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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Steuerung eines piezoelektrischen Aktors
gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen Ansprüche.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Messung der Spannung eines piezoelektrischen Aktors ist aus
der
EP 11 38 902 bekannt.
Solche Aktoren werden insbesondere zur Steuerung eines Injektors verwendet,
die insbesondere zur Steuerung der Kraftstoffzumessung in eine Brennkraftmaschine
dienen.
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Bei Injektoren mit einem Piezo-Aktor
wird ein Steuerventil über
einen hydraulischen Koppler angesteuert. Der Aktor arbeitet über den
hydraulischen Koppler gegen die Kraft auf das Ventilelement infolge des
Raildrucks. Ist die Kraft des Aktors größer als diese Gegenkraft, so
löst sich
das Steuerventil vom Dichtsitz. Gleichzeitig gibt die Düsennadel
die Einspritzung von Kraftstoff frei.
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Vorteile der
Erfindung
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Dadurch, dass bei einem Verfahren
und einer Vorrichtung zur Steuerung eines piezoelektrischen Aktors
eine Größe ermittelt
wird, die einen hydraulische Ansteuerbeginn charakterisiert, diese Größe mit einem
vorgebbaren Sollwert verglichen und dass ausgehend von dem Vergleich
eine Korrekturgröße für eine Stellgröße vorgegeben
wird, ist eine wesentlich genauer Steuerung einer Brennkraftmaschine
möglich.
Vorzugsweise kann die Verbrennung hinsichtlich des Motormoments
optimierbar und/oder die Abgasemissionen reduziert werden.
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Das heißt der hydraulische Ansteuerbeginn wird
durch Korrektur geeigneter Stellgrößen mit Korrekturwerten auf
einen Sollwert eingeregelt.
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Zur Ermittlung der Größe werden
insbesondere während
eines Ladevorganges des Aktors Spannungswerte erfasst. Diese vereinfachte
Erfassung ist möglich,
wenn die Spannungswerte in einem festen Zeitraster oder einem festen
Winkelraster erfasst werden, wobei gleichzeitig der Strom, mit dem der
Aktor geladen wird konstant ist. Dadurch ergibt sich eine konstante
Ladungszunahme, das heißt
die Ladung ist bekannt. Ist dies nicht der Fall, so ist alternativ
vorgesehen, dass Wertepaare für
die Ladung und die Spannung erfasst werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
ausgehend von wenigstens den Spannungswerten ein Ablösepunkt
ermittelt wird. Der Ablösepunkt
stellt eine einfach ermittelbar und auswertbare Größe dar,
die den hydraulischen Ansteuerbeginn charakterisiert.
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Besonders vorteilhaft ist es wenn
der Abstand des Ablösepunktes
von dem elektrischen Ansteuerbeginn als Größe, die den hydraulischen Ansteuerbeginn
charakterisiert, verwendet wird, dabei dient der Zeitpunkt, bei
dem der Ladevorgang des Aktors beginnt als elektrischer Ansteuerbeginn.
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Als besonders vorteilhaft hat sich
erwiesen, wenn als Stellgröße ein elektrischer
Ansteuerbeginn und/oder eine Aktorspannung verwendet wird. Abhängig von
der Abweichung zwischen dem Sollwert und dem Istwert für die Größe, die
den hydraulischen Ansteuerbeginn charakterisiert, wird ein Korrekturwert
ermittelt, mit dem die Aktorspannung und/oder der Ansteuerbeginn
korrigiert wird. Die Aktorspannung ist dabei der Endwert der Spannung
die Aktor am Ende des Ladevorgangs anliegt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
die die Korrekturgröße nur in
bestimmten Betriebszuständen ermittelt
wird und die Korrektur der Stellgröße abhängig von wenigstens einer Betriebskenngröße erfolgt. Das
heißt
in bestimmten Betriebszustände,
beispielsweise im stationären
Betrieb, werden für
verschiedene Betriebskenngrößen die
Korrekturwerte ermittelt. Eine wesentliche Größe ist dabei der Raildruck.
