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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation eines
Piezoinjektors, insbesondere für eine Brennkraftmaschine.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Simulation eines
Piezoinjektors sowie ein Computerprogrammprodukt, das zur Durchführung
des Verfahrens auf einem Computer geeignet ist.
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Bei
selbsteinspritzenden Brennkraftmaschinen, insbesondere Diesel-Brennkraftmaschinen, werden
zur Kraftstoffeinspritzung heute sogenannte Common-Rail-Injektoren
der dritten Generation eingesetzt, die mit von Piezoaktoren anstelle
von Elektromagneten betriebenen Ventilen arbeiten. Diese piezoelektrischen
Aktoren sind wesentlich schneller als die in Vorgängergenerationen
verwendeten elektromagnetischen Aktoren und weisen daher den Vorteil auf,
dass sich mit ihnen sehr kurze Schaltzeiten verwirklichen lassen,
die wiederum ermöglichen, Kraftstoffeinspritzungen hinsichtlich
der eingespritzten Menge und des zeitlichen Verlaufs sehr präzise
zu regeln.
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Die
schnellen Schaltzeiten des Piezoaktors führen allerdings
zu einer erhöhten Schallabstrahlung des gesamten Injektors,
was sich in einem Schaltgeräusch der Piezoinjektoren äußert,
das insbesondere im Leerlauf der Brennkraftmaschine hörbar
ist. Dies ist umso mehr der Fall, da bei modernen Diesel-Brennkraftmaschinen
unter anderem durch den Einsatz der beschriebenen Common-Rail-Injektoren
der dritten Generation das Verbrennungsgeräusch an sich
so weit reduziert werden kann, dass Nebenaggregatgeräusche
wie das Schaltgeräusch der Piezoinjektoren aus denn Gesamtgeräusch
heraushörbar sind. Nutzer von Fahrzeugen mit derartigen
Brennkraftmaschinen empfinden das Schaltgeräusch der Piezoinjektoren
als störend.
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Zur
Verringerung des Schaltgeräuschs von Piezoinjektoren werden
herkömmlicher Weise unterschiedliche Veränderungen
an den Piezoinjektoren selbst oder an der elektrischen Ansteuerung
der Piezoinjektoren vorgenommen und durch Luft- und Körperschallmessungen
verifiziert. Insbesondere bei Maßnahmen an der elektrischen
Ansteuerung wie z. B. Veränderungen des zeitlichen Verlaufs
des Ansteuersignals und bei Kombinationen verschiedener konstruktiver
Maßnahmen sind jedoch eine große Zahl von Variationsmöglichkeiten
gegeben, die zu einem entsprechend großen Mess- und Auswertungsaufwand
bei der Erprobung führen.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, die Schallabstrahlung
eines Kraftstoffinjektors mit einem Piezoaktor zu simulieren, wobei
einerseits die Schallerzeugung durch die Bewegung des Piezoaktors
im Innern des Kraftstoffinjektors und andererseits die Weiterleitung
des erzeugten Schalls durch umgebende Teile simuliert werden. Durch
die kombinierte Simulation sowohl der Schallerzeugung als auch der
Schallweiterleitung wird eine simuliertes Schallabstrahlungsspektrum
des Kraftstoffinjektors gewonnen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst
ein zeitlicher Aktorhubverlauf des Piezoaktors im Kraftstoffinjektor
ermittelt, d. h. die Veränderung des mechanischen Länge
des Piezoaktors als Funktion der Zeit. In einem weiteren Schritt
wird aus dem Aktorhubverlauf ein Frequenzspektrum berechnet, indem
der Aktorhubverlauf in den Frequenzraum transformiert wird. Das
Frequenzspektrum besitzt die Form einer Funktion der Frequenz und
beschreibt die Frequenzanteile des Aktorhubverlaufs. Da der Piezoaktor
den wesentlichen Schallerreger im Piezoinjektor darstellt, ist das
erhaltene Frequenzspektrum als das Erregerfrequenzspektrum, d. h.
das Frequenzspektrums des Schallerregers anzusehen.
