19.12.2005

Robert Bosch GmbH, 70442 Stuttgart

Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors, insbesondere eines Einspritzventils

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors, insbesondere eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine, bei dem der piezoelektrische Aktor mit einer elektrischen Spannung angesteuert wird, um den Aktor von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand zu versetzen, und bei dem der Zeitverlauf eines durch den Aktor fließenden Stroms ermittelt wird.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein entsprechendes Computerprogramm, einen entsprechenden elektronischen Speicher sowie ein entsprechendes Steuergerät.

Verfahren der eingangs genannten Art sind beispielsweise von in Einspritzventilen eingesetzten piezoelektrischen Aktoren bekannt und werden verwendet, um einen öffnungszeitpunkt oder einen Schließzeitpunkt des Einspritzventils zu ermitteln, wodurch beispielsweise eine eingespritzte Kraftstoff menge abgeschätzt werden kann.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine präzisere überwachung eines ordnungsgemäßen Betriebs des piezoelektrischen Aktors möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß

dadurch gelöst, dass der ermittelte Zeitverlauf mit einem Referenzzeitverlauf verglichen wird, und dass aus diesem Vergleich Rückschlüsse auf eine Bewegung des Aktors oder auf eine Bewegung von mit dem Aktor gekoppelten Elementen gezogen werden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Vergleichen eines tatsächlich ermittelten Zeitverlaufs des durch den Aktor fließenden Stroms mit einem Referenzzeitverlauf ermöglicht eine besonders genaue überwachung einer ordnungsgemäßen Funktion des Aktors. Insbesondere kann basierend auf dem erfindungsgemäßen Vergleich aufgrund von Differenzen zwischen dem Referenzzeitverlauf und dem tatsächlich ermittelten Zeitverlauf abgeleitet werden, ob der Aktor eine seiner Ansteuerung entsprechende Bewegung ausführt.

Falls der Aktor während einer Ansteuerung beispielsweise externen Störgrößen ausgesetzt ist, die in Form einer auf den Aktor wirkenden Kraft auftreten, ergeben sich hierdurch Ladungsverschiebungen in dem piezoelektrischen Material des Aktors, die sich bei gegebener Ansteuerspannung u. a. auf den Zeitverlauf des durch den piezoelektrischen Aktor fließenden Stroms auswirken. Eine derartige externe Kraft kann beispielsweise von Druckschwankungen in einem Einspritzventil herrühren, in dem der piezoelektrische Aktor verwendet wird, oder auch von Trägheitskräften eines Massensystems, das mit dem piezoelektrischen Aktor gekoppelt ist. Darüber hinaus ist es auch möglich, Trägheitseffekte der Eigenmasse des piezoelektrischen Aktors über eine derartige Rückwirkung auf den durch den Aktor fließenden Strom zu detektieren.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf piezoelektrische Aktoren von Einspritzventilen beschränkt und kann generell überall eingesetzt werden, wo Informationen über einen Bewegungsverlauf eines piezoelektrischen Aktors während dessen Ansteuerung gesammelt werden sollen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich

aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.

Zeichnung

In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Einspritzventils, das einen piezoelektrischen Aktor aufweist,

Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren

Ausführungsbeispiels eines Einspritzventils, das einen piezoelektrischen Aktor aufweist,

Figur 3a

bis 3d jeweils ein schematisches Diagramm verschiedener Betriebsgrößen eines piezoelektrischen Aktors beziehungsweise eines den piezoelektrischen Aktor enthaltenden Einspritzventils; und

Figur 4 ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Figur 1 ist ein Einspritzventil 10a einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt, das mit einem piezoelektrischen Aktor 12 versehen ist. Der piezoelektrische Aktor 12 ist von Kraftstoff 11 umgeben und wird, wie in Figur 1 durch den Pfeil angedeutet, von einem Steuergerät 25 angesteuert. Weiterhin weist das Einspritzventil

10a eine Ventilnadel 13 auf, die auf einem Ventilsitz 14 im Inneren des Gehäuses des Einspritzventils 10a aufsitzen kann.

