WO2018015241A1 - Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung eines piezoaktors eines einspritzventils eines kraftfahrzeugs - Google Patents

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Michael Kausche
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling a piezoelectric actuator of an injection valve of a motor vehicle.
  • Many fuel injection systems operate on the common rail principle and use piezoelectrically operated injection valves.
  • one or more injectors which can be selectively opened and closed, are located at each combustion chamber. During the opening of the injection valves, fuel reaches the interior of the combustion chamber and burns there. From a combustion and exhaust technical point of view and comfort reasons a very accurate dosage of the injected fuel amount is required.
  • a control or regulation of the injection processes is carried out by a control unit.
  • This control unit provides the control signals required by the final stage of the injection system.
  • the control unit operates according to a stored work program and stored maps and evaluates sensor signals that are supplied by arranged in the injection system sensors.
  • control signals In the determination of said control signals is the way how the fuel is brought a ⁇ into the respective combustion chamber is of great importance. This is implemented by a suitable injection curve shaping, by which undesirable exhaust emissions can be avoided.
  • a major influencing factor for an exact fuel injection is the implementation of a respective Inj ektorstromverlaufsvorgabe, which is directly or indirectly proportional to the desired injection valve movement and thus to the course of injection.
  • a Inj ektorstromverlaufsvorgabe as precisely as possible to be able to illustrate ⁇ , it requires a precise injection timing and a consideration of component variations in the control device, the leads and the injector.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for controlling a piezoelectric actuator of an injection valve of a fuel injection system at which the accuracy of an injection process at the same time ⁇ higher flexibility in the control of the injection valve is further improved.
  • This object is achieved by a method having the features specified in claim 1 and by a device having the features specified in claim 4.
  • interference frequencies can be caused for example by electromagnetic oscillations in the circuit (resonant circuit) or from the outside by electromagnetic interference.
  • FIG. 1 shows an illustration of a current-controlled piezo output stage
  • FIG. 2 shows a sketch for illustrating the comparator behavior during the charging process
  • FIG from the piezo-voltage which describe 3 sketches illustrating current waveforms for the charging process and the discharging process of a piezoelectric actuator in dependence from ⁇ a characteristic of the power amplifier.
  • FIG. 4 shows sketches for the purpose of illustrating the determination of the current supply data
  • FIG. 5 a sketch to illustrate the relationship between the calculated charging time and the nominal current
  • FIG. 6 shows diagrams for illustrating a voltage profile, a current profile and a
  • FIG. 7 a sketch to illustrate the adaptation of stored current / voltage characteristics
  • Figure 8 shows sketches illustrating the determination of the desired behavior of the injector taking into account the actual behavior of the actuator (power amplifier) and
  • Figure 9 is a block diagram of a control device.
  • FIG. 1 shows a representation of a current-controlled piezo output stage, which can be used in a method for controlling a piezoelectric actuator of an injection valve of a Kraftstoffein- injection system.
  • This piezo amplifier has a 2-quadrant
  • Buck-boost converter to which a buck converter Tl, D2 and a boost converter T2, Dl belong.
  • the transistor Tl of the buck converter which is realized as a field effect transistor, is driven by a control signal sl.
  • the transistor T2 of the boost converter which is also realized as a field effect transistor, is driven by a control signal s2.
  • the Control signals sl and s2 are provided ⁇ by a control unit, as will be explained in connection with FIG. 6
  • Buck-boost converter is connected to a terminal of a Zwi ⁇ schenkondensators C z whose other terminal is grounded.
  • a voltage U z which is referred to below as an intermediate voltage.
  • the connection point between the diodes Dl and D2 is connected to a terminal of a coil L, which is the main inductance of the piezo output stage.
  • the other terminal of this main inductance is connected to the piezoelectric actuator P via a low pass Rl / Cl.
  • a current i flows through the coil L, a current i P flows through the piezoactuator.
  • a voltage U P drops, which is referred to below as a piezoelectric voltage.
  • the topology of the illustrated piezo output stage can be simplified by an anti-parallel connection of the buck converter and the boost converter.
  • the operating modes of this piezo output stage are characterized in that the coil current i of the main inductance L is greater than zero in the step-down mode and less than zero in the step-up mode. At the same time, no overlap of these two operating modes occurs in the piezo output stage. Therefore, as shown in FIG. 1, it is sufficient to use only one coil as the main inductance.
  • the voltage applied to the coil corresponds to the beginning of the Charging approximately the value of the provided by the voltage source Q DC voltage U Q.
  • the diode D2 acts free-running, so that the load current can continue to flow.
  • the piezoelectric actuator P is fed by the coil.
  • the discharge of the piezoelectric actuator P is performed using the boost converter, wherein the piezoelectric actuator P acts as a voltage source.
  • the coil current i is less than zero.
  • the boost converter in the charging phase of the boost converter is operated in the discharge phase pulse width modulated.
  • the on ⁇ switching phase of T2 first adjusts to a freewheel. This means that the current flows through the switch T2, so that the current flowing through the coil increases.
  • the off ⁇ switching phase of T2 is a feeding back through both diodes D and D2 instead of the voltage source Q. In this case, the current flows from the load, ie the piezoelectric actuator P, back into the source Q via the coil L.
  • the differential current the following relationship applies:
  • the current is plotted in amperes and to the right the time in milliseconds.
  • the curve K1 represents the actual current flowing through the coil L
  • the curve K2 a desired setpoint current corresponding to an upper comparator threshold
  • the curve K3 the zero value of the current forming a lower comparator threshold
  • the curve K4 the one by the Piezo actuator P flowing actual current.
