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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen
Aktors wenigstens eines Injektors, mit dem eine Flüssigkeitsmenge,
insbesondere eine Kraftstoffmenge unter Hochdruck in einen Hohlraum,
insbesondere einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt
wird. Die Erfindung betrifft des weiteren ein Steuergerät für eine Kraftstoffeinspritzanlage
eines Kraftfahrzeugs, eine Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs
sowie ein Computerprogramm für
ein Steuergerät
und ein Speichermedium für
ein Steuergerät.
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Ein
Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors ist allgemein
bekannt und geht beispielsweise aus der
DE 103 06 458 A1 hervor.
Ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors einer
Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs ist ferner aus der
nicht vorveröffentlichten
DE 10 2004 04 608 bekannt.
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Derartige
piezoelektrische Aktoren werden auf eine bestimmte Spannung geladen.
Proportional zur Spannung entwickelt der Aktor einen Hub, der durch
einen hydraulischen Koppler auf ein an sich bekanntes Schaltventil übertragen
wird. Durch dieses Schaltventil wird eine Düsennadel durch ein hydraulisches
Servoprinzip angesteuert.
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Der
hydraulische Koppler dient neben der Hubübersetzung auch dem Ausgleich
von unterschiedlichen temperaturabhängigen Ausdehnungskoeffizienten
der unterschiedlichen Werkstoffe, aus denen der Injektor hergestellt
ist.
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Bei
längeren
Standzeiten der Injektoren, beispielsweise aufgrund längerer Standzeiten
der Fahrzeuge, bei denen derartige Injektoren zur Kraftstoffeinspritzung
zum Einsatz kommen, können
Depolarisationseffekte des Piezokristalls auftreten, welche zur
Folge haben, dass bei einem Start die ersten Hübe des Piezoaktors größer sind
als im normalen Betriebszustand. Darüber hinaus nimmt der piezoelektrische
Aktor im entladenen Zustand nicht seine normale, auch als Resthub
bezeichnete Remanenzdehnung an. Aufgrund der höheren Viskosität des als Hydraulikflüssigkeit
verwendeten Kraftstoffs bei tiefen Umgebungstemperaturen kann hierdurch
der Längenausgleich
im Koppler nicht schnell genug erfolgen. Dies kann zu einem unvollständigen Schließen des
Schaltventils führen,
was wiederum zu einer Leckage des Injektors und damit zu einem Einbrechen
des Raildrucks führt.
Hieraus resultieren erhebliche Beeinträchtigungen des Startverhaltens
der Brennkraftmaschine, insbesondere verlängert sich die Startzeit oder
es kann zu einem Startabbruch kommen, weil z.B. der Mindestdruck
unterschritten wird.
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Um
dies zu vermeiden, werden alle Injektoren vor dem eigentlichen Start
ein bis mehrere Male mit einer definierten Ansteuerdauer abhängig von
der Umgebungstemperatur angesteuert. Aufgrund dieser Polarisierungsfunktion
ist es möglich,
mittels des Kopplers den Resthub auszugleichen. Die Bedatung erfolgt
hierbei mit möglichst
grenzwertigen Injektoren. Eine solche Bedatung hat allerdings zur
Folge, dass die Ansteuerdauer im Mittel zu hoch gewählt wird
und damit die Startzeit verlängert
wird. Darüber hinaus
muss auch noch der Alterungseffekt der Injektoren, der zu einem
möglichen
verlängerten
Resthub in Kombination mit einer schwächeren Pumpe, die zu einem
geringeren Druckaufbau führt,
berücksichtigt werden,
sodass die Ansteuerdauer aufgrund dieser Randbedingungen weiter
verlängert
werden muss.
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Aufgabe und
Vorteile der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen
Aktors zu schaffen, das die Applikation der Polarisierungs-Ansteuerdauern
optimiert und insbesondere die Startzeit erheblich verkürzt, sodass
ein sicherer Start über die
Laufzeit der Injektoren erreicht wird. Darüber hinaus soll aufgrund des
Verfahrens eine Diagnose der Funktionsfähigkeit der Aktoren realisiert
werden können.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
der Druck der einzuspritzenden Kraftstoffmenge während der Ansteuerung des piezoelektrischen
Aktors erfasst wird und aufgrund der Größe eines Abfalls des Drucks
die Ansteuerdauer und/oder die Ansteuerspannung für eine darauffolgende
Einspritzung bestimmt werden.
