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Stand der Technik
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Es ist bekannt, dass Piezo-Aktoren von Piezo-Injektoren für Brennkraftmaschinen mit einer Ladung beaufschlagt werden, um eine Einspritznadel des Piezo-Injektors zu öffnen und damit Kraftstoff einzuspritzen. Dazu wird eine Zielspannung für den Piezo-Aktor vorgegeben. Entsprechende Ansteuerverfahren und Spannungsverläufe sind bekannt.
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Ebenfalls bekannt ist, dass ein vom Piezo-Aktor beaufschlagtes Schaltventil in seinem geöffneten Zustand ballistisch, d. h. ohne Hubanschlag, betrieben werden kann. Durch die Anregung des Piezo-Aktors wird die Stellerkette, wozu unter anderem der Piezo-Aktor und das Schaltventil zählen, in eine Stellerkettenschwingung versetzt. Bekannt ist ebenso, dass sich die Stellerkettenschwingung in einer Schwingung der Istspannung niederschlägt, die am Piezo-Aktor gemessen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die beim Stand der Technik vorhandenen Probleme werden durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst.
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Die Amplitude der Schwingung der Istspannung wirkt sich bei geöffnetem Schaltventil auf die eingespritzte Kraftstoffmenge aus. Erfindungsgemäß wird die Amplitude der Schwingung der Istspannung ermittelt. In Abhängigkeit von dieser Amplitude wird die Zielspannung am Piezo-Aktor eingestellt, welche wiederum die Amplitude der Istspannung beeinflusst. Die einzuspritzende Kraftstoffmenge kann mit einer derartigen Regelung der Amplitude genauer eingestellt werden.
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Das Verfahren ermöglicht es, Auswirkungen von Fertigungstoleranzen und Alterungseffekte des Piezo-Injektors sowie Auswirkungen von Temperatureinflüssen auf die einzuspritzende Kraftstoffmenge zu reduzieren. Weitergehend wird dadurch ein verbessertes Brennverhalten erzielt, was eine Einsparung von Kraftstoff und niedrige Emissionswerte zur Folge hat.
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Ausgehend von einem ballistischen Betrieb des Schaltventils kann das Schaltventil auch in einem nicht-ballistischen Verfahren betrieben werden. Im nicht-ballistischen Betrieb ist die Bewegung des Schaltventils in Öffnungsrichtung durch einen Hubanschlag begrenzt. Eine Beeinflussung des Aktorhubes ist somit auch bei anderen Injektortypen, die beispielsweise mit einem Hubanschlag in Öffnungsrichtung des Schaltventils ausgeführt sind, durchführbar.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Sollamplitude bzw. deren Kennfeld vor dem Betrieb am Prüfstand ermittelt. Dies ermöglicht eine injektorindividuelle Regelung der Amplitude der Istspannung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Sollamplitude bzw. deren Kennfeld im Betrieb ermittelt oder angepasst. Dadurch werden Alterungseffekte fortlaufend korrigiert.
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In einer weitergehenden Ausführungsform wird eine Gleichstellung der Amplituden mehrerer Piezo-Injektoren erreicht. Dazu dient die Amplitude eines Piezo-Aktors als Referenz, ein weiterer Piezo-Aktor wird entsprechend dieser Amplitude eingestellt. Damit kann eine Gleichstellung der eingespritzten Kraftstoffmengen erreicht werden.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass die zur Berechnung der Amplitude der Istspannung nötige Wurzelberechnung mit einem optimierten Heron-Verfahren durchgeführt wird. Dadurch lassen sich Einsparungen im Bereich der Rechenkapazität und des Rechengeräts selbst erzielen.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
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In 1a ist ein schematischer Schnitt durch einen Piezo-Injektor gezeigt.
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In 1b ist schematisch ein Schaltventil des Piezo-Injektors in einer Startposition gezeigt.
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In 1c ist schematisch das Schaltventil des Piezo-Injektors in einem Zustand „Öffnen” gezeigt.
