专利名称：产生对用于控制燃料喷射器的发动机控制单元的控制信号的电路装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于产生对用于控制内燃机的至少一个燃料喷射器的发动机控制单元的、控制信号的电路装置以及方法。
尤其是近来变得越来越严格的发动机废气标准已经在机动车工业中引起了具有快速并且无延迟地反应的执行机构或者执行元件的燃料喷射器的发展。在这种执行机构的实际实现中，特别是压电元件已被证实是有利的。这种压电元件通常被组合为压电陶瓷片的堆栈，这些压电陶瓷片通过并联电路来驱动，以便能够达到对于足够的行程来说必要的电场强度。
用于操作内燃机的燃料喷射阀的压电陶瓷的使用对用于压电陶瓷的充电和放电的电子设备提出显著的要求。在此，必须提供相对大的电压(典型地为100V或更大)以及瞬时相对大的用于充电和放电的电流(典型地大于10A)。为了优化发动机特性(例如废气值、功率、消耗等等)，应该在几个毫秒的瞬间进行充电和放电过程，同时进行对电流和电压的广泛控制。
在迄今为止所使用的、包括用于驱动一个或多个压电燃料喷射器的末级的发动机控制单元中，充电和放电电流形状或多或少由该电路的相应的功能原理来预先给定或者仅仅在相对窄的界限中可变。
因此，例如由DE 199 44 733 A1公开了一种用于控制压电燃料喷射器的末级。该已知的末级基于双向运行的逆向变换器并且能够对在燃料喷射器的压电陶瓷充电和放电时的能量部分进行计量，因此原则上充电和放电电流形状可以作为平均的电流变化曲线被适配地实现。所希望的在压电元件充电和放电时的电流变化曲线在此情况下借助在该公开文献中没有详细描述的控制电路来定义，该控制电路为此目的(借助于电流测量电阻上的电压降)测量实际流动的充电和放电电流，并且基于这些测量值来调节充电和放电。为了对压电元件进行充电，在利用预先给定数量的脉宽调制的信号的脉冲运行中以预先给定的频率和预先给定的占空比来控制充电开关；而为了对压电元件进行放电，控制放电开关脉冲状地导通以及不导通。
当如在很多实施方案中本身已知的用于控制至少一个燃料喷射器的发动机控制单元应该以被调节的方式控制燃料喷射器时，对于这种调节来说需要控制信号，该控制信号代表在控制喷射器、例如压电喷射器的充电或放电时所希望的时间变化曲线的“额定值”。特别是基于如上面已经提及的、相对快地进行的控制过程，针对迄今所使用的发动机控制单元使用了非常简单的调节或额定值控制信号。于是所得出的控制变化曲线、例如在压电喷射器的情况下的充电和放电电流形状就这点而言不是最优的。
因此本发明的任务是，提供用于产生对用于控制内燃机的至少一个燃料喷射器的发动机控制单元的、控制信号的途径，利用该途径能够在喷射器控制中实现改善的控制信号变化曲线。
该任务通过根据权利要求1的电路装置或者根据权利要求10的方法来解决。从属权利要求涉及本发明的有利的改进方案。
用于产生对用于控制内燃机的至少一个燃料喷射器的发动机控制单元的、控制信号的本发明电路装置包括-可被施加预先给定的时钟信号的计数装置，用于提供时间相关的基于对该时钟信号的计数的数字计数信号，其中预先给定具有可根据修正信号调节的频率的时钟信号，-可被施加数字计数信号的存储器装置，用于存储数字控制信号值的序列以及用于根据该计数信号相继地输出来自控制信号值序列的各个控制信号值，以及-数/模转换器装置，用于将所输出的数字控制信号值转换为发动机控制单元的模拟控制信号，其中规定在考虑作为幅度标定信号的修正信号的情况下将数字控制信号值转换为模拟控制信号。
因此，可以简单地产生与相应的应用情况匹配的控制信号作为在以实际上任意的控制形状(例如充电和放电电流形状)来被调节地控制燃料喷射器时的额定值设定。在此情况下，重要的是数字控制信号值序列的存储，在该电路装置运行时从该数字控制信号值序列中相继地输出各个控制信号值并且转换成模拟控制信号。因此，特别是不像迄今为止那样在压电喷射器中的充电和放电电流形状方面达到折衷是必要的。而是可以使这些形状最优地匹配于各种要求。
