DE602007000003T2

DE602007000003T2 - Verbesserungen bei piezoelektrischen Aktuatoren

Info

Publication number: DE602007000003T2
Application number: DE602007000003T
Authority: DE
Inventors: Martin Sykes; Joseph Walsh; Daniel Hopley
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Operations Luxembourg SARL
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2027-01-20
Also published as: US20070170814A1; ATE428049T1; EP1811164B1; JP2007192227A; DE602007000003D1; EP1895150A1; EP1895150B1; US7401596B2; EP1811164A1; DE602007000848D1; ATE386881T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schätzen der Temperatur eines piezoelektrischen Aktors zur Verwendung bei der Steuerung des Betriebs einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Im Speziellen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schätzen der Temperatur eines piezoelektrischen Aktors in einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Verwendung bei der Abgabe von Kraftstoff an einen Brennraum eines Verbrennungsmotors. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren, das die Steuerung einer piezoelektrisch betriebenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung unabhängig von der Temperatur verbessert.
Bei bekannten piezoelektrisch betätigten Kraftstoffeinspritzeinrichtungen dient eine piezoelektrische Aktoranordnung dazu, eine Bewegung einer Ventilnadel der Einspritzeinrichtung zwischen einspritzenden und nicht einspritzenden Zuständen direkt oder indirekt zu steuern. Die Ventilnadel ist mit einem Sitz in Eingriff bringbar, um die Kraftstoffabgabe durch eine oder mehrere Auslassöffnungen der Einspritzeinrichtung zu steuern. Die piezoelektrische Aktoranordnung umfasst typischerweise einen Stapel von piezoelektrischen Elementen, die eine zugehörige Kapazität aufweisen. Ein Variieren einer Spannung, die über den piezoelektrischen Stapel angelegt wird, steuert das Erregungsniveau des Stapels und damit die axiale Länge des piezoelektrischen Stapels. Durch Variieren der Länge des Stapels wird die Position der Ventilnadel relativ zu dem Sitz variiert. Eine bekannte piezoelektrisch betriebene Kraftstoffeinspritzeinrichtung der oben erwähnten Art ist in unserer gleichzeitig anhängigen europäischen Patentanmeldung EP 1 174 615 beschrieben.
Eine Stapelverschiebung kann durch Variieren der Spannung, die über den Stapel angelegt wird, gesteuert werden. Bei einer ersten über den Stapel angelegten Spannung befindet sich der Stapel auf einem ersten Erregungsniveau und seine Länge ist relativ kurz. Bei einer zweiten, geringeren, über den Stapel angelegten Spannung befindet sich der Stapel auf einem zweiten Erregungsniveau und die Länge des piezoelektrischen Stapels ist vergrößert (d. h. der Stapel ist verschoben). Durch Variieren des Erregungsniveaus des piezoelektrischen Stapels, um so die Stapelverschiebung zu verändern, kann eine Bewegung der Einspritzeinrichtungsventilnadel zwischen einspritzenden und nicht einspritzenden Zuständen gesteuert werden. Die an den Stapel angelegten Spannungen werden so gewählt, dass eine Verschiebung des Stapels über einen Betrag erfolgt, der das erforderliche Ausmaß der Bewegung (Verschiebung) der Einspritzeinrichtungsventilnadel zwischen ihren einspritzenden und nicht einspritzenden Zuständen ergibt.
Idealerweise wird der Stapel jedes Mal, wenn die Spannung über den Stapel von der ersten Spannung zu der zweiten Spannung geändert wird, um denselben Betrag verschoben. In ähnlicher Weise wird der Stapel jedes Mal, wenn die Spannung von der zweiten Spannung zu der ersten Spannung zurück geändert wird, zurück in seine ursprüngliche Position verschoben. Anders ausgedrückt, eine konstante Spannungsänderung (von der ersten Spannung zu der zweiten Spannung) wird idealerweise eine konstante Stapelverschiebung (von einer ersten Länge zu einer zweiten Länge) zur Folge haben. In der Praxis ist dies jedoch nicht immer der Fall, da das piezoelektrische Material temperaturempfindlich ist und dies einen Effekt auf die gesamte Kapazität und somit auf die Ladungseigenschaften des Stapels hat.
Es ist auch möglich, die Länge des Stapels dadurch zu steuern, dass der Transfer der Ladung zu und von dem Stapel gesteuert wird, anstatt die Spannung direkt zu steuern. Allerdings besteht bei dem Ladungssteuersystem ein ähnliches Problem, da die Beziehung zwischen der Stapelverschiebung und dem Ladungstransfer auch temperaturempfindlich ist. Ein Verfahren zum Schätzen der Temperatur eines piezoelektrischen Aktors ist aus der US-A 2003/218 437 bekannt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Schätzen der Temperatur des piezoelektrischen Stapels bereitzustellen, um die Steuerung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung auf eine im Wesentlichen temperaturunabhängige Weise zu ermöglichen.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Schätzen der Temperatur eines piezoelektrischen Aktorkörpers zum Steuern des Betriebs einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung vorgesehen, die innerhalb eines Motorgehäuses angebracht ist und wobei der Kraftstoff von einer Hochdruckkraftstoffpumpe geliefert wird. Das das Verfahren umfasst, dass eine Temperatur an einem Einlass der Kraftstoffeinspritzeinrichtung ermittelt wird, eine Temperatur des Motorgehäuses ermittelt wird und eine Temperatur des piezoelektrischen Aktorkörpers auf der Grundlage der Temperatur des Kraftstoffs an dem Einspritzeinrichtungseinlass und der Temperatur des Motorgehäuses geschätzt wird.
Der piezoelektrische Aktorkörper ist vorzugsweise innerhalb eines Kraftstoffvolumens unterstromig des Einspritzeinrichtungseinlasses angeordnet, das im Betrieb Kraftstoff von der Hochdruckkraftstoffpumpe aufnimmt.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass sie es erlaubt, eine Schätzung der Temperatur des piezoelektrischen Körpers (d. h. des piezoelektrischen Stapels) vorzunehmen, die wiederum verwendet werden kann, um den Ladungs- und/oder Spannungstransfer zu oder von dem piezoelektrischen Aktorkörper anzupassen, um so sicherzustellen, dass die Einspritzeinrichtungs-Ventilnadelbewegung beständig und unabhängig von einer Temperaturschwankung gesteuert ist.
