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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern
einer Brennkraftmaschine mit einer Stellvorrichtung, die einen Piezoaktuator umfasst.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind,
machen es erforderlich, diverse Maßnahmen zu ergreifen, durch
die die Schadstoff-Emissionen
gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist die während des
Verbrennungsprozesses des Luft-/Kraftstoff-Gemisches erzeugten Schadstoff-Emissionen
zu senken.
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Um
eine sehr gute Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff
zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen. In dem Falle von Dieselbrennkraftmaschinen
betragen die Kraftstoffdrücke beispielsweise
bis zu 2000 bar. Im Falle von Benzinbrennkraftmaschinen betragen
die Kraftstoffdrücke bis
zu etwa 200 bar. Für
derartige Anwendungen setzen sich zunehmend Einspritzventile mit
einem Piezoaktuator als Stellantrieb durch. Piezoaktuatoren zeichnen
sich durch sehr kurze Ansprechzeiten aus. Derartige Einspritzventile
sind so gegebenenfalls geeignet, mehrfach innerhalb eines Arbeitszyklusses eines
Zylinders der Brennkraftmaschine Kraftstoff zuzumessen.
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Eine
besonders gute Gemischaufbereitung lässt sich erreichen, wenn vor
einer Haupteinspritzung eine oder mehrere Voreinspritzungen erfolgen, die
auch als Piloteinspritzung bezeichnet werden, wobei für die einzelne
Voreinspritzung gegebenenfalls eine sehr geringe Kraftstoffmasse
zugemessen werden soll. Ein präzises
Ansteuern der Einspritzventile ist insbesondere für diese
Fälle sehr
wichtig.
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Aus
der
DE 196 52 807
A1 ist es bekannt, zum Ansteuern eines piezoelektrisch
betriebenen Kraftstoffeinspritzventils bei einem Ansteuervorgang des
Stellgliedes die Ladung eines auf eine vorgegebene Spannung geladenen
Kondensators während einer
vorgegebenen Ladezeit wenigstens teilweise auf das Stellglied zu übertragen.
Ferner wird die Ladezeit des folgenden Ansteuervorgangs um einen
in einem dieser Ladezeit und der in dieser Ladezeit erreichten Ladespannung
des Stellgliedes zugeordneten Bereich eines Kennfeldes gespeicherten
Betrags verändert.
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Aus
der
DE 100 63 080
A1 ist es bekannt, dass der funktionale Zusammenhang zwischen
der auf den Aktuator aufgebrachten elektrischen Energie und dem
Hub des Aktuators auch temperaturabhängig ist und dass die Temperatur
bei der Ansteuerung des Aktuators zu berücksichtigen ist. Hierzu weist
die Aktuatorsteuerung drei Temperatursensoren auf, welche die Kühlwassertemperatur,
die Öltemperatur und
die Kraftstofftemperatur messen und an eine Auswertungseinheit weiterleiten,
die daraus die Aktuatortemperatur ableitet. Ein Kennlinienglied
gibt einer Treiberschaltung einen Sollwert für die auf den Aktor aufzubringende
elektrische Ladung in Abhängigkeit von
der Aktuatortemperatur so vor, dass unabhängig von der Aktuatortemperatur
ein konstanter Hub eingestellt wird.
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Aus
der
DE 10 2005
025 415 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern
eines Piezoaktors bekannt. Dem Piezoaktor wird eine elektrische
Größe zugeführt oder
entnommen. Während des
Zuführen
oder Entnehmen der elektrischen Größe wird ein auf eine elektrische
Spannung des Piezoaktors bezogener Verlauf einer elektrischen Kapazität des Piezoaktors
ermittelt, abhängig
von der elektrischen Spannung des Piezoaktors und einer dem Piezoaktor
zugeführten
oder entnommenen Ladung. Abhängig
von dem Verlauf der elektrischen Kapazität des Piezoaktors wird mindestens
eine Änderung
einer auf den Piezoaktor einwirkenden Last erkannt. Ferner wird
jeweils ein Zeitpunkt der mindestens einen Änderung der Last erfasst. Die
zugeführte
oder entnommene elektrische Größe wird
bei einem nachfolgenden Ansteuerzyklus angepasst, abhängig von dem
jeweiligen erfassten Zeitpunkt im Sinne eines Angleichens des jeweiligen
erfassten Zeitpunkts und einen jeweils zugeordneten vorgegebenen
Zeitpunkt. Des Weiteren ist in dieser Druckschrift offenbart, dass
ein Temperaturwert des Piezoaktors ermittelt wird, abhängig von
der elektrischen Kapazität
des Piezoaktors. Die elektrische Größe oder die vorgegebene Menge
der elektrischen Größe wird
zugeführt oder
entnommen, abhängig
von dem Temperaturwert des Piezoaktors. Durch das Berücksichtigen
des Temperaturwerts des Piezoaktors kann der Piezoaktor besonders
präzise
angesteuert werden. Insbesondere kann der Temperaturwert des Piezoaktors während einer
Leerhubphase des Piezoaktors ermittelt werden. Der Temperaturwert
des Piezoaktors kann auch abhängig
von einer Differenz oder einem Verhältnis der ermittelten elektrischen
Kapazität
des Piezoaktors und einem zugehörigen
Referenzwert der elektrischen Kapazität des Piezoaktors ermittelt werden.
