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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
eines Einspritzaktors eines Kraftstoffzumesssystems einer Brennkraftmaschine
gemäß den Oberbegriffen
der jeweiligen unabhängigen
Ansprüche.
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In
heutigen Kraftfahrzeugen kommen zunehmend Kraftstoffzumesssysteme
zum Einsatz, bei denen die Kraftstoffdruckerzeugung und die Kraftstoffzumessung
mittels eines Hochdruckspeichers voneinander entkoppelt sind. Sehr
verbreitet sind die sogenannten „Common-Rail-(CR-)Systeme", bei denen Kraftstoff
mittels Einspritzventilen (Injektoren) in die jeweiligen Verbrennungsräume (Zylinder)
der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wobei der genannte Hochdruckspeicher
als „Rail" bezeichnet wird.
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Die
genannten Injektoren weisen sogenannte „Aktoren" wie bspw. Piezo- oder Magnetaktoren auf,
mittels derer die Bewegung einer Düsennadel des Injektors gesteuert
wird. Die Ansteuerung der Düsennadel
erfolgt entweder durch die Düsennadel selbst
oder mittels eines die Bewegung der Düsennadel steuernden Schalt-
bzw. Steuerventils. Die Ansteuerung der Düsennadel kann auch mittelbar über einen
zwischengeschalteten hydraulischen Koppler erfolgen, wobei das genannte
Steuerventil die Düsennadelbewegung
mittels Modulation des Drucks in einem sogenannten „Steuerraum" steuert.
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Für eine präzise Zumessung
von Kraftstoff ist es unerlässlich,
den Hub des Aktors bzw. den Hub der Düsennadel oder des Steuerventils
möglichst
genau zu kennen. Allerdings weisen bspw. die genannten Piezoaktoren
bekanntermaßen
ein „Hochlaufverhalten" auf, d.h. der Aktorhub
bei einem fabrikneuen Aktor erhöht
sich bei unveränderter
Ansteuerspannung innerhalb der ersten ca. 10 Mio. Ansteuerungen um
bis zu 10%.
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Um
den genannten Hochlaufeffekt zu berücksichtigen, existieren bereits
einige Lösungsansätze. So
kann der Aktor bereits in der Fertigung einem Belastungstest unterzogen
werden, um das o.g. Hochlaufen des Aktorhubes bereits in der Produktionsphase
zu provozieren und so für
den später
in einem Kraftfahrzeug zu verbauenden Aktor den Effekt bereits eliminiert
zu haben. Gemäß einem
weiteren Lösungsansatz
ist ein Zähler
(bspw. in Form von Programmcode) vorgesehen, der bis zum Erreichen
der oben genannten 10 Mio. Ansteuerungen des jeweiligen Aktors die
Ansteuerspannung des Aktors in Abhängigkeit vom Zählerstand
so verändert,
dass der Hochlaufeffekt korrigiert wird. In einem dritten Ansatz wird,
an Stelle der genannten Einflussnahme auf die Ansteuerspannung,
die auf einen Piezoaktor aufgebrachte Ladungsmenge konstant gehalten.
Denn bekanntermaßen
ist der Piezoaktorhub bei konstanter Ladungsmenge ebenfalls näherungsweise
konstant, und zwar auch während
der genannten Hochlaufphase. Nachteilig ist hierbei allerdings,
dass die Ladungsregelung naturgemäß mit erheblich größeren Toleranzen
verbunden ist als die Spannungsregelung.
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Es
ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, dass die Injektoren
im Betrieb der Brennkraftmaschine zur Ermöglichung eines geringen Kraftstoffverbrauchs
unter gleichzeitiger Einhaltung strenger Abgasnormen sowie zur Begrenzung
des Geräuschpegels
bei der Verbrennung nur sehr geringe Toleranzen im Hinblick auf
die Einspritzmenge aufzuweisen haben.
