DE10123372A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors, der der Verschiebung eines Elements dient - Google Patents

Abstract

Zwischen dem Aktor und dem Element besteht ein Leerhub. Zur Verschiebung des Elements wird der Aktor (A) mit einer Ansteuerspannung (ANS) baufschlagt. Die Ansteuerspannung (ANS) wird so gewählt, dass sie im Sinne eines Ausgleichs einer Änderung des Leerhubs von der Größe des Leerhubs abhängt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors, der der Verschiebung eines Elements dient. Bei einem solchen Verfahren wird der Aktor mit einer Ansteuerspannung beaufschlagt. Aufgrund der durch die Ansteu­ erung hervorgerufenen Längenänderung des Aktors wird das Ele­ ment verschoben.

Ein piezoelektrischer Aktor findet beispielsweise in einem Kraftstoffinjektor Verwendung. Das Element ist in diesem Fall ein Steuerventil, das durch den Aktor betätigt wird.

Da die Länge des piezoelektrischen Aktors temperaturabhängig ist, sollte zwischen dem unangesteuerten Aktor und dem Ele­ ment ein Sicherheitsabstand, der sogenannte Leerhub, beste­ hen, der sicherstellt, dass auch bei Temperaturänderungen der unangesteuerte Aktor das Element nicht verschiebt.

Es wird angestrebt, die Größe des Leerhubs von Umwelteinflüs­ sen unabhängig zu machen, da sonst das Element bei Ansteue­ rung des Aktors unterschiedlich stark oder im Extremfall gar nicht verschoben wird. Bei einem Kraftstoffinjektor bewirkt eine Änderung des Leerhubs beispielsweise eine Verzögerung des Einspritzbeginns und des Einspritzendes, was zu hohen E­ missionen und lauten Verbrennungsgeräuschen führen kann.

Es ist bekannt, den Einfluss von Temperaturschwankungen auf den Leerhub abzuschwächen, indem Elemente, die die Größe des Leerhubs bestimmen, aus Materialien mit aufeinander abge­ stimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Bei­ spielsweise hat sich Invar als geeignetes Material für ein Gehäuse des piezoelektrischen Aktors herausgestellt.

Die Kompensation der temperaturbedingten Ausdehnung des Ak­ tors gelingt durch diese Maßnahme jedoch nicht vollständig, da nicht alle den Aktor umgebende Bauteile aus Invar erzeugt werden können. Ferner hilft die Maßnahme nicht bei Änderungen des Leerhubs aufgrund nicht temperaturbedingten Umweltein­ flüssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Aktors, der der Verschiebung eines Elements dient, anzugeben, bei dem die Verschiebung des Elements im Vergleich zum Stand der Technik in geringerem Ausmaß von Um­ weltbedingungen beeinflusst wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors, der der Verschiebung eines E­ lements dient, mit folgendem Merkmalen: Zwischen dem Aktor und dem Element besteht ein Leerhub. Der Aktor wird zur Ver­ schiebung des Elements mit einer Ansteuerspannung beauf­ schlagt. Die Ansteuerspannung wird so gewählt, dass sie im Sinne eines Ausgleichs einer Änderung des Leerhubs von der Größe des Leerhubs abhängt.

Bei diesem Verfahren wird nicht versucht, die Größe des Leer­ hubs von Umwelteinflüssen unabhängig zu machen, sondern es wird eine Änderung des Leerhubs durch eine geeignete Ansteu­ erspannung kompensiert.

Wird der Leerhub beispielsweise größer, so wird die Ansteuer­ spannung entsprechend größer gewählt, damit der Aktor den größeren Abstand zum Element überwinden kann und mit der er­ forderlichen Kraft das Element verschieben kann. Durch dieses Verfahren können schon kleinste Leerhubänderungen kompensiert werden, so dass die Verschiebung des Elements von Umweltbe­ dingungen im wesentlichen unabhängig ist. Da mit diesem Ver­ fahren die Änderung des Leerhubs im Prinzip unabhängig von ihrer Ursache kompensiert werden kann, ist das Verfahren dazu geeignet, den Einfluss auch von nicht temperaturbedingten Um­ weltbedingungen auf die Verschiebung des Elements auszuschal­ ten.

