DE19931233B4

DE19931233B4 - Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes

Info

Publication number: DE19931233B4
Application number: DE1999131233
Authority: DE
Inventors: Jörg BECKER; Udo Hertel; Richard Pirkl; Christian Dr. Hoffmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2019-07-08
Also published as: DE19931233A1

Abstract

Zur Erzielung eines konstanten Hubs H muß einem Stellglied P ein von dessen Temperatur T¶P¶ abhängiger Energiebetrag W¶P¶ zugeführt werden. In Ansteuerpausen wird mittels Kleinsignalen, die keinen Hub des Stellgliedes bewirken, die Stellgliedkapazität C¶P¶ oder die dazu proportionale Stellgliedtemperatur T¶P¶ ermittelt; mit diesem Wert wird einem empirisch ermittelten Kennfeld KF der für den gewünschten Hub erforderliche Wert der Energie W¶P¶ entnommen, mit welchem das Stellglied P angesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes zum Erzielen eines gewünschten Hubs, insbesondere zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine,
Die in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine eingespritze Kraftstoffmenge ist abhängig vom Kraftstoffdruck sowie vom Hub und der Öffnungsdauer des Kraftstoffeinspritzventils bzw. dessen Stellgliedes.

Aus DE 196 44 521 A1 ist ein Verfahren bekannt, nach welchem ein kapazitives Stellglied eines Kraftstoffeinspritzventils mit konstanter Energie beaufschlagt wird, um einen möglichst konstanten Hub zu erreichen.

Aus DE 196 52 801 C1 ist weiter ein Verfahren bekannt, bei dem ein Stellglied mit konstanten Energiebeträgen geladen wird.

Weiter ist aus DE 197 42 447 A1 ein Wanderwellenmotor mit Temperaturmesseinrichtung bekannt, bei dem in einem für die Erzeugung von Wanderwellen nicht genutzten Teilbereich einer Piezokeramik eine Messelektrode angebracht wird, wodurch eine äußerst exakte Messung der Temperatur direkt am zu messenden Objekt möglich ist.

Abschließend ist aus DE 198 05 184 A1 ein Verfahren zum Ermitteln der Temperatur eines piezoelektrischen Elements bekannt, bei dem die Kapazität des piezoelektrischen Elements gemäß dem Coulomb'schen Gesetz berechnet wird.

Bei Messungen an Piezostellgliedern hat sich herausgestellt, daß sich der Hub eines mit konstanter Energie W = ∫u_p·i_pdt beaufschlagten kapazitiven Stellgliedes mit der Temperatur verändert (u_p bzw. i_p sind die dem Stellglied zugeführten Größen Spannung bzw. Strom). In einem vorgesehenen Betriebstemperaturbereich von –40° bis +150° beträgt diese Änderung etwa –10%, d.h., mit steigender Temperatur verringert sich der Hub.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches es ermöglicht, diese Hubabweichungen im gesamten Betriebstemperaturbereich möglichst klein zu halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Es ist bekannt, daß die Stellgliedkapazität etwa proportional zur Stellgliedtemperatur ist. Diagnostiziert und geregelt wird ein kapazitives Stellglied bisher beispielsweise über die dem Stellglied zugeführte Ladung oder die resultierende Stellgliedspannung, also sog. „Großsignal"-Größen, welche den gewünschten Hub bewirken. Die durch Ansteuerung mit Großsignalen ermittelte Stellgliedkapazität bzw. Stellgliedtemperatur ist sehr toleranzbehaftet, d.h., ungenau, was eine relativ unsichere Diagnose und Regelung zur Folge hat.

Durch Ansteuerung des Stellgliedes mit Kleinsignalen, die so klein sind, daß das Stellglied keinen Hub ausführt, ist eine wesentlich präzisere Bestimmung der Stellgliedkapazität und damit der Stellgliedtemperatur möglich.