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In
der
DE 10 2005
010 028 A1 ist eine Reglervorrichtung zur Kompensation
von Streuungen von Injektoren beschrieben, wobei die Injektoren
je einen Piezo-Aktuator aufweisen, die den Zylindern einer Brennkraftmaschine
zugeordnet sind. Die Reglervorrichtung ist ausgebildet zum Zuführen einer
zylinderindividuellen Regelgröße in einer
Führungsgröße zu einem
Regler, dessen primäre
Stellgröße eine Größe ist,
die repräsentativ
ist für
eine während
eines Ansteuerzyklus dem Piezo-Aktuator zugeführte elektrische Energie. Die
Reglervorrichtung weist ferner eine Vorsteuerung auf, die ausgebildet
ist zum Erzeugen eines Vorsteuerwertes abhängig von Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine. Die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine
sind vorzugsweise der Kraftstoffdruck und/oder eine Aktuatortemperatur
des Piezoaktuators des Injektors und/oder der Duty-Cycle. Die Aktuatortemperatur
wird bevorzugt mittels eines geeigneten physikalischen Modells,
das auch ein Kennfeld oder mehrere Kennfelder umfassen kann, abhängig von
der Kühlmitteltemperatur
und gegebenenfalls der Ansauglufttemperatur ermittelt. Das physikalische
Modell kann auch so ausgebildet sein, dass die Aktuatortemperatur
ermittelt wird, abhängig von
Kapazitätswerten
des Piezo-Aktuators des Injektors, insbesondere abhängig von
erfassten Kapazitätsschwankungen
des Piezo-Aktuators oder auch abhängig von der Temperatur des
den Injektor durchströmenden
Kraftstoffs.
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Die
DE 103 28 788 A1 zeigt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung von Einspritzventilaktoren
eines Kraftstoffzumesssystems einer Brennkraftmaschine. Der Aktuator
ist dabei entweder ladungsbasiert oder spannungsbasiert ansteuerbar. Zwischen
der ladungsbasierten und der spannungsbasierten Ansteuerung des
Aktors wird in Abhängigkeit
einer Umgebungsbedingung und/oder einer Betriebsbedingung des Aktors
umgeschaltet. Es ist eine den Aktor ansteuernde Steuereinheit vorgesehen, wobei
die Ansteuerung des Aktors in an sich bekannter Weise durch abwechselnde
Lade- und Entladevorgänge
und einer Ansteuerspannung mit einer Wiederholfrequenz erfolgt.
Die Aktortemperatur wird entweder mittels eines Temperaturmodells
berechnet oder anhand der Kraftstoff- und/oder Kühlmitteltemperatur geschätzt. Alternativ
kann die Aktortemperatur mittels eines mit der Umschalteinheit zusammenwirkenden
Temperatursensors erfasst werden.
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In
der
DE 199 31 233
A1 ist ein Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes
zum Erzielen eines gewünschten
Hubs, insbesondere zum Betätigen
eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine beschrieben.
Dabei wird jeweils in Ansteuerpausen des Stellgliedes die momentane Stellgliedtemperatur
aus der zu ihr proportionalen Stellgliedkapazität bestimmt, welche durch Ansteuerung
des Stellgliedes mit Kleinsignalen, die keinen Hub des Stellsignals
bewirken, ermittelt wird. Zur Erzielung eines gewünschten
Hubs wird dem Stellsignal ein Energiebetrag zugeführt, welcher
in einem Kennfeld abhängig
von der Stellgliedtemperatur oder der Stellgliedkapazität und des
gewünschten
Hubs gespeichert ist.
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Die
Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen,
das einfach und präzise
ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende
Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Stellvorrichtung,
die einen Piezoaktuator umfasst. Ferner ist der Brennkraftmaschine
ein Temperatursen sor zugeordnet, der eine Temperatur außerhalb der
Stellvorrichtung erfasst. Ferner ist ein Ladungssensor vorgesehen,
dessen Messsignal repräsentativ
ist für
eine elektrische Ladung, mit der der Piezoaktuator beaufschlagt
ist. Darüber
hinaus ist ein Spannungssensor vorgesehen, dessen Messsignal repräsentativ
ist für
eine elektrische Spannung, die über
dem Piezoaktuator abfällt.
Bei Erfüllung
einer vorgegebenen ersten Bedingung, die frühestens erfüllt ist nach einer Zeitdauer,
die größer ist
als eine vorgegebene Motorstillstandszeitdauer, werden folgende
Schritte durchgeführt:
Ein Messsignal des Temperatursensors wird erfasst und abhängig von dem
Messsignal des Temperatursensors wird ein Piezo-Temperaturwert ermittelt.
Mittels eines vorgegebenen Kennfeldes wird abhängig von dem Piezo-Temperaturwert
ein Temperatur-Kapazitätskennwert
des Piezoaktuators ermittelt. Mittels eines korrespondierend zu
dem Messsignal des Temperatursensors erfassten Ladungswertes und
Spannungswertes des Piezoaktuators wird ein Mess-Kapazitätskennwert
ermittelt. Abhängig
von dem Mess-Kapazitätskennwert
und dem Temperatur-Kapazitätskennwert
wird ein erster Korrektur-Kapazitätskennwert
ermittelt.
