WO2004036016A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung eines piezoaktors - Google Patents

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Johannes-Joerg Rueger
Udo Schulz
Jens-Holger Barth
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1486—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor with correction for particular operating conditions
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    • F02D41/1489—Replacing of the control value by a constant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2250/00—Engine control related to specific problems or objectives
    • F02D2250/14—Timing of measurement, e.g. synchronisation of measurements to the engine cycle

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling a piezo actuator according to the preambles of the independent claims.
  • a method and a device for controlling a piezo actuator are known from EP 11 38902.
  • the voltage that is present at the piezo actuator is detected and evaluated at predetermined times. This evaluation is carried out with a view to a possible regulation of the voltage and / or for monitoring the piezo actuator.
  • Piezo actuators are used in particular in piezo injectors, which in turn are used for fuel metering in internal combustion engines.
  • a piezo injector includes, among other things, a piezoceramic pretensioned with a spring, which essentially behaves like a spring-mass system. If the piezo actuator is charged or discharged in a clocked manner, there is an essentially step-like voltage curve during charging and discharging. Even with a constant electrical charge in the piezo actuator, compressing the piezo actuator leads to a reduction in voltage or expansion leads to an increase in voltage. This leads to an overshoot or undershoot in the voltage.
  • the oscillation of the spring-mass system of the pretensioned piezo actuator generates an overshoot and undershoot. This occurs particularly during and shortly after the end of the charging or discharging process.
  • the fuel pressure also acts on the piezo actuator through hydraulic effects. Through the injection at the end of the charging process or through the termination of the injection, pressure waves in the fuel are triggered, which act on the piezo actuator via hydraulic effects and also excite it to vibrate and thus to voltage vibrations.
  • the voltage oscillations subside.
  • the voltage is therefore usually measured before discharging or before charging.
  • the influence of the voltage oscillations on the measured voltage value increases with short activation times due to the small time interval between the charging process and the measurement time.
  • the amplitude of the voltage oscillation also increases with increasing rail pressure. According to the invention, provision is therefore made for the detection of the voltage values and / or their forwarding to be blocked when certain variables are present.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the procedure according to the invention
  • FIG. 2 shows a flow diagram of the method according to the invention.
  • FIG. 1 An output stage, as is known, for example, from the prior art, is designated by 100. This is acted upon by signals from a controller 110 and a controller 120. Furthermore, a voltage detection 130 is provided, which detects the voltage that drops at the piezo actuator. The voltage U arrives via a logic 140 on the one hand to the regulation 120 and on the other hand to a monitoring 150.
  • the controller 110 sends signals to the output stage 100 which determine the start and the end of the fuel metering. These are calculated by the controller 110 on the basis of sensor signals (not shown) and other variables (not shown), such as the driver's desired torque. Starting from the start and end of the injection, the output stage 100 calculates the point in time at which the piezo actuator is charged or discharged.
  • the voltage to which the piezo actuator is charged is regulated.
  • This voltage regulation is provided in particular to regulate slow changes, which are based in particular on temperature effects, aging and / or long-term drifts.
  • an actual value UI for the voltage is compared with a target value US, which is specified by the control 110, and then a corresponding manipulated variable is passed on to the output stage 100.
  • the voltage detection 130 detects this voltage and then passes it on to the controller 120 or to the monitoring 150 depending on a logic 140. By evaluating the voltage, the monitoring device 150 detects errors in the context of the control or in the area of the piezo actuator. This means that the detected voltage is used for monitoring and / or for forming a control variable.
  • the logic 140 detects whether strong vibrations occur which make it difficult to detect the voltage.
  • the logic 140 blocks the forwarding of the detected voltage value for further evaluation.
  • the logic 140 already blocks the voltage detection and in the no voltage measurement takes place in selected operating states.
  • the logic enables the measurement or the use of the measured voltage values as a function of the rail pressure and the distance between the time at which the voltage is detected and at the end of the charging process and / or the discharging process.
  • step 200 the rail pressure P is recorded.
  • step 210 the detected pressure signal is corrected and a corrected rail pressure PK is determined. This correction takes into account in particular the pressure wave that the fuel passes through at the beginning of the injection and at the end of the injection.
  • step 220 the activation period AD and the charging time LD are determined.
  • the activation period AD corresponds to the time between the start of the charging process and the end of the activation.
  • the charging time LD corresponds to the distance between the start of charging and the end of the charging process.
  • the charging time is preferably recorded, i.e. the end of the charging process is measured and the difference from the start of charging, which is present in the controller 110 and / or in the output stage 100, is formed.
  • an expected charging time which is present in the controller 110 and / or in the output stage 100, is used.
  • the control period AD is also present in the controller 110 and / or in the output stage 100.
