-
Stand der Technik
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuervorrichtung
zur Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors, insbesondere eines Kraftstoffinjektors
für eine
Brennkraftmaschine, der einen piezoelektrischen Aktor aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des
Verfahrens.
-
Moderne
Brennkraftmaschinen weisen oft Kraftstoffinjektoren auf, die durch
eine geeignete Steuervorrichtungen mit elektrischen Ansteuersignalen
beaufschlagt werden, um Kraftstoff in gewünschter Menge in den Verbrennungsraum
oder den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine einzuspritzen. Die Umwandlung
der elektrischen Energie der Ansteuersignale in mechanische Arbeit
erfolgt z. B. durch piezoelektrische Aktoren innerhalb der Kraftstoffinjektoren,
die einen oder mehrere zwischen Ansteuerelektroden angeordnete piezoelektrische
Kristalle aufweisen.
-
Wird
zur Ausführung
einer Kraftstoffeinspritzung mittels eines derartigen Kraftstoffinjektors
elektrischer Strom eines Ansteuersignals mit einem von einer Ansteuervorrichtung
vorgebbaren zeitlichen Stromprofil in die Ansteuerelektroden des
Aktors geleitet, baut sich zwischen den Ansteuerelektroden eine
elektrische Spannung auf, deren zeitlicher Verlauf sowohl durch
das zeitliche Stromprofil als auch die elektrische Kapazität des Aktors
beeinflusst wird und wesentlich die Menge des eingespritzten Kraftstoffs
und das zeitliche Mengenprofil der Kraftstoffeinspritzung bestimmt.
Um Steuervorrichtungs- und Aktortoleranzen u. a. aufgrund von Exemplarstreuungen
auszugleichen, werden daher Regler verwendet, die durch Veränderung
des Ansteuerstromsignals z. B. eine Aktorsollspannung zu einem bestimmten Zeitpunkt
während
der Kraftstoffeinspritzung einregeln.
-
Im
Betrieb einer Brennkraftmaschine mit mehreren Kraftstoffinjektoren,
die z. B. unterschiedlichen Zylindern der Brennkraftmaschine zugeordnet sind,
ist allerdings mit Störfällen zu rechnen,
bei denen Ansteuerelektroden unterschiedlicher Kraftstoffinjektoren
unbeabsichtigt miteinander kurzgeschlossen werden, z. B. durch Einwirkung
von Feuchtigkeit, Hitze und/oder mechanischen Beschädigungen
im Bereich der Verbindungsleitungen zwischen der das Ansteuersignal
abgebenden Steuervorrichtung und den piezoelektrischen Aktoren.
Im Falle eines Kurzschlusses zwischen zwei oder mehr Aktoren, bei
dem diese parallel geschaltet werden, addieren sich die Kapazitäten der
Aktoren, so dass bei gegebenem Stromprofil des Ansteuersignals für einen
der kurzgeschlossenen Aktoren sich eine entsprechend verringerte
Aktorspannung aufbaut. Greift nun eine wie oben beschriebene Regelung
ein, die das Stromprofil der Ansteuerimpulse für nachfolgende Kraftstoffeinspritzungen
derart erhöht,
dass die an den Aktoren aufgebaute Spannung die Aktorsollspannung
erreicht, öffnen
die kurzgeschlossenen Aktoren gleichzeitig, sodass ggf. in unterschiedlichen Zylindern
der Brennkraftmaschine gleichzeitig Kraftstoff eingespritzt und
der Betrieb der Brennkraftmaschine erheblich beeinträchtigt wird.
-
Es
besteht daher ein Bedürfnis,
eine Regelung der Ansteuersignale zum Ausgleich eines weiten Bereichs
von Steuervorrichtungs- und Aktortoleranzen zu ermöglichen,
bei der gleichzeitig eine Beeinträchtigung des Betriebs der Brennkraftmaschine im
Fall von Kurzschlüssen
vermieden wird.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Demgemäß vorgesehen
ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors für eine Brennkraftmaschine,
der einen piezoelektrischen Aktor aufweist. Das Verfahren umfasst
einen Schritt des Ansteuerns des Aktors mittels eines Ansteuerstromsignals
für eine
Kraftstoffeinspritzung, wobei eine Ist-Aktorspannung während der
Kraftstoffeinspritzung ermittelt wird. Nach einem Vergleich, ob
die Ist-Aktorspannung oberhalb eines Aktorspannungsschwellwerts
liegt, wird das Ansteuerstromsignal, wenn die Ist-Aktorspannung
oberhalb des Aktorspannungsschwellwerts liegt, für eine weitere Kraftstoffeinspritzung
derart geregelt, dass die Ist-Aktorspannung während der weiteren Kraftstoffeinspritzung
sich einer Soll-Aktorspannung
nähert.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht,
den Aktorspannungsschwellwert derart zu wählen, dass er nur geringfügig mehr
als die Höhe
der Ist-Aktorspannung aufweist, die bei Berücksichtigung von Steuervorrichtungs-
und Aktortoleranzen aufgrund von Exemplarstreuungen, Einfluss der
Temperaturen an Steuervorrichtung und Aktor usw. für den Fall
maximal zu erwarten ist, dass zwei Aktoren parallel geschaltet werden.