Ist die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz 14 abgehoben, so ist das Einspritzventil 10a geöffnet und es wird Kraftstoff eingespritzt. Dieser Zustand ist in der Figur 1 dargestellt. Sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14 auf, so ist das Einspritzventil 10a geschlossen. Der übergang von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand wird mit Hilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt. Hierzu wird eine elektrische Spannung an den Aktor 12 angelegt, die eine Längenänderung eines in dem Aktor 12 angeordneten Piezostapels hervorruft, die ihrerseits zum öffnen bzw. Schließen des Einspritzventils 10a ausgenutzt wird.

Um eine überwachung der Bewegung des Aktors 12 während seiner Ansteuerung zu realisieren, wird erfindungsgemäß der Zeitverlauf eines durch den Aktor 12 fließenden Stroms ermittelt. Dies kann beispielsweise in dem Steuergerät 25 erfolgen.

Ferner wird der auf diese Weise ermittelte Zeitverlauf erfindungsgemäß mit einem Referenzzeitverlauf verglichen, der beispielsweise im Wege einer Messung an einem ordnungsgemäß funktionierenden Aktor 12 zuvor erhalten worden ist. Besonders vorteilhaft wird der Referenzzeitverlauf beziehungsweise einzelne, den Referenzzeitverlauf repräsentierende Stromwerte in einem Neuzustand desjenigen Aktors ermittelt, zu dessen überwachung der entsprechende Referenzzeitverlauf auch später verwendet werden soll. Dadurch ist gewährleistet, dass individuelle

Schwankungen hinsichtlich des Zeitverlaufs des durch den Aktor fließenden Stroms sich nicht negativ auf die Genauigkeit bei der überwachung des betreffenden Aktors auswirken.

Wie bereits angedeutet, ergibt sich eine einfachere Verarbeitung des Zeitverlaufs des durch den Aktor 12 fließenden Stroms dadurch, dass der Zeitverlauf durch eine Mehrzahl von zeitdiskreten Stromwerten repräsentiert wird. Derartige Stromwerte können beispielsweise durch eine äquidistante Abtastung des durch den Aktor 12 fließenden Stroms mit einer hinreichend hohen Abtastrate erhalten werden.

Darüber hinaus ist es bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch möglich, kein regelmäßiges Zeitraster zur Abtastung des Zeitverlaufs des Stroms einzusetzen, sondern den durch den Aktor 12 fließenden Strom allgemein zu vorgebbaren Zeitpunkten zu ermitteln. Diese Verfahrensvariante kann besonders vorteilhaft dann eingesetzt werden, wenn der Zeitverlauf des zu überwachenden Aktorstroms besonders charakteristische Werte beziehungsweise Bereiche aufweist, während der entsprechende Stromwerte beispielsweise mit einer vergleichsweise hohen Abtastrate erfasst werden. In weniger interessierenden Bereichen des Zeitverlaufs des Aktorstroms können dementsprechend weniger Stromwerte pro Zeiteinheit ermittelt werden.

Insbesondere bei der Verwendung einer variablen Abtastrate zur Erfassung des Zeitverlaufs des Aktorstroms werden den einzelnen Stromwerten vorteilhaft die jeweiligen Abtastzeitpunkte zugeordnet, so dass ein Zeitverlauf bzw. Referenzzeitverlauf aus einer Mehrzahl von 2-Tupeln besteht, die jeweils den Abtastzeitpunkt und einen entsprechenden Abtastwert für den Aktorstrom aufweisen.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nachstehend unter Bezug auf den in Figur 1 abgebildeten piezoelektrischen Aktor 12 des Einspritzventils 10a und das Flussdiagramm aus Figur 4 näher beschrieben.

Um den piezoelektrischen Aktor 12 des Einspritzventils 10a von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand zu versetzen, wird der Aktor 12 mit einer entsprechenden elektrischen Spannung angesteuert. Während dieser Ansteuerphase wird gleichzeitig ein durch den Aktor 12 fließender Strom ermittelt, was in Schritt 100 des erfindungsgemäßen Verfahrens, vergleiche Figur 4, erfolgt.

