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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellglieds einer Vorrichtung, insbesondere eines Piezoaktors einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine, bei dem eine Temperatur des kapazitiven Stellglieds ermittelt und die ermittelte Temperatur bei der Bildung eines Ansteuersignals des kapazitiven Stellglieds berücksichtigt wird.
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Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium für ein Steuer- und/oder Regelgerät einer Brennkraftmaschine, ein Steuer- und/oder Regelgerät für eine Brennkraftmaschine, sowie eine Brennkraftmaschine.
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Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der
DE 199 58 406 A1 bekannt. Dieses Verfahren wird bei einem ein kapazitives Stellglied bildenden Piezoaktor angewendet, welcher einen parallel geschalteten ohmschen Widerstand aufweist. Zu bestimmten Zeitpunkten wird der Wert des ohmschen Widerstandes erfasst und ausgehend von dem Wert des Widerstands auf die Temperatur des Piezoaktors geschlossen.
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Vom Markt her ist ferner ein Temperaturmodell bekannt, welches bei Brennkraftmaschinen eingesetzt wird. Anhand dieses numerischen Temperaturmodells wird die Temperatur eines Piezoaktors, der in einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der Brennkraftmaschine eingesetzt ist, aus einer Zylinderkopftemperatur und zusätzlichen Temperaturanteilen ermittelt, die aus Zustandsgrößen der Brennkraftmaschine hergeleitet werden. Die Erfassung dynamischer Vorgänge ist jedoch mit einem solchen Temperaturmodell mitunter schwierig.
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Ferner ist bekannt, dass die aktuelle Ladung und die aktuelle Spannung eines Piezoaktors ermittelt werden können, und dass aus diesen Werten die aktuelle Kapazität des Piezoaktors berechnet werden kann. Mittels einer Kennlinie kann aus der ermittelten Kapazität die aktuelle Temperatur des Piezoaktors bestimmt werden. Allerdings variiert der Zusammenhang zwischen Kapazität und Temperatur eines Piezoaktors von einem Exemplar zum anderen, was die Ermittlung eines Absolutwerts der Temperatur des Piezoaktors erschwert, wenn man die spezifische Kennlinie des eingesetzten Exemplars nicht kennt.
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Die Kenntnis von der aktuellen Temperatur eines Piezoaktors ist jedoch für dessen korrekte Ansteuerung wichtig. Die Längenänderung (Hub) eines Piezoaktors variiert nämlich bei gleicher Ladungsdifferenz abhängig von seiner Temperatur. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen, bei denen Piezoaktoren zur Betätigung der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen eingesetzt werden, ist eine möglichst exakte Einstellung eines gewünschten Hubes sehr wichtig. Entspricht der tatsächliche Hub nämlich nicht dem gewünschten Hub, wird entweder mehr oder weniger Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt als gewünscht, was das Emissionsverhalten, den Kraftstoffverbrauch, und die Laufruhe der Brennkraftmaschine verschlechtern kann.
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Die
DE 199 31 233 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellglieds, bei dem zunächst eine Ausgangstemperatur des Stellglieds bei einem Motorstart, nach einer genügend langen Betriebspause, anhand einer Sensortemperatur ermittelt wird.
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Die
DE 198 95 184 A1 zeigt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Temperatur eines piezoelektrischen Elements, wobei eine Kapazität des piezoelektrischen Elements bei einer gesuchten Temperatur ermittelt wird und anschließend basierend auf der ermittelten Kapazität und unter Berücksichtigung einer Temperaturabhängigkeit die gesuchte Temperatur des piezoelektrischen Elements bestimmt wird.
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Die
DE 197 23 932 C1 zeigt ein Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes mittels einer Ladespannung, wobei eine Stellgliedkapazität berechnet wird und diese zur Bestimmung der Stellgliedtemperatur herangezogen wird.
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Die
DE 196 52 807 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes, wobei eine Ladezeit für das Stellglied über eine Kurve, die eine Temperaturabhängigkeit berücksichtigt, ermittelt wird.
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Die
DE 196 52 801 C1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes, wobei aus einer Ladespannung ein temperaturabhängiger Kapazitätswert des Stellgliedes ermittelt wird und aus diesem Kapazitätswert und einer Ladespannung der dem Stellglied zugeführte Energiebetrag ermittelt wird.
