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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Injektoren
mit Piezo-Antrieb. Ferner ist die Erfindung auf eine Vorrichtung
zur Durchführung
eines derartigen Verfahrens gerichtet.
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Injektoren
(Einspritzventile) mit Piezo-Antrieb dienen insbesondere zum Einspritzen
von Kraftstoff in Brennkraftmaschinen. Insbesondere wird bei solchen
Kraftstoffeinspritzsystemen Kraftstoffdruck in einer gemeinsamen
Kraftstoffleitung bzw. einem Common-Rail bereitgestellt, der entsprechenden
Injektoren bzw. Einspritzventilen zugeführt wird. Zur Betätigung sind
solche Injektoren beispielsweise mit Piezo-Antrieben versehen, die einen Piezostapel
aufweisen, der beispielsweise eine kapazitive Struktur besitzt,
wobei piezoelektrische Keramikschichten und Elektrodenschichten
abwechselnd gestapelt sind. Der Piezoantrieb wird gemäß einem
Befehl von einer Steuervorrichtung (ECU) mit elektrischer Energie
beaufschlagt. Er dehnt sich in axialer Richtung aus, wenn elektrische
Energie auf dem Piezostapel durch den Befehl der ECU geladen wird.
Wenn die elektrische Energie vom Piezostapel entladen wird, zieht
sich der Piezostapel in axialer Richtung zusammen. Hierdurch wird
beispielsweise ein Nadelventil des Einspritzventils betätigt und
damit die Einspritzmenge für
den jeweiligen Zylinder festgelegt.
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Bei
solchen Systemen mit Einspritzventil mit Piezo-Antrieb ist eine
Abhängigkeit
der Einspritzmenge vom Leerhub bekannt.
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Der
Leerhub ändert
sich beispielsweise durch Verschleiß während der Laufzeit. Um die
daraus resultierenden langsamen Einspritzmengenänderungen zu erkennen und die
Ansteuerparameter zu adaptieren, werden Einspritzmengendriftkorrekturfunktionen
eingesetzt. Allerdings ändert
sich der Leerhub mit der Temperatur des Injektors. Je nach Temperaturempfindlichkeit
des Antriebs kann diese temperaturbedingte Leerhubänderung
so groß werden,
dass der Injektor bzw. das Einspritzsystem die System-Spezifikation
nicht mehr erfüllen
kann.
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Es
ist möglich, über ein
Modell die Injektortemperatur zu bestimmen. Die Genauigkeit dieser Modelle
reicht jedoch nicht aus, um eine genaue Ansteuerkorrektur durchzuführen. Ansonsten
sind zur Lösung
dieses Problems momentan keine Verfahren bekannt.
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DE 10 2008 045 955
A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Korrektur
einer temperaturbedingten Längenänderung
einer Aktoreinheit, die im Gehäuse
eines Kraftstoffinjektors angeordnet ist. Gemäß diesem Dokument ist es bekannt, zur
Erhaltung eines Leerhubs, der zwischen der Aktoreinheit und einem
Steuerventil des Kraftstoffinjektors ausgebildet ist, die temperaturbedingte
Längenänderung
durch Messen der Kapazität
der Aktoreinheit und daraus durch Ermittlung der Temperatur zu kompensieren.