Da sich bereits bei Parallelschaltung von nur zwei Aktoren die bei
gegebenem Ansteuerstromsignal zu erwartende Ist- Aktorspannung erheblich erniedrigt (z.
B. auf etwa die Hälfte
bei angenähert
verdoppelter Aktorkapazität)
und bei Parallelschaltung von mehr als zwei Aktoren eine noch stärkere Erniedrigung
der Ist-Aktorspannung zu erwarten ist, kann ein weiter Bereich von
Steuervorrichtungs- und Aktortoleranzen ausgeglichen werden, sodass
eine kostengünstige
Auslegung der Steuervorrichtungen und Aktoren mit entsprechend großen Toleranzen
ermöglicht
ist.
-
Unter
weiteren Gesichtspunkten sind ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des
Verfahrens und eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors
für eine
Brennkraftmaschine vorgesehen, der einen piezoelektrischen Aktor
aufweist. Die Steuervorrichtung umfasst eine Ansteuereinheit, die
den Aktor mittels eines Ansteuerstromsignals für eine Kraftstoffeinspritzung
ansteuert, einen Spannungsmesser, der eine Ist-Aktorspannung während der
Kraftstoffeinspritzung ermittelt, einen Spannungsvergleicher, der
ermittelt, ob die Ist-Aktorspannung oberhalb des Aktorspannungsschwellwerts liegt,
und einen Ansteuerstromregler, der, wenn die Ist-Aktorspannung oberhalb
des Aktorspannungsschwellwerts liegt, das Ansteuerstromsignal für eine weitere
Kraftstoffeinspritzung derart regelt, dass die Ist-Aktorspannung
während
der weiteren Kraftstoffeinspritzung sich einer Soll-Aktorspannung nähert.
-
Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind weiterhin
ein Schritt des Ermittelns einer Temperatur am Aktor und ein Schritt
des Ermittelns des Aktorspannungsschwellwerts basierend auf der
Temperatur vorgesehen. Die Aktorkapazität piezoelektrischer Aktoren
ist im Allgemeinen temperaturabhängig,
was die Höhe der
bei einem gegebenen Ansteuerstromsignal am Aktor ermittelbaren Ist-Aktorspannung
direkt beeinflusst. Die Änderung
der Kapazität
eines Aktors mit seiner Temperatur ist ferner auch wirksam, wenn
der Aktor bei einem Kurzschluss mit einem weiteren Aktor parallel
geschaltet wird, da sich in diesem Fall die Kapazitäten der
Aktoren addieren. Somit zeigen die Kapazität des Aktors im störungsfreien
Betrieb und die Kapazität
der im Störungsfall
parallel geschalteten Aktoren eine gleichgerichtete Abhängigkeit
von der Temperatur. Ferner zeigt damit ebenfalls für ein gegebenes
Ansteuerstromsignal die Ist-Aktorspannung am Aktor im störungsfreien
Betrieb und die Ist-Aktorspannung an dem im Störungsfall parallel geschalteten
Aktoren eine gleichgerichtete Abhängigkeit von der Temperatur.
-
Das
Ermitteln des Aktorspannungsschwellwerts in Abhängigkeit von der Temperatur
am Aktor ermöglicht
daher, den Aktorspannungsschwellwert temperaturabhängig derart
zu wählen,
dass seine Temperaturabhängigkeit
gleichgerichtet mit der Temperaturabhängigkeit der Ist-Aktorspannung am
Aktor im störungsfreien
Betrieb für
ein gegebenes Ansteuerstromsignal ist. Hierdurch wird ermöglicht,
einen noch weiteren Bereich von Steuervorrichtungs- und Ak tortoleranzen
auszugleichen, sodass eine noch kostengünstigere Auslegung der Steuervorrichtungen
und Aktoren mit entsprechend größeren Toleranzen
ermöglicht
ist.
-
Vorzugsweise
erfolgt das Ermitteln der Temperatur am Aktor basierend auf einer
Kraftstofftemperatur oder/und einer Kühlwassertemperatur der Brennkraftmaschine.
Dies ist kostengünstig
möglich, da
in der Regel bereits Temperatursensoren für die Kraftstofftemperatur
oder die Kühlwassertemperatur vorhanden
sind und die Aktoren typischerweise vom Kühlwasserkreislauf und/oder
Kraftstoffzulauf umströmt
und daher durch deren Temperatur beeinflusst sind.
