DE102016213522B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils 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 nachfolgenden Einspritzvorganges, wobei eine Ermittlung einer freien, von einer Trapezform unabhängigen Sollstromvorgabe unter Berücksichtigung des IST-Verhaltens des individuellen Einspritzsystems erfolgt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils eines Kraftfahrzeugs.
• Viele Kraftstoffeinspritzsysteme arbeiten nach dem Common-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 eingebracht 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 Injektorstromverlaufsvorgabe, die direkt oder indirekt proportional zur gewünschten Einspritzventilbewegung und damit zum Einspritzverlauf ist.
• Um eine Injektorstromverlaufsvorgabe möglichst präzise darstellen 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 Bauteiltoleranzen 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 Ladungsvorganges 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 Anstiegs- und 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.
• So ist beispielsweise aus Dokument DE 10 2012 213 883 A1 ein Verfahren zum Adaptieren des Verlaufs eines Stromes bekannt, welcher durch einen Kraftstoffinjektor fließt und zu einer Mehrfacheinspritzung von Kraftstoff mit zumindest zwei Teileinspritzvorgängen führt. Dabei wird eine Spule mit einem ersten Erregungsverlauf beaufschlagt, welcher zu einer ersten Mehrfacheinspritzung führt und es wird ein Schließzeitpunkt des Kraftstoffinjektors für den ersten Teileinspritzvorgang bestimmt. Dann wird die Spule mit einem zweiten Erregungsverlauf beaufschlagt, welcher zu der zweiten Mehrfacheinspritzung führt und die Anstiegszeit der Stromstärke während einer Boostphase des zweiten Teileinspritzvorgangs wird bestimmt. Durch Beaufschlagen der Spule mit einem dritten elektrischen Erregungsverlauf, der eine Pre-Charge-Phase aufweist, wird der Spulenantrieb vormagnetisiert.
• Weiterhin ist aus Dokument DE 10 2009 026 847 A1 ein Verfahren zur Bestromung eines Piezoaktors durch Beaufschlagung mit einem Ansteuerstromverlauf über ein Ladezeitintervall bekannt, wobei als Regelgröße ein in einem Ladespannungsintervall ermittelter Ladespannungsverlauf des Aktors ausgewertet und als Stellgröße der Ansteuerstromverlauf verändert wird.
• Bei dem aus Dokument DE 10 2009 018 289 B3 bekannten Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils werden in mehreren Adaptionsdurchläufen unterschiedliche vorgegebene Mengen an elektrischer Energie zugeführt. Die jeweilige vorgegebene Menge an elektrischer Energie wird so vorgegeben, dass eine axiale Lage der Düsennadel unverändert bleibt. Korrelierend zu dem jeweiligen Adaptionsdurchlauf wird nach dem Zuführen der vorgegebenen Menge an elektrischer Energie ein erster und zweiter Spannungswert erfasst und ein Spannungsdifferenzwert ermittelt der mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird. Davon abhängig wird zumindest eine Ansteuerung des Stellantriebs zum Einspritzen von Fluid angepasst.
• Schließlich offenbart das Dokument EP 1 704 315 B1 ein weiteres Verfahren zum Steuern eines Ventils mit einem Ventilantrieb, der als Piezoaktor ausgebildet ist. Dabei wird ein Entladevorgang aufgeteilt in eine erste Entladezeitdauer, eine darauffolgende Haltezeitdauer und eine darauffolgende zweite Entladezeitdauer.
• In Abhängigkeit von dem Verlauf der Spannung am Piezoaktor oder des Stromes durch den Piezoaktor, wird die Haltezeitdauer und/oder die erste Entladezeitdauer adaptiert, um ein präzises Ansteuern des Ventils zu gewährleisten.
• 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 gleichzeitig höherer Flexibilität in der Ansteuerung des Einspritzventils weiter verbessert ist.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 3 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 durchgeführt:
