DE102004002767A1

DE102004002767A1 - Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102004002767A1
Application number: DE102004002767A
Authority: DE
Inventors: Thomas Becker; Rainer Jaudas; Joerg Nagel; Ulrich Blankenhorn; Andreas-Juergen Rohatschek; Udo Schulz; Stefan Polach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2004-01-20
Publication date: 2005-08-18

Abstract

Ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor mit zumindest zwei Zylindern, wobei die Kraftstoffeinspritzanlage zumindest zwei piezoelektrische Elemente aufweist und die jedem Zylinder zumindest je ein piezoelektrisches Element zur Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder durch Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elementes zugeordnet ist und wobei den piezoelektrischen Elementen eine Versorgungseinheit zum Laden oder Entladen der piezoelektrischen Elemente zugeordnet ist, wobei überwacht wird, ob eine Überschneidung eines Zeitintervalls, in dem ein piezoelektrisches Element ge- oder entladen wird, mit einem Zeitintervall, in dem das andere piezoelektrische Element ge- oder entladen werden soll, auftritt und eine Einspritzung gleicher oder unterschiedlicher Priorität in Abhängigkeit von Lade- und Entladeflanken der piezoelektrischen Elemente bei einer Einspritzung nach früh und/oder nach spät verschoben und/oder gelöscht werden, derart, daß ein piezoelektrisches Element nicht geladen wird, wenn das andere piezoelektrische Element ge- oder entladen werden soll, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Auswirkungen der durch die Verschiebung der Lade-/Entladeflanken eingespritzten Mindermenge auf den Verbrennungsvorgang durch Verschiebung der Lade-/Entladeflanken bei einer oder mehreren der darauffolgenden Einspritzung kompensiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor mit zumindest zwei Zylindern und eine solche Kraftstoffeinspritzanlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 9.

Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffeinspritzanlage und eine gattungsgemäße Kraftstoffeinspritzanlage sind beispielsweise aus der DE 100 33 343 A1 bekannt.

Diese Einspritzanlagen kommen z.B. bei Dieselfahrzeugen mit Common-Rail-Technik zum Einsatz. Ein bekanntes Anwendungsgebiet sind dabei Verbrennungsmotoren mit einem sogenannten eingeschränkten Zwei-Bank-Betrieb. Hierbei können zwei Piezoaktoren auf verschiedenen Bänken gleichzeitig geladen sein, aber nicht gleichzeitig geladen oder entladen werden. Derartige Kollisionen werden durch das sogenannten Flankenmanagement, wie es beispielsweise aus der DE 100 33 343 A1 hervorgeht, vermieden.

Problematisch ist nun, daß sich bei Verschiebungen von Lade- und Entladeflanken derart, daß niederpriore Einspritzungen auf spät verschoben und/oder verkürzt werden, negative Auswirkungen dieses Konfliktmanagements auf das Verbrennungsgeräusch, das Drehmoment, die Zusammensetzung des Abgases und dergleichen ergeben können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Auswirkungen der Verkürzung und/oder Verschiebung von Einspritzungen bei Kollisionen von Lade- oder Entladeevents durch das Konfliktmanagement zu kompensieren.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor sowie bei einer Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst.

Durch die Erfassung einer Mindermenge der Einspritzung aufgrund einer Ansteuerdauerverkürzung und/oder einer Verschiebung des Ansteuerbeginns und der Kompensation der Auswirkungen dieser Mindermenge durch Verschiebung der Lade-/Entladeflanken bei einer oder mehreren der darauffolgenden Einspritzungen wird die Abgaszusammensetzung, das Geräusch sowie das Drehmoment des Verbrennungsmotors erheblich verbessert.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt dabei die Kompensation dahingehend, daß die Lade-/Entladeflanken bei einer oder mehreren der darauffolgenden Einspritzungen so verschoben werden, daß eine vorgebbare Gesamtmenge der Einspritzung beibehalten wird.

Die Verschiebung der Lade-/Entladeflanken kann rein prinzipiell bei beliebigen Zylindern des Verbrennungsmotors erfolgen. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht jedoch die Verschiebung der Lade-/Entladeflanken bei einer oder mehreren darauffolgenden Einspritzungen am gleichen Zylinder vor. Dies ist insbesondere hinsichtlich des Steuerungsaufwands besonders vorteilhaft.

Die Mindermenge kann rein prinzipiell auf unterschiedliche Art und Weise, beispielsweise in einer Recheneinrichtung, berechnet werden. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, die Mindermenge einem Kennfeld, insbesondere durch Interpolation der Kennlinien, zu entnehmen. Aufgrund dieser sogenannten inversen Kennfeld- und Kennlinieninterpolation kann aufgrund des Einspritzbeginns/der Einspritzdauer auf eine Einspritzmenge geschlossen werden.

Die Kompensation der Auswirkungen der Mindermenge bei einer vorhergehenden Einspritzung wird bei einer oder mehreren darauffolgenden Einspritzungen im einfachsten Falle durch Verschiebung der Lade-/Entladeflanken derart, daß eine Ansteuerverlängerung bei darauffolgenden Einspritzungen erfolgt, vorgenommen.