-
Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Ermitteln des Aktorspannungsschwellwerts weiterhin
basierend auf mindestens einer Kenngröße des Kraftstoffinjektors.
Hierdurch kann vorteilhaft die Exemplarstreuung der Kraftstoffinjektoren
berücksichtigt
werden, so dass ermöglicht
wird, einen noch weiteren Bereich von Steuervorrichtungs- und Aktortoleranzen
auszugleichen.
-
Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung umfasst das Ermitteln des Aktorspannungsschwellwerts
eine lineare Interpolation zwischen einem ersten und einem zweiten
Stützwert.
Eine Berechnung auf diese Weise erfordert besonders geringe Rechenkapazitäten und
einen geringen Energieverbrauch in der Steuervorrichtung. Vorzugsweise
entsprechen der erste und zweite Stützwert einer minimalen bzw.
maximalen Betriebstemperatur des Aktors, sodass mit Extrapolationen
zusammenhängende
Ungenauigkeiten vermieden werden können.
-
Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist weiterhin ein Schritt des Ermittelns
der Soll-Aktorspannung
vorgesehen, basierend auf einem Druck in einem Kraftstoffdruckspeicher
der Brennkraftmaschine und/oder mindestens einer Kenngröße des Kraftstoffinjektors.
Auf diese Weise kann die Soll-Aktorspannung präzise an die einzelnen Kraftstoffinjektoren
und Betriebsbedingungen angepasst werden.
-
Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist weiterhin ein Schritt des Ausgebens
eines Fehlersignals vorgesehen, wenn die Ist-Aktorspannung nicht oberhalb
des Aktorspannungsschwellwerts liegt. Das Fehlersignal ermöglicht es
z. B., durch Servicepersonal abrufbare Diagnoseinformationen zu
speichern, ein Warnsignal an einen Fahrzeugführer auszugeben oder eine Notabschaltung
der Brennkraftmaschine einzuleiten.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen
und beigefügten
Figuren erläutert.
Von den Figuren zeigen:
-
1 ein
Diagramm eines Spannungsverlaufs an einem Aktor eines Kraftstoffinjektors,
-
2 ein
Blockdiagramm einer Ansteuervorrichtung zur Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors, gemäß einer
Ausführungsform,
-
3 ein
Zustandsdiagramm des Zusammenhangs zwischen elektrischer Aktorkapazität und am
Aktor anliegender elektrischer Spannung und
-
4 ein
Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors,
gemäß einer
Ausführungsform.
-
In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Elemente, soweit nicht explizit anders angegeben.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt
ein von einer waagerechten Zeitachse 100 und einer senkrechten
Spannungsachse 102 aufgespanntes Kurvendiagramm, in dem
zwei Kurven 140, 142 dargestellt sind. Eine erste 140 der beiden
Kurven 140, 142 gibt einen typischen zeitlichen
Spannungsverlauf an einem Piezoaktor eines Kraftstoffinjektors wieder,
der sich im störungsfreien Betrieb
einstellt, wenn der Aktor zur Ausführung einer Kraftstoffeinspritzung 150 von
einer Steuervorrichtung mittels eines Ansteuersignals mit einem
bestimmten, nicht gezeigten, zeitlichen Stromverlauf angesteuert
wird. Die zweite 142, gestrichelt gezeichnete der beiden
Kurven 140, 142 gibt einen zeitlichen Spannungsverlauf
wieder, der sich an demselben Aktor bei Ansteuerung mit demselben
zeitlichen Stromverlauf in einem Fall einstellt, wenn der Aktor
z. B. aufgrund eines Kurzschlusses von Verbindungsleitungen oder
einer sonstigen Störung
mit einem weiteren Aktor parallel geschaltet ist. Dass beide Spannungsverläufe 140, 142 über der
gemeinsamen Zeitachse 100 aufgetragen sind, soll nicht
bedeuten, dass die Spannungsabläufe 140, 142 gleichzeitig
ablaufen, sondern vielmehr, dass beiden Spannungsverläufen 140, 142 durch
ein bezüglich
der Zeitachse 100 identisch verlaufendes Ansteuerstromsignal
zugrunde liegt.
-
Gemäß dem ersten
Spannungsverlauf 140, der den störungsfreien Betrieb wiedergibt,
liegt am Aktor zunächst
eine Spannung 110 von 0 V an, die bis zu einem Ladebeginnzeitpunkt 120 konstant bleibt.
Zum Ladebeginn 120 wird ein Ladestromimpuls des Ansteuersignals
eingeschaltet, der entsprechend der elektrischen Kapazität des Aktors
die am Aktor anliegende Spannung 140 erhöht. Zu einem Ladeendzeitpunkt 122,
an welchem der Ladestromimpuls endet, erreicht die am Aktor anliegende Spannung 140 einen
Maximalwert 116. Die Spannung 140 fällt nun
leicht ab, bis zu einem Entladebeginnzeitpunkt 124 ein
Entladestromimpuls des Ansteuersignals eingeschaltet wird, der eine
zum Ladestromimpuls entgegengesetzte Polarität aufweist und die am Aktor
anliegende Spannung 140 wieder absenkt, bis zu einem Entladeendzeitpunkt 126 wieder die
anfängliche
Spannung 110 von 0 V erreicht wird.