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Die
DE 100 63 080 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Aktors, wobei eine Ladung für den Aktor in Abhängigkeit von der Temperatur des Aktors eingestellt wird, um temperaturbedingte Schwankungen eines Aktorhubs zu vermeiden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass der Piezoaktor mit möglichst hoher Präzision angesteuert werden kann, ohne dass Zusatzkosten durch zusätzliche Sensoren entstehen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art bei einer ersten Variante der Erfindung dadurch gelöst, dass es folgende Schritte umfasst:
- a. Speichern einer Ausgangstemperatur und einer Ausgangskapazität des kapazitiven Stellglieds;
- b. Ermitteln einer aktuellen Kapazität des kapazitiven Stellglieds;
- c. Bilden der Differenz zwischen der aktuellen Kapazität und der Ausgangskapazität;
- d. Ermitteln einer Temperaturänderung des kapazitiven Stellglieds aus der Differenz; und
- e. Addieren der Temperaturänderung zu der Ausgangstemperatur.
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Bei einer anderen Variante der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- a. Erfassen einer Ausgangstemperatur und einer Ausgangskapazität des kapazitiven Stellglieds;
- b. Ermitteln einer Kennlinie, welche die Temperatur des kapazitiven Stellglieds mit seiner Kapazität verknüpft, aus der erfassten Ausgangstemperatur und der erfassten Ausgangskapazität;
- c. Bestimmen der aktuellen Temperatur des kapazitiven Stellglieds anhand der ermittelten Kennlinie;
- d. wobei in gewissen Zeitabständen die Kapazität des Piezoaktors bei mindestens zwei Temperaturen ermittelt und hieraus die aktuelle Kennlinie bestimmt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass zwar der Zusammenhang zwischen der Temperatur des kapazitiven Elements und seiner Kapazität von einem Exemplar des kapazitiven Elements zu einem anderen deutlich variieren kann, dass jedoch die Steigung der Kennlinie, welche die Kapazität des kapazitiven Elements mit seiner Temperatur verknüpft, von einem Exemplar eines kapazitiven Elements zu einem anderen nur sehr geringen Streuungen unterworfen ist. Aus einer Änderung der Kapazität des kapazitiven Elements kann also mit guter Präzision auf eine entsprechende Änderung der Temperatur des kapazitiven Elements geschlossen werden. Ferner wurde erkannt, dass es bei den Vorrichtungen, in denen Piezoaktoren eingebaut sind, immer wieder Betriebszustände gibt, welche eine vergleichsweise genaue Bestimmung der aktuellen Temperatur des Piezoaktors mit herkömmlichen Mitteln gestatten.
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Derartige Betriebszustände werden erfindungsgemäß dazu genutzt, eine Ausgangstemperatur des kapazitiven Elements zu ermitteln. Neben der Ausgangstemperatur wird in einem solchen Betriebszustand eine Ausgangskapazität des kapazitiven Elements ermittelt. Beide Werte bilden die Basis für auf diese aufbauende Verfahrensschritte. Ändert sich der Betriebszustand der Vorrichtung, in die das kapazitive Element eingebaut ist, kann dies nun dazu führen, dass die Temperatur des kapazitiven Elements mittels herkömmlicher Methoden nicht mehr zuverlässig bestimmt werden kann. Daher wird nun anhand der Kennlinie, welche die aktuelle Temperatur des kapazitiven Elements mit seiner Kapazität verknüpft, aus einer Kapazitätsänderung eine entsprechende Temperaturänderung bestimmt, denn die Steigung dieser Kennlinie ist im Wesentlichen temperaturunabhängig, das Ergebnis ist also auch bei unterschiedlichen Betriebszuständen genau. Wird die relativ genau bestimmte Temperaturdifferenz zu der ebenfalls relativ genau bestimmten Ausgangstemperatur addiert, erhält man mit hoher Genauigkeit die tatsächliche aktuelle Temperatur des kapazitiven Elements.
