DE19931233A1 - Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes - Google Patents

Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes

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Abstract

Zur Erzielung eines konstanten Hubs H muß einem Stellglied P ein von dessen Temperatur T P abhängiger Energiebetrag W P zugeführt werden. In Ansteuerpausen wird mittels Kleinsignalen, die keinen Hub des Stellgliedes bewirken, die Stellgliedkapazität C P oder die dazu proportionale Stellgliedtemperatur T P ermittelt; mit diesem Wert wird einem empirisch ermittelten Kennfeld KF der für den gewünschten Hub erforderliche Wert der Energie W P entnommen, mit welchem das Stellglied P angesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines ka­ pazitiven Stellgliedes zum Erzielen eines gewünschten Hubs, insbesondere zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine.
Die in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine eingespritze Kraftstoffmenge ist abhängig vom Kraftstoffdruck sowie vom Hub und der Öffnungsdauer des Kraftstoffeinspritzventils bzw. dessen Stellgliedes.
Aus DE 196 44 521 A1 ist ein Verfahren bekannt, nach welchem ein kapazitives Stellglied eines Kraftstoffeinspritzventils mit konstanter Energie beaufschlagt wird, um einen möglichst konstanten Hub zu erreichen.
Bei Messungen an Piezostellgliedern hat sich herausgestellt, daß sich der Hub eines mit konstanter Energie W = ∫up.ipdt beaufschlagten kapazitiven Stellgliedes mit der Temperatur verändert (up bzw. ip sind die dem Stellglied zugeführten Größen Spannung bzw. Strom). In einem vorgesehenen Betrieb­ stemperaturbereich von -40° bis +150° beträgt diese Änderung etwa -10%, d. h., mit steigender Temperatur verringert sich der Hub.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, wel­ ches es ermöglicht, diese Hubabweichungen im gesamten Be­ triebstemperaturbereich möglichst klein zu halten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Es ist bekannt, daß die Stellgliedkapazität etwa proportional zur Stellgliedtemperatur ist. Diagnostiziert und geregelt wird ein kapazitives Stellglied bisher beispielsweise über die dem Stellglied zugeführte Ladung oder die resultierende Stellgliedspannung, also sog. "Großsignal"-Größen, welche den gewünschten Hub bewirken. Die durch Ansteuerung mit Großsi­ gnalen ermittelte Stellgliedkapazität bzw. Stellgliedtempera­ tur ist sehr toleranzbehaftet, d. h., ungenau, was eine rela­ tiv unsichere Diagnose und Regelung zur Folge hat.
Durch Ansteuerung des Stellgliedes mit Kleinsignalen, die so klein sind, daß das Stellglied keinen Hub ausführt, ist eine wesentlich präzisere Bestimmung der Stellgliedkapazität und damit der Stellgliedtemperatur möglich.
Gemäß der Erfindung wird in einem jeweils in Ansteuerpausen (Einspritzpausen) durchgeführten Meßverfahren mit Kleinsigna­ len die Stellgliedkapazität Cp und über diese die momentane Stellgliedtemperatur Tp ermittelt, die ja proportional zur Stellgliedkapazität Cp ist. In einem vorgesehenen Betriebs­ temperaturbereich von -40°C bis +150°C steigt die Stell­ gliedkapazität Cp proportional zur Stellgliedtemperatur Tp etwa um den Faktor 2.
Aus einem aus den erwähnten Messungen erstellten Kennfeld ist bekannt, mit welcher Energie Wp ein kapazitives Stellglied P bei einer bestimmten Stellgliedtemperatur Tp geladen werden muß, um einen bestimmten Hub zu erzielen. Da mit der Stell­ gliedkapazität Cp auch die Stellgliedtemperatur Tp bekannt ist, kann die für einen bestimmten, beispielsweise konstanten Hub H erforderliche, temperatur- oder kapazitätsabhängige Energiemenge Wp(Tp) oder Wp(Cp) bestimmt werden.
Zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ansteuern eines kapazitiven (piezogesteuerten) Stellglie­ des für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine sind im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: ein Diagramm des Verlaufs der Stellgliedspannung up über der Zeit t zur Ermittlung der Stellgliedkapazi­ tät Cp gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2: ein Diagramm der Stellgliedkapazität Cp, abhängig von der Entladedauer Δt bei konstantem Entladestrom,
Fig. 3: ein Diagramm der Stellgliedkapazität Cp, abhängig von der Stellgliedtemperatur Tp,
Fig. 4: ein Kennfeld für die Energie Wp als Funktion von Stellgliedtemperatur Tp und Stellgliedhub H, und
Fig. 5: eine Wechselspannungsbrücke zum Messen der Kleinsi­ gnalkapazität gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Das kapazitive Stellglied weist beispielsweise eine Nennkapa­ zität von Cp = 4 µF bei einer Stellgliedtemperatur Tp = 20°C auf. Die Energiewerte zum Ansteuern des Stellgliedes, um ei­ nen von der Temperatur unabhängigen, konstanten Hub zu erzie­ len, sind aus einem empirisch ermittelten Kennfeld nach Fig. 4 bekannt.