Gemäß der Erfindung wird in einem jeweils in Ansteuerpausen (Einspritzpausen) durchgeführten Meßverfahren mit Kleinsignalen die Stellgliedkapazität C_p und über diese die momentane Stellgliedtemperatur T_p ermittelt, die ja proportional zur Stellgliedkapazität C_p ist. In einem vorgesehenen Betriebstemperaturbereich von –40°C bis +150°C steigt die Stellgliedkapazität C_p proportional zur Stellgliedtemperatur T_p etwa um den Faktor 2.

Aus einem aus den erwähnten Messungen erstellten Kennfeld ist bekannt, mit welcher Energie W_p ein kapazitives Stellglied P bei einer bestimmten Stellgliedtemperatur T_p geladen werden muß, um einen bestimmten Hub zu erzielen. Da mit der Stellgliedkapazität c_p auch die Stellgliedtemperatur T_p bekannt ist, kann die für einen bestimmten, beispielsweise konstanten Hub H erforderliche, temperatur- oder kapazitätsabhängige Energiemenge W_p(T_p) oder W_p(C_p) bestimmt werden.

Zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ansteuern eines kapazitiven (piezogesteuerten) Stellgliedes für ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschi ne sind im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1: ein Diagramm des Verlaufs der Stellgliedspannung u_p über der Zeit t zur Ermittlung der Stellgliedkapazität C_p gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
2: ein Diagramm der Stellgliedkapazität C_p, abhängig von der Entladedauer Δt bei konstantem Entladestrom,
3: ein Diagramm der Stellgliedkapazität C_p, abhängig von der Stellgliedtemperatur T_p,
4: ein Kennfeld für die Energie W_p als Funktion von Stellgliedtemperatur T_p und Stellgliedhub H, und
5: eine Wechselspannungsbrücke zum Messen der Kleinsignalkapazität gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Das kapazitive Stellglied weist beispielsweise eine Nennkapazität von C_p = 4μF bei einer Stellgliedtemperatur T_p = 20°C auf. Die Energiewerte zum Ansteuern des Stellgliedes, um einen von der Temperatur unabhängigen, konstanten Hub zu erzielen, sind aus einem empirisch ermittelten Kennfeld nach 4 bekannt.
Um mit einem Verfahren gemäß dem ersten, bevorzugten Ausführungsbeispiel die momentane Stellgliedtemperatur T_p zu bestimmen, wird das Stellglied erfindungsgemäß, wie in 1 gezeigt, in den Einspritzpausen auf eine vorgegebene, niedrige Meßspannung u_m aufgeladen, die so niedrig sein muß, daß das Stellglied seine Länge nicht verändert, d.h., daß vom Kraftstoffeinspritzventil kein Kraftstoff eingespritzt wird. Anschließend wird das Stellglied mit einem vorgegebenen Konstantstrom i_k entladen, wodurch sich ein gerader, abfallender Verlauf der Stellgliedspannung u_p ergibt, deren Steilheit durch die Stellgliedkapazität C_p bestimmt ist. Dabei wird gemessen, in welcher Zeit Δt = t2 – t1 die Stellgliedspannung u_p von einem vorgegebenen Wert u1 auf einen niedrigeren, zweiten vorgegebenen Wert u2 abfällt. Die Stellgliedkapazität C_p errechnet sich dann aus der nachstehenden Formel:
Die Funktion C_p = f(Δt) bei konstanten Werten für i_k, u1 und u2 ist aus 2 zu entnehmen. Bei Δt = 170μs ergibt sich beispielsweise eine Kapazität von C_p = 5μF.
Mit dem aus der Formel oder aus 2 erhaltenen Wert kann aus 3 die der Stellgliedkapazität C_p = 5μF proportionale Stellgliedtemperatur T_p = 75°C ermittelt werden.
Sobald die Stellgliedtemperatur T_p bekannt ist, kann aus dem Kennfeld gemäß 4 die Energie W_p ermittelt werden, die erforderlich ist, um den gewünschten Stellgliedhub H zu erzielen. Soll H = 37μm sein, so muß dem Stellglied beispielsweise eine Energie von 75mJ zugeführt werden, wenn es einen Hub von 37μm ausführen soll.
