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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern
eines Injektors, der insbesondere ausgebildet ist zum Zumessen von
Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind,
machen es erforderlich diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch
die die Schadstoff-Emissionen
gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die während des
Verbrennungsprozesses des Luft/Kraftstoff-Gemisches erzeugten Schadstoff-Emissionen
zu senken. Insbesondere die Bildung von Ruß ist stark abhängig von
der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder
der Brennkraftmaschine. Um eine sehr gute Gemischaufbereitung zu
erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen.
Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis
zu 2000 bar. Für
derartige Anwendungen setzen sich zunehmend Einspritzventile durch
mit einem Piezo-Aktuator als Stellantrieb. Piezo-Aktuatoren zeichnen sich aus durch sehr
kurze Ansprechzeiten. Derartige Einspritzventile sind so gegebenenfalls
geeignet mehrfach innerhalb eines Arbeitszyklusses eines Zylinders
der Brennkraftmaschine Kraftstoff zuzumessen.
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Eine
besonders gute Gemischaufbereitung lässt sich erreichen, wenn vor
einer Haupteinspritzung eine oder mehrere Voreinspritzungen erfolgen, die
auch als Piloteinspritzung bezeichnet werden, wobei für die einzelne
Voreinspritzung gegebenenfalls eine sehr geringe Kraftstoffmasse
zugemessen werden soll. Ein präzises
Ansteuern des Einspritzventils ist insbesondere für diese
Fälle sehr
wichtig.
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Aus
der WO 01/63121 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen von Einspritzereignissen
eines Einspritzventils mit einem piezoelektrischen Aktuator bekannt.
Das Einspritzventil umfasst einen Injektorkörper mit einer Steuerkammer,
der ein Steuerventil zugeordnet ist, das den Kraftstoffdruck in
der Steuerkammer steuert. Der piezoelektrische Aktuator wirkt auf
das Steuerventil ein. Der piezoelektrische Aktuator wird mit einer
Spannung beaufschlagt derart, dass der daraus resultierende Hub
des piezoelektrischen Aktuators das Steuerventil betätigt. Ein
axiales Wegbewegen einer Düsennadel
von einem Ventilsitz wird abhängig
von einem Anstieg des Spannungsabfalls an dem piezoelektrischen
Aktuator erkannt. Ein Beenden der Bewegung der Düsennadel wird anhand eines
abrupten Abfalls der Spannung an dem piezoelektrischen Aktuator
erkannt.
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Die
DE 100 12 607 C2 offenbart
ein Verfahren zur Ansteuerung eines kapazitiven Stellgliedes mit
Leerhub, insbesondere für
ein piezoelektrisch betriebenes Kraftstoffeinspritzventil einer
Brennkraftmaschine mit Zuführung
eines vorgegebenen Energiebetrages, der einem vorgegebenen Arbeitshub zugeordnet
ist. Gemäß dem hier
dargestellten Verfahren wird die dem Stellglied zugeführte Ladung sukzessive
erhöht,
der für
die Durchführung
des Leerhubs erforderliche Energiebetrag wird als der dem Stellglied
zugeführte
Energiebetrag bestimmt, nach dessen weiterer Erhöhung die ermittelte Kapazität des Stellgliedes
plötzlich
geringer wird. Es wird die Summe aus dem für den benötigen Arbeitshub des Ventils
vorgegebenen Energiebetrag und aus dem für die Durchführung des
Leerhubs erforderlichen Energiebetrag gebildet. Abschließend wird
dem Stellglied bei jedem Ansteuervorgang der Summenenergiebetrag
zugeführt.
Ein Leerhub an Einspritzventilen wird dadurch ermittelt, dass dem
Stellglied sukzessive Ladungsportionen zugeführt werden, bis eine das Ende
des Leerhubs anzeigende Ka pazitätsänderung
auftritt und dann der zugeführte
Energiebetrag dem Leerhub zugeordnet wird.
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Die
DE 103 19 530 A1 offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines elektromechanischen
Aktors. Zur Überwachung
eines Piezoaktors für
einen Injektor einer Einspritzanlage werden folgende Schritte ausgeführt. Eine
Ermittlung mindestens einer elektrischen Betriebsgröße des Aktors,
eine Ermittlung der auf den Aktor wirkenden Kraft in Abhängigkeit
von der elektrischen Betriebsgröße des Aktors
und eine Ansteuerung des Aktors mit einem elektrischen Prüfsignal
bei der Ermittlung der elektrischen Betriebsgröße des Aktors. Das Prüfsignal
weist einen Wechselanteil auf. Es wird vorgeschlagen, dass eine
Leerhubbestimmung außerhalb
des normalen Einspritzbetriebs in einem separaten Prüfbetrieb
erfolgen soll.
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Die
DE 199 05 340 C2 offenbart
ein Verfahren und eine Anordnung zur Voreinstellung und dynamischen
Nachführung
piezoelektrischer Aktoren. Es wird zum Einstellen eines gewünschten
Leerhubs zwischen dem Piezoaktor und einem Betätigungselement dem Piezoaktor
eine Gleichspannung zugeführt,
die gegebenenfalls einer gepulsten Ansteuerspannung überlagert
wird und die eine von der Ansteuerspannung unabhängige Längenänderung des Piezoaktors bewirkt.