  • the distance between the sampling time for the voltage detection and the end of the charging process which is denoted by A, is determined by forming the difference between the activation period AD and the charging period LD.
  • a next step 240 the rail pressure and the time difference A are fed to a map and / or a table in which a value Y is stored, which preferably assumes the value 1 or the value 0.
  • the value 0 preferably indicates that the voltage measurement is blocked and the value 1 that the voltage measurement is enabled.
  • the subsequent query 250 checks whether the value Y assumes the value 0. If this is the case, the voltage measurement is given blocked in step 260. If this is not the case, the voltage measurement is released in step 270. If the voltage measurement is blocked, the regulation 120 is activated by a Control replaced and / or the manipulated variable frozen. This can be achieved, for example, by storing the previous value UI and continuing to use it. Alternatively, it can also be provided that the output signal of the control unit 120 is stored and used further.
  • the blocking occurs depending on the fuel pressure and / or on a variable that characterizes the distance between the time of the voltage measurement and the end of the charging process and / or the charging process of the actuator.
  • the last unlocked voltage value is used for regulation and / or monitoring. That means the voltage value is frozen.
  • the last manipulated variable used before the block can be used for control. In the case of regulation, this means that the output signal of the regulator with which the actuator is controlled is frozen.
  • the activation period AD of the actuator and / or the delivery period of the injector is evaluated.
  • the voltage measurement is blocked and / or the transmission is prevented if the activation period AD and / or the delivery period is less than a threshold value.
  • the threshold value preferably depends on the rail pressure.
  • the activation period AD, the delivery period and / or the relationship between the activation period and the charging time is processed instead of size A.

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Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Piezoaktors beschrieben. Die Spannung, die an dem Piezoaktor anliegt, wird zu einem vorgegebenen Zeitpunkt erfasst. Bei Vorliegen bestimmter Grössen wird die Spannungserfassung und/oder die Weitergabe eines erfassten Spannungswerts gesperrt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Piezoaktors
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Piezoaktors gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Piezoaktors sind aus der EP 11 38902 bekannt. Bei der dort beschriebenen Vorgehensweise wird die Spannung, die an dem Piezoaktor anliegt, zu vorgegebenen Zeitpunkten erfasst und ausgewertet. Diese Auswertung erfolgt mit Blick auf eine mögliche Regelung der Spannung und/oder zur Überwachung des Piezoaktors.
Piezoaktoren werden insbesondere in Piezoinjektoren eingesetzt, die wiederum zur Kraftstoffzumessung in Brennkraftmaschinen verwendet werden. Ein solcher Piezoinjektor umfasst u.a. eine mit einer Feder vorgespannte Piezokeramik, die sich im Wesentlichen wie ein Feder-Masse-System verhält. Erfolgt das Laden bzw. Entladen des Piezoaktors stromgetaktet, so ergibt sich ein im Wesentlichen stufenförmiger Spannungsverlauf beim Laden und Entladen. Auch bei einer gleichbleibenden elektrischen Ladung im Piezoaktor führt ein Zusammendrücken des Piezoaktors zu einer Spannungsverringerung bzw. eine Ausdehnung führt zu einer Spannungserhöhung. Dies fuhrt zu einem Über- bzw. einem Unterschwinger bei der Spannung. Dies bedeutet insgesamt, dass das Schwingen des Feder-Masse-Systems des vorgespannten Piezoaktors eine Spannungsüber- und unterschwingen erzeugt. Dies tritt insbesondere während und kurz nach dem Ende des Lade- bzw. Entladevorgangs auf. Des weiteren wirkt der Kraftstoffdruck ebenfalls durch hydraulische Effekte auf den Piezoaktor ein. Durch die Einspritzung am Ende des Ladevorgangs bzw. durch das Beenden der Einspritzung werden Druckwellen im Kraftstoff ausgelöst, die über hydraulische Effekte auf den Piezoaktor einwirken und diesen ebenfalls zu Schwingungen und damit zu Spannungsschwingungen anregen.
Nach dem Ende des Lade- bzw. Entladevorgangs klingen die Spannungsschwingungen ab. Üblicherweise wird daher die Spannung vor dem Entladen bzw. vor dem Laden gemessen. Der Einfluss der Spannungsschwingungen auf den gemessenen Spannungswert wird bei kleinen Ansteuerdauern auf Grund des kleinen zeitlichen Abstandes zwischen dem Ladevorgang und dem Messzeitpunkt größer. Die Amplitude der Spannungsschwingung nimmt mit zunehmendem Raildruck ebenfalls zu. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass bei Vorliegen bestimmter Größen die Erfassung der Spannungswerte und/oder deren Weiterleitung gesperrt wird.