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Grundidee
der Erfindung ist es, den Druck während des Startvorgangs zu überwachen,
um so einen Druckabfall festzustellen und, wenn ein solcher Druckabfall
vorgebbarer Größe auftritt,
die Ansteuerdauer und/oder die Ansteuerspannung zu erhöhen, um
zu verhindern, dass es bei einem nächsten Start zu einem entsprechenden
Druckabfall kommt.
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Bevorzugt
wird immer dann, wenn der Druckabfall einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet,
die Ansteuerdauer bei einer darauffolgenden Einspritzung erhöht. Die
Erhöhung
kann dabei rasterweise erfolgen.
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Wenn
dagegen kein Druckabfall auftritt, wird die Ansteuerdauer reduziert.
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Darüber hinaus
ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens, welche eine
Diagnosemöglichkeit
der Injektoren ermöglicht,
vorgesehen, dass die Ansteuerdauer mit einem vorgebbaren Ansteuerdauer-Schwellenwert
verglichen wird und im Falle des Überschreitens des Ansteuerdauer-Schwellenwerts
ein Fehlereintrag und/oder eine Fehlermeldung erfolgen. Wenn nämlich die
Ansteuerdauer kontinuierlich vergrößert werden muss, kann davon
ausgegangen werden, dass ein Defekt des Injektors vorliegt.
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Ferner
kann in Abhängigkeit
von dem Druckabfall während
der Ansteuerung eine Polarisierung des piezoelektrischen Aktors
erfolgen, nämlich
dann, wenn der Aktor aufgrund von Polarisationseffekten nicht mehr
vollständig
schließt
oder öffnet.
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Zeichnung und
Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw.
in der Zeichnung.
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1 schematisch
ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage eines
Kraftfahrzeugs mit einem einen piezoelektrischen Aktor aufweisenden
Einspritzventil;
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2 zeigt
ein schematisches Ablaufdiagramm eines von der Erfindung Gebrauch
machenden Verfahrens und
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3 zeigt
die Ansteuerspannung, die Drehzahl der Brennkraftmaschine sowie
den Raildruck über
der Zeit bei einem Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen
Aktors gemäß der Erfindung.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein aus dem Stand der Technik bekanntes,
auch kurz als Injektor bezeichnete, Einspritzventil 1 mit
einer zentralen Bohrung. Im oberen Teil ist ein Stellkolben 3 mit
einem piezoelektrischen Aktor 2 in die zentrale Bohrung
eingebracht, wobei der Stellkolben 3 mit dem Aktor 2 fest
verbunden ist. Der Stellkolben 3 schließt nach obenhin einen hydraulischen
Koppler 4 ab, während
nach unten eine Öffnung
mit einem Verbindungskanal zu einem ersten Sitz 6 vorgesehen
ist, in dem ein Kolben 5 mit einem Ventilschließglied 12 angeordnet
ist.
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Das
Ventilschließglied 12 ist
als doppelt schließendes
Steuerventil ausgebildet. Es verschließt den ersten Sitz 6,
wenn der Aktor 2 in Ruhephase ist. Bei Betätigung des
Aktors 2, das heißt beim
durch ein Steuergerät 20 gesteuertes
Anlegen einer Ansteuerspannung U an die Klemmen +, –, betätigt der
Aktor 2 den Stellkolben 3 und drückt über den
hydraulischen Koppler 4 den Kolben 5 mit dem Ventilschließglied 12 in
Richtung auf einen zweiten Sitz 7. Unterhalb des zweiten
Sitzes 7 ist in einem entsprechenden Kanal eine Düsennadel 11 angeordnet,
die den Auslauf in einem Hochdruck-(Common-Rail-Druck)-Kanal 13 schließt oder öffnet, je nachdem,
welche Ansteuerspannung U anliegt.