Vorzugsweise wird das Verfahren so durchgeführt, dass die An­ steuerspannung aus einer Summe von mindestens einer ersten Spannung und einer Ausgleichsspannung gebildet wird, wobei nur die Ausgleichsspannung von der Größe des Leerhubs ab­ hängt. Aufgrund der Abtrennung der Ausgleichsspannung als zu addierender Summand, lässt sich das Verfahren mit einer be­ sonders einfachen und übersichtlichen Vorrichtung durchfüh­ ren. Dazu weist die Vorrichtung zum einen eine Grundwertbe­ rechnung auf, die immer aktiv ist, und zum anderen eine Kor­ rekturwertberechnung auf, die abhängig von den Umweltbedin­ gungen durchgeführt wird.

Die erste Spannung kann eine feste Grundspannung sein.

Insbesondere bei der Anwendung in Kraftstoffinjektoren ist die erste Spannung vorzugsweise abhängig von Kenngrößen, wie zum Beispiel Motorlast, Motordrehzahl oder Kraftstoffdruck, um die Einspritzmenge, den Einspritzbeginn und das Einsprit­ zende an die aktuelle Betriebsbedingung, wie z. B. Anfahren oder Ausrollen, anzupassen.

Zur Ermittlung der Ausgleichsspannung wird der Wert eines Pa­ rameters bestimmt, der als Maß für die aktuelle Größe des Leerhubs dient.

Für den Parameter kann beispielsweise die Kapazität des Ak­ tors verwendet werden. Beispielsweise kann der Parameter die Kapazität des Aktors sein. Sind mehrere Aktoren in derselben Vorrichtung angeordnet und führen sie im wesentlichen diesel­ be Funktion aus, so kann der Parameter statt dessen ein Mit­ telwert der Kapazitäten der Aktoren sein. Dies ist z. B. der Fall bei einem Mehrzylindermotor, der pro Zylinder einen Kraftstoffinjektor aufweist.

Es hat sich gezeigt, dass die Kapazität des Aktors unabhängig von seiner Ansteuerung von der Temperatur des Aktors abhängt. Von der Temperatur des Aktors kann wiederum auf die tempera­ turbedingte Änderung des Leerhubs geschlossen werden, so dass die Kapazität des Aktors ein Maß für die Größe des Leerhubs darstellt. Die Verwendung eines solchen Parameters erlaubt die Kompensation temperaturbedingter Änderungen des Leerhubs.

Werden der Aktor und das Element in einem Kraftstoffinjektor verwendet, so wird als Element ein Ventil verwendet, das die Einspritzmenge von Kraftstoff reguliert.

In diesem Fall kann für den Parameter die Kraftstofftempera­ tur verwendet werden.

Auch die Kühlwassertemperatur kann für den Parameter verwen­ det werden. In diesem Fall wird bei der Bestimmung der Abhän­ gigkeit der Ansteuerspannung vom Wert des Parameters die Laufzeit des Motors auch berücksichtigt, indem aus der Kühl­ wassertemeperatur zum Startzeitpunkt des Motors und aus der aktuellen Laufzeit des Motors auf die Temperatur des Aktors geschlossen wird.

Zur Ermittlung der Ausgleichsspannung aus dem Wert des Para­ meters kann eine gespeicherte Zuordnung von Parameterwerten zu Ausgleichsspannungen verwendet werden.

Die Zuordnung kann anhand eines Modellaktors ermittelt werden und anschließend in allen entsprechend dem Modellaktor gefer­ tigten Aktoren abgespeichert werden. Dazu wird eine Anzahl verschiedener Umweltbedingungen des Modellaktors eingestellt. Für jede der Umweltbedingungen wird der dazugehörige Wert des Parameters bestimmt. Für jede der Umweltbedingungen wird die­ jenige Ansteuerspannung ermittelt, bei der der Aktor das Ele­ ment in der gewünschten Art und Weise, z. B. mit einer be­ stimmten Kraft, betätigt. Aus der Ansteuerspannung läßt sich bei bekannter erster Spannung die Ausgleichsspannung bestim­ men. Bei der Anwendung in einem Kraftstoffinjektor kann die Ausgleichsspannung dadurch ermittelt werden, dass geprüft wird, bei welcher Ansteuerspannung die richtige Menge an Kraftstoff eingespritzt wird.

