DE19958406A1

DE19958406A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Stellers mit einem kapazitiven Element

Info

Publication number: DE19958406A1
Application number: DE19958406A
Authority: DE
Inventors: Johannes-Joerg Rueger; Wolfgang Ruehle; Hubert Stier; Matthias Boee; Guenther Hohl; Udo Schulz; Norbert Keim
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-12-03
Filing date: 1999-12-03
Publication date: 2001-06-07
Also published as: FR2802033A1; US6380659B2; IT1319113B1; JP2001193546A; ITMI20002497A1; US20010015577A1; FR2802033B1

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Stellers mit einem kapazitiven Element beschrieben. Parallel zu dem kapazitiven Element ist ein ohmscher Widerstand geschaltet. Zu bestimmten Zeitpunkten wird der Wert (R) des ohmschen Widerstands erfaßt und, ausgehend von dem Wert des Widerstands, auf die Art und/oder die Temperatur des kapazitiven Elements geschlossen.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Stellers mit einem kapazitiven Element. Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung eines kapazitiven Elements, insbesondere von Piezo-Aktoren zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen, sind bekannt.

Die Eigenschaften des Piezo-Aktors sind von der Temperatur abhängig. Daher ist es erforderlich, die Temperatur des Pie zo-Aktors zu bestimmen. Desweiteren treten Abweichungen der Eigenschaften des Piezo-Aktors bzw. des Stellers bei glei cher Bauart auf. Es stellt sich die Aufgabe, die Piezoakto ren bzw. die Steller zu klassifizieren.

Bei solchen Piezoaktoren, insbesondere bei der Verwendung in Brennkraftmaschinen zur Steuerung der Einspritzmenge kann der Fall eintreten, daß der Piezo-Aktor so angesteuert wird, daß er in einer bestimmten Position, beispielsweise bei ei nem Kraftstoffsteuerventil in einer solchen Position ver bleibt, bei dem eine Dauereinspritzung erfolgt. Ist nun auf grund eines Fehlers eine Änderung des Ladezustands des Pie zo-Aktors nicht mehr möglich, so bleibt das Ventil in seiner unveränderten Position. Solche sicherheitskritische Zustände sollen bei Piezoaktoren vermieden werden.

Vorteile der Erfindung

Dadurch, daß bei einem Steller mit einem kapazitiven Ele ment, parallel zu dem kapazitiven Element ein ohmscher Wi derstand geschaltet ist, und zu bestimmten Zeitpunkten der Wert (R) des ohmschen Widerstands erfaßt und ausgehend von dem Wert des Widerstands auf die Art und/oder die Temperatur des kapazitiven Elements geschlossen wird, ist es möglich, in einfacher Weise die Temperatur zu bestimmen und/oder die Temperaturabhängigkeit des Stellers auszugleichen, die Pie zoaktoren zu klassifizieren und kritische Betriebszustände sicher zu vermeiden. Diese Vorgehensweise ist bei allen Stellern mit einem kapazitiven Element vorteilhaft. Beson ders vorteilhaft ist sie bei sogenannten Piezo-Aktoren.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wert (R) des ohmschen Widerstands, der parallel zu dem kapazitiven Element ge schaltetet ist, zu bestimmten Zeitpunkten erfaßt und ausge hend von dem Wert auf die Temperatur des kapazitiven Elements und/oder des Stellers geschlossen wird.

Besonders vorteilhaft ist es, daß mittels des Widerstands verschiedene Aufgaben gleichzeitig gelöst werden können.

Vorteilhaft ist es, wenn der Wert (R) des ohmschen Wider stands, der parallel zu dem kapazitiven Element geschaltet ist, zu bestimmten Zeitpunkten erfaßt und ausgehend von dem Wert auf die Art und die Temperatur des kapazitiven Elements und/oder des Stellers geschlossen wird. Insbesondere dient der ohmsche Widerstand gleichzeitig zur Klassifizierung und zur Temperaturbestimmung.

Vorteilhaft ist es, wenn der Wert (R) des ohmschen Wider stands, der parallel zu dem kapazitiven Element geschaltet ist und als Ableitwiderstand dient, zu bestimmten Zeitpunk ten erfaßt und ausgehend von dem Wert auf die Art des kapa zitven Elements und/oder des Stellers geschlossen wird. Ins besondere dient der ohmsche Widerstand gleichzeitig als Ab leitwiderstand und zur Klassifizierung.