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Alternativ werden die in dem Ausgangszustand erfasste Ausgangstemperatur und die Ausgangskapazität dazu benutzt, die Geradengleichung der Temperatur-Kapazität-Kennlinie des Piezoaktors, deren Steigung ja zunächst bekannt ist, quasi zu ”eichen”. Man erhält die Geradenparameter und kann anhand der Kennlinie später direkt aus der ermittelten Kapazität die entsprechende Temperatur des kapazitiven Stellglieds ermitteln. Indem in gewissen Zeitabständen die Kapazität des Piezoaktors bei mindestens zwei Temperaturen ermittelt und hieraus die aktuelle Kennlinie bestimmt wird, wird die Genauigkeit des Verfahrens weiter verbessert, da auch die Steigung geeicht wird.
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Mit den erfindungsgemäßen Verfahren kann die aktuelle Temperatur des kapazitiven Elements mit hoher Genauigkeit ermittelt werden, ohne dass zusätzliche Komponenten vorgesehen werden müssen. Wenn die aktuelle Temperatur des kapazitiven Elements exakt vorliegt, kann das kapazitive Element mit hoher Präzision angesteuert werden, was bei einer Brennkraftmaschine wiederum zu einem guten Emissions- und Verbrauchsverhalten führt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Zunächst wird bei dem erstgenannten Verfahren vorgeschlagen, dass das Verfahren zusätzlich folgende Schritte umfasst:
- f. Ermitteln einer neuen aktuellen Kapazität des kapazitiven Elements;
- g. Bilden der Differenz zwischen der neuen aktuellen Kapazität und der zuletzt gebildeten aktuellen Kapazität;
- h. Ermitteln einer Temperaturänderung des kapazitiven Elements aus der im Schritt g gebildeten Differenz;
- i. Addieren der Temperaturänderung zu der zuletzt gebildeten Temperatur des kapazitiven Elements; und
- j. Rücksprung zu Schritt f.
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Bei dieser vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die aktuelle Temperatur des kapazitiven Elements immer wieder bestimmt, so dass eine präzise Ansteuerung des kapazitiven Elements auch während eines längeren Zeitraums im Betrieb gewährleistet ist.
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In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass der Rücksprung zu Schritt f nach einem bestimmten Zeitintervall oder abhängig von sonstigen Betriebsparametern erfolgt. Die erste Alternative ist besonders einfach zu programmieren, wohingegen die zweite Alternative Rechenzeit spart.
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Für das zweitgenannte Verfahren wird vorgeschlagen, dass die Schritte a und b nur nach einer bestimmten Mindestabstellzeit der Brennkraftmaschine durchgeführt werden. Ansonsten wird die zuletzt abgespeicherte Kennlinie verwendet. Dauerlaufeffekte, welche die tatsächliche Kennlinie verändern, spielen nur über einen längeren Zeitraum eine Rolle. Wird die Kennlinie jedes Mal nach einer längeren Abstellphase bestimmt, werden diese Dauerlaufeffekte noch ausreichend genau berücksichtigt. Nach längeren Abstellzeiträumen ist jedoch die Temperatur des kapazitiven Stellglieds mit hoher Genauigkeit bekannt, da dann im Grunde alle Komponenten der Brennkraftmaschine die gleiche Temperatur aufweisen. Bei diesem Verfahren kann daher sogar auf die Hinterlegung eines mehr oder weniger komplexen Temperaturmodells zur Bestimmung der Temperatur des kapazitiven Stellglieds vollständig verzichtet werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ausgangstemperatur des kapazitiven Elements in einem Gleichgewichtszustand der Vorrichtung ermittelt wird. In einem solchen Gleichgewichtszustand haben viele Komponenten der Vorrichtung die gleiche Temperatur, so dass ohnehin vorhandene Temperatursensoren, welche an anderen Stellen der Vorrichtung zur Ermittlung der dortigen Temperatur ohnehin vorhanden sind, zur genauen Bestimmung der Ausgangstemperatur des kapazitiven Elements genutzt werden können.
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In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass bei einer Brennkraftmaschine die Ausgangstemperatur unmittelbar nach einem Start der Brennkraftmaschine, der nach einer bestimmten Mindestabstellzeit durchgeführt wird, ermittelt wird. Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich gleichermaßen für einen Kaltstart als auch für einen Heißstart- der Brennkraftmaschine, wenn diese während eines bestimmten Zeitraums nicht im Betrieb war. Aufgrund der Wärmeleitung innerhalb der Brennkraftmaschine kann davon ausgegangen werden, dass nach einem derartigen Zeitraum ein an einer anderen Stelle ohnehin vorhandener Temperatursensor eine Temperatur erfasst, welche in guter Näherung der Temperatur des kapazitiven Elements entspricht.