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Unabhängig von
der vorgegebenen ersten Bedingung werden nachfolgende Schritte durchgeführt. Der
Ladungswert und Spannungswert des Piezoaktuators werden erfasst
und abhängig
von diesen wird der Mess-Kapazitätskennwert
ermittelt. Abhängig
von dem Mess-Kapazitätskennwert
und dem ersten Korrektur-Kapazitätskennwert
wird mittels des bezüglich
der Temperatur und des Kapazitätskennwertes
inversen Kennfeldes der Piezo-Temperaturwert
ermittelt.
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Dieses
Vorgehen ermöglicht
so die Piezo-Temperaturen sehr präzise zu ermitteln, ohne dass
ein eigener Temperatursensor derart angeordnet sein muss, dass er
direkt die Piezo-Temperatur an
dem Piezoaktuator erfasst. Darüber
hinaus kann so das Kennfeld und auch das inverse Kennfeld für eine ganze
Klasse von Piezoaktuatoren ermittelt sein und individuelle Abweichungen
an der Charakteristik des jeweiligen Piezoaktuators mittels des
ersten Korrektur-Kapazitätskennwertes
sehr präzise
berücksichtigt
werden.
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Darüber hinaus
kann bei geeignet vorgegebener Motorstillstandszeitdauer mittels
des Messsignals des Temperatursensors, der die Temperatur außerhalb
der Stellvorrichtung erfasst, eine sehr präzise Bestimmung des Piezo-Temperaturwertes
erfolgen und somit kann dieser dann als Referenzwert zum Ermitteln
des ersten Korrekturwertes einfach dienen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung setzt das Erfüllen der vorgegebenen ersten
Bedingung voraus, dass der Piezo-Temperaturwert
kleiner ist als ein vorgegebener erster Schwellenwert. Ferner hängt eine
Erfüllung
einer vorgegebenen zweiten Bedingung ab von einem Überschreiten
einer abhängig
von dem Messsignal des Temperatursensors ermittelten Temperatur
bezüglich
eines zweiten vorgegebenen Schwellenwertes. Wenn die vorgegebene zweite
Bedingung erfüllt
ist, wird das Messsignal des Temperatursensors erfasst und abhängig von
dem Messsignal der Piezo-Temperaturwert ermittelt. Ferner wird mittels
des vorgegebenen Kennfeldes abhängig
von dem Piezo-Temperaturwert
ein Temperatur-Kapazitätskennwert
des Piezoaktuators ermittelt. Darüber hinaus wird mittels des
korrespondierend zu dem Messsignal des Temperatursensors erfassten Ladungswertes
und Spannungswertes des Piezoaktuators der Mess-Kapazitätskennwert ermittelt. Schließlich wird
abhängig
von dem Mess-Kapazitätskennwert,
dem Temperatur-Kapazitätskennwert
und dem ersten Korrektur-Kapazitätskennwert
ein zweiter Korrektur-Kapazitätskennwert
ermittelt.
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Unabhängig von
der vorgegebenen zweiten Bedingung wird der Ladungswert und der
Spannungswert des Piezoaktuators erfasst und abhängig von diesem wird der Mess-Kapazitätskennwert
ermittelt. Abhängig
von dem Mess-Kapazitätskennwert und
dem ersten und zweiten Korrektur-Kapazitätskennwert wird mittels des
bezüglich
der Temperatur- und des Kapazitätskennwertes
inversen Kennfeldes des Kennfeldes der Piezo-Temperaturwert ermittelt.
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Auf
diese Weise können
individuelle Abweichungen des jeweiligen Piezoaktuators noch präziser kompensiert
werden und zwar insbesondere auf lineare Art und Weise. Insbesondere
kann zu diesem Zweck beispielsweise eine Adaption von Kennfeldwerten
des inversen Kennfeldes abhängig
von dem zweiten und gegebenenfalls ersten Korrektur-Kapazitätskennwert
erfolgen.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Erfüllung der
zweiten Bedingung ferner voraussetzt, dass die Brennkraftmaschine
in einem Betriebszustand der Teillast oder des Leerlaufs betrieben
wird. In diesen Betriebszuständen
hat das Messsignal des Temperatursensors regelmäßig eine hohe Korrelation zu
dem Piezo-Temperaturwert. Die Korrelation ist in diesem Zusammenhang
insbesondere dann hoch, wenn der Temperatursensor eine Kühlmitteltemperatur
der Brennkraftmaschine erfasst.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung setzt die Erfüllung der
zweiten Bedingung ferner voraus, dass die Brennkraftmaschine mindestens
durchgehend für
eine vorgegebene Betriebs-Zeitdauer den Betriebszustand der Teillast oder
des Leerlaufs eingenommen hat. In diesem Fall kann dann eine besonders
hohe Korrelation des Messsignals des Temperatursensors zu der Piezo-Temperatur
sichergestellt werden.
