EP1418328A2 - Vorrichtung und Verfahren zum Steuern des Aktors eines Ventils - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Steuern des Aktors eines Ventils Download PDF

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EP1418328A2
EP1418328A2 EP03104122A EP03104122A EP1418328A2 EP 1418328 A2 EP1418328 A2 EP 1418328A2 EP 03104122 A EP03104122 A EP 03104122A EP 03104122 A EP03104122 A EP 03104122A EP 1418328 A2 EP1418328 A2 EP 1418328A2
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EP
European Patent Office
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actuator
control signal
charging
grp
valve
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03104122A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1418328A3 (de
Inventor
Walter Schrod
Diego Löbus
Thomas Franz
Bernd Falke
Josef Aspelmayr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Continental Automotive GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Continental Automotive GmbH filed Critical Siemens AG
Publication of EP1418328A2 publication Critical patent/EP1418328A2/de
Publication of EP1418328A3 publication Critical patent/EP1418328A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2031—Control of the current by means of delays or monostable multivibrators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2037—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit for preventing bouncing of the valve needle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2051—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit using voltage control

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for Controlling an actuator of a valve, in particular a piezoelectric Actuator of an injection valve for an internal combustion engine, according to the preamble of claim 1.
  • the desired stroke is one from DE 199 44 733 A1 Driver circuit with a transformer known, the Primary side of the transformer with a charging switch a supply voltage is connected while the secondary side via a discharge switch with the piezoelectric Actuator is connected.
  • a suitable pulse width modulated Activation of the charge switch and the discharge switch then the state of charge of the piezoelectric actuator according to the desired stroke so that the injector either opens at the specified times or closes.
  • the invention is therefore based on the object in piezoelectric Injectors noise emissions, vibrations and reduce wear.
  • the task is accomplished by a control method for a piezoelectric Actuator according to claim 1 and a device according to Claim 8 solved.
  • the invention is based on physical knowledge, that the noise, vibrations and wear in the case of piezoelectric actuators essentially through fluid dynamic Cause phenomena that arise if the injector quickly between the open valve position and the closed valve position changes. Accordingly, the invention sees a predetermined time Opening and / or closing behavior of the injection valve before, to suppress the disturbing fluid dynamic phenomena.
  • the actuator is therefore used in the control method according to the invention to determine a predetermined opening time and / or closing behavior of the valve when charging and / or when unloading successively to at least three different ones Charge states loaded, with at least one of the charge states a partially open and partially closed Valve corresponds.
  • a partially open and partially closed Valve corresponds.
  • the partially open intermediate position of the injector carries advantageous to calm the aforementioned fluid dynamic phenomena, because the injector opens or closes less abruptly.
  • the time course of the first control signal and / or the second control signal to determine a specific time Opening and / or closing behavior is in the form of a Sequence saved.
  • the saved sequence is defined in this case a certain time course of the valve position of the injection valve when opening or closing.
  • the flow-dynamically optimal course can then under laboratory conditions can be determined and saved so that in normal Operation only a recall of the saved sequence is required.
  • each a time opening or Define the closing behavior of the injection valve Corresponding the operating conditions of the injection system can then the optimal sequence can be read and processed.
  • the Switch between the saved sequences or the selection a saved sequence can be, for example, by a digital selection signal.
  • the waiting time being smaller or greater than the previous charging or discharging time can.
  • the charging time is the time span in which the actuator charging while the discharge time is the period in which the actuator is discharged.
  • This retention of Charge status during the waiting times is advantageous because the injector thus maintains its valve position during the waiting period essentially maintains a reassurance fluid dynamic effects that occur during the sudden The injection valve opens or closes.
  • the Length of waiting time can be optimized to the disturbing to suppress flow dynamic phenomena and an opti Male opening and closing behavior of the injection valve to reach.
  • the Actuator in the closed state of the injection valve one after the other partially unloaded several times and then again partially charged so that the valve position of the injector oscillates around the closed position, whereby the Injector opened several times briefly and slightly becomes.
  • the Actuator for specifying a predetermined opening and / or time Closing behavior of the valve for specified Charging times charged and / or for predetermined discharge times unloaded and for predetermined waiting times on an in kept essentially constant state of charge.
  • the definition the predetermined charge states are therefore carried out here indirectly by specifying the loading times, the unloading times and the waiting times in between. According to the respective The loading and unloading times are then the desired ones Charge states.
  • the change between the loading times is preferred Discharge times and waiting times by a first control signal triggered.
  • the first control signal is preferably by a pulse train, preferably in each case a pulse edge starts a charging or discharging time.
  • a pulse edge starts a charging or discharging time.
  • a falling edge of the first control signal triggers a charging process
  • an increasing one Edge of the first control signal triggers a discharge process.
  • an increasing Edge of the first control signal triggers a charging process
  • a falling edge triggers an unloading process.
  • a second control signal is preferably provided, this is the duration of the loading and unloading processes specifies, this second control signal preferably level active is.
  • this second control signal preferably level active is.