Es wird vorgeschlagen, den Leerhub, anstelle durch die elektrischen
Größen am Piezoaktor,
anhand sekundärer
Größen, wie
beispielsweise durch den Druckverlauf am Injektor während des
Einspritzvorgangs zu bestimmen.
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Die
WO 02/092985 A1 offenbart ein Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen
Aktors, der der Verschiebung eines Elements dient. Zwischen einem
Aktor und einem Element besteht ein Leerhub. Zur Verschiebung des
Elements wird der Aktor mit einer Ansteuerspannung beaufschlagt.
Die Ansteuerspannung wird so gewählt,
dass sie im Sinne eines Ausgleichs einer Änderung des Leerhubs von der
Größe des Leerhubs
ab hängt.
Die Erfassung des Leerhubs wird anhand des elektrischen Parameters "Piezokapazitätsänderung" im zeitlichen Verlauf der
Ansteuerung ausgeführt.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung
zu schaffen, das beziehungsweise die ein präzises Steuern eines Injektors ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende
Vorrichtung zum Steuern eines Injektors, der auch als Einspritzventil bezeichnet
werden kann. Der Injektor hat eine Düsennadel, deren Position abhängig von
einem Druck in einem Steuerraum einstellbar ist und die in einer Schließposition
einen Fluidfluss durch mindestens ein Einspritzloch in einem Düsenkörper unterbindet und
diesen ansonsten frei gibt. Der Injektor umfasst ferner einen Steuerraum,
der hydraulisch gekoppelt ist mit einem Fluid-Hochdruckspeicher,
einen Piezo-Stellantrieb und ein Steuerventil, das in seiner Schließstellung
den Steuerraum hydraulisch entkoppelt von einem Niederdruckraum,
das außerhalb
seiner Schließstellung
den Steuerraum hydraulisch koppelt mit dem Niederdruckraum und auf
das der Piezo-Stellantrieb einwirkt. Eine Kombination aus einer Ansteuerzeitdauer
des Piezo-Stellantriebs und einer dem Piezo-Stellantrieb zugeführten elektrischen
Energie wird ausgehend von einer vorgegebenen Startkombination bis
zu einer Zielkombination variiert, bei der ein Druckverlauf erfasst
wird, der charakteristisch ist für
eine Bewegung des Steuerventils heraus aus seiner Schließstellung,
ohne dass ein Zumessen von Fluid durch das Einspritzloch erfolgt.
Die Zielkombination ist ein einfaches und präzises Maß für einen Leerhub des Piezo-Stellantriebs,
der ein äußerst wichtiger
Parameter insbesondere im Zusammenhang des Zumessens von kleinstmöglichen
Fluidmengen durch den Injektor ist.
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Auf
diese Weise kann somit einfach in beliebig vorgebbaren Zeitabständen über die
Betriebszeitdauer des Injektorventils die Zielkombination als Maß für den aktuellen
Leerhub bestimmt werden, der sich über die Lebenszeit des Injektors
deutlich ändern kann
und gegebenenfalls auch kurzzeitigen Schwankungen unterliegen kann.
Einflussgrößen für den Leerhub
sind beispielsweise die Temperatur, Verschleiß und Alterung des Piezo-Stellantriebs.
Abhängig
von der Zielkombination können
dann die dem Piezo-Stellantrieb zuzuführende elektrische Energie und/oder
die Ansteuerzeitdauer des Piezo-Stellantriebs
für folgende
Einspritzvorgänge
korrigiert werden. Die Zielkombination kann jedoch auch vorteilhaft
im Rahmen der Steuerung des Injektors für andere Zwecke, wie beispielsweise
eine Diagnose, eingesetzt werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Variieren
der Kombination aus der Ansteuerzeitdauer und der zuzuführenden
Energie ausgehend von der vorgegebenen Ausgangsposition bis zu der
Zielkombination in einem Betriebszustand, in dem ein Stellglied
zum Einstellen einer Fluidzufuhr in den Fluid-Hochdruckspeicher
in seinem Schließzustand
ist. Dies hat den Vorteil, dass der erfasste Druckverlauf dann unabhängiger ist
von Störeinflüssen, die
durch ein Fördern
des Fluids in den Fluid-Hochdruckspeicher hervorgerufen sind. Somit ist
dann einfacher ein präzises
Erkennen des Druckverlaufs möglich,
der charakteristisch ist für
die Bewegung des Steuerventils heraus aus seiner Schließstellung,
ohne dass ein Zumessen von Fluid durch das Einspritzloch erfolgt.