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Vorteilhaft
ist es ferner, wenn die vorgegebene Betriebs-Zeitdauer mindestens in etwa 5 Minuten beträgt. Auch
auf diese Weise kann eine besonders hohe Korrelation des Messsignals
des Temperatursensors zu der Piezo-Temperatur gewährleistet
werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung setzt das Erfüllen der
vorgegebenen ersten Bedingung voraus, dass der Piezo-Temperaturwert kleiner
ist als ein vorgegebener erster Schwellenwert. Ferner setzt eine
Erfüllung
einer vorgegebenen dritten Bedingung voraus, dass ein Start der
Brennkraftmaschine innerhalb eines vorgegebenen Motorstillstandsintervalls
beginnt und eine abhängig
von dem Messsignal des Temperatursensors ermittelte Temperatur einen
vorgegebenen dritten Schwellenwert überschreitet
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Wenn
die vorgegebene dritte Bedingung erfüllt ist, wird das Messsignal
des Temperatursensors erfasst und abhängig von dem Messsignal der
Piezo-Temperaturwert ermittelt. Ferner wird mittels des vorgegebenen
Kennfeldes abhängig
von dem Piezo-Temperaturwert
ein Temperatur-Kapazitätskennwert
des Piezoaktuators ermittelt. Darüber hinaus wird mittels des
korrespondierend zu dem Messsignal des Temperatursensors erfassten
Ladungswertes und Spannungswertes des Piezoaktuators der Mess-Kapazitätskennwert
ermittelt. Schließlich
wird abhängig
von dem Mess-Kapazitätskennwert,
dem Temperatur-Kapazitätskennwert
und dem ersten Korrektur-Kapazitätskennwert
der zweite Korrektur-Kapazitätskennwert
ermittelt.
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Unabhängig von
der vorgegebenen dritten Bedingung wird der Ladungswert und der
Spannungswert des Piezoaktuators erfasst und abhängig von diesem wird der Mess-Kapazitätskennwert
ermittelt. Abhängig
von dem Mess-Kapazitätskennwert und
dem ersten und zweiten Korrektur-Kapazitätskennwert wird mittels des
bezüglich
der Temperatur- und des Kapazitätskennwertes
inversen Kennfeldes der Piezo-Temperaturwert ermittelt.
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Dadurch
kann einfach der zweite Korrektur-Kapazitätskennwert präzise ermittelt
werden, da bei geeigneter Vorgabe des Motorstillstandszeitdauerintervalls
eine besonders hohe Korrelation des Messsignals des Temperatursensors
zu der Piezo-Temperatur
gewährleistet
ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Stellvorrichtung,
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2 eine
Anordnung mit der Stellvorrichtung in einer Brennkraftmaschine,
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3 ein
erstes Ablaufdiagramm eines Programms,
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4 ein
zweites Ablaufdiagramm eines weiteren Programms,
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5 noch
ein weiteres Ablaufdiagramm eines weiteren Programms und
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6 noch
ein weiteres Ablaufdiagramm eines weiteren Programms.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine
Stellvorrichtung umfasst einen Stellantrieb, der als Piezoaktuator 14 (1)
ausgebildet ist. Die Stellvorrichtung kann beispielsweise ausgebildet
sein als ein Einspritzventil zum Zumessen von Kraftstoff in einem
Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine. Die Stellvorrichtung
kann jedoch auch für
einen beliebigen anderen Zweck ausgebildet sein und so beispielsweise
zum Zumessen eines anderen Fluids als Kraftstoff im Rahmen einer Brennkraftmaschine
eingesetzt werden. Die Stellvorrichtung kann grundsätzlich jede
beliebige Stellvorrichtung sein, die bei einer Brennkraftmaschine
vorgesehen sein kann.
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Die
Stellvorrichtung umfasst ein Gehäuse 1, in
das eine Fluidzuführung 2 eingebracht
ist. Bei dem bestimmungsgemäßen Be trieb
als Einspritzventil ist die Stellvorrichtung mit einer Kraftstoffversorgungseinrichtung
hydraulisch gekoppelt, die den Kraftstoff insbesondere unter sehr
hohem Druck zuführt.
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Ferner
ist ein Ventilkörper 4 vorgesehen, dem
ein Hülsenkörper 6 zugeordnet
ist. Eine Ventilkörperausnehmung 8 ist
vorgesehen, in die eine Düsennadel 10 eingebracht
ist. Eine Rückstellfeder 12 ist
vorgesehen, die so angeordnet ist, dass sie die Düsennadel 10 ohne
das Einwirken sonstiger Kräfte in
einen Sitz 18 einer Düse 16 drückt und
somit die Düsennadel 10 derart
mit Kraft beaufschlagt, dass sie in ihrer Schließposition ist. In ihrer Schließposition unterbindet
die Düsennadel 10 ein
Zumessen von Kraftstoff durch die Düse 16. Außerhalb
ihrer Schließposition
gibt sie die Düse 16 frei
und ermöglicht
so ein Zumessen von Kraftstoff durch die Düse 16.
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Die
Düsennadel 10 bildet
ein Stellglied der Stellvorrichtung. Der Düsennadel ist der Piezoaktuator 14 zugeordnet,
der einen Stapel an Piezoelementen umfasst und elektrisch koppelbar
ist mit einer Leistungsendstufeneinheit 26 (2).
