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Stand der
Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Bestimmung der Ansteuerspannung eines piezoelektrischen Aktors
eines Einspritzventils nach der Gattung des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 100 32 022 A1 geht ein
Verfahren zur Bestimmung der Ansteuerspannung für einen piezoelektrischen Aktor
eines Einspritzventils hervor, bei dem vor dem nächsten Einspritzvorgang zunächst indirekt
der Druck in einem hydraulischen Koppler gemessen wird. Der Druck
wird dadurch gemessen, daß der
piezoelektrische Aktor mechanisch mit dem hydraulischen Koppler
gekoppelt ist, so daß der
Druck eine entsprechende Piezo-Spannung im Aktor induziert. Diese
induzierte Spannung wird vor dem nächsten Einspritzvorgang zur
Korrektur der Ansteuerspannung u.a. für den Aktor verwendet. Eine zu
geringe induzierte Spannung wird als Fehler für die Erkennung eines Einspritzaussetzers
gewertet. Das Einspritzventil wird vorzugsweise zur Kraftstoffeinspritzung
für einen
Benzin- oder Dieselmotor, insbesondere für Common-Rail-Systeme, verwendet. Der
Druck in dem hydraulischen Koppler hängt dabei u.a, auch vom Raildruck
ab, so daß bei
diesem Verfahren die Ansteuerspannung in Abhängigkeit von dem Raildruck
variiert wird. Der Spannungsbedarf eines piezoelektrischen Aktors
hängt in
erster Linie vom Druck im Ventilraum sowie von der Längenausdehnung
des piezoelektrischen Aktors ab. Wie vorstehend erwähnt, ist
der Druck zum einen abhängig vom
Druck, mit dem die ein zuspritzende Flüssigkeitsmenge, beispielsweise
der Kraftstoff, beaufschlagt wird, zum anderen von der Bewegung
der Düsennadel
des Ventils. Bewegt sich die Düsennadel
in dem Ventil, beispielsweise in einem Common-Rail-Injektor, so
ist der Druck im Ventilraum höher,
was eine höhere
Ansteuerspannung erfordert.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die
Ansteuerspannung bei unterschiedlichen Betriebspunkten des Einspritzventils
und/oder einer Brennkraftmaschine, in der es zum Einsatz kommt,
weitestgehend zu reduzieren und damit nicht nur den Energieaufwand
zu reduzieren, sondern auch zu ermöglichen, daß die Zahl von innerhalb eines
vorgegebenen Zeitintervalls aufeinanderfolgenden Einspritzungen
erhöht
werden kann.
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Vorteile der
Erfindung
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Dieses Problem wird durch ein Verfahren
zur Bestimmung der Ansteuerspannung eines piezoelektrischen Aktors
eines Einspritzventils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wird neben der Variation der Ansteuerspannung des piezoelektrischen
Aktors in Abhängigkeit
von dem Druck, mit dem die Flüssigkeitsmenge
beaufschlagt ist, auch die Ansteuerspannung in Abhängigkeit
von der Ansteuerdauer des piezoelektrischen Aktors variiert. Durch
diese Variation ist es möglich,
die Ansteuerspannung immer auf den kleinstmöglichen Wert einzustellen,
der zu einer ordnungsgemäßen Funktion
des Einspritzventils gerade noch erforderlich ist.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen
Verfahrens möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, daß die Variation der Ansteuerspannung
angepaßt
auf unterschiedliche Betriebspunkte der Brennkraftmaschine erfolgt.
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So wird die Ansteuerspannung beispielsweise
bei hohen Drücken
und langen Ansteuerdauern, was im Vollastbetrieb eines Fahrzeugs
der Fall ist, verkleinert. Hierdurch sinkt der elektrische Energiebedarf
und es wird die Lebensdauer der elektrischen Endstufe zur Ansteuerung
der Piezo-Aktoren verlängert.
Darüber
hinaus kann auch in einem vorgegebenen Zeitintervall die Anzahl
der Einspritzungen vergrößert werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung, die bei einem Common-Rail-Einspritzventil mit Düsennadel
zum Einsatz kommt, wird die Ansteuerspannung sowohl im nichtballistischen
Bereich als auch im ballistischen Bereich in Abhängigkeit von dem Druck, mit
dem die einzuspritzende Flüssigkeitsmenge
beaufschlagt ist, variiert. In diesem Falle unterscheidet sich lediglich
der Gradient, das heißt
die Steigerung der Spannung über
dem Raildruck sowie der Offset der Ansteuerspannung im ballistischen
Bereich und im nichtballistischen Bereich.
