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Stand der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Steuergerät zur Ansteuerung
eines Aktors, insbesondere eines piezoelektrischen Aktors eines
Einspritzventils einer Common-Rail Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine,
wobei der Aktor mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird,
dessen Stromstärke
auf diskrete Werte einstellbar ist.
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Aus
der
DE 10 2004 046 080 ist
beispielsweise ein piezoelektrischer Aktor sowie ein Verfahren zu dessen
Ansteuerung bekannt. Im Stand der Technik können die Steuergeräte zur Ansteuerung
des piezoelektrischen Aktors aus Kostengründen nur diskrete Stromwerte
einstellen, wobei die Stufen zwischen den einzelnen Werten relativ
groß sind,
beispielsweise 0,3 A. Ein Soll-Wert
der Stromstärke
wird dabei auf den nächstgelegenen
Wert abgebildet.
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Die
Abbildung der Soll-Stromstärke
auf einen nächstgelegenen
Wert erzeugt eine Abweichung des tatsächlichen Aktorhubs vom Soll-Hub.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie ein Steuergerät anzugeben,
bei dem die Abweichung des Ist-Hubs des piezoelektrischen Aktors
von dem geforderten Soll-Hub gegenüber den Lösungen nach Stand der Technik
verringert wird.
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Offenbarung
der Erfindung
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Dieses
Problem wird gelöst
durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines Aktors, insbesondere eines
piezoelektrischen Aktors eines Einspritzventils einer Common-Rail
Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, wobei der Aktor mit einem
elektrischen Strom beaufschlagt wird, dessen Stromstärke auf diskrete
Werte einstellbar ist, wobei eine Soll-Stromstärke vorgegeben wird und mindestens
eine erste Stromstärke
unterhalb der Soll-Stromstärke
für mindestens
eine erste Bestromungszeit und mindestens eine zweite Stromstärke oberhalb
der Soll-Stromstärke
für mindestens
eine zweite Bestromungszeit eingestellt wird. Die Reihenfolge der
ersten und zweiten Bestromungszeit ist dabei beliebig, es kann also
zuerst die zweite Stromstärke
oberhalb und dann die erste Stromstärke unterhalb der Soll-Stromstärke oder
umgekehrt eingestellt werden.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass eine Soll-Bestromungszeit für die Soll-Stromstärke vorgegeben
wird und die Summe aus der ersten Bestromungszeit und der zweiten
Bestromungszeit gleich der Soll-Bestromungszeit ist.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Summe der in der ersten Bestromungszeit
auf den Aktor übertragenen
elektrischen Ladung und der in der zweiten Bestromungszeit auf den
Aktor übertragenen elektrischen
Ladung gleich der mit der Soll-Stromstärke innerhalb der Soll-Bestromungszeit übertragbaren
elektrischen Ladung ist.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass der elektrische Strom, mit dem der Aktor beaufschlagt
wird, wechselweise für
veränderbare
Zeiträume
auf mindestens zwei diskrete Werte eingestellt wird und so eine
pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Aktors bewirkt wird.
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Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Steuergerät für einen
Aktor, insbesondere einen piezoelektrischen Aktor eines Einspritzventils
einer Common-Rail Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, wobei
der Aktor mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird, dessen
Stromstärke
auf diskrete Werte einstellbar ist, wobei eine Soll-Stromstärke vorgegeben
wird und mindestens eine erste Stromstärke unterhalb der Soll-Stromstärke für mindestens
eine erste Bestromungszeit und mindestens eine zweite Stromstärke oberhalb
der Soll-Stromstärke für mindestens
eine zweite Bestromungszeit eingestellt wird
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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 der
Verlauf der Stromstärke
I Über
der Zeit t bei einer Einspritzung;
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3 der
Verlauf der Stromstärke
I über
der Zeit t bei mehrmaligem Wechsel innerhalb eines Intervalls;
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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 an den Aktor 12 angelegt,
die eine Längenänderung
eines Piezostapels hervorruft, die ihrerseits zum Öffnen bzw.
Schließen
des Einspritzventils 11 ausgenutzt wird. Das Einspritzventil 11 weist
einen hydraulischen Koppler 15 auf. Zu diesem Zweck ist
innerhalb des Einspritzventils 11 ein Kopplergehäuse 16 vorhanden,
in dem zwei Kolben 17, 18 geführt sind. Der Kolben 17 ist
mit dem Aktor 12 und der Kolben 18 ist mit der
Ventilnadel 13 verbunden. Zwischen den beiden Kolben 17, 18 ist
eine Kammer 19 angeordnet, die ein Kolben/Zylindersystem
zur Übertragung
der von dem Aktor 12 ausgeübten Kraft auf die Ventilnadel 13 bildet.
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Der
Koppler 15 ist von unter Druck stehendem Kraftstoff umgeben.
Das Volumen der Kammer 19 ist ebenfalls mit Kraftstoff
gefüllt. Über die
Führungsspalte
zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 kann
sich das Volumen der Kammer 19 über einen längeren Zeitraum hinweg an die
jeweils vorhandene Länge
des Aktors 12 anpassen. Bei kurzzeitigen Änderungen
der Länge
des Aktors 12 bleibt das Volumen der Kammer 19 und
damit deren Länge
jedoch nahezu unverändert
und die Änderung
der Länge
des Aktors 12 wird auf die Ventilnadel 13 übertragen.