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Zur
Kompensation bzw. Korrektur der zuletzt genannten Mengendriften
bei der Kraftstoffzumessung wird in der
DE 102 32 356 A1 vorgeschlagen, den
mittels eines in einer Kraftstoffleitung angeordneten Drucksensors
in einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine erfassten Einspritzbeginn
sowie das Einspritzende eines Injektors mit gespeicherten Werten
dieser Größen zu vergleichen
und die Werte des Einspritzbeginns und/oder der Einspritzdauer so
zu verändern,
dass eine sich bei dem Vergleich ergebende Abwei chung minimiert
wird. Diese Art der Driftkorrektur hat allerdings den Nachteil,
dass zur Driftkompensation im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine
die Erfassung des momentanen Drucks in der Kraftstoffleitung mittels
des genannten in der Kraftstoffleitung anzuordnenden Drucksensors erforderlich
ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden,
dass die Mengengenauigkeit bei der Kraftstoffzumessung trotz des
genannten Hochlaufeffektes und/oder der genannten Drifterscheinungen möglichst
hoch ist.
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Die
Aufgabe wird bei einem hier betroffenen Verfahren und einer Vorrichtung
durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand
der jeweiligen Unteransprüche.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, im Betrieb eines jeweiligen
Injektors bzw. seines entsprechenden Aktors zwischen einer Spannungs-
und einer Ladungsregelung (d.h. ladungs- oder spannungsbasierte
Ansteuerung) anhand einer Umschaltstrategie umzuschalten und dabei
die Art der Ansteuerung an die jeweilige Betriebssituation anzupassen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird zwischen der ladungsbasierten
und der spannungsbasierten Ansteuerung des Aktors in Abhängigkeit
von einer Umgebungsbedingung und/oder einer Betriebsbedingung des
Aktors umgeschaltet.
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Die
gleichermaßen
vorgeschlagene Vorrichtung sieht in einer bevorzugten Ausgestaltung
Umschaltmittel zur Umschaltung zwischen der ladungsbasierten und
der spannungsbasierten Ansteuerung des Aktors in Abhängigkeit
von einer genannten Umgebungsbedingung und/oder Betriebsbedingung
des Aktors vor.
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Die
Erfindung ermöglicht,
den Umschaltzeitpunkt zwischen den genannten Ansteuerarten möglichst
optimal zu wählen.
Indem die Art der Ansteuerung betriebspunktabhängig gewählt wird, wird eine für die jeweilige
Betriebssituation optimale Ansteuerung bereitgestellt. Insgesamt
wird daher eine präzise
und zuverlässige
Korrektur der vorbeschriebenen Hochlauf- bzw. Drifteffekte ermöglicht.
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Die
Erfindung ist bevorzugt in einem Piezo-Common-Rail-Einspritzsystem
mit den genannten Vorteilen einsetzbar.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend, unter Bezugnahme auf die Zeichnung,
anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
eingehender beschrieben, aus denen weitere Merkmale und Vorteile
der Erfindung hervorgehen.
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Im
Einzelnen zeigen
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1 eine Prinzipdarstellung
eines Teils eines zum Einsatz der vorliegenden Erfindung geeigneten
Common-Rail-Einspritzsystems gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine schematische, ausschnittweise Darstellung
eines Kraftstoffeinspritzventils für Brennkraftmaschinen im Längsschnitt
gemäß dem Stand der
Technik;
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3 ein Blockschaltbild zur
Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der Vorrichtung; und
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4 ein Blockschaltbild zur
Illustration einer ladungsabhängigen
Ansteuerung eines hier betroffenen Injektors bzw. Aktors.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In
der 1 ist der Hochdruckteil
eines für sämtliche
von der Erfindung umfassten Kraftstoffzumesssysteme stellvertretend
stehenden Common-Rail-Einspritzsystems dargestellt, wobei nachfolgend
nur dessen Hauptkomponenten und solche Komponenten näher erläutert werden,
welche für
das Verständnis
der Erfindung wesentlich sind.
