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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils,
insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs, wobei das Einspritzventil einen piezoelektrischen
Aktor zum Antrieb einer mit dem Aktor, vorzugsweise hydraulisch,
gekoppelten Ventilnadel aufweist.
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Einspritzventile
und Verfahren dieser Art sind bekannt und umfassen üblicherweise
das Vorgeben einer Aktorspannung, auf die der piezoelektrische Aktor
auf- bzw. umgeladen werden soll, um die Ventilnadel des Einspritzventils
an eine gewünschte
Position zu bewegen bzw. um das Einspritzventil in einen gewünschten
Betriebszustand zu versetzen. Aufgrund von Alterungseffekten insbesondere
des piezoelektrischen Aktors selbst sowie der in dem Einspritzventil
enthaltenen mechanischen und hydraulischen Komponenten ergeben sich
jedoch Veränderungen
der entsprechenden elektrischen bzw. mechanischen Parameter des
Einspritzventils, so dass z.B. das präzise Zumessen einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge
unter Verwendung der bekannten Verfahren auf Dauer nicht möglich ist.
Neben diesen Alterungseffekten bewirken insbesondere auch Temperaturschwankungen
im Bereich des Einspritzventils eine Änderung der elektrischen Kapazität des piezoelektrischen
Aktors, was zu weiteren Ungenauigkeiten bei der Zumessung von Kraftstoff
oder sonstiger Fluids durch das Einspritzventil oder generell bei der
Positionierung des Aktors führt.
Darüber
hinaus führen
Stückstreuungen
zwischen verschiedenen Einspritzventilen, die beispielsweise alle
unterschiedlichen Zylindern einer bestimmten Brennkraftmaschine
zugeordnet sind, zu zylinderindividuellen Abweichungen bei der Kraftstoffeinspritzung,
die ebenfalls unerwünscht
sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Dementsprechend
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs
genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine gesteigerte Präzision bei
der Zumessung eines einzuspritzenden Fluids auch über einen
längeren
Zeitraum hinweg und zumindest eine teilweise Kompensation von alterungsbedingten
Veränderungen
des Einspritzventils gegeben ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
der Aktor ausgehend von einer einem ersten Betriebszustand des Einspritzventils
entsprechenden Ausgangsspannung um einen vorgebbaren Spannungshub
auf eine einem zweiten Betriebszustand des Einspritzventils entsprechende
Zielspannung umgeladen, d.h. aufgeladen oder entladen, wird.
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Im
Gegensatz zu der herkömmlichen
Ansteuerung piezoelektrischer Aktoren von Einspritzventilen, bei
der ein einzustellender absoluter Spannungswert fest vorgegeben
wird, ermöglicht
die erfindungsgemäße Berücksichtigung
des Spannungshubs, d.h. der Spannungsdifferenz zwischen einer Ausgangsspannung
und der Zielspannung für
den Aktor eine besonders präzise
Einstellung eines gewünschten
Betriebszustands des Einspritzventils insbesondere auch bei sich ändernden
Eigenschaften des Einspritzventils bzw. dessen Komponenten. Erfindungsgemäß ist erkannt
worden, dass ein von dem piezoelektrischen Aktor bewirkter Aktorhub
näherungsweise
proportional zu einem entsprechenden Spannungshub der Aktorspannung
ist, unabhängig von
Alterungseffekten des piezoelektrischen Aktors oder beispielsweise
einer temperaturbedingten Änderung
der elektrischen Kapazität
des piezoelektrischen Aktors. Durch eine entsprechende Regelung des
einem gewünschten
Betriebszustand entsprechenden Spannungshubs kann demgemäß eine besonders
präzise
Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors und damit ein präzises Erreichen
des gewünschten
Betriebszustands für
das Einspritzventil erfolgen.
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Besonders
vorteilhaft kann der Aktor einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
zufolge in einer vorgebbaren Umladezeit mit einem von dem Spannungshub
abhängigen
Umladestrom umgeladen werden. Dadurch ist sichergestellt, dass für jeden
Umladevorgang dieselbe vorgebbare Umladezeit benötigt wird, während der
zum Umladen des Aktors erforderliche Umladestrom entsprechend gewählt werden
kann. Durch eine Variation des Umladestroms während des Umladevorgangs kann
ferner vorteilhaft eine Vielzahl von möglichen Bewegungsprofilen der
Ventilnadel bei der Überführung von
einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand eingestellt
werden. Beispielsweise können
hiermit auch charakteristische Arbeits- bzw. Hubpositionen der Ventilnadel
eingeregelt oder sogar unter mehreren Einspritzventilen gleichgestellt
werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei der die Ventilnadel in dem ersten Betriebszustand so auf einem
Ventilsitz ruht, dass das Einspritzventil geschlossen ist, und bei der
der Aktor bei der Ausgangsspannung eine erste Länge aufweist, ist vorgesehen,
dass der Aktor um den vorgebbaren Spannungshub auf die Zielspannung
entladen wird, wobei er sich auf eine zweite Länge, die kleiner ist als die
erste Länge,
verkürzt, um
das Einspritzventil von seinem geschlossenen Zustand in seinen geöffneten
Zustand zu überführen.
