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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für die Steuerung eines Stellglieds
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die
Erfindung ein Verfahren für
die Steuerung eines von einem Piezoaktor angetriebenen Kraftstoffeinspritzventils
einer Verbrennungskraftmaschine.
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Ein
Piezoaktor und ein von einem Piezoaktor angetriebenes Kraftstoffeinspritzventil
sind beispielsweise aus
DE
199 60 971 A1 und aus
DE 199 54 288 A1 der Anmelderin bekannt.
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Für die Hubgleichstellung
eines von einem Piezoaktor angetriebenen Kraftstoffeinspritzventils wurde
bisher eine Ladungs-Hub-Kennlinie aufgenommen und eine Referenzladung
für das
Einstellen eines bestimmten Hubs bestimmt. Weiterhin wurde die Steigung
der Kennlinie bestimmt. Bei einer Abweichung des Hubs im Motorbetrieb
wurde aus der Steigung eine Korrektur berechnet. Fehler im Öffnungsbeginn
des piezoelektrisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventils wurden
dabei nicht korrigiert.
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Ein
Verfahren zur Steuerung eines piezoelektrisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventils
ist weiter aus
DE
100 12 607 C2 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren zur
Ansteuerung eines kapazitiven Stellglieds mit Leerhub, insbesondere
für ein
piezoelektrisches Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine,
wird mit Zuführung
eines vorgegebenen Energiebetrags die elektrische Ladung des Stellglieds
sukzessive erhöht.
Dabei wird die Ladung bestimmt, bei der die Ventilnadel aus dem
Sitz bewegt wird. Dann wird der für die Durchführung des
Leerhubs erforderliche Energiebetrag als der dem Stellglied zugeführte Energiebetrag
bestimmt, nach dessen weiterer Erhöhung die ermittelte Kapazität des Stellglieds
plötzlich
geringer wird. Dann wird die Summe aus dem für den benötigten Arbeitshub des Ventils
vorgegebenen Energiebetrag und aus dem für die Durchführung des
Leerhubs erforderlichen Energiebetrag gebildet. Schließlich wird
dem Stellglied bei jedem Ansteuervorgang der Summenenergiebetrag
zugeführt.
Der Leerhub ist dabei durch Toleranzen bei der Montage und durch
mechanische Kontaktstellen in dem Stellglied von Exemplar zu Exemplar
unterschiedlich. Durch diese Streuung des Leerhubs ist ein exaktes
Bewegungsverhalten einer Ventilnadel schwer reproduzierbar.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Erfindung bietet den Vorteil, dass besser definierte Bedingungen
für den
Hub geschaffen werden, indem eine Korrektur für den Leerhub bestimmt wird,
die sich in erster Linie auf das Öffnungsverhalten des Kraftstoffeinspritzventils
positiv auswirkt. Dies wird durch elektrisches Vorspannen des Piezoaktors
auf eine definierte Ladung unterhalb der Leerhubladung erreicht,
um einen reproduzierbaren Hub zu ermöglichen. Dadurch sind ein exakterer Öffnungsbeginn
und ein besser reproduzierbarer Hubverlauf der Ventilnadel gegeben.
Weiterhin wird durch das Vorspannen des Piezoaktors und das nicht vollständige Entladen
Energie gespart. Denn durch das Halten der Ladung auf einem bestimmten
Energieniveau wird die Ventilnadel auf einem bestimmten Kraftniveau
gehalten. Dadurch werden Hubverluste vor allem an Kontaktflächen präziser beherrschbar. In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Zeit, in der die Ladungsdifferenz zwischen den eine Vorspannung
bewirkenden Ladungen und den Referenzladungen aufgebracht wird,
für jedes
individuelle Kraftstoffeinspritzventil (V1, V2) im Wesentlichen gleichgestellt.
Bei einer weiteren Ausführungsvariante
wird die Steigung der Kurven, mit denen die Ladungsdifferenz zwischen
den die Vorspannung bewirkenden Ladungen und den Referenzladungen aufgebracht
wird, für
jedes individuelle Kraftstoffeinspritzventil (V1, V2) im Wesentlichen
gleichgestellt wird.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigt 1 zwei Kraftstoffeinspritzventile
in schematischer Darstellung, 2,
in einem Diagramm, den funktionalen Zusammenhang zwischen dem Hub
und der Ladung für
zwei mit einem Piezoaktor ausgestattete Kraftstoffeinspritzventile, 3, in einem Diagramm, die
Darstellung der Ladung als Funktion der Zeit, und 4, in einem weiteren Diagramm, ebenfalls
die Darstellung der Ladung als Funktion der Zeit und die Ladungsänderung.