Neben dem Raildruck können
aber auch noch andere Betriebskenngrößen berücksichtigt werden.
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Eine sehr einfach realisierbare Fehlererkennung
ergibt sich, wenn ein Fehler erkannt wird, wenn die Korrekturgröße größer als
ein Schwellenwert ist.
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Von besonderer Bedeutung sind weiterhin die
Realisierungen in Form eines Computerprogramms mit Programmcode-Mitteln
und in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcode-Mitteln.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm
weist Programmcode-Mittel auf, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
durchzuführen,
wenn das Programm auf einem Computer, insbesondere einem Steuergerät für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs, ausgeführt
wird. In diesem Fall wird also die Endung durch ein in dem Steuergerät abgespeichertes
Programm realisiert, so dass dieses mit dem Programm versehene Steuergerät in gleicher
Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das
Programm geeignet ist. Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt
weist Programmcode-Mittel auf, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert
sind, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, wenn
das Programmprodukt auf einem Computer, insbesondere einem Steuergerät für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs ausgeführt
wird. In diesem Fall wird also die Erfindung durch einen Datenträger realisiert,
so dass das erfindungsgemäße Verfahren
ausgeführt
werden kann, wenn das Programmprodukt bzw. der Datenträger in ein
Steuergerät
für eine
Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs integriert
wird. Als Datenträger
bzw. als Computerprogrammprodukt kann insbesondere ein elektrisches
Speichermedium zur Anwendung kommen, beispielsweise ein Read-Only-Memory
(ROM), ein EPROM oder auch ein elektrischer Permanentspeicher wie
beispielsweise eine CD-ROM oder DVD.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert.
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Es zeigen
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1 ein
Injektor,
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2 ein
Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 ein
Kraft-Weg-Kennfeld,
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4 ein
Blockdiagramm und
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5 ein
Flussdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise
am Beispiel eines sogenannten Common-Rail-Systems, bei dem ein piezoelektrischer
Aktor die von einem Injektor zugemessene Kraftstoffmenge steuert,
beschrieben.
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In 1 in
schematischer Darstellung beispielhaft einen Injektor 1 mit
einer zentralen Bohrung. Im oberen Teil ist ein Stellkolben 3 mit
einem piezoelektrischen Aktor 2 in die zentrale Bohrung
eingebracht, wobei der Stellkolben 3 mit dem Aktor 2 fest verbunden
ist. Der Stellkolben 3 schließt nach obenhin einen hydraulischen
Koppler 4 ab, während
nach unten eine Öffnung
mit einem Verbindungskanal zu einem ersten Sitz 6 vorgesehen
ist, in dem ein Kolben 5 mit einem Ventilschließglied 12 angeordnet
ist. Das Ventilschließglied 12 ist
als doppelt schließendes
Steuerventil ausgebildet. Es verschließt den ersten Sitz 6,
wenn der Aktor 2 in Ruhephase ist. Bei Betätigung des
Aktors 2, das heißt
beim Anlegen einer Ansteuerspannung Ua an den Klemmen +, –, betätigt der
Aktor 2 den Stellkolben 3 und drückt über den
hydraulischen Koppler 4 den Kolben 5 mit dem Verschließglied 12 in
Richtung auf einen zweiten Sitz 7. Unterhalb des zweiten
Sitzes ist in einem entsprechenden Kanal eine Düsennadel 11 angeordnet,
die den Auslauf in einem Hochdruckkanal (Common-Rail-Druck) 13 schließt oder öffnet, je
nachdem, welche Ansteuerspannung Ua anliegt. Der Hochdruck wird
durch das einzuspritzende Medium, beispielsweise Kraftstoff für einen
Verbrennungsmotor, über
einen Zulauf 9 zugeführt, über eine
Zulaufdrossel 8 und eine Ablaufdrossel 10 wird
die Zuflussmenge des Mediums in Richtung auf die Düsennadel 11 und
den hydraulischen Koppler 4 gesteuert. Der hydraulische
Koppler 4 hat dabei die Aufgabe, einerseits den Hub des
Kolbens 5 zu verstärken
und andererseits das Steuerventil von der statischen Temperaturdehnung
des Aktors 2 zu entkoppeln. Die Wiederbefüllung des
Kopplers 4 ist hier nicht dargestellt.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise
dieses Injektors näher
erläutert.