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Die
gezeigte Anordnung weist eine Hochdruckpumpe 10 auf, welche über eine
Hochdruckleitung 12 mit einem Hochdruckspeicher ("Rail") 14 druckleitend
in Verbindung steht. Der Hochdruckspeicher 14 ist über weitere
Hochdruckleitungen mit Injektoren 18 verbunden. In der
vorliegenden Darstellung sind zur Vereinfachung nur eine Hochdruckleitung 16 und
ein Injektor 18 gezeigt. Der Injektor 18 ist in
einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Das dargestellte
Einspritzsystem wird von einem Motorsteuergerät 20 gesteuert. Durch
das Motorsteuergerät 20 erfolgt
insbesondere eine Steuerung des gezeigten Injektors 18.
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An
dem Injektor 18 ist eine Einrichtung 22 zum Speichern
von Informationen angeordnet, mittels derer eine individuelle Steuerung
des Injektors 18 durch das Motorsteuergerät 20 ermöglicht wird. Es
versteht sich, dass in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auch die anderen – hier nicht
gezeigten – Injektoren
eine entsprechende Einrichtung 22 aufweisen. Selbstverständlich kann
auch vorgesehen sein, dass nur einer der Injektoren eine solche
Speichereinrchtung 22 aufweist, die dann ebenfalls von den übrigen Injektoren
genutzt wird. Bei den genannten Informationen handelt es sich vorzugsweise
um Korrekturwerte für
ein bevorzugt im Motorsteuergerät angeordnetes
Mengenkennfeld des Injektors 18. Die Speichereinrichtung 22 kann
bspw. als digitaler Datenspeicher ggf. mit einer alphanumerischen
Verschlüsselung
der Informationen oder dgl., als einer oder mehrere elektrische
Widerstände,
als Barcode, oder auch als eine integrierte Halbleiterschaltung realisiert
sein. Das Motorsteuergerät 20 kann
ebenfalls eine zusätzliche
integrierte Halbleiterschaltung zur Auswertung der in der Einrichtung 22 gespeicherten
Informationen aufweisen.
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Die
zur Realisierung einer bestimmten Einspritzmenge erforderliche Ansteuerdauer
ist eine Funktion des Raildrucks. Dabei ist die Einspritzmenge als
Funktion von Ansteuerdauer und Raildruck in sogenannten Mengenkennfeldern
abgelegt, die in bestimmten Prüfpunkten
mit einem Normverhalten abgeglichen werden. Um eine Kraftstoffinengenzumessung
im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine und des Injektors
zu ermöglichen, werden
die entsprechenden Abgleichwerte zwischen den durch die Prüfpunkte
definierten Stützstellen
interpoliert.
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In
der
2 ist ein aus der
DE 100 02 270 C1 hervorgehendes
piezoelektrisch gesteuertes Einspritzventil (Injektor)
101 in
größerem Detail
in einer Schnittzeichnung dargestellt. Das Einspritzventil
101 weist
eine piezoelektrische Einheit
104 zur Betätigung eines
in einer Bohrung
113 eines Ventilkörpers
107 axial verschiebbaren
Ventilglieds
103 auf. Das Einspritzventil
101 weist
ferner einen an die piezoelektrische Einheit
104 angrenzenden
Stellkolben
109 sowie einen an ein Ventilschließglied
115 angrenzenden
Betätigungskolben
114 auf.
Zwischen den Kolben
109,
114 ist eine als hydraulische Übersetzung arbeitende
Hydraulikkammer
116 angeordnet. Das Ventilschließglied
115 wirkt
mit wenigstens einem Ventilsitz
118,
119 zusammen
und trennt einen Niederdruckbereich
120 von einem Hochdruckbereich
121.
Eine nur schematisch angedeutete elektrische Steuereinheit
112 liefert
die Ansteuerspannung für die
piezoelektrische Einheit
104, und zwar in Abhängigkeit
vom jeweils herrschenden Druckniveaus im Hochdruckbereich
121.