  • a high level of the second Control signal end a charging or discharging process. It is however, conversely, it is also possible that a low level of the second Control signal ended a charging or discharging process.
  • the second control signal can be used as an enable signal serve by triggering a charging or discharging process releases depending on its level or locks.
  • the second control signal at a High level triggers a charging or discharging process block even on an edge of the first control signal. It it is also possible, conversely, that a low level of the second control signal the triggering of a charging or discharging process locks on an edge of the first control signal. This blocking of a loading or unloading process enables an inactive level change of the first control signal in order Trigger two charging processes or two unloading processes one after the other to be able to.
  • ASIC digital application specific integrated circuit
  • control method according to the invention is particularly advantageously suitable for pump-nozzle injection systems, but the invention can also be implemented with common rail injection systems. Moreover, the invention is also applicable to a gasoline direct injection - applicable (HPDI H igh P ressure D irect I njection).
  • the driver circuit shown in Figure 1 is used for electrical Control of piezoelectric actuators of injection valves an internal combustion engine. To simplify it here only a single actuator CP is shown, although with one multi-cylinder internal combustion engine according to the number There are several actuators in combustion chambers.
  • the Actuators, not shown, are constructed identically and connected in parallel to the actuator CP, as shown by the dashed line Lines is indicated.
  • the actuator CP is - like the other actuators not shown for the other combustion chambers of the internal combustion engine - in Series connected with a selector switch 1 and a resistor R1, the selector switch 1 from a parallel connection consists of a switching element S1 and a diode D1.
  • the selector switch 1 enables one of the actuators for a loading or unloading process by the switches S1 switches while the corresponding ones Disconnect switches for the other actuators.
  • the actuator CP is charged or discharged via a charging and discharging circuit 6.
  • V CC 12 V by the motor vehicle electrical system.
  • the invention can also be used in a motor vehicle electrical system with a mains voltage of 42 V.
  • the primary winding W1 of the transformer 3 is in series with a resistor R2 and a parallel connection of a diode D2 and a charging switch S2 switched.
  • the charging switch S2 To charge the Actuator is the charging switch S2 with a predetermined frequency and predetermined pulse duty factor with a given number of pulse width modulated signals the specified charging voltage.
  • the current rises the primary coil W1 on and at a predetermined time by opening (non-conducting control) the charging switch S2 canceled.
  • the secondary winding W2 of the transformer 3 is in contrast Series with a resistor R3 and a parallel connection a diode D3 and a switch S3 switched.
  • the actuator CP is also discharged with pulse width modulated Signals that the discharge switch S3 is pulsed conductive and non-conductive controlled, whereby the actuator voltage drops.
  • the current flows from the actuator CP via the secondary winding W2, the discharge switch S3 and the selector switch 1 back to the actuator CP.
  • control unit 4 which is shown here only schematically.
  • control unit 4 takes into account the charging current Discharge current, the actuator current, the actuator voltage and the primary voltage.
  • the control unit 4 therefore points several measurement inputs with the voltage-side connections of the resistors R1, R2 or R3 as well as with the voltage side Connections of the primary winding W1 or the secondary winding W2 are connected.
  • the control unit 4 can be, for example, a microprocessor 9 can be controlled, for simplification only the interface 5, via which the control data of the microprocessor 9 are transmitted, shown as block arrow 5 is.
  • the control data supplied by the microprocessor 9 can, for example, the selection of the respective actuator determine.
  • the control unit 4 can also measured values of the discharge current, the actuator current, the actuator voltage and the primary-side voltage to the microprocessor 9 report back.
  • the time course of the opening and closing behavior of the is controlled by the actuator CP by specifies two control signals GRP and GRP_ENA, one being typical timing of the control signals GRP and GRP_ENA is shown in Figure 2.
  • Figure 2 also shows a curve 6, which corresponds to the valve position of the actuator CP the control signals GRP and GRP_ENA controlled injection valve reproduces.
  • the fully open valve position (“OPEN”) and the fully closed valve position (“CLOSED”) of the injection valve are in each case by horizontal dashed lines are shown.
  • the second control signal GRP_ENA is a sequence in one Memory 7 stored and is from the control unit 4 read this.
  • the memory 7 can both within the Control unit 4 as well as in whole or in part within one application-specific module 8 a so-called ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
  • the microprocessor Depending on the input variables - such as information about the operating state of an internal combustion engine such as Speed, temperature, fuel pressure etc. - is done by the microprocessor a specification for the amplitude of the charging and / or discharging current calculated. This requirement is in turn over the Interface 5 transmitted to the control unit 4, the corresponding this specification and by the control signals GRP and GRP_ENA specified sequence charges or discharges the actuator CP.
  • control unit 4 the interface 5 and the memory 7 are here in an application-specific module 8 So-called ASIC (Application Specific Integrated Circuit) summarized.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • the control signal GRP triggers a charging time with its edges or a discharge time, with a falling edge of the control signal GRP starts a charging time, whereas a rising edge of the control signal GRP_ENA a discharge time triggers.
  • the control signal GRP_ENA is level active, whereby a High level of the control signal GRP_ENA a charging or discharging time ended and thereby initiates a waiting period until the next edge of the control signal GRP another charge or Discharges.