Bei jeder Ansteuerung des Aktors 2 wird der Stellkolben 3 in
Richtung des hydraulischen Kopplers
4 bewegt. Dabei bewegt
sich auch der Kolben 5 mit dem Verschließglied 12 in Richtung
auf den zweiten Sitz 7 zu. Über Leckspalte wird dabei ein
Teil des im hydraulischen Kopplers 4 befindlichen Mediums,
beispielsweise der Kraftstoff, herausgedrückt. Zwischen zwei Einspritzungen
muß daher
der hydraulische Koppler 4 wiederbefüllt werden, um seine Funktionssicherheit
zu erhalten.
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Über
den Zulaufkanal 9 herrscht ein hoher Druck, der beim Common-Rail-System
beispielsweise zwischen 200 und 2000 bar betragen kann. Dieser Druck
wirkt gegen die Düsennadel 11 und
hält sie
geschlossen, so dass kein Kraftstoff austreten kann. Wird nun infolge
der Ansteuerspannung Ua der Aktor 2 betätigt und damit das Verschlussglied 12 in
Richtung des zweiten Sitzes bewegt wird, baut sich der Druck im
Hochdruckbereich ab und die Düsennadel 11 gibt
den Einspritzkanal frei. Mit P1 ist der sogenannte Kopplerdruck
bezeichnet, wie er im hydraulischen Koppler 4 gemessen
wird. Im Koppler stellt sich ohne Ansteuerung Ua ein stationärer Druck
P1 ein, der beispielsweise 1/10 des Drucks im Hochdruckteil ist.
Nach dem Entladen des Aktors 2 ist der Kopplerdruck P1
näherungsweise
0 und wird durch Wiederbefüllung
wieder angehoben.
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist dabei
nicht auf diese Bauform von Injektoren beschränkt. Sie kann bei allen Injektoren,
die einen Aktor, einen Koppler und ein Steuerventil eingesetzt werden.
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In
2 sind
die wesentlichen Elemente einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines
Piezo-Aktors dargestellt. Eine Endstufe ist mit 100 bezeichnet.
Diese Endstufe beaufschlagt den nicht dargestellten Aktor mit Spannung
und lädt
diesen zu einem bestimmten Zeitpunkt durch Bestromen auf vorgegebene Werte
auf. Entsprechend wird der Aktor durch entgegengesetztes Bestromen
von der Endstufe zu einem vorgegebenen Zeitpunkt wieder entladen.
Die Endstufe
100 umfasst eine Stromerfassung
110 und
eine Spannungserfassung
120. Mit diesen wird jeweils der Strom
I, der beim Laden in den Aktor und beim Entladen aus dem Aktor heraus
fließt,
gemessen. Des weiteren erfasst die Spannungserfassung
120 die
Spannung U, die die Spannung am Aktor charakterisiert. Eine entsprechende
Endstufe ist beispielsweise in der
EP
11 38 902 beschrieben.
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Das Ausgangssignal I der Stromerfassung 110 gelangt
zu einem Integrator 130. Am Ausgang des Integrators 130 liegt
das Signal Q an, das die Ladungsmenge charakterisiert, mit der der
Aktor aufgeladen wurde.
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Das Ausgangssignal Q des Integrators
und das Ausgangssignal U der Spannungserfassung 120 gelangen
zu einer Kennfeldermittlung 140. Ausgehend von den Größen Q und
U ermittelt die Kennfeldermittlung 140 die aktuelle Kraft-Weg-Kennlinie.
