DE102007043247A1 - Fuel injector's i.e. piezo injector, sound radiation simulation method for vehicle, involves modifying frequency spectrum by transfer function that specifies sound propagation of frequency portions of stroke course in medium of injector - Google Patents

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Abstract

The method involves determining a temporal actuator stroke course of a piezo-actuator (103). A frequency spectrum (202) is calculated by transforming the actuator stroke course into a frequency domain by Fourier transformation. A transfer function (400) is determined. The transfer function specifies sound propagation of frequency portions of the actuator stroke course in an ambient medium (408) of a fuel injector (110). The frequency spectrum is modified by transfer function. A sound radiation spectrum of the fuel injector is measured. Independent claims are also included for the following: (1) a computer program product for executing a method for simulating sound radiation of a fuel injector (2) a device for simulating sound radiation of a fuel injector.

Description

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.The The present invention relates to a method for simulating a Piezo injector, in particular for an internal combustion engine. Furthermore, the invention relates to a device for simulating a Piezoinjektors and a computer program product to carry out the method is suitable on a computer.

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.at self-injecting internal combustion engines, especially diesel internal combustion engines, be for fuel injection today so-called common-rail injectors the third generation used with piezo actuators instead working by electromagnet operated valves. This piezoelectric Actuators are much faster than in previous generations used electromagnetic actuators and therefore have the advantage that with them very short switching times can be realized, which in turn allow fuel injections in terms the injected quantity and the time course very precise to regulate.

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.The However, fast switching times of the piezo actuator lead to increased sound radiation of the entire injector, what is expressed in a switching noise of the piezo injectors, especially when idling the internal combustion engine audible is. This is all the more the case with modern diesel internal combustion engines among other things by the use of the described common rail injectors the third generation the combustion noise itself can be reduced so far that accessory noise like the switching noise of the piezoinjectors because of total noise are audible. Users of vehicles with such Internal combustion engines experience the switching noise of the piezo injectors as disturbing.

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.to Reduction of the switching noise of Piezoinjektoren be traditionally different changes at the piezo injectors themselves or at the electrical control the piezoinjectors made and by airborne and structure-borne noise measurements Verified. Especially with measures at the electrical Control such. B. Changes in the time course the drive signal and combinations of various constructive However, measures are a large number of possible variations given to a correspondingly large measurement and evaluation effort lead in the testing.

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.The The present invention is based on the idea of sound radiation a fuel injector with a piezoelectric actuator to simulate, wherein on the one hand, the generation of sound by the movement of the piezoelectric actuator inside the fuel injector and on the other hand the forwarding of the generated sound can be simulated by surrounding parts. By the combined simulation of both the sound generation and the Sound transmission becomes a simulated sound radiation spectrum won the fuel injector.

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.at the inventive method is first a time Aktorhubverlauf the piezoelectric actuator in the fuel injector determined, d. H. the change of the mechanical length of the piezo actuator as a function of time. In a further step is calculated from the Aktorhubverlauf a frequency spectrum by the Aktorhubverlauf is transformed into the frequency space. The Frequency spectrum has the form of a function of frequency and describes the frequency components of Aktorhubverlaufs. Because the piezoelectric actuator represents the main sound generator in Piezoinjektor, that is obtained frequency spectrum as the excitation frequency spectrum, d. H. to look at the frequency spectrum of the sonic exciter.

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.In a further step, a transfer function is determined, the one sound transmission of frequency components of Aktorhubverlaufs describes in a surrounding medium of the fuel injector. The surrounding medium is z. B. the surrounding air or with the fuel injector in assembled state of an internal combustion engine metal or body. Subsequently, the frequency spectrum modified by the transfer function. this makes possible z. B. to obtain a modified frequency spectrum, the simulated Frequency components of the sound emission of the fuel injector indicates. With such a spectrum can be z. For example, the effects constructive changes to the fuel injector and / or predict its electrical drive, so that a variety Variants and combinations of possible changes checked quickly and inexpensively by simulation and subsequent experiments on in the simulation as targeted detected variants or Combinations can be limited.

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.According to one preferred development is the modification of the frequency spectrum by multiplying by the transfer function. This is according to the general definition of the transfer function assumed in the technical systems theory that the transfer function the Factor by which the system gives a given frequency component an input signal - here the Aktorhubverlaufs - changed. Thus, the transfer can be effected directly in the manner indicated of the sound generated by the piezoelectric actuator as a pathogen in the surrounding medium, and thus accurately simulate the frequency spectrum of the radiated sound.