Es ist derzeit aus mehreren Gründen nicht gängige Praxis, die Temperatur des piezoelektrischen Stapels im Betrieb (d. h. in Echtzeit) zu messen. Erstens ist es nicht naheliegend, einen Temperatursensor mit dem piezoelektrischen Stapel zu verbinden, da dies die Verwendung von zusätzlichen Verbindungsdrähten auf Grund des begrenzten zur Verfügung stehenden Raumes über und oberhalb von jenen, die für die elektrischen Verbindungen für die Spannungsversorgung notwendig sind, erfordert. Dies ist ein spezielles Problem bei piezoelektrischen Einspritzeinrichtungen, bei denen der Stapel in ein Fluid eingetaucht ist. Zweitens bringt das Vorsehen eines Sensors an dem piezoelektrischen Stapel zusätzliche Kosten für die Einspritzeinrichtungsanordnung insgesamt mit sich, was nicht wünschenswert ist. Schließlich sind solche Temperatursensoren über die Lebensdauer der Einspritzeinrichtung nicht zuverlässig und sind anfällig dafür, dass sie zu falschen Ergebnissen führen.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise ferner, dass eine Pumpenauslasstemperatur des Kraftstoffs an einem Auslass der Hochdruckkraftstoffpumpe ermittelt wird und die Einspritzeinrichtungseinlasstemperatur auf der Grundlage der Pumpenauslasstemperatur ermittelt wird.
Noch bevorzugter umfasst das Ermitteln der Pumpenauslasstemperatur, dass eine Pumpeneinlasstemperatur an einem Einlass in die Hochdruck kraftstoffpumpe gemessen wird, der Druck des Kraftstoffs an dem Hochdruckkraftstoffpumpenauslass gemessen wird, und die Pumpenauslasstemperatur auf der Grundlage der Pumpeneinlasstemperatur, des gemessenen Kraftstoffdruckes und eines Pumpenverstärkungsfaktors berechnet wird.
Die Einspritzeinrichtungseinlasstemperatur kann als gleich der Pumpenauslasstemperatur ermittelt werden oder alternativ auf der Grundlage der Pumpenauslasstemperatur und einer vorbestimmten Zeitkonstante ermittelt werden, die mindestens eine Systemeigenschaft zwischen dem Pumpenauslass und dem Einspritzeinrichtungseinlass darstellt.
Die Systemeigenschaft umfasst typischerweise eine Zeitverzögerung zwischen der Pumpenauslasstemperatur und der Einspritzeinrichtungseinlasstemperatur.
Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung verwendet eine Abbildungsfunktion, um die stationäre Temperatur des piezoelektrischen Aktorkörpers zu schätzen. Zum Beispiel kann die Abbildungsfunktion die Eingänge der Einspritzeinrichtungseinlasstemperatur, der Temperatur des Motorgehäuses, eines Motordrehzahlzustands und eines Kraftstoffabgabezustands empfangen. Die Abbildungsfunktion vergleicht die Motorlaufdaten mit vorgespeicherten Werten, die typischerweise in einer Motorsteuereinheit (ECU) gespeichert sind. Die ECU steuert auch den Kraftstoffeinspritzeinrichtungsbetrieb.
Die Abbildungsfunktion kann derart ausgebildet sein, dass sie einen Wert auf der Grundlage der Motorgehäusetemperatur und der Einspritzeinrichtungseinlasstemperatur mit einem vorbestimmten Kalibrierungswert vergleicht, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass die stationäre Tempera tur des piezoelektrischen Körpers auf der Grundlage des Vergleichs geschätzt wird.
Zweckmäßigerweise ist der Wert das Verhältnis von (i) der Differenz zwischen der geschätzten stationären Temperatur des piezoelektrischen Aktorkörpers und der Einspritzeinrichtungseinlasstemperatur und (ii) der Differenz zwischen der Motorgehäusetemperatur und der Einspritzeinrichtungseinlasstemperatur.
Das Verfahren kann, muss jedoch nicht, den Schritt umfassen, dass der vorbestimmte Kalibrierungswert selbst bestimmt wird. Alternativ müssen die Kalibrierungsschritte nicht einen wesentlichen Teil des Verfahrens bilden und müssen daher nicht als Verfahrensschritte in einer Motorsteuereinheit (ECU) realisiert sein, in der die wesentlichen Verfahrensschritte realisiert sind. Die Kalibrierung wird zweckmäßigerweise von einem Motor/Systemhersteller vor der Auslieferung und/oder Montage des Kraftstoffeinspritzeinrichtungssystems am Fahrzeug durchgeführt.
Vorzugsweise umfasst das Ermitteln des vorbestimmten Kalibrierungswerts, dass die Einspritzeinrichtungseinlasstemperatur unter Verwendung eines Einspritzeinrichtungseinlass-Temperatursensors gemessen wird, die Temperatur des Motorgehäuses ermittelt wird, die stationäre Temperatur des piezoelektrischen Aktorkörpers unter Verwendung eines piezoelektrischen Temperatursensors gemessen wird, und der vorbestimmte Kalibrierungswert als ein Verhältnis von (i) der Differenz zwischen der gemessenen stationären Temperatur des piezoelektrischen Aktorkörpers und der Einspritzeinrichtungseinlasstemperatur und (ii) der Differenz zwischen der gemessenen Motorgehäusetemperatur und der Einspritzeinrichtungseinlasstemperatur berechnet wird.
Sobald die stationäre Temperatur des Stapels geschätzt wurde, ist zu bevorzugen, dass die dynamische Temperatur des piezoelektrischen Aktorkörpers auf der Grundlage der geschätzten stationären Temperatur geschätzt wird.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass eine dynamische Temperatur des piezoelektrischen Aktorkörpers direkt geschätzt wird, anstatt zuerst die stationäre Temperatur zu berechnen. Typischerweise wird die Modellierung mittels eines thermischen Modells eines Wärmetransfers zwischen dem piezoelektrischen Aktorkörper, dem Einspritzeinrichtungskörper und dem Kraftstoffvolumen realisiert. Das thermische Modell empfängt Eingänge auf der Grundlage der Einspritzeinrichtungseinlasstemperatur und der Temperatur des Motorgehäuses.
Vorzugsweise empfängt das thermische Modell ferner Eingänge auf der Grundlage eines Motordrehzahlzustands und eines Kraftstoffabgabezustands während Laufzuständen.
Das thermische Modell umfasst typischerweise ein Untermodell eines Wärmetransfers zu und von dem piezoelektrischen Aktorkörper. Das thermische Modell kann auch ein Untermodell eines Wärmetransfers zu und von dem Kraftstoff innerhalb des Kraftstoffvolumens umfassen. Schließlich kann das thermische Modell auch ein Untermodell eines Wärmetransfers zu und von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung umfassen.
In jeder der Ausführungsformen der Erfindung kann das Verfahren umfassen, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung in Abhängigkeit von der geschätzten dynamischen Temperatur des piezoelektrischen Körpers gesteuert wird. Auf diese Weise können jegliche Ungenauigkeiten der Steuerung, die andernfalls infolge einer Temperaturabhängigkeit der Steuerungsstrategie (z. B. Ladungs- und/oder Spannungssteuerung) entstehen würden, beseitigt werden.
Wenn nur eine stationäre Temperatur geschätzt wird, kann die Einspritzeinrichtung in Abhängigkeit von der geschätzten stationären Temperatur des piezoelektrischen Aktorkörpers gesteuert werden.