因此，由于在压电喷射器中的充电和放电电流和/或施加在这样的压电喷射器上的电压的变化曲线的自由的可定义性，不仅可以满足在压电执行元件的可变的行程高度方面的要求，而且可以满足在同时使声辐射最小化时喷射持续时间方面的要求。该燃料喷射器或其控制在所希望的阀打开和阀关闭速度方面、在打开和关闭时移动的质量方面、以及执行元件行程转换为阀打开或阀关闭(例如在压电伺服阀的情况下液压转换)的(通常非线性的)特性方面被优化。在实验室试验中，例如确定了压电伺服阀的理想的充电和放电电流曲线，这些曲线相对“平稳地”并且例如类似于函数“sin2”延伸。利用本发明的解决方案，可以简单地产生用于预先给定在被调节的喷射器控制中的额定值的相应控制信号。
在一个优选的实施形式中规定，预先给定具有可调节的频率的时钟信号。因此，对于同一个被存储的控制信号值序列来说可以在时间上标定相应控制信号的变化曲线。因此，例如较低频率的调节导致，从存储器装置中读出具有较低时钟频率的(缓慢的)控制信号值。在此情况下，该频率调节不仅可以被用于使控制信号变化曲线匹配于多个喷射器中所确定的喷射器的特性，而且可以被用于使该控制信号变化曲线匹配于所涉及的内燃机或者喷射设备的当前的运行条件。这种匹配在此情况下可以毫无困难地实时地进行。
对于时钟频率的调节来说存在很多可能性。例如可以将被加载时间标定信号的压控振荡器(VCO)用于提供具有被调节的频率的时钟信号。在另一个实施形式中，这里使用具有固定的振荡频率的振荡器和连接在该振荡器之后的分频器，该分频器的分频比由被输入给该分频器的时间标定信号来决定。
优选地，将至少30个、特别是至少50个控制信号值的序列设置作为被存储在存储器装置中的控制信号值序列。以这样的数目得到控制信号变化曲线的、实际上对于大多数情况来说足够精确的定义。
考虑到在实验室试验中确定的、在压电喷射器中的电流或者电荷的最优化的控制曲线，有利的是，被存储在存储器装置中的控制信号值序列近似连续的函数。对于在压电喷射器中的充电或放电电流变化曲线的额定值设定来说，例如这样的序列已被证实是特别有利的，该序列近似连续的、尤其是连续可微分的“钟形函数”。在一个实施形式中，该序列由单调上升的和单调下降的序列段组成，这些序列段一起近似钟形曲线。
关于控制信号变化曲线的定义的精确性，在大多数应用情况下有利的是，这些数字控制信号值被设置成具有至少8位的分辨率。
尽管所存储的控制信号值序列可以例如通过使用读写存储器和根据运行更新所存储的数据来改变是可设想的，但是当一个或多个可选择的控制信号值序列通过所存储的数据被固定地预先给定时，明显简化电路装置的结构或运行。因此在一个实施形式中规定，存储器装置被构造为只读存储器。
基于在运行中固定地预先给定的控制信号值序列，也可以可变地或匹配地设置控制信号变化曲线。对此的一种可能性是上面已经提到的时钟信号的频率的调节，该调节引起控制信号变化曲线的时间标定。
替代地或者附加地，为了修正控制信号变化曲线，例如也可以规定在考虑幅度标定信号值的情况下将数字控制信号值转变为模拟控制信号。这样的幅度标定信号值例如可被输入给数/模转换器的为此所设置的参考输入端，使得该转换器的输出信号在其幅度方面根据所输入的幅度标定信号值被标定。
在一个优选的实施形式中规定，被设置用于调节时钟信号频率的时间标定信号和被设置用于调节控制信号的幅度的幅度标定信号是相同的或者相互导出或由共同的标定信号导出。因此，例如可以特别简单地在充电或放电时间被一同标定的情况下(根据压电喷射器的不同的行程)提供不同的电荷终值。
最后，控制信号变化曲线例如也可以通过以下方式来修正，即这样来设置该计数装置或者连接在该计数装置之后的数字转换装置，使得针对该修正在计数信号被用作地址信号之前进行该计数信号的代码转换。
