollwert G für die gewünschte Energieabgabe zugeführt.
Anhand des in Fig. 5 gezeigten Flußdiagramms wird ein Ver­ fahren zum Betreiben der Schaltung nach Fig. 3 beschrieben, welches auch auf die weiter unten beschriebene Schaltung nach Fig. 4 anwendbar ist, ausgehend von einem Anfangszustand (Zustand 0), in welchem beide Schalter T1 und T2 nichtleitend sind. T1 = 0 bedeutet nichtleitend; T1 = 1 bedeutet leitend. Dasselbe gilt für T2. Für die Signale st und k gilt: "1" be­ deutet vorhanden, 0 bedeutet nicht vorhanden.
Mit dem Beginn eines Steuersignals st, welches von 0 nach 1 wechselt (Zustand I), wird der Schalter T1 stromleitend ge­ steuert. Damit beginnt ein durch den Widerstand R begrenzter Strom i vom Pluspol +V der Spannungsquelle über den Schalter T1 und das Piezostellglied P zum Minuspol GND zu fließen. Am Piezostellglied P baut sich die Spannung u auf: das Pie­ zostellglied dehnt sich um den Hub ds auf die Länge s + ds aus und öffnet das Einspritzventil (Zustand II), so daß Kraftstoff eingespritzt wird. Von der Anfangsflanke st' des Steuersignals st angestoßen, wird gleichzeitig der Integrator I entladen. Zu Beginn jedes Einspritzvorgangs ist demnach dessen Ausgangssignal e = 0.
Die der Steuerschaltung ST zugeführten Meßgrößen i und u wer­ den im Multiplizierglied X miteinander multipliziert und das an seinem Ausgang erscheinende Produkt p anschließend im eben entladenen Integrator I auf integriert. Das Ausgangssignal e des Integrators I ist proportional zu der dem Piezostellglied P zugeführten Energie e = ∫uidt und wird dem Komparator K zu­ geführt, in welchem es mit einem Sollwert G verglichen wird. Sobald es diesen Sollwert erreicht oder übersteigt, gibt der Komparator ein digitales Ausgangssignal k = 1 ab (Zustand III). Durch dieses Komparatorausgangssignal k = 1 wird die Steuerschaltung ST veranlaßt, den Schalter T1 nichtleitend zu steuern (Zustand IV), wodurch der Ladevorgang des Piezostell­ gliedes P beendet ist.
Das Stellglied hat den gewünschten Hub ds erreicht (ds - e2) und damit das Kraftstoffeinspritzventil die gewünschte Öff­ nung, wodurch infolge konstanten Kraftstoffdrucks die einge­ spritzte Kraftstoffmenge proportional zur Öffnungsdauer des Stellgliedes ist. Das Kraftstoffeinspritzventil bleibt mit dem der aufgebrachten Energie e zugeordneten Hub ds solange geöffnet, bis das Steuersignal st verschwindet, st = 0 (Zu­ stand V).
Wird das Steuersignal st = 0, wird von der Steuerschaltung ST der Schalter T2 leitend gesteuert (Zustand VI), wodurch das Piezostellglied über den Widerstand R entladen wird und das Kraftstoffeinspritzventil schließt. Damit ist der Einspritz­ vorgang beendet. Der nächste und alle weiteren Einspritzvor­ gänge werden in der gleichen Weise durchgeführt.
Fig. 4 zeigt ein einfacheres Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Schaltung mit einer Abänderung gegenüber der Schaltung nach Fig. 3, dahingehend, daß in den Strompfad des Piezostellgliedes P eine Konstantstromquelle Q eingefügt ist, von der das Piezostellglied P mit einem konstanten Strom i = const geladen wird. Infolge der bekannten Stromstärke kann die Strommessung entfallen und damit auch die aufwendig durchzuführende Multiplikation u*i, sowie das Multiplizier­ glied X. Die neben dem Steuersignal st einzige Eingangsgröße u der Steuerschaltung ST wird dem Integrator I zugeführt, dessen Ausgangssignal e proportional der eingespeisten Ener­ gie ist. Die weitere Funktion der Schaltung entspricht der nach Fig. 1. Der Widerstand bzw. das strombegrenzende Ele­ ment ist hier lediglich zur Begrenzung des Entladestromes er­ forderlich und ist deshalb zwischen Piezostellglied P und Schalter T2 angeordnet.
