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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit mindestens
einem Einspritzventil, dem ein durch ein Steuergerät der Brennkraftmaschine
mit einem Ansteuersignal beaufschlagtes piezoelektrisches Stellglied
zugeordnet ist, das einen dem Ansteuersignal entsprechenden Nadelhub
einer Ventilnadel des Einspritzventils für eine Kraftstoffeinspritziung
bewirkt.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung
ein Steuergerät
für eine
Brennkraftmaschine mit mindestens einem Einspritzventil, dem ein
durch das Steuergerät
mit einem Ansteuersignal beaufschlagtes piezoelektrisches Stellglied
zugeordnet ist, das einen dem Ansteuersignal entsprechenden Nadelhub
einer Ventilnadel des Einspritzventils für eine Kraftstoffeinspritzung
bewirkt.
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Darüber hinaus betrifft die vorliegende
Erfindung ein Computerprogramm für
min Steuergerät
einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Einspritzventil, dem
ein durch das Steuergerät
mit einem Ansteuersignal beaufschlagtes piezoelektrisches Stellglied
zugeordnet ist, das einen dem Ansteuersignal entsprechenden Nadelhub
einer Ventilnadel des Einspritzventils für eine Kraftstoffeinspritzung
bewirkt.
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Herkömmliche Betriebsverfahren der
eingangs genannten Art haben den Nachteil, dass aufgrund der in
den piezoelektrischen Stellgliedern umgesetzten Verlustleistung
und der begrenzten, vom Steuergerät bzw. einer Leistungsendstufe
des Steuergeräts
bereitgestellten Ansteuerleistung insbesondere bei einer Mehrfacheinspritzung
eine obere Drehzahlgrenze für
die Brennkraftmaschine definiert wird, die die maximale Leistung
der Brennkraftmaschine begrenzt.
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Die Leistungsendstufe umfasst üblicherweise
einen Gleichstrom-Gleichstrom-(DC/DC)-Wandler, dessen Leistung aus
Kostengesichtspunkten und wegen des zur Verfügung stehenden Einbauraums nicht
beliebig gesteigert werden kann. Ab der angesprochenen oberen Drehzahlgrenze
reicht die Ansteuerleistung des DC/DC-Wandlers nicht mehr aus, die
in den piezoelektrischen Stellgliedern umgesetzte Verlustenergie
zu kompensieren. Darüber
hinaus kann das Steuergerät
durch die Erwärmung
des DC/DC-Wandlers unzulässig
hohe Temperaturen annehmen.
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Ein weiterer Nachteil bekannter Verfahren besteht
in der Notwendigkeit der Ableitung der Verlustleistung von den piezoelektrischen
Stellgliedern, um eine Überhitzung
der Stellglieder zu verhindern.
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Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein verbessertes Betriebsverfahren, ein Steuergerät und ein
Computerprogramm hierfür
anzugeben, wodurch eine Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine
ermöglicht
wird und gleichzeitig die in den piezoelektrischen Stellgliedern
umgesetzte Verlustleistung verringert wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem Betriebsverfahren
für eine
Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Ansteuersignal in Abhängigkeit
von einer von dem piezoelektrischen Stellglied aufgenommenen Ansteuerleistung
geändert
wird.
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Dadurch ist es möglich, das Ansteuersignal stets
so z u wählen,
bspw. zu verringern, dass noch ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine
sowie eine ausreichende Ableitung der Verlustwärme von den piezoelektrischen
Stellgliedern gewährleistet
ist. Ferner ist auf diese Weise sichergestellt, dass die Steuergerätetemperatur
stets innerhalb zulässiger Grenzen
bleibt.
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Sobald das ein piezoelektrisches
Stellglied steuernde Ansteuersignal gegenüber einem Bezugswert verringert
wird, verringert sich auch die mechanische Ausdehnung des entsprechenden
piezoelektrischen Stellglieds und damit der Nadelhub des entsprechenden
Einspritzventils. Die bei einem geringeren Nadelhub in dem piezoelektrischen
Stellglied umgesetzte Verlustenergie ist kleiner als bei Ansteuerung
des Stellglieds mit dem Bezugswert, so dass bei der Anwendung des
erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens
auch eine geringere Menge thermischer Energie von dem Stellglied
abzuführen
ist. Ebenso wird die in der Leistungsendstufe umgesetzte Verlustenergie
verringert, wodurch auch die Steuergerätetemperatur sinkt.