Die Steuerung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung kann z. B. umfassen, dass der Spannungs- und/oder Ladungstransfer zu und von dem piezoelektrischen Aktorkörper gesteuert wird.
Die Ermittlung der Temperatur des Motorgehäuses kann umfassen, dass die Temperatur des Motorgehäuses unter Verwendung eines Temperatursensors gemessen wird. Alternativ, wenn ein Motorkühlmittel zum Kühlen des Motorgehäuses bereitgestellt wird, wie es oft der Fall ist, umfasst das Ermitteln der Temperatur des Motorgehäuses, dass die Temperatur des Motorgehäuses auf der Grundlage der Temperatur des Motorkühlmittels geschätzt wird.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, das mindestens einen Computerprogrammsoftwareabschnitt umfasst, der bei einer Ausführung in einer Ausführungsumgebung dazu dient, die einen oder mehrere Schritte der beiliegenden Verfahrensansprüche zu realisieren, und ein Datenspeichermedium, auf dem der oder jeder Computersoftwareabschnitt gespeichert ist. Die Erfindung betrifft ferner einen Mikrocomputer, der mit solche einem Datenspeichermedium versehen ist.
Die Erfindung wird nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzeinrichtungssystems mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist, die einen piezoelektrischen Stapel zum Steuern einer Einspritzung aufweist,
2 ein Blockdiagramm von mehreren Elementen des Kraftstoffeinspritzeinrichtungssystems von 1 zur Veranschaulichung der Wärmetransferwege zwischen den Elementen ist,
3 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Verfahrensschritte einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist, die eine Abbildungsfunktion verwendet,
4 ein Steuerflussdiagramm zur Veranschaulichung der Verfahrensschritte einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist, die eine Modellierungsfunktion verwendet, und
5 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Schritte eines Beispiels eines Verfahrens ist, das eine alternative Abbildungsfunktion zu der in 3 gezeigten verwendet.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein Kraftstoffsystem eine Hochdruckkraftstoffpumpe 10 mit einem Pumpeneinlass 12 zur Aufnahme von Kraftstoff bei relativ niedrigem Druck (z. B. Transferdruck) und um den Kraftstoff auf einen relativ hohen Druck für eine Abgabe durch einen Pumpenauslass 14 unter Druck zu setzen. Der Pumpeneinlass 12 ist mit einem Temperatursensor 16 versehen, der ein Ausgangssignal bereitstellt, welches die Temperatur des an den Pumpeneinlass 12 abgegebenen Kraftstoffs angibt.
Der Pumpenauslass 14 liefert unter Druck stehenden Kraftstoff an eine gemeinsame Kraftstoff-Druckleitung (Speicherkraftstoffvolumen) 18, die mit einem Drucksensor 20 zum Messen des Druckes des Kraftstoffes innerhalb der Leitung 18 versehen ist. Kraftstoff innerhalb der gemeinsamen Kraftstoff-Druckleitung 18 wird einem Einlass 22 einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, allgemein mit 24 bezeichnet, geliefert, die derart eingerichtet ist, dass sie die Abgabe von Kraftstoff in einen zugeordneten Motorzylinder oder einen anderen Brennraum steuert. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 24 umfasst einen Einspritzeinrichtungskörper 26, der in einem Motorgehäuse in der Form eines Motorzylinderkopfes 28 angebracht ist. Der Motorzylinderkopf 28 ist mit einem Temperatursensor 30 zur Bereitstellung eines Ausgangssignals, das die Temperatur des Zylinderkopfes angibt, versehen.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung umfasst auch einen piezoelektrischen Körper 32 in der Form eines Stapels aus piezoelektrischen Elementen, der mithilfe einer elektronischen Steuereinheit (ECU) (nicht gezeigt) gesteuert ist, um die Position einer Einspritzeinrichtungsventilnadel (ebenfalls nicht gezeigt) zu steuern. Der piezoelektrische Stapel 32 ist in einem Kraftstoffvolumen 34, das als Stapelvolumen bezeichnet wird und mit Kraftstoff gefüllt ist, beherbergt. Das Stapelvolumen 34 empfängt Kraftstoff von dem Einspritzeinrichtungseinlass und gibt den Kraftstoff durch einen Einspritzeinrichtungsauslass (nicht gezeigt) in den Motorzylinder hinein ab. Das Stapelvolumen 34 bildet daher einen Teil des Strömungsweges für den Kraftstoff zwischen dem Einspritzeinrichtungseinlass 22 und dem Einspritzeinrichtungsauslass.
Die ECU liefert Signale, um den Ladungstransfer an den piezoelektrischen Stapel 32 zu steuern, um die Stapelbewegung zu steuern. Die ECU emp fängt auch Signale von dem Pumpeneinlass-Temperatursensor 16, dem Leitungsdrucksensor 20 und dem Zylinderkopf-Temperatursensor 30.
Durch Variieren des Ladungstransfers an und von dem piezoelektrischen Stapel 32 wird die Länge des piezoelektrischen Stapels 32 variiert und die Position der Einspritzeinrichtungsventilnadel wird somit gesteuert. Die Position der Ventilnadel relativ zu einem Ventilnadelsitz bestimmt, ob Kraftstoff in den Motorzylinder eingespritzt wird oder nicht. Die Ventilnadelposition bestimmt zusammen mit der Geschwindigkeit der Ventilnadel die Menge der Kraftstoffabgabe.
In einem weiteren Betriebsregime wird der Spannungstransfer an den und von dem piezoelektrischen Stapel 32 variiert, um so die Länge des piezoelektrischen Stapels und somit die Position der Ventilnadel relativ zu dem Ventilnadelsitz zu steuern.
Im Gebrauch variiert die Temperatur des piezoelektrischen Stapels 32 abhängig von verschiedenen Motorbetriebszuständen. Sowohl der Ladungs- als auch der Spannungstransfer zu und von dem Stapel sind durch die Temperatur des piezoelektrischen Stapels beeinflusst und es ist daher ein Ziel der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln der Temperatur des Stapels bereitzustellen, um zuzulassen, dass der Ladungs- und/oder Spannungstransfer unabhängig von der Stapeltemperatur gesteuert wird.
In einer Ausführungsform wird die stationäre Temperatur des piezoelektrischen Stapels 32 (T_{_STACK STEADY
STATE}) durch Abbilden des Wärmetransfers zwischen den verschiedenen Komponenten des Kraftstoffsystems ermittelt. Die Wärmetransferwege zwischen den verschiedenen Komponenten des Kraftstoffsystems sind in 2 gezeigt. Der Zylinderkopf 28 leitet Wärme zu dem Einspritzeinrichtungskörper 26 und der Einspritzeinrichtungskörper 26 leitet Wärme an den Stapel 32 (unter der Annahme, dass die Temperatur des Motorzylinderkopfes 28 höher ist als die Temperatur des Stapels 32). Der Stapel 32 empfängt auch Wärme als ein Ergebnis davon, dass elektrische Energie 36 zu Steuerzwecken an den Stapel übertragen wird. Der Stapel 32 überträgt Wärme durch Konvektion auf den oder von dem Kraftstoff innerhalb des Stapelvolumens 34, die von den relativen Temperaturen des Kraftstoffes innerhalb des Stapelvolumens 34 und des Stapels 32 selbst abhängig ist.