  • the control signal GRP_ENA also enables one inactive edge of the control signal GRP by triggering a charge or discharge time when the control signal is high GRP_ENA is blocked. This way you can consecutively multiple loading times are started, each are separated from each other by a waiting period.
  • control of the charging and discharging of the actuator CP by the both control signals GRP and GRP_ENA is also by the Flow chart illustrated in Figure 3, to the following reference taken.
  • a falling edge of the control signal GRP leads to a charging of the actuator CP, whereas an increasing Edge of the control signal GRP discharges the actuator CP initiates.
  • an edge of the control signal GRP only has then an impact if this is at or just before a low level of the control signal GRP ENA occurs. This is important, otherwise an unloading process will follow each charging process would.
  • GRP_ENA enables several successive ones Charging processes caused by a waiting time with a constant state of charge of the actuator CP are separated.
  • control signals GRP and GRP_ENA can be a desired opening time Closing behavior of the injection valve controlled by the actuator CP to reach.
  • curve 6 shows the valve position in Figure 2 next to a fully closed valve position CLOSED and a fully open valve position ON several intermediate positions 7-9, in which the injector partially open and partially closed is.
  • this allows a reduction in opening or closing the injector associated noise emissions and vibrations, for example because it prevents cavitation becomes.
  • the injection process itself can be taken into account optimized for reducing consumption and reducing pollutants become.
  • Figure 4 shows an alternative embodiment of a Driver circuit partially with that described above and the embodiment shown in FIG. 1 corresponds. To avoid repetition is therefore largely referred to the above description, wherein for matching components used the same reference numerals to be differentiated only by an apostrophe Marked are.
  • a special feature of this driver circuit is that the transformer 3 in Figure 1 by a single inductor L is replaced.
  • control of the charge switch S2 'and the discharge switch S3 ' takes place in the manner described above, the control signals GRP and GRP_ENA the duration of the charging and define unloading processes and thus the time Determine the opening and closing behavior of the injection valve.
  • the control method according to the invention is also at the driver circuit according to FIG. 4 can be used.
  • the voltage-side connection of the diode D4 can also be used the connection point between the resistor R2 'and the charging switch S2 'to be connected, being the direct connection the diode D4 is separated by the voltage converter 2 '.
  • ground connection of the diode D3 'with the connection point between the discharge switch S3 'and the Resistor R3 ' may be connected, being the direct ground connection the diode D3 'is separated.

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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Aktors (CP) eines Ventils, insbesondere für einen piezoelektrischen Aktor eines Einspritzventils für eine Brennkraftmaschine, wobei der Aktor (CP) nacheinander auf zwei Ladungszustände geladen wird, die jeweils einer Stellung des Ventils entsprechen. Es wird vorgeschlagen, dass der Aktor (CP) zur Festlegung eines vorgegebenen zeitlichen Öffnungs- und/oder Schließverhaltens des Ventils beim Aufladen und/oder beim Entladen nacheinander auf mindestens drei unterschiedliche Ladungszustände geladen wird, wobei mindestens einer der Ladungszustände einem teilweise geöffneten und teilweise geschlossen Ventil entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Aktors eines Ventils, insbesondere eines piezoelektrischen Aktors eines Einspritzventils für eine Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In modernen Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen werden piezoelektrische Aktoren als Stellglieder für die Einspritzventile eingesetzt, was im Vergleich zu herkömmlichen Magnetventilen eine hochdynamische Steuerung des Einspritzvorgangs ermöglicht. Der Hub eines derartigen piezoelektrischen Aktors und damit die Ventilstellung des zugehörigen Einspritzventils hängt von dem Ladungszustand ab, so dass der piezoelektrische Aktor entsprechend dem gewünschten Hub aufgeladen bzw. entladen werden muss.
Zur elektrischen Ansteuerung piezoelektrischer Aktoren entsprechend dem gewünschten Hub ist aus DE 199 44 733 A1 eine Treiberschaltung mit einem Transformator bekannt, wobei die Primärseite des Transformators über einen Ladeschalter mit einer Versorgungsspannung verbunden ist, während die Sekundärseite über einen Entladeschalter mit dem piezoelektrischen Aktor verbunden ist. Durch eine geeignete pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Ladeschalters und des Entladeschalters läßt sich dann der Ladezustand des piezoelektrischen Aktors entsprechend dem gewünschten Hub einstellen, so dass das Einspritzventil zu den vorgegebenen Zeiten entweder öffnet bzw. schließt.
Nachteilig daran ist jedoch, dass im Betrieb eines derartigen Einspritzventils störende Geräusche und Vibrationen entstehen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass der mechanische Verschleiß von piezoelektrischen Einspritzventilen relativ groß ist.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, bei piezoelektrischen Einspritzventilen Geräuschemissionen, Vibrationen und Verschleiß zu verringern.
Die Aufgabe wird durch ein Steuerverfahren für einen piezoelektrischen Aktor gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst.