Darüber hinaus kann zur Kompensation der Lage des Verbrennungsschwerpunktes eine Verschiebung des Ansteuerbeginns der Haupteinspritzung nach früh vorgenommen werden.

Zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Beitrags zum Drehmoment eines Zylinders des Verbrennungsmotors kann darüber hinaus eine Verlängerung der Ansteuerdauer der Haupteinspritzung vorgenommen werden.

Zeichnung
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele eingehender erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Verschaltung piezoelektrischer Elemente;
2A das aus dem Stand der Technik bekannte Laden eines piezoelektrischen Elementes;
2B das aus dem Stand der Technik bekannte Laden eines piezoelektrischen Elementes;
2C das aus dem Stand der Technik bekannte Entladen eines piezoelektrischen Elementes;
2D das aus dem Stand der Technik bekannte Entladen eines piezoelektrischen Elementes;
3 einen aus dem Stand der Technik bekannten Ansteurungs-IC;
4 schematisch ein Ablaufdiagramm eines von der Erfindung Gebrauch machenden Verfahrens zur Momentenkompensation und
5 schematisch ein Ablaufdiagramm eines von der Erfindung Gebrauch machenden Verfahrens zur Mengenkompensation.
1 zeigt piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 sowie Mittel zu ihrer Ansteuerung. Dabei bezeichnet A einen Bereich in detaillierter Darstellung sowie B einen Bereich in undetaillierter Darstellung, deren Trennung mit einer gestrichelten Linie c angedeutet ist. Der detailliert dargestellte Bereich A umfaßt eine Schaltung zum Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60. In dem betrachteten Beispiel handelt es sich bei den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 um Aktoren in Kraftstoffeinspritzventilen (insbesondere in sogenannten "Common Rail Injektoren") eines Verbrennungsmotors. In der beschriebenen Ausführungsform werden zur unabhängigen Steuerung von sechs Zylindern innerhalb eines Verbrennungsmotors sechs piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 verwendet; für beliebige andere Zwecke könnte jedoch eine beliebe andere Anzahl piezoelektrischer Elemente geeignet sein.
Der undetailliert dargestellte Bereich B umfaßt eine Einspritzregelung F mit einem Steuergerät D und einen Ansteuerungs-IC E, die der Steuerung der Elemente innerhalb des detailliert dargestellten Bereichs A dient. Dem Ansteuerungs-IC E werden verschiedene Meßwerte von Spannungen und Strömen aus der gesamten restlichen Ansteuerschaltung des piezoelektrischen Elements zugeführt. Erfindungsgemäß sind der Steuerrechner D und der Ansteuerungs-IC E zur Regelung der Ansteuerspannungen sowie der Ansteuerzeiten für das piezoelektrischen Element ausgebildet. Der Steuerrechner D und/oder der Ansteuerungs-IC E sind ebenfalls zur Überwachung verschiedener Spannungen und Ströme der gesamten Ansteuerschaltung des piezoelektrischen Elements ausgebildet.
In der nachfolgenden Beschreibung werden zunächst die einzelnen Elemente innerhalb des detailliert dargestellten Bereichs A eingeführt. Es folgt eine allgemeine Beschreibung der Vorgänge des Ladens und Entladens der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60. Schließlich wird detailliert beschrieben, wie beide Vorgänge durch den Steuerrechner D und den Ansteuerungs-IC E gesteuert und überwacht werden.
Die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 sind in eine erste Gruppe G1 und eine zweite Gruppe G2 aufgeteilt, die jeweils drei piezoelektrische Elemente umfassen (d.h., piezoelektrische Elemente 10, 20 und 30 in der ersten Gruppe G1 bzw. piezoelektrische Elemente 40, 50 und 60 in der zweiten Gruppe G2). Die Gruppen G1 und G2 sind Bestandteile parallelgeschalteter Schaltungsteile. Mit den Gruppenwahlschaltern 310, 320 ist festlegbar, welche der Gruppen G1, G2 der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 jeweils mit Hilfe einer gemeinsamen Lade- und Entladeeinrichtung entladen werden (für Ladevorgänge sind die Gruppenwahlschalter 310, 320, wie nachstehend noch näher beschrieben, jedoch ohne Bedeutung). Die piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 der ersten Gruppe G1 sind auf einer Aktorbank und die piezoelektrischen Elemente 40, 50 und 60 in der zweiten Gruppe G2 sind auf einer weiteren Aktorbank angeordnet. Als Aktorbank wird dabei ein Block bezeichnet, in dem zwei oder mehr Aktorelemente, insbesondere piezoelektrische Elemente, fest abgeordnet, z.B. vergossen, sind.
Die Gruppenwahlschalter 310, 320 sind zwischen einer Spule 240 und den jeweiligen Gruppen G1 und G2 angeordnet (deren spulenseitigen Anschlüssen) und sind als Transistoren realisiert. Es sind Treiber 311, 321 implementiert, die von dem Ansteuerungs-IC E empfangene Steuersignale in Spannungen umformen, die nach Bedarf zum Schließen und Öffnen der Schalter wählbar sind.