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Bei
einer weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensvariante,
bei der die Ventilnadel während
des Öffnens
des Einspritzventils und vor dem Erreichen eines Nadelhubanschlags,
der einem vollständig
geöffneten
Zustand des Einspritzventils entspricht, eine Rückwirkung auf den Aktor ausübt, die
die Aktorspannung um eine Rückwirkungsspannung
erhöht, ist
vorteilhaft vorgesehen, dass der Spannungshub so gewählt wird,
dass sich eine gewünschte
Rückwirkungsspannung
ergibt. Die Rückwirkung
der Ventilnadel auf den Aktor wird dadurch verursacht, dass sich
die Ventilnadel auch nach einem Ende der Bestromung des Aktors zunächst weiter
auf den Aktor zu bewegt und eine entsprechende Kraft auf den – nach dem
Bestromungsende im wesentlichen ruhenden – Aktor ausübt, die dem piezoelektrischen
Effekt entsprechend zu der Rückwirkungsspannung
führt. Die
erfindungsgemäße Vorgabe
des zur Öffnung
des Einspritzventils verwendeten Spannungshubs ermöglicht einen
Rückschluss
auf den dem Spannungshub entsprechenden Aktorhub und somit auch auf
den von der Ventilnadel zurückgelegten
Weg während
des Öffnungsvorgangs
des Einspritzventils bzw. während
des Bestromens des Aktors. Bei einem verhältnismäßig großen zum Entladen des Aktors bzw.
zum Öffnen
des Einspritzventils verwendeten Spannungshub hat die Ventilnadel
bereits während der
Ansteuerung des Aktors einen entsprechenden, verhältnismäßigen großen Weg
weg von ihrem Ventilsitz auf ihren Nadelhubanschlag zurückgelegt,
so dass sie nachfolgend nur noch einen verhältnismäßig geringen Weg bis zu ihrem
Nadelhubanschlag zurücklegen
muss und hierbei eine dementsprechend verhältnismäßig geringe Rückwirkungsspannung
bewirkt. Bei einem vergleichsweise klein gewählten Spannungshub für den Öffnungsvorgang
des Einspritzventils ergibt sich dementsprechend für die Ventilnadel
ein größerer Weg
bis zu ihrem Nadelhubanschlag nach dem Bestromungsende, so dass
auch eine vergleichsweise große
Rückwirkungsspannung auftritt.
Durch die erfindungsgemäße entsprechende Wahl
des Spannungshubs ist es demnach vorteilhaft möglich, den nach dem Bestromungsende
verbleibenden Weg der Ventilnadel bis zu ihrem Nadelhubanschlag
und damit auch den Zeitpunkt des Auftreffens der Ventilnadel auf
den Nadelhubanschlag festzulegen, wodurch beispielsweise auch über mehrere Betriebszyklen
des Einspritzventils hinweg bzw. sogar über die gesamte Betriebsdauer
eine präzise
Einspritzung von Kraftstoff realisierbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann ferner vorteilhaft dazu verwendet werden, den Zeitpunkt des
Erreichens des jeweiligen Nadelhubanschlags durch die Ventilnadeln
mehrerer Einspritzventile gleichzustellen, um deren Einspritzverhalten
bzw. die durch sie eingespritzten Fluidmengen einander anzugleichen.
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Durch
die entsprechende Auswahl der Rückwirkungsspannung
und der Vorgabe eines entsprechenden Spannungshubs ist es vorteilhaft
beispielsweise möglich,
eine vorgebbare Zeit für
den gesamten Öffnungsvorgang
des Einspritzventils vorzugeben.
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Bei
einer weiteren, ganz besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
vorgesehen, dass der Spannungshub so gewählt ist, dass die Ventilnadel
den Ventilsitz und/oder einen/den Nadelhubanschlag erreicht, wenn
die Bestromung des Aktors beendet wird. Erfindungsgemäß ist erkannt
worden, dass bei einer derartigen Konfiguration keine wesentliche
Rückwirkung
der Ventilnadel auf den Aktor eintritt, so dass beispielsweise die
vorstehend beschriebenen Auswirkungen der Rückwirkungsspannung vorteilhaft
nicht betrachten werden müssen,
wodurch sich eine weitere Steigerung der Präzision bei der Ansteuerung
des Aktors ergibt. Insbesondere ergibt sich bei verschwindender Rückwirkungsspannung
auch ein größerer, zur
Ansteuerung des Aktors verwendbarer Spannungsbereich, d.h. ein größerer effektiv
nutzbarer Spannungshub.
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Wenn
der Spannungshub zur Ansteuerung des Aktors so gewählt ist,
dass ein Betrag der ersten zeitlichen Ableitung der Aktorspannung
minimal wird zwischen einem Ende der Bestromung des Aktors und einem
ersten Vorzeichenwechsel der ersten zeitlichen Ableitung der Aktorspannung
seit dem Ende der Bestromung des Aktors, ist die vorstehend beschriebene Konfiguration,
bei der die Erreichung eines Ventilsitzes bzw. des Nadelhubanschlags
gleichzeitig mit dem Ende der Bestromung des Aktors erfolgt, besonders
präzise
realisierbar.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Umladezeit, die für
das Überführen des
Einspritzventils von seinem geöffneten
Zustand in seinen geschlossenen Zustand erforderlich ist, geregelt,
wodurch eine präzise
Einhaltung der Umladezeit auch bei sich ändernden Eigenschaften des
Einspritzventils bzw. des piezoelektrischen Aktors sichergestellt
ist.
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Besonders
vorteilhaft kann die Umladezeit einer weiteren Erfindungsvariante
zufolge in Abhängigkeit
einer gewünschten
Schließzeit
gewählt
werden, innerhalb der sich die Ventilnadel von einer Ausgangsposition
auf ihren Ventilsitz zu bewegt.
