Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors und Steuergerät hierfür

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors (12), insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils (10) einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der piezoelektrische Aktor (12) mit mindestens einer Ansteuergröße, insbesondere einem Ansteuerstrom (I) und/oder einer Ansteuerspannung (U), beaufschlagt wird, um einen Betriebszustand des piezoelektrischen Aktors (12), insbesondere dessen Länge, zu beeinflussen.
Erfindungsgemäß wird die Ansteuergröße (I, U) in Abhängigkeit eines vorgebbaren elektrischen Wirkungsgrads (η) und/oder Energiebedarfs eingestellt, um einen effizienteren Betrieb zu ermöglichen.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der piezoelektrische Aktor mit mindestens einer Ansteuergröße, insbesondere einem Ansteuerstrom und/oder einer Ansteuerspannung, beaufschlagt wird, um einen Betriebszustand des piezoelektrischen Aktors, insbesondere dessen Länge, zu beeinflussen.

[0002] Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät für einen derartigen piezoelektrischen Aktor.

[0003] Piezoelektrische Aktoren des vorstehend genannten Typs werden bevorzugt in Hochdruck-Kraftstoffeinspritsystemen von Kraftfahrzeugen verwendet, weil sie eine verhältnismäßig schnelle Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils beziehungsweise dessen Ventilnadel ermöglichen und somit eine effiziente und emissionsarme Verbrennung begünstigen.

[0004] Es sind bereits Schaltungsanordnungen zur Ansteuerung von piezoelektrischen Aktoren bekannt, die es ermöglichen, einen Teil der zur Ansteuerung auf den piezoelektrischen Aktor aufgebrachten elektrischen Energie während eines Entladevorgangs zurückzugewinnen. Der nicht zurückgewinnbare Differenzbetrag der elektrischen Energie entspricht einer Verlustenergie und muss von dem Steuergerät beziehungsweise einer das Steuergerät versorgenden Primärenergieversorgung wie beispielsweise einem Gleichstromwandler bereitgestellt werden.

[0005] Neue Betriebsarten für Brennkraftmaschinen sowie neue Typen von Abgasnachbehandlungssystemen verlangen eine immer größere Anzahl von Teileinspritzungen. Gleichzeitig weisen die zukünftig zur Verwendung geplanten piezoelektrischen Aktoren eine verhältnismäßig große elektrische Kapazität auf. Darüberhinaus steigt auch der maximale Kraftstoffdruck bei den zukünftig einzusetzenden Hochdruck-Kraftstoffsystemen. Alle diese Effekte machen die Bereitstellung einer größeren elektrischen Energiemenge je Einspritzung für ein den piezoelektrischen Aktor ansteuerndes Steuergerät erforderlich.

[0006] Ein einfacher Lösungsansatz besteht beispielsweise darin, die Ausgangsleistung von Gleichstromwandlern zu skalieren bzw. mehrere bestehende Gleichstromwandler gleichzeitig zum Betrieb eines Steuergeräts beziehungsweise einer vorgebbaren Anzahl piezoelektrischer Aktoren einzusetzen. Allerdings ist bei diesem Lösungsansatz der Nachteil gegeben, dass die verwendeten Steuergerätearchitekturen eine hierbei umzusetzende Verlustleistung insbesondere aufgrund ihrer begrenzten Baugröße nicht mehr handhaben können.

[0007] Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren und ein Steuergerät der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein effizienterer Betrieb möglich ist und auch zukünftig eintretende Anforderungen erfüllt werden können.

[0008] Diese Aufgabe wird bei dem Betriebsverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Ansteuergröße in Abhängigkeit eines vorgebbaren elektrischen Wirkungsgrads und/oder Energiebedarfs eingestellt wird.

[0009] Das heißt, erfindungsgemäß werden die Ansteuergrößen für den Betrieb des piezoelektrischen Aktors so gewählt, dass sich ein gewünschter elektrischer Wirkungsgrad beziehungsweise ein entsprechender Energiebedarf einstellt, wodurch die insgesamt von dem den piezoelektrischen Aktor steuernden Steuergerät umzusetzende Leistung beeinflussbar ist.