Dies hat wiederum zur Folge, dass die Zielkombination präziser bestimmt
werden kann.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Variieren
der Kombination aus der Ansteuerzeitdauer und der zugeführten elektrischen
Energie mit einer Ladezeitdauer, während der dem Piezo-Stellantrieb
elektrische Energie zugeführt
wird, die länger
ist als diejenige während
eines Betriebs des Injektors, in dem ein Zumessen von Fluid beabsichtigt
ist. Auf diese Weise wird eine Erzeugung von Schall verringert,
der von einem Nutzer als unangenehm wahrgenommen werden kann.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Variieren
der Kombination aus der Ansteuerzeitdauer und der zugeführten elektrischen
Energie mit einer Entladezeitdauer, während der dem Piezo-Stellantrieb
elektrische Energie entnommen wird, die länger ist als diejenige während des
Betriebs des Injektors, bei dem ein Zumessen von Fluid durch das
Einspritzloch beabsichtigt ist. Auch auf diese Weise wird der Schall verringert,
der von einem Nutzer als unangenehm wahrgenommen wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Beginn
aufeinander folgender Ansteuerzeitdauern in Bezug auf das jeweilige
Zylindersegment variiert. Auf diese Weise kann das Schallspektrum
durch das Ansteuern des Steuerventils gezielt eingestellt werden,
um so die subjektive Wahrnehmung des Schalls durch den Benutzer
als weniger störend
zu gestalten.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Ende
aufeinander folgender Ansteuerzeitdauern in Bezug auf das jeweilige
Zylindersegment variiert. Auch auf diese Weise kann das durch das
Ansteuern des Steuerventils erzeugte Schallspektrum gezielt eingestellt
werden, um so die subjektive Wahrnehmung des Schalls durch den Benutzer
als weniger störend
zu gestalten.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Beginn
aufeinander folgender Ansteuerzeitdauern für unterschiedliche Injektoren,
die beispielsweise alle einer Brennkraftmaschine zugeordnet sind,
in Bezug auf das jeweilige Zylindersegment variiert. Auch auf diese
Weise kann sehr wirkungsvoll das durch das Ansteuern der jeweiligen
Steuerventile erzeugte Schallspektrum geeignet eingestellt werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Ende
aufeinander folgender Ansteuerzeitdauern für unterschiedliche Injektoren
in Bezug auf das jeweilige Zylindersegment variiert. Auch auf diese
Weise kann einfach das Schallspektrum, das durch das Ansteuern der
jeweiligen Steuerventile erzeugt wird, eingestellt werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Brennkraftmaschine mit mehreren Injektoren,
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2 einen
der Injektoren gemäß 1,
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3 eine
erste Vergrößerung eines
Ausschnitts des Injektors gemäß 2,
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4 eine
zweite Vergrößerung eines
weiteren Ausschnitts des Injektors gemäß 2,
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5 ein
Ablaufdiagramm eines Programms zum Steuern des Injektors,
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6A bis 6D zeitliche
Verläufe
von Ansteuersignalen für
die Injektoren, und
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7 einen
zeitlichen Verlauf eines der Ansteuersignale während einer Ladezeitdauer.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine
Brennkraftmaschine (1) umfasst einen Ansaugtrakt 1,
einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3, einen
Abgastrakt 4 und eine Zuführeinrichtung 5 für Kraftstoff.
In der Brennkraftmaschine sind mehrere Zylinder Z1 bis Z4 ausgebildet
an denen jeweils Injektoren 7, 9, 11, 13 zugeordnet
sind. Eine Kurbelwelle 15 ist vorgesehen, der ein Kurbelwellenwinkel-Geber 17 zugeordnet
ist, der den aktuellen Kurbelwellenwinkel erfasst, von dem dann
auch eine Drehzahl der Kurbelwelle abgeleitet werden kann.
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Die
Zuführeinrichtung 5 für Kraftstoff
umfasst einen Kraftstofftank 19 und einen Niederdruckbereich 21,
der entweder direkt hydraulisch gekoppelt ist mit dem Kraftstofftank 19 oder über eine
Niederdruckpumpe 23 mit dem Kraftstofftank 19 hydraulisch gekoppelt
ist. Bevorzugt ist ferner ein Regulator 25 vorgesehen,
mittels dessen ein Druck in dem Niederdruckbereich 21 eingestellt
werden kann. Eine Hochdruckpumpe 29 ist eingangsseitig über ein
Volumenstromsteuerventil VCV mit dem Niederdruckbereich 21 hydraulisch
gekoppelt. Die Hochdruckpumpe 29 ist ausgangsseitig mit
einem Fluid-Hochdruckspeicher 31 hydraulisch gekoppelt
und fördert
somit Fluid, insbesondere Kraftstoff in den Fluid-Hochdruckspeicher 31.
Mittels des Volumenstromsteuerventils VCV kann ein Volumenstrom
eingestellt werden, der von der Hochdruckpumpe 29 in den
Fluid-Hochdruckspeicher 31 gefördert wird.
Das Volumenstromsteuerventil VCV kann separat von der Hochdruckpumpe 29 oder
auch als eine Baueinheit mit der Hochdruckpumpe 29 ausgebildet
sein.