  • the desired nominal current of the coil L is compared with the associated actual current. For example, when loading the piezoelectric actuator after switching on the switch Tl the actual current exceeds the predetermined target current, then the comparator output switches off the switch Tl, so that the actual current decreases again. If the decreasing actual current reaches the zero crossing, then Tl is switched on again. These processes are repeated until a desired predetermined charging time has been reached.
  • Pulse width modulation can be used.
  • Another specific mode is, for example, a pulse-controlled operation of said first pulses due to the minimum switching time ⁇ behavior of the switch used to use.
  • the curves shown in FIGS. 3a and 3b are curve profiles which were determined before the startup of the injection system for a reference output stage and were stored in a memory.
  • the current / voltage characteristics actually present deviate from the respective reference characteristics shown in FIG. In particular, they are shifted up, down, to the right or to the left. Consequently, there is in actual operation a deviating from the respective reference characteristic curve, one from ⁇ softening total charge / energy and as a result, a modified injection process before.
  • I [%] is the nominal piezoelectric current
  • the main advantage here is that a complex storage and readout of the current values for the iteration process described below can be avoided.
  • i_step f (v_step, cur_step) (see equation (6))
  • v_step v_step + (i_step ⁇ dt) / (q_stat / (v_stat - (R_piezo ⁇ i_step)))
  • i_step absolute current state from the polynomial model [A]
  • q_step state of charge [As]
  • step_cur_l step size of the set current in case of increase functions [%]
  • dt time step size [s]
  • q_stat steady setpoint value (model input) [As]
  • v_stat stationary setpoint voltage value (model input) [V]
  • R_piezo ohmic resistance of the piezoactuator [ohm].
  • FIG. 4 shows the calculated current (I_LOAD / i_step), voltage (V_REF / v_step) and charge characteristics (Q_REF / q_step) in the case of a trapezoidal nominal current specification (CUR_CHA / cur_step) as a function of the charging time (T_CHA).
  • CUR_CHA / cur_step trapezoidal nominal current specification
  • the individual curves each correspond to a specific trapezoid configuration consisting of rising current edge, holding phase and falling current edge. It turns out that each configuration corresponds to exactly one charging time, if the same end values for voltage and charge are to be achieved.
  • FIG. 5 shows a sketch to illustrate the To ⁇ sammenhangs between the calculated charging time T_CHA and the target value of the current at CUR_CHA different setpoints for the stationary end voltage or finishing charge.
  • FIG. 6 shows diagrams for illustrating the course of the piezoelectric voltage over time, the course of the piezoelectric current over time, and a current / voltage characteristic of the final stage derived therefrom. Said current profile and said voltage profile are determined using sensors whose output signals to the control unit via
  • a / D converter are supplied.
  • the control unit filters out the influence of undesired interference frequencies as well as an adaptation of the already stored current / voltage characteristic by the newly determined
  • FIG. 7 shows a sketch to illustrate the adaptation of stored current / voltage characteristics.
  • the solid lines are the stored standard characteristics of the output stage, which can be described by the mentioned polynomial.
  • the dashed lines are the actual characteristic curves created in the control unit for an individual injection system.
  • the deviation between the gradients represents the necessary adaptation of the norm characteristic (polynomial).
  • the illustrated arrows characterize the necessary adaptation of the respective norm characteristic determined by the polynomial model to the respective actual characteristic.
  • FIG. 8 shows sketches for illustrating the determination of the desired behavior of the piezoelectric current during a subsequent injection process.
  • Actual state of the injection system descriptive sensor signals a determination of the desired actual behavior of the piezoelectric current over time and a determination of the desired actual behavior of the piezoelectric voltage over time. Of the desired actual behavior of the piezo current and the desired actual behavior of the piezo voltage, a determination is then carried out using the istpei ⁇ cherten current / voltage characteristics of the
  • Target curve of the piezoelectric current over time This determined desired course is adapted to the individually present injection system, ie was determined taking into account the tolerances and the line system of the individually present injection system. Temperaturchan ⁇ speeds of the output stage characteristic are taken into account, since the time constant of the temperature response is considerably greater than the time constant, by means of which the stored
  • FIG. 9 shows a block diagram of a control unit 1, which provides the apparent from the figure 1 control signals sl and s2 for the transistors Tl and T2 of the buck-boost converter.
  • This control unit 1 has a determination unit 2 which determines input parameters e1,..., Em using input variables p1,..., Pn for the regression model 4 using work programs and characteristic diagrams stored in a memory 3.
  • the stored maps include, inter alia, a map which as Norm Point. Reference curves empirically determined
  • the regression model 4 which as described above is a polynomial regression model, which performs a regression in the form of a two-dimensional polynomial having coefficients a to f, determines from the input parameters supplied to it excitation data, to which preferably one Bestromungsdauer BD and a target current SS, in percent, include. Furthermore, the regression model determines from the 4 ⁇ supplied thereto input parameters preferably also an absolute current AS, given as a percentage, which is supplied to an external controller. 6
  • the aforementioned energization data BD and SS are supplied to a conversion unit 5, which converts the ascertained current supply data into the control signals s1 and s2 for the transistors T1 and T2.