[0010] Besonders vorteilhaft können dadurch beispielsweise in solchen Betriebszuständen des piezoelektrischen Aktors, in denen keine verhältnismäßig großen Spannungsgradienten der Ansteuerspannung zu erzielen sind, verhältnismäßig geringe Ansteuerströme eingestellt werden, um die hiervon abhängige elektrische Verlustleistung zu minimieren.

[0011] Das Einstellen der Ansteuergrößen im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine Steuerung und/oder eine Regelung der betreffenden Ansteuergröße beziehungsweise Ansteuergrößen umfassen. Es ist auch denkbar, einen zeitlichen Verlauf der Ansteuergrößen zu regeln.

[0012] Bei einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass der elektrische Wirkungsgrad in Abhängigkeit eines Quotienten aus einer während eines Ladevorgangs auf den piezoelektrischen Aktor aufgebrachten elektrischen Energie und einer während eines entsprechenden Entladevorgangs von dem piezoelektrischen Aktor zurückgewonnenen elektrischen Energie gebildet wird.

[0013] Ferner kann erfindungsgemäß bei der Bildung des elektrischen Wirkungsgrads auch eine Verlustleistung berücksichtigt werden, die in einem den piezoelektrischen Aktor mit der Ansteuergröße beaufschlagenden Steuergerät dissipiert wird.

[0014] Zusätzlich kann erfindungsgemäß vorteilhaft auch vorgesehen sein, dass ein Betriebszustand von mit dem piezoelektrischen Aktor gekoppelten mechanischen und/oder hydraulischen Systemen berücksichtigt wird.

[0015] Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren kann bevorzugt dazu verwendet werden, den elektrischen Wirkungsgrad zu maximieren beziehungsweise den Energiebedarf der gesamten Anordnung zu minimieren.

[0016] Wenn mehrere piezoelektrische Aktoren zum Antrieb von mehreren Kraftstoff-Einspritzventilen einer Brennkraftmaschine vorgesehen sind, kann der elektrische Wirkungsgrad erfindungsgemäß auch unter Berücksichtigung der mehreren beziehungsweise aller piezoelektrischen Aktoren gebildet werden.

[0017] Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms, das auf einem Computer beziehungsweise einer Recheneinheit eines Steuergeräts ablauffähig und zur Ausführung des Verfahrens geeignet ist. Das Computerprogramm kann beispielsweise auf einem elektronischen Speichermedium abgespeichert sein, wobei das Speichermedium seinerseits zum Beispiel in dem Steuergerät enthalten sein kann.

[0018] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0019] In der Zeichnung zeigt:

Figur 1

eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kraftstoffeinspritzventils zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Figur 2a

einen zeitlichen Verlauf einer Ansteuerspannung, und

Figur 2b

elektrische Wirkungsgrade unterschiedlicher Verfahrensvarianten aufgetragen über einer Ansteuerzeit.

Ausführungsformen der Erfindung

[0020] In der Figur 1 ist ein als Kraftstoffeinspritzventil 10 ausgebildetes Einspritzventil einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt, das mit einem piezoelektrischen Aktor 12 versehen ist. Der piezoelektrische Aktor 12 wird wie in Figur 1 durch den Pfeil angedeutet von einem Steuergerät 20 angesteuert. Weiterhin weist das Kraftstoffeinspritzventil 10 eine Ventilnadel 13 auf, die auf einem Ventilsitz 14a im Inneren des Gehäuses des Kraftstoffeinspritzventils 10 aufsitzen kann.

[0021] Ist die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz 14a abgehoben, so ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 geöffnet und es wird Kraftstoff eingespritzt. Dieser Zustand ist in der Figur 1 dargestellt. Ein vollständig geöffneter Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 10 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel 13 an einem in dem Bereich 14b angeordneten und nicht näher dargestellten Nadelhubanschlag anliegt, der eine weitere Bewegung der Ventilnadel 13 weg von ihrem Ventilsitz 14a, d.h. auf den Aktor 12 zu, verhindert. Sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14a auf, so ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 geschlossen. D.h., der gesamte, bei der Abbildung nach Figur 1 vertikal verlaufende, Hubweg, den die Ventilnadel 13 zurücklegen kann, ist einerseits durch den Ventilsitz 14a (Schließposition) und andererseits durch den Nadelhubanschlag in dem Bereich 14b (Öffnungsposition) begrenzt.