Parallel zu den Gruppenwahlschaltern 310, 320 sind (als Gruppenwahldioden bezeichnete) Dioden 315 bzw. 325 vorgesehen. Wenn die Gruppenwahlschalter 310, 320 als MOS-FETs bzw. IGBTs ausgeführt sind, können beispielsweise diese Gruppenwahldioden 315 und 325 durch die parasitären Dioden selbst gebildet sein. Während Ladevorgängen werden die Gruppenwahlschalter 310, 320 von den Dioden 315, 325 überbrückt. Die Funktionalität der Gruppenwahlschalter 310, 320 reduziert sich daher auf die Auswahl einer Gruppe G1, G2 der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 lediglich für einen Entladevorgang.
Innerhalb der Gruppen G1 bzw. G2 sind die piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 jeweils als Bestandteile der parallelgeschalteten Piezozweige 110, 120 und 130 (Gruppe G1) und 140, 150 und 160 (Gruppe G2) angeordnet. Jeder Piezozweig umfaßt eine Serienschaltung bestehend aus einer ersten Parallelschaltung mit einem piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60, und einem (als Zweigwiderstand bezeichneten) Widerstand 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 sowie einer zweiten Parallelschaltung mit einem als Transistor 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 ausgeführten (als Zweigwahlschalter bezeichneten) Wahlschalter und einer (als Zweigdiode bezeichneten) Diode 12, 22, 32, 42, 52 bzw. 62).
Die Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 bewirken, daß das jeweils entsprechende piezoelektrische Element 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 sich während und nach einem Ladevorgang kontinuierlich entlädt, da sie jeweils beide Anschlüsse der kapazitiven piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 miteinander verbinden. Die Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 haben jedoch eine ausreichende Größe, um diesen Vorgang gegenüber den gesteuerten Lade- und Entladevorgängen langsam zu gestalten, wie nachstehend beschrieben. Daher ist die Ladung eines beliebigen piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 innerhalb einer relevanten Zeit nach einem Ladevorgang als unveränderlich zu betrachten.
Die Zweigwahlschalter/Zweigdiodenpaare in den einzelnen Piezozweigen 110, 120, 130, 140, 150 bzw. 160, d.h., Wahlschalter 11 und Diode 12 in Piezozweig 110, Wahlschalter 21 und Diode 22 in Piezozweig 120 usw., sind realisierbar als elektronische Schalter (d.h. Transistoren) mit parasitären Dioden, beispielsweise MOSFETs bzw. IGBTs (wie vorstehend für die den Gruppenwahlschalter/Diodenpaare 310 und 315 bzw. 320 und 325 angegeben).
Mittels der Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 ist festlegbar, welche der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 jeweils mit Hilfe einer gemeinsamen Lade- und Entladeeinrichtung geladen werden: Geladen werden jeweils all diejenigen piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60, deren Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 während des nachfolgend beschriebenen Ladevorgangs geschlossen sind. Gewöhnlich ist immer nur einer der Zweigwahlschalter geschlossen.
Die Zweigdioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 dienen der Überbrückung der Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 während Entladevorgängen. Daher kann in dem betrachteten Beispiel für Ladevorgänge jedes einzelne piezoelektrische Element ausgewählt werden, während für Entladevorgänge entweder die erste Gruppe G1 oder die zweite Gruppe G2 der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60, bzw. beide ausgewählt werden müssen.
Zurückkommend auf die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 selbst, können die Zweigwahlpiezoanschlüsse 15, 25, 35, 45, 55 bzw. 65 entweder mit Hilfe der Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 oder über die entsprechenden Dioden 12, 22, 32, 42, 52 bzw. 62 sowie in beiden Fällen zusätzlich über Widerstand 300 an Masse gelegt werden.
Mittels des Widerstands 300 werden die während des Ladens und Entladens der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zwischen den Zweigwahlpiezoanschlüssen 15, 25, 35, 45, 55 bzw. 65 und Masse fließenden Ströme gemessen. Eine Kenntnis dieser Ströme ermöglicht ein gesteuertes Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60. Insbesondere durch Schließen und Öffnen des Ladeschalter 220 bzw. Entladeschalters 230 in Abhängigkeit des Betrags der Ströme, ist es möglich, den Ladestrom bzw. Entladestrom auf vorgegebene Mittelwerte einzustellen und/oder zu verhindern, daß sie vorgegebene Maximalwerte und/oder Minimalwerte überschreiten bzw. unterschreiten.
In dem betrachteten Beispiel, ist für die Messung selbst noch eine Spannungsquelle 621 erforderlich, die eine Spannung von beispielsweise 5 V DC liefert, sowie ein Spannungsteiler in Form zweier Widerstände 622 und 623. Damit soll der Ansteuerungs-IC E (der die Messungen durchführt) vor negative Spannungen geschützt werden, die andernfalls an Meßpunkt 620 auftreten könnten, und die mit dem Ansteuerungs-IC E nicht beherrschbar sind: Derartige negative Spannungen werden durch Addition mit einer von der genannten Spannungsquelle 621 und den Spannungsteiler-Widerständen 622 und 623 gelieferten positiven Spannungsanordnung verändert.