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In
einem weiteren Schritt wird eine Übertragungsfunktion ermittelt,
die eine Schallübertragung von Frequenzanteilen des Aktorhubverlaufs
in ein Umgebungsmedium des Kraftstoffinjektors beschreibt. Das Umgebungsmedium
ist z. B. die umgebende Luft oder mit dem Kraftstoffinjektor in
montiertem Zustand in Berührung stehendes Metall einer Brennkraftmaschine
oder Karosserie. Anschließend wird das Frequenzspektrum
durch die Übertragungsfunktion modifiziert. Dies ermöglicht
z. B. ein modifiziertes Frequenzspektrum zu erhalten, das die simulierten
Frequenzanteile der Schallabstrahlung des Kraftstoffinjektors angibt.
Mit einem derart erhaltenen Spektrum lassen sich z. B. die Auswirkungen
konstruktiver Veränderungen am Kraftstoffinjektor und/oder
dessen elektrischer Ansteuerung vorhersagen, so dass eine Vielzahl
von Varianten und Kombinationen möglicher Veränderungen
durch Simulation schnell und kostengünstig überprüft
werden kann, und im Anschluss durchzuführende Versuche
auf in der Simulation als zielführend erkannte Varianten bzw.
Kombinationen beschränkt werden kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Modifizieren des Frequenzspektrums
durch Multiplizieren mit der Übertragungsfunktion. Hierbei wird
entsprechend der allgemeinen Definition der Übertragungsfunktion
in der technischen Systemtheorie angenommen, dass die Übertragungsfunktion den
Faktor beschreibt, um den das System einen gegebener Frequenzanteil
eines Eingangssignals – hier des Aktorhubverlaufs – verändert.
Somit lässt sich auf die angegebene Weise unmittelbar die Ü bertragung
des durch den Piezoaktor als Erreger erzeugten Schalls in das Umgebungsmedium,
und damit das Frequenzspektrum des abgestrahlten Schalls genau simulieren.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist weiterhin ein Schritt des Messens
eines Spannungs- und eines Stromverlaufs vorgesehen, wobei der Aktorhubverlauf
aus dem gemessenen Spannungs- und. Stromverlauf ermittelt wird.
Dies ermöglicht, den im realen Versuchsbetrieb eines Kraftstoffinjektors auftretenden
Aktorhubverlauf präzise innerhalb der Simulation nachzuvollziehen.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung wird ein Schallabstrahlungsspektrum des
Kraftstoffinjektors während des Versuchsbetriebs gemessen,
so dass das Frequenzspektrum der gemessenen Schallabstrahlung direkt
mit dem simulierten Frequenzspektrum verglichen werden kann, insbesondere
durch Berechnen einer Korrelation zwischen gemessenem und simuliertem
Frequenzspektrum. Vorzugsweise wird das Schallabstrahlungsspektrum durch
Messen von Luft- oder/und Körperschall bestimmt, z. B.
durch Messen des Körperschalls an einem Befestigungspunkt
des Kraftstoffinjektors.
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Gemäß einer
alternativen Weiterbildung wird der Aktorhubverlauf aus vorgegebenen
Daten ermittelt. Dies ermöglicht z. B. einen bestimmten
Aktorhubverlauf direkt vorzugeben und dessen Einfluss auf die Schallabstrahlung
zu simulieren. Vorzugsweise erfolgt eine Normierung des Aktorhubverlaufs,
um so unterschiedliche Aktorhubverläufe hinsichtlich der mit
ihnen verbundenen Schallemission vergleichen zu können.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Transformieren mittels einer
Fourier-Transformation. Insbesondere in der Ausprägung
als schnelle Fourier-Transformation (FFT) ist so die Transformation
des Aktorhubverlaufs in den Frequenzraum schnell und präzise
durchzuführen.
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Unter
einem weiteren Gesichtspunkt stellt die Erfindung eine Vorrichtung
zur Simulation der Schallabstrahlung eines Kraftstoffinjektors bereit.