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Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Ausgangstemperatur des kapazitiven Elements auf der Basis eines Temperaturmodells ermittelt wird. Ein solches Temperaturmodell kann spezifische Einflüsse der Wärmeleitung berücksichtigen, die zwischen jenem Ort, an dem die Temperatur erfasst wird, und jenem Ort, an dem der Piezoaktor eingebaut ist, vorhanden ist. Die Bestimmung der Ausgangstemperatur wird hierdurch nochmals verbessert.
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Besonders günstig für die Bestimmung der Ausgangstemperatur ist die Verwendung einer Zylinderkopftemperatur, einer Kühlwassertemperatur, einer Öltemperatur, einer Ansauglufttemperatur, einer Drehzahl einer Kurbelwelle, und/oder einer Geschwindigkeit eines Transportgeräts, in welches die Brennkraftmaschine eingebaut ist. Diese Parameter werden bei üblichen Brennkraftmaschinen und/oder Transportgeräten, beispielsweise Kraftfahrzeugen, ohnehin erfasst und ermöglichen so eine einfache und doch präzise Bestimmung der Ausgangstemperatur. Hierdurch wird die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens nochmals verbessert.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die anhand der Differenz der ermittelten Kapazitäten bestimmte Temperatur des kapazitiven Elements mit einer anhand eines Temperaturmodells bestimmten Temperatur des kapazitiven Elements verglichen und hiervon abhängig Parameter des Temperaturmodells angepasst werden. Diese Adaption des Parameter des Temperaturmodells auf der Basis der anhand der ermittelten Kapazitäten exakt bestimmten Temperaturen kann zum einen die Präzision bei der Bestimmung der Ausgangstemperatur erhöhen. In jenem Fall, in dem das erfindungsgemäße Verfahren nicht angewendet werden kann, da eine exakte Ausgangstemperatur nicht ermittelt werden konnte, macht es zum anderen die Schätzung der Temperatur des kapazitiven Elements anhand des Temperaturmodells genauer.
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Zeichnung
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Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, in die ein kapazitives Element eingebaut ist;
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2 ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Ansteuerung des kapazitiven Elements von 1;
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3 ein Diagramm, in dem Kennlinien verschiedener Exemplare von kapazitiven Elementen aufgetragen sind, welche eine Kapazität eines kapazitiven Elements mit einer Temperatur verknüpfen;
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4 ein Diagramm ähnlich 3, aus dem der Zusammenhang einer Änderung der Kapazität eines kapazitiven Elements mit einer entsprechenden Temperaturänderung hervorgeht;
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5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung der aktuellen Temperatur des Piezoaktors von 1; und
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6 ein Diagramm, in dem die Kennlinie eines kapazitiven Elements zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten aufgetragen ist.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie ist nur durch eine strichpunktierte Linie angedeutet. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Brennräume, von denen in 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 dargestellt ist. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 12 direkt über eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 14, deren Ventilelement (nicht dargestellt) mittels eines kapazitiven Elements 16 betätigt wird. Bei dem kapazitiven Element handelt es sich vorliegend um einen Piezoaktor. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 14 ist an eine Kraftstoff-Sammelleitung 18 (”Rail”) angeschlossen, in der der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert ist. Der Kraftstoff wird in die Kraftstoff-Sammelleitung 18 von einer Hochdruckpumpe 20 gepumpt, die aus einem Kraftstoffbehälter 22 fördert.
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Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einem Steuer- und Regelgerät 24 gesteuert beziehungsweise geregelt. Dieses erhält Signale von verschiedenen Sensoren, welche beispielsweise eine Zylinderkopftemperatur tmot, eine Ansauglufttemperatur tans, eine Drehzahl nmot einer Kurbelwelle (nicht dargestellt), sowie eine Geschwindigkeit vfzg eines Kraftfahrzeugs, in welches die Brennkraftmaschine 10 eingebaut ist, erfassen. Auch ein Signal wped, welches einer Stellung eines Fahrpedals 26 entspricht, wird dem Steuer- und Regelgerät 24 zugeleitet.