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In 1d ist schematisch das Schaltventil des Piezo-Injektors in einem Zustand „Schließen” gezeigt.
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In 2 ist ein schematisches Zeitdiagramm abgebildet, das einen Spannungsverlauf zum Ansteuern des Piezo-Aktors der 1a zeigt.
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In 3 ist ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt.
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In 4 ist ein schematisches Zeitdiagramm abgebildet, das Spannungsverläufe zum Ansteuern von Piezo-Injektoren nach der 1a zeigt.
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In 5 ist ein schematisches Zeitdiagramm abgebildet, das das Einspritzverhalten zweier gemäß der 4 angesteuerter Piezo-Injektoren zeigt.
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Der in 1a gezeigte Piezo-Injektor 100 dient zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Beispielsweise arbeitet diese Brennkraftmaschine nach dem sogenannten Common-Rail-Verfahren. Die Zuführung von Kraftstoff durch den Piezo-Injektor 100 wird von einem Piezo-Aktor 10 gesteuert, der über ein Steuergerät mit einer elektrischen Zielspannung Uz angesteuert wird. In Abhängigkeit von dieser Zielspannung Uz verändert sich die Ausdehnung des Piezo-Aktors 10 in Längsrichtung, d. h. entlang der Längsachse des Piezo-Injektors 100. Der Piezo-Aktor 10 ist über einen hydraulischen Kuppler 11 mit einem Schaltventil 12 verbunden. Über das Schaltventil 12 wird hydraulisch eine Düsennadel 14 in Längsrichtung bewegt.
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Der Piezo-Aktor 10, der hydraulischen Kuppler 11 sowie das Schaltventil 12 werden nachfolgend auch Stellerkette 13 genannt.
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Die 1b, 1c und 1d zeigen schematisch die kraftstoffgefüllte Verbindung zwischen dem Schaltventil 12 und der Düsennadel 14 der 1a. Weiterhin sind ein Ablauf 15, ein Zulauf 16, ein Absteuerraum 17, eine Ventilkammer 18, eine Steuerkammer 19 und ein Druckraum 20 gezeigt. Die Ventilkammer 18 ist mit der Steuerkammer 19 über eine Verbindungsleitung 21 verbunden. Die Verbindungsleitung 21 besitzt eine Ablaufdrossel 22. Die Steuerkammer 19 ist mit dem Druckraum 20 über eine Verbindungsleitung 23 verbunden. Die Verbindungsleitung 23 besitzt eine Zulaufdrossel 24. In dem Absteuerraum 17 ist ein Lecköldruck Pleak und in dem Druckraum 20 ist ein Raildruck Prail vorhanden.
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In 1b befindet sich der Piezo-Injektor 100 im Startzustand, wobei das Schaltventil 12 verschlossen ist. Daher herrscht im Absteuerraum 17 der durch den Ablauf 15 bestimmte Lecköldruck Pleak. Im restlichen System herrscht der über den Zulauf 16 erreichte Raildruck Prail.
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Wird der Piezo-Aktor 10 aufgeladen, dehnt er sich in Längsrichtung aus. Es wird über die Stellerkette 13 das Schaltventil 12 mit einem Hub beaufschlagt und damit entsprechend 1c in die Bewegungsrichtung d1 geöffnet. Dadurch ändern sich die Drücke innerhalb des dargestellten hydraulischen Systems wie folgt. Durch Öffnen des Schaltventils 12 werden der Absteuerraum 17 und die Ventilkammer 18 verbunden, so dass der Druck in der Ventilkammer 18 von dem Raildruck Prail auf den Lecköldruck Pleak sinkt. Aus der Steuerkammer 19 fließt dadurch Kraftstoff über die Ablaufdrossel 22 in Richtung f1 ab und der Druck in der Steuerkammer 19 sinkt vom bisherigen Raildruck Prail auf einen Zwischendruck Pz1. Für den Zwischendruck Pz1 gilt: Prail > Pz1 > Pleak. Das Öffnen des Schaltventils 12 führt in der Steuerkammer 19 somit zu einem Druckabfall, welcher bewirkt, dass Kraftstoff über die Zulaufdrossel 24 nachgeführt wird, und dass sich die Düsennadel 14 nach oben in die Richtung d2 bewegt. Diese Bewegungsrichtung der Düsennadel 14 bedeutet ein Öffnen des Piezo-Injektors 100 zur Kraftstoffeinspritzung.