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Die
erfindungsgemäße Regelung
des Spannungshubs wird vorzugsweise für jeden Betriebszyklus des
Einspritzventils vorgenommen, so dass eine besonders hohe Genauigkeit
bei der Regelung erzielt wird. Auch die vorstehend erwähnte Umladezeit
kann erfindungsgemäß vorteilhaft
für jeden
Betriebszyklus des Einspritzventils geregelt werden.
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Die
Regelung der Rückwirkungsspannung und/oder
die Regelung der ersten zeitlichen Ableitung der Aktorspannung zwischen
einem Ende der Bestromung des Aktors und einem ersten Vorzeichenwechsel
der ersten zeitlichen Ableitung der Aktorspannung seit dem Ende
der Bestromung des Aktors und/oder die Regelung der Schließzeit erfolgt
erfindungsgemäß vorteilhaft
in jedem n-ten Betriebszyklus des Einspritzventils, wobei n > 1, so dass entsprechende
Schritte der betreffenden Regelungsverfahren nicht in jedem Betriebszyklus
des Einspritzventils ausgeführt
werden müssen,
wodurch insbesondere Ressourcen einer das Regelungsverfahren ausführenden
Recheneinheit geschont werden, die beispielsweise in einem das Einspritzventil
steuernden Steuergerät
integriert ist.
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Von
besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens
in Form eines Computerprogramms, das auf einem Computer beziehungsweise
einer Recheneinheit eines Steuergeräts ablauffähig und zur Ausführung des
Verfahrens geeignet ist. Das Computerprogramm kann beispielsweise
auf einem elektronischen Speichermedium abgespeichert sein, wobei
das Speichermedium seinerseits zum Beispiel in dem Steuergerät enthalten
sein kann.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene
Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und
in der Beschreibung erwähnten
Merkmale jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kraftstoffeinspritzventils
zur Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2a schematisch
einen zeitlichen Verlauf einer Aktorspannung eines piezoelektrischen
Aktors des Kraftstoffeinspritzventils aus 1,
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2b einen
zeitlichen Verlauf der Aktorspannung des piezoelektrischen Aktors
zusammen mit einem zeitlichen Verlauf des Ansteuerstroms des piezoelektrischen
Aktors und eines entsprechenden Aktorhubs,
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3a eine
Detaildarstellung des zeitlichen Verlaufs der ersten zeitlichen
Ableitung der Aktorspannung des piezoelektrischen Aktors,
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3b eine
Detaildarstellung des zeitlichen Verlaufs der zweiten zeitlichen
Ableitung der Aktorspannung des piezoelektrischen Aktors,
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4a schematisch
ein Funktionsdiagramm einer Reglerstruktur zur Implementierung einer
ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4b schematisch
ein Funktionsdiagramm einer Reglerstruktur zur Implementierung einer
weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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5a bis 5c jeweils
weitere Beispiele für
einen zeitlichen Verlauf der Aktorspannung des piezoelektrischen
Aktors, und
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6 schematisch
ein Funktionsdiagramm einer weiteren Reglerstruktur einer dritten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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In
der 1 ist ein als Kraftstoffeinspritzventil 10 ausgebildetes
Einspritzventil einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt,
das mit einem piezoelektrischen Aktor 12 versehen ist.
Der piezoelektrische Aktor 12 wird wie in 1 durch
den Pfeil angedeutet von einem Steuergerät 20 angesteuert.
Weiterhin weist das Kraftstoffeinspritzventil 10 eine Ventilnadel 13 auf,
die auf einem Ventilsitz 14a im Inneren des Gehäuses des
Kraftstoffeinspritzventils 10 aufsitzen kann.
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Ist
die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz 14a abgehoben,
so ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 geöffnet und
es wird Kraftstoff eingespritzt. Dieser Zustand ist in der 1 dargestellt.
Ein vollständig
geöffneter
Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 10 ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Ventilnadel 13 an einem in dem Bereich 14b angeordneten
und nicht näher
dargestellten Nadelhubanschlag anliegt, der eine weitere Bewegung
der Ventilnadel 13 weg von ihrem Ventilsitz 14a,
d.h. auf den Aktor 12 zu, verhindert. Sitzt die Ventilnadel 13 auf
dem Ventilsitz 14a auf, so ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 geschlossen.
D.h., der gesamte, bei der Abbildung nach 1 vertikal
verlaufende, Hubweg, den die Ventilnadel 13 zurücklegen
kann, ist einerseits durch den Ventilsitz 14a (Schließposition)
und andererseits durch den Nadelhubanschlag in dem Bereich 14b (Öffnungsposition)
begrenzt.
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Der Übergang
von dem geschlossenen in den geöffneten
Zustand wird mithilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt.
Hierzu wird eine nachfolgend auch als Aktorspannung U bezeichnete
elektrische Spannung an den Aktor 12 angelegt, die eine Längenänderung
eines in dem Aktor 12 angeordneten Piezostapels hervorruft,
welche ihrerseits zum Öffnen
beziehungsweise Schließen
des Kraftstoffeinspritzventils 10 ausgenutzt wird.
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Das
Kraftstoffeinspritzventil 10 weist ferner einen hydraulischen
Koppler 15 auf. Der hydraulische Koppler 15 ist
innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10 angeordnet
und weist ein Kopplergehäuse 16 auf,
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
ein Volumen 19 eingeschlossen, das die Übertragung der von dem Aktor 12 ausgeübten Kraft
auf die Ventilnadel 13 bewerkstelligt.