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Abhängig von den Eingangssignalen steuert das Steuer- und Regelgerät 24 den Piezoaktor 16 an. Hierzu wird an den Piezoaktor 16 eine Spannung U angelegt. Diese bewirkt eine Änderung der Ladung Q des Piezoaktors 16, was wiederum eine Längenänderung des Piezoaktors 16 zur Folge hat. Die aktuelle Ladung Q und die am Piezoaktor 16 anliegende Spannung U werden vom Steuer- und Regelgerät 24 erfasst.
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Damit die Brennkraftmaschine 10 im Betrieb möglichst wenig Kraftstoff verbraucht und ein günstiges Emissionsverhalten zeigt, muss der Kraftstoff von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 14 in den Brennraum 12 mit hoher Präzision eingebracht werden. Dies setzt wiederum eine präzise Ansteuerung des Piezoaktors 16 voraus. Das Betriebsverhalten des Piezoaktors 16 ist jedoch von seiner Temperatur abhängig. Für eine präzise Ansteuerung des Piezoaktors 16 ist daher die Kenntnis seiner aktuellen Temperatur wichtig. Wie aus 2 hergeht, sind bei der Brennkraftmaschine 10 für die Bestimmung der Temperatur des Piezoaktors 16 zwei unterschiedliche Verfahren vorgesehen:
Bei dem einen Verfahren, welches in 2 insgesamt durch einen Verarbeitungsblock 28 dargestellt ist, wird eine aktuelle Temperatur tactM anhand eines komplexen Temperaturmodells abgeschätzt. In dieses Temperaturmodell fließen aktuelle Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 10 ein, wie beispielsweise die Zylinderkopftemperatur tmot, die Ansauglufttemperatur tans, die Drehzahl nmot der Kurbelwelle, und die Fahrzeuggeschwindigkeit vfzg. Ein solches Temperaturmodell 30 kann Einflussparameter umfassen, welche die unterschiedlichen Anteile des Wärmeaustausches zwischen dem Piezoaktor 16 und den Messstellen, an denen die Ansauglufttemperatur tans und die Zylinderkopftemperatur tmot erfasst werden, berücksichtigen.
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Da insbesondere das zeitliche Verhalten bei der Wärmeleitung jedoch nur schwer modelliert werden kann, ist die anhand eines solchen Temperaturmodells 28 abgeschätzte Temperatur tactM des Piezoaktors 16 vor allem beim Vorliegen einer hohen Temperaturdynamik ungenau. Daher kann unter bestimmten Voraussetzungen die Temperatur des Piezoaktors 16 bei dem in 2 gezeigten Verfahren auch noch auf eine andere Art und Weise ermittelt werden.
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Bei diesem wird zunächst in einem definierten Ausgangszustand, in dem davon ausgegangen werden kann, dass die Temperatur des Piezoaktors 16 der Zylinderkopftemperatur tmot entspricht, diese Temperatur erfasst und abgespeichert (Block 30). Sie wird in 2 als Ausgangstemperatur tact0 bezeichnet. Ein solcher Zustand, in dem die Zylinderkopftemperatur tmot der Temperatur des Piezoaktors 16 entspricht, ist beispielsweise dann gegeben, wenn die Brennkraftmaschine über einen sehr langen Zeitraum abgestellt war und daher im Wesentlichen vollständig abgekühlt ist. In einem solchen Gleichgewichtszustand kann man nämlich davon ausgehen, dass der Piezoaktor 16 und der Zylinderkopf (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 10 etwa die gleiche Temperatur aufweisen. Das Gleiche gilt für jenen Fall, in dem die Brennkraftmaschine 10 nach längerem Betrieb während eines vergleichsweise kurzen Zeitraums abgestellt war. Auch in diesem Fall kann davon ausgegangen werden, dass die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 14 mit dem Piezoaktor 16 in etwa die gleiche Temperatur wie der Zylinderkopf angenommen hat, in dessen unmittelbarer Nähe sie ja eingebaut ist.