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Beschreibung
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass durch ein elektrisches
Vorspannen des Piezoaktors eines Kraftstoffeinspritzventils auf
eine definierte Ladung ein reproduzierbarer Hub erreichbar ist.
Dadurch sind ein exakter Öffnungsbeginn
und eine reproduzierbare Steuerung der Ventilnadel gegeben. Durch
das Vorspannen und nicht vollständige Entladen
des Piezoaktors wird zudem Energie eingespart. Durch das Halten
der Ladung auf einem definierten Niveau wird die Ventilnadel auf
einem bestimmten Kraftniveau gehalten. Dadurch werden Hubverluste
vor allem an Kontaktflächen
definierter beherrschbar.
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1 der Zeichnung zeigt, in
schematischer Darstellung, zwei Kraftstoffeinspritzventile V1, V2. Die
Ventilstößel S1,
S2 der Kraftstoffeinspritzventile V1, V2 werden durch Piezoaktoren
angetrieben, die eine Kraft auf die Ventilstößel S1, S2 ausüben. Dadurch
werden die Ventilstößel S1,
S2 gegen eine von dem Kraftstoffdruck verursachte Gegenkraft fortbewegt
und die Kraftstoffeinspritzventile geöffnet, um Kraftstoff in Zylinder
einer Verbrennungskraftmaschine einzuspritzen. Bevor die Piezoaktoren
P1, P2 die Ventilstößel S1,
S2 in Bewegung setzen können,
ist ein Leerhub LV1, LV2 zu überwinden,
der für
jedes Kraftstoffeinspritzventil V1, V2 unterschiedlich groß sein kann.
Die jeweilige Größe des Leerhubs
LV1, LV2 ist von zahlreichen Parametern abhängig, so insbesondere von der
Vorspannung des Verbundes zwischen der Ventilnadel und dem Piezoaktor
mit allen im Kraftfluss liegenden Bauteilen in dem Kraftstoffeinspritzventil,
von Elastizitätswerten,
von Verformungen, den Anlegevorgängen
an Kontaktflächen,
usw. Einerseits sind diese Abweichungen durch Fertigungstoleranzen
bedingt, andererseits entstehen sie durch Abnutzung im laufenden
Betrieb.
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2 zeigt in einem Diagramm
den funktionalen Zusammenhang zwischen dem Hub und der Ladung für mit einem
Piezoaktor P1, P2 ausgestatte Kraftstoffeinspritzventile V1 und
V2. Die Kennlinien haben im Wesentlichen die Gestalt von Geraden,
wobei die Steigung der Kennlinie des Kraftstoffeinspritzventils
V2 größer ist
als jene der Kennlinie des Kraftstoffeinspritzventils V1. Den Referenzhub
href erreicht das Kraftstoffeinspritzventil
V2 bereits bei einer Ladung Qref2, während das
Kraftstoffeinspritzventil V1 den Referenzhub href erst
bei der höheren
Ladung Qref1 erreicht. Bei jeder Betätigung des
Kraftstoffeinspritzventils V1, V2 wird der Piezoaktor P1, P2 des Kraftstoffeinspritzventils
V1, V2 von Ladung 0 auf die Nennladung Qref1,
Qref2 geladen. Dabei bewegt sich die Ventilnadel
der Kraftstoffeinspritzventile V1, V2 jeweils erst bei dem Erreichen
einer Nullladung Q01, Q02.
Die Ladung Q01, Q02 schwankt
dabei von Kraftstoffeinspritzventil zu Kraftstoffeinspritzventil,
und ist von zahlreichen Einflussfaktoren abhängig. So insbesondere von der
Vorspannung des Verbundes zwischen der Ventilnadel und dem Piezoaktor
mit allen im Kraftfluss liegenden Bauteilen in dem Ventil, von Elastizitätswerten,
von Verformungen, den Anlegevorgängen
an Kontaktflächen,
usw. Verlängert
man in dem Diagramm in 1 die
Hub-Ladungskennlinie des Kraftstoffeinspritzventils V1, V2 auf Ladung
0, also bis zu dem Schnittpunkt der Kennlinien mit der Y-Achse,
so kann für
jedes Kraftstoffeinspritzventil V1, V2 der Leerhub LV1, LV2 abgelesen
werden. Stellt man nun analog des Referenzhubes Href mit den
Ladungen Qref1 und Qref2 eine
für jedes
Kraftstoffeinspritzventil V1, V2 gültige Ladung für den Zustand geschlossene
Ventilnadel auf einen fiktiven negativen Hub h0 ein,
so ist ein reproduzierbares Öffnungs- und Schließverhalten
der Ventilnadel gegeben. Dieser Hub h0 muss
so gewählt
werden, dass noch genügend
Restkraft vorhanden ist, um den Ventilsitz der Kraftstoffeinspritzventile
V1, V2 in dem geschlossenen Zustand dicht zu halten. Setzte man
den Hub h0 auf den Wert Null, so läge die Schließkraft am
Sitz des Kraftstoffeinspritzventils bei Null. Der Sitz wäre somit
nicht zuverlässig
dicht.
