Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines kapa- zitiven Aktors, insbesondere eines piezoelektrischen Aktors für ein Kraftstoffeinspritzventil, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

Ein solches Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung 196 44 521.3 beschrieben. In diesem Verfahren wird einem kapazitiven Aktor eine vorgegebene Energie zuge- führt. Dies geschieht durch definiertes Umladen eines Lade- kondensators auf den Aktor, wobei der Ladekondensator von ei- nem Anfangsspannungswert auf einen Endspannungswert entladen wird. Alternativ wird durch Messen der am Aktor fließenden bzw. anliegenden Strom-und Spannungswerte die auf den Aktor aufgebrachte Energie ermittelt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Steuerung eines kapazitiven Aktors derart durchzuführen, daß eine Diagnose des Funktions- zustandes eines Aktors oder eines Kraftstoffeinspritzventils erfolgt.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die im Patentanspruch 1 und Patentanspruch 9 genannten Merkmale gelöst.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, den Funktionszustand mit einfachen Mitteln schnell und sicher zu erkennen. Auch ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, unterschiedliche Fehlerarten zu unterscheiden, z. B. ein nicht mehr öffnendes oder ein nicht mehr schließendes Kraftstoffeinspritzventil.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, aus einem auf den Aktor aufgebrachten Energiewert und einer am Aktor gemessenen Aktorspannung auf die Auslenkung des Aktors und damit auf den Funktionszustand des Aktors oder des Kraftstoffeinspritzven- tils zu schließen.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen und Verbesserungen der Er- findung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher er- läutert ; es zeigen : Figur 1 ein Diagramm mit Aktorkennlinien, Figur 2 eine Anordnung eines Ausführungsbeispiels, Figur 3 ein Flußdiagramm, betreffend die Arbeitsweise der Anordnung nach Figur 2.

In Figur 1 ist ein Diagramm mit Aktorkennlinien und Lastlini- en aufgeführt. Auf die Ordinate ist eine von einem Aktor P erzeugte Aktorkraft Fp und eine auf einen Lastkörper wirkende Lastkraft Fl aufgetragen. Ein Ausbildungsbeispiel eines Last- körpers ist z. B. eine Düsennadel eines Kraftstoffeinspritz- ventils, die von einem Aktor P angesteuert wird. Auf die Ab- szisse ist ein Aktorhub ds eines Aktors P und eine Lastaus- lenkung x aufgetragen, um die ein Lastkörper durch die auf ihn wirkende Lastkraft F1 ausgelenkt wird.

Jede der dargestellten, durch den Nullpunkt gehenden Lastli- nien, z. B. Lmin und Lmax, zeigt eine lineare Abhängigkeit der Lastauslenkung x von der Lastkraft Fl, wobei jeder Lastkörper durch seine Körperform und seine Federeigenschaften, z. B. ei- nen hohlzylinderförmiger Metallkörper mit vorgegebenen Ela- stizitätsmodul, charakterisiert ist. Bei anderen Ausbildungs- formen der Lastkörper treten nichtlineare Abhängigkeiten auf,

z. B bei Lastkörpern, die aus mehreren übereinander geschich- teten Körpern mit unterschiedlichen Elastizitätsmodulen be- stehen, die wie in Serie geschaltete Federn mit unterschied- lichen Federkonstanten wirken oder z. B. bei dynamischen be- wegten Lastkörpern.

Der Aktor P und der Lastkörper sind mechanisch miteinander verkoppelt, der Schnittpunkt einer Lastlinie mit einer Aktor- kennlinie definiert somit einen Arbeitspunkt des Aktors P.