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Der
Koppler 15 ist von unter Druck stehendem Kraftstoff 11 umgeben.
Das Volumen 19 ist ebenfalls mit Kraftstoff gefüllt. Über die
Führungsspalte
zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 kann
sich das Volumen 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 19 jedoch nahezu
unverändert
und die Änderung
der Länge
des Aktors 12 wird auf die Ventilnadel 13 übertragen.
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2a gibt
schematisch den zeitlichen Verlauf der Aktorspannung U zur Ansteuerung
des piezoelektrischen Aktors 12 des Einspritzventils 10 aus 1 wieder.
Wie aus 2a ersichtlich, wird die Aktorspannung
U ab dem Zeitpunkt t0 im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
ausgehend von einer Ausgangsspannung U0 um
einen durch den Doppelpfeil ΔU
symbolisierten Spannungshub auf eine entsprechende Zielspannung
U1 abgesenkt, die wie ebenfalls aus 2a ersichtlich,
zu dem Zeitpunkt t1 an dem piezoelektrischen
Aktor 12 (1) anliegt. Zu dem Zeitpunkt
t1 wird auch eine nicht aus 2a ersichtliche
Bestromung des Aktors 12, d.h. eine Beaufschlagung des
Aktors 12 mit einem dem Spannungshub ΔU entsprechenden Entladestrom eingestellt.
Allerdings bewegt sich zu diesem Zeitpunkt t1 die
Ventilnadel 13 weiter auf ihren im Bereich des Kopplergehäuses 16 befindlichen
Nadelhubanschlag 14b zu und übt hierbei eine entsprechende Kraft
auf den piezoelektrischen Aktor 12 aus. Diese Kraft ist
messtechnisch durch die nachfolgend auch als Rückwirkungsspannung bezeichnete
Spannung ΔUR erfassbar, die sich der eigentlichen Aktorspannung
U des Aktors 12 überlagert
und diese damit verändert.
Zu dem in 2a dargestellten Zeitpunkt t2 hat die Ventilnadel 13 ihren Nadelhubanschlag 14b erreicht
und damit ihre Ruhelage eingenommen, die einem vollständig geöffneten
Zustand des Einspritzventils 10 entspricht. Dementsprechend übt die Ventilnadel 13 nun
keinen weiteren Druck auf den Aktor 12 aus, und es stellt
sich ab dem Zeitpunkt t2 die auch als Plateauspannung
bezeichnete im Wesentlichen zeitlich konstante Spannung Up ein.
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Ab
einem darauffolgenden Zeitpunkt t3 wird der
piezoelektrische Aktor 12 erneut angesteuert, insbesondere
durch einen entsprechenden Ladestrom aufgeladen, so dass sich bis
hin zu dem Zeitpunkt t5 die Aktorspannung
U wieder auf den Wert der Ausgangsspannung U0 vergrößert. Während des Aufladens
erfährt
der Aktor 12 die vorstehend bereits beschriebene Längenänderung,
die die Ventilnadel 13 aus ihrer Ruhelage an dem Nadelhubanschlag 14b wiederum
auf ihren Ventilsitz 14a zu bewegt, wodurch die Schließposition
des Einspritzventils 10 bzw. dessen geschlossener Betriebszustand
gekennzeichnet ist. Nach dem Aufladen, d.h. ab dem Zeitpunkt t5 ist das Einspritzventil für einen
neuen Betriebszyklus bereit.
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2b zeigt
ergänzend
einen messtechnisch erfassten, zu der schematischen Darstellung aus 2a vergleichbaren,
Zeitverlauf der Aktorspannung U des Aktors 12 zusammen
mit einem zeitlichen Verlauf des Lade-/Entladestroms I, mit dem der
Aktor 12 während
der Intervalle (t0; t1)
bzw. (t3; t5) (1)
beaufschlagt wird. Ein Hubverlauf h, d.h. der von der Ventilnadel 13 tatsächlich zurückgelegte Weg,
ist aus 2b ebenfalls ersichtlich.
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Das
erfindungsgemäße Umladen
des Aktors 12 durch Ansteuerung mit einem vorgebbaren Spannungshub ΔU (2a)
bzw. einem entsprechenden Umladestrom I ermöglicht eine besonders präzise Ansteuerung
der Ventilnadel 13 und damit beispielsweise eine besonders
präzise
Zumessung von Kraftstoff durch das Einspritzventil 10.
Erfindungsgemäß wird zur
Realisierung des während
des Entladevorgangs des Aktors 12 aufzubringenden Spannungshubs ΔU ein Regelungsverfahren
eingesetzt, bei dem ein Entladestrom IE in
Abhängigkeit
des einzustellenden Spannungshubs ΔUsoll eingestellt
wird. Eine entsprechende Reglerstruktur ist schematisch in 4a wiedergegeben.
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Der
erste Teil R1 des in 4a veranschaulichten Reglers
erhält
als Sollgröße den einzustellenden
Spannungshub ΔUsoll, der in einem nicht näher bezeichneten
Subtrahierer zusammen mit dem tatsächlich auftretenden Spannungshub ΔUist zu einer entsprechenden Regeldifferenz
verarbeitet wird. Diese Regeldifferenz wird einem Funktionsblock 30 zugeführt, der
beispielsweise als Kennlinie bzw. Kennfeld ausgebildet sein kann
und eine Transformation der Regeldifferenz in einen Entladestrom
IE vornimmt, mit dem der piezoelektrische
Aktor 12 in einem nachfolgenden Regelzyklus anzusteuern
ist, um die Regeldifferenz ΔUsoll – ΔUist zu minimieren. Der Entladestrom IE wird einem das Einspritzventil 10 repräsentierenden
Funktionsblock zugeführt,
und die sich aus der Ansteuerung mit dem Entladestrom IE ergebenden
Größen Aktorspannung
U und Aktorstrom I, die beispielsweise messtechnisch von dem Steuergerät 20 (1)
erfasst werden, werden einer vorzugsweise ebenfalls in dem Steuergerät 20 realisierten
Auswerteeinheit 25 zugeführt.