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.According to one preferred training is still a step of measuring a voltage and a current waveform provided, the Aktorhubverlauf from the measured voltage and. Current profile is determined. This allows the occurring in the real experimental operation of a fuel injector Actuator stroke course to accurately reproduce within the simulation.

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.According to one preferred development is a Schallabstrahlungsspektrum of Fuel injector measured during the experimental operation, so that the frequency spectrum of the measured sound radiation directly can be compared with the simulated frequency spectrum, in particular by calculating a correlation between measured and simulated Frequency spectrum. Preferably, the sound radiation spectrum is through Measurement of air or / and structure-borne noise determined, z. B. by measuring the impact sound at an attachment point of the fuel injector.

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.According to one alternative training, the Aktorhubverlauf is given from Data determined. This allows z. B. a certain Aktorhubverlauf directly specify and its influence on the sound radiation to simulate. Preferably, a normalization of Aktorhubverlaufs, so different Aktorhubverläufe with regard to To be able to compare their associated acoustic emission.

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.According to one preferred development is the transformation by means of a Fourier transform. In particular in the form as Fast Fourier Transform (FFT) is the transformation the Aktorhubverlaufs in the frequency domain quickly and accurately perform.

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.Under In another aspect, the invention provides a device ready to simulate the sound emission of a fuel injector. The device comprises an actuator horn mediator for determining a temporal Aktorhubverlaufs the piezoelectric actuator, a transformation unit, by transforming the Aktorhubverlaufs in the frequency domain calculates a frequency spectrum, a transfer function determiner for determining a transfer function, which is a sound transmission of frequency components of Aktorhubverlaufs in a surrounding medium of the fuel injector, and a spectral modifier, the frequency spectrum by means of the transfer function modified.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.The Invention will be described below with reference to exemplary embodiments explained in more detail with reference to the accompanying figures.

Von den Figuren zeigen:From show the figures:

1 schematisch eine teilweise geschnittene Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Piezoinjektors, bezüglich dessen ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform zum Einsatz kommt; 1 schematically a partial sectional view of a known from the prior art piezoelectric injector, to which a method according to an embodiment is used;

2A und B einen Spannungs- bzw. einen Stromverlauf eines bei der Ansteuerung des Piezoinjektors aus 1 verwendeten Ansteuersignals; 2A and B is a voltage or a current characteristic of a in the control of the piezo injector 1 used drive signal;

2C einen aus dem Spannungs- und Stromverlauf aus 2A und B ermittelten Aktorhubverlauf; 2C one from the voltage and current course 2A and B determined Aktorhubverlauf;

2D ein aus dem Aktorhubverlauf aus Fig. C berechnetes Frequenzspektrum; 2D a frequency spectrum calculated from the Aktorhubverlauf of Figure C;

3A und B einen aus vorgegebenen Daten ermittelten Aktorhubverlauf bzw. ein aus diesem berechnetes Frequenzspektrum; und 3A and B an Aktorhubverlauf determined from predetermined data or a calculated from this frequency spectrum; and

4 ein Datenflussdiagram eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 4 a data flow diagram of a method according to an embodiment of the invention.

In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.In In the figures, the same reference numerals designate the same or the same function Components, unless stated otherwise.

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.In 1 is an example of a known from the prior art and z. B. from the book publication "Bosch Automotive Handbook", 25th Edition, 2003, page 706f outgoing piezo injector of the third generation. This piezo injector has one in a housing 100 arranged piezoelectric actuator 103 on top of a hydraulic booster 104 a valve 105 so actuated that a nozzle needle 106 spiracles 107 opens and closes. For the fuel supply in the housing, a high pressure port 102 and a fuel return 101 intended. The nozzle needle 106 is here directly from the actuator 103 hydraulically controlled, allowing any mechanically rigid connection between actuator 103 and nozzle needle 106 eliminated. In this way it is prevented that friction or elastic deformation of connecting elements occurs. Because the nozzle needle has only a low weight and the leakage rate at the actuator 103 is reduced to a minimum with such a piezo injector, with such an injector in a small space with low weight several injections per injection cycle can be performed, such. B. a pre-injection, a main injection and two post-injections. The injection quantity in the pre-injection can be significantly reduced compared to injectors with solenoid valves. Also, the levels between the injections can be reduced. Both allow to improve pollutant emission, performance and fuel economy of the internal combustion engine. The control is done by electrically charging and discharging the pie zoaktors 103 by an electrical drive signal, whose temporal voltage and current course are controlled by a control unit, not shown.