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Das
in der 3 dargestellte
Blockschaltbild dient zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der Vorrichtung. Es ist vorauszuschicken, dass die für eine gleichbleibende
Menge an zugemessenem Kraftstoff erforderliche Ansteuerspannung
des Piezoaktors bekanntermaßen
nicht konstant ist und insbesondere vom im Rail momentan herrschenden
Raildruck abhängt.
Zudem tritt der eingangs beschriebene Hochlaufeffekt bei einer relativ hohen
Ansteuerspannung in besonderem Maße auf, da der Hochlaufeffekt
an sich im Falle eines Piezoaktors auf der elektrischen Aufpolarisation
des Aktors beruht. Ein solcher Piezoaktor lässt sich bekanntermaßen besonders
gut polarisieren, wenn die Umgebungstemperatur oder die Aktortemperatur
selbst relativ hoch ist. Aufgrund von Reibungswärme und Verlustleistung im
Aktor während
einer Ansteuerung erhöht
sich die Aktortemperatur zudem im laufenden Betrieb des Aktors,
wobei in den meisten Fällen
ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Aktortemperatur und der
Ansteuerzeit besteht. Die Umgebungstemperatur und die Aktortemperatur
repräsentieren
daher eine Umgebungs-Betriebsbedingung im Sinne der Erfindung. Im Übrigen hat
auch die Wiederholfrequenz der Aktoransteuerungen, wie eingangs bereits
erwähnt,
einen erheblichen Einfluss auf das Hochlaufen des Aktorhubes. Daher
ist eine Abhängigkeit
des Aktorhubes bei vorgegebener Ansteuerspannung auch von der Anzahl
der Einspritzungen und der Drehzahl der Brennkraftmaschine gegeben.
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Die
in der 3 gezeigte Anordnung
umfasst einen Aktor 300 sowie eine den Aktor 300 ansteuernde
Steuereinheit 305. Durch die Strichelung 302 soll
angedeutet werden, dass der Aktor 300 Teil eines Kraftstoffzumesssystems
einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine ist. Die Ansteuerung des
Aktors erfolgt in an sich bekannter Weise durch abwechselnde Lade-
und Entladevorgänge
und einer somit Idealerweise trapezförmigen Ansteuerspannung U_Ansteuer
mit einer Wiederholfrequenz f. Die Steuereinheit 305 gibt
Informationen, wie die Ansteuerspannung, die Ansteuerfrequenz, die
Aktortemperatur an eine Umschalteinheit 315 weiter. Die
Aktortemperatur wird entweder mittels eines Temperaturmodells berechnet
oder anhand der Kraftstoff- und/oder Kühlmitteltemperatur geschätzt. Alternativ
kann die Aktortemperatur, wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel,
mittels eines mit der Umschalteinheit 315 zusammenwirkenden
Temperatursensors 310 erfasst werden. Die Umschalteinheit 315 kann
ferner entweder eigenständig
oder als Teil der Steuereinheit 305 realisiert sein.
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Die
Steuereinheit 305 bestimmt aus den o.g. Informationen,
in welcher Stärke
die Polarisation des Aktors erfolgt ist. Sobald eine ausreichende
Polarisation des Aktors erreicht ist, wird die Ansteuerung des Aktors
von einer ladungsbasierten Steuerung in eine spannungsbasierte Steuerung
umgeschaltet. Dabei ermittelt die Umschalteinheit 315 in
Abhängigkeit
von den Abweichungen der Ansteuerspannung und/oder der Aktortemperatur
und/oder der Ansteuerfrequenz von vorgegebenen Nenn- bzw. Normwerten
einen oder mehrere Werte dieser Größen, welche den Grad der Polarisierung
wiedergeben. Beispielhafte solche Werte sind U = 180 V, T = 80 °C und f =
20 Hz. Tendenziell führen
höhere
Temperaturen, höhere
Frequenzen und/oder größere Ansteuerspannungen
zu einer schnelleren Polarisation. Entsprechend niedrigere Werte
dieser Größen führen dagegen
zu einem langsameren Polarisationsverhalten. Durch Integration der
jeweils aktuell ermittelten Werte für den Polarisationsgrad lässt sich
so der optimale Zeitpunkt für die
Umschaltung zwischen der Ladungssteuerung und der Spannungssteuerung
ermitteln.