Die Erfindung geht von der physikalischen Erkenntnis aus, dass die Geräuschentwicklung, die Vibrationen und der Verschleiß bei piezoelektrischen Aktoren wesentlich durch strömungsdynamische Phänomene verursacht werden, die entstehen, wenn das Einspritzventil schnell zwischen der geöffneten Ventilstellung und der geschlossenen Ventilstellung wechselt. Entsprechend sieht die Erfindung ein vorgegebenes zeitliches Öffnungs- und/oder Schließverhalten des Einspritzventils vor, um die störenden strömungsdynamischen Phänomene zu unterdrücken.
Bei dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren wird der Aktor deshalb zur Festlegung eines vorgegebenen zeitlichen Öffnungs- und/oder Schließverhaltens des Ventils beim Aufladen und/oder beim Entladen nacheinander auf mindestens drei unterschiedliche Ladungszustände geladen, wobei mindestens einer der Ladungszustände einem teilweise geöffneten und teilweise geschlossen Ventil entspricht. Im Gegensatz dazu sieht das eingangs beschriebene bekannte Steuerverfahren nur zwei unterschiedliche Ladungszustände für den Aktor vor, wobei ein Ladungszustand einem vollständig geschlossenen Einspritzventil entspricht, wohingegen das Einspritzventil in dem anderen Ladungszustand des Aktors vollständig geöffnet ist. Die teilweise geöffnete Zwischenstellung des Einspritzventils trägt vorteilhaft zu einer Beruhigung der vorstehend erwähnten strömungsdynamischen Phänomene bei, da das Einspritzventil so weniger abrupt öffnet bzw. schließt.
Der zeitliche Verlauf des ersten Steuersignals und/oder des zweiten Steuersignals zur Festlegung eines bestimmten zeitlichen Öffnungs- und/oder Schließverhaltens ist in Form einer Sequenz gespeichert. Bei der Ansteuerung des Einspritzventils muss dann lediglich die Sequenz aus dem Speicher ausgelesen und abgearbeitet werden. Die gespeicherte Sequenz definiert hierbei also einen bestimmten zeitlichen Verlauf der Ventilstellung des Einspritzventils beim Öffnen bzw. Schließen. Der strömungsdynamisch optimale Verlauf kann dann unter Laborbedingungen ermittelt und abgespeichert werden, so dass im normalen Betrieb nur noch ein Abruf der gespeicherten Sequenz erforderlich ist.
Hierbei ist es auch möglich, mehrere verschiedene Sequenzen zu speichern, die jeweils ein zeitliches Öffnungs- bzw. Schließverhalten des Einspritzventils definieren. Entsprechend den Betriebsbedingungen der Einspritzanlage kann dann die optimale Sequenz ausgelesen und abgearbeitet werden. Das Umschalten zwischen den gespeicherten Sequenzen bzw. die Auswahl einer gespeicherten Sequenz kann beispielsweise durch ein digitales Auswahlsignal erfolgen.
Vorzugsweise werden die beim Aufladen bzw. Entladen des Aktors durchfahrenen Ladungszustände jeweils für eine vorgegebene Wartezeit beibehalten, wobei die Wartezeit kleiner oder größer als die vorangegangen Lade- oder Entladezeit sein kann. Die Ladezeit ist hierbei die Zeitspanne, in der der Aktor aufgeladen wird, während die Entladezeit die Zeitspanne ist, in der der Aktor entladen wird. Diese Beibehaltung des Ladungszustands während der Wartezeiten ist vorteilhaft, da das Einspritzventil so während der Wartezeit seine Ventilstellung im wesentlichen beibehält, so dass eine Beruhigung strömungsdynamischer Effekte auftritt, die beim plötzlichen Öffnen oder Schließen des Einspritzventils entstehen. Die Länge der Wartezeit kann optimiert werden, um die störenden strömungsdynamischen Phänomene zu unterdrücken und ein opti males Öffnungs- bzw. Schließverhaltens des Einspritzventils zu erreichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Aktor im geschlossenen Zustand des Einspritzventils nacheinander mehrfach teilweise entladen und anschließend wieder teilweise aufgeladen, so dass die Ventilstellung des Einspritzventils um die Schließstellung herum pendelt, wobei das Einspritzventil mehrfach kurzzeitig und geringfügig geöffnet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Aktor zur Festlegung eines vorgegebenen zeitlichen Öffnungsund/oder Schließverhaltens des Ventils jeweils für vorgegebene Ladezeiten aufgeladen und/oder für vorgegebene Entladezeiten entladen sowie für vorgegebene Wartezeiten auf einem im wesentlichen konstanten Ladungszustand gehalten. Die Festlegung der vorgegebenen Ladungszustände erfolgt hierbei also indirekt durch Vorgabe der Ladezeiten, der Entladezeiten und der dazwischen liegenden Wartezeiten. Entsprechend den jeweiligen Lade- bzw. Entladezeiten stellen sich dann die gewünschten Ladungszustände ein.