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Da sich bei verringertem Nadelhub
auch ein geringerer statischer Durchfluss an Kraftstoff durch das
Einspritzventil ergibt, muss die Einspritzzeit entsprechend angehoben
werden, um bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit reduziertem
Nadelhub dieselbe Kraftstoffmenge in einen Brennraum der Brennkraftmaschine
einzuspritzen wie mit einer herkömmlichen
Ansteuerung.
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Um Verschmutzungen zu vermeiden,
die z.B. durch ein Einklemmen von Partikeln in einer Öffnung des
Einspritzventils entstehen, ist eine Grenze für einen minimalen Nadelhub
bzw, ein damit korrespondierendes minimales Ansteuersignal festzulegen.
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Ein weiterer, ganz besonderer Vorteil
des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens
besteht in der Möglichkeit
einer Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine, die sich dadurch
ergibt, dass die obere Drehzahlgrenze für Mehrfacheinspritzungen gegenüber herkömmlichen
Verfahren erhöht
ist.
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Wie bereits angesprochen, wird durch
die erfindungsgemäße Reduzierung
des Nadelhubs pro Zeit eine geringere Verlustenergie in dem piezoelektrischen
Stellglied umgesetzt. Diese Einsparungen, d.h. die Differenz zur
maximal zulässigen
Verlustenergie, die durch den DC/DC-Wandler kompensiert werden kann, können dazu
aufgewandt werden, die Brennkraftmaschine mit einer höheren Drehzahl
und Mehrfacheinspritzungen hierbei zu betreiben, wobei die in dem
piezoelektrischen Stellglied umgesetzte Verlustenergie aufgrund
ihrer Proportionalität
zur Drehzahl wieder zunimmt. Somit ist ein Betrieb der Brennkraftmaschine
bei gleicher maximaler Leistung des DC/DC-Wandlers und erhöhter maximaler
Drehzahl mit Mehrfacheinspritzungen und damit erhöhter maximaler
Leistung der Brennkraftmaschine möglich.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird bei Überschreiten
einer vorgebbaren maximalen Ansteuerleistung das Ansteuersignal
auf einen Maximalwert reduziert. Die maximale Ansteuerleistung entspricht
beispielsweise einer vorgegebenen Maximaldrehzahl der Brennkraftmaschine
bei Mehrfacheinspritzung. Durch entsprechende Wahl des Maximalwerts
ist dabei eine Reduzierung des Nadelhubs möglich, so dass bei gleicher
Verlustleistung im piezoelektrischen Stellglied die Drehzahl der
Brennkraftmaschine bei Mehrfacheinspritzung gesteigert werden kann.
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Eine ganz besonders einfache Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert eine Konstante
ist. Bei dieser Ausführungsform
wird das Ansteuersignal für
das piezoelektrische Stellglied bei Überschreiten der vorgebbaren
maximalen Ansteuerleistung bzw. einer damit korrespondierenden Maximaldrehzahl
auf den konstanten Maximalwert gesetzt.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird der Maximalwert in Abhängigkeit von einer Kennlinie
gewählt,
die beispielsweise in einem Spchicher des Steuergeräts abgelegt
ist.
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Die Kennlinie ist, ebenso wie der
konstante Maximalwert, applizierbar, so dass eine Veränderung der
betreffenden Werte auch noch nach der Erstinbetriebnahme der Brennkraftmaschine
möglich
ist. Auch die maximale Ansteuerleistung ist zur Steigerung der Flexibilität vorzugsweise
applizierbar.
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Besonders vorteilhaft ist gemäß einer
weiteren Variante der Erfindung, dass die von dem piezoelektrischen
Stellglied aufgenommene Ansteuerleistung aus Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine berechnet wird. Auf diese Weise ist eine Überwachung der
zum Betrieb des Stellglieds erforderlichen Ansteuerleistung möglich, wobei
die Ansteuerleistung allein aus Größen ermittelbar ist, die alle
in dem Steuergerät
der Brennkraftmaschine vorliegen, nämlich: die Verlustenergie des
Stellglieds je Nadelhub, die Anzahl der Einspritzungen je Zyklus
und die Drehzahl der Brennkraftmaschine.
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Bei einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die von dem piezoelektrischen Stellglied aufgenommene Ansteuerleistung messtechnisch
erfasst. Hierzu wird beispielsweise die auf das piezoelektrische
Stellglied fließende
Ladungsmenge und die entsprechende Ladezeit sowie ggf. weitere Größen erfasst.