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Anhand
der 3 und 4 wird im Folgenden der zeitliche
Verlauf der Ladungen, wiederum für
je zwei Stellglieder, nämlich
die Kraftstoffeinspritzventile V1 und V2, erläutert. 3 zeigt, in einem Diagramm, die Darstellung
der Ladung als Funktion der Zeit. Die Zeitachse beginnt zum Zeitpunkt
t0. Zum Zeitpunkt t1 wird begonnen, dem Kraftstoffeinspritzventil
V2 die für
die Überwindung
des Leerhubs erforderliche Ladung Q2 zuzuführen. Dieser
Vorgang ist zum Zeitpunkt t3 beendet. In dem Zeitpunkt t2 wird begonnen,
dem Kraftstoffeinspritzventil V1 die für die Überwindung des Leerhubs erforderliche
Ladung Q1 zuzuführen. Dieser Vorgang ist zu
dem Zeitpunkt t3 beendet. Während
des Zeitintervalls dt (t3–t4)
werden die genannten Ladungen Q1 und Q2 aufrechterhalten. In dem Zeitpunkt t4 wird
begonnen, die Kraftstoffeinspritzventile V1 und V2 anzusteuern.
Dabei wird einerseits dem Kraftstoffeinspritzventil V1 eine Ladung
zugeführt,
die die Ladung von Q1 auf den Wert Qref1 anhebt, so dass das Kraftstoffeinspritzventil
V1 seinen Hub Href1 erreicht. Andererseits
wird dem Kraftstoffeinspritzventil V2 eine Ladung zugeführt, die
die Ladung von Q2 auf den Wert Qref2 anhebt, so dass das Kraftstoffeinspritzventil
V2 seinen Hub Href2 erreicht. Die genannten
Ladungs- und Hubwerte werden zu dem Zeitpunkt t5 erreicht. Besonders
vorteilhaft für
die Steuerung der Kraftstoffeinspritzventile V1, V2 ist es, wenn
die Zeit ton, also das Zeitintervall t4–t5, in der die Ladungsdifferenz
zwischen den Ladungen (Q11, Q12)
und den Referenzladungen (Qref1, Qref2) aufgebracht wird, für jedes individuelle Kraftstoffeinspritzventil
(V1, V2) im Wesentlichen gleichgestellt wird. In dem Zeitintervall
t5–t6
bleiben die Kraftstoffeinspritzventile V1, V2 geöffnet. Zu dem Zeitpunkt t6
beginnt der Schließvorgang,
der zum Zeitpunkt t7 endet. Besonders vorteilhaft für die Steuerung
der Kraftstoffeinspritzventile V1, V2 ist es, wenn die Zeit toff,
also das Zeitintervall t6–t7,
in der die Ladungen von den Referenzladungen (Qref1,
Qref2) auf die Ladungen (Q1,
Q2) abgebaut werden, für jedes individuelle Kraftstoffeinspritzventil
(V1, V2) im Wesentlichen gleichgestellt wird.
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4 zeigt, in einem weiteren
Diagramm, ebenfalls die Darstellung der Ladung als Funktion der Zeit
und die zeitliche Änderung
der Ladung. Die Zeitachse beginnt zum Zeitpunkt t0. Zum Zeitpunkt
t1 wird begonnen, dem Kraftstoffeinspritzventil V2 die für die Überwindung
des Leerhubs erforderliche Ladung Q2 zuzuführen. Dieser
Vorgang ist zum Zeitpunkt t3 beendet. In dem Zeitpunkt t2 wird begonnen, dem
Kraftstoffeinspritzventil V1 die für die Überwindung des Leerhubs erforderliche
Ladung Q1 zuzuführen. Dieser Vorgang ist ebenfalls
zu dem Zeitpunkt t3 beendet. Während
des Zeitintervalls dt (t3–t4)
werden die genannten Ladungen Q1 und Q2 aufrechterhalten. In dem Zeitpunkt t4 wird
begonnen, die Kraftstoffeinspritzventile V1 und V2 anzusteuern.