Der Wert des Parameters bei einer bestimmten Umweltbedingung kann sich jedoch aus fertigungstechnischen Gründen von Aktor zu Aktor unterscheiden. Um die zunächst gespeicherte Zuord­ nung, die anhand des Modellaktors ermittelt wurde, an den je­ weiligen Aktor auf einfache Weise anpassen zu können, ist es vorteilhaft, im Verfahren zur Ansteuerung des Aktors die Aus­ gleichsspannung zu ermitteln, indem der Differenzwert aus dem Wert des Parameters und einem festen gespeicherten Wert ge­ bildet wird und anschließend aus einer gespeicherten Zuord­ nung von Differenzwerten zu Ausgleichsspannungen die entspre­ chende Ausgleichsspannung ermittelt wird. Auch diese Zuord­ nung kann anhand eines Modellaktors ermittelt werden. In die­ sem Fall genügt es zur Anpassung den Wert des Parameters un­ ter derselben Umweltbedingung zu messen, unter der der feste gespeicherte Wert beim Modellaktor gemessen wurde, und bei Abweichung den festen gespeicherten Wert durch den gemessenen Wert des Parameters des Aktors zu ersetzen.

Bei Anwendung in einem Kraftstoffinjektor ist die oben ge­ nannte Umweltbedingung vorzugsweise der Zustand des Kraftstoffinjektors bei Betriebstemperatur, da diese Umwelt­ bedingung ohne zusätzliche Messungen einfach eingestellt wer­ den kann, indem eine genügend lange Zeit nach Inbetriebnahme gewartet wird, bis mit hoher Wahrscheinlichkeit die Betriebs­ temperatur des Kraftstoffinjektors erreicht ist.

Die Berechnung der erforderlichen Ansteuerspannung wird bei­ spielsweise von einer Steuereinheit durchgeführt.

Der Ladestrom, mit dem der Aktor bei Ansteuerung geladen wird, ist von der Ansteuerspannung abhängig und stellt sich je nach Widerständen und Kapazitäten im Stromkreis der Steu­ ereinheit und des Aktors ein. Da der Ladestrom abhängig von der Höhe der Ansteuerspannung ist, ist die Ausdehnung des Ak­ tors nicht proportional zur Ansteuerspannung. Jedoch ist die Ansteuerenergie, mit der der Aktor geladen wird, proportional zur Ausdehnung des Aktors. Die Ansteuerenergie ergibt sich durch Multiplikation der Ansteuerspannung mit dem Ladestrom und mit der Ladezeit. Es empfiehlt sich folglich, die Ermitt­ lung der Ansteuerspannung auf eine Berechnung der Ansteuer­ energie zurückzuführen. Da der Ladestrom in eindeutiger und unveränderlicher Weise von der Ansteuerspannung abhängt und die Ladezeit unabhängig von der Ansteuerspannung ist, ist der Zusammenhang zwischen Ansteuerspannung und Ansteuerenergie eineindeutig. Durch Ermittlung der Ansteuerenergie wird folg­ lich indirekt die Ansteuerspannung ermittelt.

So können die erste Spannung und die Ausgleichsspannung indi­ rekt durch Ermittlung einer ersten Energie und einer Aus­ gleichsenergie bestimmt werden.

Die gespeicherte Zuordnung von Parameterwerten zu Ausgleichs­ spannungen kann aus einer gespeicherten Zuordnung der Parame­ terwerte zu Ausgleichsenergien bestehen.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an­ hand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen piezoelektrischen Aktor mit Aktorgehäuse und Element.

Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ansteue­ rung des Aktors.

Im Ausführungsbeispiel sind vier Kraftstoffinjektoren vorge­ sehen, die einen Brennraum speisen. Jeder der Kraftstoffin­ jektoren weist einen piezoelektrischen Aktor A auf, der der Verschiebung eines Elements E dient, das als Steuerventil ausgestaltet ist. Zwischen den Aktoren A im unangesteuerten Zustand und den Elementen E ist jeweils ein Abstand vorgese­ hen, der als Leerhub L bezeichnet wird (siehe Fig. 1).

Es ist eine elektronische Steuereinheit (ECU) vorgesehen, die die Aktoren A steuert. In der ECU ist in einem Kennfeld eine erste Zuordnung Z1 zwischen Kraftstoffdruck und einer ersten Energie und damit einer ersten Spannung S1 gespeichert. Die erste Zuordnung Z1 gibt die Ansteuerenergien und damit die Ansteuerspannungen ANS an, die jeweils bei Betriebstemperatur und bei bestimmten Kraftstoffdrücken zum Erzielen einer opti­ malen Einspritzmenge erforderlich sind. Ferner ist in einem weiteren Kennfeld eine zweite Zuordnung Z2 von Differenzwer­ ten DW zu Ausgleichsenergien und damit Ausgleichsspannungen AS gespeichert (siehe Fig. 2).