例如可以鉴于被控制的燃料喷射器的由制造技术决定的容差来设置该控制信号变化曲线的匹配。因此例如在不同的燃料喷射器中所安装的压电元件可以在喷射器打开过程中需要不同的电荷终值，以便将喷射阀带至止挡(Anschlag)(完全打开)。这种容差例如可以通过设置相应地匹配的标定信号来补偿。为了这样匹配于燃料喷射器或者其中所使用的执行元件的特性，可以有利地例如多次使用总归可供使用的传感器信号，这些传感器信号由喷射器装置的所谓的位置或止挡传感器提供。这种用于实时检测燃料喷射器中的特性和/或实际运动变化曲线的传感器是充分公开的并且因此不需要详细的解释。
此外可以例如分析所涉及的内燃机或喷射装置的下列运行参数并且将其考虑用于控制信号变化曲线的匹配泵前压(例如轨道压力)、温度(特别是喷射器的温度和/或燃料的温度)、内燃机的转速和负载等等。
下面借助几个实施例参考附图来进一步描述本发明。
图1示出用于比较对压电喷射器的控制信号(电压)的两个曲线形状的图示，图2示出用于比较对压电喷射器的控制信号的另外两个曲线形状的图示，图3示出用于比较对压电喷射器的控制信号的另外两个曲线形状的图示，图4示出用于产生对发动机控制单元的不同控制信号曲线形状的电路装置的电路图，其中该发动机控制单元用于控制一个或多个燃料喷射器，图5示出按照另一种实施形式的、用于产生对发动机控制单元的不同控制信号曲线形状的电路装置的电路图，其中该发动机控制单元用于控制一个或多个燃料喷射器，图6示出按照另一种实施形式的、用于产生对发动机控制单元的不同控制信号曲线形状的电路装置的电路图，其中该发动机控制单元用于控制一个或多个燃料喷射器，以及图7示出用于控制压电燃料喷射器的发动机控制器的电路图，其中使用根据图4的电路装置。
图1至3中所示的曲线形状涉及控制电压，如由机动车的发动机控制器施加在压电元件上的控制电压，用于打开借助该压电元件操作的燃料喷射阀。
基于该压电元件的预先给定的电容量，所示的曲线形状也对应于被存储到该压电元件中的电荷量的变化曲线。
图1示出在时间t的变化过程中压电电压Up的两个电压变化曲线或曲线形状U1、U2。这两个曲线形状U1和U2具有不同的压电电压终值Uend1和Uend2，其中在所示的例子中压电电压变化曲线U2的最终电压Uend2是压电电压变化曲线U1的电压终值Uend1的一半。
这两个压电电压变化曲线U1、U2具有性质上相同的变化曲线，即针对具有正好一个最大值的压电充电电流变化曲线类似于函数sin2得出该变化曲线，其中变化曲线U1、U2在时域中以最后所达到的电压终值被一同定标。在所示的例子中这意味着，变化曲线U2的用t3′标明的充电持续时间是变化曲线U1的充电持续时间t3的一半。与此相应地，在该图中同样被画出的时间t1′和t2′同样为变化曲线U1的相应的时间t1和t2的一半，其中在时间t1′和t2′，变化曲线U2的压电电压Up达到电压终值Uend2的20％或75％。由电压终值或电荷终值和充电时间的这种同时标定得到对于两个变化曲线U1和U2来说相同的最大的、用于该压电元件的充电电流，这在该图中通过变化曲线U1和U2的相同的最大斜率表现出来。
曲线形状U1和U2在一定程度上涉及定性地预先给定的变化曲线的最优化的曲线，这些最优化的曲线基于可标定性可以有利地被用于控制具有不同的控制特性的燃料喷射器或者用于控制具有可变的操作行程的燃料喷射器。
图2和3是另外的电压变化曲线U1和U2的对应于图1的图示。
图2区别于图1针对电压变化曲线U2示出在时域中的附加的标定(延长)，由此在该变化曲线中必要的充电电流被减小并且有利地实现声谱向较低频率的移动。
图3示出形成两个具有不同电压终值的电压变化曲线U1和U2的另一可能性。在此，压电电压Up直到时刻t1＝t1′都相同地变化，并且然后彼此偏离直到达到各自的电压终值Uend1、Uend2。