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An
dem Fluid-Hochdruckspeicher 31 ist ein Kraftstoffdrucksensor 33 angeordnet,
der den Druck in dem Fluid-Hochdruckspeicher
erfasst. Das Messsignal des Hochdrucksensors ist somit repräsentativ für einen
Druckverlauf des in dem Fluid-Hochdruckspeicher 31 befindlichen
Fluids. Die Injektoren 7, 9, 11, 13 sind über einen
jeweiligen Hochdruckanschluss (2) hydraulisch
mit dem Fluid-Hochdruckspeicher 31 gekoppelt.
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Ferner
ist eine Steuereinrichtung 35 vorgesehen, die abhängig von
Messgrößen, die
durch Sensoren erfasst werden, Stellsignale zum Steuern von Stellantrieben
der Brennkraftmaschine erzeugt. Die Steuereinrichtung 35 verfügt über entsprechende Eingänge, über die
Messsignale der Sensoren erfasst werden können, und über einen Programm- und einen
Datenspeicher und eine Recheneinheit und Endstufen zum Ansteuern
der Stellantriebe der Brennkraftmaschine.
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Die
Injektoren 7–13 sind
baugleich und sind im folgenden anhand der 2 bis 4 näher erläutert. Der
Injektor 7–13 umfasst
ein Injektorgehäuse 37,
das den Hochdruckanschluss 39 aufnimmt, der hydraulisch
mit dem Fluid-Hochdruckspeicher 31 gekoppelt ist. Der Hochdruckanschluss 39 ist über eine
erste Hochdruckbohrung 41 mit einem Steuerventil 43 hydraulisch
gekoppelt, das in dem Injektorgehäuse 37 aufgenommen
ist. Eine zweite Hochdruckbohrung 45 erstreckt sich von
dem Hochdruckanschluss 39 durch das Injektorgehäuse 37 hinein
in einen Düsenkörper 47.
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In
dem Injektorgehäuse 37 ist
ferner ein Niederdruckraum 49 ausgebildet, der hydraulisch
mit dem Niederdruckbereich 21 gekoppelt ist. Falls die Niederdruckpumpe 23 vorhanden
ist, kann der Niederdruckraum 49 auch direkt hydraulisch
gekoppelt sein mit einem Rücklauf
zu dem Kraftstofftank 19.
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In
dem Injektorgehäuse 37 ist
eine Ausnehmung 51 des Injektorgehäuses 37 ausgebildet,
in der ein Steuerkolben 53 angeordnet und geführt ist.
Ein Steuerraum 55 des Steuerventils 43 grenzt
an eine Stirnfläche 69 des
Steuerkolbens 53 an und ist in dem freien Raum zwischen
der Stirnfläche
und dem Steuerventil 43 ausgebildet.
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Ein
freier Raum der Ausnehmung 51 des Injektorgehäuses 37 in
dem Bereich eines Endes des Steuerkolbens 53, das dem Steuerraum 55 abgewandt
ist, ist mit dem Niederdruckraum 49 hydraulisch gekoppelt.
Eine Düsennadel 57 ist
mechanisch gekoppelt mit dem Steuerkolben 53 und ist in
einer Ausnehmung 59 in dem Düsenkörper 47 angeordnet. In
einer Schließposition
der Düsennadel 57 unterbindet
diese einen Fluidfluss durch ein Einspritzloch 61, das
in dem Düsenkörper 57 ausgebildet
ist. Außerhalb
der Schließposition
gibt die Düsennadel 57 den Fluidfluss
durch das Einspritzloch 61 frei. Falls mehrere Einspritzlöcher 61 vorhanden
sind, unterbindet die Düsennadel 57 den
Fluidfluss in ihrer Schließstellung
durch alle ihr zugeordneten Einspritzlöcher 61 und gibt ihn
ansonsten frei.
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Die
Position der Düsennadel 57 hängt ab von einer
Kräftebilanz
von Kräften,
die auf die Düsennadel 57 einwirken.
Eine erste Kraft wird hervorgerufen durch den Druck in dem Steuerraum 45,
der auf die Stirnfläche 69 des
Steuerkolbens einwirkt. Eine zweite Kraft wird eingekoppelt durch
den Druck, der auf die Fläche
eines Hochdruckabsatzes 63 und auf die Nadelkuppe 65 einwirkt.
Eine dritte Kraft wird hervorgerufen durch eine Federkraft einer
Düsenfeder 67. Die
Position der Düsennadel
hängt ab
von der Bilanz der ersten bis dritten Kräfte.
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Der
Steuerraum 55 ist über
eine Zulaufdrossel 71 mit der ersten Hochdruckbohrung 41 hydraulisch
gekoppelt. Der Steuerraum 55 ist ferner über eine
Ablaufdrossel 73 abhängig
von der Schaltstellung des Steuerventils 43 mit dem Niederdruckraum 49 hydraulisch
koppelbar.