Anschließend wird in Schritt 110 der zuvor in Schritt 100 ermittelte Zeitverlauf des Aktorstroms mit einem früher aufgezeichneten und beispielsweise in einem nichtflüchtigen Speicher des Steuergeräts 25 gespeicherten Referenzzeitverlauf verglichen, um nachfolgend in Schritt 120 des erfindungsgemäßen Verfahrens aus diesem Vergleich 110 Rückschlüsse auf eine Bewegung des Aktors 12 zu ziehen. Eventuell auftretende Differenzen zwischen dem tatsächlich ermittelten Zeitverlauf des

Aktorstroms und dem gespeicherten Referenzzeitverlauf können ferner dazu verwendet werden, um auf eine Bewegung von mit dem Aktor 12 gekoppelten Elementen, wie beispielsweise der Ventilnadel 13, zu schließen.

Eine Hintereinanderausführung der erfindungsgemäßen Schritte 100, 110 ist nicht zwingend erforderlich. Vielmehr kann der entsprechende Vergleich des tatsächlichen Aktorstroms mit Werten aus dem Referenzzeitverlauf auch simultan mit der Ermittlung des tatsächlichen Zeitverlaufs des Aktorstroms erfolgen.

In Schritt 130 kann schließlich aufgrund der in Schritt 120 gegebenenfalls gezogenen Rückschlüsse eine Optimierung der Ansteuerung des Aktors 12 erfolgen, beispielsweise unter Verwendung eines entsprechend ausgelegten Reglers. Sofern der erfindungsgemäße Vergleich 110 zeitgleich zu der Ermittlung des tatsächlichen Zeitverlaufs des Aktorstroms ausgeführt wird, kann eine durch den Regler korrigierte Ansteuerung des Aktors 12 (Figur 1) sogar unmittelbar erfolgen, so dass möglicherweise weitere auftretende Differenzen zu dem Referenzzeitverlauf des Aktorstroms verringert oder vermieden werden können.

Figur 2 zeigt ein weiteres Einspritzventil 10b, das ebenfalls einen piezoelektrischen Aktor 12 sowie eine hierdurch gesteuerte Ventilnadel 13 aufweist. Im Unterschied zu der in Figur 1 abgebildeten Variante weist das Einspritzventil 10b gemäß Figur 2 eine hydraulische Kopplung zwischen dem Aktor 12 und der Ventilnadel 13 auf. Diese hydraulische Kopplung ist durch den mit dem Aktor 12 verbundenen Kolben 15 realisiert, der auf einen Koppelraum 16 wirkt, der seinerseits über nicht in Figur 2 abgebildete Verbindungen mit einem Steuerraum 18 verbunden ist.

Zur Realisierung von zwei verschiedenen übersetzungsverhältnissen bei der Kraftübertragung von dem Aktor 12 auf die Ventilnadel 13 ist bei dem Einspritzventil 10b zusätzlich ein Ausweichkolben 20 vorgesehen, der sich in Abhängigkeit einer zwischen dem Koppelraum 16 und dem Speicherraum 19 herrschenden Druckdifferenz hin- und herbewegt.

Figur 3b zeigt schematisch einen zeitlichen Verlauf der zur Ansteuerung des Aktors 12 des Einspritzventils 10b (Figur 2) verwendeten Spannung U, wie er von dem Steuergerät 25 (nicht in Figur 2 abgebildet) erzeugt wird, um das Einspritzventil 10b aus seiner in Figur 2 abgebildeten Schließposition zunächst in eine öffnungsposition und anschließend wieder in seine Schließposition zu überführen.

Wie aus Figur 3b ersichtlich, wird dazu ausgehend von der anfangs an dem Aktor 12 anliegenden Spannung U max ab dem Zeitpunkt tl die Ansteuerspannung U kontinuierlich verringert, bis sie zu dem Zeitpunkt t4 einen Wert von 0 V annimmt. Hierbei verringert sich die Länge des Aktors 12 (Figur 2) und es ergibt sich der in Figur 3a abgebildete Zeitverlauf des durch den Aktor 12 fließenden Stroms I.

