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Die
Erfindung betrifft die Ermittlung des Öffnungszeitpunkts eines hydraulischen
Servoventils, das über
einen Hub eines Piezoaktors geöffnet
wird.
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Einspritzsysteme
mit einer Brennstoff-Direkteinspritzung für Brennkraftmaschinen sind
allgemein bekannt. Die derzeit bestehenden Probleme liegen im Bereich
der Geräuschentwicklung
und der Schadstoffemission. Dabei ist es wünschenswert, bestimmte Grenzen
bei der Geräuschentwicklung
einzuhalten sowie bestimmte Schadstoffemissions-Grenzen zu erfüllen. Gleichzeitig
sollen die Systemkosten verringert werden. Um diesen Anforderungen
insgesamt zu entsprechen, wird durch einfache Anpassungen die Komplexität des Einspritzkennfeldes
erhöht,
was sich beispielsweise in so genannten Mehrfacheinspritzungen für einen
einzigen Zündvorgang
auswirkt. Dies bedeutet gleichzeitig, dass mehrfach kleine Mengen
von Brennstoffen eingespritzt werden, wodurch gleichzeitig wiederum
die Anforderung der genauen Dosierung zu berücksichtigen ist. Der wichtigste
Parameter für
eine gute Zerstäubung
ist dabei bei der Betrachtung von Flüssig-Brennstoffen der Kraftstoffdruck. Ähnliches
gilt für
gasförmige
Kraftstoffe. Mittelfristig wird der Druck von flüssigen Brennstoffen auch noch
weiter erhöht
werden. Derzeitiger Stand, beispielsweise für ein Common-Rail-System, sind
beispielsweise 1800 bar.
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Das
Einspritzventil wird indirekt über
das Servoventil angetrieben, mit Common-Rail-Druck versorgt und
mit Hilfe eines Steuerventils indirekt geöffnet bzw. geschlossen wird.
Dieses System lässt sich
in Form eines hydraulischen Ersatzschaltbildes entsprechend 1 beschreiben.
Um ein ungewolltes Öffnen
dieses Ventils zu verhindern, wird zwischen der Piezoaktoreinheit
und dem Steuerventil ein mechanischer Spalt eingestellt, den der
Piezoaktor bei einem Hub als so genannten Leerhub überwinden
muss. Die Einspritzmenge wird im Wesentlichen vom Kraftstoffdruck
und Zeitsteuerung des Steuerventils bestimmt. In diesem Zusammenhang sind
unterschiedlich große
Leerhübe
bei der Zeitsteuerung hinsichtlich des Öffnen des Steuerventils zu
beachten.
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Für unterschiedliche
temperaturbedingte Materialausdehnungen an Systemen mit unterschiedlichen
Materialien können
unterschiedliche Spielausgleichs-Elemente oder Methoden angewandt
werden. Es ist bekannt, ein hydraulisches Spielausgleichs-Element einzusetzen.
Dieses sorgt für
die Bereitstellung eines harten Lagers bzw. einer harten Abstützung, wenn
eine schnelle Hubbewegung auszuführen
ist. Für
langsame Bewegungen ist dieses System jedoch anpassungsfähig. Somit
wird ein reproduzierbarer Ausgangspunkt für den Hubvorgang zur Öffnung des
Ventils sichergestellt. Ähnliches
wird beispielsweise mit einem so genannten thermischen Spielausgleich
erreicht. Bei diesem wird eine Werkstoffpaarung vorgesehen, die
für den
normalen Betriebs-Temperaturbereich derart ausgelegt ist, dass sich
die Funktionalität
des Einspritzventils bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen
nicht verändert.
Dieser thermische Spielausgleich funktioniert in einem quasi statischen
Zustand sehr gut. Das System zeigt jedoch Schwächen bei schnellen Temperaturänderungen.
Wird die dadurch entstehende Leerhubvariation nicht ausgeglichen,
so führt
dies zu Fehlern in der Zeitsteuerung. Dies wird insbesondere bei
kleinen Einspritzmengen zu großen
relativen Mengenstreuungen führen.