Die Vorrichtung umfasst einen Aktorhubermittler zum Ermitteln eines
zeitlichen Aktorhubverlaufs des Piezoaktors, eine Transformationseinheit,
die durch Transformieren des Aktorhubverlaufs in den Frequenzraum
ein Frequenzspektrum berechnet, einen Übertragungsfunktionsermittler
zum Ermitteln einer Übertragungsfunktion, die eine Schallübertragung
von Frequenzanteilen des Aktorhubverlaufs in ein Umgebungsmedium
des Kraftstoffinjektors beschreibt, sowie einen Spektralmodifizierer,
der das Frequenzspektrum mittels der Übertragungsfunktion
modifiziert.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
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Von
den Figuren zeigen:
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1 schematisch
eine teilweise geschnittene Darstellung eines aus dem Stand der
Technik bekannten Piezoinjektors, bezüglich dessen ein
Verfahren gemäß einer Ausführungsform
zum Einsatz kommt;
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2A und
B einen Spannungs- bzw. einen Stromverlauf eines bei der Ansteuerung
des Piezoinjektors aus 1 verwendeten Ansteuersignals;
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2C einen
aus dem Spannungs- und Stromverlauf aus 2A und
B ermittelten Aktorhubverlauf;
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2D ein
aus dem Aktorhubverlauf aus Fig. C berechnetes Frequenzspektrum;
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3A und
B einen aus vorgegebenen Daten ermittelten Aktorhubverlauf bzw.
ein aus diesem berechnetes Frequenzspektrum; und
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4 ein
Datenflussdiagram eines Verfahrens gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung.
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In
den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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In 1 ist
beispielhaft ein aus dem Stand der Technik bekannter und z. B. aus
der Buchveröffentlichung „Bosch Kraftfahrtechnisches
Taschenbuch", 25. Auflage, 2003, Seite 706f hervorgehender Piezoinjektor
der dritten Generation dargestellt. Dieser Piezoinjektor weist einen
in einem Gehäuse 100 angeordneten Piezoaktor 103 auf,
der über einen hydraulischen Verstärker 104 ein
Ventil 105 so betätigt, dass eine Düsennadel 106 Spritzlöcher 107 öffnet und
schließt. Für die Kraftstoffzufuhr sind in dem
Gehäuse ein Hochdruckanschluss 102 und ein Kraftstoffrücklauf 101 vorgesehen.
Die Düsennadel 106 wird hier direkt vom Aktor 103 hydraulisch
gesteuert, so dass jegliche mechanisch starre Verbindung zwischen
Aktor 103 und Düsennadel 106 entfällt.
Auf diese Weise wird verhindert, dass Reibung oder elastische Verformung
von Verbindungselementen auftritt. Weil die Düsennadel
nur ein geringes Gewicht aufweist und die Leckmenge am Aktor 103 bei
einem derartigen Piezoinjektor auf ein Minimum reduziert ist, können
mit einem solchen Injektor auf kleinem Bauraum bei geringem Gewicht
mehrere Einspritzungen pro Einspritzzyklus durchgeführt
werden, wie z. B. eine Voreinspritzung, eine Haupteinspritzung und zwei
Nacheinspritzungen. Die Einspritzmenge bei der Voreinspritzung kann
dabei gegenüber Injektoren mit Magnetventilen deutlich
reduziert werden. Auch die Ab stände zwischen den Einspritzungen
können reduziert werden. Beides ermöglicht, Schadstoffemission,
Leistung und Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Die Ansteuerung erfolgt durch elektrisches Laden und Entladen des
Piezoaktors 103 durch ein elektrisches Ansteuersignal, dessen
zeitlicher Spannungs- und Stromverlauf von einem nicht gezeigten
Steuergerät gesteuert werden.