[0022] Der Übergang von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand wird mithilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt. Hierzu wird eine nachfolgend auch als Aktorspannung U bezeichnete elektrische Spannung an den Aktor 12 angelegt, die eine Längenänderung eines in dem Aktor 12 angeordneten Piezostapels hervorruft, welche ihrerseits zum Öffnen beziehungsweise Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 10 ausgenutzt wird.

[0023] Das Kraftstoffeinspritzventil 10 weist ferner einen hydraulischen Koppler 15 auf. Der hydraulische Koppler 15 ist innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10 angeordnet und weist ein Kopplergehäuse 16 auf, in dem zwei Kolben 17, 18 geführt sind. Der Kolben 17 ist mit dem Aktor 12 und der Kolben 18 ist mit der Ventilnadel 13 verbunden. Zwischen den beiden Kolben 17, 18 ist ein Volumen 19 eingeschlossen, das die Übertragung der von dem Aktor 12 ausgeübten Kraft auf die Ventilnadel 13 bewerkstelligt.

[0024] Der Koppler 15 ist von unter Druck stehendem Kraftstoff 11 umgeben. Das Volumen 19 ist ebenfalls mit Kraftstoff gefüllt. Über die Führungsspalte zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 kann sich das Volumen 19 über einen längeren Zeitraum hinweg an die jeweils vorhandene Länge des Aktors 12 anpassen. Bei kurzzeitigen Änderungen der Länge des Aktors 12 bleibt das Volumen 19 jedoch nahezu unverändert und die Änderung der Länge des Aktors 12 wird auf die Ventilnadel 13 übertragen.

[0025] Erfindungsgemäß wird die Ansteuerspannung U und/oder der Ansteuerstrom I für den piezoelektrischen Aktor 12 in Abhängigkeit eines vorgebbaren elektrischen Wirkungsgrads und/oder Energiebedarfs eingestellt, um einen möglichst effizienten Betrieb des Aktors 12 sicherzustellen.

[0026] Figur 2a zeigt hierzu einen zeitlichen Verlauf der Ansteuerspannung U für den Aktor 12 in drei unterschiedlichen Betriebszuständen.

[0027] Der Ansteuerspannungsverlauf U1 gibt die von herkömmlichen Betriebsverfahren bekannten Ansteuerverhältnisse wieder. Die Ansteuerspannungsverläufe U2, U3 entsprechen einer erfindungsgemäßen Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 und sind nachstehend näher beschrieben.

[0028] Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist in Figur 2a ein kompletter Ansteuerspannungsverlauf für das in Figur 1 abgebildete Kraftstoffeinspritzventil 10 beziehungsweise den darin vorgesehenen piezoelektrischen Aktor 12 angegeben. Ausgehend von einer Ausgangsspannung U0, bei der der Aktor 12 eine maximale Länge aufweist und das Kraftstoffeinspritzventil 10 demnach geschlossen ist, wird der piezoelektrische Aktor 12 ab dem Zeitpunkt t00 bis auf eine Zielspannung U01 entladen, die zu dem Zeitpunkt t01 an dem Aktor 12 anliegt. In diesem Zustand, das heißt ab dem Zeitpunkt t01, ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 vollständig geöffnet, und es findet eine Kraftstoffeinspritzung statt.

[0029] Wie aus Figur 2a ersichtlich ist, bleibt das Kraftstoffeinspritzventil 10 bis zu dem Zeitpunkt t02 in dem geöffneten Zustand. Anschließend wird das Kraftstoffeinspritzventil 10 wieder in seinen Schließzustand überführt; hierfür wird der piezoelektrische Aktor 12 von der Spannung U01 wieder auf die Ausgangsspannung U0 aufgeladen.

[0030] Der Übersichtlichkeit halber ist in Figur 2a für den Entladevorgang, das heißt für die Ansteuerung bei t < t01, allein ein herkömmlicher Ansteuerspannungsverlauf abgebildet, während für den Aufladevorgang, das heißt t > t02, wie bereits beschrieben mehrere erfindungsgemäße Betriebsvarianten veranschaulicht sind.