• - 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 nachfolgenden Einspritzvorganges.
• Dabei erfolgt eine Ermittlung einer freien, von einer Trapezform unabhängigen Sollstromvorgabe unter Berücksichtigung des IST-Verhaltens des individuellen Einspritzsystems.
• 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 Ermittlung der Ansteuersignale für einen nachfolgenden Einspritzvorgang verwendet werden.
• Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die Charakteristik der individuell vorhandenen Endstufe bei der Ermittlung der Ansteuersignale 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 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:
• 1 eine Darstellung einer stromgesteuerten Piezoendstufe, 2 eine Skizze zur Veranschaulichung des Komparatorverhaltens während des Ladevorganges,
• 3 Skizzen zur Veranschaulichung von Stromverläufen für den Ladeprozess und den Entladeprozess eines Piezoaktors in Abhängigkeit von der Piezospannung,welche eine Charakteristik der Endstufe beschreiben.
• 4 Skizzen zur Veranschaulichung der Ermittlung der Bestromungsdaten,
• 5 eine Skizze zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen der berechneten Ladezeit und dem Soll-Strom,
• 6 Diagramme zur Veranschaulichung eines Spannungsverlaufes, eines Stromverlaufes und eines Strom-/Spannungsdiagrammes,
• 7 eine Skizze zur Veranschaulichung der Adaption von abgespeicherten Strom-/Spannungskennlinien,
• 8 Skizzen zur Veranschaulichung der Ermittlung des Sollverhaltens des Einspritzventils unter Berücksichtigung des Ist-Verhaltens des Stellgliedes (Endstufe) und
• 9 eine Blockdarstellung eines Steuergerätes.
• Die 1 zeigt eine Darstellung einer stromgesteuerten Piezoendstufe, die bei einem Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils eines Kraftstoffeinspritzsystems verwendet werden kann.
• Diese Piezoendstufe weist einen 2-Quadranten Buck-Boost-Konverter auf, zu welchem ein Tiefsetzsteller T1, D2 und ein Hochsetzsteller T2, D1 gehören. Der Transistor T1 des Tiefsetzstellers, welcher als Feldeffekttransistor realisiert ist, wird von einem Steuersignal s1 angesteuert. Der Transistor T2 des Hochsetzstellers, der ebenfalls als Feldeffekttransistor realisiert ist, wird von einem Steuersignal s2 angesteuert. Die Steuersignale s1 und s2 werden von einem Steuergerät bereitgestellt, wie noch im Zusammenhang mit 6 erläutert wird.
• Der Verbindungspunkt zwischen den Dioden D1 und D2 des Buck-Boost-Konverters ist mit einem Anschluss eines Zwischenkondensators C_z verbunden, dessen anderer Anschluss auf Masse liegt. An diesem Zwischenkondensator C_z liegt eine Spannung U_z an, die nachfolgend als Zwischenspannung bezeichnet wird. Des Weiteren ist der Verbindungspunkt zwischen den Dioden D1 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 R1/C1 mit dem Piezoaktor P verbunden. Durch die Spule L fließt ein Strom i, durch den Piezoaktor ein Strom i_P. Am Piezoaktor fällt eine Spannung U_P ab, die nachfolgend als Piezospannung bezeichnet wird.
• Die Topologie der dargestellten Piezoendstufe lässt sich vereinfacht durch eine Antiparallelschaltung des Tiefsetzstellers 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 Betriebsarten auf. Deshalb genügt -wie es in der 1 dargestellt ist- eine Verwendung nur einer Spule als Hauptinduktivität.
• In der Tiefsetzbetriebsart wird der Piezoaktor P geladen. Bei diesem Laden wird der Schalter T1 durch Pulsweitenmodulation abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Während der Einschaltzeit von T1 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: $$\text{i}=1\text{/L }{\displaystyle \int \text{udt}}$$