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Die
schnellen Schaltzeiten des Piezoaktors 103 führen
allerdings zu einer erhöhten Luftschallabstrahlung des
Injektors. Dies wiederum hat zur Folge, dass das Schaltgeräusch
des Injektors wesentlich deutlicher hörbar ist als z. B.
bei Injektoren mit Magnetventilen. Im Betrieb einer Brennkraftmaschine
mit dem gezeigten Injektor ist das Schaltgeräusch besonders
deutlich zu hören, wenn das Verbrennungsgeräusch
der Brennkraftmaschine gering ist, d. h. besonders im Leerlauf der
Brennkraftmaschine.
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Die
Luftschallabstrahlung des Piezoinjektors erfolgt aufgrund der mechanischen
Größenänderung des Piezoaktors 103 unter
dem Einfluss des elektrischen Ansteuersignals, sowie aufgrund der
von den Anbindungspunkten des Piezoaktors 103 ausgehenden
Körperschallwellen, die an der Oberfläche des Piezoinjektors
und/oder Oberflächen von mit dem Piezoinjektor in montiertem
Zustand verbundenen Bauteilen in Luftschallwellen umgewandelt werden.
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2A zeigt
als Funktionsgrafen über einer Zeitachse 210 einen
beispielhaften Spannungsverlauf 204 eines bei der Ansteuerung
des Piezoinjektors aus 1 verwendeten Ansteuersignals,
wobei die elektrische Spannung entlang der vertikalen Achse 212 aufgetragen
ist. Der gezeigte Spannungsverlauf weist zu Beginn des dargestellten
Zeitabschnitts einen Spannungswert bei Null auf, der einer geschlossenen
Stellung des vom Piezoaktor betätigten Ventils entspricht.
Im weiteren zeitlichen Verlauf steigt die Aktorspannung 204 entlang
einer gekrümmten Flanke bis zu einem positiven Spannungswert 216 an,
der einer geöffneten Stellung des Ventils entspricht. Nach
Verstreichen eines Zeitintervalls 218 fällt die
Aktorspannung wiederum entlang einer gekrümmten Flanke
auf Null zurück.
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2B zeigt
den zeitlichen Verlauf des zugehörigen Aktorstroms 206 während
desselben Zeitabschnitts, ebenfalls entlang einer vertikalen Achse 220,
die in hier den elektrischen Strom bezeichnet, über einer
Zeitachse 210 aufgetragen. Zu Beginn des dargestellten
Zeitabschnitts fließt kein Aktorstrom 206 in den
Piezoaktor. Im Bereich der in 2A dargestellten
ansteigenden Flanke des Spannungsverlaufs 204 weist der
Stromverlauf 206 eine Reihe scharfer positiver Pulse auf,
die durch das an den Piezoaktor angeschlossene Steuergerät
erzeugt werden. Je nach Bauart des Steuergeräts kann dieses alternativ
einen nicht gepulsten, im Bereich der Flanke des Spannungsverlaufs 204 kontinuierlichen Stromverlauf 206 bereitstellen.
Während des Zeitintervalls 218, in dem die Aktorspannung 204 auf
ihrem Maximalwert 216 verharrt, fällt der Aktorstrom 206 auf
Null oder zurück. Im Bereich der abfallenden Flanke des
Spannungsverlaufs 204 weist der Stromverlauf 206 eine
Reihe scharfer negativer Pulse auf, um anschließend wiederum
auf Null zurückzufallen.
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2C zeigt
entlang einer Längenachse 224, aufgetragen über
einer Zeitachse 210, den zeitlichen Verlauf des durch das
in 2A und 2B gezeigte
Ansteuersignal am Piezoaktor hervorgerufenen Aktorhubs 200.