Der andere Anschluß des jeweiligen piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 und 60, d.h. die jeweilige Gruppenwahlpiezoanschluß 14, 24, 34, 44, 54 bzw. 64, kann über den Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 oder über die Gruppenwahldiode 315 bzw. 325 sowie über eine Spule 240 und eine Parallelschaltung bestehend aus einem Ladeschalter 220 und einer Ladediode 221 an den Pluspol einer Spannungsquelle angeschlossen werden, sowie alternativ bzw. zusätzlich über den Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 oder über die Diode 315 bzw. 325 sowie über die Spule 240 und eine Parallelschaltung bestehend aus einem Entladeschalter 230 und einer Entladediode 231 an Masse gelegt werden. Ladeschalter 220 und Entladeschalter 230 sind beispielsweise als Transistoren realisiert, die über Treiber 222 bzw. 232 angesteuert werden.
Die Spannungsquelle umfaßt einen Kondensator 210. Der Kondensator 210 wird von einer Batterie 200 (beispielsweise einer Kraftfahrzeugbatterie) und einem nachgeschalteten Gleichspannungswandler 201 geladen. Der Gleichspannungswandler 201 formt die Batteriespannung (beispielsweise 12 V) in im wesentlichen beliebige andere Gleichspannungen (beispielsweise 250 V) um, und lädt den Kondensator 210 auf diese Spannung auf. Die Steuerung des Gleichspannungswandlers 201 erfolgt über den Transistorschalter 202 und den Widerstand 203, der der Messung von am Messpunkt 630 abgegriffenen Strömen dient.
Zum Zwecke der Gegenkontrolle wird durch den Ansteuerungs-IC E sowie durch die Widerstände 651, 652 und 653 und beispielsweise eine 5 V Gleichspannungsquelle 654 eine weitere Strommessung am Meßpunkt 650 ermöglicht; des weiteren ist durch den Ansteuerungs-IC E sowie durch die spannungsteilenden Widerstände 641 und 642 eine Spannungsmessung am Meßpunkt 640 möglich.
Ein (als Totalentladungswiderstand bezeichneter) Widerstand 330, ein (als Stoppschalter bezeichneter) Schalter 331 sowie eine (als Totalentladungsdiode bezeichnete) Diode 332 dienen schließlich der Entladung der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 (falls sie außerhalb des Normalbetreibers. wie nachstehend beschrieben, nicht durch den "normalen" Entladevorgang entladen werden). Der Stoppschalter 331 wird vorzugsweise nach "normalen" Entladevorgängen (zyklisches Entladen über Entladeschalter 230) geschlossen und legt dadurch die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 über die Widerstände 330 und 300 an Masse. Somit werden jegliche, eventuell in den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 verbliebene Restspannungen beseitigt. Die Totalentladungsdiode 332 verhindert ein Auftreten von negativen Spannungen an den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60, die unter Umständen durch die negativen Spannungen beschädigt werden könnten.
Das Laden und Entladen aller piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60, bzw. eines bestimmten piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60, erfolgt mit Hilfe einer einzigen (allen Gruppen und ihren piezoelektrischen Elementen gemeinsamen) Lade- und Entladeeinrichtung. In dem betrachteten Beispiel umfaßt die gemeinsame Ladeund Entladeeinrichtung die Batterie 200, den Gleichspannungswandler 201, den Kondensator 210, den Ladeschalter 220 und den Entladeschalter 230, Ladediode 221 und Entladediode 231 sowie die Spule 240.
Das Laden und Entladen eines jeden piezoelektrischen Elements erfolgt auf die gleiche Art und Weise und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf lediglich das erste piezoelektrische Element 10 erläutert.
Die während der Lade- und Entladevorgänge auftretenden Zustände werden mit Bezug auf die 2A bis 2D erläutert, von denen die 2A und 2B das Laden des piezoelektrischen Elements 10, sowie die 2C und 2D das Entladen des piezoelektrischen Elements 10 veranschaulichen.
Die Steuerung der Auswahl eines oder mehrerer zu ladender bzw. zu entladender piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60, der im folgenden beschriebene Ladevorgang sowie der Entladevorgang erfolgt durch den Ansteuerungs-IC E und das Steuergerät D durch Öffnen bzw. Schließen eines oder mehrerer der oben eingeführten Schalter 11, 21, 31, 41, 51, 61; 310, 320; 220, 230 und 331. Die Wechselwirkungen zwischen den Elementen innerhalb des detailliert dargestellten Bereichs A einerseits sowie des An steuerungs-IC E und des Steuerrechners D andererseits wird nachfolgend noch näher erläutert.
In bezug auf den Ladevorgang, muß zunächst ein aufzuladendes piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 ausgewählt werden. Um lediglich das erste piezoelektrische Element 10 zu laden, wird der Zweigwahlschalter 11 des ersten Zweiges 110 geschlossen, während alle übrigen Zweigwahlschalter 21, 31, 41, 51, und 61 geöffnet bleiben. Um ausschließlich ein beliebiges anderes piezoelektrisches Element 20, 30, 40, 50, 60 zu laden, bzw. um mehrere gleichzeitig zu laden, würde dessen/deren Auswahl durch Schließen der entsprechenden Zweigwahlschalter 21, 31, 41, 51, und/oder 61 erfolgen.