In dem in 4 dargestellten, empirisch ermittelten Kennfeld sind beispielhaft drei Kurven konstanter Energie gezeichnet, die, abhängig von der Stellgliedtemperatur, jeweils einen bestimmten Stellgliedhub H ergeben. Dieses Kennfeld kann Energiewerte W_p = f(T_p, H) in feiner Abstufung oder mit weniger Stützstellen und Interpolationsmöglichkeit, wie an sich bekannt, enthalten.
Die angegebenen beispielhaften Werte sind in den 2 bis 4 durch gestrichelte Linien bzw. Pfeile gekennzeichnet.
Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens ist, daß kein zusätzlicher Hardwareaufwand erforderlich ist, d.h., daß es mit der vorhandenen Hardware durchgeführt werden kann.
Bei dem zweiten, mit zusätzlicher Hardware zu realisierenden Ausführungsbeispiel nach der Erfindung gemäß 5 liegt ein kapazitives Stellglied P in Reihenschaltung mit einer Um schwingspule L und mit einem Schalttransistor T an einer Gleichspannungsquelle DC. Diese Ansteuerschaltung für das Stellglied ist fett hervorgehoben. Die übrige Ansteuerschaltung ist nicht dargestellt, sondern nur durch die unterbrochene Linie zwischen der Gleichspannungsquelle DC und der Umschwingspule L angedeutet.
Das Stellglied P bildet einen Zweig einer Wechselspannungs-(voll)-brücke, deren strichpunktiert umrandete andere Zweige von komplexen Brückenwiderständen Z2 bis Z4 gebildet werden. Parallel zur Reihenschaltung der Brückenwiderstände Z3 und Z4 ist eine Wechselspannungsquelle AC angeordnet, welche die Brücke mit Wechselspannungs-Kleinsignalen speist. In der Brückendiagonale zwischen den Brückenwiderständen Z2 und Z4 ist eine Auswerteschaltung A angeordnet, in welcher in den Einspritzpausen, in welchen die Wechselspannungsbrücke mittels Schaltern S an das Stellglied P angeschlossen ist, in an sich bekannter Weise die Stellgliedkapazität aus der Phasenverschiebung von Strom und Spannung ermittelt werden kann, wenn die Werte der komplexen Brückenwiderstände Z2 bis Z4 und die anliegende Wechselspannung konstant sind.
Die Wechselspannungsbrücke wird so abgestimmt, daß bei einem bestimmten Kapazitätswert, beispielsweise bei Nennkapazität (C_p = 4μF bei T_p = 20°C) keine der Phasenverschiebung von Strom und Spannung auftritt.
Ist die auf diese Weise ermittelte Stellgliedkapazität C_p und damit die Stellgliedtemperatur T_p bekannt, so erfolgt das wietere Vorgehen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, indem aus dem Kennfeld gemäß 4 die Energie W_p ermittelt wird, die dem Stellglied zugeführt werden muß, um den gewünschten Stellgliedhub H zu erzielen
Ein Vorteil beider Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß es „online", d.h., bei laufender Brennkraftmaschine, durchgeführt werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist, daß bei Motorsteuerungen, bei welchen die Kraftstofftemperatur ein Parameter ist, ggf. auf ein Kraftstoffthermometer verzichtet werden kann, indem die ermittelte Stellgliedtemperatur T_p als Kraftstofftemperatur verwendet wird.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte Stellgliedtemperatur T_p kann kalibriert werden, indem sie vor jedem Motorstart, dem eine genügend lange Betriebspause vorangegangen ist, dem Wert vorhandener Sensoren (Kühlwasser- oder Ölthermometer) gleichgesetzt wird. In diesem Fall kann nämlich davon ausgegangen werden, daß alle Bauteile, also auch die kapazitiven Stellglieder der Kraftstoffeinspritzventile, bei Motorstart gleiche Temperatur aufweisen.
Es ist aber auch möglich, nach einer genügend langen Betriebspause vor einem Motorstart die Stellgliedtemperatur mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu ermitteln und mit den Werten anderer vorhandener Sensoren (Kühlwasser- oder Ölthermometer) zu vergleichen und gleichzusetzen, wenn sie nur geringfügig voneinander abweichen. Sind die Werte um mehr als einen vorgegebenen Betrag voneinander ab, so wird das Stellglied als fehlerhaft angesehen.

