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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Einspritzventils
insbesondere einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, wobei
das Einspritzventil einen piezoelektrischen Aktor umfasst, der mit
einer Ventilnadel verbunden ist und an den piezoelektrischen Aktor
eine elektrische Spannung angelegt wird, die zu einer Längenausdehnung
bzw. Verkürzung
des piezoelektrischen Aktors führt,
wobei zum Öffnen
des Einspritzventils mindestens eine Öffnungsspannung angelegt wird.
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Ein
derartiges Einspritzventil ist beispielsweise aus der DE 10 2004
046080 bekannt.
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Probleme des
Standes der Technik
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Bei
Einspritzsystemen mit Piezostellern (z.B. CRI3, UI) werden aufgrund
der höheren
Stromspitzen im Ladevorgang erhöhte
Elektromagnetische Abstrahlungen gemessen. Diese führen z.B.
zu Störungen
des Radioempfangs im MW-Bereich. Ein weiterer Nachteil ist die Geräuschemission
des Einspritzsystems, bedingt durch den piezoelektrischen Aktor
wird ein metallisches Klicken speziell im Leerlauf erzeugt. Die
Intensität
des Geräusches
wird durch Ladezeit und Ansteuerspannung variiert.
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Vorteile der Erfindung
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Dieses
Problem wird gelöst
durch ein Verfahren zum Betrieb eines Einspritzventils insbesondere einer
Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, wobei das Einspritzventil
einen piezoelektrischen Aktor umfasst, der mit einer Ventilnadel
verbunden ist und an den piezoelektrischen Aktor eine elektrische Spannung
angelegt wird, die zu einer Längenausdehnung
bzw. Verkürzung
des piezoelektrischen Aktors führt,
wobei zum Öffnen
des Einspritzventils mindestens eine Öffnungsspannung angelegt wird,
wobei die Spannung zwischen zwei Einspritzungen auf eine Restspannung
größer als
Null Volt und kleiner als der Öffnungsspannung
verringert wird. Bei der Öffnungsspannung öffnet das
Einspritzventil sodass eine Einspritzung abgesetzt wird. Die Öffnungsspannung
oder auch charakteristische Spannung hängt unter anderem vom Raildruck
und geometrischen Größen des
Einspritzventils, beispielsweise Form und Durchmesser von Ventilnadel
und Ventilsitz, dem Hub der Ventilnadel, der Kapazität und dem
Hubvermögen
des Aktors und der gewünschten
Einspritzmengentoleranz ab.
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Durch
das erfinderische Verfahren wird die elektromagnetische Abstrahlung
reduziert. Durch geringere Effektivströme beim Öffnen und Schließen der
Einspritzventile wird die Energiebilanz des Einspritzsystems verbessert.
Des Weiteren werden die Geräuschemissionen
des piezoelektrischen Aktors bzw. des Einspritzventils verringert.
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In
einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Spannung nach Absetzen
eines Einspritzzyklus auf etwa Null Volt verringert wird. Unter
einem Einspritzzyklus wird hier eine Serie von Einspritzungen, die
zum gleichen Arbeitstakt eines Zylinders gehören verstanden. Dies können z.B.
Vor- Haupt- und Nacheinspritzung oder dergleichen sein.
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In
einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Spannung mit der ersten
Einspritzung eines Einspritzzyklus von etwa Null Volt auf eine Spannung größer der Öffnungsspannung
erhöht
wird und nach der ersten Einspritzung bis zur nächsten Einspritzung desselben
Einspritzzyklus auf eine Restspannung größer als Null Volt und kleiner
als der Öffnungsspannung
verringert wird. Auf diese Weise wird die an dem piezoelektrischen
Aktor anliegende Spannung innerhalb des Einspritzzyklus auf der
Restspannung gehalten und außerhalb
des Einspritzzyklus auf etwa null Volt gebracht, sodass keine oder
nur eine unwesentliche Lebensdauerbeeinträchtigung auftritt.
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Vorteilhaft
ist des Weiteren, wenn die Restspannung abhängig von einem Raildruck der
Einspritzanlage der Brennkraftmaschine ist. Der Raildruck ist der
Druck, mit dem das Einspritzventil beaufschlagt ist und gegen den
dieses Öffnen
muss. Die Restspannung wird in Abhängigkeit des Raildruckes so
gewählt,
dass das Einspritzventil bei angelegter Restspannung nicht öffnet.