Sodann kann der Ladevorgang selbst erfolgen:
Innerhalb des betrachteten Beispiels ist für den Ladevorgang im allgemeinen eine positive Potentialdifferenz zwischen dem Kondensator 210 und Gruppenwahlpiezoanschluß 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10 erforderlich. Solange jedoch Ladeschalter 220 und Entladeschalters 230 geöffnet sind, erfolgt kein Laden bzw. Entladen des piezoelektrischen Elements 10. In diesem Zustand befindet sich die in 1 abgebildete Schaltung in einem stationären Zustand, d.h. das piezoelektrische Element 10 behält seinen Ladungszustand im wesentlichen unverändert bei, wobei keine Ströme fließen.
Zum Laden des ersten piezoelektrischen Elements 10 wird Schalter 220 geschlossen. Theoretisch könnte das erste piezoelektrische Element 10 allein dadurch geladen werden. Dies würde jedoch zu großen Strömen führen, die die betreffenden Elemente beschädigen könnten. Daher werden die auftretenden Ströme am Meßpunkt 620 gemessen und Schalter 220 wird wieder geöffnet sobald die erfaßten Ströme einen bestimmten Grenzwert überschreiten. Um auf dem ersten piezoelektrischen Element 10 eine beliebige Ladung zu erreichen, wird daher Ladeschalter 220 wiederholt geschlossen und geöffnet, während Entladeschalter 230 geöffnet bleibt.
Bei näherer Betrachtung ergeben sich bei geschlossenem Ladeschalter 220 die in 2A dargestellten Verhältnisse, d.h. es entsteht eine geschlossene Schaltung umfassend eine Reihenschaltung bestehend aus dem piezoelektrischen Element 10, Kondensator 210 und der Spule 240, wobei in der Schaltung ein Strom i_LE(t) fließt, wie in 2A durch Pfeile angedeutet. Aufgrund dieses Stromflusses werden sowohl dem Gruppenwahlpiezoanschluß 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10 positive Ladungen zugeführt als auch in der Spule 240 Energie gespeichert.
Wenn der Ladeschalter 220 kurz (beispielsweise einige μs) nach dem Schließen öffnet, ergeben sich die in 2B dargestellten Verhältnisse: es entsteht eine geschlossene Schaltung umfassend eine Reihenschaltung bestehend aus dem piezoelektrischen Element 10, Entladediode 231 und Spule 240, wobei in der Schaltung ein Strom i_LA(t) fließt, wie in 2B durch Pfeile angedeutet. Aufgrund dieses Stromflusses fließt in der Spule 240 gespeicherte Energie in das piezoelektrische Element 10. Entsprechend der Energiezufuhr an das piezoelektrische Element 10, erhöht sich die in diesem auftretende Spannung und vergrößern sich dessen Außenabmessungen. Bei erfolgter Energieübertragung von der Spule 240 an das piezoelektrische Element 10, ist der in 1 dargestellte und bereits beschriebene stationäre Zustand der Schaltung wieder erreicht.
Zu diesem Zeitpunkt bzw. früher oder später (je nach gewünschtem Zeitprofil des Ladevorgangs), wird Ladeschalter 220 erneut geschlossen und wieder geöffnet, so daß die vorstehend beschriebenen Vorgänge erneut ablaufen. Aufgrund des erneuten Schließens und erneuten Öffnens des Ladeschalters 220 erhöht sich die in dem piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie (die in dem piezoelektrischen Element 10 bereits gespeicherte Energie und die neu zugeführte Energie summieren sich), und die an dem piezoelektrischen Element 10 auftretenden Spannung erhöht sich und dessen Außenabmessungen vergrößern sich entsprechend.
Werden das oben erwähnte Schließen und Öffnen des Ladeschalters 220 vielfach wiederholt, so erfolgt die Erhöhung der an dem piezoelektrischen Element 10 auftretenden Spannung sowie die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 10 stufenweise.
Wenn Ladeschalter 220 eine vorgegebene Anzahl von Malen geschlossen und geöffnet wurde und/oder das piezoelektrische Element 10 den gewünschten Ladezustand erreicht hat, wird das Laden des piezoelektrischen Elements durch Offenlassen des Ladeschalters 220 beendet.
In bezug auf den Entladevorgang, werden in dem betrachteten Beispiel die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 in Gruppen (G1 und/oder G2) wie nachfolgend beschrieben entladen:
Zunächst werden der Gruppenwahlschalter 310 und/oder 320 der Gruppe G1 und/oder G2, deren piezoelektrische Elemente zu entladen sind, geschlossen (die Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 61 haben keinen Einfluß auf die Auswahl der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 für den Entladevorgang, da sie in diesem Fall durch die Dioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 überbrückt werden). Um das piezoelektrische Element 10 as Teil der ersten Gruppe G1 zu entladen, wird daher der erste Gruppenwahlschalter 310 geschlossen.
Wenn der Entladeschalter 230 geschlossen ist, ergeben sich die in 2C dargestellten Verhältnisse: es entsteht eine geschlossene Schaltung umfassend eine Reihenschaltung bestehend aus dem piezoelektrischen Element 10 und der Spule 240, wobei in der Schaltung ein Strom i_EE(t) fließt, wie in 2C durch Pfeile angedeutet. Aufgrund dieses Stromflusses wird die in dem piezoelektrischen Element gespeicherte Energie (ein Teil davon) in die Spule 240 übertragen. Entsprechend der Energieübertragung von dem piezoelektrischen Element 10 zur Spule 240, sinkt die an dem piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und verringern sich dessen Außenabmessungen.