  • the input signals el,..., Em of the control unit 1 are data which describe or characterize the instantaneous operating point of the injection system. These data provided by sensors include For example, information about the fuel pressure in the rail of the internal combustion engine, information about the position of the accelerator pedal, information about fuel temperature before the high-pressure fuel pump and information about the temperature of the piezoelectric actuator. Furthermore, the input signals el,..., Em sensor signals which describe the course of the current i P flowing through the piezoelectric actuator P during an injection process and the course of the voltage U P falling on the piezoelectric actuator P during the injection process. The consideration of this current profile and the voltage curve provides conclusions about the individual behavior of each existing injection system including the respective existing lines and existing components in the control unit, especially the power output stage, as shown in Figure 1.
  • the input parameters ⁇ ,.,., ⁇ of the regression model 4 are, in particular, information about the desired piezo voltage and / or information about the desired piezo charge and about information about the temperature of the piezoelectric system
  • Piezoelectric actuator Preferably, among the input parameters of the regression model further also information about the desired opening behavior of the injector, information ⁇ functions over a desired oscillation behavior of the piezo actuator, information on system-specific parameters, such as the internal resistance of the piezoelectric actuator and in ⁇ formations on other constraints of the injection system, For example, information about a maximum available for the energization time window.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils eines Kraftstoffeinspritzsystems mit folgenden Schritten: Ermittlungvon Ansteuersignalen für den Piezoaktor unter Verwendung einer abgespeicherten Strom-/Spannungskennlinie zur Durchführung eines Einspritzvorganges, Erfassung des Verlaufes des während des Einspritzvorganges durch den Piezoaktor fließenden Stromes und des Verlaufes der während des Einspritzvorganges am Piezoaktor anliegenden Spannung, Adaption der abgespeicherten Strom-/Spannungskennlinie unter Verwendung des erfassten Stromverlaufes und des erfassten Spannungsverlaufes und Ermittlung von Ansteuersignalen für den Piezoaktor unter Verwendung der abgespeicherten, adaptierten Strom-/Spannungskennlinie zur Durchführung eines nachfolgenden Einspritzvorganges. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur An- steuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils eines Kraftstoffeinspritzsystems.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils eines Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils eines Kraftfahrzeugs .
Viele Kraftstoffeinspritzsysteme arbeiten nach dem Com- mon-Rail-Prinzip und verwenden piezoelektrisch betriebene Einspritzventile. Dabei befinden sich an jeder Brennkammer ein oder mehrere Einspritzventile, welche gezielt geöffnet und geschlossen werden können. Während der Öffnung der Einspritzventile gelangt Kraftstoff in das Innere der Brennkammer und verbrennt dort. Aus verbrennungstechnischer bzw. abgastechnischer Sicht und aus Komfortgründen ist eine sehr genaue Dosierung der eingespritzten Kraftstoffmenge erforderlich.
Eine Steuerung bzw. Regelung der Einspritzvorgänge erfolgt durch ein Steuergerät. Dieses Steuergerät stellt die von der Endstufe des Einspritzsystems benötigten Steuersignale zur Verfügung. Zur Ermittlung dieser Steuersignale arbeitet das Steuergerät nach einem abgespeicherten Arbeitsprogramm und abgespeicherten Kennfeldern und wertet dabei Sensorsignale aus, die von im Einspritzsystem angeordneten Sensoren geliefert werden.
Bei der Ermittlung der genannten Steuersignale ist die Art und Weise, wie der Kraftstoff in die jeweilige Brennkammer ein¬ gebracht wird, von großer Bedeutung. Dies wird durch eine jeweils geeignete Einspritzverlaufsformung umgesetzt, durch welche unerwünschte Abgasemissionen vermieden werden können. Ein großer Einflussfaktor für eine exakte Kraftstoffeinspritzung ist die Umsetzung einer jeweiligen Inj ektorstromverlaufsvorgabe, die direkt oder indirekt proportional zur gewünschten Einspritzventilbewegung und damit zum Einspritzverlauf ist. Um eine Inj ektorstromverlaufsvorgabe möglichst präzise dar¬ stellen zu können, bedarf es eines exakten Einspritztimings und einer Berücksichtigung von Bauteilstreuungen im Steuergerät, den Zuleitungen und des Injektors.
In der Praxis werden die genannten Bauteile aus Kostengründen mit vergleichsweise großen Toleranzen ausgestattet, wobei diese vergleichsweise großen Toleranzen unerwünschte Einflüsse auf die Genauigkeit der Kraftstoffeinspritzung haben.
Bisher wurden in vielen Fällen diese unerwünschten Einflüsse auf die Genauigkeit in Kauf genommen.
In anderen Fällen wurden diese vergleichsweise großen Bau- teiltoleranzen als Summe aller Fehler im Einspritzverlauf oder als Fehler der gesamten Einspritzmenge berücksichtigt oder es wurden Regler zur Energiegleichstellung oder Ladungsmengengleichstellung verwendet. Dabei gab es jedoch stets das Problem von unerwünschten Totzeiten und unerwünschten Regeltoleranzen. Zudem wurde stets nur die Summe der Fehler am Ende eines La¬ dungsvorganges betrachtet und es erfolgte eine Korrektur auf dieser Basis. Der Entladevorgang wurde dabei häufig nicht betrachtet . Des Weiteren ist es bekannt, zur Ansteuerung eines Piezoaktors als Standardstromform eine Trapezform mit vorgegebenen Anstiegsund Abfallzeiten zu einem bzw. von einem jeweils gewünschten Maximalstrom zu verwenden. Des Weiteren ist es bekannt, zur Erhöhung der Flexibilität eines Einspritzvorganges die genannte Trapezform durch eine mehrere Stufen aufweisende Stromform zu ersetzen, um das Verbrennungsergebnis und damit die Emissionen positiv beeinflussen zu können .