Dazu wird ein zusätzlicher
Testimpuls zur Ansteuerung der Aktoreinheit verwendet. Gemäß
DE 10 2008 045 955
A1 ist dies nachteilig, weil das Verfahren relativ ungenau
arbeitet und die Berechnung für
den Testimpuls sehr aufwendig ist. Des Weiteren werden keine aktuellen
Betriebsparameter des Kraftstoffinjektors berücksichtigt. Dieses Dokument schlägt daher
vor, auf die Verwendung eines Testimpulses zu verzichten und die
Kapazität
direkt an einem aktiven Ansteuerimpuls zu messen.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine
ist in
DE 10 2007 011
693 A1 beschrieben. Bei Erfüllung einer vorgegebenen ersten
Bedingung, die frühestens
erfüllt
ist nach einer Zeitdauer, die größer ist
als eine vorgegebene Motorstillstandszeitdauer, wird ein Messsignal eines
Temperatursensors erfasst, der eine Temperatur außerhalb
einer Stellvorrichtung erfasst, der einem Piezoaktor zugeordnet
ist. Abhängig
von dem Messsignal des Temperatursensors wird ein Piezotemperaturwert
ermittelt. Mittels eines vorgegebenen Kennfelds wird abhängig von
dem Piezo-Temperaturwert
ein Temperatur-Kapazitätskennwert
des Piezoaktuators ermittelt. Mittels eines korrespondierend zu dem
Messsignal des Temperatursensors erfassten Ladungswerts und Spannungswerts
des Piezoaktuators wird ein Mess-Kapazitätskennwert
ermittelt. Abhängig
von dem Mess-Kapazitätskennwert
und dem Temperatur-Kapazitätskennwert
wird ein erster Korrektur-Kapazitätswert ermittelt. Unabhängig von
der vorgegebenen ersten Bedingung wird der Ladungswert und der Spannungswert
des Piezoaktuators erfasst und abhängig von diesen wird der Mess-Kapazitätskennwert
ermittelt. Abhängig
von dem Mess-Kapazitätskennwert
und dem ersten Korrektur-Kapazitätskennwert
wird weiterhin mittels eines bezüglich
der Temperatur und des Kapazitätskennwerts
inversen Kennfelds der Piezo-Temperaturwert ermittelt.
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DE 10 2005 025 415
A1 beschreibt ein weiteres Verfahren sowie eine Vorrichtung
zum Ansteuern eines Piezoaktors. Einem Piezoaktor wird zum Ansteuern
eine elektrische Größe zugeführt oder
entnommen. Während
dem Zuführen
oder Entnehmen der elektrischen Größe wird ein auf eine elektrische Spannung
des Piezoaktors bezogener Verlauf einer elektrischen Kapazität des Piezoaktors
ermittelt, abhängig
von der elektrischen Spannung des Piezoaktors und einer dem Piezoaktor
zugeführten
oder entnommenen Ladung. Abhängig
von dem Verlauf der elektrischen Kapazität des Piezoaktors wird mindestens
eine Änderung
einer auf den Piezoaktor einwirkenden Last erkannt. Ferner wird
jeweils ein Zeitpunkt der mindestens einen Änderung der Last erfasst. Die
zugeführte
oder entnommene elektrische Größe wird
bei einem nachfolgenden Ansteuerzyklus angepasst, abhängig von
dem jeweiligen erfassten Zeitpunkt im Sinne eines Angleichens des
jeweiligen erfassten Zeitpunkts an einen jeweils zugeordneten vorgegebenen
Zeitpunkt.
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Ebenso
beschreibt
DE 101
23 372 A1 ein Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors,
der der Verschiebung eines Elements dient. Zwischen dem Aktor und
dem Element besteht eine Leerhub. Zur Verschiebung des Elements
wird der Aktor mit einer Ansteuerspannung beaufschlagt. Die Ansteuerspannung
wird so gewählt,
dass sie im Sinne eines Ausgleichs einer Änderung des Leerhubs von der
Größe des Leerhubs
abhängt.
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DE 199 31 233 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stellglieds. Zur Erzielung
eines konstanten Hubs muss einem Stellglied ein von dessen Temperatur
abhängiger
Energiebetrag zugeführt
werden. In Ansteuerpausen wird mittels Kleinsignalen, die keinen
Hub des Stellgliedes bewirken, die Stellgliedkapazität oder die
dazu proportionale Stellgliedtemperatur ermittelt. Mit diesem Wert
wird einem empirisch ermittelten Kennfeld der für den gewünschten Hub erforderliche Wert
der Energie entnommen, mit welchem das Stellglied angesteuert wird.