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Dem
Steuerventil 43 ist ein Piezo-Stellantrieb 75 zugeordnet,
dessen axiale Ausdehnung abhängt
von der ihm zugeführten
elektrischen Energie. Der Piezo-Stellantrieb 75 wirkt auf
einen Ventilkörper 77 des
Steuerventils 43 ein und bestimmt somit die Schaltstellung
des Steuerventils 43. Ein Leerhub zwischen dem Piezo-Stellantrieb 75 und
dem Ventilkörper 77 ist
durch ein Spiel zwischen dem Piezo-Stellantrieb 75 und
dem Ventilkörper 77 in
einem Zustand gegeben, in dem dem Piezo-Stellantrieb 75 keine elektrische
Energie zugeführt
ist. Der Leerhub umfasst jedoch auch eine durch eine elastische
Verspannung des Piezo-Stellantriebs 75 in dem Injektor 7–13 hervorgerufene
kontinuierliche Kraftzunahme beim Zuführen von elektrischer Energie
bis zum Öffnen
des Steuerventils. Ein Zuführen
von elektrischer Energie innerhalb des Leerhubs des Piezo-Stellantriebs 75 führt somit
nicht zu einer Längung
des Piezo-Stellantriebs 75, die sich auf der dem Ventilkörper 77 zugewandten
Seite auswirkt, wenn der Piezo-Stellantrieb 75 an dem Ventilkörper 77 anliegt. Insbesondere
bei sehr hohen Drücken
in dem Steuerraum 55 kann beispielsweise der Ventilkörper 77 bereits
in Anlage sein mit dem Piezo-Stellantrieb 75 auch wenn
diesem keine elektrische Energie zugeführt ist.
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Befindet
sich das Steuerventil 43 in seiner Schließstellung
so kann über
die Ablaufdrossel 73 kein Fluid abfließen und der Druck steigt somit
in dem Steuerraum 55 an, bis er den Druck in dem Fluid-Hochdruckspeicher 31 in
etwa erreicht. Wird das Steuerventil 43, also insbesondere
der Ventilkörper 77,
aus seiner Schließstellung
heraus bewegt, so kann Fluid von dem Steuerraum 55 über die
Ablaufdrossel 73 vorbei an dem Ventilkörper 77 hin zu dem Niederdruckraum 49 abfließen. Dies
hat zur Folge, dass der Druck in den Steuerraum 55 sinkt
abhängig von
dem Verhältnis
der Drosselwirkungen der Ablaufdrossel und der Zulaufdrossel und,
falls der Ventilkörper 77 einen
derart geringen freien Querschnitt freigibt, dass auch in diesem
Bereich eine Drosselung des Abflusses von Fluid erfolgt, auch abhängig von der
Stellung des Ventilkörpers 77.
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Mit
sinkendem Druck in dem Steuerraum 55 nimmt auch die erste
Kraft ab, die über
den Steuerkolben 53 auf die Düsennadel 57 einwirkt.
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Selbst
wenn das Steuerventil 43 sich in seiner Schließstellung
befindet, erfolgt eine Leckage von dem Steuerraum 55 hin
zu dem Niederdruckraum 49. Die Leckage wird hervorgerufen
durch Fluid, das von dem Steuerraum 55 durch einen Spalt zwischen
der Wandung der Ausnehmung 51 des Injektorgehäuses 37 und
dem Steuerkolben 53 hin zu dem Niederdruckraum 49 strömt. Diese
Leckage ist druckabhängig
und steigt mit steigendem Druck in dem Steuerraum, gegebenenfalls
verstärkt
durch eine bei hohen Drücken
auftretende leichte Aufweitung des Spalts aufgrund der hohen Kräfte.
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Alternativ
kann die Düsennadel 57 hydraulisch
gekoppelt sein mit dem Steuerraum 55 und somit der Steuerkolben 53 entfallen.
In diesem Fall ist dann die Leckage an Fluid in dem Steuerraum 55 vernachlässigbar,
wenn das Steuerventil 43 in seiner Schließstellung
ist.
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Ein
Programm zum Steuern des Injektors 7–13 ist in der Steuereinrichtung 35 in
einem Programmspeicher gespeichert und wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine
abgearbeitet, und zwar bevorzugt für jeden der Injektoren 7, 9, 11, 13.
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Das
Programm zum Steuern des Injektors gemäß der nachfolgenden Schritte
ist geeignet zum Bestimmen eines Maßes für den Leerhub des Steuerventils.
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Das
Programm wird in einem Schritt S1 gestartet (5), in dem
gegebenenfalls Variablen initialisiert werden. Der Start des Programms
kann grundsätzlich
zu einem beliebigen Zeitpunkt während des
Betriebs der Brennkraftmaschine erfolgen. Bevorzugt erfolgt der
Start, wenn kein Kraftstoff in den Flu id-Hochdruckspeicher 31 gefördert wird
und wenn bevorzugt auch kein Kraftstoff über die Injektoren 7 bis 13 in
die Brennräume
der Zylinder Z1 bis Z4 zugemessen werden soll.
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In
einem Schritt S3 wird eine Ladezeitdauer T_L und bevorzugt eine
Entladezeitdauer T_EL ermittelt. Die Ladezeitdauer T_L, und/oder
die Entladezeitdauer T_EL können
denjenigen entsprechen, die für
den Betrieb des Injektors 7–13 mit Zumessung von
Kraftstoff vorgesehen ist. Sie können
jedoch auch von diesen Werten abweichen, insbesondere größer sein
und entsprechend entweder fest vorgegeben sein oder abhängig von
mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine
vorgegeben sein, wobei Betriebsgrößen die Messgrößen der Sensoren
und davon abgeleitete Größen umfassen.