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils eines Kraftstoffeinspritzsystems anzugeben, bei welchen die Genauigkeit eines Einspritzvorganges bei gleich¬ zeitig höherer Flexibilität in der Ansteuerung des Ein- spritzventils weiter verbessert ist. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 4 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen .
Bei einem Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen werden zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils eines Kraftstoffeinspritzsystems folgende Schritte durchge¬ führt :
- Ermittlung von Ansteuersignalen für den Piezoaktor unter
Verwendung einer abgespeicherten Strom-/Spannungskennlinie zur Durchführung eines Einspritzvorganges,
- Erfassung des Verlaufes des während des Einspritzvorganges durch den Piezoaktor fließenden Stromes und des Verlaufes der während des Einspritzvorganges am Piezoaktor anliegenden
Spannung,
- Adaption der abgespeicherten Strom-/Spannungskennlinie unter Verwendung des erfassten Stromverlaufes und des erfassten Spannungsverlaufes und
- Ermittlung von Ansteuersignalen für den Piezoaktor unter Verwendung der abgespeicherten, adaptierten
Strom-/Spannungskennlinie zur Durchführung eines nachfol¬ genden Einspritzvorganges. Bei diesem Verfahren werden während eines kompletten Einspritzvorganges der Verlauf des durch den Piezoaktor fließenden Stromes und der Verlauf der am Piezoaktor abfallenden Spannung erfasst und zur Adaption einer abgespeicherten
Strom-/Spannungskennlinie verwendet, welche wiederum zur Er- mittlung der Ansteuersignale für einen nachfolgenden Einspritzvorgang verwendet werden. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die Charakteristik der individuell vorhandenen Endstufe bei der Ermittlung der An- steuersignale für die Einspritzvorgänge berücksichtigt wird. Bei dieser Vorgehensweise werden insbesondere Bauteilstreuungen im Steuergerät, den Zuleitungen und im Injektor bei der Ermittlung der Steuersignale für die Einspritzvorgänge berücksichtigt. Folglich werden die genannten Steuersignale unter Berücksichtigung des realen Endstufenverhaltens der individuell vorhandenen Endstufe ermittelt. Dies ermöglicht eine Vorhersage des Verhaltens der individuell vorliegenden Endstufe bei der Ermittlung der Sollstromvorgabe für einen jeweils nachfolgenden Einspritzvorgang derart, dass ein jeweils gewünschter Iststromverlauf erhalten wird. Diese Ermittlung der Sollstromvorgabe erfolgt unter Berücksichtigung des Ist-Verhaltens des individuell vorliegenden Einspritzsystems und ist vorzugsweise eine freie, von der Trapezform unabhängige Sollstromabgabe.
Mittels des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens können auch höhere Anforderungen an die Reduzierung des Abgasausstosses zukünftiger Kraftfahrzeuge erfüllt werden.
In vorteilhafter Weise erfolgt vor der Adaption der abgespeicherten Strom-/Spannungskennlinie unter Verwendung des erfassten Stromverlaufes und des erfassten Spannungsverlaufes eine Filterung des Stromverlaufes und des Spannungsverlaufes, um Einflüsse unerwünschter Störfrequenzen auf die Ermittlung der Steuersignale für einen nachfolgenden Einspritzvorgang zu verhindern oder zumindest stark zu reduzieren. Derartige Störfrequenzen können beispielsweise durch elektromagnetische Schwingungen in der Schaltung (Schwingkreis) oder von außen durch elektromagnetische Störungen entstehen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt:
Figur 1 eine Darstellung einer stromgesteuerten Piezoendstufe, Figur 2 eine Skizze zur Veranschaulichung des Komparatorver- haltens während des Ladevorganges, Figur 3 Skizzen zur Veranschaulichung von Stromverläufen für den Ladeprozess und den Entladeprozess eines Piezoaktors in Ab¬ hängigkeit von der Piezospannung, welche eine Charakteristik der Endstufe beschreiben.
Figur 4 Skizzen zur Veranschaulichung der Ermittlung der Bestromungsdaten,
Figur 5 eine Skizze zur Veranschaulichung des Zusammenhang zwischen der berechneten Ladezeit und dem Soll-Strom,
Figur 6 Diagramme zur Veranschaulichung eines Spannungsverlaufes, eines Stromverlaufes und eines
Strom-/Spannungsdiagrammes ,
Figur 7 eine Skizze zur Veranschaulichung der Adaption von abgespeicherten Strom-/Spannungskennlinien,
Figur 8 Skizzen zur Veranschaulichung der Ermittlung des Sollverhaltens des Einspritzventils unter Berücksichtigung des Ist-Verhaltens des Stellgliedes (Endstufe) und
Figur 9 eine Blockdarstellung eines Steuergerätes.
Die Figur 1 zeigt eine Darstellung einer stromgesteuerten Piezoendstufe, die bei einem Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils eines Kraftstoffein- spritzsystems verwendet werden kann.
Diese Piezoendstufe weist einen 2-Quadranten
Buck-Boost-Konverter auf, zu welchem ein Tiefsetzsteller Tl, D2 und ein Hochsetzsteller T2, Dl gehören. Der Transistor Tl des Tiefsetzstellers, welcher als Feldeffekttransistor realisiert ist, wird von einem Steuersignal sl angesteuert. Der Transistor T2 des Hochsetzstellers, der ebenfalls als Feldeffekttransistor realisiert ist, wird von einem Steuersignal s2 angesteuert. Die Steuersignale sl und s2 werden von einem Steuergerät bereit¬ gestellt, wie noch im Zusammenhang mit Figur 6 erläutert wird.