Zur Ansteuerung der Aktoren A werden in einem ersten Schritt die Kapazitäten C1, C2, C3, C4 der Aktoren A bestimmt. Aus den Kapazitäten C1, C2, C3, C4 wird der Mittelwert cm gebil­ det. Dieser Mittelwert cm wird von einem festen gespeicherten Wert W1 abgezogen, um einen Differenzwert DW zu bilden. Der feste gespeicherte Wert W1 repräsentiert den Mittelwert der Kapazitäten bei Betriebstemperatur, die zwischen 70°C und 90°C liegt.

Anhand der zweiten Zuordnung Z2 wird aus dem Differenzwert DW die zugehörige Ausgleichsenergie und damit Ausgleichsspannung AS ermittelt.

Es wird der Kraftstoffdruck gemessen. Anhand der ersten Zu­ ordnung Z1 wird aus dem Kraftstoffdruck die entsprechende erste Energie und damit die erste Spannung S1 ermittelt.

Anschließend werden die erste Energie und die erste Aus­ gleichsenergie und damit die erste Spannung S1 und die Aus­ gleichsspannung AS addiert um die Ansteuerenergie und damit die Ansteuerspannung ANS der Aktoren A zu ermitteln.

Mit dieser ermittelten Ansteuerenergie bzw. Ansteuerungsspan­ nung ANS werden die Aktoren A angesteuert, um die Elemente E zu verschieben.

Claims (9)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors, der der Verschiebung eines Elements dient,
wobei zwischen dem Aktor (A) und dem Element (E) ein Leer­ hub (L) besteht,
bei dem der Aktor (A) zur Verschiebung des Elements (E) mit einer Ansteuerspannung (ANS) beaufschlagt wird,
bei dem die Ansteuerspannung (ANS) so gewählt wird, daß sie im Sinne eines Ausgleichs einer Änderung des Leerhubs (L) von der Größe des Leerhubs (L) abhängt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem die Ansteuerspannung (ANS) aus einer Summe von min­ destens einer ersten Spannung (S1) und einer Ausgleichs­ spannung (AS) gebildet wird, wobei nur die Ausgleichsspan­ nung (AS) von der Größe des Leerhubs (L) abhängt,
bei dem zur Ermittlung der Ausgleichsspannung (AS) der Wert eines Parameters bestimmt wird, der als Maß für die aktuel­ le Größe des Leerhubs (L) dient.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem für den Parameter die Kapazität des Aktors (A) ver­ wendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei der Aktor (A) und das Element (E) in einem Kraftstof­ finjektor verwendet werden,
wobei als Element (E) ein Ventil verwendet wird, das die Einspritzmenge von Kraftstoff reguliert.

5. Verfahren nach Anspruch 2 und 4, bei dem für den Parameter die Kraftstofftemperatur verwen­ det wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2 und 4,
bei dem für den Parameter die Kühlwassertemperatur verwen­ det wird,
bei dem mit dem Kraftstoffinjektor ein Motor betrieben wird,
bei dem bei der Bestimmung der Abhängigkeit der Ausgleich­ spannung (AS) vom Wert des Parameters die Laufzeit des Mo­ tors berücksichtigt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem die Ausgleichsspannung (AS) ermittelt wird, indem der Differenzwert (DW) aus dem Wert des Parameters und ei­ nem festen gespeicherten Wert (W1) gebildet wird und an­ schließend aus einer gespeicherten Zuordnung (Z2) von Dif­ ferenzwerten (DW) zu Ausgleichsspannungen (AS) die entspre­ chende Ausgleichsspannung (AS) ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem zu einer Zeit nach Inbetriebnahme des Kraftstoffin­ jektors, zu der der Kraftstoffinjektor mit hoher Wahr­ scheinlichkeit seine Betriebstemperatur erreicht hat, der Wert des Parameters bestimmt wird, mit dem festen gespei­ cherten Wert (W1) verglichen wird und bei Abweichung den festen gespeicherten Wert (W1) ersetzt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Ansteuerspannung indirekt durch Ermittlung der Ansteuerenergie gewählt wird.