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In
einem Schritt S5 wird einer Ansteuerzeitdauer T_CTRL des Piezo-Stellantriebs 75 eine Start-Ansteuerzeitdauer
T_CTRL_ST zugeordnet. Ferner wird einer dem Piezo-Stellantrieb 75 zuzuführenden
elektrischen Energie E eine Start-Energie E_ST zugeordnet. Die Start-Energie
E_ST und die Start-Ansteuerzeitdauer
T_CTRL_ST für
den Piezo-Stellantrieb 75 sind bevorzugt so vorgegeben, dass
ein entsprechend ausgeführter
Ansteuerpuls sicher nicht zur Folge hat, dass Kraftstoff durch das Einspritzloch 61 in
einen der Brennräume
der Zylinder Z1 bis Z4 zugemessen wird. Die Ansteuerzeitdauer T_CTRL_ST
ist bevorzugt repräsentativ
für einen
Zeitraum, von dem zu Beginn mit dem Zuführen von elektrischer Energie
zu dem Piezo-Stellantrieb 75 begonnen wird und zu dessen
Ende ein Entladevorgang des Piezo-Stellantriebs erfolgt. Bevorzugt wird
der Entladevorgang am Ende des Zeitraums gestartet.
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In
einem bevorzugt aber nicht notwendigerweise vorhandenen Schritt
S7 wird anschließend
geprüft,
ob das Volumen stromsteuerventil VCV in seinem Schließzustand
CL ist, in dem kein oder lediglich ein geringer Leckagestrom an
Fluid durch das Volumenstromsteuerventil VCV hin zu der Hochdruckpumpe 29 strömt und somit
von der Hochdruckpumpe 29 ebenfalls kein Fluid oder lediglich
der Leckagestrom des Volumenstromsteuerventils VCV in den Fluid-Hochdruckspeicher 31 gefördert wird.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S7 nicht erfüllt, so wird das Programm in
einem Schritt S15 beendet.
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Ansonsten
wird die Bearbeitung in einem Schritt S9 fortgesetzt, in dem der
Piezo-Stellantrieb 75 für
die Ansteuerzeitdauer T_CTRL unter Zuführen der elektrischen Energie
E angesteuert wird mit der in dem Schritt S5 ermittelten Ladezeitdauer
T_L und der Entladezeitdauer T_EL. Das Zuführen der elektrischen Energie
E zu dem Piezo-Stellantrieb 75 erfolgt bevorzugt durch
direktes Vorgeben der zuzuführenden
elektrischen Energie E, es kann jedoch beispielsweise auch erfolgen
durch ein entsprechendes Vorgeben eines Stromverlaufs oder auch
eines Spannungsverlaufs, wobei in diesen Fällen bevorzugt temperaturabhängige Kapazitätsveränderungen
des Piezo-Stellantriebs
zumindest berücksichtigt
werden sollten.
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Die
zeitliche Lage der jeweiligen Ansteuerzeitdauer T_CTRL bezogen auf
den Kurbelwellenwinkel ist dann frei wählbar, wenn eine entsprechende
Funktion zum Umsetzen einer Ansteuerung einer Endstufe der Steuereinrichtung 35 dies
zu einem beliebigen Zeitpunkt zulässt und ebenfalls die Endstufe so
ausgelegt ist. Häufig
ist jedoch die Steuereinrichtungen 35 dazu ausgebildet,
den Piezo-Stellantrieb 75 jeweils nur innerhalb des dem
jeweiligen Zylinder Z1 bis Z4 zugeordneten Zylindersegments ZS1–ZS4 anzusteuern.
Unter dem Zylindersegment ZS1 bis ZS4 ist derjenige Kurbelwellenwinkel
und somit ein entsprechender Zeitbereich zu verstehen, der sich aus
dem Kurbelwellenwinkel für
einen Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine dividiert durch die Anzahl der
Zylinder ergibt. Bei einer Brennkraftmaschine mit einem Arbeitszyklus
von 720° Kurbelwelle
und beispielsweise vier Zylindern beträgt somit ein Zylindersegment
180° Kurbelwellenwinkel.
Die dem jeweiligen Zylindersegment zugeordnete Zeitdauer ist dann abhängig von
der aktuellen Drehzahl der Kurbelwelle 15. Die den jeweiligen
Zylindern zugeordneten Zylindersegmente haben eine vorgegebene Lage
in Bezug auf eine Referenz-Winkelposition der Kurbelwelle, die beispielsweis
ein oberer Totpunkt des Kolbens bei Zündung sein kann.
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In
einem Schritt S11 wird anschließend
geprüft,
ob der Druckverlauf P_V, der durch den Hochdrucksensor 33 erfasst
wird, einen charakteristischen Druckverlauf P_V_M hat für eine Bewegung
des Steuerventils 43 heraus aus seiner Schließstellung, ohne
dass ein Zumessen von Fluid durch das Einspritzloch 61 erfolgt.