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In einer Anordnung, in der kein Hubanschlag des Schaltventils in Öffnungsrichtung d1 vorhanden ist, wird das Schaltventil 12 in seinem geöffneten Zustand ballistisch betrieben.
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Zum Verschließen des Piezo-Injektors 100 und damit der Beendigung der Kraftstoffeinspritzung nach 1d wird der Piezo-Aktor 10 entladen und verkleinert sich daher in Längsrichtung. Über die Stellerkette 13 wird das Schaltventil 12 entsprechend mit einem Hub beaufschlagt und es bewegt sich in Richtung d3 hin zur einer Schließposition. Dadurch kann weniger bis kein Kraftstoff mehr über den Ablauf 15 abfließen. Durch die Verbindungsleitung 23 fließt Kraftstoff in Richtung f3 nach und erhöht den Druck in der Steuerkammer 19 ausgehend von dem Zwischendruck Pz1 zu einem Zwischendruck Pz2. Für den Zwischendruck Pz2 gilt: Prail > Pz2 > Pleak und Pz2 >= Pz1. Dies führt dazu, dass sich die Düsennadel 14 in die Richtung d4 bewegt und den Piezo-Injektor 100 verschließt.
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Danach kann sich bei dem geschlossenem Schaltventil 12 wieder ein Zustand nach 1b ausbilden.
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2 zeigt einen Ansteuerzyklus des Piezo-Aktors 10. Ein zeitlicher Spannungsverlauf 202 einer Istspannung Uist, die am Piezo-Aktor 10 gemessen wird, steigt in einer Ladephase P1 von einer Spannung U0 in den Bereich der Zielspannung Uz an, geht in einer Haltephase P2 in eine Schwingung mit einer Amplitude Uamp sowie einer Wellenlänge λ über. In nicht dargestellter Weise klingt die Schwingung im Verlauf der Haltephase P2 ab. In einer Entladephase P3 nähert sich der Spannungsverlauf 202 wieder der Spannung U0.
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Bis zu einem Zeitpunkt t1 befindet sich die Istspannung Uist etwa bei der Spannung U0. Die Aufladephase P1 dient dem Zweck, den Piezo-Aktor 10 in
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1a aufzuladen und den Piezo-Aktor 10 in Längsrichtung auszudehnen. Von dem Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2 wird der Piezo-Aktor 10 aufgeladen und es erhöht sich die Istspannung Uist auf einen Wert nahe der durch das Steuergerät vorgegebenen Zielspannung Uz. Die Ausdehnung des Piezo-Aktors 10 hat, unter der Vorraussetzung, dass die Zielspannung Uz entsprechend groß gewählt wurde, zur Folge, dass sich über den hydraulischen Koppler 11 das Schaltventil 12 öffnet und sich wie in 1c in den Absteuerraum 17 hineinbewegt.
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Ein Öffnen des Schaltventils 12 bewirkt entsprechend der hydraulischen Druckverhältnisse in 1c eine Bewegung der Düsennadel 14 in Richtung d2 und öffnet den Piezo-Injektor 100.
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In der Haltephase P2 wird das Schaltventil 12 in einer quasi-stationären Position gehalten. Dies ist der erwähnte ballistische Betrieb des Schaltventils 12. Die quasi-stationäre Position des Schaltventils 12 ist durch eine Stellerkettenschwingung der gesamten Stellerkette 13 gekennzeichnet, die sich in der Istspannung Uist niederschlägt. Nach dem Zeitpunkt t2 stellt sich somit eine Schwingung der Istspannung Uist ein, die bis hin zu dem Zeitpunkt t3 um die Zielspannung Uz schwingt. Die Zielspannung Uz kennzeichnet dabei den Mittelwert der Schwingung.