Um mit einem Verfahren gemäß dem ersten, bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel die momentane Stellgliedtemperatur Tp zu be­ stimmen, wird das Stellglied erfindungsgemäß, wie in Fig. 1 gezeigt, in den Einspritzpausen auf eine vorgegebene, niedri­ ge Meßspannung um aufgeladen, die so niedrig sein muß, daß das Stellglied seine Länge nicht verändert, d. h., daß vom Kraftstoffeinspritzventil kein Kraftstoff eingespritzt wird. Anschließend wird das Stellglied mit einem vorgegebenen Kon­ stantstrom ik entladen, wodurch sich ein gerader, abfallender Verlauf der Stellgliedspannung up ergibt, deren Steilheit durch die Stellgliedkapazität Cp bestimmt ist. Dabei wird ge­ messen, in welcher Zeit Δt = t2-t1 die Stellgliedspannung up von einem vorgegebenen Wert u1 auf einen niedrigeren, zweiten vorgegebenen Wert u2 abfällt. Die Stellgliedkapazität Cp er­ rechnet sich dann aus der nachstehenden Formel:
mit Δt = t2-t1 und
Die Funktion Cp = f(Δt) bei konstanten Werten für ik, u1 und u2 ist aus Fig. 2 zu entnehmen. Bei Δt = 170 µs ergibt sich beispielsweise eine Kapazität von Cp = 5 µF.
Mit dem aus der Formel oder aus Fig. 2 erhaltenen Wert kann aus Fig. 3 die der Stellgliedkapazität Cp = 5 µF proportiona­ le Stellgliedtemperatur Tp = 75°C ermittelt werden.
Sobald die Stellgliedtemperatur Tp bekannt ist, kann aus dem Kennfeld gemäß Fig. 4 die Energie Wp ermittelt werden, die erforderlich ist, um den gewünschten Stellgliedhub H zu er­ zielen. Soll H = 37 µm sein, so muß dem Stellglied beispiels­ weise eine Energie von 75 mJ zugeführt werden, wenn es einen Hub von 37 µm ausführen soll.
In dem in Fig. 4 dargestellten, empirisch ermittelten Kenn­ feld sind beispielhaft drei Kurven konstanter Energie ge­ zeichnet, die, abhängig von der Stellgliedtemperatur, jeweils einen bestimmten Stellgliedhub H ergeben. Dieses Kennfeld kann Energiewerte Wp = f(Tp,H) in feiner Abstufung oder mit weniger Stützstellen und Interpolationsmöglichkeit, wie an sich bekannt, enthalten.
Die angegebenen beispielhaften Werte sind in den Fig. 2 bis 4 durch gestrichelte Linien bzw. Pfeile gekennzeichnet.
Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens ist, daß kein zu­ sätzlicher Hardwareaufwand erforderlich ist, d. h., daß es mit der vorhandenen Hardware durchgeführt werden kann.
Bei dem zweiten, mit zusätzlicher Hardware zu realisierenden Ausführungsbeispiel nach der Erfindung gemäß Fig. 5 liegt ein kapazitives Stellglied P in Reihenschaltung mit einer Um­ schwingspule L und mit einem Schalttransistor T an einer Gleichspannungsquelle DC. Diese Ansteuerschaltung für das Stellglied ist fett hervorgehoben. Die übrige Ansteuerschal­ tung ist nicht dargestellt, sondern nur durch die unterbro­ chene Linie zwischen der Gleichspannungsquelle DC und der Um­ schwingspule L angedeutet.
Das Stellglied P bildet einen Zweig einer Wechselspannungs- (voll)-brücke, deren strichpunktiert umrandete andere Zweige von komplexen Brückenwiderständen Z2 bis Z4 gebildet werden. Parallel zur Reihenschaltung der Brückenwiderstände Z3 und Z4 ist eine Wechselspannungsquelle AC angeordnet, welche die Brücke mit Wechselspannungs-Kleinsignalen speist. In der Brückendiagonale zwischen den Brückenwiderständen Z2 und Z4 ist eine Auswerteschaltung A angeordnet, in welcher in den Einspritzpausen, in welchen die Wechselspannungsbrücke mit­ tels Schaltern S an das Stellglied P angeschlossen ist, in an sich bekannter Weise die Stellgliedkapazität aus der Phasen­ verschiebung von Strom und Spannung ermittelt werden kann, wenn die Werte der komplexen Brückenwiderstände Z2 bis Z4 und die anliegende Wechselspannung konstant sind.