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Die
Auswerteeinheit 25 ermittelt einerseits aus den ihr zugeführten messtechnisch
erfassten Größen U, I
den tatsächlichen
Spannungshub ΔUist, beispielsweise durch Subtraktion der
momentanen Aktorspannung U von der Ausgangsspannung U0. Andererseits
ermittelt die Auswerteeinheit 25 aus den ihr zugeführten Größen U, I
auch eine später
näher zu
beschreibende Istgröße ΔURist.
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Durch
den vorstehend beschriebenen Regelkreis R1 ist eine effiziente Regelung
des gewünschten
Spannungshubs ΔU
während
eines Entladevorgangs des Aktors 12 zum Öffnen des
Einspritzventils 10 angegeben. Ein vergleichbarer Spannungshub ΔU kann beispielsweise
auch zum Aufladen des Aktors 12 eingesetzt werden, insbesondere
um das Einspritzventil 10 von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen
Zustand zu versetzen. Auch hierbei kann der vorstehend beschriebene
Regler R1 zum Einsatz kommen. Durch die erfindungsgemäße Regelung
des Spannungshubs ΔU
ist stets sichergestellt, dass sich ein gewünschter Aktorhub h einstellt, unabhängig von
Alterungseffekten des piezoelektrischen Aktors 12 und/oder
der weiteren Komponenten des Einspritzventils 10.
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Da
der Zeitpunkt, zu dem die Ventilnadel 13 des Einspritzventils 10 tatsächlich ihren
Nadelhubanschlag 14b (1) erreicht,
und der in 2a mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet
ist, für
eine präzise
Steuerung des Betriebs des Einspritzventils 10 besonders
interessiert, sieht das erfindungsgemäße Betriebsverfahren neben
der vorstehend beschriebenen Regelung des Spannungshubs ΔU auch eine Regelung
der Rückwirkungsspannung ΔUR vor.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorgabe
des Spannungshubs ΔU
wird – neben
der definierten Umladung des Aktors 12 – vorteilhaft festgelegt, welchen Weg
die Ventilnadel 13 ausgehend von ihrer Schließposition
auf dem Ventilsitz 14a während der zum Entladen vorgesehenen
Bestromungszeit t0 bis t1 (2a)
zurücklegt.
Gleichzeitig ist hiermit auch der verbleibende Weg der Ventilnadel 13 bis
hin zu ihrem Nadelhubanschlag 14b festgelegt, den sie in
der Zeit t1 bis t2 zurücklegt.
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Da
die Bestromungs- bzw. Umladezeit t1 – t0 bekannt und beispielsweise von dem Steuergerät 20 vorgegeben
ist, kann auf diese Weise durch die Auswahl des Spannungshubs ΔU auch die
gesamte Öffnungszeit
t2 – t0 eingestellt werden, d.h. die Zeit zwischen
dem Beginn der Ansteuerung bei t = t0 und dem
Auftreffen der Ventilnadel auf dem Nadelhubanschlag 14b bei
t = t2.
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Eine
Regelung der Öffnungszeit
t2 – t0 wird durch den erfindungsgemäßen, ebenfalls
in 4a abgebildeten zusätzlichen Regelkreis R2 ermöglicht. Entsprechend
einer gewünschten Öffnungszeit
t2 – t0 wird ein sollwert ΔURsoll vorgegeben,
der die gewünschte
Rückwirkungsspannung ΔUR bestimmt und dementsprechend auch die Zeitdifferenz
t2 – t1 und damit auch t2 selbst
beeinflusst. Zusammen mit der wie vorstehend bereits beschrieben
durch die Auswerteeinheit 25 erhaltenen Istgröße ΔURist wird wiederum eine entsprechende Regeldifferenz ΔURsoll – ΔURist für
die Rückwirkungsspannung
gebildet, die einem Funktionsblock 31 zugeführt und
hierdurch in einen entsprechenden Sollwert für den erfindungsgemäß einzustellenden
Spannungshub ΔU
transformiert wird.
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D.h.,
die Kombination der in 4a abgebildeten erfindungsgemäßen Regelkreise
R1, R2 ermöglicht
durch ihr Zusammenwirken die Vorgabe einer der Öffnungszeit t2 – t0 entsprechenden Rückwirkungsspannung, die auf
die vorstehend beschriebene Weise mit einem entsprechenden Spannungshub ΔU für das Entladen
des Aktors 12 korrespondiert.
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Die
Detailansicht aus 3a gibt einen zeitlichen Verlauf
der Aktorspannung U für
den Aktor 12 in dem Zeitbereich zwischen etwa t1 und t2 aus 2a wieder.
Der in 3a mit dem Bezugszeichen tBE bezeichnete Zeitpunkt gibt das Ende einer Bestromung
des Aktors 12 an und entspricht damit dem in 2a mit
dem Bezugszeichen t1 bezeichneten Zeitpunkt.