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.The fast switching times of the piezo actuator 103 However, lead to an increased airborne sound radiation of the injector. This in turn has the consequence that the switching noise of the injector is much more audible than z. B. in injectors with solenoid valves. In the operation of an internal combustion engine with the injector shown, the switching noise is heard particularly clearly when the combustion noise of the internal combustion engine is low, ie especially when the engine is idling.

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.The airborne sound radiation of the piezoelectric injector is due to the mechanical change in size of the piezoelectric actuator 103 under the influence of the electrical drive signal, as well as due to the connection points of the piezoelectric actuator 103 outgoing structure-borne sound waves, which are converted at the surface of the piezo injector and / or surfaces of connected to the piezo injector in the assembled state components in airborne sound waves.

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. 2A shows as a function graph over a timeline 210 an exemplary voltage curve 204 one in the control of the piezo injector 1 used drive signal, wherein the electrical voltage along the vertical axis 212 is applied. The voltage curve shown has, at the beginning of the illustrated time segment, a voltage value at zero which corresponds to a closed position of the valve actuated by the piezoactuator. As the time progresses, the actuator voltage increases 204 along a curved flank up to a positive voltage value 216 on, which corresponds to an open position of the valve. After elapse of a time interval 218 In turn, the actuator voltage drops back to zero along a curved edge.

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. 2 B shows the time course of the associated actuator current 206 during the same time period, also along a vertical axis 220 , which in this case denotes the electric current, over a time axis 210 applied. At the beginning of the illustrated time period, no actuator current flows 206 in the piezoelectric actuator. In the area of in 2A shown rising edge of the voltage curve 204 indicates the current flow 206 a series of sharp positive pulses generated by the controller connected to the piezo actuator. Depending on the design of the control unit, this may alternatively a non-pulsed, in the region of the edge of the voltage curve 204 continuous current flow 206 provide. During the time interval 218 in which the actuator voltage 204 at their maximum value 216 remains, falls the Aktorstrom 206 to zero or back. In the area of the falling edge of the voltage curve 204 indicates the current flow 206 a series of sharp negative pulses, and then fall back to zero.

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. 2C shows along a length axis 224 , plotted over a timeline 210 , the time course of the by the in 2A and 2 B shown drive signal at the piezo actuator caused Aktorhubs 200. , The Aktorhubverlauf shown 200. points in the area of 2A shown rising edge of the voltage curve 204 also a rising edge, in the range of the time interval 218 also a maximum value 222 , which corresponds to the fully open state of the valve, and in the region of the falling edge of the voltage curve 204 also a falling edge. In contrast to the edges of the voltage curve, however, the flanks of the Aktorhubverlaufs are not curved. Since the mechanical change in size of the piezoelectric actuator is enforced by the piezoelectric effect via an electric field, the mechanical variables depend on how the Aktorhub 200. However, directly with the electrical parameters of the drive signal as the voltage applied to the piezo actuator actuator voltage and the actuator current together. From the measured data of the actuator voltage and the Aktorstroms, which abut the piezoelectric actuator, if this z. B. is driven for a main injection, therefore, via a mathematical model of the piezoelectric actuator, the hub 200. be calculated. Alternatively, instead of at the piezoelectric actuator 103 applied, measured voltage 204 and the measured actuator current 206 also theoretical, z. B. stored in a memory of the controller or used in this calculated values.

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. 2D shows, plotted over a frequency axis 226 , one from the Aktorhubverlauf 200. frequency spectrum obtained by Fourier transformation into the frequency domain 202 , each for different frequencies, the corresponding frequency components of in 2C shown Aktorhubverlaufs represents. The vertical axis corresponds to the logarithmic intensity 228 the respective frequency component.

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. 3A shows, in analogous representation to 2C , an actuator stroke course 200. which deviates from the one in 2C not derived from measured values of the drive signal, but was created freely from given data. For example, the Aktorhubverlauf shown 200. have been created by deliberate modification of other, experimentally determined Aktorhubverläufe, with the aim of simulating the operation of the piezoelectric actuator with this Aktorhubverlauf. 3B shows, in analogous representation to 2D , a frequency spectrum 202 that from the in 3A Aktorhubverlauf shown 200. obtained by Fourier transformation in the frequency domain has been.