Die Erfassung der Energie kann entweder, wie bei den Ausfüh­ rungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 gezeigt, anhand der auf das Piezostellglied aufgebrachten Energie oder anhand der Energie, die einer Quelle entnommen wird, erfolgen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes (P), insbesondere eines piezoelektrisch betriebenen Kraft­ stoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine, mittels eines Steuersignals (st), dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (P) so aufgeladen wird, daß ihm eine vorgegebene, einem gewünschten Hub (ds) zugeordnete Energie­ menge (e) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufladevorgang des Stellgliedes (P) solange dauert, bis ein aufeinen vorgegebenen, oberen Spannungssollwert (Ucmax) ge­ ladener Kondensator C beim Umladen in das Stellglied (P) auf einen vorgegebenen, unteren Spannungssollwert (Ucmin) entla­ den ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß während des Aufladevorgangs der in das Stellglied (P) fließende Strom (i) und die am Stellglied (P) abgreifbare Spannung (u) miteinander multipliziert werden,
daß das Produkt (p = ui) über der Zeit integriert wird (e = ∫uidt), und
daß der Aufladevorgang beendet ist, wenn der Integralwert (e) einen vorgegebenen Sollwert (G) erreicht oder übersteigt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß während des Aufladevorgangs das Stellglied (P) mit einem vorgegebenen Konstantstrom (i = const) aufgeladen wird,
daß die am Stellglied (P) abgreifbare Spannung (u) über der Zeit integriert wird, und
daß der Aufladevorgang beendet ist, wenn der Integralwert (e) einen vorgegebenen Sollwert (G) erreicht oder übersteigt.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 3, mit einer zwischen dem Pluspol (+V) und dem Minus­ pol (GND) einer Spannungsquelle (V) angeordneten Reihenschal­ tung aus dem Stellglied (P), einem strombegrenzenden Element (R) und einem elektronischen Schalter (T1),
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Steuerschaltung (ST) vorgesehen ist, welcher als Eingangsgrößen ein Steuersignal (st) für Beginn, Dauer und Ende eines Ansteuervorgangs und die Meßgrößen des dem Stellglied (P) zugeführten Stromes (i) und der am Stell­ glied (P) abgreifbaren Spannung (u) zugeführt werden, und welche den Schalter (T1) mit dem Beginn eines Steuersi­ gnals (st) leitend steuert,
daß die Steuerschaltung (ST) ein Multiplizierglied (X) enthält, in welchem die Meßgrößen (u, i) miteinander multipliziert werden,
einen Integrator (I) enthält, welcher das Produkt (p = ui) integriert,
einen Komparator (K) enthält, welcher den Integralwert (e) mit einem vorgegebenen Sollwert (G) vergleicht, und
daß die Steuerschaltung (ST) den Schalter (T1) nichtleitend steuert, wenn der Integralwert (e) den Sollwert (G) er reicht oder übersteigt.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 4, mit einer zwischen dem Pluspol (+V) und dem Minus­ pol (GND) einer Spannungsquelle (V) angeordneten Reihenschal­ tung aus dem Stellglied (P), einem strombegrenzenden Element (R) und einem elektronischen Schalter (T1), dadurch gekennzeichnet,
daß im Ladestromkreis des Stellgliedes (P) eine Konstant­ stromquelle (Q) vorgesehen ist,
daß eine Steuerschaltung (ST) vorgesehen ist, welcher als Eingangsgrößen ein Steuersignal (st) für Beginn, Dauer und Ende eines Ansteuervorgangs und die Meßgröße der am Stell­ glied (P) abgreifbaren Spannung (u) zugeführt werden, und welche den Schalter (T1) mit dem Beginn eines Steuersi­ gnals (st) leitend steuert,
daß die Steuerschaltung (ST)
einen Integrator (I) enthält, welcher die Meßgröße (u) integriert,
einen Komparator (K) enthält, welcher den Integralwert (e) mit einem vorgegebenen Sollwert (G) vergleicht, und
daß die Steuerschaltung (ST) den Schalter (T1) nichtleitend steuert, wenn der Integralwert (e) den Sollwert (G) er­ reicht oder übersteigt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Integrator (I) von der Einschaltflanke (st') je­ des Steuersignals (st) entladen wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Pluspol (+V) und Minuspol (GND) einer Energie­ quelle ein Kondensator (C) angeordnet ist, der von der Ener­ giequelle über einen Energieschalter (X1) aufladbar ist,
daß parallel zum Kondensator (C) eine Reihenschaltung aus ei­ ner mit dem Energieschalter (X1) verbundenen Umschwingspule (L) und einem Ladestopschalter (X3) angeordnet ist,
daß parallel zum Ladestopschalter (X3) eine Reihenschaltung aus einer Parallelschaltung eines zur Umschwingspule (L) hin stromdurchlässigen Entladeschalters (X4) und einer von der Umschwingspule (L) weg stromdurchlässigen Ladeschalters (X2) und aus einer einer Parallelschaltung des Stellgliedes (P) mit einer Diode (D), die in Richtung zum Minuspol (GND) hin stromdurchlässig ist, angeordnet ist,
daß eine Komparatorschaltung (K) vorgesehen ist, welcher die Spannung (Uc) des Kondensators C und ein oberer oder unterer Sollwert (Ucmax, Ucmin) zugeführt werden, und
daß eine Steuerschaltung (ST) vorgesehen ist, in welcher der obere und untere Spannungssollwert (Ucmax, Ucmin) gespeichert sind, welcher das Ausgangssignal (k) der Komparatorschaltung (K) und ein externes Steuersignal (st) zugeführt werden, und welche die Schalter (X1 bis X4) gemäß dem Programm nach Fig. 2 steuert.
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