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Des Weiteren sind im Abstand von einem Viertel der Wellenlänge λ fünf Spannungswerte markiert: ein erster Spannungswert U11, ein zweiter Spannungswert U12 bzw. U21, ein dritter Spannungswert U22 bzw. U31, ein vierter Spannungswert U32 bzw. U41 und ein fünfter Spannungswert U42. Der Doppelbezeichnung liegt eine paarweise Weiterverarbeitung zu Grunde, die noch erläutert wird. Weiterhin versteht es sich, dass auch noch weitere Spannungswerte ermittelt werden können.
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In der Haltephase P2 ist die Istspannung Uist mit der erläuterten Schwingung beaufschlagt, die durch eine Stellerkettenschwingung der Stellerkette 12 durch eine Rückwirkung auf die Istspannung Uist verursacht wird. Die charakteristischen Eigenschwingungen werden durch die Steifigkeit der Stellerkette 13 bestimmt. Derartige Eigenschwingungen der Stellerkette 13 bilden sich in geöffnetem wie auch geschlossenem Zustand des Schaltventils 12 aus.
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In der Entladephase P3 ab dem Zeitpunkt t3 findet die Entladung des Piezo-Aktors 10 statt. Dies ist gleichbedeutend mit einer Kontraktion des Piezo-Aktors 10 in Längsrichtung. Der Spannungsverlauf 202 der Istspannung Uist knickt ab und strebt gegen den Spannungswert U0. Nach einem Zeitpunkt t4 verweilt die Istspannung Uist bei der Spannung U0.
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Die Entladephase P3 korrespondiert somit, falls das Schaltventil 12 vorher geöffnet war, mit den in 1d gezeigten Druckverhältnissen. Die Düsennadel 14 bewegt sich in Richtung d4 und schließt den Piezo-Injektor 100.
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Um die Amplitude Uamp der Istspannung Uist in der Haltephase P2 bei einer bestimmten Zielspannung Uz zu bestimmen, wird zunächst die Frequenz f bzw. die Wellenlänge λ sowie der Mittelwert Uz der Schwingung ermittelt. Nun werden im Zeitabstand von λ/4 jeweils zwei Spannungswerte, z. B. U11 und U12, bezogen auf den Durchgang durch den Mittelwert, d. h. durch die Zielspannung Uz, aufgenommen. Diese dienen zur Ermittlung der Amplitude Uampn: Uamp1 = √U11² + U12², wobei n für ein gemeinsam verwandtes Spannungspaar steht, z. B. das Spannungspaar 1 mit U11 und U12 oder das Spannungspaar 2 mit U21 und U22.
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Zur Berechnung der Quadratwurzel kann das Heron-Verfahren eingesetzt werden, da es die Nutzung von Betriebsmitteln, in diesem Fall des Steuergeräts, minimiert. Für das Heron-Verfahren ist ein Startwert x0 notwendig, dessen Wahl Einfluss auf die Konvergenz hat. Je näher der Startwert x0 an der Quadratwurzel liegt, desto weniger Iterationen sind nötig, um den Fehler zu der Quadratwurzel zu minimieren.
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Der Startwert x0 wird wie folgt gebildet: Die Summe s, bestimmt nach s = U112 + U122, ist im Speicher des Steuergeräts binär abgelegt. Diese Zahl wird p-mal um 2 Bitpositionen nach rechts verschoben, bis sie gerade noch nicht Null ist. Der Startwert x0 ergibt sich dann nach x0 = 2p.