Ein weiterer Punkt, der bei einem thermischen Spielausgleich zu
berücksichtigen
ist, ist der Einfluss der Bauteiltoleranzen auf den Leerhub. Ist
das System beispielsweise nicht in der Lage, eine Leerhubvariation
auszugleichen, so müssten
bei der Injektorfertigung sehr hohe mechanische Toleranzen eingehalten
werden. Dies ist unmittelbar mit hohen Fertigungskosten und einer
hohen Ausschussrate verbunden.
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Wird
von den beiden oben beschriebenen Möglichkeiten für einen
Spielausgleich der thermische Spielausgleich gewählt, so gilt für einen
Piezo-Common-Rail-Injektor, dass dieser nur Vorteile gegenüber einem
hydraulischen Spielausgleich erzielt, wenn es gelingt, den Leerhub
durch das Ansteuersignal zu bestimmen bzw. zu kompensieren.
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Bei
Injektoren ohne hydraulischen Spielausgleich wurden bisher die Probleme
durch einen veränderlichen
Leerhub mit Hilfe von folgenden Maßnahmen gelöst:
Durch erhöhte Fertigungstoleranzen
in Verbindung mit einem thermischen Spielausgleich und einer Ansteuerung
mit sehr hohen Gradienten dU/dt, in den Ansteuerflanken. Mit den
hohen Gradienten verringern sich die Zeitsteuerfehler der durch
einen veränderlichen
Leerhub entstehen würde.
Dieser Lösungsansatz
setzt jedoch voraus, dass das Servoventil als "digitales Schaltventil" betrieben wird.
Kurze Schaltzeiten führen
jedoch zu störenden
Schaltgeräuschen und
die Leistungsbauteile der Ansteuerelektronik müssen auf die hohen, notwendigen
Schaltströme reagieren
und entsprechend angepasst werden. Zudem führt die hohe Dynamik zu zusätzlichen
Belastungen innerhalb der Piezokeramik. Diese neigt bei Überlast
schnell zu Rissen und zu vorzeitigen Ausfällen.
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Die
DE 101 43 501 C1 beschreibt
ein Verfahren zur Bestimmung des Öffnungszeitpunkts eines von
einem piezoelektrischen Aktor mechanisch betätigten Servoventils. Als Öffnungszeitpunkt
wird der Schnittpunkt zweier Geraden definiert, welche eine die
zeitabhängige
Auslenkung des piezoelektrischen Aktors beschreibende Kurve innerhalb
zweier, durch ein Kennfeld vorgegebener Zeitintervalle approximieren.
Die Berechnung der Auslenkung bzw. der Längenänderung des piezoelektrischen
Aktors erfolgt mittels eines die Eigenschaften des Aktors nachbildenden,
nichtlinearen Modells, in das der dem Aktor zugeführte Strom
und die sich am Aktor aufbauende Spannung als Variable/Messwerte
eingehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung
eines Ventilöffnungs-Zeitpunktes
zur Verfügung
zu stellen, welches schnell, reproduzierbar und kostengünstig arbeitet.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination entsprechend
Patentanspruch 1.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen können
den Unteransprüchen
entnommen werden.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Beherrschung eines
Spielausgleichs in einem elektromechanischen System nur durch die
Detektion des Ventilöffnungs-Zeitpunktes beherrschbar ist.
Betrachtet werden insbesondere Common-Rail-Injektoren, die über einen Festkörperaktor angetrieben
werden. Wird zur Vereinfachung des Injektors auf einen hydraulischen
Spielausgleich verzichtet und ist beispielsweise der thermische
Spielausgleich, bei dem die Ausdehnungskoeffizienten verschiedener
Materialien aufeinander abgestimmt werden, nicht ausreichend, so
wird die Erkennung des Zeitpunktes der Ventilöffnung notwendig. Unter Umgehung
von invasiven Maßnahmen
am Injektor werden die elektrischen Signale, die auf einen Festkörperaktor
aufgebracht werden, aufgenommen und ausgewertet. In diesen Signalen
befinden sich gleichzeitig zu den Ansteuersignalen zur Erzeugung
eines Festkörperaktor-Hubes elektrische
Signale, die als Rückwirkung
des Festkörperaktors
betrachtet werden können.