Unmittelbar nach dem Zeitpunkt tl, zu dem die Spannung U wie vorstehend beschrieben abgesenkt wird, fällt der durch den Aktor 12 fließende Strom I von dem ersten, mit dem Bezugszeichen Pl bezeichneten Stromwert auf den Stromwert P2. Hierbei wird der Aktor 12 zunächst geringfügig entladen, während er noch seine ursprüngliche Aktorlänge beibehält.

Ab dem Zeitpunkt t2 bewegt sich schließlich der Aktor 12 und zieht den ihm zugeordneten Kolben 15 (Figur 2) aus dem Koppelraum 16 heraus, wodurch der Druck in dem Koppelraum 16 abfällt. Der Druck in dem Speicherraum 19 fällt hierbei ebenfalls ab, allerdings ist der entsprechende Druckabfall aufgrund des größeren Volumens des Speicherraums 19 geringer als der Druckabfall in dem Koppelraum 16.

Durch die einsetzende Aktorbewegung ergibt sich in dem in Figur 3a abgebildeten Zeitverlauf des Aktorstroms I ein erster Knick im Bereich des Stromwerts P2. Während der weiteren Kontraktion des Aktors 12 sinkt der Druck in dem Koppelraum 16 und in dem mit ihm verbundenen Steuerraum 18 bis zu dem Zeitpunkt t3 schließlich so weit ab, dass die Ventilnadel 13 sich von ihrem Ventilsitz 14 ablöst, wobei im Bereich des Stromwerts P3 (Figur 3a) erneut ein Knick in dem Zeitverlauf des Aktorstroms I feststellbar ist.

Mit der sich weiter von ihrem Ventilsitz 14 entfernenden Ventilnadel 13 steigt schließlich wieder der Druck in dem Steuerraum 18 und dem Koppelraum 16.

Die Ansteuerspannung U ist zwischenzeitlich bei t = t4 (Figur 3b) auf 0 V abgesunken und bleibt nunmehr konstant. Hierdurch entsteht ein weiterer Knick des Aktorstroms I (Figur 3a) im Bereich des Stromwerts P4, welcher gleichzeitig das absolute Minimum des Zeitverlaufs des Aktorstroms I markiert.

Der Aktor 12 und die Ventilnadel 13 bewegen sich jedoch aufgrund ihrer Massenträgheit und der Massenträgheit der sich durch die seitherige Ansteuerung in Bewegung befindlichen hydraulischen Komponenten beziehungsweise der betreffenden Kraftstoffmengen weiter, so dass schließlich bei dem mit P5 markierten Stromwert erneut ein Knick in dem Zeitverlauf des Aktorstroms I feststellbar ist, der dadurch bewirkt wird, dass der nunmehr ansteigende Kraftstoffdruck in dem Koppelraum 16 den Wert des Speicherraumdrucks erreicht hat, so dass sich nunmehr auch der Ausweichkolben 20 zu bewegen beginnt. Das heißt, zu dem betrachteten Zeitpunkt t5 stellt sich auch ein übersetzungswechsel in dem hydraulischen Koppler des

Einspritzventils 10b ein, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der in dem Koppelraum 16 herrschende Kraftstoffdruck nunmehr auf die Stirnflächen beider Kolben 15, 20 wirkt, und nicht mehr allein auf die Stirnfläche des direkt mit dem Aktor 12 verbundenen Kolbens 15.

Aufgrund der nunmehr größeren hydraulischen übersetzung zwischen der Ventilnadel 13 und dem Aktor 12 wird der Aktor 12 schließlich abgebremst, was sich wiederum in einer änderung der Steigung des Stromverlaufs des Aktorstroms I im Bereich des Stromwerts P6 niederschlägt.