Wenn der Entladeschalter 230 kurz (beispielsweise, einige μs) nach dem Schließen öffnet, ergeben sich die in 2D dargestellten Verhältnisse: es entsteht eine geschlossene Schaltung umfassend eine Reihenschaltung bestehend aus dem piezoelektrischen Element 10, Kondensator 210, Ladediode 221 und der Spule 240, wobei in der Schaltung ein Strom i_EA(t) fließt, wie in 2D durch Pfeile angedeutet. Aufgrund dieses Stromflusses wird in der Spule 240 gespeicherte Energie in den Kondensator 210 rückgeführt. Bei erfolgter Energieübertragung von der Spule 240 in den Kondensator 210, ist der in 1 dargestellte und bereits beschriebene stationäre Zustand der Schaltung wieder erreicht.
Zu diesem Zeitpunkt bzw. früher oder später (je nach gewünschtem Zeitprofil des Entladevorgangs), wird Entladeschalter 230 erneut geschlossen und wieder geöffnet, so daß die vorstehend beschriebenen Vorgänge erneut ablaufen. Aufgrund des erneuten Schließens und erneuten Öffnens des Entladeschalters 230 nimmt die in dem piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie weiter ab, und die an dem piezoelektrischen Element auftretenden Spannung und dessen Außenabmessungen nehmen ebenfalls entsprechend ab.
Werden das oben erwähnte Schließen und Öffnen des Entladeschalters 230 vielfach wiederholt, so erfolgt die Abnahme der an dem piezoelektrischen Element 10 auftretenden Spannung sowie der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 10 stufenweise.
Wenn Entladeschalter 230 eine vorgegebene Anzahl von Malen geschlossen und geöffnet wurde und/oder das piezoelektrische Element den gewünschten Ladezustand erreicht hat, wird das Entladen des piezoelektrischen Elements durch Offenlassen des Entladeschalters 230 beendet.
Die Wechselwirkung zwischen dem Ansteuerungs-IC E und dem Steuerrechner D einerseits sowie den Elementen innerhalb des detailliert dargestellten Bereichs A andererseits erfolgt mit Hilfe von Steuersignalen, die über Zweigwahlsteuerleitungen 410, 420, 430, 440, 450, 460, Gruppenwahlsteuerleitungen 510, 520, Stoppschaltersteuerleitung 530, Ladeschaltersteuerleitung 540 und Entladeschaltersteuerleitung 550 sowie Steuerleitung 560 Elementen innerhalb des detailliert dargestellten Bereichs A von dem Ansteuerungs-IC E zugeführt werden. Andererseits werden an den Meßpunkten 600, 610, 620, 630, 640, 650 innerhalb des detailliert dargestellten Bereichs A Sensorsignale erfaßt, die dem Ansteuerungs-IC E über die Sensorleitungen 700, 710, 720, 730, 740, 750 zugeführt werden.
Zur Auswahl der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 für die Ausführung von Lade- bzw. Entladevorgängen einzelner oder mehrerer piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 durch Öffnen und Schließen der entsprechenden Schalter wie vorstehend beschrieben, werden an die Transistorbasen mittels der Steuerleitungen Spannungen angelegt bzw. nicht angelegt. Mittels der Sensorsignale erfolgt insbesondere eine Bestimmung der sich ergebenden Spannung der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30, bzw. 40, 50 und 60 anhand der Meßpunkte 600 bzw. 610 sowie der Lade- und Entladeströme anhand des Meßpunkts 620.
In 3 sind einige der in dem Ansteuerungs-IC E enthaltenen Bauelemente angegeben: Eine Logik-Schaltung 800, Speicher 810, Digital-Analog-Umsetzerbaustein 820 sowie Komparatorbaustein 830. Ferner ist angegeben, daß der (für Steuersignale verwendete) schnelle Parallelbus 840 mit der Logik- Schaltung 800 des Ansteuerungs-IC E verbunden ist, während der langsamere serielle Bus 850 mit dem Speicher 810 verbunden ist. Die logische Schaltung 800 ist mit dem Speicher 810, mit dem Komparatorbaustein 830 sowie mit den Signalleitungen 410, 420, 430, 440, 450 und 460; 510 und 520; 530, 540, 550 und 560 verbunden. Der Speicher 810 ist mit der logischen Schaltung 800 sowie mit dem Digital-Analog-Umsetzerbaustein 820 verbunden. Des weiteren ist der Digital-Analog-Umsetzerbaustein 820 mit dem Komparatorbaustein 830 verbunden. Darüber hinaus ist der Komparatorbaustein 830 mit den Sensorleitungen 700 und 710, 720, 730, 740 und 750 und – wie bereits erwähnt – mit der Logik-Schaltung 800 verbunden.