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Das
Eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Einspritzanlage
einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Einspritzventil, das einen
piezoelektrischen Aktor umfasst, der mit einer Ventilnadel verbunden
ist und an den piezoelektrischen Aktor eine elektrische Spannung
angelegt werden kann, die zu einer Längenausdehnung bzw. Verkürzung des
piezoelektrischen Aktors führt,
wobei zum Öffnen
des Einspritzventils mindestens eine Öffnungsspannung angelegt wird,
wobei die Spannung zwischen zwei Einspritzungen auf eine Restspannung
größer als
Null Volt und kleiner als der Öffnungsspannung
verringert werden kann.
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Das
Eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Brennkraftmaschine
umfassend eine Einspritzanlage mit mindestens einem Einspritzventil,
das einen piezoelektrischen Aktor umfasst, der mit einer Ventilnadel
verbunden ist und an den piezoelektrischen Aktor eine elektrische
Spannung angelegt werden kann, die zu einer Längenausdehnung bzw. Verkürzung des
piezoelektrischen Aktors führt, wobei
zum Öffnen
des Einspritzventils mindestens eine Öffnungsspannung angelegt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung zwischen zwei Einspritzungen
auf eine Restspannung größer als Null
Volt und kleiner als der Öffnungsspannung
verringert werden kann.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs
mit einem einen piezoelektrischen Aktor aufweisenden Einspritzventil;
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2 ein
Diagramm der Einspritzmenge über
der Aktorspannung;
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3 Spannungs-
und Stromverlauf an dem Aktor über
der Zeit;
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4 ein
Ablaufdiagramm des Verfahrens.
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In
der 1 ist eine Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs
dargestellt, die ein Steuergerät 10 und
ein Einspritzventil 11 aufweist. Das Einspritzventil 11 ist
mit einem piezoelektrischen Aktor 12 versehen, der von
dem Steuergerät 10 angesteuert
wird. Weiterhin weist das Einspritzventil 11 eine Ventilnadel 13 auf,
die auf einem Ventilsitz 14 im Inneren des Gehäuses des
Einspritzventils 11 aufsitzen kann.
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Ist
die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz abgehoben, so ist
das Einspritzventil 11 geöffnet und es wird Kraftstoff
eingespritzt. Dieser Zustand ist in der 1 dargestellt.
Sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14 auf,
so ist das Einspritzventil 11 geschlossen. Der Übergang
von dem geschlossenen in den geöffneten
Zustand wird mit Hilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt.
Hierzu wird eine elektrische Spannung (Aktorspannung) U an den Aktor 12 angelegt,
die eine Längenänderung
eines Piezostapels hervorruft, die ihrerseits zum Öffnen bzw.
Schließen
des Einspritzventils 11 ausgenutzt wird.
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2 zeigt
ein Diagramm der eingespritzten Kraftstoffmenge Q über der
an dem piezoelektrischen Aktor 12 anliegenden Spannung
U. Die Spannung U ist aufgetragen über der Abszisse, die eingespritzte
Kraftstoffmenge Q ist über
der Ordinate aufgetragen. Bis zu einem Öffnungsspannungswert U_C, auch
als charakteristische Spannung bezeichnet, erfolgt keine Einspritzung,
die eingespritzte Kraftstoffmenge Q ist gleich Null. Wird die Öffnungsspannung
U_C überschritten,
so steigt die eingespritzte Kraftstoffmenge Q mit einem sehr hohen Gradienten
an und erreicht bei weiterer Erhöhung
der an dem piezoelektrischen Aktor 12 anliegenden Spannung
U einen Sättigungswert.
Die Öffnungsspannung
U_C hängt
von den geometrischen Größen des
Einspritzventils, beispielsweise Form und Durchmesser von Ventilnadel 13 und
Ventilsitz 14, dem Hu der Ventilnadel 13, der
Kapazität
und dem Hubvermögen
des Aktors 12 und der gewünschten Einspritzmengentoleranz
ab. Unterhalb der Öffnungsspannung
U_C erfolgt keine Einspritzung.
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In 3 ist
im oberen Diagramm der erfindungsgemäße Spannungsverlauf U an dem
Aktor 12 über
der Zeit t dargestellt, im unteren Diagramm ist der dazugehörige Stromverlauf
I über
der Zeit t dargestellt. Eine Kurve I im oberen Diagramm der 3 bezeichnet
den erfindungsgemäßen Spannungsverlauf,
eine Kurve II zeigt zum Vergleich den Spannungsverlauf nach Stand
der Technik. Eine Einspritzung erfolgt zwischen den Zeitpunkten
t_1 und t_2 sowie zwischen t_3 und t_4. Dazu wird die Aktorspannung
Q jeweils auf einen Wert U1 angehoben, so dass das Einspritzventil öffnet. Nach
Stand der Technik, dies ist die gestrichelt eingezeichnete Linie mit
den Bezugszeichen II in 3, wird die Aktorspannung U
zwischen den Einspritzungen jeweils auf Null zurückgefahren, vor dem Zeitpunkt
t-1 sowie zwischen den Zeitpunkten t_2 und t_3 und nach dem Zeitpunkt
t_4 beträgt
die Aktorspannung U also Null. In dem Diagramm der 3 ist
beispielhaft eine Abfolge zweier Einspritzungen als Vor- und Haupteinspritzung
dargestellt, hier können
aber auch mehrere einzelne Einspritzungen, beispielsweise als Vor-, Haupt-
sowie Nacheinspritzung, ausgeführt
werden.