Claims

Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes (P) zum Erzielen eines gewünschten Hubs (H), insbesondere zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in Ansteuerpausen des Stellgliedes (P) die momentane Stellgliedtemperatur (T_p) aus der zu ihr proportionalen Stellgliedkapazität (C_p) bestimmt wird, welche durch Ansteuerung des Stellgliedes (P) mit Kleinsignalen, die keinen Hub des Stellgliedes bewirken, ermittelt wird, daß zur Ermittlung der Stellgliedkapazität (C_p) das Stellglied in Ansteuerpausen auf eine vorgegebene Meßspannung (u_m) geladen und anschließend mit einem Konstantstrom (i_k) vorgegebener Größe entladen wird, daß während der Entladung die Zeit Δt = t2 – t1 gemessen wird, während welcher die Stellgliedspannung (u_p) von einem vorgegebenen ersten Wert (u1) auf einen vorgegebenen, zweiten Wert (u2) abfällt, daß die Stellgliedkapazität (C_p) nach der Formel
berechnet oder aus einer gespeicherten Tabelle Cp = f(Δt) ermittelt wird, und daß dem Stellglied zur Erzielung eines gewünschten Hubs (H) ein Energiebetrag W_p = f(T_p oder C_p; H) zugeführt wird, welcher in einem Kennfeld (KF) abhängig von der Stellgliedtemperatur (T_p) oder der Stellgliedkapazität (C_p) und des gewünschten Hubs (H) gespeichert ist.
Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes (P) zum Erzielen eines gewünschten Hubs (H), insbesondere zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in Ansteuerpausen des Stellgliedes (P) die momentane Stellgliedtemperatur (T_p) aus der zu ihr proportionalen Stellgliedkapazität (C_p) bestimmt wird, welche durch Ansteuerung des Stellgliedes (P) mit Kleinsignalen, die keinen Hub des Stellgliedes bewirken, ermittelt wird, daß jeweils in Ansteuerpausen des Stellgliedes (P) mittels einer mit den Wechselspannungs-Kleinsignalen gespeisten Wechselspannungsbrücke (P, Z2 bis Z4), in deren einem Zweig das Stellglied (P) angeordnet ist, die Stellgliedkapazität (C_p) aus der in der Brückendiagonale auftretenden Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ermittelt wird, und daß dem Stellglied zur Erzielung eines gewünschten Hubs (H) ein Energiebetrag W_p = f(T_p oder C_p; H) zugeführt wird, welcher in einem Kennfeld (KF) abhängig von der Stellgliedtemperatur (T_p) oder der Stellgliedkapazität (C_p) und des gewünschten Hubs (H) gespeichert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Stellgliedkapazität (C_p) oder die aus einer gespeicherten Tabelle T_p = f(C_p) entnommene, zu ihr proportionale Stellgliedtemperatur (T_p) als Parameter des Kennfeldes (KF) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Stellgliedtemperatur (T_p) als Kraftstofftemperatur herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Stellgliedtemperatur (T_p) kalibriert wird, indem er vor jedem Motorstart, dem eine genügend lange Betriebspause vorangegangen ist, dem Wert vorhandener Sensoren (Kühlwasser- oder Ölthermometer) gleichgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (P) als fehlerhaft angesehen wird, wenn der vor jedem nach genügend langer Betriebspause erfolgenden Motorstart ermittelte Wert der Stellgliedtemperatur (T_p) vom Wert anderer, vorhandener Sensoren (Kühlwasser- oder Ölthermometer) um mehr als einen vorgegebenen Betrag abweicht.