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Als eine weitere Lösung der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine
vorgeschlagen, mit mindestens einem Einspritzventil, dem ein durch
das Steuergerät mit
einem Ansteuersignal beaufschlagtes piezoelektrisches Stellglied
zugeordnet ist, das einen dem Ansteuersignal entsprechenden Nadelhub
einer Ventilnadel des Einspritzventils für eine Kraftstoffeinspritzung
bewirkt. Bei dem Steuergerät
ist das Ansteuersignal in Abhängigkeit
von einer von dem piezoelektrischen Stellglied aufgenommenen Ansteuerleistung änderbar.
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Ferner ist als noch eine weitere
Lösung
für die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei einem Computerprogramm der
eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Computerprogramm
zur Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet ist. Das Computerprogramm ist vorteilhaft auf einem elektrischen
Speichermedium, insbesondere auf einem Flash-Memory oder einem Read-Only-Memory, abgespeichert.
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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.
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1 zeigt
einen Ablaufplan einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine,
und
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3 zeigt
ein Einspritzventil der Brennkraftmaschine aus 2.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
das bei einer in 2 strichpunktiert
dargestellten Brennkraftmaschine 10 eingesetzt wird, um
eine maximale Drehzahl und damit auch eine maximale Leistung der
Brennkraftmaschine 10 zu erhöhen.
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Die Brennkraftmaschine 10 weist
Einspritzventile 30a, 30b, 30c auf, die
Kraftstoff aus einer Kraftstoff-Sammelleitung 26 direkt
in Brennräume 32a, 32b, 32c der
Zylinder 33a, 33b, 33c einspritzen. Die Einspritzventile 30a, 30b, 30c werden
von einem Steuergerät 34 der
Brennkraftmaschine 10 gesteuert.
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Der genaue Aufbau der Einspritzventile 30a, 30b, 30c ergibt
sich aus 3, in der beispielhaft
ein Einspritzventil 30 abgebildet ist. Jedes der Einspritzventile 30a, 30b, 30c weist
ein piezoelektrisches Stellglied 58 auf, das eine Ventilnadel 44 des
jeweiligen Einspritzventils 30a, 30b, 30c antreibt.
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Der von der Ventilnadel 44 zurückgelegte Weg,
der auch als Nadelhub bezeichnet wird, ist proportional zu einem
Ansteuersignal, mit dem das piezoelektrische Stellglied 58 von
dem Steuergerät 39 (2) der Brennkraftmaschine 10 über die
Leitungen 70 (3)
beaufschlagt wird.
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Das Ansteuersignal wird innerhalb
des Steuergeräts 34 von
einem DC/DC-Wandler (nicht gezeigt) erzeugt, der im vorliegenden
Fall alle piezoelektrischen Stellglieder 58 der Einspritzventile 30a, 30b, 30c (2) der Brennkraftmaschine 10 mit
dem Ansteuersignal versorgt. Da es sich bei den piezoelektrischen
Stellgliedern 58 um Bauelemente mit im wesentlichen kapazitiven
Eigenschaften handelt, fließt
bei einer Ansteuerung mit dem Ansteuersignal eine zu dem Ansteuersignal
proportionale Menge elektrischer Ladung auf die / von den Stellglieder(n) 58.
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Die vom DC/DC-Wandler zur Ansteuerung der
piezoelektrischen Stellglieder 58 aufzubringende elektrische
Energie, die im folgenden als Gesamtansteuerungsenergie bezeichnet
wird, ergibt sich aus dem Produkt der Zahl der Zylinder 33a, 33b, 33c der Brennkraftmaschine 10,
der Verlustleistung eines Stellglieds 58 in Abhängigkeit
vom Nadelhub, der Zahl der Ansteuerungen des Stellglieds 58 je
Einspritzzyklus und der Drehzahl der Brennkraftmaschine 10.
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In einem ersten Schritt 110 des erfindungsgemäßen Verfahrens
(1) wird eine mit der
Gesamtsteuerungsenergie korrespondierende Ansteuerleistung ausgewertet,
die von den piezoelektrischen Stellgliedern 58 der Einspritzventile 30a, 30b, 30c der
Brennkraftrnaschine 10 aufgenommen wird, um die Ventilnadel 44 des
jeweiligen Einspritzventils 30a, 30b, 30c zu
bewegen.
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Solange der im Steuergerät 34 enthaltene DC/DC-Wandler
die Gesamtansteuerungsenergie in der durch die Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 vorgegebenen
Zeit bereitstellen kann, was im Schritt 120 der 1 durch einen Vergleich der tatsächlich von
den Stellgliedern 58 aufgenommenen Ansteuerleistung mit
einer applizierbaren, vorgegebenen maximalen Ansteuerleistung abgefragt
wird, erfolgt die Vorgabe des Nadelhubs der Einspritzventile 30a, 30b, 30c gemäß dem nachfolgenden
Schritt 130 auf konventionelle Weise, d.h. es wird der maximale
Nadelhub der Ventilnadeln 44 durch das Ansteuersignal vorgegeben.
