DE19931233A1 - Capacitive actuator control method for operating fuel injection valve in combustion engine - Google Patents
Capacitive actuator control method for operating fuel injection valve in combustion engineInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines ka pazitiven Stellgliedes zum Erzielen eines gewünschten Hubs, insbesondere zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine.The invention relates to a method for controlling a ka capacitive actuator to achieve a desired stroke, in particular for actuating a fuel injection valve an internal combustion engine.
Die in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine eingespritze Kraftstoffmenge ist abhängig vom Kraftstoffdruck sowie vom Hub und der Öffnungsdauer des Kraftstoffeinspritzventils bzw. dessen Stellgliedes.The injected into a cylinder of an internal combustion engine The amount of fuel depends on the fuel pressure and the Stroke and the opening time of the fuel injector or its actuator.
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.DE 196 44 521 A1 discloses a method according to which a capacitive actuator of a fuel injector constant energy is applied to one as possible to achieve a constant stroke.
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.During measurements on piezo actuators, it was found that the stroke of a capacitive actuator charged with constant energy W = ∫u p .i p dt changes with the temperature (u p and i p are the variables voltage and current supplied to the actuator) . In a planned operating temperature range from -40 ° to + 150 °, this change is approximately -10%, ie the stroke decreases with increasing temperature.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, wel ches es ermöglicht, diese Hubabweichungen im gesamten Be triebstemperaturbereich möglichst klein zu halten.It is an object of the invention to provide a method, which ches it allows these stroke deviations in the entire Be keep the operating temperature range as small as possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. This object is achieved by the in claim 1 mentioned features solved.
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.It is known that the actuator capacity is approximately proportional to the actuator temperature. Diagnosed and regulated is a capacitive actuator so far, for example the charge supplied to the actuator or the resulting one Actuator voltage, so-called "large signal" sizes, which the effect desired stroke. The control by Großsi gnalen determined actuator capacity or actuator temperature tur is very tolerant, d. i.e., inaccurate, which is a rela uncertain diagnostic and control result.
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.By actuating the actuator with small signals that so are small, that the actuator does not perform a stroke is one much more precise determination of actuator capacity and so that the actuator temperature is possible.
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.According to the invention, the actuator capacity C p and, via this, the current actuator temperature T p , which is proportional to the actuator capacity C p, is determined in a measurement process carried out in each case with control breaks (injection breaks). In an intended operating temperature range from -40 ° C to + 150 ° C, the actuator capacity C p increases proportionally to the actuator temperature T p by about a factor of 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.From a map created from the measurements mentioned, it is known with which energy W p a capacitive actuator P must be charged at a specific actuator temperature T p in order to achieve a specific stroke. Since the actuator temperature T p is also known with the actuator capacitance C p , the temperature or capacity-dependent amount of energy W p (T p ) or W p (C p ) required for a specific, for example constant stroke H can be determined.
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:Two exemplary embodiments of the method according to the invention for controlling a capacitive (piezo-controlled) actuator the for a fuel injection valve of an internal combustion engine are below with reference to the schematic Drawing explained in more detail. Show it:
Fig. 1: ein Diagramm des Verlaufs der Stellgliedspannung up über der Zeit t zur Ermittlung der Stellgliedkapazi tät Cp gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 1: a diagram of the curve of the actuator voltage U p over the time t to determine the Stellgliedkapazi ty C p according to the first embodiment,
Fig. 2: ein Diagramm der Stellgliedkapazität Cp, abhängig von der Entladedauer Δt bei konstantem Entladestrom, FIG. 2 shows a diagram of the actuator capacity C p, depending on the discharge time .DELTA.t with constant discharge current,
Fig. 3: ein Diagramm der Stellgliedkapazität Cp, abhängig von der Stellgliedtemperatur Tp,3 shows a diagram of the actuator capacity C p, dependent on the actuator temperature T p.
Fig. 4: ein Kennfeld für die Energie Wp als Funktion von Stellgliedtemperatur Tp und Stellgliedhub H, und Fig. 4: a map for the energy W p as a function of actuator temperature T p and actuator stroke H, and
Fig. 5: eine Wechselspannungsbrücke zum Messen der Kleinsi gnalkapazität gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Fig. 5: an AC voltage bridge for measuring the small signal capacitance according to the second embodiment.
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.The capacitive actuator has, for example, a nominal capacitance of C p = 4 μF at an actuator temperature T p = 20 ° C. The energy values for controlling the actuator in order to achieve a constant stroke independent of the temperature are known from an empirically determined characteristic diagram according to FIG. 4.
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:
In order to determine the current actuator temperature T p with a method according to the first, preferred embodiment, the actuator according to the invention, as shown in FIG. 1, is charged in the injection pauses to a predetermined, low measuring voltage, which must be so low that the actuator does not change its length, ie that no fuel is injected from the fuel injection valve. The actuator is then discharged with a predetermined constant current i k , which results in a straight, falling profile of the actuator voltage u p , the slope of which is determined by the actuator capacitance C p . It is measured in what time Δt = t2-t1 the actuator voltage u p drops from a predetermined value u1 to a lower, second predetermined value u2. The actuator capacity C p er is then calculated from the following formula:
mit Δt = t2-t1 und
with Δt = t2-t1 and
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.The function C p = f (Δt) with constant values for i k , u1 and u2 can be seen from FIG. 2. With Δt = 170 µs, for example, a capacitance of C p = 5 µF results.