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Auch
DE 197 23 932 C1 beschreibt
ein Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellglieds.
Aus der dem Stellglied zugeführten
Ladungsmenge und der nach Beenden des Ladevorgangs im Stellglied
anliegenden Stellgliedspannung wird die Stellgliedkapazität und aus
diesen Werten die dem Stellglied während des Ladevorgangs zugeführte Energie
berechnet. Die Ladespannung wird so geregelt, dass die zugeführte Energie
einem vorgegebenen Sollwert entspricht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Betreiben von Injektoren mit Piezo-Antrieb zu schaffen, mit
dem sich derartige Injektoren mit Piezo-Antrieb besonders genau betreiben
lassen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren zum Betreiben von Injektoren mit Piezo-Antrieb gelöst, das
die folgenden Schritte umfasst:
Messen der elektrischen Kapazität und damit
des aktuellen Temperaturniveaus des Piezo-Antriebs eines Injektors
durch Messung der Kapazität
von Testimpulsen bei Ansteuerung des Injektors ohne Durchführung einer
Einspritzung;
Ermitteln der relativen Änderung der Einspritzmenge des
Injektors in Abhängigkeit
von den gemessenen Kapazitätswerten;
und
Ansteuern des Injektors zur Tätigung einer Einspritzung unter
Berücksichtigung
der relativen Einspritzmengenänderung.
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Es
ist bekannt, dass die elektrische Kapazität der Piezo-Aktuatoren mit der Temperatur korreliert. Allerdings
wird der Kapazitätswert
u. a. auch durch die Gegenkraft am Antrieb (beispielsweise Raildruck oder
Leckagegegendruck) oder den Ladestrom beeinflusst. Das bedeutet,
dass der gemessene Kapazitätswert
eines regulären
Einspritzimpulses durch verschiedene Störgrößen verfälscht wird und nicht für eine konkrete
Temperaturerfassung herangezogen werden kann.
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Demgegenüber wird
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
durch eine spezielle Ansteuerung des Injektors – ohne dabei eine Einspritzung
zu tätigen – der Temperaturzustand
genau gemessen. Impulse mit einer relativ geringen Ladezeit und/oder
einem relativ geringen Ladestrom sind wegen des kleinen Hubes nicht
gegenkraftabhängig.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es möglich,
die relative Temperaturänderung
der Injektoren im realen System schnell zu erfassen und entsprechend
die Ansteuerung der Injektoren so anzupassen, dass die Einspritzmenge über die
Temperatur stabil gehalten werden kann. Dabei wird die elektrische
Kapazität
und damit das aktuelle Temperaturniveau des Piezo-Antriebs gemessen,
wobei dies mit Hilfe der Messung der Kapazität von Testimpulsen durchgeführt wird.
In Abhängigkeit
von den gemessenen Kapazitätswerten
wird die relative Änderung der
Einspritzmenge des Injektors ermittelt. Schließlich wird der Injektor zur
Tätigung
einer Einspritzung unter Berücksichtigung
der relativen Einspritzmengenänderung
angesteuert. Damit werden temperaturbedingte fehlerhafte Einspritzmengen
vermieden.
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Insbesondere
wird die elektrische Kapazität erst
ab einer bestimmten Temperaturschwelle gemessen.
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Vorzugsweise
wird die Messung der Kapazität
von Testimpulsen während
der Aufwärmehase
einer zugehörigen
Brennkraftmaschine durchgeführt, wobei
die Kapazitätsmessung
insbesondere unmittelbar vor oder nach dem Starten der Brennkraftmaschine
ausgeführt
wird. Auch können
die Testimpulse erfindungsgemäß in Phasen
ohne reguläre
Einspritzung, insbesondere einer Schubphase der Brennkraftmaschine,
abgesetzt werden. Durch kontinuierliche Durchführung der Kapazitätsmessung
von Testimpulsen lässt
sich eine besonders genaue Stabilisierung der Einspritzmenge über die
Temperatur erreichen.