Vorteilhaft ist es, wenn der Wert (R) des ohmschen Wider stands, der parallel zu dem kapazitiven Element geschaltet ist und als Ableitwiderstand dient, zu bestimmten Zeitpunk ten erfaßt und ausgehend von dem die Temperatur des kapazit ven Elements und/oder des Stellers geschlossen wird. Insbe sondere dient der Ohmsche Widerstand gleichzeitig als Ab leitwiderstand und zur Temperaturbestimmung.

Dadurch, daß der ohmscher Widerstand als Ableitwiderstand dient, ist eine gezielte Entladung des kapazitiven Elements möglich. Insbesondere bei der Anwendung des Stellers als In jektor zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennkraftmaschi nen, können so kritische Betriebszustände vermieden werden.

Eine besonders einfache Berechnung des Wertes des Widerstan des ergibt sich dadurch, daß dieser ausgehend von einer Ent ladezeit des kapazitiven Elements berechnet wird. Hierzu wird das kapazitive Element auf eine Spannung aufgeladen und anschließend über den ohmschen Widerstand entladen.

Wird ausgehend von einem Prüfstrom und/oder einer Prüfspan nung der Wert des Widerstands bestimmt, so kann der Wert ständig im laufenden Betrieb ohne Beeinträchtigung des Wi derstandes des Stellers berechnet werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wert des Widerstands vor der ersten Inbetriebnahme des Stellers bestimmt wird.

Eine solche erste Inbetriebnahme liegt am Bandende oder nach einer Reparatur und/oder einem Austausch des Stellers vor.

Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein erstes Flußdiagramm und

Fig. 3 ein zweites Flußdiagramm der erfindungsgemäßen Vorgehensweise.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Steller mit einem kapazitiven Element mit 100 bezeichnet. Solche Steller werden häufig auch als Injek toren bezeichnet und dienen beispielsweise zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen. Dabei besteht zwi schen der Stellgröße, d. h. der Längenausdehnung des kapazi tiven Elements und der anliegenden Spannung ein bestimmter Zusammenhang.

Zur Vereinfachung sind die mechanischen Bauteile nicht dar gestellt, es ist lediglich das kapazitive Element 100a dar gestellt. Dieses steht über einen ersten Anschluß mit Masse und über einen zweiten Anschluß mit einem Endstufenschalter 110 in Verbindung. Der Endstufenschalter 110 verbindet den zweiten Anschluß des kapazitiven Elements mit einer Energie versorgung 120. Der Endstufenschalter 110 wird von einer Steuerung 130 mit Ansteuersignalen beaufschlagt. Parallel zu dem kapazitiven Element 100a ist ein ohmscher Widerstand 100b geschaltet. Vorzugsweise bilden das kapazitive Element 100a und der ohmsche Widerstand 100b und der Steller 100 eine bauliche Einheit. Desweiteren ist zu dem kapazitiven Element 100a bzw. zu dem ohmschen Widerstand 100b eine Aus wertung 140 parallel geschaltet. Diese tauscht mit der Steuerung 130 verschiedene Größen aus.

Die Energieversorgung 120 und der Endstufenschalter 110 sind lediglich schematisch dargestellt. So kann beispielsweise der Endstufenschalter durch mehrere Schaltelemente gebildet werden. Vorzugsweise kann der Endstufenschalter auch zwi schen der Masse und dem kapazitiven Element angeordnet sein.

Solche kapazitiven Elemente werden häufig auch als Piezo-Ak toren bezeichnet.

Durch entsprechendes Ansteuern des Endstufenschalters 110 wird das kapazitive Element 100a auf eine bestimmte Spannung aufgeladen und anschließend wieder entladen. Die Zeitdauer, in der sich das kapazitive Element auf einen bestimmten Spannungspegel befindet, d. h. eine bestimmte Spannung an dem kapazitiven Element 100a anliegt, wird üblicherweise als An steuerdauer bezeichnet. Diese Ansteuerdauer bestimmt die einzuspritzende Kraftstoffmenge. Der Endstufenschalter 110, die Energieversorgung 120 und die Steuerung 130 sowie die Auswertung 140 sind in der Regel in einem Steuergerät zusam mengefaßt, das getrennt von dem Steller angeordnet ist. Das Steuergerät und der Steller sind über Leitungen verbunden. Das Steuergerät umfaßt vorzugsweise noch weitere Elemente und dient vorzugsweise zur Steuerung der Brennkraftmaschine und/oder der Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in die Brennkraftmaschine. Hierzu verarbeitet das Steuergerät ver schiedene Größen und/oder Ausgangssignale von Sensoren.