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.With the value obtained from the formula or from FIG. 2, the actuator temperature T p = 75 ° C. proportional to the actuator capacitance C p = 5 μF can be determined from FIG. 3.
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.As soon as the actuator temperature T p is known, the energy W p which is required to achieve the desired actuator stroke H can be determined from the map according to FIG. 4. If H = 37 µm, the actuator must be supplied with an energy of 75 mJ, for example, if it is to perform a stroke of 37 µm.
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.In the empirically determined characteristic field shown in FIG. 4, three curves of constant energy are drawn, for example, which, depending on the actuator temperature, each result in a specific actuator stroke H. This map can contain energy values W p = f (T p , H) in fine gradation or with fewer interpolation points and interpolation possibilities, as is known per se.
Die angegebenen beispielhaften Werte sind in den Fig. 2 bis 4 durch gestrichelte Linien bzw. Pfeile gekennzeichnet.The exemplary values given are indicated in FIGS. 2 to 4 by dashed lines or arrows.
Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens ist, daß kein zu sätzlicher Hardwareaufwand erforderlich ist, d. h., daß es mit der vorhandenen Hardware durchgeführt werden kann.A particular advantage of this process is that no additional hardware is required, d. that is, with of the existing hardware can be carried out.
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.In the second embodiment to be realized with additional hardware according to the invention according to FIG. 5, a capacitive actuator P is connected in series with an order voice coil L and with a switching transistor T at a DC voltage source DC. This control circuit for the actuator is highlighted in bold. The rest of the control circuit is not shown, but only indicated by the broken line between the DC voltage source DC and the voice coil L.
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.The actuator P forms a branch of an AC voltage (full) bridge, the other branches of which are outlined with dash-dotted lines are formed by complex bridge resistors Z2 to Z4. Parallel to the series connection of the bridge resistors Z3 and Z4 an AC voltage source is arranged, which the Bridge feeds with small AC signals. In the Bridge diagonal between the bridge resistors Z2 and Z4 an evaluation circuit A is arranged, in which in the Injection breaks in which the AC bridge with tels switches S is connected to the actuator P in known actuator capacity from the phases shift of current and voltage can be determined if the values of the complex bridge resistances Z2 to Z4 and the applied AC voltage is constant.
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.The AC voltage bridge is tuned so that at a certain capacitance value, for example at nominal capacitance (C p = 4 μF at T p = 20 ° C), no phase shift of current and voltage occurs.
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.If the actuator capacity% determined in this way and thus the actuator temperature T p are known, the further procedure is the same as in the first exemplary embodiment, in which the energy 1% that must be supplied to the actuator is determined from the characteristic diagram according to FIG. 4 . to achieve the desired actuator stroke H ge.
Ein Vorteil beider Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß es "online", d. h., bei laufender Brenn kraftmaschine, durchgeführt werden kann. An advantage of both embodiments of the invention The process is that it is "online" i.e. that is, with the burning in progress engine, can be performed.
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.Another advantage is that in engine controls, in which the fuel temperature is a parameter, a fuel thermometer can possibly be dispensed with by using the average actuator temperature T p as the fuel temperature.
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.The actuating element temperature T p determined with the method according to the invention can be calibrated by equating the value of existing sensors (cooling water or oil thermometer) before each engine start, which is preceded by a sufficiently long idle period. In this case, it can be assumed that all components, including the capacitive actuators of the fuel injection valves, have the same temperature when the engine is started.
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.But it is also possible after a long enough loading drive pause before starting the engine to be determined by means of the method according to the invention and with the values of other existing sensors (cooling water or Oil thermometer) to compare and equate if they differ only slightly. Are the values by more as a predetermined amount from each other, so that will Actuator viewed as faulty.
Claims (7)
- - 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.
- - That in each control pauses of the actuator (P) the momentary actuator temperature (T p ) from the proportional to her len len actuator capacity (C p ) is determined, which by control of the actuator (P) with small signals that do not cause a stroke of the actuator , is determined, and
- - That the actuator to achieve a desired stroke (H) an amount of energy W p = f (T p or C p ; H) is supplied, which cher in a map (KF) depending on the actuator temperature (T p ) or the actuator capacity (C p ) and the desired stroke (H) is stored.
- - 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.
- - In order to determine the actuator capacity (C p ), the actuator is loaded into a predetermined measuring voltage (u m ) during control pauses and then discharged with a constant current (i k ) of a predetermined size,
- - That during the discharge the time Δt = t2-t1 is measured, during which the actuator voltage (u p ) drops from a predetermined first value (u1) to a predetermined, second value (u2), and
- - That the actuator capacity (C p ) according to the formula
is calculated or determined from a stored table C p = f (Δt).
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