Vorzugsweise wird der Wechsel zwischen den Ladezeiten, den Entladezeiten und den Wartezeiten durch ein erstes Steuersignal ausgelöst. Bei dem ersten Steuersignal handelt es sich vorzugsweise um eine Impulsfolge, wobei vorzugsweise jeweils eine Impulsflanke eine Lade- bzw. Entladezeit startet. Beispielsweise kann eine fallende Flanke des ersten Steuersignals einen Ladevorgang auslösen, wohingegen eine steigende Flanke des ersten Steuersignals einen Entladevorgang auslöst. Es wäre jedoch umgekehrt auch möglich, dass eine steigende Flanke des ersten Steuersignals einen Ladevorgang auslöst, wohingegen eine fallende Flanke einen Entladevorgang auslöst.
Weiterhin ist vorzugsweise ein zweites Steuersignal vorgesehen, das die zeitliche Dauer der Lade- und Entladevorgänge festlegt, wobei dieses zweite Steuersignal vorzugsweise pegelaktiv ist. Beispielsweise kann ein High-Pegel des zweiten Steuersignals einen Lade- oder Entladevorgang beenden. Es ist jedoch auch umgekehrt möglich, dass ein Low-Pegel des zweiten Steuersignals einen Lade- oder Entladevorgang beendet.
Darüber hinaus kann das zweite Steuersignal als Freigabesignal dienen, indem es die Auslösung eines Lade- bzw. Entladevorgangs in Abhängigkeit von seinem Pegel freigibt oder sperrt. Beispielsweise kann das zweite Steuersignal bei einem High-Pegel die Auslösung eines Lade- oder Entladevorgangs auch bei einer Flanke des ersten Steuersignals sperren. Es ist jedoch auch umgekehrt möglich, dass ein Low-Pegel des zweiten Steuersignals die Auslösung eines Lade- oder Entladevorgangs bei einer Flanke des ersten Steuersignals sperrt. Diese Sperrung eines Lade- oder Entladevorgangs ermöglicht einen inaktiven Pegelwechsel des ersten Steuersignals, um nacheinander zwei Ladevorgänge oder zwei Entladevorgänge auslösen zu können.
Da in der Automobiltechnik eine Miniaturisierung der Elektronik von entscheidender Bedeutung ist, ist es besonders vorteilhaft, die oben beschriebene Anordnung ganz oder teilweise in einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) zu integrieren oder als ASIC auszuführen. Insbesondere sind die Steuereinheit, die Schnittstelle sowie der Speicher in einen ASIC integriert. Diese Integration führt zum einen zu der bereits erwähnten Miniaturisierung der Vorrichtung und zum anderen zu einer Reduktion der Herstellungskosten der Vorrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um einen digitalen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC).
Besonders vorteilhaft eignet sich das erfindungsgemäße Steuerverfahren für Pumpe-Düse-Einspritzanlagen, jedoch ist die Erfindung auch mit Common-Rail-Einspritzanlagen realisierbar. Darüber hinaus ist die Erfindung auch bei einer Benzin-Direkteinspritzung (HPDI - High Pressure Direct Injection) anwendbar.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüche enthalten oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1
ein Schaltbild einer Treiberschaltung zur elektrischen Ansteuerung eines Piezoaktors,
Figur 2
den zeitlichen Verlauf von Steuersignalen für die in Figur 1 gezeigte Treiberschaltung sowie die zugehörige Stellung eines Einspritzventils,
Figur 3
das erfindungsgemäße Steuerverfahren als Flussdiagramm sowie
Figur 4
ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Treiberschaltung zur elektrischen Ansteuerung eines Piezoaktors
Die in Figur 1 dargestellte Treiberschaltung dient zur elektrischen Ansteuerung piezoelektrischer Aktoren von Einspritzventilen einer Brennkraftmaschine. Zur Vereinfachung ist hierbei nur ein einziger Aktor CP dargestellt, obwohl bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine entsprechend der Anzahl von Brennräumen mehrere Aktoren vorhanden sind. Die nicht dargestellten Aktoren sind jedoch identisch aufgebaut und parallel zu dem Aktor CP angeschlossen, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist.
Der Aktor CP ist - wie die nicht dargestellten weiteren Aktoren für die anderen Brennräume der Brennkraftmaschine - in Reihe mit einem Auswahlschalter 1 und einem Widerstand R1 geschaltet, wobei der Auswahlschalter 1 aus einer Parallelschaltung aus einem Schaltelement S1 und einer Diode D1 besteht. Der Auswahlschalter 1 ermöglicht es, einen der Aktoren für einen Lade- bzw. Entladevorgang auszuwählen, indem der jeweilige Schalter S1 durchschaltet, während die entsprechenden Schalter für die anderen Aktoren trennen.
Der Aktor CP wird über eine Lade- und Entladeschaltung 6 auf- bzw. entladen. Die Stromversorgung der Treiberschaltung erfolgt durch einen Spannungswandler 2, der ausgangsseitig durch einen Kondensator C1 gepuffert ist und beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug von dem Kraftfahrzeugbordnetz mit einer Netzspannung VCC=12 V versorgt wird. Alternativ hierzu kann die Erfindung auch in einem Kraftfahrzeugbordnetz mit einer Netzspannung von 42 v eingesetzt werden.