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Der
Piezoaktuator 14 übt
abhängig
von der ihm zugeführten
elektrischen Energie eine unterschiedliche Kraft auf die Düsennadel 10 aus
und bestimmt so maßgeblich
deren Position.
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Die
Leistungsendstufeneinheit ist ausgebildet zum Beaufschlagen des
Piezoaktuators 14 mit einem Ladestrom zum Zuführen oder
zum Entnehmen von elektrischer Energie. Die Leistungsendstufeneinheit 26 kann
auch mehreren und somit weiteren Piezoaktuatoren 14 zugeordnet
sein, die beispielsweise unterschiedlichen Zylindern der Brennkraftmaschine zugeordnet
sind.
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Ein
Spannungsverstärker 22,
der auch als DC/DC-Wandler bezeichnet werden kann, ist mit einem
Bordnetz elektrisch gekoppelt, das ausgebildet ist zum Versorgen
des Spannungsverstärkers 22 mit einer
vorgegebenen Spannung und das so eine Spannungsquelle bildet. Das
Bordnetz umfasst beispielsweise eine Fahrzeugbatterie. Der Spannungsverstärker 22 ist
elektrisch mit der Leistungsendstufe 26 gekoppelt. Bevorzugt
ist ein Kondensator 24 zwischengeschaltet und zwar derart,
dass in dem Kondensator 24 elektrische Energie bei einem
Entladevorgang des jeweiligen Piezoaktuators 14 zwischengespeichert
und für
zukünftige
Ladevorgänge
eingesetzt werden kann. Die Leistungsendstufe 26 umfasst
insbesondere eine Induktivität,
die bei der Kopplung mit dem Piezoaktuator 14 einen Schwingkreis
bildet und andererseits auch eingangsseitig über den Kondensator 24 einen
speisenden Schwingkreis bildet.
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Die
Leistungsendstufe 26 umfasst Schaltungsmittel, mittels
derer ein Ladestrom für
den Piezoaktuator 14 auf einen der Leistungsendstufe 26 vorgegebenen
Stromschwellenwert begrenzt wird. Dazu kann der Ladestrom während eines
Lade- oder Entladevorgangs betragsmäßig beispielsweise im Sinne
einer Zweipunktregelung eingestellt werden. Die Leistungsendstufe 26 kann
auch ein Zeitglied umfassen, mittels dessen nach Ablauf einer vorgebbaren
Zeitdauer der Ladestrom wieder auf einen Nullwert zurückgeführt werden
kann.
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Ferner
ist ein Ladungssensor 27 vorgesehen, der einen Ladungswert
Q einer Ladung, die dem Piezoaktuator 14 zugeführt wurde,
also beispielsweise während
eines Ladungsvorganges erfasst.
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Ferner
ist ein Spannungssensor 28 vorgesehen, der die an dem Piezoaktuator
anliegende Spannung, insbesondere zum Abschluss des jeweiligen Ladevorgangs,
erfasst und somit einen Spannungswert U erfasst.
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Eine
Steuervorrichtung 29 ist vorgesehen, die dazu ausgebildet
ist, die Leistungsendstufe 26 mit Stellsignalen zu beaufschlagen
und so den jeweiligen Ablauf des Ladens oder Entladens des Piezoaktuators 14 zu
steuern. Der Steuervorrichtung 29 sind Sensoren zugeordnet,
die verschiedene Messgrößen er fassen.
Betriebsgrößen umfassen
neben den Messgrößen auch
von diesen abgeleitete Größen.
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Die
Steuervorrichtung 29 ist ausgebildet abhängig von
mindestens einer der Betriebsgrößen Stellgrößen zu ermitteln,
die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern von Stellvorrichtungen der
Brennkraftmaschine umgesetzt werden. Die Steuervorrichtung 29 kann
auch als Vorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine bezeichnet
werden.
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Die
Sensoren sind neben dem Ladungssensor 27 und dem Spannungssensor 28 ein
Temperatursensor 30, der eine Temperatur außerhalb
der Stellvorrichtung erfasst. Der Temperatursensor kann beispielsweise
so angeordnet sein, dass er die Temperatur eines Kühlmittels
der Brennkraftmaschine erfasst. Er kann jedoch beispielsweise auch
so angeordnet sein, dass er eine Kraftstofftemperatur oder auch
eine Ansauglufttemperatur erfasst.
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Der
Steuervorrichtung 29 können
auch weitere Sensoren, wie ein Pedalstellungsgeber, welche eine
Fahrpedalstellung eines Fahrpedals erfasst, zugeordnet sein und/oder
ein Luftmassensensor, der einen Luftmassenstrom stromaufwärts einer
Drosselklappe erfasst und/oder ein Saugrohrdrucksensor, welcher
einen Saugrohrdruck in einem Sammler erfasst und/oder ein Kurbelwellenwinkelsensor,
welcher einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl
zugeordnet wird, und/oder ein Kraftstoffdrucksensor, der einen Kraftstoffdruck
in einer Kraftstoffzuführeinrichtung
erfasst.