Erfindungsgemäß wird der
erste nach dem Bestromungsende tBE auftretende
Vorzeichenwechsel der ersten zeitlichen Ableitung U . der Aktorspannung
U ausgewertet und als Merkmal für
das Erreichen des Nadelhubanschlags 14b durch die Ventilnadel 13 interpretiert,
so dass hierdurch der Zeitpunkt t2 gemäß 2a ermittelbar
ist. Dieser erste Vorzeichenwechsel der ersten zeitlichen Ableitung U . tritt
bei dem Szenario gemäß 3a zu
dem Zeitpunkt tVZW auf. Zu diesem Zeitpunkt
tVZW (= t2 gemäß 2a)
wird erfindungsgemäß die Istgröße für die Rückwirkungsspannung ΔURist, vgl. 4a, ermittelt und
zur beschriebenen Regelung eingesetzt. Da die Auswertung der ersten
zeitlichen Ableitung U . (3a) der Aktorspannung U rechenintensiver
ist als die reine Überwachung
der Aktorspannung U durch den Regler R1, wird das in dem Regler
R2 (4a) implementierte Verfahren vorzugsweise nur jeden
n-ten Betriebszyklus des Einspritzventils 10 durchgeführt, wobei
n > 1, also beispielsweise
für n = 4
bei jedem vierten Entladevorgang.
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Untersuchungen
der Anmelderin haben ergeben, dass hierdurch eine hinreichend große Genauigkeit
bei der Regelung der gewünschten
Rückwirkungsspannung, ΔUR gegeben ist, ohne eine unnötig hohe
Rechenleistung einer in dem Steuergerät 20 vorgesehenen
Recheneinheit, auf der die Regelverfahren der Regler R1, R2 implementiert
werden, zu erfordern.
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Neben
einer Auswertung der ersten zeitlichen Ableitung U . der Aktorspannung
U des Aktors 12 kann eine äquivalente Erkennung des Erreichens des
Nadelhubanschlags 14b beispielsweise unter Analyse der
zweiten zeitlichen Ableitung Ü der
Aktorspannung U oder durch gleichwertige, dem Fachmann bekannte
Verfahren erfolgen.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass eine Umladezeit, die für das Überführen des Einspritzventils 10 von
seinem geöffneten Zustand
in seinen geschlossenen Zustand erforderlich ist, geregelt wird.
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Die
betreffende Umladezeit ist aus 2a als
Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten t3 und
t5 ersichtlich.
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Die
erfindungsgemäße Regelung
der Umladezeit ermöglicht
ein besonders präzises
Schließen des
Einspritzventils 10 und kann vorteilhaft durch die in 4b abgebildete
Reglerstruktur implementiert werden.
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Die
einzustellende Umladezeit, innerhalb der das Einspritzventil 10 von
seinem geöffneten
Zustand (Zeitpunkt t3) zu seinem vollständig geschlossenen
Zustand (Zeitpunkt t5) überführt werden soll, ist in 2a durch
den Doppelpfeil Δt35soll symbolisiert.
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Ein
entsprechender Sollwert Δt35soll für
diese Umladezeit wird dem in 4b abgebildeten
Regler R3 zugeführt
und zusammen mit einer entsprechenden, durch die Auswerteeinheit 25 ermittelten
Istgröße Δt35ist in an sich bekannter Weise zu einer
entsprechenden Regeldifferenz verarbeitet, die einem nachgeordneten
Funktionsblock 32 zugeführt
wird. Der Funktionsblock 32 transformiert die Regeldifferenz
in einen Ladestrom IL, mit dem der Aktor 12 während der
Umladezeit t5 – t3 aufzuladen
ist, um die gewünschte
Umladezeit Δt35soll einzuhalten. Wie bereits unter Bezugnahme
auf den Regler R1 aus 4a beschrieben, wirkt auch der
in 4b dargestellte Ladestrom IL auf
den das Einspritzventil symbolisierenden Funktionsblock 10,
wobei sich tatsächlich
einstellende Größen U, I
in bereits beschriebener Weise messtechnisch durch die Auswerteeinheit 25 erfasst und
verarbeitet werden können.
Zur Verbesserung der Regelgüte
des Regelkreises R3 kann bei der Bildung der Regeldifferenz Δt35soll – Δt35ist auch ein Korrekturwert K berücksichtigt
werden, der von der Regeldifferenz ΔUsoll – ΔUist abhängt
und dementsprechend beispielsweise von dem Regler R1 (4a) erhalten
wird. Der Korrekturwert K berücksichtigt
vorteilhaft, dass sich bei einem beispielsweise vergrößerten Spannungshub ΔU dementsprechend
auch die Ladezeit für
das Umladen des Aktors 12 verändert.
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Zu
dem Ende t5 (2a) der
Umladezeit ist der Aktor 12 wieder auf seine Ausgangsspannung
U0 aufgeladen und für einen erneuten Betriebszyklus, d.h.
für ein
nachfolgendes Entladen bereit.
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Üblicherweise
erreicht die Ventilnadel 13 während der Umladezeit t5 – t3 jedoch bereits zu einem früheren Zeitpunkt
t4 ihren Ventilsitz 14a (1), d.h.
der vollständig
geschlossene Betriebszustand des Einspritzventils 10 ist
bereits nach einer nachfolgend auch als Schließzeit t4 – t3 bezeichneten Zeit erreicht. Bei dem Erreichen
des Ventilsitzes 14a übt
die Ventilnadel 13 ebenfalls eine bereits vorstehend im Zusammenhang
mit dem Öffnungsvorgang
bzw. dem Erreichen des Hubanschlags 14b beschriebene Rückwirkung
auf den Aktor 12 aus, die als Änderung der ersten zeitlichen
Ableitung U ., d.h. als Knick, der Aktorspannung U, erfassbar ist.