下面参考图4-6来描述用于产生控制电压Us的电路装置，该控制电压适合于作为用于实现图1-3中所示的压电电压变化曲线的充电和放电电流的“额定值”。
图4示出整体上用10标明的、用于产生对用于控制燃料喷射器的发动机控制单元的控制信号Us的电路装置，其中所产生的控制信号Us适合于在被调节的压电控制的范围内针对图1-3中所示的压电电压变化曲线U1、U2的压电电流额定值设定，如下面所阐述的那样。
电路装置10包括施加有时钟信号的计数器12，该计数器通过发动机控制电子设备的未被示出的起始信号来触发，对时钟信号fc(从1至N)进行计数并提供依赖于时间的数字计数信号X作为该计数的结果。在最简单的情况下，该信号X代表直到当前时刻所经历过的时钟信号周期的数目。
该数字计数信号X作为地址输入信号被输入到存储器14中。在该存储器14中事先存储了具有K位的分辨率的数字控制信号值Y1，Y2...YN的序列Y，根据为了寻址而被输入的计数信号X，相继地向数/模转换器16输出这些数字控制信号值。
该数/模转换器16将数字控制信号值Y1，Y2...转换为模拟控制信号Us，该模拟控制信号在该图中未示出的发动机控制单元中被用作待输出的压电电流的额定值设定并因此被用作(作为电流的积分)所得到的电荷(和与此成比例的压电电压Up)的额定值设定。
存储器14中所存储的数据、在此情况下具有N个分辨率分别为K位的控制信号值(这里N＝100，K＝10)的列表或表格代表所希望的、事先确定的以及最优化的、用于打开喷射器阀的喷射器控制电流的时间上的额定值变化曲线。对于阀关闭过程来说，可以设置相同的变化曲线(反转的)或者特地为此而存储在存储器14中的其他变化曲线。
输出信号Us的具体的变化曲线在此情况下还通过两个参数来确定。一方面这是固定地预先给定的时钟信号f0的频率，该时钟信号由在图4中未示出的时钟发生器产生并通过分频器18作为被分频的时钟信号fc被输入给计数器12。另一方面这是(例如由微控制器输出的)数字标定信号S，该数字标定信号一方面直接被输入给分频器18并且决定其分频比，而另一方面通过数/模转换器20以模拟形式被输入给数/模转换器16的参考输入端Ref。因此，该标定信号S一方面用作时间标定信号，该时间标定信号基于分频器18的依赖于该时间标定信号的分频比来确定从存储器14读出数据的时钟并因此确定充电时间间隔，并且另一方面用作幅度标定信号，该幅度标定信号在通过数/模转换器16进行输出侧的转换时作为乘法参数被考虑。
当根据图4的电路装置以固定地预先给定的基频f0、但是可变的标定信号S运行时，图1中所示的电压变化曲线U1和U2可以简单地通过相应地(例如通过所提及的微控制器)调节标定信号S来实现。从电压变化曲线U1到电压变化曲线U2的过渡例如通过由信号S所表示的标定值的平分来进行。
图2中所示出的电压变化曲线的变型也可以简单地利用根据图4的电路装置来实现。与以固定的基频f0运行不同，对于图2中从电压变化曲线U1到电压变化曲线U2的过渡来说，为此应仅仅规定被输入给分频器18的信号f0的频率的附加的缩小(以便实现在电压变化曲线U2中压电电压上升的附加的延长或延缓)。替代地或附加地，对于根据图2的曲线标定来说，也可以(不同于在图4中所示的实施形式)选择被输送给分频器18的不同于幅度标定信号的时间标定信号，该幅度标定信号被输入给转换器16作为参考。
最后，图3中所示的电压变化曲线的变型也可以通过以下方式利用根据图4的电路装置来实现，即根据所希望的电压变化曲线，不是遍历(输出)所存储的完整的控制信号值序列Y1，Y2...YN，而是越过这个所存储的序列的中间范围(在图3中在t1和t2之间的范围)。
为此目的，计数器12可以被构造为这样可控或者可编程的，使得根据预先选择的控制值幅度来抑制中间地址的范围的控制值输出。后者例如通过该计数器与控制逻辑相结合，该控制逻辑负责在信号X被输出给存储器之前对该信号X进行可改变的代码转换。