Jede der Aktorkennlinien KL I und KL II zeigt die für einen piezoelektrischen Aktor P typische Abhängigkeit der Aktor- kraft Fp vom Aktorhub ds bei einer vorgegebenen, dem Aktor P zugeführten Energie E. Die Kennlienie KL I weist im Ausfüh- rungsbeispiel 63 mJ auf, die Kennlinie KL II 51 mJ. Die am Aktor P gemessene Aktorspannung Up ist abhängig vom Aktorhub ds und der Aktorkraft Fp. Der Aktor P weist z. B. bei einer auf den Aktor aufgebrachten Energie E=63 mJ bei einer gemes- senen Aktorspannung Up=125 V einen Aktorhub von ds=20um und eine Aktorkraft von Fp=0 N auf, wie anhand der Kennlinie KL I abzulesen ist.

Die in Figur 1 beispielhaft dargestellten Gesetzesmäßigkeiten werden in der Erfindung angewandt. Liegt der Aktorhub ds in einem vorgegebenen Band B mit einem unteren Bezugswert Bu und einem oberen Bezugswert Bo als unterer und oberer Rand des Bandes B, wird auf einen korrekten Funktionszustand des Ak- tors P oder des Kraftstoffeinspritzventils geschlossen. Die Ränder des Bandes entsprechen z. B. dem im Kraftstoffein- spritzventil zulässigen Minimalhub dsmin bzw. dem zulässigen Maximalhub dsmax. Liegt der Aktorhub ds außerhalb des Bandes B, wird auf einen Fehler der ersten Fehlerart F1 (ds > dsmax) bzw. der zweiten Fehlerart F2 (ds < dsmin) geschlossen. Der Aktorhub ds wird aus der gemessenen Aktorspannung Up aus ei- ner der vorgegebenen Aktorkennlinien ermittelt.

Die Bezugswerte Bu und Bo stellen Arbeitspunkte des Aktors P dar und werden ermittelt, indem die für die Fehlerarten typi- scherweise auftretenden Lastkräfte Fl theoretisch oder expe- rimentell simuliert werden und den so ermittelten Ar- beitspunkten des Aktors P Bezugswerte zugeordnet werden.

Der Bereich der Ränder des Bandes B weist einen Toleranzbe- reich T auf, in welchem der Funktionszustand nicht sicher er- kannt wird. Um eine sichere Diagnose des Funktionszustandes zu gewährleisten, werden die Ränder des Bandes B so gewählt, daß innerhalb des Bandes B ein korrekter Funktionszustand ge- währleistet ist. Wird ein Aktorhub ds ermittelt, der außer- halb des Bandes B im Toleranzbereich T liegt, werden zusätz- liche Meßgrößen M über den Betriebszustand aufgenommen, z. B.

Motorgeräusche, die zusammen mit dem Aktorhub ds eine sichere Ermittlung des Funktionszustandes ermöglichen.

Die Unterteilung in eine erste Fehlerart F1, eine zweite Feh- lerart F2 und weitere Fehlerarten ermöglicht eine grobe Klas- sifizierung der in einem Kraftstoffeinspritzventil auftreten- den Fehlerarten. In einem Ausführungbeispiel weist die erste Fehlerart F1 auf einen Bruch einer Aktorfeder hin und die zweite Fehlerart F2 auf ein Klemmen der an den Aktor P ange- schlossenen Mechanik. Eine Unterteilung in weitere Fehlerar- ten wird durch jeweiliges Zuordnen von zusätzlichen Fehlerar- ten zu einem oder mehrerer, die Fehlerart charakterisierenden Bezugswerten erreicht.

Die für das erfindungemäße Verfahren benötigten Aktorkennli- nien, Bezugswerte und entsprechenden Fehlerarten werden expe- rimentell ermittelt, z. B auf einem Motorprüfstand, und werden in einem Steuergerät ST (Figur 2) als Kennfeld KF abgelegt.

Alternativ kann das Verhalten des piezoelektrischen Aktors näherungsweise anhand eines Modells dargestellt werden, es gilt : ds = f (k, E, Up) ds ist der Aktorhub des Aktors P, E ist die auf den Aktor P aufgebrachte Energie, Up ist die am Aktor gemessene Aktorspannung, k ist eine Aktorkonstante, die die mechanischen und elek- trischen Eigenschaften des Aktors beschreibt.