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Eine
präzise
Regelung der tatsächlichen Schließzeit t4 – t3 erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass ein der gewünschten
Schließzeit Δt34soll entsprechender Wert für die Umladezeit Δt35soll vorgegeben wird. Dies erfolgt durch
den ebenfalls in 4b abgebildeten Regler R4, dessen
entsprechende Regeldifferenz Δt34soll – Δt34ist in einem Funktionsblock 33 transformiert
wird in den entsprechenden Sollwert Δt35soll für die Umladezeit.
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Analog
zu den Reglern R1, R2 (4a) kann auch der Regler R3
vorzugsweise in jedem Betriebszyklus des Einspritzventils 10,
d.h. bei jedem Ladevorgang des Aktors 12 aktiv sein, während der
Regler R4 vorzugsweise nur in jedem n-ten Ladevorgang des Aktors 12 aktiv
ist. Dies ist besonders vorteilhaft, weil die erfindungsgemäße Erkennung
des Zeitpunkts t4, zu dem die Ventilnadel 13 auf
ihren Ventilsitz 14a trifft, auf einer Auswertung der zweiten
zeitlichen Ableitung Ü der
Aktorspannung U des Aktors 12 basiert und dementsprechend
einen größeren Rechenaufwand
erfordert als die Verarbeitung der in dem Regler R3 verwendeten
Größen U, I.
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Soweit
die zeitlichen Ableitungen der Aktorspannung U von der innerhalb
der Regler R1, R3 angedeuteten Auswerteeinheit 25 ermittelt
werden, findet eine derartige Ermittlung entsprechend nur alle n Betriebszyklen
statt, obwohl die Berechnung weiterer, für den Betrieb der Regler R1,
R3 erforderlicher Größen wie
beschrieben vorzugsweise in jedem Betriebszyklus erfolgt.
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3b zeigt
eine Detailansicht des Zeitverlaufs der zweiten zeitlichen Ableitung Ü der Aktorspannung
U des Aktors 12. Erfindungsgemäß wird ein lokales Maximum
der zweiten zeitlichen Ableitung Ü als Merkmal interpretiert,
das den Schließzeitpunkt tschließ (=
t4 gemäß 2a)
angibt. 3b zeigt das entsprechende lokale
Maximum der zweiten zeitlichen Ableitung Ü bei t = tschließ.
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Die
Auswerteeinheit 25 der in 4b dargestellten
Reglerstruktur wertet dementsprechend die zweite zeitliche Ableitung Ü aus, ermittelt
den Schließzeitpunkt
tschließ (3b)
und bildet hieraus wie in 4b dargestellt
die Größe Δt34ist.
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Unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens
für die
Umladezeit t5 – t3 während eines
Schließvorgangs
des Einspritzventils 10 ist eine besonders präzise Einstellung
der tatsächlichen Schließzeit t4 – t3 möglich.
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Die
Auswertung des tatsächlichen
Schließzeitpunkts
tschließ gemäß 3b kann
alternativ auch durch eine Analyse der ersten zeitlichen Ableitung der
Aktorspannung U oder gleichwertige, dem Fachmann bekannte, Maßnahmen
erfolgen.
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Die 5a und 5b stellen
weitere Zeitverläufe
der Aktorspannung U dar, wie sie bei dem Betrieb des Einspritzventils 10 auftreten
können.
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Aus
beiden 5a, 5b ist
ersichtlich, dass während
des Entladens des Aktors 12 im Rahmen eines Öffnungsvorgangs
des Einspritzventils 10 zu einem Zeitpunkt t7,
insbesondere direkt nach dem Zeitpunkt t7,
Schwankungen der Aktorspannung U auftreten, die ebenso wie die beschriebene
Rückwirkungsspannung
aufgrund einer Rückwirkung
von Komponenten der Hydraulik bzw. der Ventilnadel 13 auf
den Aktor 12 entstehen. Diese Schwankungen der Aktorspannung
U sind unerwünscht
und werden bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens wirksam
vermieden.
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Erfindungsgemäß ist erkannt
worden, dass die vorstehend beschriebenen Schwankungen der Aktorspannung
U ausbleiben, wenn die Ansteuerung des Aktors 12 derart
erfolgt, dass die Ventilnadel 13 den Ventilsitz 14a und/oder
den Nadelhubanschlag 14b erreicht, wenn die Bestromung
des Aktors 12 beendet wird. Um eine derartige Ansteuerung
des Aktors 12 zu erzielen, sieht eine besonders vorteilhafte Variante
des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens vor,
dass der Spannungshub ΔU
so gewählt
wird, dass die erste zeitliche Ableitung U . der Aktorspannung U bzw.
deren Betrag minimal wird zwischen einem Ende tBE (3a)
der Bestromung des Aktors 12 und einem ersten Vorzeichenwechsel
tVZW (3a) der
ersten zeitlichen Ableitung U . der Aktorspannung U seit dem Ende tBE der Bestromung des Aktors 12.
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D.h.,
das erfindungsgemäße Verfahren
analysiert die erste zeitliche Ableitung U . der Aktorspannung U des
Aktors
12 und minimiert diese in dem fraglichen Zeitbereich
t
VZW–t
BE, zu dem die Ventilnadel
13 auf
den Ventilsitz
14a bzw. den Nadelhubanschlag
14b trifft.