Zwischen dem Aktor CP und dem Spannungswandler 2 ist hierbei ein Transformator 3 mit einer Primärwicklung W1 und einer Sekundärwicklung W2 angeordnet, wobei die Primärwicklung W1 mit dem Spannungswandler 2 verbunden ist, während die Sekundärwicklung mit dem Aktor CP verbunden ist.
Die Primärwicklung W1 des Transformators 3 ist in Reihe mit einem Widerstand R2 und einer Parallelschaltung aus einer Diode D2 und einem Ladeschalter S2 geschaltet. Zum Aufladen des Stellgliedes wird der Ladeschalter S2 mit vorgegebener Frequenz und vorgegebenem Tastverhältnis im Pulsbetrieb mit einer vorgegebenen Zahl von pulsweitenmodulierten Signalen bei der vorgegebenen Ladespannung angesteuert. Während des leitenden Zustandes des Ladeschalters S2 steigt der Strom durch die Primärspule W1 an und wird zu einem vorgegebenen Zeitpunkt durch Öffnen (nichtleitendsteuern) des Ladeschalters S2 abgebrochen. In dieser nichtleitenden Phase der Primärseite fließt über die Sekundärwicklung W2 bei einem dem Windungsverhältnis W2/W1 entsprechenden Strom eine impulsförmige Spannung, die von einem Kondensator C2 geglättet wird, und lädt den Aktor CP mit jedem Strompuls weiter auf, bis schließlich nach der vorgegebenen Zahl von Pulsen eine vorgegebene Aktorspannung in etwa erreicht ist. Der Sekundärkreis wird beim Laden des Aktors CP über den Auswahlschalter 1 geschlossen.
Die Sekundärwicklung W2 des Transformators 3 ist dagegen in Reihe mit einem Widerstand R3 und einer Parallelschaltung aus einer Diode D3 und einem Schalter S3 geschaltet.
Die Entladung des Aktors CP erfolgt ebenfalls mit pulsweitenmodulierten Signalen dadurch, dass der Entladeschalter S3 pulsförmig leitend und nichtleitend gesteuert wird, wodurch die Aktorspannung sinkt. Dabei fließt der Strom von dem Aktor CP über die Sekundärwicklung W2, den Entladeschalter S3 und den Auswahlschalter 1 zurück zu dem Aktor CP.
Bei jedem Öffnen des Entladeschalters S3 wird ein Teil der Entladeenergie auf die Primärseite des Transformators 3 übertragen und in den Ladekondensator C1 rückgespeichert. Der Primärstromkreis schließt sich über die Diode D2.
Die Ansteuerung des Auswahlschalters 1, des Ladeschalters S2 sowie des Entladeschalters S3 erfolgt durch eine Steuereinheit 4, die hier nur schematisch dargestellt ist.
Hierbei berücksichtigt die Steuereinheit 4 den Ladestrom, den Entladestrom, den Aktorstrom, die Aktorspannung sowie die primärseitige Spannung. Die Steuereinheit 4 weist deshalb mehrere Messeingänge auf, die mit den spannungsseitigen Anschlüssen der Widerstände R1, R2 bzw. R3 sowie mit den spannungsseitigen Anschlüssen der Primärwicklung W1 bzw. der Sekundärwicklung W2 verbunden sind.
Die Steuereinheit 4 kann beispielsweise von einem Mikroprozessor 9 angesteuert werden, wobei zur Vereinfachung lediglich die Schnittstelle 5, über die die Steuerdaten des Mikroprozessors 9 übertragen werden, als Blockpfeil 5 dargestellt ist. Die von dem Mikroprozessor 9 gelieferten Steuerdaten können beispielsweise die Auswahl des jeweiligen Aktors bestimmen. Darüber hinaus kann die Steuereinheit 4 auch die gemessenen Werte des Entladestroms, des Aktorstroms, der Aktorspannung sowie der primärseitigen Spannung an den Mikroprozessor 9 zurückmelden.
Der zeitliche Verlauf des Öffnungs- und Schließverhaltens des von dem Aktor CP angesteuerten Einspritzventils wird durch zwei Steuersignale GRP sowie GRP_ENA festlegt, wobei ein typischer zeitlicher Verlauf der Steuersignale GRP und GRP_ENA in Figur 2 dargestellt ist. Weiterhin zeigt Figur 2 eine Kurve 6, welche die Ventilstellung des von dem Aktor CP entsprechend den Steuersignalen GRP und GRP_ENA angesteuerten Einspritzventils wiedergibt. Die vollständig geöffnete Ventilstellung ("AUF") und die vollständig geschlossene Ventilstellung ("ZU") des Einspritzventils sind hierbei jeweils durch waagerechte gestrichelte Linien dargestellt.
Das zweite Steuersignal GRP_ENA ist als Sequenz in einem Speicher 7 gespeichert und wird von der Steuereinheit 4 aus diesem ausgelesen. Der Speicher 7 kann sowohl innerhalb der Steuereinheit 4 als auch ganz oder teilweise innerhalb eines anwendungsspezifischen Bausteins 8 einem sog. ASIC (Application Specific Integrated Circuit)enthalten sein.