Der Kraftstoff innerhalb des Stapelvolumens 34 empfängt Wärme durch Konvektion von dem Einspritzeinrichtungskörper 26 und empfängt auch Wärme als ein Ergebnis des Kraftstoffes (bei einer Temperatur T_{_INJ
IN}), der über den Einspritzeinrichtungseinlass 22 an das Stapelvolumen 34 abgegeben wird. Der Kraftstoff innerhalb des Stapelvolumens 34 verliert Wärme als Ergebnis dessen, dass der Kraftstoff durch die Einspritzeinrichtung an den Motorzylinder abgegeben wird. Zusammengefasst ist die mittlere Temperatur des Kraftstoffes in dem Stapelvolumen 34 bestimmt durch (i) Wärme, die auf Grund der Temperatur des Kraftstoffes an dem Einspritzeinrichtungseinlass 22 (T_{_INJ IN}) hinzugefügt wird, (ii) die Wärme, die während einer Einspritzung von der Einspritzeinrichtung als ein Ergebnis der Kraftstoffströmung aus dem Stapelvolumen 34 heraus übertragen wird, (iii) den Wärmetransfer durch Konvektion von dem Stapel 32 an den umgebenden Kraftstoff innerhalb des Volumens 34 und (iv) den Wärmetransfer durch Konvektion von dem Einspritzeinrichtungskörper 26.
Auf der Grundlage des in 2 gezeigten Modells kann angenommen werden, dass die Temperatur des piezoelektrischen Stapels, T_{_STACK STEADY STATE}, zwischen der Temperatur des Motorzylinderkopfes, T_{_CYCL}, und der Temperatur des Kraftstoffes an dem Einspritzeinrichtungseinlass, T_{_INJ IN}, variiert (es kann angenommen werden, dass der elektrische Erwärmungseffekt 36 klein im Vergleich mit dem Effekt auf Grund der Temperatur des Zylinderkopfes 28 ist). Anders ausgedrückt, die Temperatur des Zylinderkopfes, T_{_CYCL}, dominiert den Stapelerwärmungseffekt und die Kraftstoffströmung in das und aus dem Stapelvolumen 34 dominiert den Stapelabkühleffekt. Auf der Grundlage dieser Annahme kann eine Ermittlung der Temperatur des Stapels 34 während eines Motorbetriebes vorgenommen werden.
Vor der Realisierung der Erfindung in einem betriebsfähigen Motor wird eine Reihe von Vorkalibrierungsschritten ausgeführt. Die Vorkalibrierungsschritte werden sowohl unter stationären als auch transienten Zuständen vorgenommen, wie unten stehend genauer beschrieben.
Für die Kalibrierungsmessungen wird ein Temperatursensor (nicht gezeigt) an dem Stapel 32 angebracht, um die Stapeltemperatur T_{_STACK STEADY STATE} direkt zu messen. Der Sensor wird nur zu Kalibrierungszwecken angebracht und wird entfernt, wenn diese beendet sind. Die Motorzylindertemperatur T_{_CYCL} wird direkt durch den Motorzylindertemperatursensor 30 gemessen und ein weiterer Sensor (in 1 nicht gezeigt) ist an dem Einlass der Einspritzeinrichtung angebracht, um die Temperatur T_{_INJ IN} zu messen. Daher sind außer jenen, die während eines normalen Motorlaufes verwendet werden, nur für die Kalibrierungsstufe zwei zusätzliche Sensoren an dem Kraftstoffsystem angebracht.
Ein erster Kalibrierungsschritt (Schritt 1), der unter stationären Bedingungen ausgeführt wird, wird nun beschrieben.
Es ist notwendig, einen Pumpenverstärkungsfaktor G zu berechnen, um eine Ermittlung der Kraftstofftemperatur an dem Pumpenauslass 14 aus der Pumpeneinlasstemperatur (T_{_PUMP IN}) unter stationären Bedingungen zuzulassen. Der Temperaturanstieg über die Kraftstoffpumpe 10 hinweg kann aus dem Betrag der Druckarbeit geschätzt werden, die an dem durch die Pumpe 10 strömenden Kraftstoff geleistet wird. Wenn das Unter-Druck-Setzen des Kraftstoffes adiabatisch erfolgt, ist der Temperaturanstieg über die Pumpe 10 hinweg nur eine Funktion des Druckanstiegs und ist unabhängig von dem Massendurchsatz durch die Pumpe 10. Daher ist die Temperatur an dem Pumpenauslass 14 durch die folgende Gleichung gegeben: T_PUMP OUT = T_PUMP IN + (P_RAIL × G) (Gleichung 1),wobei P_{_RAIL} der Leitungsdruck (der aus dem Ausgang des Leitungsdrucksensors 20 bekannt ist) ist und G der Pumpenverstärkungsfaktor (der ermittelt werden muss) ist.
Für stationäre Zustände kann angenommen werden, dass die Kraftstofftemperatur an dem Pumpenauslass T_{_PUMP OUT} gleich der Kraftstofftemperatur an dem Einspritzeinrichtungseinlass T_{_INJ IN} ist. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Konvektion von Wärme von dem Kraftstoff zur Luft relativ gering ist. Somit kann der Pumpenverstärkungsfaktor G aus der folgenden Gleichung hergeleitet werden: T_INJ IN = T_PUMP IN + (P_RAIL × G) (Gleichung 2).
Die Kraftstofftemperatur an dem Einspritzeinrichtungseinlass, T_{_INJ IN}, wird während einer Kalibrierung direkt mithilfe des Temperatursensors gemessen, der nur für die Kalibrierungsstufe an dem Einspritzeinrichtungseinlass angebracht ist. Auch die Temperatur an dem Pumpeneinlass, T_{_PUMP IN}, wird direkt durch den Pumpeneinlasssensor 16 gemessen. Die stationäre Temperatur des Kraftstoffes an dem Einspritzeinrichtungseinlass, T_{_INJ
IN}, wird durch Messen der Temperatur als eine Funktion der Zeit und Warten, bis sich die Temperatur bei ihrem stationären Wert eingependelt hat, ermittelt. Da der Leitungsdruck, P_{_RAIL}, aus dem Ausgang von dem Leitungsdrucksensor 20 bekannt ist und T_{_INJ IN} und T_{_PUMP
IN} bekannt sind, ist es möglich den Pumpenverstärkungsfaktor G zu ermitteln.
Der Pumpenverstärkungsfaktor G wird in einem Speicher in der ECU gespeichert und wird während eines weiteren Kalibrierungsschrittes, der unter stationären Bedingungen ausgeführt wird, wie unten erläutert verwendet. Der Pumpenverstärkungsfaktor G wird auch während eines normalern Motorlaufes verwendet, um die dynamische Temperatur des Stapels zu ermitteln.
Ein zweiter Kalibrierungsschritt (Schritt 2), der unter transienten Bedingungen ausgeführt wird, wird nun beschrieben.
Unter transienten Bedingungen wird die Temperatur des Kraftstoffes an dem Einspritzeinrichtungseinlass, T_{_INJ IN}, der Temperatur des Kraftstoffes an dem Pumpenauslass, T_{_PUMP