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Vorteilhafterweise sind die Abhängigkeit
der Ansteuerspannung von dem Druck, mit dem die einzuspritzende
Flüssigkeitsmenge
beaufschlagt ist, und die Abhängigkeit
der Ansteuerspannung von der Ansteuerdauer in wenigstens einem Kennfeld
gespeichert, welches einen schnellen Zugriff ermöglicht.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile und Merkmale der
Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der
zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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In der Zeichnung zeigen:
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1 den
schematischen Aufbau eines aus dem Stand der Technik bekannten Einspritzventils;
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2 schematisch
ein Schaubild der Ansteuerspannung über der Ansteuerdauer;
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3 ein
Schaubild einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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4 ein
Schaubild einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein aus dem Stand der Technik bekanntes
Einspritzventil 1 mit einer zentralen Bohrung. Im oberen
Teil ist ein Stellkolben 3 mit einem piezoelektrischen
Aktor 2 in die zentrale Bohrung eingebracht, wobei der
Stellkolben 3 mit dem Aktor 2 fest verbunden ist.
Der Stellkolben 3 schließt nach obenhin einen hydraulischen Koppler 4 ab,
während
nach unten eine Öffnung
mit einem Verbindungskanal zu einem ersten Sitz 6 vorgesehen
ist, in dem ein Kolben 5 mit einem Ventilschließglied 12 angeordnet
ist. Das Ventilschließglied 12 ist
als doppelt schließendes
Steuerventil ausgebildet. Es verschließt den ersten Sitz 6,
wenn der Aktor 2 in Ruhephase ist. Bei Betätigung des
Aktors 2, das heißt
beim Anlegen einer Ansteuerspannung Ua an den Klemmen +, –, betätigt der
Aktor 2 den Stellkolben 3 und drückt über den
hydraulischen Koppler 4 den Kolben 5 mit dem Verschließglied 12 in
Richtung auf einen zweiten Sitz 7. Unterhalb des zweiten
Sitzes ist in einem entsprechenden Kanal eine Düsennadel 11 angeordnet,
die den Auslauf in einem Hochdruckkanal (Common-Rail-Druck) 13 schließt oder öffnet, je
nachdem, welche Ansteuerspannung Ua anliegt. Der Hochdruck wird
durch das einzuspritzende Medium, beispielsweise Kraftstoff für einen
Verbrennungsmotor, über
einen Zulauf 9 zugeführt, über eine
Zulaufdrossel 8 und eine Ablaufdrossel 10 wird
die Zuflußmenge
des Mediums in Richtung auf die Düsennadel 11 und den
hydraulischen Koppler 4 gesteuert. Der hydraulische Koppler 4 hat
dabei die Aufgabe, einerseits den Hub des Kolbens 5 zu
verstärken
und andererseits das Steuerventil von der statischen Temperaturdehnung
des Aktors 2 zu entkoppeln. Die Wiederbefüllung des
Kopplers 4 ist hier nicht dargestellt.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise
dieses Einspritzventils näher
erläutert.
Bei jeder Ansteuerung des Aktors 2 wird der Stellkolben 3 in
Richtung des hydraulischen Kopplers 4 bewegt. Dabei bewegt sich
auch der Kolben 5 mit dem Verschließglied 12 in Richtung
auf den zweiten Sitz 7 zu. Über Leckspalte wird dabei ein
Teil des im hydraulischen Kopplers 4 befindlichen Mediums,
beispielsweise der Kraftstoff, herausgedrückt. Zwischen zwei Einspritzungen
muß daher
der hydraulische Koppler 4 wiederbefüllt werden, um seine Funktionssicherheit
zu erhalten.
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Über
den Zulaufkanal 9 herrscht ein hoher Druck, der beim Common-Rail-System
beispielsweise zwischen 200 und 2000 bar betragen kann. Dieser Druck
wirkt gegen die Düsennadel 11 und
hält sie
geschlossen, so daß kein
Kraftstoff austreten kann. Wird nun infolge der Ansteuerspannung
Ua der Aktor 2 betätigt
und damit das Verschlußglied 12 in
Richtung des zweiten Sitzes bewegt, baut sich der Druck im Hochdruckbereich
ab und die Düsennadel 11 gibt den
Einspritzkanal frei. Mit P1 ist der sogenannte Kopplerdruck
bezeichnet, wie er im hydraulischen Koppler 4 gemessen
wird. Im Koppler 4 stellt sich ohne Ansteuerung Ua ein
stationärer
Druck P1 ein, der beispielsweise 1/10 des
Drucks im Hochdruckteil ist. Nach dem Entladen des Aktors 2 ist
der Kopplerdruck P1 näherungsweise 0 und wird durch
Wiederbefüllung
wieder angehoben.