Ausgehend von einer fest vorgegebenen Lade- bzw. Entladezeit wird
beispielsweise jeweils am Ende der Lade-/Entladezeit die erste zeitliche
Ableitung der Aktorspannung U ermittelt, vgl. die Größe
ist der Regler R5, R6 aus
6.
Zur Minimierung der ersten zeitlichen Ableitung U . der Aktorspannung
U wird als Sollwert U .
soll der Wert Null vorgegeben,
und eine entsprechende Regeldifferenz wird dem Funktionsblock
26 des
Reglers R6 zugeführt.
Der Funktionsblock
26 bildet erfindungsgemäß einen
Mittelwert über
der Regeldifferenz der letzten beispielsweise drei zurückliegenden
Betriebszyklen des Einspritzventils
10. Dieser Mittelwert
wird durch den nachgeordneten Funktionsblock
35 transformiert
in einen Sollwert für
einen erfindungsgemäß einzustellenden Spannungshub ΔU
soll, der die erfindungsgemäße Minimierung
der ersten zeitlichen Ableitung U . der Aktorspannung U zum Ende eines
jeweiligen Umladevorgangs bewirkt.
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Hierdurch
ist vorteilhaft sichergestellt, dass innerhalb der fest vorgegebenen
Umladezeit, jeweils zu deren Ende, vgl. den Zeitpunkt t7 aus
den 5a, 5b, 5c, einerseits
sowohl die Bestromung des Aktors 12 beendet wird und andererseits
die Ventilnadel 13 das jeweilige, ihren Hubweg begrenzende Element 14a, 14b kontaktiert.
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Bei
der Verwendung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens
gemäß 6 ist
eine Betrachtung etwaig auftretender Rückwirkungsspannungen (vgl. 2a)
nicht mehr erforderlich, weswegen der Regler R2 aus 4a ohne
Weiteres durch den Regler R6 aus 6 ersetzt
werden kann. Der Funktionsblock 34 in dem Regler R5 korrespondiert hinsichtlich
seiner Funktion mit dem Funktionsblock 30 aus dem Regler
R1 (4a).
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Vorteilhaft
kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
anstelle der Aktorspannung U auch eine entsprechende gefilterte
Größe verwendet
werden.
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Analog
zu der Mittelwertbildung der Regeldifferenz durch den Funktionsblock 26 des
Reglers R6 (6) kann auch bei den Reglern
R2 (4a), R4 (4b) eine
Mittelwertbildung der betreffenden Regeldifferenz vorgesehen sein,
um die Stabilität
des jeweiligen Reglers zu steigern.
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Da
der Regler R2 (4a) bzw. R4 (4b) den
Sollwert für
den betreffend nachgeordneten Regler R1 bzw. R3 ändert bzw. bildet, sind die
nachgeordneten Regler R1, R3 bevorzugt so konzipiert, dass sie schneller
arbeiten als die übergeordneten Regler
R2, R4. Dies kann wie vorstehend bereits beschrieben z.B. durch
eine entsprechende Auslegung der Zykluszeit für die übergeordneten Regler R2, R4 erreicht
werden, die bevorzugt nur jeden n-ten Betriebszyklus aktiviert sind.
Im Sinne einer besonders schnellen Regelung durch die nachgeordneten
Regler R1, R3 wird hierbei bevorzugt auch keine Mittelwertbildung
der jeweiligen Regeldifferenz vorgesehen.
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Generell
können
die Regler R1,.., R4 jede beliebige, für die vorstehenden Betriebszwecke
geeignete Charakteristik aufweisen, wobei insbesondere ein P(proportional)-Verhalten
und/oder ein I(integral)-Verhalten in Betracht kommt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
durch die Regelung des Spannungshubs ΔU vorteilhaft z.B. ein präzises Konstanthalten
des Spannungshubs ΔU,
so dass die Auswirkungen temperaturbedingter Änderungen der Eigenschaften
des Aktors 12, die sich beispielsweise während des
Betriebs ergeben, auf eine tatsächlich
eingespritzte Kraftstoffmenge vermindert bzw. komplett kompensiert
werden. D.h., durch die erfindungsgemäße Regelung des Spannungshubs ΔU auf einen
vorgebbaren, vorzugsweise konstanten, Wert, kann in Verbindung mit
einer bestimmten korrespondierenden Entladezeit vorteilhaft eine
Temperaturkompensation der Einspritzeigenschaften des Kraftstoffeinspritzventils 10 und
damit auch der eingespritzten Kraftstoffmenge erreicht werden.
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Temperaturbedingte Änderungen
des Aktors 12 wie z.B. eine Änderung seiner elektrischen
Kapazität
wirken sich auch auf die Umladezeit Δt35soll aus. Auch
hier kann die erfindungsgemäße Regelung
der Umladezeit Δt35soll zur Realisierung einer Temperaturkompensation,
d.h. z.B. zum Konstanthalten einer vorgegebenen Umladezeit Δt35soll verwendet werden.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung
des Spannungshubs und der Umladezeit als Regelgröße vermeidet ferner vorteilhaft
die Notwendigkeit einer direkten Regelung der entsprechenden Ströme IE, IL, die aufgrund
einer üblicherweise
verhältnismäßig geringen
Genauigkeit bei der messtechnischen Erfassung der Ströme nachteilig
ist. Die für
die erfindungsgemäße Regelung
erforderlichen Größen Aktorspannung
U und Zeit t können
demgegenüber
sehr präzise
erfasst werden und ermöglichen
eine dementsprechend präzise
Regelung.