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Die
Steuervorrichtung 29 umfasst einen Speicher, der ausgebildet
ist zum Speichern von Programmen und Daten und eine Recheneinheit,
in die die Programme während
des Betriebs der Brennkraftmaschine geladen werden können und
dort abgearbeitet werden können.
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Ein
Ablaufdiagramm eines ersten Programms ist im Folgenden anhand der 3 näher erläutert. Das
Programm wird in einem Schritt S1 gestartet, beispielsweise auch
während
eines Motorstillstandes, also wenn die Brennkraftmaschine ausgeschaltet
ist und somit nicht aktiv betrieben wird. Das Programm kann jedoch
beispielsweise auch in einem Vorlauf zu einem Start der Brennkraftmaschine
gestartet werden. In dem Schritt S1 können gegebenenfalls Variablen
initialisiert werden.
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In
einem Schritt S2 wird geprüft,
ob eine Zeitdauer TD seit einem Motorstillstand und zwar ohne dass
ein weiterer Start der Brennkraftmaschine zwischenzeitlich erfolgt
ist, größer ist
als eine vorgegebene Motorstillstandszeitdauer T_ENG_OFF. Die vorgegebene
Motorstillstandszeitdauer T_ENG_OFF kann beispielsweise in etwa
8 bis 10 Stunden betragen, so beispielsweise 8 Stunden. Ist die
Bedingung des Schrittes S2 nicht erfüllt, so wird das Programm in
einem Schritt S4 beendet.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S2 hingegen erfüllt, so wird in einem Schritt
S6 ein Piezo-Temperaturwert T_P abhängig von einem Messsignal MS_T des
Temperatursensors 30 ermittelt. Dabei kann beispielsweise
eine vorgegebene Kennlinie des Temperatursensors eingesetzt werden.
Grundsätzlich
kann der Temperatursensor 30 angeordnet sein zum direkten
und indirekten Erfassen verschiedener Temperaturen in der Brennkraftmaschine.
Dementsprechend können
durch den Temperatursensor 30 auch mehrere Temperatursensoren
umfasst sein, wie beispielsweise ein Temperatursensor zum Erfassen
der Kühlmitteltemperatur
und der Kraftstofftemperatur und dem entsprechend auch deren Messsignal
MS_T in Kombination eingesetzt werden zum Ermitteln des Piezo-Temperaturwertes
T_P. Der Piezo-Temperaturwert T_P repräsentiert die Temperatur des
Piezoaktuators 14.
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Durch
das Vorsehen der Bedingung des Schrittes S2, die auch als erste
Bedingung bezeichnet werden kann, kann eine hohe Korrelation des
mittels des Messsignals MS_T des Temperatur sensors 30 ermittelten
Piezo-Temperaturwertes T_P zu der tatsächlichen Temperatur des Piezoaktuators 14 gewährleistet
werden.
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In
einem Schritt S8 wird ein Kraftstoffdruck FUP mittels des Kraftstoffdrucksensors
ermittelt. Dabei korreliert der Kraftstoffdruck bevorzugt zu demjenigen
Kraftstoffdruck, der auf das dem Piezoaktuator zugeordnete Stellglied
wirkt.
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In
einem Schritt S10 wird ein Temperatur-Kapazitätskennwert C_T des Piezoaktuators 14 ermittelt
und zwar mittels eines vorgegebenen Kennfeldes KF abhängig von
dem Piezo-Temperaturwert
T_P und bevorzugt abhängig
von dem Kraftstoffdruck FUP.
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Das
Kennfeld KF ist bevorzugt durch Versuche ermittelt und zwar für eine Vielzahl
grundsätzlich gleichartiger
Piezoaktuatoren, deren Charakteristik jedoch individuell leicht
unterschiedlich sein kann. Dies kann insbesondere aufgrund von Fertigungsstreuungen
und Herstellungstoleranzen bedingt sein und auch abhängig sein
von Einflussgrößen wie
einer Betriebsdauer, seit erstmaligem Inbetriebsetzen des Piezoaktuators 14.
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In
einem Schritt S12 wird ein Ladungswert Q und ein Spannungswert U
erfasst, wobei dies derart zeitnah zu dem Erfassen des Messsignals
MS_T des Temperatursensors 30 in dem Schritt S6 erfolgt,
dass davon auszugehen ist, dass sich die tatsächliche Temperatur des Piezoaktuators 14 nicht
oder nur unwesentlich verändert
hat. Abhängig
von dem Ladungswert Q und dem Spannungswert U wird ein Mess-Kapazitätskennwert
C_MEAS ermittelt und zwar bevorzugt durch Division des Ladungswertes
Q mit dem Spannungswert U.
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In
einem Schritt S14 wird dann abhängig
von dem Mess-Kapazitätskennwert
C_MEAS und dem Temperatur-Kapazitätskennwert
C_T ein erster Korrektur- Kapazitätskennwert
COR1 ermittelt. Bevorzugt wird der erste Korrektur-Kapazitätskennwert COR1,
auch als Geradenabschnittswert oder als Offset bezeichnet, ermittelt
und kann so einfach mittels einer Differenz zwischen dem Mess-Kapazitätskennwert
C_MEAS und dem Temperatur-Kapazitätskennwert
C_T ermittelt werden. Anschließend
wird die Bearbeitung in dem Schritt S4 fortgesetzt.