Der gezeigte Aktorhubverlauf 200 weist im Bereich der in 2A dargestellten
ansteigenden Flanke des Spannungsverlaufs 204 ebenfalls
eine ansteigende Flanke, im Bereich des Zeitintervalls 218 ebenfalls
einen Maximalwert 222, der dem voll geöffneten
Zustand des Ventils entspricht, und im Bereich der abfallenden Flanke
des Spannungsverlaufs 204 ebenfalls eine abfallende Flanke
auf. Im Unterschied zu den Flanken des Spannungsverlaufs sind die
Flanken des Aktorhubverlaufs jedoch nicht gekrümmt. Da
die mechanische Größenänderung des Piezoaktors
durch den piezoelektrischen Effekt über ein elektrisches
Feld erzwungen wird, hängen die mechanischen Größen
wie der Aktorhub 200 jedoch direkt mit den elektrischen
Größen des Ansteuersignals wie der am Piezoaktor
anliegenden Aktorspannung und des Aktorstroms zusammen. Aus den
Messdaten der Aktorspannung und des Aktorstroms, die am Piezoaktor
anliegen, wenn dieser z. B. für eine Haupteinspritzung
angesteuert wird, kann über ein mathematisches Modell des
Piezoaktors daher der Hub 200 errechnet werden. Alternativ
können statt der an dem Piezoaktor 103 anliegenden,
gemessenen Spannung 204 und des gemessenen Aktorstroms 206 auch
theoretische, z. B. in einem Speicher des Steuergeräts
gespeicherte oder in diesem berechnete Werte herangezogen werden.
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2D zeigt,
aufgetragen über einer Frequenzachse 226, ein
aus dem Aktorhubverlauf 200 durch Fourier-Transformation
in den Frequenzraum gewonnenes Frequenzspektrum 202, das
jeweils für unterschiedliche Frequenzen die entsprechenden Frequenzanteile
des in 2C gezeigten Aktorhubverlaufs
darstellt. Die vertikale Achse entspricht dabei der logarithmierten
Intensität 228 des jeweiligen Frequenzanteils.
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3A zeigt,
in analoger Darstellung zu 2C, einen
Aktorhubverlauf 200, der abweichend vom in 2C nicht
aus gemessenen Werten des Ansteuersignals abgeleitet, sondern aus
vorgegebenen Daten frei erstellt wurde. Beispielsweise kann der
gezeigte Aktorhubverlauf 200 durch bewusste Abwandlung
anderer, experimentell ermittelter Aktorhubverläufe erstellt
worden sein, mit dem Ziel, den Betrieb des Piezoaktors mit diesem
Aktorhubverlauf zu simulieren. 3B zeigt,
in analoger Darstellung zu 2D, ein
Frequenzspektrum 202, das aus dem in 3A gezeigten
Aktorhubverlauf 200 durch Fourier-Transformation in den
Frequenzraum gewonnen wurde.
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Die
auf diese Weise erhaltenen, in 2D und 3B in
zwei Beispielen dargestellten Frequenzspektren 202 stellen
Erregerfrequenzspektren 202 dar, die die Frequenzanteile
der vom Piezoaktor 103 als Schwingungserreger 103 ausgeführten
Bewegung beschreiben. Sie werden nun in der nachfolgend anhand des
in 4 beschriebenen Weise mit einer Übertragungsfunktion 400 kombiniert,
die die Übertragung der vom Piezoaktor 103 ausgeführten Bewegung
in die Luft modelliert, um so zu einer Simulation des letztendlich
in die Luft abgestrahlten, hörbaren Schaltgeräuschs 404 zu
gelangen.
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4 zeigt
den Piezoinjektor 110 in einer abstrakten Darstellung als
ein System aus Massepunkten 103, 406, die untereinander
und mit einer festen Masse 414 durch – unterschiedlich
starke und unterschiedlich bedampfte – Federn 410, 412 verbundenen
sind und über diese 410, 412 miteinander
wechselwirken. Der Einfachheit halber sind nur zwei Massepunkte 103, 406 dargestellt,
von denen einer den Piezoaktor 103 selbst bzw. einen sich
entsprechend dem Aktorhubverlauf bewegenden Punkt des Piezoaktors 103 bezeichnet.