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.The preserved in this way, in 2D and 3B shown in two examples frequency spectra 202 provide exciter frequency spectra 202 representing the frequency components of the piezoelectric actuator 103 as a vibration generator 103 describe the movement being carried out. You will now see in the following using the in 4 described manner with a transfer function 400 combined, which is the transfer of the piezoelectric actuator 103 modeled motion in the air, thus simulating the audible switching noise ultimately radiated into the air 404 to get.

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. 4 shows the piezo injector 110 in an abstract representation as a system of mass points 103 . 406 , with each other and with a solid mass 414 by - differently strong and differently vaporized - springs 410 . 412 are connected and about this 410 . 412 interact with each other. For simplicity, only two mass points 103 . 406 one of which is the piezoactuator 103 itself or a point of the piezoelectric actuator moving in accordance with the actuator stroke course 103 designated. As a solid mass 414 can z. As the internal combustion engine, the chassis of a vehicle or the solid ground are considered, which is the piezoinjector 110 descriptive system 110 in the present consideration also other parts z. B. the internal combustion engine can be comprehensively defined. The mass points 103 . 406 are in the abstract model representation shown in each case by further, dashed lines drawn springs 416 . 418 with one's breath 408 as ambient medium 408 representing another mass point 408 connected.

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.During operation of the piezo injector 110 performs on the piezoelectric actuator 103 self-contained mass point 103 a movement corresponding to the z. In 2C or 3A illustrated Aktorhubverlauf. This movement is transmitted via the spring 412 also on the further mass point 406 The degree to which this transfer occurs is generally determined by the thickness and damping of the springs 412 . 410 as well as the respective size of the masses 103 . 406 depends. About the springs 416 . 418 in turn affects the movement of each of the mass points 103 . 406 the movement of the air 408 ,

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.For example, by mathematical modeling of the system 110 of the piezo actuator 110 will now be a transfer function 400 which describes to what degree a vibration movement of the piezoelectric actuator 103 with a given frequency 226 to a corresponding oscillatory motion of the air 408 with the same frequency 226 transfers. It is z. B. at the same amplitude of the oscillations of piezoelectric actuator 103 and air 408 the transfer function 400 assigned the value 1 or any constant value, with a correspondingly reduced value by a certain factor of reduced amplitude. In 4 is the history of the function value 402 an exemplary transfer function as a function graph over a frequency axis 226 applied. The transfer function 400 be determined experimentally, except by mathematical modeling, eg. B. by the piezoelectric actuator 103 excited to vibrations of a certain frequency and amplitude and at the same time the amplitude of the air vibrations is determined. The quotient of the amplitude of oscillation of air 408 and the vibration of the piezoelectric actuator 103 returns the function value of the transfer function for the frequency used.

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.As in 4 are shown in a final step, the determined from the Aktorhubverlauf exciter frequency spectrum 202 and the transfer function 400 combined with each other to simulate the frequency spectrum 404 the airborne sound of the piezoelectric actuator 103 to obtain. Appropriately, this is done by multiplying both functions 202 . 404 , so that the functional value of the simulated frequency spectrum 404 for a given frequency as a product of the respective function values of the exciter frequency spectrum 202 and the transfer function 400 for the frequency.

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.The method described above may, for. B. be implemented as a computer program on a computing device and run there. The program code may be stored on a machine-readable medium that the computing device can read. It should be emphasized that the prescribed procedure can be used in principle with any injector with piezoelectric actuator. It is especially not related to the input 1 described piezoelectric actuator limited.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - „Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", 25. Auflage, 2003, Seite 706f [0023] - "Bosch Automotive Handbook", 25th Edition, 2003, page 706f [0023]

Claims (10)