Hier ist insbesondere der Kraftsprung der mit einer Öffnung des
entsprechenden Ventils verbunden ist. Die Grundlage für dieses
Verhalten besteht in der Betrachtung eines Festkörperaktors als einen elektromechanischen Übertrager.
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Da
dem Signalverlauf am Festkörperaktor der
Kraftsprung nicht direkt zu entnehmen ist, sind Signalaufbereitungen
notwendig. Der Kraftsprung an einem Festkörperaktor, wie er z. B. beim Öffnen eines
Servoventils zur Ansteuerung eines Dieselinjektors auftritt, beeinflusst
den Spannungs- und den Stromverlauf an den elektrischen Klemmen
des Festkörperaktors.
Systembedingte hohe Wechselspannungsanteile, die in diesem System überlagert
sind, werden herausgefiltert. Darin stellen die Taktfrequenzen der
Endstufen bzw. Eigenschwingungen der einzelnen Untersysteme, wie
beispielsweise ein Ausgangsfilter, an einer Endstufe dominante Störfrequenzen
dar. Weiterhin kann die Nicht-Linearität des Festkörperaktors bzw. dessen Temperaturabhängigkeit
eliminiert werden. Diese Filterung kann aufwändig sein, da sich die Frequenzen
der beiden Signale zum Teil überschneiden.
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Zur
Berechnung einer Funktion, die den Kraftsprung eindeutig durch einen
Extremwert anzeigt, wird der theoretische Kapazi tätsverlauf
für den Festkörperaktor
als Funktion zweiter Ordnung angesetzt. Der gefilterte Kapazitätsverlauf,
der tatsächlich am
Aktor detektierbar ist, wird um diese theoretische Kurve vermindert.
Die sich ergebende Differenzfunktion zeigt einen Extremwert, dessen
zeitliche Positionierung den Ventil-Öffnungszeitpunkt angibt.
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Im
Folgenden wird anhand von schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden
Figuren ein Ausführungsbeispiel
beschrieben.
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1 zeigt
ein hydraulisches Ersatzschaltbild eines servogetriebenen Hochdruck-Dieselinjektors
mit einem Piezoaktor,
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2 zeigt
die am Festkörperaktor
aufgenommene Spannung in Abhängigkeit
von der Zeit,
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3 zeigt
die detektierbare Ladung in Abhängigkeit
von der Zeit,
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4 zeigt
das Ergebnis der Berechnung einer Differenzkurve zur Erkennung des
Zeitpunktes der Ventilöffnung
eines Injektors.
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Insbesondere
Piezo-Common-Rail-Injektoren mit thermischem Spielausgleich weisen
gegenüber
Injektoren mit hydraulischem Spielausgleich bei gleicher oder höherer Leistung
nur dann einen Kostenvorteil auf, wenn es gelingt, den Leerhub durch das
Ansteuersignal zu bestimmen und bei Bedarf zu kompensieren.
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Der
Piezoaktor, der als elektromechanischer Übertrager betrachtet wird,
wirkt auf das Servoventil eines Piezo-Common-Rail-Injektors, wobei die Hubwirkung
zu einer Öffnung
dieses Ventils führt.
Das Servoventil, welches auch als Absteuerventil bezeichnet wird,
wird sich zunehmend aufgrund der hydrau lischen Hochdruckverhältnisse
von alleine öffnen.
Dieser Verlauf hat eine Rückwirkung
auf den Piezoaktor, welcher das Servoventil anfänglich mit einem Hub beaufschlagen
muss.