Der Verbindungspunkt zwischen den Dioden Dl und D2 des
Buck-Boost-Konverters ist mit einem Anschluss eines Zwi¬ schenkondensators Cz verbunden, dessen anderer Anschluss auf Masse liegt. An diesem Zwischenkondensator Cz liegt eine Spannung Uz an, die nachfolgend als Zwischenspannung bezeichnet wird. Des Weiteren ist der Verbindungspunkt zwischen den Dioden Dl und D2 mit einem Anschluss einer Spule L verbunden, bei der es sich um die Hauptinduktivität der Piezoendstufe handelt. Der andere Anschluss dieser Hauptinduktivität ist über einen Tiefpass Rl/Cl mit dem Piezoaktor P verbunden. Durch die Spule L fließt ein Strom i, durch den Piezoaktor ein Strom iP. Am Piezoaktor fällt eine Spannung UP ab, die nachfolgend als Piezospannung bezeichnet wird .
Die Topologie der dargestellten Piezoendstufe lässt sich vereinfacht durch eine Antiparallelschaltung des Tiefsetz- stellers und des Hochsetzstellers beschreiben. Die Betriebsarten dieser Piezoendstufe zeichnen sich dadurch aus, dass der Spulenstrom i der Hauptinduktivität L im Tiefsetzbetrieb größer als Null und im Hochsetzbetrieb kleiner als Null ist. Dabei tritt in der Piezoendstufe keine Überdeckung dieser beiden Be- triebsarten auf. Deshalb genügt -wie es in der Figur 1 dargestellt ist- eine Verwendung nur einer Spule als Hauptinduktivität.
In der TiefSetzbetriebsart wird der Piezoaktor P geladen. Bei diesem Laden wird der Schalter Tl durch Pulsweitenmodulation abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Während der Einschaltzeit von Tl wirkt die Diode D2 zunächst sperrend und der durch die Spule L fließende Strom steigt an. Dabei wird in der als magnetischer Speicher dienenden Spule Energie aufgebaut. Dabei steigt der Strom gleichmäßig nach der in der nachfolgenden Gleichung (1) angegebenen Beziehung an: i = 1/L Judt (1) .
Die an der Spule anliegende Spannung entspricht am Beginn des Ladevorgangs näherungsweise dem Wert der von der Spannungsquelle Q bereitgestellten Gleichspannung UQ.
Der differentielle Strom der Hauptinduktivität L in der Ein- schaltphase von Tl lässt sich durch die nachfolgende Gleichung (2) beschreiben: di/dt = (UQ - UP) / L (2) . Während der Aussschaltphase von Tl wird die in der Induktivität gespeicherte Energie abgebaut. Dabei wirkt die Diode D2 freilaufend, so dass der Laststrom weiterfließen kann. Da nun die Ausgangsspannung an der Spule anliegt, wechselt die Polarität der Spulenspannung. Der Ausgangsstrom nimmt dabei kontinuierlich ab . In diesem Fall wird der Piezoaktor P durch die Spule gespeist. Für eine differentielle Betrachtung des Stroms an der Haupt¬ induktivität während der Ausschaltphase gilt die nachfolgende Beziehung : di/dt = (-UP) / L (3) .
Die Entladung des Piezoaktors P wird unter Verwendung des Hochsetzstellers durchgeführt, wobei der Piezoaktor P als Spannungsquelle wirkt. Während der Entladung des Piezoaktors ist der Spulenstrom i kleiner als Null. Ebenso wie der Tiefsetzsteller in der Ladephase wird der Hochsetzsteller in der Entladephase pulsweitenmoduliert betrieben. Während der Ein¬ schaltphase von T2 stellt sich zunächst ein Freilauf ein. Dies bedeutet, dass der Strom durch den Schalter T2 fließt, so dass der durch die Spule fließende Strom ansteigt. In der Aus¬ schaltphase von T2 findet ein Rückspeisen über beide Dioden Dl und D2 in die Spannungsquelle Q statt. Hierbei fließt der Strom aus dem Verbraucher, d.h. dem Piezoaktor P, über die Spule L zurück in die Quelle Q. Für den differentiellen Strom gilt die folgende Beziehung:
Figure imgf000009_0001
Für den differentiellen Strom während der Ausschaltphase von T2 gilt die folgende Beziehung:
Figure imgf000010_0001
Bedingt durch die Funktionsweise des 2-Quadranten-Konverters reduziert sich der Leistungsumsatz des Piezoaktors während der Entladephase mit abnehmendem Niveau der Piezospannung . Dies hat zur Folge, dass sich eine deutlich längere Entladezeit einstellt, so dass der Piezoaktor möglicherweise nicht vollständig zur Entladung kommt. Um dies zu vermeiden, ist während der Entladung ein nicht gezeichneter stromgeregelter Widerstand parallel zum Piezoaktor P geschaltet.
Die vorstehend genannte Pulsweitenmodulation ergibt sich durch eine Verwendung von Komparatorschwellen, wie es in der Figur 2 veranschaulicht ist.
In dieser Figur 2 ist nach oben der Strom in Ampere und nach rechts die Zeit in Millisekunden aufgetragen. Die Kurve Kl veran- schaulicht den durch die Spule L fließenden Iststrom, die Kurve K2 einen gewünschten Sollstrom, der einer oberen Komparator- schwelle entspricht, die Kurve K3 dem Nullwert des Stromes, der eine untere Komparatorschwelle bildet, und die Kurve K4 den durch den Piezoaktor P fließenden Iststrom.