Der Ansteuerung-IC E verschiebt nun Lade-/Entladeflanken derart, daß nicht gleichzeitig ein piezoelektrisches Element einer Bank ge- oder entladen wird, während ein anderes piezoelektrisches Element einer anderen Bank ent- oder geladen werden soll. Zur Vermeidung derartiger Kollisionen findet eine Verschiebung der Lade-/Entladeflanken auf an sich bekannte und beispielsweise aus der DE 100 33 343 A1 , auf die vorliegend Bezug genommen wird, hervorgehende Weise statt. So werden beispielsweise Voreinspritzungen verschoben, verkürzt oder gelöscht. Problematisch ist nun, daß die Auswirkungen bezüglich des Geräuschs, der Abgaszusammensetzung sowie des Motormoments oder anderer Größen der Verbrennungsmaschine bei einem derartigen Kollisionsmanagement nicht berücksichtigt werden.
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, derartige Auswirkungen zu kompensieren. Durch die Verschiebung der Lade-/Entladeflanken findet eine Ansteuerdauerverkürzung und/oder eine Verschiebung des Ansteuerbeginns statt. Dies hat die Einspritzung einer Mindermenge zur Folge, was sich wiederum nachteilig hinsichtlich des Verbrennungsgeräuschs, der Abgaszusammensetzung sowie des von der Verbrennungsmaschine erzeugten Drehmoments auswirken kann.
Um diese negativen Auswirkungen zu kompensieren, wird dabei z.B. aus einem Kennfeld, aufgrund der bekannten Verschiebung des Ansteuerdauerbeginns und/oder der An steuerdauerverkürzung eine Mindermenge durch sogenannte inverse Kennfeld- und Kennlinieninterpolation, auf die in der WO 03/002863 A1 beschriebene Weise, bestimmt. Die Auswirkung dieser Mindermenge wird nun durch Verschiebung der Lade-/Entladeflanken bei einer oder mehreren der darauffolgenden, vorzugsweise der darauffolgenden, Einspritzung kompensiert. Diese Kompensation kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß eine vorgebbare Gesamteinspritzmenge beibehalten wird.
Dabei wird insbesondere eine Kompensation am gleichen Zylinder vorgenommen. Die dynamischen Mengenkorrekturen finden immer am letzten Ansteuerzyklus des gleichen Zylinders statt. Die Mengenkorrektur wird dabei so vorgenommen, daß unerwünschte Momentenänderungen vermieden werden. Insbesondere werden negative Auswirkungen der eingespritzten Mindermenge dahingehend korrigiert, daß durch die Einspritzung die dem Fahrerwunsch zugeordnete Wunschmenge sichergestellt ist.
Es reicht jedoch in vielen Fällen nicht aus, die fehlende Menge zu kompensieren. So führt z.B. eine Verschiebung einer Voreinspritzung nach spät auch zu einer Verschiebung des Verbrennungsschwerpunktes nach spät. Die Folge ist in der Regel ein anderes Motormoment bei gleicher Menge. Da der Grad der Verschiebung und/oder Ansteuerdauerverkürzung durch das Flankenmanagement einspritztyp- und zylinderspezifisch bekannt ist, kann das fehlende Moment, d.h. die Abweichung des Istmoments vom Wunschmoment berechnet werden. Durch Verschieben des Ansteuerbeginns nach früh und/oder eine Ansteuerdauerverlängerung z.B. der Haupteinspritzung können negative Auswirkungen hierbei kompensiert werden.
Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Mengenkompensation wird nun in Verbindung mit 4 näher erläutert. Bei dieser Mengenkompensation wird nur die fehlende Menge infolge einer Ansteuerdauerverkürzung kompensiert durch Verlängerung der Ansteuerdauer einer nachfolgenden Einspritzung des gleichen Einspritztyps, vorzugsweise am gleichen Zylinder.
Zunächst wird in einem Schritt 405 geprüft, ob eine Kollision vorliegt.
Wenn dies nicht der Fall ist, ist eine Mengenkompensation erforderlich. Wenn dies jedoch der Fall ist, wird in Schritt 410 geprüft, ob eine Ansteuerdauerverkürzung vorgenommen wird. Ist dies nicht der Fall, sind keine Schritte zur Mengenkompensation erforderlich. Ist dies jedoch der Fall, wird in Schritt 415 geprüft, ob eine vorgegebene Mindestansteuerdauer unterschritten wird. Im Falle des Unterschreitens der Mindestansteuerdauer wird in Schritt 420 die reale Ansteuerdauer ermittelt, sodann die aufgrund der Verkürzung fehlende Ansteuerdauer in Schritt 425 bestimmt und in Schritt 430 aufgrund einer inversen Kennfeldberechnung, wie sie aus der WO 03/002863 A1 hervorgeht, die Menge als Funktion der fehlenden Ansteuerdauer berechnet, die dann in einem Schritt 435 bei einem der nächsten Einspritzvorgänge vorzugsweise am gleichen Zylinder addiert wird. In Schritt 440 wird sodann wiederum die Ansteuerdauer als Funktion der so bestimmten Menge inklusive eventueller weiterer Korrekturen auf an sich bekannte Weise bestimmt.
Wenn dagegen in Schritt 415 festgestellt wird, daß die vorgegebene Mindestansteuermenge unterschritten wird, so wird in Schritt 450 die Löschung des gesamten Einspritztyps vorgenommen. In Schritt 460 wird sodann die gesamte Sollmenge für diesen Einspritztyp gespeichert und in Schritt 435 zu einer der nachfolgenden Einspritzungen des gleichen Einspritztyps vorzugsweise am gleichen Zylinder addiert.