Verfahren zur Simulation der Schallabstrahlung (404) eines Kraftstoffinjektors (110), welcher einen Piezoaktor (103) aufweist, mit den Schritten: – Ermitteln eines zeitlichen Aktorhubverlaufs (200) des Piezoaktors (103); – Berechnen eines Frequenzspektrums (202) durch Transformieren des Aktorhubverlaufs (200) in den Frequenzraum; – Ermitteln einer Übertragungsfunktion (400), welche eine Schallübertragung von Frequenzanteilen des Aktorhubverlaufs (200) in ein Umgebungsmedium (408) des Kraftstoffinjektors beschreibt; und – Modifizieren des Frequenzspektrums (202) durch die Übertragungsfunktion (400).Method for simulating the sound radiation ( 404 ) of a fuel injector ( 110 ), which has a piezoelectric actuator ( 103 ), comprising the steps of: determining a temporal actuator stroke course ( 200. ) of the piezo actuator ( 103 ); - calculating a frequency spectrum ( 202 ) by transforming the Aktorhubverlaufs ( 200. ) in the frequency domain; - determining a transfer function ( 400 ), which transmit a sound of frequency components of Aktorhubverlaufs ( 200. ) into a surrounding medium ( 408 ) of the fuel injector; and - modifying the frequency spectrum ( 202 ) by the transfer function ( 400 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modifizieren des Frequenzspektrums (202) durch Multiplizieren mit der Übertragungsfunktion (400) erfolgt.Method according to Claim 1, characterized in that the modification of the frequency spectrum ( 202 ) by multiplying by the transfer function ( 400 ) he follows. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Schritt des Messens eines Spannungs- (204) und/oder eines Stromverlaufs (206) am Piezoaktor (103) vorgesehen ist, wobei der Aktorhubverlauf (200) aus dem gemessenen Spannungs- (204) bzw. Stromverlauf (206) ermittelt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that further comprises a step of measuring a voltage ( 204 ) and / or a current course ( 206 ) on the piezoelectric actuator ( 103 ), wherein the Aktorhubverlauf ( 200. ) from the measured voltage ( 204 ) or current course ( 206 ) is determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin die Schritte vorgesehen sind: – Messen eines Schallabstrahlungsspektrums des Kraftstoffinjektors (110); – Berechnen einer Korrelation zwischen dem gemessenen Schallabstrahlungsspektrum und dem durch die Übertragungsfunktion (400) modifizierten Frequenzspektrum (404).Method according to one of the preceding claims, characterized in that the further steps of: - Measuring a Schallabstrahlungsspektrums the fuel injector ( 110 ); Calculating a correlation between the measured sound radiation spectrum and the transmission function ( 400 ) modified frequency spectrum ( 404 ). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallabstrahlungsspektrum durch Messen von Luft- oder/und Körperschall bestimmt wird.Method according to claim 4, characterized in that that the sound radiation spectrum by measuring air and / or Structure-borne sound is determined. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorhubverlauf (200) aus vorgegebenen Daten ermittelt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the Aktorhubverlauf ( 200. ) is determined from predetermined data. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Schritt des Normierens des Aktorhubverlaufs (200) vorgesehen ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that furthermore a step of normalizing the Aktorhubverlaufs ( 200. ) is provided. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformieren mittels einer Fourier-Transformation erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the transformation takes place by means of a Fourier transformation. Computerprogrammprodukt mit Programmanweisungen, welche auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sind, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 0, wenn die Programmanweisungen auf einem Computer ausgeführt werden.Computer program product with program instructions, which are stored on a machine-readable carrier, for carrying out the method according to one of the claims 1 through 0 when the program statements run on a computer become. Vorrichtung zur Simulation der Schallabstrahlung eines Kraftstoffinjektors (110), welcher einen Piezoaktor (103) aufweist, mit: – einem Aktorhubermittler zum Ermitteln eines zeitlichen Aktorhubverlaufs (200) des Piezoaktors (103); – einer Transformationseinheit, welche durch Transformieren des Aktorhubverlaufs (200) in den Frequenzraum ein Frequenzspektrum (202) berechnet; – einen Übertragungsfunktionsermittler zum Ermitteln einer Übertragungsfunktion (400), welche eine Schallübertragung von Frequenzanteilen des Aktorhubverlaufs (200) in ein Umgebungsmedium des Kraftstoffinjektors beschreibt; und – einem Spektralmodifizierer, welcher das Frequenzspektrum (202) mittels der Übertragungsfunktion (400) modifiziert.Device for simulating the sound emission of a fuel injector ( 110 ), which has a piezoelectric actuator ( 103 ), comprising: - an actuator switching means for determining a temporal Aktorhubverlaufs ( 200. ) of the piezo actuator ( 103 ); A transformation unit, which is transformed by transforming the Aktorhubverlaufs ( 200. ) in the frequency domain a frequency spectrum ( 202 ) calculated; A transfer function determiner for determining a transfer function ( 400 ), which transmit a sound of frequency components of Aktorhubverlaufs ( 200. ) into an ambient medium of the fuel injector; and - a spectral modifier which determines the frequency spectrum ( 202 ) by means of the transfer function ( 400 ) modified.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Non-Patent Citations (1)

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Title
"Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", 25. Auflage, 2003, Seite 706f

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