Mittels eines Komparators wird der gewünschte Sollstrom der Spule L mit dem zugehörigen Iststrom verglichen. Übersteigt beispielsweise beim Laden des Piezoaktors nach dem Einschalten des Schalters Tl der Iststrom den vorgegebenen Sollstrom, dann schaltet der Komparatorausgang den Schalter Tl aus, so dass der Iststrom wieder abnimmt. Erreicht der abnehmende Iststrom den Nulldurchgang, dann wird Tl wieder eingeschaltet. Diese Vorgänge wiederholen sich solange, bis eine gewünschte vorgegebene Ladezeit erreicht ist.
Die während des Entladevorgangs erfolgende Pulsweitenmodulation wird in äquivalenter Weise vorgenommen. Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Verwendung eines Komparators können auch andere spezifische Modi für die
Pulsweitenmodulation verwendet werden. Ein anderer spezifischer Modus besteht beispielsweise darin, einen gesteuerten Puls- betrieb der ersten Pulse aufgrund des minimalen Schaltzeit¬ verhaltens der verwendeten Schalter zu verwenden.
Aus der vorstehend beschriebenen Verwendung einer dynamischen Pulsweitenmodulation lässt sich ableiten, dass der Stromgradient einen wesentlichen Einfluss auf das Schaltverhalten der verwendeten Schalter Tl und T2 hat. Wie aus der oben angegebenen Gleichung (2) ersichtlich ist, wird die Anstiegsfunktion des Stroms hauptsächlich durch die Spannungsdifferenz zwischen UQ und der Piezospannung UP beeinflusst.
Überträgt man für einen Stromsollwert die Verläufe der Pie¬ zospannung Up und des Piezostromes iP in ein Diagramm, so erhält man eine Spannungs-/Strom-Kennlinie, die das Verhalten der Endstufe charakterisiert. Dies wird nachfolgend anhand der Figur 3 veranschaulicht.
Diese zeigt die Stromverläufe für den Ladeprozess (Figur 3a) und den Entladeprozess (Figur 3b) des Piezoaktors in Verbindung mit der Piezoendstufe . Die resultierenden Absolutströme sind über der Piezospannung aufgetragen, bei der sie anliegen. Die einzelnen Linien entsprechen hierbei einer bestimmten Sollstromstärke, die in Prozent der Maximalstromstärke angegeben wird. Die 100% Kurve, die in der Figur 3a der obersten Linie entspricht, stellt in diesem Zusammenhang den schnellstmöglichen Ladeprozess dar. Zu erkennen ist, dass mit steigender Spannung geringere Beträge der Absolutströme zur Verfügung stehen, wenn die Sollstromvorgabe konstant gehalten wird. Ein verlangsamter Lade- bzw. Entladeprozess ist die Folge. Des Weiteren ist zu erkennen, dass bei kleinen Spannungen (<50V) bestimmte
Strombereiche nicht erreicht werden können. Die Ursache hierfür ist eine Begrenzung des zulässigen Stromgradienten. Bei den unterhalb der obersten Linie dargestellten Kurven in Figur 3a handelt es sich um die 90% Kurve, die 80% Kurve, die 70% Kurve, usw .
Die in den Figuren 3a und 3b dargestellten Kurvenverläufe sind Kurvenverläufe, die vor der Inbetriebnahme des Einspritzsystems für eine Referenz-Endstufe ermittelt wurden und in einem Speicher hinterlegt wurden. Bei den im späteren realen Betrieb verwendeten Piezoaktoren und bauteilstreuungsbehafteten Endstufen weichen die tatsächlich vorliegenden Strom-/Spannungskennlinien von den jeweiligen in der Figur 3 dargestellten Referenzkennlinien ab. Insbesondere sind sie nach oben, nach unten, nach rechts oder nach links verschoben. Folglich liegt im realen Betrieb ein von der jeweiligen Referenzkennlinie abweichender Verlauf, eine ab¬ weichende Gesamtladung/Energie und daraus resultierend ein veränderter Einspritzverlauf vor.
Die in der Figur 3 gezeigten Stromverläufe ermöglichen eine Regression in Form eines zweidimensionalen Polynoms mit Koeffizienten a bis f. Der Bereich kleiner Spannungen wird dabei vernachlässigt, da er nicht anwendungsrelevant ist. l [A] = a > l[%]2 + b * /[%] + c * UtWf + d * U[V] - e « l [h] * U[V] + f ( 6 )
Dabei sind:
I [A] die Piezo-Absolutstromstärke,
I[%] die Piezo-Sollstromstärke,
U[V] die Piezospannung .
Der wesentliche Vorteil hierbei liegt darin, dass eine aufwendige Speicherung und ein Auslesen der Stromwerte für den im Anschluss beschriebenen Iterationsprozess vermieden werden können.