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Die
vorstehend geschilderte Problematik tritt verstärkt bei höheren Temperaturen auf. So
wird das erfindungsgemäße Verfahren
vorzugsweise erst ab einer bestimmten Temperaturschwelle durchgeführt. Zur
Ermittlung dieser Temperaturschwelle wird beispielsweise die Kühlwassertemperatur
der Brennkraftmaschine herangezogen (gemessen). Beispielsweise kann
die Temperaturschwelle einer Kühlwassertemperatur
der Brennkraftmaschine von 60°C
entsprechen.
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Der
Piezo-Antrieb kann sich je nach Fahrprofil bis zum Erreichen der
applizierten Temperaturschwelle für die Referenzkapazitätsmessung
unterschiedlich aufwärmen,
so dass eine gewisse Streuung der Korrekturgüte von Fahrzyklus zu Fahrzyklus auftreten
kann. Zusätzlich
ist es von der Konstruktion der Brennkraftmaschine, beispielsweise
der Einbaulage des Injektors im Zylinderkopf, abhängig, wie
gut die Korrelation zwischen der Kühlwassertemperatur und der
Temperatur des Piezo-Antriebs
bei der Bildung dieses Referenzwertes in der Aufwärmehase ist.
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Diese
Störgrößen lassen
sich in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umgehen. Nach
einem längeren
Stillstand der Brennkraftmaschine kann unmittelbar vor oder nach
dem Start der Brennkraftmaschine der gemessene Kapazitätswert der
Testimpulse mit den vorhandenen Temperaturmesssensoren der Brennkraftmaschine
abgeglichen werden. Nach mehreren Stunden Stillstand der Brennkraftmaschine
kann davon ausgegangen werden, dass die Sensoren im Motorraum (z.
B. Kühlwassertemperatur,
Ladelufttemperatur oder Ansauglufttemperatur) einen Temperaturwert
messen, der auch für
die Bestimmung der Temperatur des Piezo-Antriebs (Actortemperatur)
herangezogen werden kann. Wird in einem derartigen System diese
Messung bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt, beispielsweise
in einem Bereich von –15°C bis 35°C, kann sogar
die antriebsspezifische Temperaturkennlinie adaptiert werden. Da
diese Kennlinie erfahrungsgemäß linear
ist, kann durch Extrapolation der Kennlinie der gemessene Kapazitätswert des Testimpulses
präzise
in die aktuelle Antriebstemperatur (Actortemperatur) umgerechnet
werden. Dadurch wird eine noch präzisere Korrektur- der Ansteuerparameter
in Abhängigkeit
von der Temperatur ermöglicht.
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Ein
weiterer Vorteil der auf Testimpulsen basierten Temperaturbestimmung
besteht darin, dass diese Impulse auch dann abgesetzt werden, wenn
es keine regulären
Einspritzungen gibt, beispielsweise während einer Schubphase. So
kann auch bei einem Wiedereinsetzen der Einspritzung für die ersten
regulären
Einspritzimpulse eine genaue Korrektur der Ansteuerparameter berechnet
werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Vorrichtung weist einen Injektor, einen Piezo-Antrieb für den Injektor
und eine Steuervorrichtung zum Ansteuern des Injektors mit entsprechenden
Einspritzparametern auf und umfasst ferner die folgenden Bestandteile:
eine
Einrichtung zum Ansteuern des Injektors zur Abgabe von Testimpulsen;
eine
Einrichtung zur Messung der Kapazität der Testimpulse;
eine
Einrichtung zum Ermitteln der relativen Änderung der Einspritzmenge
des Injektors in Abhängigkeit
von den gemessenen Kapazitätswerten;
wobei
die Steuervorrichtung so ausgebildet ist, dass sie den Injektor
zur Betätigung
einer Einspritzung unter Berücksichtigung
der relativen Einspritzmengenänderung
ansteuert.