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Die
genannte ladungsbasierte Ansteuerung wird nachfolgend noch eingehender
beschrieben, wohingegen die spannungsbasierte Ansteuerung dem einschlägigen Fachmann
an sich bekannt ist und somit auf diese hier nicht näher eingegangen wird.
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Die
vorgenannte ladungsbasierte Steuerung oder Regelung erfolgt bevorzugt
mittels einer in der nicht vorveröffentlichten deutschen Parallelanmeldung
Az. 103 17 654.3 offenbarten Ladungsbilanzmessung. Dabei wird bei
jeweils fest vorgegebener bzw. applizierter Ansteuerspannung eines
Injektors der durch die Ansteuerspannung bewirkte Ladungsfluss durch
den Injektor erfasst und die Ansteuerspannung des jeweiligen Injektors
in Abhängigkeit von
der daraus bestimmten Ladungsdifferenz adaptiert. Bevorzugt wird
mittels eines für
den jeweiligen Injektor vorab ermittelten Kennfeldes (Ladungsmenge über Ansteuerspannung)
die Ansteuerspannung entsprechend verändert.
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Zu
diesem Zweck umfasst die in der 4 schematisch
gezeigte Anordnung einen steuerbaren Spannungsgeber 200,
mit dessen Ausgangsspannung (= Ansteuerspannung) ein vorliegend
für das
jeweilige Einspritzsystem repräsentativer
Injektor 205 in der vorbeschriebenen Weise zum Zwecke seiner Ansteuerung
beaufschlagt wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Spannungsgeber 200 in
zwei Betriebsmodi betrieben, und zwar einem ,Mode 1' mit einer Idealerweise
stufenförmig
von Null auf einen vorgegebenen Wert der Ansteuerspannung ansteigenden
Ausgangsspannung und einen ,Mode 2' mit einer ebenfalls stufenförmig von
der Ansteuerspannung auf den Wert Null abfallenden Ausgangsspannung.
Die Bedeutung dieser beiden Betriebsmodi wird aus der nachfolgenden
Beschreibung deutlich.
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Die
Ausgangsspannung des Spannungsgebers 200 liegt zunächst an
einem Ladungsmesser 210 an, welcher die in den Injektor 205 einströmende bzw.
abströmende
momentane Ladungsmenge erfasst. Eine in den Injektor 205 einströmende Ladungsmenge
ergibt sich insbesondere in dem genannten Betriebsmodus ,Mode 1', wohingegen eine abströmende Ladungsmenge
im ,Mode 2' resultiert. Der
Ladungsmesser 210 ist mit einem Integralbildner 215 verbunden,
der die von dem Ladungsmesser 210 bereitgestellten momentanen
Ladungswerte über
die Zeit aufintegriert und den jeweils sich ergebenden Wert der
Gesamtladungsmenge an einen Zwischenspeicher 220 übergibt.
Werden die beiden genannten Betriebsmodi nacheinander ausgeführt, liegen
in dem Zwischenspeicher 220 demnach jeweils ein Wert für die Gesamtladungsmenge
bei Ladungsabfluss und ein Wert bei Ladungszufluss vor.