Zu dem Zeitpunkt t6 schließlich hat die Ventilnadel 13 eine Hubbegrenzung erreicht, wodurch die Bewegung des Aktors 12 noch stärker abgebremst wird. Dadurch ergibt sich der bei dem Stromwert P6 ersichtliche Knick in dem Zeitverlauf des Aktorstroms I mit dem nachfolgenden Annähern des Aktorstroms I zu Null. Zu diesem Zeitpunkt ist die Bewegung des Aktors 12 zum Stillstand gekommen.

Ein erneutes Laden des Aktors 12 ist ebenfalls aus den Figuren 3a, 3b ersichtlich, wobei ein im Wesentlichen zu den Stromwerten Pl bis P7 inverser Verlauf des Aktorstroms I erhalten wird.

Der entsprechende Nadelhub h_N der Ventilnadel 13 ist in Figur 3c abgebildet.

Ergänzend zeigt das Schaubild gemäß Figur 3d einen mit der Ansteuerung nach Figur 3a korrespondierenden Hub h des Aktors 12 sowie des Ausweichkolbens 20.

Die in Figur 3a markierten Stromwerte Pl bis P14 stellen für das in Figur 2 abgebildete Einspritzventil 10b charakteristische Werte im Zeitverlauf des Aktorstroms I dar. Ein erfindungsgemäßer Vergleich dieser Stromwerte Pl bis P14 mit einem entsprechenden Referenzzeitverlauf, der beispielsweise ebenfalls in Form derartiger Stromwerte vorliegen kann, ermöglicht daher eine während der gesamten Ansteuerdauer tl bis tll (Figur 3b) wirksame überwachung der Bewegung des Aktors 12 beziehungsweise der mit dem Aktor 12 gekoppelten hydraulischen Elemente beziehungsweise der Ventilnadel 13. Damit kann also nicht nur ein öffnen des Einspritzventils 10b beziehungsweise ein Schließen des Einspritzventils 10b festgestellt werden, sondern auch das Erreichen charakteristischer Zwischenzustände, die sich beispielsweise durch eine Umschaltung des hydraulischen übersetzungsverhältnisses und dergleichen ergeben.

Insgesamt ist durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sehr vorteilhaft eine präzise überwachung der Bewegung eines Aktors 12 beziehungsweise damit gekoppelter Elemente gegeben.

Das vorstehend beschriebene Verfahren ist nicht auf den Einsatz bei Aktoren 12 begrenzt, die in Einspritzventilen 10a, 10b eingesetzt werden, sondern kann auf alle anderen Anwendungsgebiete piezoelektrischer Aktoren ausgedehnt werden.

Die in Figur 3a abgebildeten Stromwerte Pl bis P14 des tatsächlich ermittelten Zeitverlaufs des Aktorstroms I können beispielsweise durch Differenzierung des Aktorstroms I oder durch sonstige bekannte Verfahren ermittelt werden. Eine

Korrelation des erfindungsgemäß ermittelten Zeitverlaufs des Aktorstroms I mit dem Referenzzeitverlauf ist ebenfalls denkbar.

Bei eventuell auftretenden Differenzen zwischen dem tatsächlich ermittelten Zeitverlauf des Aktorstroms I und dem Referenzzeitverlauf kann die Spannung U (Figur 3b) zur Ansteuerung des Aktors 12 vorzugsweise durch einen Regler derart modifiziert werden, dass die Diskrepanz zwischen dem tatsächlich ermittelten Zeitverlauf und dem Referenzzeitverlauf sich verringert.

Bei in Einspritzventilen 10a, 10b verwendeten piezoelektrischen Aktoren 12 ist durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine besonders präzise überwachung bzw. Korrektur einer eingespritzten Kraftstoffmenge möglich.

Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des beschriebenen Verfahrens in der Form eines Computerprogramms, das auf einem Computer ablauffähig und zur Ausführung des Verfahrens geeignet ist. Das Computerprogramm kann auf einem elektronischen Speichermedium abgespeichert sein, wobei das Speichermedium seinerseits z.B. in dem Steuergerät 25 (Figur 1) enthalten sein kann.