-
Gemäß dem zweiten
Spannungsverlauf 142, der den Betrieb im genannten Störungsfall
wiedergibt, liegt am Aktor ebenfalls bis zum Ladebeginnzeitpunkt 120 konstant
die Spannung 110 von 0 V an. Zum Ladebeginn 120 wird
der Ladestromimpuls des Ansteuersignals eingeschaltet, der entsprechend
der elektrischen Gesamtkapazität
des Aktors und des mit dem Aktor aufgrund der Störung parallel geschalteten
Aktors die am Aktor anliegende Spannung 140 erhöht. Da die
Gesamtkapazität
des Aktors und des weiteren Aktors gegenüber der Kapazität des im
störungsfreien
Betrieb anzusteuernden Aktors allein erhöht, der Ansteuerstromimpuls
jedoch als unverändert
angenommen ist, zeigt der zweite Spannungsverlauf 142 nach
dem Ladebeginn 120 einen geringeren Anstieg als der erste
Spannungsverlauf und erreicht zum Ladeendzeitpunkt 122 einen
gegenüber dem
Maximalwert 116 des ersten Spannungsverlaufs 140 verringerten
Maximalwert 148. Analog zum ersten Spannungsverlauf 140 fällt nun
die Spannung 142 leicht ab, bis zum Entladebeginnzeitpunkt 124 der
Entladestromimpuls des Ansteuersignals eingeschaltet wird, durch
welchen bis zum Entladeendzeitpunkt 126 wieder die anfängliche
Spannung 110 von 0 V erreicht wird.
-
Um
im störungsfreien
Betrieb ein gewünschtes
zeitliches Einspritzmengenprofil nachfolgender Kraftstoffeinspritzungen
zu gewährleisten,
wird zu einem bestimmten Messzeitpunkt 128 während der Kraftstoffeinspritzung 150,
der hier beispielhaft als kurz vor Entladebeginn 124 angenommen
ist, die am Aktor anliegende Spannung 140 vermessen, um
auf diese Weise eine Ist-Aktorspannung 144 zu ermitteln. Ein
in der Steuervorrichtung vorgesehener Regler vergleicht die ermittelte
Ist-Aktorspannung 144 mit einer Soll-Aktorspannung 114,
von welcher gewünscht ist,
dass sie bei einer nachfolgenden Kraftstoffeinspritzung zum Messzeitpunkt 128 während dieser nachfolgenden
Kraftstoffeinspritzung erreicht werden soll, und verändert zur
Verwendung für
die nachfolgende Kraftstoffeinspritzung das bei der vorliegenden
Kraftstoffeinspritzung 150 verwendete Ansteuersignal derart,
dass der Spannungsverlauf am Aktor während der nachfolgenden Kraftstoffeinspritzung zum
Messzeitpunkt zu mes sende Wert der Ist-Aktorspannung die Soll-Aktorspannung 114 erreicht
oder sich zumindest der Soll-Aktorspannung 114 annähert.
-
Tritt
der oben genannte Störungsfall
eines Kurzschlusses zwischen zwei Aktoren ein, wird zum Messzeitpunkt 128 eine
gegenüber
dem störungsfreien
Betrieb verminderte Ist-Aktorspannung 146 gemessen.
Um zu verhindern, dass in diesem Fall der Regler der Steuervorrichtung
das für
die nachfolgende Kraftstoffeinspritzung zu verwendende Ansteuerstromsignal
derart erhöht,
dass trotz der durch den Kurzschluss vergrößerten Aktorkapazität der während der
nachfolgenden Kraftstoffeinspritzung zum Messzeitpunkt zu messende
Wert der Ist-Aktorspannung die Soll-Aktorspannung 114 erreicht
oder sich der Soll-Aktorspannung 114 annähert, was
dazu führen
könnte,
dass beide kurzgeschlossenen Injektoren öffnen und einspritzen, wird
zunächst
die zum Messzeitpunkt 128 ermittelte Ist-Aktorspannung 144 bzw. 146 mit
einem Aktorspannungsschwellwert 112 verglichen, und Veränderung
des Ansteuerstromsignals durch den Regler nur ausgeführt, wenn
die Ist-Aktorspannung 144 bzw. 146 oberhalb
des Aktorspannungsschwellwerts 112 liegt.