Daraufhin wird aufgrund der so ermittelten Menge in Schritt 440 wiederum die Ansteuerdauer als Funktion der Menge bestimmt.
Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Momentenkompensation wird im folgenden in Verbindung mit 5 näher beschrieben.
Zunächst wird in einem Schritt 505 geprüft, ob eine Kollision vorliegt. Wenn dies der Fall ist, erfolgt in Schritt 510 die Prüfung, ob diese Kollision momentenrelevant ist, d.h. Auswirkungen auf das Drehmoment hat.
Trifft letzteres zu, wird zunächst in Schritt 515 geprüft, ob die Ansteuerdauer verkürzt wird. Wenn die Ansteuerdauer nicht verkürzt wird, wird in Schritt 520 zur Vermeidung einer Kollision der Ansteuerbeginn verschoben und in Schritt 525 das aufgrund der Verschiebung des Ansteuerbeginns fehlende Moment bestimmt.
Wenn in Schritt 515 dagegen festgestellt wird, daß eine Ansteuerdauerverkürzung vorliegt, wird in Schritt 530 geprüft, ob zur Vermeidung einer Kollision eine Verschiebung des Ansteuerbeginns erfolgt. Wenn dies nicht der Fall ist, wird die Ansteuerdauer in Schritt 535 verkürzt. In Schritt 540 wird das fehlende Moment aus der aufgrund der Verkürzung fehlenden Menge bestimmt.
Wenn in Schritt 530 dagegen festgestellt wird, daß eine Verschiebung vorliegt, erfolgt in Schritt 550 eine Verkürzung der Ansteuerdauer und es wird und in Schritt 555 das fehlende Moment, das aufgrund dieser Ansteuerdauerverkürzung und der Verschiebung des Ansteuerbeginns hervorgerufen wird, bestimmt. In Schritt 560 erfolgt nun eine Ansteuerdauerverlängerung des nachfolgenden Einspritztyps derart, daß der in den Schritten 525, 540 und 555 bestimmte fehlende Momentenbeitrag des vorhergehenden Einspritztyps kompensiert wird.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor mit zumindest zwei Zylindern, wobei die Kraftstoffeinspritzanlage zumindest zwei piezoelektrische Elemente aufweist und die jedem Zylinder zumindest je ein piezoelektrisches Element zur Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder durch Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elementes zugeordnet ist, und wobei den piezoelektrischen Elementen eine Versorgungseinheit zum Laden oder Entladen der piezoelektrischen Elemente zugeordnet ist, wobei überwacht wird, ob eine Überschneidung eines Zeitintervalls, in dem ein piezoelektrisches Element ge- oder entladen wird, mit einem Zeitinervall, in dem das andere piezoelektrische Element ge- oder entladen werden soll, auftritt und eine Einspritzung gleicher oder unterschiedlicher Priorität in Abhängigkeit von Lade- und Entladeflanken der piezoelektrischen Elemente bei einer Einspritzung nach früh und/oder nach spät verschoben und/oder gelöscht werden derart, daß ein piezoelektrisches Element nicht geladen wird, wenn das andere piezoelektrische Element ge- oder entladen werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswirkungen der durch die Verschiebung der Lade-/Entladeflanken eingespritzten Mindermenge auf den Verbrennungsvorgang durch Verschiebung der Lade-/Entladeflanken bei einer oder mehreren der darauffolgenden Einspritzung kompensiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lade-/Entladeflanken bei einer oder mehreren der darauffolgenden Einspritzung so verschoben werden, daß eine vorgebbare Gesamtmenge beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Lade-/Entladeflanken bei einer darauffolgenden Einspritzung am gleichen Zylinder erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindermenge einem Kennfeld, insbesondere durch Interpolation der Kennlinien, entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verschiebung der Lade-/Entladeflanken bei einer darauffolgenden Einspritzung eine Ansteuerdauerverlängerung vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Lage des Verbrennungsschwerpunktes eine Verschiebung des Ansteuerbeginns der Haupteinspritzung nach früh vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Beitrags zum Drehmoment eines Zylinders eine Verlängerung der Ansteuerdauer der Haupteinspritzung vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Verschiebung des Spritzbeginns und die Änderung der Einspritzmenge hervorgerufenen Änderungen bei wenigstens einer darauffolgenden Einspritzung in denselben Zylinder kompensiert werden.
Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, mit zumindest zwei Zylindern, wobei die Kraftstoffeinspritzanlage zumindest zwei Aktorelemente aufweist, und wobei jedem Zylinder zumindest je ein Aktorelement zur Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder zugeordnet ist, und wobei die Kraftstoffeinspritzanlage eine Einspritzregelung zur Überwachung und/oder zum Lösen eines Konfliktes beim Ansteuern der Aktorelemente aufweist derart, daß die Einspritzregelung die Aktorelemente in Abhängigkeit von Lade- und/oder Entladeflanken der Einspritzelemente bei Einspritzungen früher, später oder nicht ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Verschieben der Lade-/Entladeflanken eingespritzte Mindermenge durch die Einspritzregelung ermittelt und die Auswirkungen dieser Mindermenge durch Verschiebung der Lade-/Entladeflanken bei darauffolgenden Einspritzungen kompensiert wird.