Zusätzlich werden die in der Anordnung zum Steuern eines Ak- tors nach Figur 2 auftretenden Verluste in den Bauelementen gemessen und entsprechende Korrekturfaktoren zum Ausgleich der Verluste ermittelt und im Kennfeld KF gespeichert.

Da ein piezoelektrischer Aktor P temperaturabhängige Eigen- schaften aufweist, ändert sich das in den Aktorkennlinien dargestellte Verhalten des Aktors P bei einer Änderung der Aktortemperatur Tp. Eine Temperaturkompensation erfolgt durch Anpassen der Bezugswerte mittels Korrekturfaktoren, die im Kennfeld KF abgespeichert sind.

Das Kennfeld KF dient bei einem Steuervorgang nach Figur 3 als Datenbasis zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah- rens.

In Figur 2 ist eine Anordnung zum Steuern eines kapazitiven Aktors P nach dem Verfahren nach Figur 3 mit dem Steuergerät ST und einer daran angeschlossenen Ansteuerschaltung As dar- gestellt, wobei das Steuergerät ST Teil eines weiter nicht dargestellten mikroprozessorgesteuerten Motorsteuergerätes sein kann.

Die Ansteuerschaltung As weist einen Ladekondensator C auf, der über einen am Pluspol + liegenden Hauptschalter X1 mit einer Energiequelle V verbunden ist und dem eine Reihenschal- tung aus einer mit dem Hauptschalter X1 verbundenen Um- schwingspule L und einem mit dem Minuspol GND verbundenen Hilfsschalter X2 parallel liegt. Parallel zum Hilfsschalter X2 liegt eine Reiheneschaltung aus -einer Parallelschaltung eines zur Umschwingspule L hin stromdurchlässigen Entladeschalters X4 und einer von der Umschwingspule L weg stromdurchlässigen Ladeschalters X3 und -einer Paralleschaltung des Aktors P mit einer Diode D, die in Richtung zum Minuspol GND hin stromdurchlässig ist.

Das Steuergerät ST weist ein Kennfeld KF mit Aktorkennlinien und mit Korrekturfaktoren zum Ausgleich von temperaturbeding- ten Änderungen des Aktorverhaltens und zum Ausgleich der Ver- luste in der Ansteuerschaltung As auf. Das Steuergerät ST steuert die Schalter X1 bis X4 anhand eines intern ablaufen- den, von Eingangssignalen abhängigen Programmes mit den in Figur 3 beschriebenen Arbeitsschritten, wobei dem Steuergerät ST als Eingangssignale die Aktorspannung Up, ein Ansteuersi- gnal sta, die Meßgrößen M und die z. B. von einem Temperatur- sensor ermittelte Aktortemperatur Tp zugeführt wird.

Anhand des in Figur 3 gezeigten Flußdiagramms wird ein in der Anordnung nach Figur 2 ablaufender Ansteuervorgang beschrie- ben, ausgehend von einem Anfangszustand (Zustand I), in wel- chem sämtliche Schalter X1 bis X4 nichtleitend sind (symbolisiert im Flußdiagramm durch Xl bis X4=0) und die Um- schwingspule L stromlos ist.

