DE19652807A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes - Google Patents

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.

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 +140°C sind dabei Änderungen bis zu einem Faktor 2 zu beobachten.

In der älteren deutschen Patentanmeldung 196 44 521.3 wurde be­ reits vorgeschlagen, ein kapazitives Stellglied mit konstan­ ter Energie anzusteuern, da eine Aufladung mit konstanter Energie über den benötigten Temperaturbereich einen wesent­ lich konstanteren Hub erbringt.

Der Hub ändert sich etwa linear mit der angelegten Spannung bei einer bestimmten Stellgliedkapazität bzw. einer bestimm­ ten Temperatur. Ändert sich die Temperatur, so ändert sich auch der Hub bei gleichbleibender Spannung. Hingegen ändert sich der Hub proportional zum Quadrat der aufgebrachten Ener­ gie (ds ∼e²), aber unabhängig von der Temperatur.

Einem Stellglied eine bestimmte Energiemenge zuzuführen, ist sehr aufwendig. Beim Gegenstand der älteren deutschen Patent­ anmeldung 19644521.3 müssen Strom und Spannung gemessen, das Produkt daraus aufintegriert, und der Ladevorgang abgebrochen werden, wenn der Integralwert einen vorgegebenen Wert e = ∫uidt erreicht. Eine Vereinfachung ergibt sich, wenn das Stellglied mit einem Konstantstrom geladen wird. Dann erüb­ rigt sich eine Multiplikation.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Laden eines kapazitiven Stellgliedes mit einem vorgegebenen Energiebetrag anzugeben, welches wesentlich einfacher durchzuführen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Kennfeld KF für die Ladezeit t und die damit er­ reichbare Stellgliedspannung Up,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Stellglied-Ansteuerschaltung, und

Fig. 3 ein Flußdiagramm für die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 2.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß es sich bei den Veränderungen der Stellgliedkapazität um temperaturbe­ dingte Veränderungen handelt, die eine gegenüber dem zeitli­ chen Abstand aufeinanderfolgender Stellgliedbetätigungen bei einer Brennkraftmaschine sehr große Zeitkonstante aufweisen. Es ist deshalb nicht erforderlich, die Regelung der Aufladung im Regelzyklus (Ansteuervorgang) selbst durchzuführen. Es ge­ nügt vollkommen, eine Regelabweichung in einem Ansteuervor­ gang festzustellen und diese Regelabweichung im darauffolgen­ den Ansteuervorgang zu korrigieren.

Unter Zugrundelegung einer in Fig. 2 dargestellten Schaltung wird das Stellglied P aus einem auf eine vorgegebene Spannung Uc aufgeladenen Kondensator C über eine Umschwingspule L, die zusammen mit dem Stellglied P einen Schwingkreis bilden, wäh­ rend einer für einen ersten Ansteuervorgang vorgegebenen La­ dezeit t = t1 aufgeladen. Je nach der von der momentanen Stellglied-Temperatur T abhängigen Kapazität des Stellgliedes P, der einzigen, abhängig von der Temperatur T wesentlich veränderbaren Unbekannten im Schwingkreis, wird dabei eine bestimmte Ladespannung Up = U1 am Stellglied P erreicht.

Fig. 1 zeigt ein Kennfeld, auf dessen Abszisse die Zeit t in Schritten Δt für die Ladezeit t und auf dessen Ordinate die in dieser Zeit erreichte Stellgliedspannung Up in Schritten ΔU aufgetragen sind. In von Fig. 1 abweichenden realen Kenn­ feldern mit wesentlich kleineren Kennfeldbereichen ist bei­ spielsweise Δt = 1 µs und ΔU = 0,5 V. In diesem Kennfeld ist zum besseren Verständnis eine experimentell ermittelte Kurve e konstanter Energie eingezeichnet und gespeichert, die sich bei der Schaltung nach Fig. 2 ergibt, wenn das Stellglied P seinen Temperaturbereich durchfährt und dabei seine Kapazität ändert (links oben: kleine Kapazität bei niedriger Tempera­ tur; rechts unten: große Kapazität bei hoher Temperatur) Wird dem Stellglied P diese Energie zugeführt (was der Fall ist, wenn der Schnittpunkt von t und Up auf der Kurve e liegt), so erreicht man einen konstanten Stellgliedhub über den gesamten Temperaturbereich.

Der der vorgegebenen Ladezeit t1 und der damit erreichten La­ despannung U1 zugeordnete Kennfeldbereich Q1 liegt oberhalb der Kurve e = const. Das bedeutet, daß dem Stellglied P ein zu großer Energiebetrag zugeführt wurde. Liegt der Kennfeld­ bereich unterhalb der Kurve, wurde dem Stellglied ein zu kleiner Energiebetrag zugeführt.