用于实现参考图1-3所描述的(基于最优化的控制曲线的)控制方法中的一种或多种控制方法的电路装置10可以毫无问题地以固定的逻辑实现、也即尤其是即使没有微控制器也可以实现，因此可以达到在微秒范围内的非常高的运行速度。在这方面，有利的是，在选择值N、K、S时使用二进制倍数，这些值可以然后例如非常快地通过相应的位移操作来调整。
然而，当实时要求不是太高时，该方法也可以替代地利用微控制器或DSP(“数字信号处理器”)来实现。在这种情况下，必要时设置的例如用于压电控制电压(或者压电电荷)的调节电路段可以更简单地被实现并且模拟电路的必要性被降低，这使总装置成本更低。
图5和6还示出根据图4的电路装置的两个改进方案，其中在这些图中类似的电路元件用相同的参考数字来标明，然而为了区别这些实施形式分别提高了100(图5)或者200(图6)。
在根据图5的改进方案中，设置有模拟标定信号S，该模拟标定信号以这种形式直接被输入给数/模转换器116的参考输入端并通过模/数转换器122以数字形式被输入给分频器118。
在图6中所示的改进方案中使用用于提供时钟信号fc的压控振荡器(VCO)224，该压控振荡器被施加用于频率调节的标定信号S。该信号S此外被输送给模拟乘法元件216-2，该模拟乘法元件被连接在数/模转换器216-1之后并且与该数/模转换器216-1一起构成数/模转换器装置216。
图7以示意性的方框图示出用于驱动发动机控制器ECU中的末级1的上述电路装置10的应用，其中该发动机控制器用于对燃料喷射器中的压电元件进行被调节的充电和放电。
该发动机控制器ECU包括电路装置10，一方面由振荡器4将基本时钟信号f0输入给电路装置10，而另一方面由微控制器3将标定信号S输入给电路装置10。因此，电路装置10以上面已经描述的方式产生模拟控制信号Us，该模拟控制信号作为额定值设定被输送给发动机控制器ECU的控制单元2。
此外由控制单元2产生4个选择信号select1-select4并输送给末级1。借助这些信号select1-select4，直接在燃料喷射之前首先选择四个燃料喷射器之一。
紧接着，将压电控制电压(电压Up1-Up4之一)输送给所选择的燃料喷射器的压电元件。这通过由控制单元2向末级1输出PWM调制的充电信号up来启动。在末级1中，该信号up例如被输送给功率MOS-FET的栅极，以便以被定时的方式接通该功率MOS-FET，用于对所涉及的压电元件进行充电。该压电元件的放电的控制以类似的方式通过产生相应的PWM调制的放电信号down来实现，借助该放电信号控制例如被设置用于放电的功率MOS-FET。
在此情况下，PWM控制、尤其是充电信号和放电信号up和down的占空比基于调节，借助该调节将控制单元2中的实际的、对于当前所控制的喷射器的控制状态来说有代表性的量(这里充电/放电电流Ip，替代地例如压电电压Up)与相应的额定值设定(这里由电路装置10提供的控制信号Us)进行比较并且调节信号up和down的调制以便使实际值(实际流动的压电电流)与额定值Us匹配。
为了考虑在燃料喷射器的这种被调节的运行中的发动机运行参数，在此将这种参数、例如燃料蓄压器中的压力p、在喷射器范围内的燃料的温度T等等作为传感器信号输送给控制单元2，并且必要时在包括微控制器3的情况下对其进行分析。
虽然在上述的实施形式中控制信号Us是要输出给压电元件的电流的设定值，然而对于本发明来说这不是限制性的。而是，按照本发明所产生的控制信号也可以是任意的其他的对于燃料喷射器的控制状态或控制变化曲线、尤其是压电执行元件的电荷状态或充电/放电电压来说有代表性的量。
权利要求