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Innerhalb
der Ansteuerflanke dieses Servoventils lässt sich mittels der Erfindung
eine Auswertung durchführen,
so dass der Öffnungszeitpunkt
relativ zum gesamten Verfahrensverlauf ermittelbar ist. Um in dem
Ansteuersignal eines Piezoaktors überlagerte Störfrequenzen
zu eliminieren werden dominante Störfrequenzen aufgrund der Endstufen
bzw. der Eigenschwingungen von einzelnen Taktfrequenzen aus Untersystemen,
wie Ausgangsfilter einer Endstufe, herausgefiltert. Somit muss zunächst das den
Lastsprung/Kraftsprung beinhaltende Nutzsignal von wesentlichen
Störsignalen
getrennt werden. Da der Frequenzabstand zwischen Nutz- und Störsignal, bezogen
auf Schaltfrequenzen, meist groß ist,
ergeben sich diesbezüglich
keine Schwierigkeiten. Den Lastsprung von der Nichtlinearität des Piezoaktors
zu separieren, kann jedoch mit Schwierigkeiten verbunden sein. Dabei
ist es hilfreich, dass der Kapazitätsverlauf eines Piezoaktors
ohne Kraftsprung weitestgehend mit einer Funktion erster, zweiter
oder dritter Ordnung beschrieben werden kann. Ein Kraftsprung ist
grundsätzlich
mit einer Unstetigkeit verbunden. Ergibt sich nun aus der Situation
der theoretischen Grundfunktion, die den Lastsprung nicht enthält, vom gefilterten,
tatsächlichen
Kapazitätsverlauf
eine Differenzfunktion, deren zeitlicher Extremwert dem Zeitpunkt
des Lastsprungs bzw. der Kraftänderung
entspricht.
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Eine
Möglichkeit,
die Grundfunktion zu generieren, besteht beispielsweise darin, eine
Funktion zweiter Ordnung über
einen möglichst
großen
Bereich der Ansteuerflanke an den tatsächlichen Kapazitätsverlauf
anzupassen.
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1 zeigt
ein hydraulisches Ersatzschaltbild für ein Piezoaktor-System, welches über ein
Servoventil eine Düsennadel
zur gezielten Abgabe von Fluidmengen in einen Brennraum steuert.
An der Düsennadel
liegt beispielsweise ein Druck zwi schen 200 und 1800 bar an. Wird über den
Piezoaktor ein mechanischer Hub auf das Servoventil ausgeübt, so wird
dieses anfänglich
geöffnet.
Da am Servoventil ebenfalls Hochdruck ansteht, wird über hydraulisch wirksame
Geometrien eine selbstgängige
weitere Öffnung
ablaufen.
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Die
an den Klemmen des Piezoaktors abgreifbaren elektrischen Werte sind
in den 2 und 3 zunächst ohne Aufbereitung dargestellt.
In Abhängigkeit
von der Zeit sind die Spannung in 2 und die
Ladung in 3 aufgetragen. Der dargestellte
Bereich entspricht der Ansteuerflanke eines piezoelektrischen Aktors.
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Die
aus der Differenzbildung von tatsächlichem Kapazitätsverlauf
und theoretischem Kapazitätsverlauf,
sichtbar in 4, obere beide Graphen, resultierende
Differenzkurve ist in 4 im unteren Bereich aufgetragen.
Diese Differenzkurve zeigt ein Minimum der Kapazität, wobei
grundsätzlich
ein Extremwert einen Lastsprung am piezoelektrischen Aktor signalisiert.
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Die
dynamische Detektion des Ventilöffnungspunktes
ermöglicht
die Messung während
einer Ansteuerflanke. Dadurch ist kein zusätzlicher quasi-stationärer Messpunkt
notwendig, welcher den Piezoaktor und die Leistungselektronik zusätzlich belasten
würde.
Ferner birgt ein Messimpuls die Gefahr, dass das Ventil ungewollt öffnet, wodurch
das Brennverfahren negativ beeinflusst wird. Während einer Mehrfacheinspritzung
kann die Ansteuerflanke für die
Bestimmung des Ventilöffnungspunktes
theoretisch frei gewählt
werden. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise Polarisationsverschiebungen,
auch als Piezokriechen bekannt, ausgeglichen werden können. Gelingt
es, den Ventilöffnungspunkt
ausreichend genau zu bestimmen, so kann dessen Einfluss auf die
Zeitsteuerung und damit auf die Einspritzmenge kompensiert werden.
Dies erlaubt ein langsameres Ventilöffnen, was den Wirkungsgrad
des Systems erhöht.
Gleichzeitig werden Schaltgeräusche
verringert und der Piezaktor wird mechanisch weniger belastet. Ferner
verringern sich lange Öffnungszeiten, die
Peakleistung der Leistungsstufe erfordern. Folglich können Bauelemente
kostengünstig
und mit hohem Wirkungsgrad hergestellt werden.