Es gibt verschiedene Verfahren, um in einem Kennfeld von ei­ nem Punkt aus eine Kurve zu erreichen. Der kürzeste Weg führt von dem Punkt auf einer Normalen zur Kurve durch den Punkt. Die einfachste Methode ist eine inkrementelle Annäherung in gleichen Schritten, die nachstehend beschrieben wird. Die Schrittweite kann auch, je nach Entfernung von der Kurve, un­ terschiedlich groß sein, so daß eine schnelle Annäherung an die Kurve bei großem Abstand erreichbar ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel mit gleich großen inkrementellen Schritten ist in allen Bereichen oberhalb der Kurve e, welche von der Kurve nicht berührt werden, eine negative Zahl "-1" eingeschrieben, in allen Bereichen unterhalb der Kurve e eine positive Zahl "+1", und in allen Bereichen, welche von der Kurve berührt werden, eine "0". "+1" bedeutet, daß die nächste Ladezeit um Δt vergrößert werden muß. "-1" bedeutet, daß die nächste Ladezeit um Δt verkleinert werden muß. "0" bedeutet, daß die Ladezeit unverändert bleibt. Es kann auch in Berei­ chen mit geringem Abstand zu der Kurve e eine "0" einge­ schrieben werden, damit die Regelung nicht zu "nervös" arbei­ tet.

Ausgehend vom Bereich Q1 (t1, U1), der bei dem ersten Ansteu­ ervorgang erreicht wird, wird in diesem Ausführungsbeispiel nach zwei oder drei inkrementellen Schritten die Ladezeit t2 bestimmt, in welcher am Stellglied P eine Ladespannung U2, und damit Bereich Q2, durch den die Kurve e verläuft, er­ reicht wird. Bei folgenden Ansteuervorgängen werden nur bei temperaturbedingten Kapazitätsänderungen andere Ladezeiten t eingestellt, wobei dann im wesentlichen Bereiche entlang der Kurve e angesteuert werden.

Fig. 2 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.

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, von der Kondensatorspannung Uc und von der Stell­ gliedspannung Up gesteuert.

In der üblicherweise mikroprozessorgesteuerten Steuerschal­ tung ST ist ein Kennfeld KF gemäß Fig. 1 mit Bereichen Q der Größe Δt, ΔU enthalten, in welchen, wie beschrieben, jeweils die Inhalte "+1", "-1", oder "0" gespeichert sind.

Das Verfahren zum Betreiben der Schaltung nach Fig. 2 wird anhand eines in Fig. 3 dargestellten Flußdiagramms näher er­ läutert, ausgehend von einem Anfangszustand (Zustand I), in welchem der Kondensator C voll auf die vorgegebene Spannung Uc 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.

Zugleich mit dem Ladebeginn erfolgt die Abfrage, ob es der erste Ladevorgang (nach Einschalten des Zündschalters) ist (Zustand IV) . Ist dies der Fall, so wird die Ladezeit tn auf den vorgegebenen Wert t1 gesetzt (Zustand V).

Nach Ablauf der Ladezeit (Zustand VII), die, wie alle Zeit­ messungen, mit dem internen Takt der Steuerschaltung ausge­ messen wird, wird der Ladevorgang beendet, der Ladeschalter X2 wird nichtleitend, X2 = 0, und der Ladestopschalter X3 wird leitend (X3 = 1, Zustand VIII). Der Schwingkreis L-C schwingt weiter, bis die Umschwingspule L stromlos ist. Der Ladezustand des Stellgliedes P bleibt erhalten, solange das Steuersignal st anliegt.

Nach Beendigung der Aufladung des Stellgliedes P wird die ihm aufgeprägte Spannung Up gemessen (Zustand IX) und der diesem Wert Up und der Ladezeit tn zugeordnete Bereich Qn im Kenn­ feld KF bestimmt (Zustand X). Anschließend (Zustand XI) wird die Ladezeit tn um den Inhalt von Qn korrigiert. Gemäß dem in Fig. 1 beschriebenen Beispiel eines ersten Ansteuervorgangs (Ladevorgangs) war tn = t1, die damit erzielte Stellglied­ spannung Up war U1; dem entsprach der Kennfeldbereich Q1. Dessen Inhalt war "-1", das heißt "-1.Δt". Somit ergibt sich für den nächsten Ansteuervorgang: tn = t1-Δt. Dieser Wert wird in einem dafür vorgesehenen Speicherfeld abgespeichert und beim nächsten Ansteuervorgang (Zustand VI, weil dies dann nicht mehr der erste Ansteuervorgang ist) als Ladezeit vorge­ geben.

Anschließend (Zustand XII) wird abgewartet, bis das Steuersi­ gnal st verschwindet (st = 0). Wenn es verschwindet, muß das Stellglied entladen werden. Dazu wird der Ladestopschalter X3 nichtleitend gesteuert, X3 = 0, und der Entladeschalter lei­ tend, X4 = 1 (Zustand XIII). Nun entlädt 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 Schwingkreis L-C schwingt wei­ ter, bis die Umschwingspule stromlos ist. Schalter X4 wird nichtleitend.