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Ein
mit dem Zwischenspeicher 220 verbundenes Mittelwertberechnungsmodul 225 berechnet aus
diesen beiden Werten den Mittelwert und übergibt den berechneten Mittelwert
als Istwert Q_Ist an ein Vergleichermodul 235. Das Vergleichermodul 235 erhält einen
Sollwert Q_Soll dadurch, dass die vom dem Spannungsgeber 200 gelieferte
Ausgangsspannung mittels eines für
den jeweiligen Injektor im Vorfeld ermittelten Kennfeldes „Ansteuerspannung über Gesamtladungsmenge" 230 in
einen Ladungswert umgerechnet wird, der dann unmittelbar dem Wert Q_Soll
entspricht. Dem Kennfeld liegt die Beziehung U = Q/C mit C = (effektive)
elektrische Kapazität
des Injektors bzw. seines Aktors zugrunde.
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Das
Vergleichermodul 235 berechnet die Differenz Q_Soll – Q_Ist.
Im Falle, dass sich bei dem Vergleich Q_Ist > Q_Soll ergibt, liefert das Vergleichermodul 235 die
Information ,Spannungserniedrigung' an ein Steuermodul 240, welches
wiederum mit einem Steueranschluss 245 des Spannungsgebers 200 verbunden
ist. Im Gegensatz dazu liefert das Vergleichermodul 235 im
Falle von Q_Ist < Q_Soll
die Information ,Spannungserhöhung' an das Steuermodul 240.
Die Absolutbeträge
der Spannungserniedrigung bzw. Spannungserhöhung ergeben sich aus dem Zusammenhang ΔU = Δ(Q_Ist, Q_Soll)/C.
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Die
im Vergleichermodul verarbeiteten Ladungswerte werden ggf. noch über das
genannte Kennfeld 230 in entsprechende Spannungswerte umgerechnet.
Es versteht sich, dass es bei der Erfindung nicht darauf ankommt,
ob in dem Vergleichermodul 235 Ladungswerte oder Spannungswerte
verarbeitet werden und die Umrechnung mittels des Kennfeldes 230 dann
je nach Erfordernis erfolgt.
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Gemäß einer
alternativen Anordnung bzw. Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
der Wert Q_Soll nur einmalig anhand einer vor der eigentlichen Inbetriebnahme
der zugrundeliegenden Kraftfahrzeuges durchgeführten Nullkalibrierung ermittelt.
Dieser Wert Q_Soll wird dann im nachfolgenden Betrieb ständig bzw.
unverändert
zugrundegelegt. Dies hat den Vorteil, dass einige der vorbeschriebenen
Verarbeitungs schritte bzw. Funktionsmodule entfallen können, hat
aber gleichzeitig auch den Nachteil, dass sich die Güte des Wertes
Q_Soll verringert.
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Es
ist anzumerken, dass die vorbeschriebene Erfassung und Auswertung
der in den Injektor einfließenden
Ladungsmenge zusammen mit der aus dem Injektor hinausfließenden Ladungsmenge
nur bevorzugt ist und daher die gestrichelt umrahmten 255 Funktionskomponenten
sowie die beiden Betriebsmodi 250 des Spannungsgebers 200 nicht zwingend
erforderlich sind.
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Es
ist zu erwähnen,
dass bei der vorgeschlagenen umgebungs- oder betriebspunktabhängigen Umschaltung
der technische Effekt zugrunde liegt, dass in der (frühen) Ansteuerphase
I des Piezoaktors die gezeigte Aktorerwärmung stattfindet. Aufgrund der
relativ starken Temperaturverfälschung
bei einer Spannungsmessung wird der Aktor in dieser Phase ladungsbasiert
angesteuert bzw. geregelt. In der späteren Ansteuerphase II ist
wiederum die spannunsbasierte Steuerung bzw. Regelung geeigneter,
da diese generell mit höherer
Präzision
durchgeführt werden
kann.
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Die
vorbeschriebene Vorrichtung bzw. das dieser Vorrichtung zugrundeliegende
Verfahren können
entweder in Form einer eigenen Steuerschaltung oder in Form eines
in einem Motorsteuergerät
vorgesehenen Steuerprogrammes implementiert werden.