Bei einer Unterbrechung der Leitung bzw. einer Fehlfunktion einer der Bauteile kann der Fall eintreten, daß der Steller sich ständig in einer bestimmten Position befindet, da der Steller nicht mehr entladen wird bzw. entladen werden kann. Um in diesem Fall eine entsprechende Entladung des kapaziti ven Elements zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Widerstand 100b parallel zu dem kapazitiven Element 100a geschaltet ist. Dabei ist der Widerstand in räumlicher Nähe zu dem kapazitiven Element, vorzugsweise im Injektor angeordnet, damit die Verbindungsleitungen möglichst kurz sind.

Der Widerstand ist so dimensioniert, daß die Zeitkonstante, die sich aus dem kapazitiven Element 100a und dem ohmschen Widerstand 100b ergebenden RC-Gliedes so groß ist, daß in nerhalb der üblichen Ansteuerdauer, die für eine fehlerfreie Einspritzung üblich ist, keine signifikante Entladung des kapazitiven Elements auftritt. Andererseits ist die Zeitkon stante so bemessen, daß innerhalb der Zeit, die maximal zur Verfügung steht, bis das Ventil sicher geschlossen sein muß, um den Motor nicht zu beschädigen, das kapazitive Element ausreichend entladen ist. Bei entsprechender Dimensionierung wirkt der Widerstand 100b als Ableitwiderstand.

Innerhalb einer Entladezeit, die im wesentlichen durch die Zeitkonstante bestimmt ist, hat sich das kapazitive Element 100a soweit entladen, daß der Steller eine sichere Stellung einnimmt, d. h. die Einspritzung endet. Die Zeitkonstante ist so gewählt, daß die Entladezeit größer ist als die maximal mögliche Ansteuerdauer des Stellers. Im Fehlerfall wird die se maximal mögliche Ansteuerdauer überschritten.

Üblicherweise treten bei der Fertigung von Injektoren Ferti gungstoleranzen auf, die zu Mengenstreuungen führen, d. h. bei gleicher Ansteuerdauer messen unterschiedliche Injekto ren unterschiedliche Kraftstoffmengen zu. Dadurch, daß die Injektoren bei der Fertigung vermessen und klassifiziert werden, und daß diese Klassifizierung bei der Ansteuerung berücksichtigt wird, läßt sich die Ausbeute bei der Ferti gung erheblich verringern. Desweiteren wird die Einspritzung verbessert, da die Streuungen berücksichtigt werden können.

Die Zeitkonstante des RC-Gliedes, bestehend aus dem kapazi tiven Element 100a und dem Widerstand 100b, ist in einem ge wissen Bereich variabel. Dieser Freiheitsgrad wird erfin dungsgemäß genutzt, um die Injektoren zu klassifizieren. Hierzu wird eine gewisse Anzahl von Klassen bestimmt, die über diesen Widerstand klassifiziert werden. Der Widerstand wird vorzugsweise nach der Vermessung endgültig montiert und derart angebracht, daß er nicht ohne weiteres entfernt wer den kann. Beispielsweise kann der Widerstand mit einem sich verfestigenden Material umgeben werden. Der Klassifizie rungswiderstand wird dadurch permanent mit dem Aktor verbun den. Dadurch wird der Aufwand für den Fahrzeughersteller, der die Aktoren einbaut, mit Blick auf Kosten und Logistik und Fehlermöglichkeiten weitestgehend reduziert.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß im Systemstart der Wi derstandswert gemessen wird. Eine Möglichkeit, den Wider standswert zu messen, besteht darin, den Aktor auf eine be liebige Spannung aufzuladen und die abklingende Spannung zu messen. Das aus Widerstand 100b und kapazitiven Element 100a bestehende System weist eine Zeitkonstante auf, die vom Wert des Widerstandes 100b abhängt. Vorzugsweise erfolgt diese Messung am Bandende beim Fahrzeughersteller, da in diesem Fall die Initalisierungszeit unkritisch ist. Erst nach der erfolgten Messung des Widerstandes und damit der erfolgten Klassifizierung des Injektors wird die Ansteuerung durch die Steuerung freigegeben.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Zustand, daß der Wi derstand bereits vermessen wurde, in einer ersten Speicher zelle eines nichtflüchtigen Speichers des Steuergeräts abge legt wird, so daß bei jedem weiteren Start der Widerstand nicht neu vermessen wird. Vorzugsweise dient ein EEPROM als nicht flüchtiger Speicher. Das Ergebnis der Klassifizierung wird ebenfalls vorzugsweise in einer zweiten Speicherzelle des nichtflüchtigen Speichers gespeichert.