Dabei wird einerseits dem Kraftstoffeinspritzventil V1 eine Ladung
zugeführt,
die die Ladung von Q1 auf den Wert Qref1 anhebt, so dass das Kraftstoffeinspritzventil
V1 seinen Hub Href1 erreicht. Andererseits
wird dem Kraftstoffeinspritzventil V2 eine Ladung zugeführt, die
die Ladung von Q2 auf den Wert Qref2 anhebt, so dass das Kraftstoffeinspritzventil
V2 seinen Hub Href2 erreicht. Bei dem Kraftstoffeinspritzventil
V2 wird die Ladung Qref2 zu dem Zeitpunkt
t5.1 erreicht. Bei dem Kraftstoffeinspritzventil V1 wird die Ladung
Qref1 zu dem Zeitpunkt t5.2 erreicht. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist darauf geachtet, dass die Steigung dQ/dt der Ladungskurven für jedes
individuelle Ventil gleichgestellt wird. In den Zeitintervallen
t5.1 bis t6, beziehungsweise t5.2 bis t6 bleiben die Kraftstoffeinspritzventile
V1, V2 geöffnet.
Zu dem Zeitpunkt t6 beginnt der Schließvorgang, der für das Kraftstoffeinspritzventil
V1 zum Zeitpunkt t7.2 und für
das Kraftstoffeinspritzventil V2 zum Zeitpunkt bereits zum Zeitpunkt
t7.1 endet. Besonders vorteilhaft für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzventile
V1, V2 ist es, wenn auch in der Abschaltphase, in der die Ladungen
von den Referenzladungen (Qref1, Qref2) auf die Ladungen (Q1,
Q2) abgebaut werden, für jedes individuelle Kraftstoffeinspritzventil
V1, V2 die Steigung der Ladungskurven im Wesentlichen gleichgestellt wird.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
der Erfindung zeigen die Ladungskurven zwischen den Ladungswerten
Q1, Q2 und Qref1, Qref2 beziehungsweise
zwischen den Ladungswerten Qref1, Qref2 und Q1, Q2 einen im Wesentlichen linearen Verlauf.
Für besondere
Anwendungsfälle
kann es zweckmäßig sein,
anstelle eines linearen Verlaufs eine beliebige, stetig steigende
Funktion vorzusehen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsvariante der
Erfindung werden die Ladungen Q1, Q2 gemäß den Darstellungen
in 3 oder 4 zwecks Vorspannung der
Piezoaktoren P1, P2 aufgebracht und für eine beliebig lange Zeit
dt aufrechterhalten. Dies kann mathematisch so ausgedrückt werden,
dass dt gegen unendlich geht. Bei besonderen Anwendungsfällen kann
es jedoch auch zweckmäßig sein,
die für eine
Vorspannung erforderlichen Ladungen erst unmittelbar vor der Betätigung der
Kraftstoffeinspritzventile V1, V2 aufzubringen (das heißt, das
Zeitintervall dt geht gegen Null). Dadurch entfällt zwar im Wesentlichen die
Energieeinsparung, die Vorteile bezüglich einer besseren Reproduzierbarkeit
der Steuerung der Kraftstoffeinspritzventile bleiben jedoch erhalten.
In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen
wurde stets die Ladung Q betrachtet. Anstelle der Ladung Q kann
jedoch auch die an den Piezoaktoren anstehende Spannung berücksichtigt
werden.
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- V1
- Kraftstoffeinspritzventil
- V2
- Kraftstoffeinspritzventil
- P1
- Piezoaktor
- P2
- Piezoaktor
- S1
- Ventilstößel
- S2
- Ventilstößel
- F
- Gegenkraft
- href
- Hubwert
- h0
- Hubwert
- Qref1
- Ladung
- Qref2
- Ladung
- Q01
- Ladung
- Q02
- Ladung
- Ql1
- Ladung
- Ql2
- Ladung
- Q1
- Ladung
- Q2
- Ladung
- LV1
- Leerhub
- LV2
- Leerhub
- t0
- Zeitpunkt
- t1
- Zeitpunkt
- t2
- Zeitpunkt
- t3
- Zeitpunkt
- t4
- Zeitpunkt
- t5
- Zeitpunkt
- t5.1
- Zeitpunkt
- t5.2
- Zeitpunkt
- t6
- Zeitpunkt
- t7
- Zeitpunkt
- t7.1
- Zeitpunkt
- t7.2
- Zeitpunkt
- t8
- Zeitpunkt
- t9
- Zeitpunkt
- t10
- Zeitpunkt