Der charakteristische Druckverlauf P_V_M ist bevorzugt durch entsprechende
Versuche oder Simulationen vorab ermittelt und ist in dem Datenspeicher
der Steuereinrichtung 35 gespeichert. Bevorzugt ist er
so ermittelt, dass der Ventilkörper 77 und
somit das Steuerventil 43 sich lediglich geringst möglich aus
seiner Schließstellung
heraus bewegt und somit ein minimaler Fluss an Kraftstoff von dem
Steuerraum 55 durch die Ablaufdrossel 73 vorbei
an dem Steuerventil 43 hin zu dem Niederdruckraum 49 strömt, wenn
der Druckverlauf P_V dem charakteristischen Druckverlauf P_V_M entspricht.
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Bevorzugt
ist die Bedingung des Schrittes S11 auch dann erfüllt, wenn
der Druckverlauf P_V in einem vorgebbaren, vorzugsweise engem, Wertebereichsfenster
um den charakteristischen Druckverlauf P_V_M liegt. Der charakteristische
Druckverlauf P_V_M kann beispielsweise repräsentiert sein durch eine vorgebbare Änderung
des Drucks oder eine vorgebbare Änderungsgeschwindigkeit
des Drucks, die auch als Gradient bezeichnet wird, oder auch eine weitere
entsprechend repräsentative
Größe.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S11 nicht erfüllt, so wird in einem Schritt
S17 zu der Ansteuerzeitdauer T_CTRL eine Inkrementierungszeitdauer
DT hinzuaddiert. Darüber
hinaus oder auch alternativ dazu wird in dem Schritt S17 der zuzuführenden
elektrischen Energie E eine Inkrementierungsenergie DE hinzuaddiert.
Die Inkrementierungszeitdauer DT und die Inkrementierungsenergie
DE sind mit so kleinen Werten belegt, dass mit hoher Wahrscheinlichkeit
sichergestellt werden kann, dass bei einem entsprechenden Ansteuern
des Injektors 7–13 in
einem nachfolgenden Durchlauf des Schrittes S8 weiterhin kein Zumessen
von Kraftstoff durch das Einspritzloch 61 erfolgt.
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Je
nach Ausgestaltung des Programms kann auch nur entweder die Ansteuerzeitdauer
T_CTRL oder die zuzuführende
elektrische Energie E in dem Schritt S17 variiert werden. Dies kann
auch bei aufeinander folgenden Durchläufen des Schrittes S17 unterschiedlich
erfolgen. Im Anschluss an den Schritt S17 wird dann die Bearbeitung
in dem Schritt S7 fortgesetzt.
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Ist
die Bedingung des Schrittes S11 hingegen erfüllt, so wird in einem Schritt
S13 einer Ziel-Ansteuerzeitdauer T_CTRL_Z die Ansteuerzeitdauer T_CTRL
zugeordnet. Ferner wird in dem Schritt S13 einer Ziel-Energie E_Z
die zuzuführende
elektrische Energie E zugeordnet. Das Verfahren wird anschließend in
dem Schritt S15 beendet.
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Die
in dem Schritt S13 ermittelte Ziel-Energie E_Z und die Ziel-Ansteuerzeitdauer
T_CTRL_Z können
jeweils für
sich al lein oder in Kombination ein Maß für den Leerhub des Steuerventils 43 sein.
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Abhängig von
beispielsweise auch in der Steuereinrichtung 35 gespeicherten
Referenzwerten für
die Ziel-Energie E_Z beziehungsweise die Ziel-Ansteuerzeitdauer
T_CTRL_Z können
dann für den
folgenden Betrieb des Injektors 7 bis 13 mit Zumessung
von Kraftstoff durch das Einspritzloch 61 dafür vorgesehene
Ansteuerzeiten oder auch zuzuführende
elektrische Energien entsprechend angepasst werden und somit ein
sehr präzises
Zumessen der gewünschten
Kraftstoffmenge erreicht werden. Darüber hinaus können die
Ziel-Ansteuerzeitdauer T_CTRL_Z und/oder die Ziel-Energie E_Z auch
eingesetzt werden für
eine Diagnose des Injektors 7–13. So kann beispielsweise
bei Überschreiten
eines oder beider Werte der Ziel-Ansteuerzeitdauer
T_CTRL_Z oder der Ziel-Energie E_Z auf einen Fehler in dem Injektor
geschlossen werden und entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden,
die beispielsweise in einem nicht mehr weiter erfolgenden Ansteuern
des Injektors bestehen können
oder einer Warnmeldung an einen Benutzer eines Fahrzeugs, in dem
die Brennkraftmaschine angeordnet ist.
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Bevorzugt
wird das Programm zum Steuern des Injektors gemäß der 5 für jeden
der Injektoren 7–13 durchgeführt und
somit können
dann auch für
jeden der Injektoren 7–13 unterschiedliche
Ansteuerzeitdauern T_CTRL_Z und Ziel-Energien E_Z ermittelt werden.