OUT}, auf Grund der thermischen Trägheit des Leitungssystems zwischen der Hochdruckpumpe 10 und der gemeinsamen Kraftstoff-Druckleitung 18, der thermischen Trägheit zwischen der gemeinsamen Kraftstoff-Druckleitung 18 und dem Einspritzeinrichtungseinlass 22 und der thermischen Trägheit der gemeinsamen Kraftstoff-Druckleitung 18 selbst nacheilen. Die Beziehung zwischen der Temperatur an dem Pumpenauslass, T_{_PUMP OUT}, und der Temperatur an dem Einspritzeinrichtungseinlass, T_{_INJ IN}, für eine Schrittänderung der Temperatur ist durch die folgende Gleichung gegeben: T_INJ IN = T_PUMP OUT (1 – e–t/τ1) (Gleichung 3), wobei τ1 die Zeitkonstante des Systems ist, das die gesamte thermische Verzögerung zwischen der Hochdruckpumpe 10 und dem Einspritzeinrichtungseinlass 22 darstellt.
Unter transienten Bedingungen wird die Zeitkonstante τ1 während der Kalibrierungsstufe berechnet, indem die Temperatur an dem Einspritzeinrichtungseinlass, T_{_INJ IN}, als eine Funktion der Zeit gemessen wird und die Temperatur an dem Pumpenauslass, T_{_PUMP
OUT}, auf der Grundlage der Berechnung von Schritt 1 (stationär) ermittelt wird. Die Zeitkonstante τ1 wird in dem Speicher der ECU zusammen mit einer Software zum Ausführen einer Reihe von mathematischen Berechnungen, um die Gleichungen 1, 2 und 3 miteinander in eine Beziehung zu bringen, gespeichert. Die Gleichungen 1, 2 und 3, die Zeitkonstante τ1 und der Pumpenverstärkungsfaktor G werden dann unter transienten Bedingungen während eines normalen Motorbetriebes verwendet, um die transiente Temperatur des Kraftstoffes an dem Einspritzeinrichtungseinlass, T_{_INJ IN}, zu berechnen, wie unten stehend weiter erläutert.
In einer alternativen Ausführungsform kann für die Kalibrierungsstufe ein zusätzlicher Sensor an dem Pumpenauslass 14 angebracht sein. Der Pumpenauslasssensor erlaubt eine direkte Messung der Temperatur des Kraftstoffes an dem Pumpenauslass 14 und beseitigt daher die Notwendigkeit, auf die Berechnung des Schrittes 1 zurückzugreifen, um den Pumpenverstärkungsfaktor G zu ermitteln. Der zusätzliche Sensor ermöglicht auch eine Bestätigung der Annahme, dass die Temperatur des Kraftstoffes an dem Pumpenauslass, T_{_PUMP OUT}, im Wesentlichen gleich der Temperatur des Kraftstoffes an dem Einspritzeinrichtungseinlass, T_{_INJ
IN}, unter stationären Bedingungen ist.
Ein dritter Kalibrierungsschritt (Schritt 3), der unter stationären Bedingungen ausgeführt wird, wird nun beschrieben.
Wie zuvor beschrieben, wird angenommen, dass die Temperatur des piezoelektrischen Stapels, T_{_STACK STEADY STATE}, zwischen der Temperatur des Motorzylinderkopfes, T_{_CYCL}, und der Temperatur des Kraftstoffes an dem Einspritzeinrichtungseinlass, T_{_INJ IN}, schwankt. Als ein dritter Schritt in der Kalibrierungsstufe wird eine Abbildung des Verhältnisses R zwischen (i) der Differenz zwischen der stationären Temperatur des Stapels, T_{_STACK STEADY STATE}, und der Temperatur des Kraftstoffs an dem Einspritzeinrichtungseinlass, T_{_INJ
IN}, und (ii) der Differenz zwischen der Temperatur des Motorzylinderkopfes, T_{_CYL}, und der Temperatur des Kraftstoffs an dem Einspritzeinrichtungseinlass, T_{_INJ IN}, über einen Bereich von Motordrehzahl- und -drehmoment (z. B. Kraftstoffabgabe)-Zuständen erzeugt.
Unter stationären Zuständen ist das Verhältnis R durch die folgende Gleichung gegeben: R = (T_STACK STEADY STATE – T_INJ IN)/(T_CYCL – T_INJ IN) (Gleichung 4).
Die Temperatur des Stapels, T_{_STACK STEADY STATE}, wird direkt durch den Temperatursensor gemessen, der an dem Stapel angebracht ist, die Temperatur an dem Einspritzeinrichtungseinlass wird direkt durch den Temperatursensor gemessen, der an dem Einspritzeinrichtungseinlass angebracht ist, und die Temperatur des Zylinderkopfes wird direkt durch den Temperatursensor 30 gemessen, der an dem Zylinderkopf angebracht ist. Für jeden Drehzahl- und Abgabezustand wird dann das Verhältnis R berechnet und in dem Speicher der ECU gespeichert.
Wie unten stehend genauer erläutert wird, wird, wenn der Motor läuft, eine vorgespeicherte Aufzeichnung des Verhältnisses in Gleichung 4 zusammen mit den Lauftemperaturmessungen verwendet, um die stationäre Temperatur des Stapels, T_{_STACK STEADY STATE}, zu ermitteln.
Ein vierter Kalibrierungsschritt (Schritt 4), der unter transienten Bedingungen ausgeführt wird, wird nun beschrieben.
Unter transienten Bedingungen wird die Temperatur des Stapels, T_{_STACK DYNAMIC}, der stationäre Temperatur des Stapels, T_{_STACK STEADY STATE}, nacheilen. Während der Kalibrierungsstufe ist es auch notwendig, die Zeitkonstante τ2, die diese Zeitverzögerung darstellt, zu ermitteln. Für eine Schrittänderung der Temperatur wird die Temperatur des Stapels, T_{_STACK
DYNAMIC}, der stationären Temperatur des Stapels, T_{_STACK STEADY STATE}, gemäß der folgenden Gleichung nacheilen: T_STACK DYNAMIC = T_STACK STEADY STATE (1 – e–τ/τ2) (Gleichung 5).
Unter transienten Bedingungen wird die dynamische Temperatur des Stapels, T_{_STACK DYNAMIC}, als eine Funktion der Zeit gemessen. Die stationäre Temperatur des Zustandes, T_{_STACK STEADY STATE}, wird durch Warten, bis sich die Temperatur des Stapels 32 bei ihrem stationären Wert eingependelt hat, ermittelt. Die Zeitkonstante τ2 wird dann als einzige Unbekannte in Gleichung 5 ermittelt. Die Zeitkonstante τ2 wird in dem Speicher der ECU zur Verwendung während eines normalen Motorlaufes gespeichert.
Eine erste Ausführungsform des Verfahrens, das unter normalen Laufbedingungen verwendet wird, wird nun unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wie auch 3 beschrieben.
Wenn der Motor in Verwendung ist, werden die Sensoren, die an dem Stapel 32 und dem Einspritzeinrichtungseinlass 22 angebracht sind, entfernt. Wenn der Pumpenauslasssensor zum Zweck der Kalibrierung der Zeitkonstanten τ1 an dem Pumpenauslass 14 angebracht ist, wird dieser Sensor ebenfalls entfernt. Es ist daher ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass sie das Problem des Verbindens des Sensors mit dem Stapel 32 für jeden Motor vermeidet, insbesondere, wenn der Stapel in ein Fluid eingetaucht ist, und die zusätzlichen Kosten zur Bereitstellung von zwei (oder drei) zusätzlichen Sensoren an jedem Motor vermeidet.
Für jeden gegebenen Motordrehzahl- und -abgabezustand schlägt die ECU den entsprechenden vorgespeicherten Wert des Verhältnisses, R_{_STORED}, über eine Abbildungsfunktion 40 (wie in 3 gezeigt) nach und vergleicht diesen mit den Echtzeit-Temperaturmessungen auf der Grundlage des Folgenden: R_STORED = (T_STACK STEADY STATE – T_INJ IN)/(T_CYCL – T_INJ IN) (Gleichung 6).