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Der
Hochdruck wird durch das einzuspritzende Medium (beispielsweise
Kraftstoff) über
einen Zulauf 9 zugeführt, über eine
Zulaufdrossel 8 und eine Ablaufdrossel 10 wird
die Zuflussmenge des Mediums in Richtung der Düsennadel 11 und des
hydraulischen Kopplers 4 gesteuert. Der hydraulische Koppler 4 hat
dabei die Aufgabe, einerseits den Hub des Kolbens 5 zu
verstärken
und andererseits das Steuerventil von der statischen Temperaturdehnung
des Aktors 2 zu entkoppeln.
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Die
Wiederbefüllung
des Kopplers
4 ist in
1 nur schematisch
dargestellt. Der Koppler
4 wird während des Betriebs mit Kraftstoff über eine Leitung
14 befüllt. Aufgrund
von weiter unten noch näher
erläuterten
Leckagen im Koppler
4 während der
Einspritzung muss dieser nämlich
ständig
wiederbefüllt
werden. Durch eine Druckhalteeinrichtung
15, die beispielsweise
durch ein Druckhalteventil, wie es z.B. aus der
DE 101 57 411 A1 , insbesondere
aus den dortigen Absätzen
[0021] und [0022], auf die vorliegend Bezug genommen wird, hervorgeht,
wird im Koppler
4 ein Druck P1, der sogenannte Kopplerdruck,
erzeugt. Dieser Druck beträgt
zwischen 5 bar und 10 bar. Alle Injektoren
1 der Brennkraftmaschine werden
mit dieser oder mit einer derartigen Druckhalteeinrichtung betrieben.
Ein Defekt der Druckhalteeinrichtung, beispielsweise ein Druckabfall,
führt auch
zu einem Defekt des gesamten Einspritzventils
1, sodass
dieses nicht weiterbetrieben werden kann.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise dieses Einspritzventils 1 näher erläutert. Bei
jeder Ansteuerung des Aktors 2 wird der Stellkolben 3 in
Richtung des hydraulischen Kopplers 4 bewegt. Dabei bewegt sich
auch der Kolben 5 mit dem Ventilschließglied 12 in Richtung
des zweiten Sitzes 7. Über
Leckspalte wird dabei ein Teil des im hydraulischen Koppler 4 befindlichen
Mediums, also Kraftstoff, herausgedrückt. Der hydraulische Koppler 4 muss
daher – wie vorstehend
bereits erwähnt – zwischen
zwei Einspritzungen wiederbefüllt
werden, um seine Funktionssicherheit zu erhalten.
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Über den
Zulaufkanal 9 herrscht ein hoher Druck, der bei einem Common-Rail-System
beispielsweise zwischen 200 und 2000 bar betragen kann. Dieser Druck
wirkt gegen die Düsennadel 11 und
hält sie
geschlossen, sodass kein Kraftstoff austreten kann. Wird nun infolge
der Ansteuerspannung U der Aktor 2 betätigt und damit das Ventilschlussglied 12 in
Richtung des zweiten Sitzes bewegt, baut sich der Druck im Hochdruckbereich
ab und die Düsennadel 11 gibt
den Einspritzkanal frei.
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Ein
Verfahren zum Betreiben eines derartigen piezoelektrischen Aktors
2 wird
nachfolgend in Verbindung mit
2 näher erläutert. Während eines Startvorgangs
wird der Raildruck in Schritt
210 überwacht. Wird ein bestimmter
Schwellenwert überschritten,
wird in dem Steuergerät
20 ein
Freigabesignal zur Ansteuerung der Injektoren
1 ausgegeben. Durch
die Ansteuerung und der damit einhergehenden Einspritzung kommt
es zu einem Druckeinbruch im Rail (nicht dargestellt) eines an sich
bekannten Common-Rail-Einspritzsystems.
Dieser Druck wird im Rail durch einen (nicht dargestellten) Raildrucksensor
auf an sich bekannte Weise gemessen. Wenn der Raildruckeinbruch
eine vorgebbare Schwelle nicht überschreitet,
erfolgt in Schritt
230 eine Reduzierung der Ansteuerdauer
des Injektors
1 wenigstens eines Zylinders einer Brennkraftmaschine.