Dadurch können
somit injektorspezifische Unterschiede ausgeglichen werden und somit
eine über
die Zylinder Z1 bis Z4 der Brennkraftmaschine gleichmäßige Zumessung
von Kraftstoff gewährleistet
werden.
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Bevorzugt
wird das Programm gemäß der 5 in
einem Betriebszustand des Schubbetriebs des Fahrzeugs, während dessen kein
Kraftstoff in die Zylinder der Brennkraftmaschine zugemessen wird, abgearbeitet
oder auch abgearbeitet unmittelbar im Anschluss an das Abstellen
der Brennkraftmaschine.
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In
diesen Betriebszuständen
erwartet ein Nutzer der Brennkraftmaschine, dass er keine Geräusche hervorgerufen
durch ein Betätigen
der Injektoren 7 bis 13 wahrnimmt. Aus diesem
Grund ist es für
ein hohes Komfortgefühl
des Nutzers des Fahrzeugs wichtig, die Schallemissionen, die durch
das Durchführen
des Programms gemäß der 5 hervorgerufen
werden, so zu minimieren, dass sie zumindest subjektiv durch den
Nutzer des Fahrzeugs nicht oder zumindest nicht als störend wahrgenommen
werden. Zu diesem Zweck können
neben einer geeigneten Auswahl der Ladezeitdauer T_L oder der Entladezeitdauer
T_EL, wie dies anhand des Schrittes S3 dargestellt wurde auch noch
weitere Maßnahmen
vorteilhaft durchgeführt
werden, die im folgenden anhand der 6A bis 6D und 7 erläutert werden.
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In
den 6A bis 6D sind
jeweils den jeweiligen Einspritzventilen 7–13 der
jeweiligen Zylinder Z1 bis Z4 zugeordnete Ansteuerpulse aufgetragen,
die jeweils bei der Durchführung
des Schrittes S9 in dem jeweiligen Injektor 7 bis 13 erzeugt
werden. Ansteuerpulse für
den Piezo-Stellantrieb 75 des Injektors 7, der
dem Zylinder Z1 zugeordnet ist werden jeweils in dem dem Zylinder
Z1 zugeordneten Zylindersegment ZS1 durchgeführt. Entsprechendes gilt für die Ansteuerpulse
der restlichen Injektoren 9–13. Die Höhe der Ansteuerpulse
kann repräsentativ
sein für
die während
des Ansteuerpulses zugeführte
Energie E. Die jeweiligen Ansteuerpulse werden in Bezug auf das
jeweilige Zylindersegment bezüglich
ihres Beginns und/oder Endes variiert, was anhand ihrer unterschiedlichen
Lage bezüglich
des jeweiligen Zylindersegments ZS1– ZS4 erkennbar ist. Darüber hinaus
werden auch das Ende und/oder der Beginn der jeweiligen Ansteuerzeitdauer
T_CTRL verschiedenen Injektoren 7–13 zugeordneter Ansteuerpulse
relativ zueinander variiert. Dies ist ebenfalls anhand der unterschiedlichen
Lage der Ansteuerpulse bezogen auf den jeweiligen Beginn des jeweiligen Zylindersegments
ZS1 bis ZS4 in den Signalverläufen
der 6A bis 6D der
Fall. Durch ein entsprechendes Abstimmen dieses in Bezug auf das
jeweilige Zylindersegment Variierens kann gezielt ein gewünschtes
Schallspektrum erzeugt werden, das beispielsweise durch den Nutzer
entweder gar nicht wahrgenommen wird oder lediglich als Rauschen wahrgenommen
wird oder sich in sonstige Betriebsgeräusche der Brennkraftmaschine
einfügt.
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Die
Darstellung der Ansteuerpulse in den 6A bis 6D muss
nicht notwendigerweise der tatsächlichen
Signalform der entsprechenden physikalischen Größen entsprechen. Insbesondere
wird zum Ende der Ansteuerzeitdauer die dem Piezo-Stellantrieb 75 zugeführte elektrische
Energie wieder entnommen.
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Anhand
der 7 ist ein möglicher
Verlauf eines Ansteuerpulses detaillierter dargestellt. Während der
Ansteuerzeitdauer T_CTRL wird für
die vorgegebene Ladezeitdauer T_L elektrische Energie dem Piezo-Stellantrieb 75 zugeführt. Dies
erfolgt bevorzugt durch entsprechende Energiepulse, die bevorzugt
in ihrer Höhe
und somit der zugeführten
Leistung PEL variiert werden, wenn die zuzuführende Energie E verändert wird.
Direkt im Anschluss an den Abschluss der Ansteuerzeitdauer T_CTRL
wird dann der Piezo-Stellantrieb 75 durch entsprechende
Entladepulse entgegengesetzter Polarität wieder entladen und zwar über die
Entladezeitdauer T_EL.
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Der
Begriff des Kraftstoffs ist in den Ausführungsbeispielen lediglich
beispielhaft verwendet für ein
spezielles Fluid. Er kann jedoch auch ersetzt sein durch Fluid.