Erfolgt ein Austausch eines Aktors, wird der Wert der ersten Speicherzelle, die anzeigt, daß der Widerstand bereits ver messen wurde, zurückgesetzt, um eine erneute Klassifizierung vornehmen zu können.

In der Fig. 2 ist sowohl ein Verfahren zur Bestimmung des Wertes R des Widerstandes 100b sowie eine Vorgehensweise zur Erkennung der Klasse ausgehend von dem Wert des Widerstandes angegeben.

In einem ersten Schritt 200 wird überprüft, ob der Wert R des Widerstandes zu ermitteln ist. In einer einfachen Ausge staltung ist vorgesehen, daß überprüft wird, ob in dem nichtflüchtigen Speicher die erste Speicherzelle einen ent sprechenden Wert annimmt, der anzeigt, ob der Widerstand noch nicht ermittelt wurde. Ist dies nicht der Fall, d. h. der Wert R des Widerstandes wurde bereits ermittelt, so geht das Programm in seinen üblichen Programmablauf in Schritt 205 über.

Wurde der Wert R des Widerstandes noch nicht ermittelt, so wird in Schritt 210 das kapazitive Element auf eine defi nierte Spannung U aufgeladen. Gleichzeitig wird ein Zeitzäh ler t mit Null gesetzt. Die anschließende Abfrage 220 über prüft, ob der Wert des Zeitzählers t größer oder gleich als eine Zeitschwelle t1 ist. Ist dies nicht der Fall, so wird in Schritt 225 der Zeitzähler erhöht und es erfolgt erneut die Abfrage 220. Ist der Zeitzähler t größer oder gleich der Zeitschwelle t1, so wird in Schritt 227 die Spannung U1 zu diesem Zeitpunkt gemessen.

Anschließend in Schritt 230 erfolgt die Abfrage dahingehend, ob der Inhalt des Zeitzählers t größer/gleich einer zweiten Zeitschwelle t2 ist. Ist dies nicht der Fall, so wird in Schritt 235 der Zeitzähler t um 1 erhöht. Ist dies der Fall, so wird in Schritt 237 der Wert U2 der Spannung zum Zeit punkt t2 ermittelt.

Bei einem RC-Glied fällt die Spannung gemäß einer Exponenti alfunktion ab, die im wesentlichen durch eine Zeitkonstante bestimmt wird. Durch Messen der Spannung an zwei unter schiedlichen Zeitpunkten kann die Zeitkonstante und damit bei bekannter Kapazität des kapazitiven Elementes 100a der Wert R des Widerstandes bestimmt werden. Diese Berechnung des Wertes des Widerstandes erfolgt in Schritt 240.

Die sich anschließende Abfrage 250 überprüft, ob der Wert R des Widerstands größer als ein Schwellenwert W1 ist. Ist dies der Fall, so wird der Injektor in Schritt 252 in die Klasse K1 eingeordnet. Ist dies nicht der Fall, so überprüft die Abfrage 260, ob der Wert R des Widerstands größer als ein zweiter Schwellenwert W2 ist. Ist dies der Fall, so wird in Schritt 264 der Injektor in die Klasse K2 eingeordnet. Ist dies nicht der Fall, so wird der Injektor in Schritt 262 in die Klasse K3 eingeordnet.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Injektoren in drei Klassen eingeteilt. Die erfindungsgemäße Vorgehens weise ist nicht auf die Zahl von drei Klassen beschränkt, sie kann bei jeder beliebigen Anzahl von Klassen eingesetzt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Widerstand in thermi schen Kontakt mit dem kapazitiven Element steht. In diesem Fall kann mittels des Widerstandes 100b die Temperatur der Keramik des Aktors und/oder des Injektors bestimmt werden. Mittels eines Teststroms mit dem der Widerstand 100b, konti nuierlich, getaktet oder in bestimmten Zeitabständen beauf schlagt wird, kann ausgehend von dem ohmschen Gesetz der Widerstand bestimmt werden. Hierzu erfolgt bei vorzugsweiser bekannter und/oder gemessener Spannung und eine Messung des Stroms.