Abhängig von den Eingangsgrößen - wie beispielsweise Informationen über den Betriebszustand einer Brennkraftmaschine wie Drehzahl, Temperatur, Kraftstoffdruck usw. - wird vom Mikroprozessor eine Vorgabe für die Amplitude Lade- und/ oder Entladestroms errechnet. Diese Vorgabe wird wiederum über die Schnittstelle 5 an die Steuereinheit 4 übermittelt, die entsprechend dieser Vorgabe und der durch die Steuersignale GRP und GRP_ENA festgelegten Sequenz den Aktor CP auf- bzw. entlädt.
Es ist also nicht mehr erforderlich, den Auf- und Entladevorgang des Aktors CP anhand von Messungen unmittelbar zu regeln. Vielmehr wird der Lade- bzw. Entladevorgang einfach entsprechend den gespeicherten zeitlichen Verläufen der Steuersignale GRP und GRP_ENA gesteuert.
Die Steuereinheit 4, die Schnittstelle 5 und der Speicher 7 sind hier in einem anwendungsspezifischen Baustein 8 einem sog. ASIC (Application Specific Integrated Circuit) zusammengefasst.
Das Steuersignal GRP löst mit seinen Flanken jeweils eine Ladezeit oder einen Entladezeit aus, wobei eine fallende Flanke des Steuersignals GRP eine Ladezeit startet, wohingegen eine steigende Flanke des Steuersignals GRP_ENA eine Entladezeit auslöst.
Das Steuersignal GRP_ENA ist dagegen pegelaktiv, wobei ein High-Pegel des Steuersignals GRP_ENA eine Lade- oder Entladezeit beendet und dadurch eine Wartezeit einleitet, bis die nächste Flanke des Steuersignals GRP einen weiteren Lade- oder Entladevorgang auslöst.
Darüber hinaus ermöglicht das Steuersignal GRP_ENA auch eine inaktive Flanke des Steuersignals GRP, indem die Auslösung einer Lade- oder Entladezeit bei einem High-Pegel des Steuersignals GRP_ENA gesperrt wird. Auf diese Weise können nacheinander mehrere Ladezeiten gestarten werden, die jeweils durch eine Wartezeit voneinander getrennt sind.
Die Steuerung der Auf- bzw. Entladung des Aktors CP durch die beiden Steuersignale GRP und GRP_ENA wird auch durch das Flußdiagramm in Figur 3 erläutert, auf das im folgenden Bezug genommen.
Eine fallende Flanke des Steuersignals GRP führt hierbei zu einer Aufladung des Aktors CP, wohingegen eine steigende Flanke des Steuersignals GRP eine Entladung des Aktors CP einleitet. Eine Flanke des Steuersignals GRP hat jedoch nur dann eine Auswirkung, wenn diese bei oder kurz vor einem Low-Pegel des Steuersignals GRP ENA auftritt. Dies ist wichtig, da andernfalls auf jeden Ladevorgang ein Entladevorgang folgen müsste. Ein zwischenzeitlicher inaktiver Pegelwechsel des Steuersignals GRP bei einem High-Pegel des Steuersignals GRP_ENA ermöglicht so jedoch mehrere aufeinander folgender Ladevorgänge, die durch eine Wartezeit mit konstantem Ladezustand des Aktors CP getrennt sind.
Durch eine geeignete Vorgabe der Steuersignale GRP und GRP_ENA lässt sich also ein gewünschtes zeitliches Öffnungsund Schließverhalten des von dem Aktor CP angesteuerten Einspritzventils erreichen. So weist die Kurve 6 der Ventilstellung in Figur 2 neben einer vollständig geschlossenen Ventilstellung ZU und einer vollständig geöffneten Ventilstellung AUF mehrere Zwischenstellungen 7-9 auf, in denen das Einspritzventil teilweise geöffnet und teilweise geschlossen ist.
Durch ein derartiges gestuftes Öffnen bzw. Schließen des Einspritzventils lassen sich die strömungsdynamischen Vorgänge beim Einspritzvorgang optimieren.
Zum einen ermöglicht dies eine Verringerung der mit dem Öffnen bzw. Schließen des Einspritzventils verbundenen Geräuschemissionen und Vibrationen, da beispielsweise Kavitation verhindert wird.
Zum anderen kann so der Einspritzvorgang selbst im Hinblick auf Verbrauchssenkung und Schadstoffverringerung optimiert werden.
Figur 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Treiberschaltung, die teilweise mit dem vorstehend beschrieben und in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel übereinstimmt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird deshalb weitgehend auf die vorstehende Beschreibung verwiesen, wobei für übereinstimmende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden, die zur Unterscheidung lediglich durch ein Apostroph gekennzeichnet sind.
Eine Besonderheit dieser Treiberschaltung besteht darin, dass der Transformator 3 in Figur 1 durch eine einzelne Induktivität L ersetzt wird.