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Anschließend erfolgt in Schritt 150
die Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume 32a, 32b, 32c der
Zylinder 33a, 33b, 33c (2).
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Falls der Vergleich der tatsächlich von
den Stellgliedern 58 aufgenommenen Ansteuerleistung mit
der vorgegebenen maximalen Ansteuerleistung in Schritt 120 jedoch
ergibt, dass der DC/DC-Wandler bei gegebener Drehzahl sowie Mehrfacheinspritzung der
Brennkraftmaschine 10 die Gesamtansteuerungsenergie nicht
mehr aufwenden kann, werden die piezoelektrischen Stellglieder 58 erfindungsgemäß nicht
mehr konventionell angesteuert, sondern es wird, wie aus 1 ersichtlich, zunächst in
den Abfrageschritt 140 verzweigt.
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Unabhängig von dem Ergebnis der noch
zu erläuternden
Abfrage 140 werden die piezoelektrischen Stellglieder 58 nach
der Abfrage 140 mit einem reduzierten Ansteuersignal angesteuert,
wodurch sich ein reduzierter Nadelhub und damit eine geringere Gesamtansteuerungsenergie
ergibt. Um trotzdem dieselbe Einspritzmenge wie bei der konventionellen
Ansteuerung mit maximalem Nadelhub, vc,l. Schritt 130, zu erhalten,
wird die Ansteuerzeit entsprechend verlängert.
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In Schritt 140 schließlich wird
von dem Steuergerät 34 der
Brennkraftmaschine 10 ein Statusflag abgefragt, das besagt,
auf welche Weise der Nadelhub der Einspritzventile 30a, 30b, 30c begrenzt
werden soll. Zum einen kann das Ansteuersignal in Schritt 142 auf
einen konstanten Maximalwert gesetzt werden. Andererseits ist es
bei dem Verfahren gemäß 1 auch möglich, den Maximalwert für das Ansteuersignal
im Schritt 144 in Abhängigkeit
von einer Kennlinie zu wählen,
die in einem Speicher des Steuergeräts 34 abgelegt ist.
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Der konstante Maximalwert und die
Kennlinie sind applizierbar, so dass Anpassungen der gespeicherten
Werte jederzeit möglich
sind.
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Analog zu Schritt 130 erfolgt auch
nach der Vorgabe des Ansteuersignals in einem der Schritte 142,
144 die Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume 32a, 32b, 32c der
Zylinder 33a, 33b, 33c gemäß Schritt
150.
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Aufgrund des geringeren Nadelhubs
bei der Ansteuerung der piezoelektrischen Stellglieder 58 gemäß einem
der Schritte 142, 144 ergibt sich bei gleicher Drehzahl im Vergleich
zur Ansteuerung der Stellglieder 58 mit maximalem Nadelhub
eine Reduzierung der von den Stellgliedern 58 aufgenommenen
Ansteuerleistung, so dass die von den Stellgliedern 58 abzuführende Wärmeenergie
ebenfalls verringert ist. Zusätzlich
verringert sich die Temperatur des Steuergeräts 34 entsprechend.
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Alternativ kann die Brennkraftmaschine 10 unter
Einsatz der erfindungsgemäßen Ansteuerung mit
reduziertem Nadelhub auch bei einer höheren Drehzahl betrieben werden,
ohne dass die vom DC/DC-Wandler aufzubringende Gesamtansteuerungsenergie
unzulässig
hohe Werte annimmt. In diesem Fall ergibt sich eine Leistungssteigerung
der Brennkraftmaschine 10.
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Die Ermittlung der im Schritt 120
für den
beschriebenen Vergleich erforderlichen tatsächlich von den Stellgliedern 58 aufgenommenen
Ansteuerleistung erfolgt im vorliegenden Fall durch eine Berechnung
aus den Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine 10, wie sie bereits beschrieben worden
ist.
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Alternativ hierzu ist es auch möglich, die
tatsächlich
von den Stellgliedern 58 aufgenommene Ansteuerleistung
messtechnisch zu erfassen, indem die auf das jeweilige piezoelektrische
Stellglied 58 fließende
Ladungsmenge und die entsprechende Ladezeit hierfür sowie
ggf. weitere Größen der
Brennkraftmaschine 10 erfasst werden.