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Die Ansteuerspannung Ua wird nun
zum einen in Abhängigkeit
vom Kopplerdruck P
1 oder auch vom Common-Rail-Druck
in dem Hochdruckkanal
13 variiert. Die Ansteuerung erfolgt
beispielsweise auf eine in der
DE 100 32 022 A1 Spalte
3, Zeilen
10 bis Spalte
5,
Zeile
23 beschriebene Weise, welche hiermit in vorliegende
Anmeldung einbezogen wird. Grundidee der vorliegenden Erfindung
ist es, zusätzlich
zur Variation der Ansteuerspannung Ua in Abhängigkeit von dem Druck P
1 zusätzlich
eine Variation der Ansteuerspannung Ua in Abhängigkeit von der Ansteuerdauer
vorzunehmen. Wenn die Ansteuerspannung Ua zusätzlich zum Druck im hydraulischen
Koppler
4 bzw. zum Raildruck auch abhängig von der Ansteuerdauer
variiert werden kann, wie es schematisch in
2 dargestellt ist, ist es möglich, bei
hohen Raildrücken
und damit hohen Drücken
P
1 im hydraulischen Koppler
4 und
gleichzeitig langen Ansteuerdauern (diese Bedingungen herrschen
beispielsweise im Vollastbetrieb eines Fahrzeugs) die Ansteuerspannung
Ua zu reduzieren. Hierdurch sinkt der elektrische Energiebedarf,
was sich positiv auf die elektrische Endstufe sowie auf die Anzahl
der Einspritzungen in einem vorgegebenen Zeitintervall auswirkt.
Die Variation der Ansteuerspannung Ua in Abhängigkeit von der Ansteuerdauer
erfolgt dabei im nichtballistischen Bereich der Düse. In diesem
Bereich ist der Druck im Ventilraum annähernd konstant, wenn die Düsennadel
11 den
Hubanschlag erreicht hat.
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Ein Ausführungsbeispiel, dargestellt
in 3, sieht zwei Kennfelder
vor. Ein Kennfeld 31 dient der Variation der Ansteuerspannung
Ua im ballistischen Bereich und ein Kennfeld 32 enthält die Ansteuerspannung
Ua im nichtballistischen Bereich der Düsennadel
11. In beiden
Fällen
wird die Ansteuerspannung in Abhängigkeit
von dem Druck im hydraulischen Koppler 4 variiert. Beide
Kennfelder sind daher Ua-P1/Prail-Kennfelder,
das heißt
Kennfelder, bei denen in Abhängigkeit
von dem ermittelten Druck im hydraulischen Koppler 4 oder
dem ermittelten Rail-Druck Prail die Ansteuerspannung
Ua dem jeweiligen Kennfeld entnommen wird. Die in den beiden Kennfeldern 31 für den ballistischen
Bereich und 32 für
den nichtballistischen Bereich abgelegten Spannungen über dem
Druck unterscheiden sich in bezug auf den Gradient der Spannung
sowie deren Offset. Mittels eines Schalters 33 ist eine
Umschaltung zwischen dem ballistischen Bereich, in dem Kennfeld 31 verwendet
wird, und dem nichtballistischen Bereich, in dem Kennfeld 32 zur
Anwendung kommt, vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform ist vorteilhaft,
daß nur
ein geringer Bedatungsaufwand erforderlich ist.
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Bei einer anderen, in 4 dargestellten Ausgestaltung
des Verfahrens ist ein Kennfeld 41 vorgesehen, welches
in Abhängigkeit
von einem erfaßten
Druck im Hydraulikkoppler P1 oder einem
erfaßten
Raildruck Prail die Ansteuerspannung Ua
entnommen werden kann. Hierzu ist in dem (dreidimensionalen) Kennfeld 41 die
Ansteuerspannung Ua in Abhängigkeit
von dem Raildruck sowie der Ansteuerdauer gespeichert, was in 4 schematisch in Form eine
Matrix dargestellt ist.
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Der Vorteil vorbeschriebenen Verfahrens liegt
darin, daß die
Ansteuerspannung nicht nur auf den Raildruck oder auf den im hydraulischen
Koppler herrschenden Druck P1 angepaßt werden kann, sondern auch
auf die Ansteuerdauer. Da die Ansteuerspannung Ua proportional zur
eingespritzten Kraftstoffmenge ist, wird auf diese Weise eine hohe
Anpaßbarkeit
des Einspritzvorgangs an verschiedene Betriebspunkte der Brennkraftmaschine
und/oder Betriebspunkte des Einspritzventils erreicht und damit
nicht nur den Energiebedarf des Einspritzventils verringert, sondern
insbesondere auch optimale Einspritzzeiten ermöglicht.