Mit einem Piezoaktor mit Widerstand ist es möglich über den Widerstand 100b die aktuelle Temperatur des Aktors bzw. des Injektors zu bestimmen. Ausgehend von den bekannten Zusam menhängen zwischen der Längenänderung und der Temperatur und/oder dem Zusammenhang zwischen Längenänderung und der Spannung die am Piezoaktor anliegt, läßt sich der Einfluß der Temperatur auf die Längenausdehnung durch Korrektur der Spannung korrigieren. Durch entsprechende Korrektur der Spannung abhängig von dem Widerstandswert (R) des Wider stands 100b ergibt sich über den gesamten Temperaturbereich ein konstanter Ventilhub.

Eine entsprechende Vorgehensweise ist in Fig. 3 darge stellt. In einem ersten Schritt 300 wird überprüft, ob ein Zustand vorliegt, in dem eine Messung der Temperatur möglich ist. In der einfachsten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Messung in vorgegebenen festen Zeitabständen erfolgt. In Schritt 310 wird der Widerstand 100b mit einem Prüfstrom be aufschlagt und die abfallende Spannung gemessen. Alternativ kann auch der Widerstand mit einer Spannung beaufschlagt und der Strom gemessen werden. Ausgehend von diesen Werten er gibt sich der Wert R des Widerstands 100b. Ausgehend von dem Wert R wird die Temperatur T berechnet.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Widerstand als hochohmiger Draht ausgebildet ist, der außen um die Keramik herum angeordnet ist. Desweiteren kann vorgesehen sein, daß er bei der Keramikherstellung in die Keramik integriert ist. Desweiteren ist möglich, daß bei einem Stapelaktor als eine Zusatzscheibe der Widerstand eingefügt wird.

Die Widerstandsermittlung gemäß Fig. 3 und die Widerstand sermittlung gemäß Fig. 2 können auch ausgetauscht werden bzw. es können auch andere Verfahren zur Ermittlung des Wi derstands eingesetzt werden.

Besonders vorteilhaft ist, daß mit einem Element, das vor zugsweise als ohmscher Widerstand ausgebildet ist, ver schiedene Aufgaben gelöst werden können.

Vorteilhaft ist es, wenn die Widerstandswerte bei der Vorge hensweise gemäß Fig. 2 derart gewählt sind, daß die Diffe renz zwischen den Widerstandswerten bei unterschiedlichen Klassen größer ist als die Schwankungsbreite der Wider standswerte in Abhängigkeit von der Temperatur.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung eines Stellers mit einem kapazi tiven Element, wobei parallel zu dem kapazitiven Element ein ohmscher Widerstand geschaltet ist, dadurch gekenn zeichnet, daß zu bestimmten Zeitpunkten der Wert (R) des ohmschen Widerstands erfaßt und ausgehend von dem Wert des Widerstands auf die Art und/oder die Temperatur des kapazitiven Elements geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmscher Widerstand als Ableitwiderstand dient.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einer Entladezeit des kapazitiven Ele ments der Wert (R) des Widerstands berechnet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem Prüfstrom und/oder einer Prüfspannung der Wert des Widerstands be stimmt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Wert des Widerstands vor der ersten Inbetriebnahme des Stellers bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Wert des Widerstands mehr mals während des Betriebs des Stellers bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das kapazitive Element auf eine Spannung aufgeladen und an schließend über den ohmschen Widerstand entladen wird.

8. Vorrichtung zur Steuerung eines Stellers mit einem kapa zitiven Element, wobei parallel zu dem kapazitiven Ele ment ein ohmscher Widerstand geschaltet ist, dadurch ge kennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die zu bestimm ten Zeitpunkten der Wert (R) des ohmschen Widerstands er fassen und ausgehend von dem Wert des Widerstands auf die Art und/oder die Temperatur des kapazitiven Elements schließen.