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Auf Basis dieses Startwerts x
0 werden k Iterationen des Heron-Verfahrens beginnend mit i = 0 durchgeführt:
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Entsprechend können jeweils im Zeitabstand von λ/4 mehrere Uamp
n ermittelt werden. Um Störeinflüsse wie beispielsweise zeitliches Rauschen zu minimieren, wird über alle Uamp
n gemittelt:
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Zur Regelung der Amplitude Uamp wird eine Regelstruktur gemäß 3 verwendet. Eine Sollamplitude Uampsoll kann aus einem Kennfeld ermittelt werden, welches betriebspunktabhängig weitere Variablen berücksichtigt. Die Sollamplitude Uampsoll muss injektortypspezifisch vorliegen und am Prüfstand vorab ermittelt worden sein. Hierfür wird beispielsweise die Sollamplitude mehrerer Injektoren eines Typs ermittelt und daraus beispielsweise der Mittelwert gebildet, um so die Sollamplitude Uampsoll zu ermitteln.
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Die Sollamplitude Uampsoll wird nun mit der aus den Messungen gewonnenen Amplitude Uamp verglichen. Der entstehende Fehler e wird an einen Regler R weitergeleitet, der die Zielspannung Uz als Stellgröße ermittelt. Mit der Zielspannung Uz wird die Regelstrecke RS, d. h. der Piezo-Aktor 10, angesteuert und es kann durch eine Rückführung der Amplitude Uamp der Istspannung Uist eine weitere Regeliteration beginnen. Durch das vorstehend beschriebene Verfahren kann somit die Amplitude Uamp während der Haltephase P2 des Piezo-Injektors 100 geregelt werden.
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Wird der Aktorhub mit einem alternativen Verfahren, im Vergleich zu den Erläuterungen zu 2, ermittelt, so ist ein Regelungs-Verfahren für den Aktorhub analog zum beschriebenen Regelungs-Verfahren nach 3 möglich.
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Das Regelsystem nach 3 wird üblicherweise mit einem Steuergerät betrieben, das üblicherweise als Mikrocontroller ausgeführt und entsprechend den beschriebenen Verfahren programmiert ist. Des Weiteren wird ein dementsprechendes Computerprogramm auf einem Speichermedium abgespeichert.
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Eine entsprechende Regelung ist für einen ersten Piezo-Injektor in 4 dargestellt. Ausgangspunkt ist eine Gleichstellung von Spannungsverläufen zu einer Zielspannung Uza. Hierbei weist der erste Piezo-Injektor einen Spannungsverlauf 401 und eine Amplitude Uamp401 auf. Ein zweiter Piezo-Injektor weist einen Spannungsverlauf 402a und eine Amplitude Uamp402a auf. Die Amplitude Uamp401 stellt eine Referenz dar. Die Amplitude Uamp402a des Spannungsverlaufs 402a ist vorliegend kleiner als die Referenz und soll auf den Wert der Amplitude Uamp401 geregelt werden. Diese Gleichstellung der Amplituden wird über die Erhöhung der Zielspannung für den Spannungsverlauf 402a auf eine Zielspannung Uzb erreicht. So bildet sich ausgehend von dem Spannungsverlauf 402a ein Spannungsverlauf 402b bei der Zielspannung Uzb aus. Die Amplitude Uamp402b entspricht der Amplitude Uamp401. Die Gleichstellung der Amplitude der beiden Piezo-Injektoren ist somit erreicht.
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Die vorangegangen beschriebene Gleichstellung der Amplituden zweier Piezo-Injektoren gemäß 4 hat eine weitgehende Gleichstellung der Einspritzmengen der Piezo-Injektoren nach 5 zur Folge. Es ist der zeitliche Verlauf der Einspritzmenge Q dargestellt. Der Verlauf 501 dient hier als Ausgangsbasis und korrespondiert mit dem Spannungsverlauf 401 in 4. Dementsprechend korrespondiert der Verlauf 502a mit dem Spannungsverlauf 402a. Der Unterschied in der Amplitude der Spannungsverläufe 401 und 402a resultiert in einem unterschiedlichen Einspritzverhalten entsprechend den Verläufen 501 und 502a. Nach einer Gleichstellung der Amplituden mit einem sich ergebenden Spannungsverlauf 402b wird ein etwa gleiches Einspritzverhalten nach Verlauf 502b erreicht.