Mit Beginn des Steuersignals sta=1 (Zustand II) wird ein An- steuervorgang ausgelöst, der den Aktor P mit einer vorgegebe-

nen Energie E lädt (Zustand III). Dazu wird beispielsweise der auf eine Maximalspannung aufgeladene Ladekondensator C bis zum Erreichen einer Minimalspannung über die Umschwings- pule L auf den Aktor P umgeladen. Dann wird der Umladevorgang beendet (Zustand IV) und die Aktorspannung Up gemessen, aus dessen Abweichung von Bezugswerten Upmin und Upmax auf den Funktionszustand des Aktors P oder des Kraftstoffeinspritz- ventils geschlossen wird. Unterschreitet die Aktorspannung Up den minimalen Bezugswert Upmin oder überschreitet sie den ma- ximalen Bezugswert Upmax, wird auf die erste Fehlerart F1 (Zustand V) bzw. auf die zweite Fehlerart F2 geschlossen (Zustand VI). Liegt die Aktorspannung Up zwischen den Bezugs- werten Upmin und Upmax, wird auf einen korrekten Funktionszu- stand geschlossen. Mit Ende des Steuersignals sta=0 (Zustand VII) wird der Aktor P entladen (Zustand VIII), worauf er be- reit für einen neuen Ansteuervorgang ist (Zustand IX).

In einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung werden wäh- rend des Umladevorgangs und/oder des Entladevorgangs kontinu- ierlich oder zumindest zu einigen Zeitpunkten die aktuelle Energie E und die entsprechende Aktorspannung Up gemessen.

Die Energie E kann z. B. durch Messen der Kondensatorspannung Uc oder durch Multiplikation des durch den Aktor P fließenden Stromwertes mit dem Wert der Aktorspannung Up und der Inte- gration des Multiplikationsergebnisses über die Zeit des Auf- lade-oder Entladevorgangs ermittelt werden. Mehrere Messun- gen der Energie E und der Aktorspannung Up ermöglichen vor- teilhaft eine schnelle und differenzierte Ermittlung des Funktionszustandes.

Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Aktorspannung Up nach dem Entladevorgang des Aktors P (Zustand VIII) zu messen.

Oberschreitet die Aktorspannung Up einen weiteren Bezugswert, wird auf eine weitere Fehlerart geschlossen, z. B. auf ein Klemmen des Aktors P im ausgelenkten Zustand. Der. Entladevor-

gang ist nämlich zu kurz, um die internen Umladevorgänge im ausgelenkt bleibenden, hochohmigen Aktor P vollständig durch- zuführen, daher verbleibt eine Restspannung auf dem Aktor P.

Die Temperaturabhängigkeit des Aktors P wird kompensiert, in- dem der untere Bezugswert Bu und der obere Bezugswert Bo oder andere Bezugswerte anhand der im Kennfeld KF des Steuergerä- tes ST abgelegten Korrekturfaktoren geändert werden.

Der Aktor P steuert in einem Kraftstoffeinspritzventil die Kraftstoffzufuhr in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Das oben beschriebene Verfahren und die Anordnung zur Durchfüh- rung des Verfahrens nimmt somit vorteilhaft auch während des Betriebs einer Brennkraftmaschine bei jedem Einspritzvorgang Diagnosefunktionen wahr, wodurch im Fehlerfall schnell geeig- nete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. Z. B. folgt beim ersten Fehlerfall F1, daß das Ventil nicht mehr schließt und Kraftstoff kontinuierlich in den Brennraum fließt. Durch Abschalten der Kraftstoffzufuhr des Zylinders mit dem fehler- haften Kraftstoffeinspritzventil oder durch Abschalten mehre- rer Zylinder zum Beibehalten eines vibrationsarmen Motorlau- fes kann Schaden vom Motor abgewendet werden und das Fahrzeug aus eigener Kraft die nächste Werkstatt erreichen.

Zum Optimieren der Einspritzvorgänge in einem Kraftstoffein- spritzventil, z. B. in der Entwicklungs-oder Testphase, wird das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt, um dadurch vor- teilhaft Rückschlüsse auf die internen Abläufe während eines Ansteuervorgangs zu ziehen. Weiterhin kann das Verfahren in der Fertigung am Bandende zur Endkontrolle eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in anderen Einsatz- gebieten eingesetzt werden, z. B. zur Diagnose des Funktions- zustandes in piezoelektrischen Stellmotoren.