Die Führungsspalte
zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 können ein
Ventil bilden, das in unterschiedlichen Strömungsrichtungen oder abhängig von
der Stellung der Kolben 17, 18 zum Kopplergehäuse 16 unterschiedliche
Strömungswiderstände bzw.
Durchflussbeiwerte aufweist. Beispielsweise kann einer oder beide
Kolben Nute mit veränderlicher
Tiefe der Nutböden
oder dergleichen aufweisen, um die wirksame durchströmbare Fläche zwischen
den Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 zu
verändern. Die
Einstellung der Bewegungsgeschwindigkeit der Kolben 17, 18 zueinander
erfolgt z.B. durch die Führungsspiele
zwischen den Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 oder
durch eine Kleine Drossel mit richtungsabhängigem Durchflussbeiwert.
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Das
Einspritzventil
11 befindet sich unabhängig vom Arbeitspunkt des Aktors
12 immer
dann in seinem geschlossenen Zustand, wenn der Aktor
12 über einen
längeren
Zeitraum hinweg unverändert
an einem beliebigen Punkt einer Hysteresekurve wie beispielsweise
in der
DE 10 2004 046 080 beschrieben,
verbleibt. Ein Öffnen
des Einspritzventils
11 erfolgt dann durch eine vergleichsweise
schnelle Verkürzung
des Aktors
12 aus diesem Punkt der Hysteresekurve heraus.
Ein Schließen
des Einspritzventils
11 wird durch die Rückkehr des
Aktors
12 in seinen vor Beginn der Einspritzung vorliegenden
Arbeitspunkt erreicht.
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Alternativ
kann auf den Koppler 15 verzichtet werden, die Ventilnadel 13 kann
also unmittelbar mit dem piezoelektrischen Aktor 12 verbunden
werden. In diesem Fall ist das Einspritzventil 11 nur dann
geschlossen, wenn der piezoelektrische Aktor 12 in einen
Zustand mit einer gewissen Mindestlänge gebracht wird, ein Verharren
an einem beliebigen Punkt der Hysteresekurve bedeutet also in diesem
Fall nicht das Schließen
des Einspritzventils 11.
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An
dem piezoelektrischen Aktor 12 wird, wie durch zwei Pfeile
zwischen dem piezoelektrischen Aktor 12 und dem Steuergerät 10 angedeutet,
eine elektrische Spannung U angelegt, so dass ein Verschiebestrom
I fließen
kann. Verschiebestrom deshalb, weil sich der piezoelektrische Aktor 12 elektrisch
gesehen weitgehend wie eine kapazitive Last verhält, die Veränderung einer angelegten Spannung erzeugt
einen Ausgleichs- bzw. Verschiebestrom. Das Steuergerät weist
eine Endstufe zur Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 auf,
die in guter Näherung
als Konstantstromquelle betrachtet werden kann. Die Stromhöhe stellt
dabei in erster Näherung
ein Maß für die Aktorgeschwindigkeit
dar, d. h. ein Maß für die Änderung
der Aktordehnung pro Zeiteinheit. Das Verhalten des Aktors kann
folgendermaßen
beschrieben werden: F = c·X – α·U sowie Q
= ∫I dt
= α·X + C·Uwobei
F die Aktorkraft darstellt, c die mechanische Steifigkeit des Aktors
bei kurzgeschlossenen Elektroden (wenn also die mit einem Pfeil
gekennzeichneten Zuleitungen zwischen dem Steuergerät 10 und
dem piezoelektrischen Aktor 12 in 1 direkt miteinander
verbunden werden, so dass das gesamte piezoelektrische Element des
Aktors 12 kurzgeschlossen ist), X den Aktorhub, C die elektrische
Kapazität
bei blockiertem Aktor (wenn der Aktor also an einer Längenausdehnung
mechanisch durch Zwangsbedingungen behindert wird), α einen elektromechanischen Übertragungsfaktor,
Q die Ladung des Aktors, I den Aktorstrom und t die Zeit.
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Das
Steuergerät
ist so ausgelegt, dass eine Änderung
der Stromstärke
I nur in diskreten Schritten möglich
ist, beispielsweise z.B. in Schritten ΔI von 0,3 A. Durch diese grobe
Stromquantisierung verändert sich
neben dem zeitlichen Verlauf der Aktorspannung auch die Aktorbewegung
und damit die bei unterschiedlichen Stromstärken I eingespritzte Kraftstoffmenge.