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In
Weiterbildung weist die Vorrichtung eine Einrichtung zur Ermittlung
einer Temperaturschwelle auf.
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Die
Messeinrichtung für
die Kapazität
der Testimpulse (elektrische Kapazität des Piezo-Antriebs) ist vorzugsweise
so ausgebildet, dass die Kapazitätsmessung
kontinuierlich durchgeführt
wird. Auch die Einrichtung zum Ansteuern des Injektors gibt daher
vorzugsweise die Testimpulse kontinuierlich ab.
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Die
Einrichtung zur Ermittlung einer Temperaturschwelle misst zweckmäßigerweise
die Kühlwassertemperatur
der Brennkraftmaschine.
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In
Weiterbildung weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum Abgleichen
des gemessenen Kapazitätswertes
der Testimpulse mit dem Temperaturwert von mindestens einem Temperaturmesssensor der
Brennkraftmaschine auf.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Diagramm, das die Mengenänderung
von vier Injektoren von unterschiedlichen Leerhubwerten in Abhängigkeit
von der Temperatur des Piezo-Antriebs
zeigt;
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2 ein
Diagramm, das die Abhängigkeit der
elektrischen Kapazität
eines Piezo-Antriebs von der Temperatur des Antriebs zeigt; und
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3 eine
schematische Darstellung eines Einspritzsystems.
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Das
Diagramm der 1 zeigt die Mengenänderung
von vier beispielhaften Injektoren mit unterschiedlichen Leerhubwerten
in Abhängigkeit
von der Temperatur des Piezo-Antriebes (Actortemperatur). Man erkennt,
dass mit steigender Temperatur die Einspritzmenge nahezu linear
zunimmt.
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Im
Diagramm der 2 ist die Korrelation zwischen
der Temperatur des Piezo-Antriebs (Actuators) und der elektrischen
Kapazität
des Piezo-Antriebs dargestellt. Mit ansteigender Temperatur nimmt
die Kapazität
linear zu.
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3 zeigt
ein Blockdiagramm eines Einspritzsystems eines Kraftfahrzeuges.
Eine Hochdruckpumpe 3 fördert
Kraftstoff aus einem Sumpf 2 zu einem Common-Rail 4.
Der unter hohem Druck stehende Kraftstoff gelangt vom Common-Rail 4 zu den
einzelnen Einspritzventilen 5 einer Brennkraftmaschine 1.
Diese Einspritzventile 5 sind mit entsprechenden Piezo-Antrieben
versehen.
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Die
Piezo-Antriebe der Einspritzventile 5 werden von einer
Steuervorrichtung 6 (ECU) angesteuert, d. h. mit elektrischen
Impulsen beaufschlagt, die die Einspritzmenge in Abhängigkeit
von diversen Betriebsparametern festlegen. Die Steuervorrichtung 6 ist
zusätzlich
mit einer Einrichtung 7 zur Ermittlung einer Temperaturschwelle
versehen, welche die Kühlwassertemperatur
der Brennkraftmaschine 1 misst. Die Steuervorrichtung 6 ist
so ausgebildet, dass sie ferner ab Erreichen der Temperaturschwelle die
Injektoren zur Abgabe von Testimpulsen ansteuert. Eine Einrichtung 8 misst
die Kapazität
der Testpulse, und eine Einrichtung 9 ermittelt die relative Änderung
der Einspritzmenge des jeweiligen Injektors in Abhängigkeit
von den gemessenen Kapazitätswerten.
Die Steuervorrichtung 6 ist ferner so ausgebildet, dass
sie den jeweiligen Injektor 5 zur Betätigung einer Einspritzung unter
Berücksichtigung
der relativen Einspritzmengenänderung
ansteuert.