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In
dem Schritt S14 kann auch eine Adaption eines bereits bei einem
vorangegangenen Durchlauf des Schrittes S14 ermittelten ersten Korrektur-Kapazitätskennwertes
COR1 erfolgen und zwar beispielsweise mittels einer geeigneten Filterung,
wie beispielsweise einer gleitenden Mittelwertbildung.
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4 zeigt
ein weiteres Ablaufdiagramm eines zweiten Programms, das grundsätzlich unabhängig von
dem ersten Programm in der Steuervorrichtung 29 abgearbeitet
werden kann. Das Programm wird in einem Schritt S16 gestartet, in
dem gegebenenfalls ebenso Variablen initialisiert werden können. In
einem Schritt S18 wird der Kraftstoffdruck FUP erfasst. In einem
Schritt S20 wird der Ladungswert Q und der zugeordnete Spannungswert
U erfasst und abhängig
von diesem der Mess-Kapazitätskennwert C_MEAS
ermittelt.
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In
einem Schritt S22 wird dann ein Piezo-Temperaturwert T_P ermittelt.
Dies erfolgt mittels eines der Temperatur und des Kapazitätskennwertes inversen
Kennfeldes KF_INV zu dem Kennfeld KF und zwar abhängig von
dem Mess-Kapazitätskennwert
C_MEAS, dem ersten Korrektur-Kapazitätskennwert COR1 und dem Kraftstoffdruck
FUP. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt eine der Eingangsgrößen des
inversen Kennfeldes KF_INV der Mess-Kapazitätskennwert C_MEAS abzüglich des ersten
Korrekturwertes COR1. Auf diese Weise kann somit auch in einem Betriebszustand
der Brennkraftmaschine, in dem das Messsignal MS_T des Temperatursensors 30 nicht
oder nur schlecht zu der tatsächlichen
Temperatur des Piezoaktuators 14 korreliert, ein sehr präziser Piezo-Temperaturwert
T_P ermittelt werden.
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Im
Anschluss an den Schritt S22 wird die Bearbeitung in einem Schritt
S24 fortgesetzt, in dem das Programm für eine vorgegebene Wartezeitdauer T_W
verharrt, bevor die Bearbeitung erneut in dem Schritt S18 fortgesetzt
wird.
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Ein
drittes Programm (5) wird in einem Schritt S26
gestartet. Das dritte Programm korrespondiert in Teilen zu dem ersten
Programm gemäß der 3.
Im Folgenden sind insbesondere die Unterschiede zwischen beiden
Programmen näher
erläutert.
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In
einem Schritt S28 wird zusätzlich
zu dem Schritt S2 geprüft,
ob eine Temperatur TX, die abhängig
von dem Temperatursensor 30 ermittelt wird, und die beispielsweise
die Kühlmitteltemperatur
sein kann, kleiner ist als ein vorgegebener erster Schwellenwert
THD1. Der erste Schwellenwert THD1 kann beispielsweise zwischen
10 und etwa 20 oder 30°C liegen
und so beispielsweise 10° betragen.
Ist die Bedingung des Schrittes S28, die insoweit auch die erste
Bedingung repräsentiert,
erfüllt,
so werden Schritte S30 bis S38 abgearbeitet, die zu den Schritten
S6 bis S14 korrespondieren. Ein Schritt S40 korrespondiert zu dem
Schritt S4.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S28 hingegen nicht erfüllt, so
wird die Bearbeitung in einem Schritt S42 fortgesetzt.
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In
einem Schritt S42 wird geprüft,
ob der aktuelle Betriebszustand ES der Brennkraftmaschine ein Leerlauf
IS oder eine Teillast PL ist. Ferner wird zusätzlich geprüft, ob die Zeitdauer TD, seitdem
der aktuelle Betriebszustand ES eingenommen ist, größer ist
als eine vorgegebene Betriebs-Zeitdauer TB.
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Ferner
wird bevorzugt zusätzlich
geprüft,
ob die Temperatur TX, die abhängig
von dem Messsignal MS_T des Temperatursensors 30 ermittelt
wird, die beispielsweise ebenso wie in dem Schritt S28 die Kühlmitteltemperatur
sein kann, größer ist als
ein vorgegebener zweiter Schwellenwert THD2, der beispielsweise
60°C beträgt.
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Ist
die Gesamtbedingung des Schrittes S42, die auch als zweite Bedingung
bezeichnet werden kann, nicht erfüllt, so wird die Bearbeitung
in dem Schritt S40 fortgesetzt. Ist die Gesamtbedingung des Schrittes
S42 hingegen erfüllt,
so wird in einem Schritt S44 der Piezo-Temperaturwert T_P abhängig von
dem Messsignal MS_T des Temperatursensors 30 ermittelt.
In diesem Zusammenhang wird die Erkenntnis genutzt, dass bei einer
geeignet vorgegebenen Betriebs-Zeitdauer TB durch die zweite Bedingung
sichergestellt werden kann, dass eine sehr hohe Korrelation zwischen
dem Messsignal MS_T des Temperatursensors 30 und der tatsächlichen
Piezo-Temperatur des Piezoaktuators 14 gegeben ist.