Vorteile der Erfindung
Dadurch, dass bei Vorliegen bestimmter Größen die Erfassung bzw. die Weiterleitung der Spannungswerte unterbunden wird, kann die Genauigkeit der Spannungserfassung und der hieraus abgeleiteten Größen deutlich verbessert werden. Dadurch wird die Genauigkeit der Ansteuerung des Piezoaktors und damit die Einspritzung deutlich verbessert. Dies führt wiederum dazu, dass das Abgasverhalten, das Geräusch und die Laufruhe der Brennkraftmaschine sich deutlich verbessert.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsformen erläutert.
Es zeigen
Figur 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorgehensweise Figur 2 ein Flussdiagramm des erfϊndungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 sind die wesentlichen Elemente der erfindungsgemäßen Vorgehensweise dargestellt. Eine Endstufe, wie sie beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist mit 100 bezeichnet. Diese wird von einer Steuerung 110 und einer Regelung 120 mit Signalen beaufschlagt. Des weiteren ist eine Spannungserfassung 130 vorgesehen, die die Spannung, die an dem Piezoaktor abfallt, erfasst. Die Spannung U gelangt über eine Logik 140 zum einen zu der Regelung 120 und zum anderen zu einer Überwachung 150.
Die Steuerung 110 gibt Signale an die Endstufe 100, die den Beginn und das Ende der Kraftstoffzumessung festlegen. Diese werden von der Steuerung 110 ausgehend von nicht dargestellten Sensorsignalen und anderen, nicht dargestellten Größen, wie beispielsweise dem Fahrerwunschmoment, berechnet. Ausgehend von dem Beginn und dem Ende der Einspritzung berechnet die Endstufe 100 den Zeitpunkt, bei dem der Piezoaktor geladen bzw. entladen wird.
Es ist vorgesehen, dass die Spannung, auf die der Piezoaktor aufgeladen wird, geregelt wird. Diese Spannungsregelung ist insbesondere vorgesehen, um langsame Änderungen, die insbesondere auf Temperatureffekten, auf Alterung und/oder Langzeitdriften beruhen, auszuregeln. Hierzu ist es vorgesehen, dass ein Istwert UI für die Spannung mit einem Sollwert US, der von der Steuerung 110 vorgegeben wird, verglichen und dann eine entsprechende Stellgröße an die Endstufe 100 weitergegeben wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Spannungserfassung 130 diese Spannung erfasst und dann abhängig von einer Logik 140 an die Regelung 120 bzw. an die Überwachung 150 weiter gibt. Durch Auswerten der Spannung erkennt die Überwachung 150 auf Fehler im Rahmen der Ansteuerung oder im Bereich des Piezoaktors. Dies bedeutet, dass die erfasste Spannung zur Überwachung und/oder zur Bildung einer Steuergröße verwendet wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Logik 140 erkennt, ob starke Schwingungen auftreten, die eine Erfassung der Spannung erschweren. Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Logik 140 die Weiterleitung des erfassten Spannungswerts zur weiteren Auswertung sperrt. Erfϊndungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass die Logik 140 bereits die Spannungserfassung sperrt und in den ausgewählten Betriebszuständen keine Spannungsmessung erfolgt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Logik die Freigabe der Messung bzw. die Verwendung der gemessenen Spannungswerte in Abhängigkeit vom Raildruck und des Abstandes des Zeitpunktes bei dem die Spannungserfassung erfolgt und zum Ende des Ladevorgangs und/oder des Entladevorgangs durchführt.
Die erfϊndungsgemäße Vorgehensweise ist detaillierter in Figur 2 dargestellt. In einem ersten Schritt 200 wird der Raildruck P erfasst. Im Schritt 210 wird das erfasste Drucksignal korrigiert und ein korrigierter Raildruck PK ermittelt. Diese Korrektur berücksichtigt insbesondere die Druckwelle, die den Kraftstoff zum Beginn der Einspritzung und am Ende der Einspritzung durchläuft. In einem weiteren Schritt 220 wird die Ansteuerdauer AD und die Ladezeit LD ermittelt. Die Ansteuerdauer AD entspricht der Zeit zwischen dem Beginn des Ladevorgangs und dem Ende der Ansteuerung. Die Ladezeit LD entspricht dem Abstand zwischen dem Beginn des Ladens und dem Ende des Ladevorgangs.
Die Ladezeit wird vorzugsweise erfasst, d.h. es wird das Ende des Ladevorgangs gemessen und die Differenz zum Beginn des Ladens, der in der Steuerung 110 und/oder in der Endstufe 100 vorliegt, gebildet. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass eine erwartete Ladezeit, die in der Steuerung 110 und/oder in der Endstufe 100 vorliegt, verwendet wird. Die Ansteuerdauer AD liegt ebenfalls in der Steuerung 110 und/oder in der Endstufe 100 vor.