Die Temperatur an dem Einspritzeinrichtungseinlass, T_{_INJ
IN}, wird aus der Temperatur des Kraftstoffes an dem Pumpeneinlass 12 unter Verwendung der Gleichungen 1 und 2 und der vorgespeicherten Werte für den Pumpenverstärkungsfaktor G und der Zeitkonstanten τ1 geschätzt. Die Temperatur des Zylinderkopfes, T_{_CYCL}, wird direkt mithilfe des Zylinderkopfsensors 30 gemessen. Sowohl T_{_INJ IN} als auch T_{_CYCL} stellen Eingänge an die Abbildungsfunktion 40 gemeinsam mit Drehzahl- und Abgabeeingängen bereit. Daher kann die stationäre Temperatur des Stapels, T_{_STACK STEADY STATE}, aus Gleichung 6 hergeleitet werden.
Jede Einspritzeinrichtung des Motors kann während einer Kalibrierung separat abgebildet werden, um die charakteristischen Unterschiede zwi schen diesen zu berücksichtigen. Alternativ können auf der Grundlage dessen, dass Einspritzeinrichtungen in derselben Position dieselbe (oder eine sehr ähnliche) Zeitkonstante τ2 aufweisen werden, Einspritzeinrichtungen, die in Richtung der Rückseite des Motors positioniert sind, zusammen abgebildet werden, und können Einspritzeinrichtungen, die in Richtung der Vorderseite des Motors positioniert sind, zusammen abgebildet werden.
Da die stationäre Temperatur des Stapels, T_{_STACK STEADY STATE}, bekannt ist, wird die dynamische Temperatur des Stapels, T_{_STACK DYNAMIC}, dann auf der Grundlage von Gleichung 5 und des Wertes von τ2, der in der ECU vorgespeichert ist, berechnet.
Die dynamische Temperatur des Stapels, T_{_STACK DYNAMIC}, kann verwendet werden, um verschiedene Aspekte des Einspritzeinrichtungsbetriebes zu steuern. Im Speziellen wurde festgestellt, dass, wenn die Temperatur des Stapels variiert, der Betrag der Ladung (oder Spannung), die zu und von dem Stapel übertragen wird, um eine erforderliche Verschiebung zu induzieren, variieren wird. Durch Messen der dynamischen Temperatur des Stapels während eines Motorbetriebes kann die Steuerungsstrategie für den Aktor daher angepasst werden, um die Kontinuität der Kraftstoffdosierung unabhängig von jeglicher Temperaturempfindlichkeit des Stapels aufrechtzuerhalten. Des Weiteren ist das oben beschriebene Verfahren von Vorteil, da es keine zusätzlichen Sensoren zu jenen, die jedenfalls für andere Zwecke im System enthalten sind (d. h. dem Pumpeneinlasssensor 16, dem Zylinderkopf-Temperatursensor 30 und dem Leitungsdrucksensor 20), benötigt. Die einzigen zusätzlichen Sensoren, die notwendig sind, sind jene, die für Kalibrierungszwecke verwendet werden, und diese werden entfernt, bevor das System tatsächlich in einen Motor eingebaut wird oder bevor der Motor zur Montage an einem Fahrzeug ausgeliefert wird.
Eine zweite Ausführungsform des Verfahrens, das unter normalen Laufbedingungen verwendet wird, wird nun beschrieben.
Als eine Alternative zur Verwendung eines Abbildungsverfahrens, wie zuvor beschrieben, kann das in 2 dargestellte System, modelliert sein, um eine Abschätzung der dynamische Temperatur des Stapels, T_{_STACK DYNAMIC}, zu ermitteln. 4 ist ein Steuerflussdiagramm zur Veranschaulichung der Schritte der zweiten Ausführungsform in größerem Detail.
Zu Beginn werden die Schritte 1 und 2 der Kalibrierungsstufe wiederholt, wie zuvor beschrieben, um Werte für den Pumpenverstärkungsfaktor G und die Zeitkonstante τ1 zu beschaffen. Der Schritt 3 der Kalibrierungsstufe für das Abbildungsverfahren wird entfernt und stattdessen durch den Schritt des Modellierens des Wärmetransfers zwischen den verschiedenen Komponenten des Systems ersetzt. Auch der Schritt 4 der Kalibrierungsstufe wird entfernt.
Die Strichlinien 50 in 4 stellen ein thermisches Modell der Einspritzeinrichtung dar, das einen Ausgang der dynamischen Temperatur des Stapels, T_{_STACK
DYNAMIC}, direkt bereitstellt. Das thermische Modell 50 besitzt daher die gleiche Funktion wie die Abbildungsfunktion der ersten Ausführungsform, gefolgt von der Berechnung von T_{_STACK DYNAMIC} auf der Grundlage von T_{_STACK STEADY STATE} (was einen Ausgang der dynamischen Temperatur des Stapels, T_{_STACK
DYNAMIC}, erzeugt). Anders ausgedrückt, anstatt die Werte der Drehzahl und der Versorgung zu verwenden, um ein vorgespeichertes Verhältnis für einen Vergleich mit einem gemessenen Verhältnis nachzuschlagen, werden die Drehzahl- und Abgabesignale in das thermische Modell 50 zusammen mit der berechneten Temperatur des Kraftstoffes an dem Einspritzeinrichtungseinlass, T_{_INJ IN}, und der gemes senen Temperatur des Zylinderkopfes, T_{_CYCL}, eingegeben, um die dynamische Temperatur des Stapels herzuleiten.
Das thermische Modell 50 besteht aus drei Untermodellen: ein erstes Untermodell 200 modelliert den Wärmetransfer zu und von dem Einspritzeinrichtungskörper 26, ein zweites Untermodell 200 modelliert den Wärmetransfer zu und von dem Stapel 32 und ein drittes Untermodell 300 modelliert den Wärmetransfer zu und von dem Kraftstoff in dem Stapelvolumen 34. Das Modell 50 verwendet vorbestimmte Werte für die Koeffizienten des Wärmetransfers (Konvektion oder Leitung) zwischen den verschiedenen Komponenten des Systems, um so die Ausgänge von den drei Untermodellen 100, 200 und 300 zu ermitteln.
In jedem Untermodell wird eine thermodynamische Gleichung auf den Körper angewendet, für den die Temperatur unbekannt ist, d. h. für den Einspritzeinrichtungskörper 26 (T_{_INJ}), den piezoelektrischen Stapel 32 (T_{_STACK STEADY STATE}) und den Kraftstoff in dem Stapelvolumen 34 (T_{_FUEL MEAN}): ΣQ = dT/dt (Cν·m) (Gleichung 7),wobei für jeden Körper ΣQ die summierte Wärme über die Grenzen des Körpers hinweg ist, dT/dt die Änderungsrate der Temperatur des Körpers mit der Zeit ist, C_ν die spezifische Wärmekapazität des Körpers ist und m die Masse des Körpers ist.
Durch Anwenden der thermodynamischen Gleichung auf die drei Körper 26, 32, 34 können drei Differenzialgleichungen beschafft werden, die es, wenn sie gelöst werden, erlauben, einen Wert für die unbekannte Temperatur T_{_STACK DYNAMIC} zu bestimmen. Wie aus 3 ersichtlich, sieht das Modell 50 drei Ausgänge vor: die Temperatur des Einspritzeinrichtungskörpers (T_{_INJ}), die dynamische Temperatur des Stapels (T_{_STACK
DYNAMIC}) und die mittlere (durchschnittliche) Temperatur des Kraftstoffes innerhalb des Stapelvolumens 34 (T_{_FUEL MEAN}).
In dem ersten Untermodell 100 wird die Gleichung 7 auf den Einspritzeinrichtungskörper 26 angewendet. Die Einspritzeinrichtungskörper-Temperatur (T_{_INJ}) beruht auf drei Elementen:

(a) dem Wärmetransfer (Leitung) 110 von dem Zylinderkopf 28 auf den Einspritzeinrichtungskörper 26,
(b) dem Wärmetransfer (Konvektion) 120 von dem Einspritzeinrichtungskörper 26 auf den Kraftstoff in dem Stapelvolumen 34, und
(c) dem Wärmetransfer (Leitung) 130 zwischen dem Einspritzeinrichtungskörper 26 und dem Stapel 32 selbst.

Der Wärmetransfer (a), (b) bzw. (c) ist abhängig von:

(a) der Temperatur des Motorzylinderkopfes (T_{_CYCL}), der Temperatur des Einspritzeinrichtungskörpers (T_{_INJ}) und dem Wärmetransferkoeffizienten 110a zwischen dem Zylinderkopf 28 und dem Einspritzeinrichtungskörper 26,
(b) der mittleren Temperatur des Kraftstoffes innerhalb des Stapelvolumens 34 (T_{_FUEL MEAN}), der Temperatur des Einspritzeinrichtungskörpers (T_{_INJ}) und des Wärmetransferkoeffizienten 120a zwischen dem Stapel 32 und dem Kraftstoff in dem Stapelvolumen 34, und
(c) der Temperatur des Einspritzeinrichtungskörpers (T_{_INJ}), der Temperatur des Stapels (T_{_STACK DYNAMIC}) und des Wärmetransferkoeffizienten 130a zwischen dem Einspritzeinrichtungskörpers 26 und dem Stapel 32.

Die drei Wärmetransferkomponenten (a), (b) und (c) werden an einer Summierungsverbindungsstelle 140 summiert. Eine Integratorfunktion 150 (1/S) wird auf den summierten Wärmetransferausgang ΣQ₁ angewendet. Der Ausgang der Integratorfunktion 150 wird mit der Einspritzeinrichtungs-Körpermasse und der spezifischen Wärmekapazität bei 160 multipliziert (als die thermische Trägheit bezeichnet) und die Temperatur des Einspritzeinrichtungskörpers, T_{_INJ}, wird als ein Ausgang von dem ersten Untermodell 100 bereitgestellt (und stellt einen Eingang an das zweite und das dritte Untermodell 200, 300 bereit).
In dem zweiten Untermodell 200 wird die dynamische Temperatur des Stapels (T_{_STACK DYNAMIC}) durch Anwenden von Gleichung 7 auf den Stapel 32 ermittelt. Die dynamische Temperatur des Stapels 32 ist abhängig von drei Komponenten:

(d) dem Wärmetransfer (Leitung) 210 zwischen dem Einspritzeinrichtungskörper 26 und dem Stapel 32,
(e) dem Wärmetransfer (Konvektion) 220 zwischen dem Stapel 32 und dem Kraftstoff in dem Stapelvolumen 34, und
(f) der elektrischen Energie (Q_{_ELEC}) 230, die an den Stapel 32 angelegt ist.