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In
einem Schritt S46 wird der Kraftstoffdruck FUP ermittelt und dann
abhängig
von dem Kraftstoffdruck FUP und dem Piezo-Temperaturwert T_P der Temperatur-Kapazitätskennwert
C_T mittels des Kennfeldes KF in einem Schritt S48 korrespondierend
zu dem Schritt S34 ermittelt. In einem Schritt S50 werden dann Ladungswerte
Q und Spannungswerte U erfasst, die so zeitnah erfasst werden, dass sie
zu der aus dem Messsignal MS_T in dem Schritt S44 abgeleiteten Piezo-Temperaturwert
T_P korrelieren. Abhängig
von dem Ladungswert Q und dem Spannungswert U wird in dem Schritt
S50 ferner ein Mess-Kapazitätskennwert
C_MEAS ermittelt.
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In
einem Schritt S52 wird dann ein zweiter Korrektur-Kapazitätskennwert
COR2 ermittelt und zwar abhängig
von dem Mess-Kapazitätskennwert C_MEAS,
dem Temperatur-Kapazitätskennwert
C_T und dem ersten Korrektur-Kapazitätskennwert COR1.
Der zweite Korrektur-Kapazitätskennwert COR2
kann in diesem Zusammenhang beispielsweise so ermittelt werden,
dass er linear abhängt
von dem Mess-Kapazitätskennwert
C_MEAS oder gegebenenfalls von dem mittels des ersten Korrekturwertes
COR1 korrigierten Mess-Kapazitätskennwert C_MEAS.
Auf diese Weise kann der zweite Korrektur-Kapazitätskennwert
COR2 eine Steigungskorrektur durchführen.
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Im
Anschluss an den Schritt S52 wird die Bearbeitung in dem Schritt
S40 fortgesetzt.
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Anhand
der 6 ist ein Ablaufdiagramm eines vierten Programms
dargestellt, dessen Unterschiede im Vergleich zu demjenigen gemäß der 4 im
Folgenden erläutert
sind.
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Das
Programm wird in einem Schritt S54 gestartet. Schritte S56 und S58
korrespondieren zu den Schritten S18 und S20. Ein Schritt S60 unterscheidet sich
von dem Schritt S22 dadurch, dass bei dem Ermitteln des Piezo-Temperaturwertes
T_P auch der zweite Korrektur-Kapazitätskennwert COR2 berücksichtigt
wird. Dazu kann beispielsweise das inverse Kennfeld KF_INV abhängig von
dem beispielsweise in dem Schritt S52 ermittelten Steigungszusammenhanges
entsprechend adaptiert sein und alternativ kann jedoch auch eingangsseitig
des inversen Kennfeldes KF_INV der Mess-Kapazitätskennwert C_MEAS abhängig von
dem ersten Korrektur-Kapazitätskennwert
COR1 und dem zweiten Korrektur-Kapazitätskennwert COR2 und zwar insbesondere
unter Berücksichtigung
des Mess-Kapazitätskennwertes
C_MEAS berücksichtigt
werden.
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Ein
Schritt S62 korrespondiert zu dem Schritt S24.
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Alternativ
oder nebengeordnet zu dem Schritt S42 (5) kann
ein Schritt S42' vorgesehen sein,
in dem geprüft
wird, ob ein Start der Brennkraftmaschine innerhalb eines vorgegebenen
Motorstillstandsintervalls T_ENG_OFF_INT beginnt und die abhängig von
dem Messsignal MS_T des Temperatursensors 30 ermittelte
Temperatur TX, die beispielsweise repräsentativ ist für die Kühlmitteltemperatur,
einen vorgegebenen dritten Schwellenwert THD3 überschreitet. Das Motorstillstandsintervall T_ENG_OFF_INT
kann empirisch so ermittelt werden, dass eine hohe Korrelation der
abhängig
von dem Messsignal MS_T des Temperatursensors 30 ermittelten
Temperatur TX zu der tatsächlichen
Temperatur des Piezoaktuators existiert. Besonders günstig kann
das Motorstillstandsintervall T_ENG_OFF_INT beispielsweise innerhalb
von etwa 0,5 bis etwa 3 Stunden nach dem Motorstillstand liegen.
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Der
vorgegebene dritte Schwellenwert THD3 kann gleich dem zweiten Schwellenwert
THD2 gewählt
sein. Er kann sich jedoch auch von diesem unterscheiden.
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Falls
die Bedingung des Schritts S42',
die als dritte Bedingung bezeichnet wird, erfüllt ist, so wird die Bearbeitung
in dem Schritt S44 fortgesetzt und andernfalls das Programm in dem
Schritt S40 beendet.
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Ferner
wird bei der erstmaligen Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine,
was bevorzugt zu dem Ende ihrer Montage in ein Kraftfahrzeug erfolgt, das
Programm gemäß der 3 oder 5 mit
dem Schritt S6 bzw. S30 unmittelbar auf den Schritt S1 bzw. S26
folgend durchgeführt.
Dies hat zur Folge, dass dann bereits auf jeden Fall der erste Korrektur-Kapazitätskennwert
COR1 ermittelt wird.