Die vorstehend beschriebene modellhafte Beschreibung der Endstufe wird nun im Steuergerät verwendet, um die Bestro- mungsdaten des Piezoaktors während des Ladens und des Entladens zu ermitteln. Hierbei wird ausgehend von einem Sollwert für die stationäre Endspannung bzw. Endladung und einer vorgegebenen Trapez-Sollstromkonfiguration eine Iteration durchgeführt. Dabei findet eine zeitliche Diskretisierung des Lade- bzw. Entladeprozesses statt. Für jeden Zeitschritt werden der Ab¬ solutstrom, die dazugehörige diskrete Ladungsmenge und die sich einstellende Piezospannung ermittelt. Grundlage hierfür ist das zuvor beschriebene polynominale Regressionsmodell. Die Anzahl der notwendigen Zeitschritte, die den gewünschten Sollladezustand/Sollspannungszustand wiederspiegeln, entspricht der zu bestimmenden Lade- bzw. Entladezeit, d.h. der Bestromungsdauer . Die Rechenvorschriften für jeden Iterationsschritt lauten wie folgt :
Sollstromkonfigurationswert für den aktuellen Zeitschritt: cur_step = cur_step + step_cur_l
Bestimmung des Absolutstromes:
i_step = f (v_step, cur_step) (siehe Gleichung ( 6) )
Bestimmung der sich einstellenden Piezospannung (vereinfachtes Piezomodell) :
v_step = v_step + (i_step · dt) / (q_stat/ (v_stat - (R_piezo · i_step) ) )
Bestimmung der sich einstellenden Ladung:
q_step = q_step + (i_step · dt)
Dabei gilt: i_step = Absolutstromzustand aus dem polynomialen Modell [A] v_step = Spannungszustand [V] cur_step = Sollstromzustand [%] q_step = Ladungszustand [As] step_cur_l = Schrittweite des Sollstroms bei Anstiegsfunktionen [%] dt = Zeitschrittweite [s] q_stat = stationärer Sollladungswert (Modelleingang) [As] v_stat = stationärer Sollspannungswert (Modelleingang) [V] R_piezo = Ohmscher Widerstand des Piezoaktors [Ohm] .
Die Figur 4 zeigt die berechneten Strom- ( I_LOAD/i_step) , Spannungs- (V_REF/v_step) und Ladungsverläufe (Q_REF/q_step) bei einer trapezförmigen Sollstromvorgabe (CUR_CHA/cur_step) als Funktion der Ladezeit (T_CHA) . Die einzelnen Kurven entsprechen jeweils einer bestimmten Trapezkonfiguration bestehend aus ansteigender Stromflanke, Haltephase und fallender Stromflanke. Es zeigt sich, dass jede Konfiguration genau einer Ladezeit entspricht, wenn gleiche Endwerte für Spannung und Ladung erreicht werden sollen.
Die Figur 5 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung des Zu¬ sammenhangs zwischen der berechneten Ladezeit T_CHA und dem Sollwert CUR_CHA des Stromes bei verschiedenen Sollwerten für die stationäre Endspannung bzw. Endladung.
Die Figur 6 zeigt Diagramme zur Veranschaulichung des Verlaufes der Piezospannung über der Zeit, des Verlaufes des Piezostromes über der Zeit und einer daraus abgeleiteten Strom-/Spannungs- Kennlinie der Endstufe. Der genannte Stromverlauf und der genannte Spannungsverlauf werden unter Verwendung von Sensoren ermittelt, deren Ausgangssignale dem Steuergerät über
A/D-Wandler zugeführt werden. Im Steuergerät erfolgt eine Filterung zur Beseitigung des Einflusses unerwünschter Stör- frequenzen sowie eine Adaption der bereits abgespeicherten Strom-/Spannungs-Kennlinie durch die neu ermittelte
Strom-/Spannungs-Kennlinie, welche dem individuell vorliegenden Einspritzsystem zugehörig ist und in der Regel von der ur- sprünglich ermittelten, in der Figur 3 dargestellten
Strom-/Spannungs-Kennlinie abweicht .
Die Figur 7 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Adaption von abgespeicherten Strom-/Spannungskennlinien . Hierbei sind die durchgezogenen Linien die hinterlegten Normkennlinien der Endstufe, die durch das erwähnte Polynom beschrieben werden können. Die gestrichelten Linien sind die im Steuergerät erstellten Ist-Kennlinien für ein individuelles Einspritzsystem. Die Abweichung zwischen den Verläufen stellt die nötige Anpassung (Adaption) der Normkennlinie (Polynom) dar. Die dargestellten Pfeile charakterisieren die nötige Anpassung der jeweiligen mittels des Polynomialmodells ermittelten Normkennlinie an die jeweilige Ist-Kennlinie.
Die Figur 8 zeigt Skizzen zur Veranschaulichung der Ermittlung des Sollverhaltens des Piezostromes während eines nachfolgenden Einspritzvorganges . Zunächst erfolgt im Steuergerät unter Auswertung von den
Istzustand des Einspritzsystems beschreibenden Sensorsignalen eine Ermittlung des gewünschten Istverhaltens des Piezostromes über der Zeit und eine Ermittlung des gewünschten Istverhaltens der Piezospannung über der Zeit . Aus dem gewünschten Istverhalten des Piezostromes und dem gewünschten Istverhalten der Piezospannung erfolgt anschließend unter Verwendung der abgespei¬ cherten Strom-/Spannungs-Kennlinien eine Ermittlung des
Sollverlaufes des Piezostromes über der Zeit. Dieser ermittelte Sollverlauf ist an das individuell vorliegende Einspritzsystem angepasst, d.h. wurde unter Berücksichtigung der Toleranzen und des Leitungssystems des individuell vorliegenden Ein- spritzsystems ermittelt. Dabei sind auch Temperaturabhängig¬ keiten der Endstufencharakteristik berücksichtigt, da die Zeitkonstante des Temperaturganges erheblich größer ist als die Zeitkonstante, mittels welcher die abgespeicherten
Strom-/Spannungskennlinien adaptiert wurden.