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Liegt ein solcher Gleichgewichtszustand vor, wird nicht nur die Ausgangstemperatur tact0 abgespeichert, sondern es werden auch die am Piezoaktor 16 anliegende Spannung U und die Ladung Q des Piezoaktors 16 erfasst. Hieraus wird in einem Verarbeitungsblock 32 eine Ausgangskapazität Cact0 des Piezoaktors 16 bestimmt. Nach einem bestimmten Zeitraum wird die aktuelle Ladung Q und die aktuell am Piezoaktor 16 anliegende Spannung U nochmals erfasst und hieraus eine aktuelle Kapazität Cact1 des Piezoaktors 16 ermittelt. In einem Block 34 wird hieraus eine Differenz dCact gebildet. Die Bedeutung der Änderung dCact der Kapazität Cact des Piezoaktors 16 wird nun unter Bezugnahme auf die 3 und 4 im Detail erläutert:
Grundsätzlich besitzt jedes Exemplar eines Piezoaktors eine Kennlinie, welche seine aktuelle Kapazität Cact mit seiner aktuellen Temperatur tact verknüpft. Diese Kennlinien sind jedoch von einem Exemplar eines Piezoaktors zu einem anderen unterschiedlich. In 3 sind drei solcher Kennlinien für drei Exemplare A, B, und C eines Piezoaktors 16 aufgetragen. Man erkennt, dass bei gleicher Kapazität Cact die unterschiedlichen Kennlinien zu unterschiedlichen Temperaturwerten tact_A, tact_B, und tact_C führen.
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Aus 3 ist jedoch auch ersichtlich, dass die Steigungen der Kennlinien der unterschiedlichen Exemplare A, B, und C im Wesentlichen gleich sind. Wie aus 4 hervorgeht, führt daher eine Änderung dCact der Kapazität Cact unabhängig davon, welche Kennlinie verwendet wird, zu einer bestimmten und von einem Exemplar eines Piezoaktors zum anderen im Wesentlichen gleichen Temperaturänderung dtact.
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Dieser Sachverhalt wird bei dem in 2 gezeigten Verfahren ausgenutzt, indem dort in Block 36 nur die Kennliniensteigung abgelegt ist und aus der Differenz dCact eine entsprechende Temperaturdifferenz dtact gebildet wird. Diese wird im Block 38 zu der abgespeicherten Ausgangstemperatur tact0 hinzuaddiert, was im Ergebnis zu einer aktuellen Temperatur tactC des Piezoaktors 16 führt.
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Wenn im Block 30 eine Ausgangstemperatur tact0 abgespeichert werden konnte, wird ein Zustandsbit B_cond gesetzt. Dieses Bit wirkt auf einen Schalter 40. Ist das Bit B_cond gesetzt, wird die auf der Erfassung der Kapazität Cact des Piezoaktors 16 basierende aktuelle Temperatur tactC des Piezoaktors 16 in einen Verarbeitungsblock 42 eingespeist. Andernfalls wird die im Block 28 anhand des Temperaturmodells abgeschätzte Temperatur tactM dem Verarbeitungsblock 42 zugeführt. Im Verarbeitungsblock 42 werden eine Ansteuerspannung U (bzw. eine Sollladung Q) und ein Gradient dU/dt für die Ansteuerung des Piezoaktors 16 ermittelt, und zwar auf der Basis der ermittelten aktuellen Temperatur tact des Piezoaktors 16 und – im vorliegenden Ausführungsbeispiel – weiterer Randbedingungen.
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Wenn beim Start der Brennkraftmaschine 10 ein Gleichgewichtszustand vorlag, der die Bestimmung einer genauen Ausgangstemperatur tact0 möglich machte, wird das Verfahren zur Ermittlung der aktuellen Temperatur tact während des nachfolgenden Betriebs der Brennkraftmaschine 10 immer wieder durchgeführt. Die Zeitabstände zwischen den einzelnen Durchführungszyklen können dabei fest sein oder von der aktuellen Dynamik des Betriebs der Brennkraftmaschine 10 abhängen. Bei eher stationären Betriebsbedingungen sind die Zeitabstände größer als bei hochdynamischen Betriebsbedingungen. Die zyklische Wiederholung der Ermittlung der Temperatur tact erfolgt durch einen Rücksprung 41 vom Block 38 zum Block 30 bzw. zum Block 32. Es wird dann eine aktuelle Kapazität Cactx ermittelt, die Differenz mit der zuletzt ermittelten Kapazität gebildet und die hieraus bestimmte Temperaturdifferenz zu der zuletzt bestimmten Temperatur tactx addiert.