Weiterhin ist der Ladeschalter S2' in Reihe mit dem Widerstand R2' und der Diode D3' geschaltet, während der Entladeschalter S3' in Reihe mit dem Widerstand R3' und einer Diode D4 geschaltet ist.
Die Ansteuerung des Ladeschalters S2' und des Entladeschalters S3' erfolgt jedoch in der vorstehend beschriebenen Weise, wobei die Steuersignale GRP und GRP_ENA die Dauer der Lade- und Entladevorgänge festlegen und damit das zeitliche Öffnungs- und Schließverhalten des Einspritzventils bestimmen. Das erfindungsgemäße Steuerverfahren ist also auch bei der Treiberschaltung gemäß Figur 4 einsetzbar.
Die gestrichelten Verbindungen in Figur 4 zeigen eine alternative Beschaltung.
So kann der spannungsseitige Anschluß der Diode D4 auch mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R2' und dem Ladeschalter S2' verbunden sein, wobei die direkte Verbindung der Diode D4 mit dem Spannungswandler 2' getrennt ist.
Weiterhin kann der masseseitige Anschluß der Diode D3' mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Entladeschalter S3' und dem Widerstand R3' verbunden sein, wobei die direkte Masseverbindung der Diode D3' getrennt ist.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Steuern eines Aktors (CP) eines Ventils, insbesondere eines piezoelektrischen Aktors eines Einspritzventils für eine Brennkraftmaschine, wobei der Aktor (CP) nacheinander auf zwei Ladungszustände (AUF, ZU) geladen wird, die jeweils einer Stellung des Ventils entsprechen,
    wobei der Aktor (CP) zur Festlegung eines vorgegebenen zeitlichen Öffnungs- und/oder Schließverhaltens des Ventils beim Aufladen und/oder beim Entladen nacheinander auf mindestens drei unterschiedliche Ladungszustände (AUF, 7-9, ZU) geladen wird, wobei mindestens einer der Ladungszustände (7-9) einem teilweise geöffneten und teilweise geschlossen Ventil entspricht,
    wobei der Aktor (CP) zur Festlegung eines vorgegebenen zeitlichen Öffnungs- und/oder Schließverhaltens des Ventils jeweils für vorgegebene Ladezeiten aufgeladen und/oder für vorgegebene Entladezeiten entladen sowie für vorgegebene Wartezeiten auf einem im Wesentlichen konstanten Ladungszustand gehalten wird,
    wobei die Ladezeiten und/oder die Entladezeiten durch ein erstes Steuersignal (GRP) ausgelöst werden,
    wobei die Ladezeiten und/oder die Entladezeiten durch ein zweites Steuersignal (GRP_ENA) beendet werden, und
    wobei der zeitliche Verlauf des ersten Steuersignals (GRP) und/oder des zweiten Steuersignals (GRP_ENA) zur Festlegung eines bestimmten zeitlichen Öffnungs- und/oder Schließverhaltens des Ventils in Form einer Sequenz aus einem Speicher (7) ausgelesen werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Ladungszustände (AUF, 7-9, ZU) jeweils für eine vorgegebene Wartezeit beibehalten werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Wartezeit kleiner oder größer als die Entladezeit und/oder die Ladezeit ist.
  4. Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ladezeiten und/oder die Entladezeiten jeweils durch eine Flanke des ersten Steuersignals (GRP) ausgelöst werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Flanke des ersten Steuersignals (GRP) eine Ladezeit gestartet wird, während bei einer entgegengesetzten Flanke des ersten Steuersignals (GRP) eine Entladezeit gestartet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sequenzen gespeichert sind, die jeweils ein anderes zeitliches Öffnungs- und/oder Schließverhaltens des Ventils definieren, wobei die Auswahl einer gespeicherten Sequenzen durch ein drittes Steuersignal erfolgt.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung und/oder Speicherung des ersten Steuersignals und/oder des zweiten Steuersignals und/oder des Steuersignals ein Mikroprozessor (9) vorgesehen ist.
  8. Vorrichtung zum Steuern eines Aktors (CP) eines Ventils, insbesondere eines piezoelektrischen Aktors eines Einspritzventils für eine Brennkraftmaschine, die aufweist:
    einen Auswahlschalter (1) zur Auswahl eines Aktors (CP) für einen Lade- oder Entladevorgang,
    einen Spannungswandler (2), der eingangsseitig mit einem Bordnetz und ausgangsseitig über eine Lade- und Entladeein heit (6) mit dem Aktor (CP) verbunden ist,
    einen Speicher (7) und eine Steuereinheit (4), die eine Schnittstelle (5) zu einer Mikroprozessor (9) und eine Schnittstelle zu dem Speicher (7) aufweist, und
    in diesem Speicher (7) Daten (GRP_ENA) gespeichert sind, die den zeitlichen Öffnungs- und/oder Schließverlauf des Aktors (CP) vorgeben.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (7) der Speicher eines Mikroprozessors (9) ist.
  10. Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (8), der die Steuereinheit (4), die Schnittstelle (5) und den Speicher (7) nach Anspruch 8 aufweist.
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