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Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, dass außerhalb
der eigentlichen Einspritzungen die Aktorspannung U nicht mehr auf
den Wert Null, sondern auf eine Restspannung U_R unterhalb von U_C
zurückgefahren
wird, so dass zwar noch eine Aktorspannung größer Null anliegt, diese aber
nicht zum Öffnen
des Einspritzventils genügt.
Dieser Spannungsverlauf ist mit der durchgezogenen Linie, die mit
dem Bezugszeichen I versehen ist, im oberen Diagramm der 3 dargestellt.
Wie zu erkennen ist, wird die Spannung während Einspritzungen zwischen
den Zeitpunkten t_1 und t_2 sowie t_3 und t_4 wie im Stand der Technik
auf den Wert U1 angehoben. Außerhalb
dieser Zeiträume
wird die Spannung nicht auf Null zurückgefahren, sondern auf eine
Restspannung U_R unterhalb der Öffnungsspannung U_C.
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Die
Aktorspannung U kann dabei sowohl positiv als auch negativ sein
und kann wie aus dem Stand der Technik bekannt zwischen Einspritzzyklen umgepolt
werden, um Alterungsprozessen des Aktors entgegenzuwirken.
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Dem
unteren Diagramm der 3 ist der zum Spannungsverlauf
im oberen Diagramm der 3 zugehörige Stromverlauf dargestellt.
Die gestrichelte Kurve mit dem Ordinatenwert Null im unteren Diagramm
der 3 bezeichnet einen Strom von 0 Ampere. Je nach
Richtung der Spannungsänderung
fließt
hier ein positiver oder negativer Ausgleichsstrom, dies ist entsprechend
durch nach oben bzw. unten, sprich zu positiven oder negativen Werten
hin aufgetragene Stromwerte dargestellt. Da der piezoelektrische
Aktor 12 eine im wesentlichen kapazitive Last ist, fließen Ausgleichsströme jeweils
mit Spannungsänderungen.
Spannungssprünge
finden zu den Zeiten t_1, t_2, t_3 sowie t_4 statt, entsprechend
fließen
in diesen Augenblicken Ausgleichsströme I, die kurze Zeit später wieder
auf den Wert Null zurückgehen.
Dies äußert sich
in einem sprunghaft ansteigenden Ausgleichsstrom, der langsam abfällt und
kurze Zeit später
wieder auf Null zurückgeht. Wie
aus dem Diagramm zu erkennen ist, ist der Ausgleichsstrom bei Verfahren
nach Stand der Technik insgesamt wesentlich höher als nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
da die Spannungsprünge entsprechend
höhere
sind. Das jeweilige Integral über
dem Stromverlauf liefert – so
wie das entsprechende Integral über
dem Spannungsverlauf – ein Maß für die jeweilige
elektrische Leistung. Die Verschiebeströme und die entsprechende elektrische Leistung
sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geringer
als bei Verfahren nach Stand der Technik. Der Spitzenwert des Ausgleichsstromes
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
beträgt
I_1, der Spitzenwert des Ausgleichsstromes nach dem Verfahren nach
Stand der Technik beträgt
I_2 und ist wie dem unteren Teil des Diagramms von 3 zu
entnehmen ist, wesentlich höher
als der maximale Ausgleichsstrom nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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4 zeigt
ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. Sobald eine
Einspritzung beendet ist, dies ist als Schritt 101 gekennzeichnet,
wird die Spannung U am piezoelektrischen Aktor 12 in Schritt 102 auf
einen Wert kleiner der Öffnungsspannung
U_C zurückgefahren.
Mit Beginn der nächsten
Einspritzung, als Schritt 103 gekennzeichnet, wird in Schritt 104 die
Spannung wieder gegen den Wert U1 erhöht und in Schritt 105 eine
Einspritzung abgesetzt. Sodann beginnt das Verfahren schleifenartig
mit Schritt 101 erneut.