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Die auf der Basis der ermittelten Kapazitäten bestimmten Temperatur tactC wird auch in einen Block 43 eingespeist, dem auch die mittels des Temperaturmodells 28 ermittelte Temperatur tactM zugeführt wird. In dem Block 43 werden die Einflussparameter des Temperaturmodells 28 entsprechend der ermittelten Temperatur tactC adaptiert und so die Schätzgenauigkeit des Modells 28 verbessert.
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In 5 ist die in 2 gezeigte Vorgehensweise nochmals als Flussdiagramm dargestellt. Das abgebildete Verfahren ist als Computerprogramm auf einem Speicher 68 des Steuer- und Regelgeräts 24 abgespeichert:
Nach einem Startblock 44 wird in einem Block 46 geprüft, ob ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 vorliegt, in dem die Temperatur des Piezoaktors 16 genau bekannt ist. Ist die Antwort im Block 48 ”nein”, wird im Block 50 die aktuelle Temperatur des Piezoaktors 16 aus einer Temperatur der Brennkraftmaschine 10 und weiteren Zustandsgrößen ermittelt. Dies entspricht dem Verarbeitungsblock 28 von 2. Im Block 52 wird festgelegt, dass die aktuelle Temperatur des Piezoaktors 16 dieser geschätzten Modelltemperatur entspricht, und das Verfahren endet im Block 54.
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Ist die Antwort im Block 48 ”ja”, wird im Block 56 die aktuelle Temperatur der Brennkraftmaschine als Ausgangstemperatur gespeichert. Außerdem wird im Block 58 die Kapazität des Piezoaktors 16 erfasst und gespeichert. Nach einer definierten Wartezeit wird im Block 60 die Kapazität des Piezoaktors 16 erneut erfasst und im Block 62 die Differenz zwischen den beiden Kapazitätsmessungen berechnet. Hieraus wird nun im Block 64 die Temperaturdifferenz berechnet, die dem Kapazitätsunterschied entspricht, der im Block 62 berechnet worden war. Die Temperatur des Piezoaktors ergibt sich im Block 66 aus der Summe der im Block 56 abgespeicherten Ausgangstemperatur und dem im Block 64 berechneten Temperaturunterschied. Es erfolgt nun ein Rücksprung zum Block 60, so dass die aktuelle Temperatur des Piezoaktors 16 aufbauend auf der vorher bestimmten Temperatur immer wieder neu berechnet wird.
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Eine alternative Variante zur Bestimmung der aktuellen Temperatur tact des Piezoaktors 16 besteht darin, die Geradenparameter der aktuellen Kennlinie zu ermitteln, welche die Kapazität Cact des Piezoaktors 16 mit dessen Temperatur tact verknüpft, und dann im Betrieb der Brennkraftmaschine die aktuelle Temperatur tact einfach aus der Kennlinie zu ermitteln, indem in diese die aktuelle Kapazität Cact eingespeist wird. Da die Steigung der Kennlinie von vornherein bekannt ist, genügt es, in einer Betriebssituation, in der die Temperatur tact0 des Piezoaktors 16 genau bekannt ist, beispielsweise nach einem längeren Abstellen der Brennkraftmaschine 10, die dazugehörige Kapazität Cact0 des Piezoaktors 16 zu erfassen (siehe 4). Anhand dieses Wertepaars tact0, Cact0 und unter Berücksichtigung der ohnehin bekannten Steigung der Kennlinie kann diese dann eindeutig definiert werden.
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Diese Definition der Kennlinie wird in relativ großen Zeitabständen wiederholt – eben dann, wenn die Temperatur des Piezoaktors 16 sehr genau bekannt ist. Hierdurch werden langfristige Veränderungen der Kennlinie berücksichtigt. Dabei kann dann auf ein Temperaturmodell zur Bestimmung der Temperatur des Piezoaktors ggf. sogar ganz verzichtet werden.
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Mit dem letztgenannten Verfahren kann auch eine eventuell vorhandene Steigungsänderung der Kennlinie des Piezoaktors 16 über der Lebensdauer der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 14 adaptiert werden. Hierzu wird in gewissen Zeitabständen die Kapazität Cact des Piezoaktors 16 an jeweils mindestens zwei Temperaturstützstellen tact_a und tact_b bestimmt (vgl. 6). Eine ”junge” Kennlinie trägt dabei das Bezugszeichen 68, eine ”alte” Kennlinie das Bezugszeichen 70.