1.用于产生对用于控制内燃机的至少一个燃料喷射器的发动机控制单元(ECU)的、控制信号(Us)的电路装置(10；110；210)，其中所述内燃机的运行参数(p，T，...)和/或所述燃料喷射器的运行参数被考虑用于形成被输入给所述电路装置(10；110；210)的、用于根据运行改变控制信号变化曲线(Us(t))的修正信号(S)，所述电路装置包括-可被施加预先给定的时钟信号(fc)的计数装置(12；112；212)，用于提供时间相关的数字计数信号(X)，-可被施加所述数字计数信号(X)的存储器装置(14；114；214)，用于存储数字控制信号值(Y1，Y2...)的序列(Y)以及用于根据所述计数信号(X)相继地输出来自控制信号值序列(Y)的各个控制信号值(Y1，Y2...)，以及-数/模转换器装置(16；116；216)，用于将所输出的数字控制信号值(Y1，Y2...)转换为对所述发动机控制单元(ECU)的模拟控制信号(Us)。
2.根据权利要求1所述的电路装置(10；110；210)，其中，被加载作为时间标定信号的修正信号(S)的压控振荡器(224)被用于提供具有被调节的频率的时钟信号(fc)。
3.根据权利要求1所述的电路装置(10；110；210)，其中，具有固定的振荡频率的振荡器和连接在该振荡器之后的分频器(18；118)被用于提供具有被调节的频率的时钟信号(fc)，所述分频器的分频比由被输入给所述分频器的作为时间标定信号的修正信号(S)来决定。
4.根据上述权利要求之一所述的电路装置(10；110；210)，其中，作为被存储在所述存储器装置(14；114；214)中的控制信号值序列(Y)，设置有至少30个、特别是至少50个控制信号值(Y1，Y2...YN)的序列。
5.根据上述权利要求之一所述的电路装置(10；110；210)，其中，连续的函数近似为被存储在所述存储器装置(14；114；214)中的控制信号值序列(Y)。
6.根据上述权利要求之一所述的电路装置(10；110；210)，其中，设置有具有至少8位的分辨率的数字控制信号值(Y1，Y2...)。
7.根据上述权利要求之一所述的电路装置(10；110；210)，其中，所述存储器装置(14；114；214)被构造为只读存储器。
8.用于产生对用于控制内燃机的至少一个燃料喷射器的发动机控制单元(ECU)的、控制信号(Us)的方法，其中所述内燃机的运行参数(p，T，...)和/或所述燃料喷射器的运行参数被考虑用于形成用于根据运行改变控制信号变化曲线(Us(t))的修正信号(S)，该方法包括-对预先给定的时钟信号(fc)进行计数，以便提供时间相关的数字计数信号(X)，其中预先给定具有可根据所述修正信号(S)调节的频率的时钟信号(fc)，-根据所述计数信号(X)从先前所存储的控制信号值(Y1，Y2...YN)的序列(Y)中相继地输出各个数字控制信号值(Y1，Y2...)，以及-将所输出的数字控制信号值(Y1，Y2...)转换为对所述发动机控制单元(ECU)的模拟控制信号(Us)，其中规定在考虑作为幅度标定信号的修正信号(S)的情况下将所述数字控制信号值(Y1，Y2...)转换为所述模拟控制信号(Us)。
全文摘要
给出一种用于产生对用于控制内燃机的至少一个燃料喷射器的发动机控制单元的、控制信号的电路装置(10)，利用该电路装置可以在喷射器控制中实现改善的控制信号变化曲线，该电路装置包括可被施加预先给定的时钟信号(fc)的计数装置(12)，用于提供时间相关的基于对该时钟信号(fc)的计数的数字计数信号(X)；可被施加该数字计数信号(X)的存储器装置(14)，用于存储数字控制信号值的序列(Y)以及用于根据该计数信号(X)相继地输出来自该控制信号值序列(Y)的各个控制信号值；以及数/模转换器装置(16)，用于将所输出的数字控制信号值转换为对发动机控制单元的模拟控制信号(Us)。
文档编号F02D41/20GK1914415SQ200580003236
公开日2007年2月14日 申请日期2005年1月14日 优先权日2004年1月26日
发明者C·G·奥格斯基 申请人:西门子公司