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In 2 wird
der Verlauf der Stromstärke
I über
der Zeit t bei einer Einspritzung dargestellt. Dabei wird davon
ausgegangen, dass beispielsweise von einem übergeordneten, in 1 nicht
dargestellten Steuergerät
eine Soll-Stromstärke
Isoll vorgegeben ist. Die Soll-Stromstärke Isoll entspricht dabei nicht einer durch das
Steuergerät 10 einstellbaren Ist-Stromstärke In, der Index n steht hier für einen ganzzahligen
Index, der die diskreten Werte verdeutlichen soll. Eine Ist-Stromstärke Iist wird nun auf einen diskreten Wert In1 unterhalb der Soll-Stromstärke Isoll für
eine erste Bestromungszeit Δt1 eingestellt. Nach Ablauf der ersten Bestromungszeit Δt1 wird die Ist-Stromstärke auf eine zweite Stromstärke In2 mit einer Stromstärke oberhalb der Soll-Stromstärke Isoll eingestellt. Die Summe aus der ersten
Bestromungszeit Δt1 und der zweiten Bestromungszeit Δt2 entspricht dabei der Soll-Bestromungszeit Δt mit der Soll-Stromstärke Isoll Des Weiteren entspricht die (hypothetisch) über die
Soll-Bestromungszeit Δt
mit der Soll-Stromstärke Isoll übertragene
Ladung QS = Isoll·Δt der mit
der ersten Stromstärke
und der zweiten Stromtärke
insgesamt übertragenen
Ladung, es gilt also In1·Δt1 +
In2·Δt2 = Isoll·Δt. Die Summe
aus der ersten Bestromungszeit Δt1 und der zweiten Bestromungszeit Δt2 ist gleich der Soll-Bestromungszeit Δt
= Δ1 + Δt2
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Aus
der Forderung, dass die mit der ersten und zweiten Stromstärke übertragene
Gesamtladung identisch sein soll mit der Ladung, die mit der Soll-Stromstärke übertragen
würde,
folgt Q = Δt·Isoll = Δt1·In1 + Δt2·In2 Und daraus folgt unmittelbar Δt1 = Δt·(Isoll – In2)/(In1 – In2)Entsprechend lässt sich daraus Δt2 ableiten.
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Statt
eines einmaligen Wechsels der Stromstärke kann auch wie in 3 dargestellt
ein mehrmaliger Wechsel innerhalb eines Intervalls stattfinden.
Die Stromstärke
wird also als pulsweitenmoduliertes Signal verändert, wobei die einzelnen
Pulsweiten Δtn
m wiederum diskrete Werte annehmen können. Beispielsweise könnte die
Pulsweite jeweils ein ganzzahliges Vielfaches eines Timer-Signals
sein, das entsprechend klein gegenüber der Ansteuerzeit Δt zu wählen ist.
Die Bestromungszeiten Δt1 und Δt2 sind unterteilt in Δt1_1, Δt1_2, Δt1_3, Δt2_1, Δt2_2, Δt2_3, so dass innerhalb der Soll-Bestromungszeit Δt nicht nur ein
Wechsel zwischen der ersten Stromstärke In1 und der
zweiten Stromstärke
In2 stattfindet, sondern mehrere Wechsel,
wie dies in 3 dargestellt ist. Dabei gilt Δt1 = Δt1_1, Δt1_2, Δt1_3 + ... + Δt1_n und Δt2 = Δt2_1, Δt2_2, Δt2_3 + ... + Δt2_n.
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Das
Ausführungsbeispiel
des Verfahrens wurde zuvor beschrieben mit einer ersten Stromstärke In1, die unterhalb der Soll-Stromstärke Isoll liegt, und einer zweiten Stromstärke In2, die oberhalb der Soll-Stromstärke Isoll liegt. Dies kann selbstverständlich auch
umgekehrt ausgeführt
sein, die erste Stromstärke
In1 kann ebenso größer sein als die Soll-Stromstärke Isoll und die zweite Stromstärke In2 kann kleiner sein als die Soll-Stromstärke Isoll.
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4 zeigt
ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem Schritt 101 wird zunächst die
Soll-Stromstärke
Isoll sowie die Soll-Bestromungszeit Δt ermittelt.
Diese Werte können
beispielsweise von einem übergeordneten
Steuergerät bereitgestellt
werden. In einem Schritt 102 wird sodann die erste Stromstärke In1, die unterhalb der Soll-Stromstärke Isoll liegt, ermittelt. In einem Schritt 103 wird
daraufhin die zweite Stromstärke
In2 oberhalb der Soll-Stromstärke Isoll ermittelt.
In einem Schritt 104 werden aus der Soll-Bestromungszeit Δt der Soll-Stromstärke Isoll sowie der ersten Stromstärke In1 und der zweiten Stromstärke In2 die erste Bestromungszeit Δt1 und die zweite Bestromungszeit Δt2 ermittelt.
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Soll
beispielsweise eine Sekunde lang ein Strom von 1,92 A bei einer
Stromdiskretisierung von 0,3 A dem Aktor aufgeprägt werden, so wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
beispielsweise 0,6 Sekunden lang ein Strom von 1,8 A und 0,4 Sekunden
lang ein Strom von 2,1 A vorgegeben. Ist mehr als eine Stromteilung
zulässig,
so kann das Stromsignal quasi pulsbreitenmoduliert entsprechend 3 aufgeprägt werden.
Im obigen Beispiel bedeutet dies eine Ansteuersequenz, bei der 60%
der Zeit ein Strom von 1,8 A fließt und 40% der Zeit ein Strom
von 2,1 A.