[0031] Das herkömmliche Betriebsverfahren sieht für den Aufladevorgang ab dem Zeitpunkt t02 einen verhältnismäßig großen Ansteuerstrom zum Aufladen des Aktors 12 vor, so dass sich ein entsprechend großer Spannungsgradient bei dem Ansteuerspannungsverlauf U1 für t > t02 ergibt.

[0032] Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren sieht demgegenüber vor, die Ansteuergrößen U, I für den piezoelektrischen Aktor 12 in Abhängigkeit eines vorgebbaren elektrischen Wirkungsgrads einzustellen, wobei vorliegend ein möglichst großer Wirkungsgrad angestrebt wird. Dementsprechend wird der piezoelektrische Aktor 12 erfindungsgemäß während des Aufladens (t > t02) mit einem kleineren Ladestrom beaufschlagt als bei dem herkömmlichen Verfahren, wodurch sich die entsprechend verringerten Spannungsgradienten der Ansteuerspannungsverläufe U2, U3 ergeben.

[0033] Denkbar ist auch eine geteilte Ansteuerung beim Aufladen, wobei der erste Teil das Schließen sicherstellt, der zweite Teilabschnitt das Zuhalten.

[0034] Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass sich der elektrische Wirkungsgrad, der vorliegend als Quotient gebildet ist aus einer während des Ladevorgangs auf den Aktor 12 aufgebrachten elektrischen Energie und einer während des Entladevorgangs von dem Aktor 12 zurückgewonnenen elektrischen Energie, mit sinkendem Ansteuerspannungsgradienten, das heißt für die Ansteuerspannungsverläufe U2, U3 gegenüber dem herkömmlichen Ansteuerspannungsverlauf U1, verbessert. D.h., bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Ansteuerspannungsverläufe U2, U3 kann eine elektrische Verlustleistung verringert werden.

[0035] Figur 2b zeigt hierzu ergänzend den elektrischen Wirkungsgrad η für einen entsprechenden Ansteuervorgang des piezoelektrischen Aktors 12, wiederum jeweils für eine herkömmliche Ansteuersituation (Ansteuerspannungsverlauf U1, Figur 2a) und zwei erfindungsgemäße Ansteuerspannungsverläufe U2, U3. Der Wirkungsgrad η ist hierbei aufgetragen über einer Ansteuerdauer ti, die definiert ist als Zeitdifferenz zwischen dem Startzeitpunkt t02 eines nachfolgenden Aufladevorgangs und dem Startzeitpunkt t00 des vorhergehenden Entladevorgangs. In Figur 2a hat diese Zeitdifferenz den Wert t02 - t00 = ti0, der in Figur 2b eingetragen ist.

[0036] Ein dem erfindungsgemäßen Ansteuerspannungsverlauf U3 entsprechender Wirkungsgrad η³ ist in Figur 2b gesondert bezeichnet. Bei diesem Ansteuerspannungsverlauf U3 ist, Untersuchungen der Anmelderin zufolge, ein um bis zu 6 % verbesserter Wirkungsgrad im Vergleich zu der herkömmlichen Ansteuersituation mit dem Ansteuerspannungsverlauf U1 gegeben.

[0037] Dies gilt jedoch nicht nur für die der Figur 2a zugrundeliegende Zeitdifferenz von ti0, sondern auch für andere Werte der ti - Achse gemäß Figur 2b. D.h., auch bei anderen Entladezeiten wirkt sich das erfindungsgemäße Prinzip positiv auf den elektrischen Wirkungsgrad η aus.

[0038] Der mitunter komplexe Zusammenhang zwischen dem elektrischen Wirkungsgrad η bei einer Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 und den Ansteuergrößen U, I kann für vorgegebene Systeme beispielsweise messtechnisch erfasst oder aufgrund eines rechnerischen Modells ermittelt werden. Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prinzips können Steuergeräte 20 von Brennkraftmaschinen vorteilhaft effizienter hinsichtlich der elektrischen Verlustleistung arbeiten, weil in vielen Betriebsbereichen des Kraftstoffeinspritzventils 10 beispielsweise nicht die Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 mit einem maximalen Spannungsgradienten erforderlich ist und daher eine Optimierung unter Wirkungsgradgesichtspunkten durchgeführt werden kann, die bei den bisherigen Steuersystemen außer Acht gelassen wurde.