Die so ermittelte Kraft-Weg-Kennlinie gelangt zur Kennfeldauswertung 150.
Ausgehend von den in der Kennfeldauswertung 150 ermittelten
Größen wird
ein Anzeigemittel 160 angesteuert und/oder ein Signal an
die Endstufe und/oder an eine übergeordnete Steuerung
weitergegeben
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In 3 ist
die Kraft-Weg-Kennlinie aufgetragen. Die Kraft ist mit F und der
Weg mit X bezeichnet. Dabei ist die Kraft-Weg-Kennlinie eines Aktors für einen
niederen Raildruck P1 gestrichelt und einen höheren Raildruck P2 mit einer
durchgezogenen Linie aufgetragen. Zusätzlich sind in diesem Diagramm die
Linien mit konstanter Spannung gestrichelt und die Linien konstanter
Ladung punktiert aufgetragen. Mit steigender Spannung U bzw. mit
steigender Ladung Q verschieben sich die entsprechenden Linien konstanter
Spannung und/oder konstanter Ladung nach rechts.
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Jedem Punkt der Kraft-Weg-Kennlinie
entspricht eindeutig ein Wertepaar aus Spannung U und Ladung Q.
Der gemessene Wert für
die Ladung Q und die Spannung U ergeben jeweils einen Punkt in der
Kraft-Weg-Kennlinie. Durch Messung mehrere Wertepaare für die Ladung
Q und die Spannung U während
des Ladevorgangs und/oder während
des Entladevorgangs erfolgt die Ermittlung der Kraft-Weg-Kennlinie.
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Ab dem elektrischen Ansteuerbeginn
EB wird Ladung in den Aktor geladen. So lange die Kraft auf den
Aktor in Folge des Raildrucks größer ist,
als die für
den Koppler aufgebrachte Aktorkraft, bleibt das Steuerventil geschlossen.
Das Steuerventil befindet sich in seinem unteren Sitz. Die Aktorkraft
wirkt nur gegen die Elastizität
der einzelnen Elemente des Injektors. Entsprechend dem sich einstellenden
Kräftegleichgewicht
führt der
Aktor einen entsprechenden Hub aus, ohne dass sich das Steuerventil öffnet. Dies
bewirkt, dass die Kraft-Web Kennlinie einen nahezu linearen Verlauf
besitzt. Wird die über
den Koppler aufgebrachte Aktorkraft größer, als die vom Raildruck
aufgebrachte Kraft, so löst
sich das Dichtelement vom Dichtsitz und der Aktor dehnt sich aus. Dieser
Punkt wird in der Kraft-Web Kennlinie als Ablösepunkt A1 bzw. bei erhöhtem Druck
als A2 bezeichnet. Bis zu diesem Punkt ist die Kraft-Weg-Kennlinie
nahezu linear. Da die Kraft-Weg-Kennlinie bis zum Ablösepunkt
A1 deckungsgleich sind, sind auch die Spannungsverläufe deckungsgleich.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Aktorspannung
gemessen und in Echtzeit bearbeitet wird. Der Zeitpunkt, bei dem
der Ablösepunkt
A erreicht wird, wird als hydraulischer Ansteuerbeginn bezeichnet.
Bei gleichbleibender Stromtaktung werden für unterschiedliche Raildrücke die
jeweiligen Spannungsverläufe
beim Laden des Piezo-Aktors gemessen.
Zur Auswertung werden die Kurven miteinander verglichen und die
Ablösepunkte
der jeweiligen Spannungsverläufe
und die dazugehörigen zeitlichen
Abstände
zum elektrischen Ansteuerbeginn bestimmt.