Die Wechselspannungsbrücke wird so abgestimmt, daß bei einem bestimmten Kapazitätswert, beispielsweise bei Nennkapazität (Cp = 4 µF bei Tp = 20°C) keine der Phasenverschiebung von Strom und Spannung auftritt.
Ist die auf diese Weise ermittelte Stellgliedkapazität % und damit die Stellgliedtemperatur Tp bekannt, so erfolgt das weitere Vorgehen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, in­ dem aus dem Kennfeld gemäß Fig. 4 die Energie 1% ermittelt wird, die dem Stellglied zugeführt werden muß, um den ge­ wünschten Stellgliedhub H zu erzielen.
Ein Vorteil beider Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß es "online", d. h., bei laufender Brenn­ kraftmaschine, durchgeführt werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist, daß bei Motorsteuerungen, bei wel­ chen die Kraftstofftemperatur ein Parameter ist, ggf. auf ein Kraftstoffthermometer verzichtet werden kann, indem die er­ mittelte Stellgliedtemperatur Tp als Kraftstofftemperatur verwendet wird.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte Stell­ gliedtemperatur Tp kann kalibriert werden, indem sie vor je­ dem Motorstart, dem eine genügend lange Betriebspause voran­ gegangen ist, dem Wert vorhandener Sensoren (Kühlwasser- oder Ölthermometer) gleichgesetzt wird. In diesem Fall kann näm­ lich davon ausgegangen werden, daß alle Bauteile, also auch die kapazitiven Stellglieder der Kraftstoffeinspritzventile, bei Motorstart gleiche Temperatur aufweisen.
Es ist aber auch möglich, nach einer genügend langen Be­ triebspause vor einem Motorstart die Stellgliedtemperatur mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu ermitteln und mit den Werten anderer vorhandener Sensoren (Kühlwasser- oder Ölthermometer) zu vergleichen und gleichzusetzen, wenn sie nur geringfügig voneinander abweichen. Sind die Werte um mehr als einen vorgegebenen Betrag voneinander ab, so wird das Stellglied als fehlerhaft angesehen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes (P) zum Erzielen eines gewünschten Hubs (H), insbesondere zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraft­ maschine, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß jeweils in Ansteuerpausen des Stellgliedes (P) die mo­ mentane Stellgliedtemperatur (Tp) aus der zu ihr proportiona­ len Stellgliedkapazität (Cp) bestimmt wird, welche durch An­ steuerung des Stellgliedes (P) mit Kleinsignalen, die keinen Hub des Stellgliedes bewirken, ermittelt wird, und
  • - daß dem Stellglied zur Erzielung eines gewünschten Hubs (H) ein Energiebetrag Wp = f(Tp oder Cp; H) zugeführt wird, wel­ cher in einem Kennfeld (KF) abhängig von der Stellgliedtempe­ ratur (Tp) oder der Stellgliedkapazität (Cp) und des ge­ wünschten Hubs (H) gespeichert ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß zur Ermittlung der Stellgliedkapazität (Cp) das Stell­ glied in Ansteuerpausen auf eine vorgegebene Meßspannung (um) geladen und anschließend mit einem Konstantstrom (ik) vorge­ gebener Größe entladen wird,
  • - daß während der Entladung die Zeit Δt = t2-t1 gemessen wird, während welcher die Stellgliedspannung (up)von einem vorgegebenen ersten Wert (u1) auf einen vorgegebenen, zweiten Wert (u2) abfällt, und
  • - daß die Stellgliedkapazität (Cp) nach der Formel
    berechnet oder aus einer gespeicherten Tabelle Cp = f(Δt) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in Ansteuerpausen des Stellgliedes (P) mittels einer mit Wechselspannungs-Kleinsignalen gespeisten Wechselspan­ nungsbrücke (P, Z2 bis Z4), in deren einem Zweig das Stell­ glied (P) angeordnet ist, die Stellgliedkapazität (Cp) aus der in der Brückendiagonale auftretenden Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ermittelte Stellgliedkapazität (Cp) oder die aus einer gespeicherten Tabelle Tp = f(Cp) entnomme­ ne, zu ihr proportionale Stellgliedtemperatur (Tp) als Para­ meter des Kennfeldes (KF) verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Stellgliedtemperatur (Tp) als Kraftstofftempe­ ratur herangezogen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wert der Stellgliedtemperatur (Tp) ka­ libriert wird, indem er vor jedem Motorstart, dem eine genü­ gend lange Betriebspause vorangegangen ist, dem Wert vorhan­ dener Sensoren (Kühlwasser- oder Ölthermometer) gleichgesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (P) als fehlerhaft angesehen wird, wenn der vor jedem nach genügend langer Betriebspause erfolgenden Mo­ torstart ermittelte Wert der Stellgliedtemperatur (Tp) vom Wert anderer, vorhandener Sensoren (Kühlwasser- oder Ölther­ mometer) um mehr als einen vorgegebenen Betrag abweicht.
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