Als feste Masse 414 kann z. B. die Brennkraftmaschine,
das Fahrgestell eines Fahrzeugs oder auch der feste Erdboden angesehen
werden, wobei das den Piezoinjektor 110 beschreibende System 110 in
der vorliegenden Betrachtung auch weitere Teile z. B. der Brennkraftmaschine
umfassend definiert sein kann. Die Massepunkte 103, 406 sind
in der gezeigten abstrakten Modelldarstellung jeweils durch weitere,
gestrichelt gezeichnete Federn 416, 418 mit einem
die Luft 408 als Umgebungsmedium 408 repräsentierenden
weiteren Massepunkt 408 verbunden.
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Im
Betrieb des Piezoinjektors 110 vollführt der auf
dem Piezoaktor 103 selbst liegende Massepunkt 103 eine
Bewegung entsprechend dem z. B. in 2C oder 3A dargestellten
Aktorhubverlauf. Diese Bewegung überträgt sich über
die Feder 412 auch auf den weiteren Massepunkt 406,
wobei der Grad, zu dem diese Übertragung erfolgt, allgemein von
der Stäke und Bedämpfung der Federn 412, 410 sowie
von der jeweiligen Größe der Massen 103, 406 abhängt. Über
die Federn 416, 418 beeinflusst wiederum die Bewegung
eines jeden der Massepunkte 103, 406 die Bewegung
der Luft 408.
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Beispielsweise
durch mathematische Modellierung des Systems 110 des Piezoaktors 110 wird nun
eine Übertragungsfunktion 400 gewonnen, die beschreibt,
zu welchem Grad eine Schwingungsbewegung des Piezoaktors 103 mit
einer gegebenen Frequenz 226 auf eine entsprechende Schwingungsbewegung
der Luft 408 mit gleicher Frequenz 226 überträgt.
Dabei ist z. B. bei gleicher Amplitude der Schwingungsbewegungen
von Piezoaktor 103 und Luft 408 der Übertragungsfunktion 400 der
Wert 1 oder ein beliebiger konstanter Wert zugeordnet, bei um einen
bestimmten Faktor verringerter Amplitude ein entsprechend verringerter
Wert. In 4 ist der Verlauf des Funktionswerts 402 einer
beispielhaften Übertragungsfunktion als Funktionsgraf über
einer Frequenzachse 226 aufgetragen. Die Übertragungsfunktion 400 außer
durch mathematische Modellierung auch experimentell bestimmt werden,
z. B. indem der Piezoaktor 103 zu Schwingungen einer bestimmten
Frequenz und Amplitude angeregt und gleichzeitig die Amplitude der
Luftschwingungen bestimmt wird. Der Quotient der Amplitude der Schwingung
der Luft 408 und der Schwingung des Piezoaktors 103 ergibt
den Funktionswert der Übertragungsfunktion für
die verwendete Frequenz.
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Wie
in 4 gezeigt, werden in einem abschließenden
Schritt das aus dem Aktorhubverlauf ermittelte Erregerfrequenzspektrum 202 und
die Übertragungsfunktion 400 miteinander kombiniert, um
das simulierte Frequenzspektrum 404 der Luftschallabstrahlung
des Piezoaktors 103 zu erhalten. Zweckmäßigerweise
erfolgt dies durch Multiplizieren beider Funktionen 202, 404,
so dass sich der Funktionswert des simulierten Frequenzspektrums 404 für eine
gegebene Frequenz als Produkt der jeweiligen Funktionswerte des
Erregerfrequenzspektrums 202 und der Übertragungsfunktion 400 für
die Frequenz ergibt.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren kann z. B. als Computerprogramm
auf einem Rechengerät implementiert sein und dort ablaufen.
Der Programmcode kann auf einem maschinenlesbaren Träger
gespeichert sein, den das Rechengerät lesen kann. Es ist
hervorzuheben, dass das vorgeschriebene Verfahren rein prinzipiell
bei jedem beliebigen Injektor mit Piezoaktor zum Einsatz kommen
kann. Es ist insbesondere nicht auf den Eingangs in Verbindung mit 1 beschriebenen
Piezoaktor beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Bosch
Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", 25. Auflage, 2003, Seite 706f [0023]