[0039] D.h., zumindest in einem gewissen Teil der möglichen Betriebszustände des Aktors 12 ist es denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, ohne andere Anforderungen wie z.B. Ansteuerzeitparameter usw. vernachlässigen zu müssen. In diesem Fall kann vorteilhaft der elektrische Wirkungsgrad des den Aktor 12 steuernden Systems vorgegeben werden, wodurch z.B. die Belastung eines zur Energieversorgung vorgesehenen Gleichstromwandlers zumindest temporär reduzierbar ist.

[0040] Die Erfindung ermöglicht demnach auch die gezielte Reduktion der in dem Steuergerät 20 dissipierten elektrischen Energie, so dass bei gleicher thermischer Auslegung z.B. die Anzahl der Teileinspritzungen in vielen Betriebspunkten einer Brennkraftmaschine erhöht werden kann. Auch Kraftstoffsysteme mit höherem Kraftstoffdruck, die ebenfalls ein gesteigertes Maß an elektrischer Energie zur Ansteuerung des Aktors 12 erfordern, können unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prinzips mit einer gleichen Anzahl von Einspritzungen beziehungsweise Teileinspritzungen wie bisherige Systeme mit einem geringeren Kraftstoffdruck realisiert werden.

[0041] Darüber hinaus ist es bei bestehenden Kraftstoffsystemen unter Umständen möglich, unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips weniger leistungsfähige Gleichstromwandler vorzusehen und damit die Herstellungskosten für entsprechende Systeme zu reduzieren.

[0042] Neben der erfindungsgemäßen Optimierung der Ansteuergrößen U, I im Hinblick auf den elektrischen Wirkungsgrad können auch weitere Randbedingungen für die Zeitverläufe der Ansteuergrößen U, I berücksichtigt werden. Beispielsweise können die Ansteuergrößen U, I auch unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens so gewählt werden, dass sich charakteristische Gradienten beziehungsweise Gradientenänderungen ("Knicke") nach wie vor ergeben, so dass hierauf basierende Regelungs- beziehungsweise Kompensationsverfahren weiterhin einsetzbar sind.

[0043] Es ist darüber hinaus auch denkbar, andere Ansteuergrößen als die Spannung U bzw. den Strom I, erfindungsgemäß einzustellen, z. B. Lade- und/oder Entladezeiten usw.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors (12), insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils (10) einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der piezoelektrische Aktor (12) mit mindestens einer Ansteuergröße, insbesondere einem Ansteuerstrom (I) und/oder einer Ansteuerspannung (U), beaufschlagt wird, um einen Betriebszustand des piezoelektrischen Aktors (12), insbesondere dessen Länge, zu beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuergröße (I, U) in Abhängigkeit eines vorgebbaren elektrischen Wirkungsgrads (η) und/oder Energiebedarfs eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen der Ansteuergröße (I, U) bzw. Ansteuergrößen (I, U) eine Steuerung und/oder eine Regelung der Ansteuergröße (I, U) bzw. Ansteuergrößen (I, U) umfasst.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Wirkungsgrad (η) in Abhängigkeit eines Quotienten aus einer während eines Ladevorgangs auf den piezoelektrischen Aktor (12) aufgebrachten elektrischen Energie und einer während eines entsprechenden Entladevorgangs von dem piezoelektrischen Aktor (12) zurückgewonnenen elektrischen Energie gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung des elektrischen Wirkungsgrads (η) auch eine Verlustleistung berücksichtigt wird, die in einem den piezoelektrischen Aktor (12) mit der Ansteuergröße (I, U) beaufschlagenden Steuergerät (20) dissipiert wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch ein Betriebszustand von mit dem Aktor (12) gekoppelten mechanischen und/oder hydraulischen Systemen berücksichtigt wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Ansteuergröße (I, U) eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Wirkungsgrad (η) maximiert und/oder der Energiebedarf minimiert wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere piezoelektrische Aktoren (12) zum Antrieb mehrerer Kraftstoffeinspritzventile (10) einer Brennkraftmaschine vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Wirkungsgrad (η) unter Berücksichtigung der mehreren bzw. aller piezoelektrischer Aktoren (12) gebildet wird.

9. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 programmiert ist.

10. Steuergerät (20) für einen piezoelektrischen Aktor (12), insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils (10) einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.

Zeichnung