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist detaillierter
in 4 dargestellt. Dabei
ist die Vorgehensweise an einer Brennkraftmaschine mit zwei Zylindern
dargestellt. Die Vorgehensweise ist dabei ohne Weiteres auf eine
höhere
Zylinderzahl ausweitbar. Eine erste Istwert-Vorgabe 400 gibt
den Istwert SB1 des hydraulischen Ansteuerbeginns SB1 vor. Eine
zweite Istwert-Vorgabe 410 gibt den hydraulischen Ansteuerbeginn
SB2 des zweiten Zylinders vor. Die hydraulischen Ansteuerbeginne
entsprechen dem Zeitpunkt, bei dem der Ablösezeitpunkt erreicht wird.
Dies bedeutet, es wird der Zeitpunkt ermittelt, bei dem der jeweilige
Zylinder bei Ladung mit konstantem Strom, d. h. mit gleichbleibender
Stromtaktung die Ablösespannung
erreicht.
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Alternativ oder ergänzend kann
als Istgröße auch
die Ablösespannung,
das heißt
die Spannung bei der der Ablösepunkt
A erreicht wird, verwendet werden.
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Die Größe SB1 wird einem ersten Verknüpfungspunkt 430,
und die Größe SB2 für den zweiten Zylinder
dem Verknüpfungspunkt 435 zugeleitet.
Am jeweiligen zweiten Eingang der beiden Verknüpfungspunkte liegt das Ausgangssignal
einer Sollwertvorgabe 420. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
berechnet diese Sollwertvorgabe den Sollwert ausgehend von einem
Mittelwert der beiden Istwerte. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
können auch
vorher abgelegte Istwerte verwendet werden.
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Das Ausgangssignal des ersten Verknüpfungspunktes 430 gelangt
zu einem Regler 440, und das Ausgangssignal des zweiten
Verknüpfungspunktes 435 gelangt
zu einem zweiten Regler 445. Die Regler 440 und 445 sind
derart ausgebildet, dass sie eine geeignete Stellgröße derart
beeinflussen, dass die Istwerte sich dein Sollwert annähern. Als geeignete
Stellgrößen hat
sich insbesondere der elektrische Ansteuerbeginn und/oder die gewählte Aktorspannung
erwiesen.
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Des Weiteren werden die Ausgangssignale der
beiden Verknüpfungspunkte
einer Fehlerüberwachung 450 zugeführt, die
auf Fehler erkennt, wenn die Abweichung zwischen dem Soll- und Istwert
größer als
ein vorgegebener Schwellenwert SW ist.
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Die Funktionsweise dieser Vorrichtung
wird im Folgenden anhand des Flussdiagrammes der 5 beschrieben. Das im Folgenden beschriebene Verfahren
wird vorzugsweise im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine eingesetzt.
Bei allen Ansteuerungen eines Piezoaktors, oder lediglich bei einer vorgegebenen
Anzahl von Ansteuerungen wird das im Folgenden beschriebene Verfahren
eingesetzt. Alternativ oder ergänzend
kann auch vorgesehen sein, dass das Verfahren bei der Wartung oder
vor der ersten Inbetriebnahme des Aktors durchgeführt wird. Das
heißt
das Verfahren ist sowohl im laufenden Betrieb, als auch im Rahmen
der Wartung oder vor oder bei der ersten Inbetriebnahme des Aktors
einsetzbar.
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In einem ersten Schritt 200 wird
zu Beginn des Verfahrens der Raildruck P gemessen. Bei diesem Druck
handelt es sich um den Druck, gegen den der Aktor arbeitet. Mit
Beginn des Ladevorgangs wird in festen Zeitabständen bzw. in festen Abständen der Kurbelwellenumdrehung
in einem Schritt 210 die Spannung U am Aktor, sowie die
Ladung Q, die in den Aktor eingeladen wird, erfasst. Die sich anschließende Abfrage 220 überprüft, ob der
Aktor vollständig
geladen ist. D.h. es wird geprüft,
ob der Ladevorgang abgeschlossen ist. Ist dies nicht der Fall, so
erfolgt erneut Schritt 210. Dies bedeutet, dass während des
gesamten Ladevorgangs in diskreten Messpunkten, die vorzugsweise äquidistant
sind, die Ladung Q, die in den Aktor einfließt, und die am Aktor anliegende
Spannung U erfasst wird.