Zum Nachladen des Kondensators C (Zustand XIV) wird der Ener­ gieschalter X1 solange leitend gesteuert, bis der Kondensator C auf die vorgegebene Spannung Uc aufgeladen ist (Zustand XV). Danach wird der Energieschalter X1 wieder nichtleitend gesteuert (Zustand XVI). Damit ist ein Ansteuervorgang des Stellgliedes P beendet und es kann ein neuer beginnen. Statt der Vorgabe einer bestimmten Ladezeit tn und der Er­ mittlung der in dieser Zeit erreichten Stellgliedspannung Up ist es ebensogut möglich, unter Verwendung desselben Kennfel­ des (Fig. 1) eine bestimmte Stellgliedspannung vorzugeben bzw. zu regeln, und die dazu benötigte Ladezeit zu messen.

Bei Verwendung mehrerer Kraftstoffeinspritzventile in einer Brennkraftmaschine mit kapazitiven Stellgliedern kann eine in der älteren deutschen Patentanmeldung 196 32 872.1, Fig. 3 oder 4 gezeigte Schaltungsanordnung verwendet werden.

In der Steuerschaltung kann für jedes Stellglied ein eigenes Kennfeld KF vorgesehen sein, es kann aber auch für alle Stellglieder oder für jede Stellgliedgruppe (Bank) ein um­ schaltbares Kennfeld vorgesehen sein.

Claims (6)

1. Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes (P), insbesondere eines piezoelektrisch betriebenen Kraft­ stoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine, mit einem vorgegebenen Energiebetrag (e), dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem Ansteuervorgang des Stellgliedes (P) die Ladung eines auf eine vorgegebene Spannung (Uc) geladenen Kondensa­ tors (C) während einer vorgegebenen Ladezeit (t1, tn) wenig­ stens teilweise auf das Stellglied (P) übertragen wird, und
daß die Ladezeit (tn) des folgenden Ansteuervorgangs um einen in einem dieser Ladezeit (t1, tn) und der in dieser Ladezeit erreichten Ladespannung (Up) des Stellgliedes (P) zugeordne­ ten Bereich (Q) eines Kennfeldes (KF) gespeicherten Betrag (+Δt, 0, -Δt) verändert wird.

2. Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes (P), insbesondere eines piezoelektrisch betriebenen Kraft­ stoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine, mit einem vorgegebenen Energiebetrag (e), dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem Ansteuervorgang des Stellgliedes (P) die Ladung eines auf eine vorgegebene Spannung (Uc) geladenen Kondensa­ tors (C) auf das Stellglied (P) übertragen wird, bis dieses auf eine vorgegebene Ladespannung (Up) aufgeladen ist, und
daß die Ladespannung (Up) des folgenden Ansteuervorgangs um einen in einem dieser Ladespannung (Up) und der dafür benö­ tigten Ladezeit (tn) des Stellgliedes (P) zugeordneten Be­ reich (Q) eines Kennfeldes (KF) gespeicherten Betrag (+Δt, 0, -Δt) verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (Q) in dem Kennfeld (KF), in denen ein bestimmter Betrag (Q = 0) gespeichert ist, eine experimentell ermittelte Kurve konstanter Energie (e) bestimmen, wobei dieser Energie­ betrag (e) von dem auf die vorgegebene Spannung (Uc) gelade­ nen Kondensator (C) abhängig von der jeweiligen, temperatur­ abhängigen Stellgliedkapazität während der dem jeweiligen Be­ reich zugeordneten Ladezeit (t) auf das Stellglied (P) über­ tragen wird, wenn das Stellglied (P) dabei auf die diesem Be­ reich (Q) zugeordnete Ladespannung (U2) aufgeladen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (Q) in dem Kennfeld (KF), in denen ein bestimmter Betrag (Q = 0) gespeichert ist, eine experimentell ermittelte Kurve konstanter Energie (e) bestimmen, wobei dieser Energie­ betrag (e) von dem auf die vorgegebene Spannung (Uc) gelade­ nen Kondensator (C) abhängig von der jeweiligen, temperatur­ abhängigen Stellgliedkapazität übertragen wird, wenn das Stellglied (P) auf die einem Bereich (Q) zugeordnete La­ despannung (Up) in der diesem Bereich (Q) zugeordneten Lade­ zeit aufgeladen wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 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, und
daß eine Steuerschaltung (ST) vorgesehen ist,
in welcher vorgegebene Werte für Kondensatorspannung (Uc) und Stellgliedladezeiten (t1, tn) gespeichert sind, in welcher ein Kennfeld (KF) vorgesehen ist, in dessen Bereichen abhän­ gig von der Ladezeit (tn) und der Ladespannung (Up) des Stellgliedes (P) Korrekturbeträge (Δt, ΔU) für die Ladezeit (tn) oder für die Ladespannung (Up) gespeichert sind, und
welcher ein externes Steuersignal (st), die Kondensatorspan­ nung (Uc) und die Stellgliedspannung (Up) zugeführt werden, und welche die Schalter (X1 bis X4) gemäß dem Programm nach Fig. 3 steuert.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes einzelne Stellglied (P), für jede Gruppe von Stellgliedern oder für alle Stell­ glieder gemeinsam ein Kennfeld (KF) vorgesehen ist.