In Schritt
250 wird diese Ansteuerdauer gespeichert, um
bei einer nächsten
Ansteuerung des Injektors
1 verwendet zu werden. Wenn dagegen
der Druckabfall zu groß ist,
der Raildruckeinbruch also eine vorgebbare Schwelle überschreitet,
erfolgt in Schritt
240 eine Erhöhung der Ansteuerdauer, um
so eine Polarisierung des piezoelektrischen Aktors
2 zu
bewerkstelligen, wie sie in der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2004 046 080 , auf die vorliegend
Bezug genommen wird und die in vorliegende Anmeldung einbezogen
wird, detailliert beschrieben ist. Die Erhöhung der Ansteuerdauer erfolgt
dabei vorzugsweise in vorgegebenen Größen rasterartig.
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In
Schritt 260 wird überprüft, ob die
Ansteuerdauer einen vorgebbaren Ansteuerdauer-Schwellenwert erreicht oder überschritten
hat. Wenn dies der Fall ist, wird in Schritt 270 ein Diagnosesignal
in einem Speicher 21 des Steuergeräts 20 eingetragen oder
eine Diagnosesignallampe 22 oder dergleichen eingeschaltet.
Auf diese Weise kann bei einer späteren Wartung der Brennkraftmaschine
der entsprechende Injektor 1 ausgetauscht werden. Wenn
dagegen die Ansteuerdauergrenze nicht erreicht ist, wird die erhöhte Ansteuerdauer
in Schritt 280 gespeichert, um bei einem darauffolgenden
Startvorgang als Ansteuerdauer verwendet zu werden.
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In 3 sind
die Ansteuerspannung, der Raildruck und die Drehzahl der Brennkraftmaschine (Motordrehzahl) über der
Zeit dargestellt. Die Ansteuerspannung erfolgt rechteckförmig, wobei
die Ansteuerdauer 305 vorgebbar ist. Der Raildruck erhöht sich
beim Startvorgang, wobei es aufgrund der Einspritzung zu einem Raildruckeinbruch
kommt, wie er schematisch in 3 mit den
Bezugszeichen 340 bzw. 350 dargestellt ist. Der
mit 340 bezeichnete Raildruckeinbruch liegt innerhalb einer
applizierbaren Schwelle S, er überschreitet
also diese Schwelle nicht, sodass die Ansteuerdauer für eine darauffolgende
Einspritzung reduziert wird (2, Schritt 230).
Der mit 350 bezeichnete Raildruckeinbruch überschreitet
dagegen den applizierbaren Schwellenwert S. In diesem Falle erfolgt
eine Erhöhung
der Ansteuerdauer (2, Schritt 240).
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Die
Startzeiten sind mit Bezugszeichen 310, 320 in 3 charakterisiert.
Bei einem zu großen Raildruckabfall,
d.h. bei einem Raildruckabfall 350, der die applizierbare
Schwelle S überschreitet,
erhöht
sich die Startzeit auf einen mit 320 bezeichneten Wert.
Die Motordrehzahl 370 steigt in diesem Falle ebenfalls
verzögert
an. Dagegen ist bei einem funktionstüchtigen Injektor 1 nur
eine kürzere,
mit Bezugszeichen 310 bezeichnete Startzeit erforderlich,
bis eine gewünschte
Drehzahl 360 erreicht ist.
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Bei
einem nicht optimal zu betreibenden Injektor 1 wird die
Ansteuerdauer in obenbeschriebener Weise bei jedem Startvorgang
erhöht,
bis eine vorgebbare Ansteuerdauerschwelle erreicht ist, was in Schritt 260 (2)
geprüft
wird. In diesem Falle muss darauf geschlossen werden, dass der Injektor 1 defekt
ist. Aufgrund der Diagnosefunktion (2, Schritt 270)
kann ein defekter Injektor 1 festgestellt werden und ausgetauscht
werden.
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Das
vorbeschriebene Verfahren kann beispielsweise in der Form eines
Computerprogramms realisiert werden, das auf einem Computer ablauffähig und
zur Ausführung
des Verfahrens geeignet ist. Das Computerprogramm kann auf einem
Speichermedium abgespeichert sein, wobei das Speichermedium seinerseits
in dem Steuergerät 20 enthalten sein
kann.