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Ist der Ladevorgang beendet, so wird
in Schritt 230 die Kraft-Weg-Kennlinie ermittelt. Im anschließenden Schritt 240 ausgehend
von der ermittelte Kraft-Weg-Kennlinie der entsprechende Istwert ermittelt.
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Bei einer vereinfachten Ausführungsform wird
lediglich der zeitliche Verlauf der Spannung aufgenommen. Dies ist
möglich,
wenn die Ladung bekannt ist und/oder die zeitliche Abhängigkeit
der Ladung für
alle Messungen gleich ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn
die Aktoren mit konstantem Strom geladen werden.
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Erfindungsgemäß wird eine Größe ermittelt, die
den hydraulischen Öffnungszeitpunkt
des Steuerventils und damit des Injektors charakterisiert. Diese Größe wird
auf einen Sollwert eingeregelt. Als Stellgröße des entsprechenden Regelkreises
dient der elektrische Ansteuerbeginn und/oder die gewählte Aktorspannung,
auf den der Aktor aufgeladen wird.
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Vorzugsweise werden die Größe, den
hydraulischen Öffnungszeitpunkt
charakterisiert, der einzelnen Zylinder auf einen gemeinsamen Sollwert eingeregelt.
Hierzu ist vorgesehen, dass sich der Sollwert aus dem Mittelwert
der einzelnen Istwerte der einzelnen Zylinder ergibt.
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Alternativ ist vorgesehen, dass der
Sollwert als fester Wert und/oder abhängig von Betriebskenngrößen vorgebbar
ist.
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Als Größe, die den hydraulischen Öffnungszeitpunkt
charakterisiert, wird vorzugsweise der Spannungsverlauf bei gleichbleibender
Stromtaktung, das heißt
bei gleichbleibender Ladung, verwendet. Hierzu wird der zeitliche
Verlauf der Spannung, die am Aktor während der Ladevorganges anliegt,
erfasst. Ausgehend von diesem Verlauf wird der Ablösezeitpunkt
A bestimmt. Als Größe, die
den hydraulischen Öffnungszeitpunkt
charakterisiert, wird dann der Abstand zwischen dem elektrischen
Ansteuerbeginn und dem Ablösezeitpunkt
verwendet.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass
diese Regelung, die die Ermittlung der Größe und die Bestimmung des Ansteuersignals
bei jeder Ansteuerung erfolgt.
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Alternativ ist vorgesehen, dass die
Größe. Die
den hydraulischen Öffnungszeitpunkt
charakterisiert, nur in bestimmten Betriebszuständen ermittelt wird. In diesen
Betriebszuständen
wird dann ein Korrekturwert für
die Stellgröße ermittelt.
Im laufenden Betrieb wird dann abhängig von wenigstens einer Betriebskenngröße die entsprechende
Korrekturgröße verwendet.
Als wesentliche Betriebskenngröße wird dabei
der Raildruck verwendet.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei
wenn die Konekturgrößen in festen
Winkel und/oder Zeitabständen
und/oder bei Vorliegen bestimmter Betriebszuständen, die durch eine Lastgröße und/oder
die Drehzahl bestimmt sind, ermittelt werden.
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Beispielsweise ist vorgesehen, dass
in festen Abständen
die Konekturwerte für
verschieden Raildrücke
ermittelt werden. Im laufenden Betrieb werden dann die entsprechenden
Größen abhängig vom
aktuellen Raildruck korrigiert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass überprüft wird,
ob die Konekturwerte größer als
vorgegebene Schwellwerte sind. Ist dies der Fall, so wird dies dem
Fahrer durch geeignete Mittel 160 angezeigt und/oder in
einem Fehlerspeicher abgelegt. Durch diese Vorgehensweise kann ein Fehler
im Bereich des Injektors frühzeitig
erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.