  
• Die an der Spule anliegende Spannung entspricht am Beginn des Ladevorgangs näherungsweise dem Wert der von der Spannungsquelle Q bereitgestellten Gleichspannung U_Q.
• Der differentielle Strom der Hauptinduktivität L in der Einschaltphase von T1 lässt sich durch die nachfolgende Gleichung (2) beschreiben: $$\text{di/dt}=\left({\text{U}}_{\text{Q}}-{\text{U}}_{\text{P}}\right)/\text{L}$$

  
• Während der Aussschaltphase von T1 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 Hauptinduktivität während der Ausschaltphase gilt die nachfolgende Beziehung: $$\text{di/dt}=\left(-{\text{U}}_{\text{P}}\right)/\text{L}$$

  
• 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 Einschaltphase 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 Ausschaltphase von T2 findet ein Rückspeisen über beide Dioden D1 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: $$\text{di}/\text{dt}={\text{U}}_{\text{P}}/\text{L}$$

  
• Für den differentiellen Strom während der Ausschaltphase von T2 gilt die folgende Beziehung: $$\text{di}/\text{dt}=\left({\text{U}}_{\text{P}}-{\text{U}}_{\text{Q}}\right)/\text{L}$$

  
• 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 2 veranschaulicht ist.
• In dieser 2 ist nach oben der Strom in Ampere und nach rechts die Zeit in Millisekunden aufgetragen. Die Kurve K1 veranschaulicht den durch die Spule L fließenden Iststrom, die Kurve K2 einen gewünschten Sollstrom, der einer oberen Komparatorschwelle 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 T1 der Iststrom den vorgegebenen Sollstrom, dann schaltet der Komparatorausgang den Schalter T1 aus, so dass der Iststrom wieder abnimmt. Erreicht der abnehmende Iststrom den Nulldurchgang, dann wird T1 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 Pulsbetrieb der ersten Pulse aufgrund des minimalen Schaltzeitverhaltens 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 T1 und T2 hat. Wie aus der oben angegebenen Gleichung (2) ersichtlich ist, wird die Anstiegsfunktion des Stroms hauptsächlich durch die Spannungsdifferenz zwischen U_Q und der Piezospannung U_P beeinflusst.
• Überträgt man für einen Stromsollwert die Verläufe der Piezospannung U_p und des Piezostromes i_p in ein Diagramm, so erhält man eine Spannungs-/Strom-Kennlinie, die das Verhalten der Endstufe charakterisiert. Dies wird nachfolgend anhand der 3 veranschaulicht.
• Diese zeigt die Stromverläufe für den Ladeprozess (3a) und den Entladeprozess (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 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 3a handelt es sich um die 90% Kurve, die 80% Kurve, die 70% Kurve, usw.
• Die in den 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 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 abweichende Gesamtladung/Energie und daraus resultierend ein veränderter Einspritzverlauf vor.
• Die in der 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. $$I\left[A\right]=\alpha \ast I{\left[\text{\%}\right]}^2+b\ast I\left[\text{\%}\right]+c\ast U{\left[V\right]}^2+d\ast U\left[V\right]+e\ast I\left[\text{\%}\right]\ast U\left[V\right]+f$$

  
• 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 Bestromungsdaten 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 Absolutstrom, 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: $$\text{cur\_step}=\text{cur\_step}+\text{step\_cur\_1}$$
  
• Bestimmung des Absolutstromes: $$\text{i\_step}=\text{f}\left(\text{v\_step},\text{ cur\_step}\right)$$
  
  (siehe Gleichung(6))
• Bestimmung der sich einstellenden Piezospannung (vereinfachtes Piezomodell) : $$\begin{array}{l}\text{v\_step}=\text{v\_step}+\left(\text{i\_step}\cdot \text{dt}\right)/(\text{q\_stat}/(\text{v\_stat}-(\text{R\_piezo}\cdot \\ \text{i\_step})))\end{array}$$
  
• Bestimmung der sich einstellenden Ladung: $$\text{q\_step}=\text{q\_step}+\left(\text{i\_step}\cdot \text{dt}\right)$$
  
• Dabei gilt: $$\text{i\_step}=\text{Absolutstromzustand aus dem polynomialen Modell}\left[\text{A}\right]$$

  

  $$\text{v\_step}=\text{Spannungszustand}\left[\text{V}\right]$$

  

  $$\text{cur\_step}=\text{Sollstromzustand}\left[\text{\%}\right]$$

  

  $$\text{q\_step}=\text{Ladungzustand}\left[\text{As}\right]$$

  

  $$\begin{array}{l}\text{step\_cur\_1}=\text{Schrittweite des Sollstroms bei Anstiegsfunktion}\\ \left[\text{\%}\right]\end{array}$$