-
2 zeigt
in schematischer Blockdarstellung eine Steuervorrichtung 210 für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 260 zum
Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 160 ist
beispielhaft durch einen einzelnen Kraftstoffinjektor 202 wiedergegeben,
der über
eine Kraftstoffzuleitung 254 mit einem Kraftstoffdruckspeicher 204 und über eine
Kraftstoffrückleitung 252 mit
einem nicht gezeigten Kraftstofftank verbunden ist. Ein im Kraftstoffinjektor 202 enthaltener piezoelektrischer
Aktor 200 ist über
eine elektrische Ansteuerleitung 250 an eine Ansteuereinheit 220 der Steuervorrichtung 210 angeschlossen.
Die Ansteuereinheit 220 ist dazu ausgebildet, im Betrieb
der Steuervorrichtung 210 den Aktor 200 mittels
eines über die
Ansteuerleitung 250 geleiteten Ansteuerstromsignals derart
anzusteuern, dass der Kraftstoffinjektor 202 öffnet und
eine Kraftstoffeinspritzung ausführt.
-
Von
der Ansteuerleitung 250 zweigt innerhalb der Steuervorrichtung 210 eine
Spannungsmessleitung 251 ab, über die der Ausgang der Ansteuereinheit 220 und
der Aktor 200 mit einem Spannungsmesser 222 der
Steuervorrichtung 210 verbunden ist. Der Spannungsmesser 222 ist
dazu ausgebildet, im Betrieb der Steuervorrichtung 210 zu
einem vorgebbaren Messzeitpunkt während einer vom Kraftstoffinjektor 202 ausgeführten Kraftstoffeinspritzung
eine Ist-Aktorspannung zu ermitteln, die zum Messzeitpunkt am Aktor 200 anliegt.
-
Die
Steuervorrichtung 102 weist ferner einen Soll-Aktorspannungsermittler 232 auf,
der mit einem am Kraftstoffdruckspeicher 204 angeordneten
Kraftstoffdrucksensor 206 verbunden ist und basierend auf
einem vom Kraftstoffdrucksensor 206 ermittelten Druck im
Kraftstoffdruckspeicher 204 eine Soll-Aktorspannung am
Aktor 200 ermittelt, die während einer Kraftstoffeinspritzung
zum Messzeitpunkt gewünscht ist,
um die Kraftstoffeinspritzung in einer gewünschten Weise auszuführen. Der
Soll-Aktorspannungsermittler 232 berücksichtig zur Ermittlung der
Soll-Aktorspannung weiterhin Kenngrößen 233 des Kraftstoffinjektors 202,
die z. B. wie gezeigt im Soll-Aktorspannungsermittler 232 abgespeichert
sind.
-
Die
Steuervorrichtung 102 weist ferner einen Ansteuerstromregler 230 auf,
der mit dem Spannungsmesser 222 und dem Soll-Aktorspannungsermittler 232 derart
verbunden ist, dass im Betrieb der Steuervorrichtung 210 der
Soll-Aktorspannungsermittler 232 dem Ansteuerstromregler 230 die
Soll-Aktorspannung und der Spannungsmesser 222 den jeweils
während
einer Kraftstoffeinspritzung ermittelten Ist-Aktorspannungswert
bereitstellt. Der Ansteuerstromregler 230, der weiterhin
mit der Ansteuereinheit 220 verbunden ist, ist dazu ausgebildet,
das für eine
gegebene Kraftstoffeinspritzung von der Ansteuereinheit 220 abgegebene
Ansteuerstromsignal für
eine weitere Kraftstoffeinspritzung derart regelnd zu verändern, dass
die Ist-Aktorspannung während der
weiteren Kraftstoffeinspritzung sich der vom Soll-Aktorspannungsermittler 232 bereitgestellten Soll-Aktorspannung
nähert.
-
Der
Spannungsmesser 222 ist weiterhin mit einem ersten 226 und
einem zweiten 228 Spannungsvergleicher verbunden, denen
er ebenfalls im Betrieb der Steuervorrichtung 210 den jeweils
während
einer Kraftstoffeinspritzung ermittelten Ist-Aktorspannungswert
bereitstellt. Mit dem ersten 226 und zweiten 228 Spannungsvergleicher
weiterhin verbunden ist ein Aktorspannungsschwellwertermittler 224 der
Steuervorrichtung 102, der sowohl dem ersten 226 als
auch dem zweiten 228 Spannungsvergleicher im Betrieb der
Steuervorrichtung 210 einen Aktorspannungsschwellwert 112 bereitstellt.
Der Aktorspannungsschwellwertermittler 224 weist eine Kennlinie 225 auf,
die einen Zusammenhang zwischen einer Temperatur 312 am
Aktor 200 und dem Aktorspannungsschwellwert 112 beschreibt.