Die Figur 9 zeigt eine Blockdarstellung eines Steuergerätes 1, welches die aus der Figur 1 ersichtlichen Steuersignale sl und s2 für die Transistoren Tl und T2 des Buck-Boost-Konverters bereitstellt. Dieses Steuergerät 1 weist eine Ermittlungseinheit 2 auf, welche aus dem Steuergerät zugeführten Eingangssignalen el, ... , em unter Verwendung von in einem Speicher 3 gespeicherten Arbeitsprogrammen und Kennfeldern Eingangsparameter pl, ... , pn für das Regressionsmodell 4 ermittelt. Zu den abgespeicherten Kennfeldern gehört unter anderem ein Kennfeld, welches als Normbzw. Referenzkennlinien empirisch ermittelte
Strom-/Spannungskennlinien für unterschiedliche Sollstromvorgaben enthält, wobei diese Strom-/Spannungskennlinien -wie es oben erläutert wurde- während des Betriebes des Kraftstoffe¬ inspritzsystems unter Verwendung von erfassten Verläufen der während eines Einspritzvorganges durch den Piezoaktor fließenden Strom und der am Piezoelement abfallenden Spannung adaptiert werden .
Das Regressionsmodell 4, bei dem es sich wie oben beschrieben um ein polynomiales Regressionsmodell handelt, welches beim oben gezeigten Ausführungsbeispiel eine Regression in Form eines zweidimensionalen Polynoms mit Koeffizienten a bis f durchführt, ermittelt aus den ihm zugeführten Eingangsparametern Bestro- mungsdaten, zu welchen vorzugsweise eine Bestromungsdauer BD und eine Sollstromstärke SS, angegeben in Prozent, gehören. Des Weiteren ermittelt das Regressionsmodell 4 aus den ihm zuge¬ führten Eingangsparametern vorzugsweise auch eine Absolutstromstärke AS, angegeben in Prozent, die einem externen Regler 6 zugeführt wird. Die genannten Bestromungsdaten BD und SS werden einer Umsetzeinheit 5 zugeführt, die die ermittelten Bestromungsdaten in die Steuersignale sl und s2 für die Transistoren Tl und T2 umsetzt . Bei den Eingangssignalen el,...,em des Steuergerätes 1 handelt es sich um Daten, die den momentanen Betriebspunkt des Ein- spritzsystems beschreiben bzw. charakterisieren. Zu diesen Daten, die von Sensoren bereitgestellt werden, gehören bei- spielsweise Informationen über den Kraftstoffdruck im Rail der Brennkraftmaschine, um Informationen über die Stellung des Fahrpedals, um Informationen über Kraftstofftemperatur vor der Kraftstoffhochdruckpumpe und um Informationen über die Tem- peratur des Piezoaktors. Des Weiteren gehören zu den Eingangssignalen el, ... , em Sensorsignale, die den Verlauf des während eines Einspritzvorganges durch den Piezoaktor P fließenden Stromes iP und den Verlauf der während des Ein- spritzvorganges am Piezoaktor P abfallenden Spannung UP be- schreiben. Die Berücksichtigung dieses Stromverlaufes und des Spannungsverlaufes liefert Rückschlüsse auf das individuelle Verhalten des jeweils vorhandenen Einspritzsystems inclusive der jeweils vorhandenen Leitungen und vorhandenen Bauteile im Steuergerät, hier speziell der Leistungsendstufe, wie sie in der Figur 1 gezeigt ist.
Bei den Eingangsparametern ρΐ,.,.,ρη des Regressionsmodells 4 handelt es sich insbesondere um Informationen über die gewünschte Piezospannung und/oder Informationen über die gewünschte Piezoladung und um Informationen über die Temperatur des
Piezoaktors. Vorzugsweise gehören zu den Eingangsparametern des Regressionsmodells des Weiteren auch Informationen über das gewünschte Öffnungsverhalten des Einspritzventils, Informa¬ tionen über ein gewünschtes Schwingungsverhalten des Pie- zoaktors, Informationen über systemindividuelle Parameter wie beispielsweise den Innenwiderstand des Piezoaktors und In¬ formationen über weitere Randbedingungen des Einspritzsystems, beispielsweise Informationen über ein für die Bestromung maximal zur Verfügung stehendes Zeitfenster.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Ein- spritzventils eines Kraftstoffeinspritzsystems mit folgenden Schritten:
- Ermittlung von Ansteuersignalen für den Piezoaktor unter Verwendung einer abgespeicherten Strom-/Spannungskennlinie zur Durchführung eines Einspritzvorganges,
- Erfassung des Verlaufes des während des Einspritzvorganges durch den Piezoaktor fließenden Stromes und des Verlaufes der während des Einspritzvorganges am Piezoaktor anliegenden Spannung,
- Adaption der abgespeicherten Strom-/Spannungskennlinie unter Verwendung des erfassten Stromverlaufes und des erfassten Spannungsverlaufes und
- Ermittlung von Ansteuersignalen für den Piezoaktor unter Verwendung der abgespeicherten, adaptierten
Strom-/Spannungskennlinie zur Durchführung eines nachfol¬ genden Einspritzvorganges.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem eine Ermittlung einer freien, von der Trapezform unabhängigen Sollstromvorgabe unter Berücksichtigung des IST-Verhaltens des individuellen Ein- spritzsystems erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Stromverlauf und der gemessene Spannungs¬ verlauf oder die daraus ermittelte Strom-/Spannungskennlinie vor der Adaption der abgespeicherten Strom-/Spannungskennlinie gefiltert werden.
4. Vorrichtung zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils eines Kraftstoffeinspritzsystems , welche ein Steuergerät zur Ermittlung von Ansteuersignalen für den Piezoaktor aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät zur Durchführung eines Verfahrens mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen ausgebildet ist.
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