  

  $$\text{dt}=\text{Zetschrittweite}\left[\text{s}\right]$$

  

  $$\text{q\_stat}=\text{station}\ddot{\text{a}}\text{rer Solladungswert}\left(\text{Modelleingang}\right)\left[\text{As}\right]$$

  

  $$\text{v\_stat}=\text{station}\ddot{\text{a}}\text{rer Sollspannungswert}\left(\text{Modelleingang}\right)\left[\text{V}\right]$$

  

  $$\text{R\_piezo}=\text{Ohmscher Widerstand des Piezoaktors}\left[\text{Ohm}\right].$$

  
• Die 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 5 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen der berechneten Ladezeit T_CHA und dem Sollwert CUR_CHAdes Stromes bei verschiedenen Sollwerten für die stationäre Endspannung bzw. Endladung.
• Die 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 Störfrequenzen 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 ursprünglich ermittelten, in der 3 dargestellten Strom-/Spannungs-Kennlinie abweicht.
• Die 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 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 abgespeicherten 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 Einspritzsystems ermittelt. Dabei sind auch Temperaturabhängigkeiten der Endstufencharakteristik berücksichtigt, da die Zeitkonstante des Temperaturganges erheblich größer ist als die Zeitkonstante, mittels welcher die abgespeicherten Strom-/Spannungskennlinien adaptiert wurden.
• Die 9 zeigt eine Blockdarstellung eines Steuergerätes 1, welches die aus der 1 ersichtlichen Steuersignale s1 und s2 für die Transistoren T1 und T2 des Buck-Boost-Konverters bereitstellt. Dieses Steuergerät 1 weist eine Ermittlungseinheit 2 auf, welche aus dem Steuergerät zugeführten Eingangssignalen e1, ... , em unter Verwendung von in einem Speicher 3 gespeicherten Arbeitsprogrammen und Kennfeldern Eingangsparameter p1, ... , pn für das Regressionsmodell 4 ermittelt. Zu den abgespeicherten Kennfeldern gehört unter anderem ein Kennfeld, welches als Norm- bzw. Referenzkennlinien empirisch ermittelte Strom-/Spannungskennlinien für unterschiedliche Sollstromvorgaben enthält, wobei diese Strom-/Spannungskennlinien -wie es oben erläutert wurde- während des Betriebes des Kraftstoffeinspritzsystems 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 Bestromungsdaten, zu welchen vorzugsweise eine Bestromungsdauer BD und eine Sollstromstärke SS, angegeben in Prozent, gehören. Des Weiteren ermittelt das Regressionsmodell 4 aus den ihm zugeführten 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 s1 und s2 für die Transistoren T1 und T2 umsetzt.
• Bei den Eingangssignalen e1, ..., em des Steuergerätes 1 handelt es sich um Daten, die den momentanen Betriebspunkt des Einspritzsystems beschreiben bzw. charakterisieren. Zu diesen Daten, die von Sensoren bereitgestellt werden, gehören beispielsweise 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 Temperatur des Piezoaktors. Des Weiteren gehören zu den Eingangssignalen e1, ... , em Sensorsignale, die den Verlauf des während eines Einspritzvorganges durch den Piezoaktor P fließenden Stromes i_p und den Verlauf der während des Einspritzvorganges am Piezoaktor P abfallenden Spannung U_P beschreiben. 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 1 gezeigt ist.
• Bei den Eingangsparametern p1, ..., pn 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, Informationen über ein gewünschtes Schwingungsverhalten des Piezoaktors, Informationen über systemindividuelle Parameter wie beispielsweise den Innenwiderstand des Piezoaktors und Informationen über weitere Randbedingungen des Einspritzsystems, beispielsweise Informationen über ein für die Bestromung maximal zur Verfügung stehendes Zeitfenster.

Claims (3)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils 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 nachfolgenden Einspritzvorganges, wobei eine Ermittlung einer freien, von einer Trapezform unabhängigen Sollstromvorgabe unter Berücksichtigung des IST-Verhaltens des individuellen Einspritzsystems erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Stromverlauf und der gemessene Spannungsverlauf oder die daraus ermittelte Strom-/Spannungskennlinie vor der Adaption der abgespeicherten Strom-/Spannungskennlinie gefiltert werden.
3. 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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