Zur Ermittlung der Temperatur 312 am Aktor 200 weist
die Steuervorrichtung 210 einen mit dem Aktorspannungsschwellwertermittler 224 verbundenen
Temperaturermittler 234 auf, der ausgebildet ist, die Temperatur 312 am
Aktor 200 aus einem von einem am Kraftstoffdruckspeicher 204 angeordneten
Kraftstofftemperatursensor 205 abgegebenen Temperatursignal
abzuleiten, z. B. indem die Kraftstofftemperatur im Kraftstoffdruckspeicher 204 als
Näherungswert unverändert verwendet
oder zu dieser eine konstant angenommene Temperaturdifferenz addiert
wird. Der Temperaturermittler 234 kann alternativ oder
zusätzlich
auch mit weiteren Temperatursensoren verbunden sein, die z. B. eine
Kühlwassertemperatur
der Brennkraftmaschine oder die Temperatur des Aktors 200 direkt
messen.
-
Der
erste Spannungsvergleicher 226 ist dazu ausgebildet, im
Betrieb der Steuervorrichtung 210 den jeweils während einer
Kraftstoffeinspritzung ermittelten Ist-Aktorspannungswert mit dem
Aktorspannungsschwellwert 112 zu vergleichen und ein Freigabesignal
abzugeben, wenn der Ist-Aktorspannungswert einen größeren Betrag
aufweist als der Aktorspannungsschwellwert. Ausgangsseitig ist der erste
Spannungsvergleicher 226 derart mit dem Ansteuerstromregler 230 verbunden,
dass der Ansteuerstromregler 230 freigegeben oder blockiert
wird, wenn der erste Spannungsvergleicher 226 das Freigabe-
bzw. Blockiersignal abgibt.
-
Der
zweite Spannungsvergleicher 228 ist dazu ausgebildet, im
Betrieb der Steuervorrichtung 210 den jeweils während einer
Kraftstoffeinspritzung ermittelten Ist-Aktorspannungswert mit dem
Aktorspannungsschwellwert 112 ebenfalls zu vergleichen, jedoch
ein Fehlersignal abzugeben, wenn der Ist-Aktorspannungswert einen
gleichen oder kleineren Betrag aufweist als der Aktorspannungsschwellwert. Der
zweite Spannungsvergleicher 228 ist ausgangsseitig mit
einer Fehlerbehandlungseinheit 236 der Steuervorrichtung 210 verbunden,
die im Betrieb der Steuervorrichtung 210 die Zahl der eintreffenden Fehlersignale
als Diagnoseinformation speichert und ggf. bei Überschreitung einer vorgebbaren
Fehlerzahlschwelle ein Warnsignal und/oder eine Notabschaltung z.
B. des betroffenen Kraftstoffinjektors 202 oder der gesamten
Brennkraftmaschine einleitet.
-
Die
Funktion insbesondere des Aktorspannungsschwellwertermittlers 224 soll
nun anhand von 3 für ein Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Die elektrische Kapazität
piezoelektrischer Aktoren weist abgesehen von Toleranzen durch Exemplarstreuung
noch einen Temperaturgang 340 auf, d. h. die Kapazität der Aktoren
lässt sich
als Summe eines temperaturabhängigen
Teils ohne exemplarabhängige
Toleranzen und eines weiteren Teils darstellen, der die exemplarabhängigen Toleranzen
zusammenfasst. Mit steigender Kapazität wird im Allgemeinen die Kapazität größer. Der
Temperaturgang 340 der Aktorkapazität ist in einem eingerahmten
Diagramm 341 innerhalb von 3 dargestellt.
-
Das
Hauptdiagramm
342 von
3 ist ein Zustandsdiagramm
des Zusammenhangs zwischen elektrischer Aktorkapazität
320 und
am Aktor
200 anliegender elektrischer Spannung
102,
wobei vereinfachend das Verhalten eines idealen Kondensators mit
zugrunde gelegt wurde. Hierbei
steht t für
die Zeit, I(t) für
den zeitlichen Stromverlauf während
des Ladestromimpulses, Q für
die durch den Ladestromimpuls in den Aktor gebrachte elektrische
Ladung, C für
die Aktorkapazität
320 und
U für die
am Aktor
200 anliegende elektrische Spannung
102.
-
Im
Hauptdiagram 342 von 3 stellt
nun ein flächenhaft
markierter, erster zweidimensionaler Toleranzbereich 322 die
vereinten Toleranzen der Steuervorrichtung 210 und des
Aktors 200 dar, die gemäß ihren
Spezifikationen garantiert werden. Hierbei wurde ein Anteil 324 der
Toleranzen, der auf einen Einfluss des Temperaturgangs 340 der
Kapazität des
Aktors 200 im Intervall zwischen einer minimalen 310 und
einer maximalen 314 Betriebstemperatur zurückgeht,
von dem verbleibenden Teil 326 der vereinten Toleranzen
abgespalten und entlang der Kapazitätsachse 320 des Diagramms
dargestellt. Die untere 350 und obere 351 Begrenzung
dieses Anteils 324 entsprechen dabei der minimalen 310 bzw.
maximalen 314 Betriebstemperatur. Der verbleibende Teil 326 der
vereinten Toleranzen ist entlang der Spannungsachse 102 dargestellt,
als Intervall 326 beiderseits eines nominellen Spannungsverlaufs 327,
in welchem Toleranzen (mit Ausnahme des Temperaturgangs 340)
unberücksichtigt
sind.