Im nachfolgenden Schritt 230 wird der Abstand des Abtastzeitpunktes für die Spannungserfassung und dem Ende des Ladevorgangs, die mit A bezeichnet wird, durch Differenzbildung zwischen der Ansteuerdauer AD und der Ladedauer LD ermittelt.
In einem nächsten Schritt 240 wird der Raildruck und die Zeitdifferenz A einem Kennfeld und/oder einer Tabelle zugeführt, in der ein Wert Y abgelegt wird, der vorzugsweise den Wert 1 oder den Wert 0 annimmt. Der Wert 0 zeigt vorzugsweise an, dass die Spannungsmessung gesperrt und der Wert 1, dass die Spannungsmessung frei gegeben wird. Die anschließende Abfrage 250 überprüft, ob der Wert Y den Wert 0 annimmt. Ist dies der Fall, so wird in Schritt 260 die Spannungsmessung gesperrt gegeben. Wenn dies nicht der Fall ist, wird in Schritt 270 die Spannungsmessung frei gegeben. Ist die Spannungsmessung gesperrt, so wird die Regelung 120 durch eine Steuerung ersetzt und/oder die Stellgröße eingefroren. Dies kann zum Beispiel dadurch realisiert werden, dass der bisherige Wert UI abgespeichert und weiterhin verwendet wird. Alternativ kann auch vorgesehen werden, dass das Ausgangssignal der Regelung 120 abgespeichert und weiter verwendet wird.
Erfindungsgemäß erfolgt abhängig vom Kraftstoffdruck und/oder abhängig von einer Größe, die den Abstand des Zeitpunktes der Spannungsmessung vom Ende des Ladevorganges und/oder des Ladevorganges des Aktors charakterisiert, die Sperrung. Bei einer Sperrung wird der letzte nicht gesperrte Spannungswert zur Regelung und/oder Überwachung verwendet. Das heißt der Spannungswert wird eingefroren. Ferner kann bei einer Sperrung die letzte vor der Sperrung verwendete Stellgröße zur Steuerung verwendet werden. Dies bedeutet bei einer Regelung, dass das Ausgangssignal des Reglers, mit dem das Stellglied angesteuert wird, eingefroren wird.
Alternativ zu den dargestellten Größen können auch noch andere Größen verwendet werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Freigabe abhängig davon erfolgt, in welchem Verhältnis die Ansteuerdauer und die Ladezeit stehen. D.h. es erfolgt eine Quotientenauswertung.
Des weiteren kann vorgesehen sein, dass lediglich die Ansteuerdauer AD des Aktors und/oder die Förderdauer des Injektors. Das heißt es wird der Abstand zwischen dem Ende des Ladevorgangs und dem Beginn des Entladevorgangs und/oder der Abstand zwischen dem Beginn und dem Ende der Kraftstoffzumessung ausgewertet. So kann vorgesehen sein, dass die Spannungsmessung gesperrt und/oder die Weiterleitung unterbunden wird, wenn die Ansteuerdauer AD und/oder die Förderdauer kleiner als ein Schwellenwert ist. Vorzugsweise hängt der Schwellenwert vom Raildruck ab.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Ansteuerdauer AD, die Förderdauer und/oder das Verhältnis zwischen Ansteuerdauer und der Ladezeit an Stelle der Größe A verarbeitet wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Steuerung eines Piezoaktors, wobei die Spannung, die an dem Piezoaktor anliegt, zu einem vorgegebenen Zeitpunkt erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen bestimmter Größen die Spannungserfassung und/oder die Weitergabe eines erfassten Spannungswerts gesperrt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswert zur Überwachung und/oder zur Bildung einer Steuergröße verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von einem Kraftstoffdruck die Sperrung erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von einer Größe, die den Abstand des Zeitpunktes der Spannungsmessung vom Ende des Ladevorganges und/oder des Entladevorganges des Aktors charakterisiert, die Sperrung erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von einer Ansteuerdauer des Piezoaktors die Sperrung erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von einer Ladezeit des Piezoaktors die Sperrung erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von einer Differenz zwischen einer Ansteuerdauer und einer Ladezeit des Piezoaktors die Sperrung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von einer Förderdauer eines von dem Piezoaktors betätigtem Stellelement die Sperrung erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Sperrung der letzte nicht gesperrte Spannungswert zur Regelung und/oder Überwachung verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Sperrung die letzte vor der Sperrung verwendete Stellgröße zur Steuerung verwendet wird.
11. Vorrichtung zur Steuerung eines Piezoaktors, wobei die Spannung, die an dem Piezoaktor anliegt, zu einem vorgegebenen Zeitpunkt erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die bei Vorliegen bestimmter Größen die Spannungserfassung und/oder die Weitergabe eines erfassten Spannungswerts sperren.
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