-
Ein
ebenfalls flächenhaft
markierter, zweiter zweidimensionaler Toleranzbereich 332 stellt
analog die vereinten Toleranzen der Steuervorrichtung 210, des
Aktors 200 und eines gleichartig angenommenen en weiteren
Aktors dar, der mit dem Aktor 200 parallel geschaltet ist.
Ebenfalls analog ist ein Anteil 334 der Toleranzen, der
auf den Einfluss des Temperaturgangs 340 der verdoppelten
Kapazität
der parallel geschalteten Aktoren zurückgeht, von dem verbleibenden
Teil der Toleranzen 326 abgespalten und entlang der Kapazitätsachse 320 des
Diagramms dargestellt. Die untere 360 und obere 361 Begrenzung
dieses Anteils 334 entsprechen dabei der minimalen 310 bzw.
maximalen 314 Betriebstemperatur, mit gegenüber den
Begrenzungen 350 bzw. 351 des ersten zweidimensionaler
Toleranzbereichs 322 jeweils verdoppelten Kapazitätswerten.
-
Im
Betrieb der Steuervorrichtung 210 ermittelt nun der Aktorspannungsschwellwertermittler 224 zunächst anhand
des Temperaturgangs 340 einen für den Aktor 200 bei
der vom Temperaturermittler 234 ermittelten Temperatur 312 gültigen Kapazitätswert.
Anschließend
wird anhand einer im Hauptdiagramm von 3 dargestellten
Aktorspannungsschwellwertkurve 370 ein dem Kapazitätswert entsprechender
Spannungswert als Aktorspannungsschwellwert aufgesucht.
-
Die
Aktorspannungsschwellwertkurve 370 wird zweckmäßig wie
dargestellt so gewählt,
dass sie unterhalb des ersten zweidimensionalen Toleranzbereichs 322 liegt,
sodass ermöglicht
ist, durch den Ansteuerstromregler 230 sämtliche
den Spezifikationen von Steuervorrichtung 210 und Aktor 200 entsprechenden
Toleranzen auszuregeln. Darüber
hinaus ist es zweckmäßig, die
Aktorspannungsschwellwertkurve 370 weiterhin so festzulegen,
dass eine von dieser abgeleitete Kurve 371, die aus der
Aktorspannungsschwellwertkurve 370 durch Annahme einer
verdoppelten Aktorkapazität
entsteht, oberhalb des zweiten zweidimensionalen Toleranzbereichs 332 liegt,
sodass ermöglicht
ist, eine kurzschlussbedingte Verdopplung der Aktorkapazität für den gesamten
den Spezifikationen von Steuervorrichtung 210 und Aktor 200 entsprechenden
Toleranzbereich zuverlässig
zu erkennen.
-
Bei
den in 3 dargestellten Ausmaßen der zweidimensionalen Toleranzbereiche 322, 332 ist dies
nur möglich,
wenn die Aktorspannungsschwellwertkurve 370 kapazitätsabhängig bzw.
vermittelt durch den Temperaturgang 340 temperaturabhängig festgelegt
wird. Ein an der Untergrenze des ersten zweidimensionalen Toleranzbereichs 322 konstant festgelegter
Aktorspannungsschwellwert 390 würde z. B. dazu führen, dass
innerhalb des im zweiten zweidimensionalen Toleranzbereich 332 schraffierten
annähernd
dreieckigen Bereichs 391 ein Kurzschluss nicht mehr korrekt
erkannt würde.
In diesem Fall würde
der Ansteuerstromregler 230 das Ansteuerstromsignal für nachfolgende
Kraftstoffeinspritzungen so verändern,
dass wie durch einen bis über
eine Funktionsgrenze 394 der Aktoren verschobenen annähernd dreieckigen
Bereich 395 in 3 angedeutet ein gleichzeitiges Öffnen der
Aktoren nicht zuverlässig
verhinderbar ist.
-
4 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ansteuerung eines Kraftstoffinjektors
für eine
Brennkraftmaschine, der einen piezoelektrischen Aktor aufweist.
Das gezeigte Verfahren ist z. B. unter Anwendung der Steuervorrichtung 210 aus 2 durchführbar.
-
In
Schritt 400 wird der Aktor des Kraftstoffinjektors mit
einem Ansteuerstromsignal zur Ausführung eine Kraftstoffeinspritzung
beaufschlagt, z. B. während
eines ersten Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine. Das Ansteuerstromsignal
umfasst z. B. einen Ladestromimpuls, durch welchen im ordnungsgemäßen Betrieb
der Kraftstoffinjektor geöffnet
wird und einen entgegen gerichteten Entladestromimpuls, durch welchen
der Kraftstoffinjektor wieder geschlossen wird.
-
In
Schritt 402 wird während
der Kraftstoffeinspritzung zu einem vorgebbaren Messzeitpunkt die am
Aktor anliegende Spannung gemessen, um auf diese eine Ist-Aktorspannung
als Spannungswert zu erhalten. Hierbei ist mit „während der Kraftstoffeinspritzung” die gesamte Zeitspanne
des Ansteuerstromsignals gemeint, während derer im ordnungsgemäßen Betrieb
die Kraftstoffeinspritzung erfolgt, d. h. vom Beginn des Ladestromimpulses
bis zum Ende des Entladestromimpulses. Beispielsweise kann der Messzeitpunkt
kurz vor den Beginn des Entladestromimpulses gelegt sein.
-
In
Schritt 404 wird eine Temperatur am Aktor 200 bestimmt.
Dies kann näherungsweise
erfolgen, indem z. B. die Temperatur gestützt auf die Kraftstoffzulauftemperatur
und/oder die Kühlwassertemperatur
abgeschätzt
wird. In Schritt 406 wird aus der Temperatur die elektrische
Kapazität
errechnet, die der Aktor bei der betreffenden Temperatur aufweist,
z. B. unter Verwendung individueller Kennlinien des angesteuerten
Aktorexemplars. In Schritt 407 wird aus der Kapazität ein Aktorspannungsschwellwert
ermittelt. Beispielsweise wird der Aktorspannungsschwellwert so
ermittelt, dass er nur geringfügig
mehr als die Höhe
der Ist-Aktorspannung
beträgt,
die bei Berücksichtigung
von Steuervorrichtungs- und Aktortoleranzen aufgrund von Exemplarstreuungen
und ggf. dem Einfluss der Temperatur der Steuervorrichtung für den Fall
maximal zu erwarten ist, dass der Aktor die ermittelte Temperatur
aufweist und mit einem weiteren Aktor parallel geschaltet ist. Die
Schritte 406 und 407 können auch kombiniert ausgeführt werden,
z. B. indem eine ggf. exemplarspezifische Kennlinie verwendet wird,
die die Temperatur mit dem Aktorspannungsschwellwert verknüpft.
-
In
Entscheidungsschritt 408 wird verglichen, ob die in Schritt 402 ermittelte
Ist-Aktorspannung oberhalb
des Aktorspannungsschwellwerts liegt. Ist dies der Fall, geht das
Verfahren davon aus, dass kein Störfall mit Kurzschluss mehrerer
Aktoren vorliegt und verzweigt zu Schritt 409. Hier wird
eine Soll-Aktorspannung ermittelt, die für eine nachfolgende Kraftstoffeinspritzung
zu einem Messzeitpunkt erwünscht
ist, zu welchem, bezogen auf die vorliegende Kraftstoffeinspritzung
in Schritt 402 die Ist-Aktorspannung ermittelt wurde. Beispielsweise
wird ein konstant (ggf. unter Verwendung individueller Kenngrößen des
Kraftstoffinjektors) vorgegebener Wert als Soll-Aktorspannung verwendet,
oder die Soll-Aktorspannung
wird basierend auf einem Druck im Kraftstoffzulauf ermittelt. In
Schritt 410 wird ein Ansteuerstromsignal für eine weitere
Kraftstoffeinspritzung, z. B. die als nächstes zur Ausführung durch den
Kraftstoffinjektor vorgesehene Einspritzung gleichen Typs ermittelt,
unter Verwendung der Soll-Aktorspannung als Regelziel. Das Verfahren
springt anschließend
zurück
zu Schritt 400, wo das in Schritt 410 ermittelte,
ggf. gegenüber
der vorliegenden Kraftstoffeinspritzung abgeänderte Ansteuersignal zur Ausführung der
weiteren Kraftstoffeinspritzung an den Injektor abgegeben wird.
-
Wird
in Entscheidungsschritt 408 für die vorliegende Kraftstoffeinspritzung
allerdings festgestellt, dass die in Schritt 402 ermittelte
Ist-Aktorspannung unterhalb des Aktorspan nungsschwellwerts liegt, wird
in Schritt 412 ein Fehlersignal ausgegeben und ggf. für Diagnose,
Warn- oder andere Zwecke weiterverarbeitet. Das Verfahren springt
in diesem Fall zurück
zu Schritt 400, ohne dass in Schritt 410 ein neues
Ansteuerstromsignal ermittelt wurde, sodass in Schritt 400 für eine weitere
Kraftstoffeinspritzung ein gegenüber
der vorliegenden Kraftstoffeinspritzung unverändertes Ansteuerstromsignal
an den Aktor abgegeben wird.