Die Wärmetransferwerte (d) bzw. (e) sind abhängig von:

(d) der Temperatur des Einspritzeinrichtungskörpers (T_{_INJ}, die von dem ersten Untermodell 100) ausgegeben wird), der dynamischen Temperatur des Stapels (T_{_STACK
DYNAMIC}) und dem Wärmetransferkoeffizienten 210a zwischen dem Einspritzeinrichtungskörper 26 und dem Stapel 32, und
(e) der mittleren Temperatur des Kraftstoffes in dem Stapelvolumen 34 (T_{_MEAN}), der dynamischen Temperatur des Stapels (T_{_STACK DYNAMIC}) und dem Wärmetransferkoeffizienten 220a zwischen dem Stapel 32 und dem Kraftstoff in dem Stapelvolumen 34.

Die drei Wärmetransferkomponenten (d), (e) und (f) werden an der Summierungsverbindungsstelle 240 summiert. Eine Integratorfunktion 250 (1/S) wird auf den summierten Wärmetransferausgang ΣQ₂ angewendet. Der Ausgang der Integratorfunktion 250 wird mit der Einspritzeinrichtungs-Körpermasse und der spezifischen Wärmekapazität bei 260 multipliziert (als die thermische Trägheit bezeichnet). Die Temperatur des Stapels, T_{_STACK
DYNAMIC}, wird als ein Ausgang von dem zweiten Untermodell 200 bereitgestellt (und stellt einen Eingang an das dritte Untermodell 300 bereit).
Die Gleichung 7 wird auch in dem dritten Untermodell 300 angewendet, um so die durchschnittliche Temperatur des den Stapel umgebenden Kraftstoffes, T_{_FUEL MEAN}, zu ermitteln.
Zu Beginn wird außerhalb des dritten Untermodells 300 ein Eingangssignal von dem Leitungsdrucksensor 20 (d. h. P_{_RAIL}) in die ECU eingegeben und mit dem Pumpenverstärkungsfaktor G multipliziert. Der Ausgang von hier wird, zusammen mit einem Signal von dem Pumpeneinlass-Temperatursensor 16, der die Temperatur T_{_PUMP IN} an dem Pumpeneinlass 12 angibt, in eine Pumpensummierverbindungsstelle 52 eingegeben. Der Aus gang von der Summierverbindungsstelle 52 wird durch eine Transferfunktion 54 geführt, die auf der Grundlage der Zeitkonstanten τ1 eine Verzögerung erster Ordnung bereitstellt, die es zulässt, eine Angabe der Einspritzeinrichtungs-Einlasstemperatur T_{_INJ IN} (auf dieselbe Weise wie für die vorhergehende Ausführungsform beschrieben) zu ermitteln.
Die Einspritzeinrichtungs-Einlasstemperatur, T_{_INJ
IN}, wird an das dritte Untermodell 300 bereitgestellt, um die mittlere Temperatur, T_{_FUEL MEAN} des Kraftstoffes in dem Stapelvolumen 34 zu schätzen. Das dritte Untermodell 300 empfängt auch Drehzahl- und Abgabesignale, um den Massendurchsatz bei 305 zu ermitteln. Der Massendurchsatz 305 wird dann verwendet, um den Wärmetransfer zu und von dem Kraftstoff in dem Stapelvolumen 34 als ein Ergebnis der Kraftstoffströmung in das und aus dem Volumen 34 während eines Einspritzereignisses zu ermitteln.
In dem dritten Untermodell 300 wird die durchschnittliche Temperatur des Kraftstoffes in dem Stapelvolumen 34 (T_{_FUEL MEAN}) durch Anwenden von Gleichung 7 ermittelt. Die durchschnittliche Temperatur des Kraftstoffes in dem Stapelvolumen 34 ist von drei Komponenten abhängig:

(h) der Nettowärme 310, die als ein Ergebnis des durch das Stapelvolumen 34 (zwischen dem Einlass und dem Auslass) strömenden Kraftstoffes auf den Kraftstoff in dem Stapelvolumen 34 übertragen wird,
(i) dem Wärmetransfer (Konvektion) 320 zwischen dem Stapel 32 und dem Kraftstoff innerhalb des Stapelvolumens 34, und
(j) dem Wärmetransfer (Konvektion) 330 zwischen dem Einspritzeinrichtungskörper 26 und dem Kraftstoff innerhalb des Stapelvolumens 34.

Die Wärmetransferwerte (h), (i) bzw. (j) sind abhängig von:

(h) dem Massendurchsatz 305 durch das Stapelvolumen 34 (der durch den Motordrehzahl- und -abgabezustand bestimmt ist), der Temperatur des Kraftstoffes an dem Einspritzeinrichtungseinlass (T_{_INJ IN}) und der durchschnittlichen Temperatur (T_{_FUEL MEAN}) des Kraftstoffes in dem Stapelvolumen 34 und der Wärmekapazität des Kraftstoffes 310a,
(i) der Temperatur des Stapels (T_{_STACK DYNAMIC}) und dem Wärmetransferkoeffizienten 320a zwischen dem Stapel 32 und dem Stapelvolumen 34, und
(j) der Temperatur des Einspritzeinrichtungskörpers (T_{_INJ}), der durchschnittlichen Temperatur (T_{_FUEL MEAN}) des Kraftstoffes in dem Stapelvolumen 34 und dem Wärmetransferkoeffizienten 330a zwischen dem Einspritzeinrichtungskörper 26 und dem Stapelvolumen 34.

Die drei Wärmetransferkomponenten (h), (i) und (j) werden an der Summierungsverbindungsstelle 340 summiert. Eine Integratorfunktion 350 (1/S) wird auf den summierten Wärmetransferausgang ΣQ₃ angewendet. Der Ausgang der Integratorfunktion 350 wird mit einer Funktion der thermischen Trägheit 360 des Kraftstoffes in dem Volumen 34 multipliziert. Die durchschnittliche Temperatur des Kraftstoffvolumens 34, ^T_FUEL MEAN, wird als ein Ausgang von dem dritten Untermodell 300 bereitgestellt (und stellt einen Eingang an das erste und das zweite Untermodell 100, 200 bereit).
Weitere Besonderheiten der Untermodelle 100, 200 und 300 und die Art und Weise, auf die die thermodynamische Gleichung 7 auf die drei Körper angewendet wird, werden für den Fachmann aus 3 offensichtlich und werden daher nicht in größerem Detail beschrieben.
Wie zuvor beschrieben, kann jede Einspritzeinrichtung des Motors separat modelliert werden, um die charakteristischen Unterschiede zwischen ihnen (z. B. Unterschiede bei den Wärmetransferkoeffizienten) zuzulassen. Anders ausgedrückt, das Modell 50 kann für jede verschiedene Einspritzeinrichtung des Motors vorgesehen sein, sodass eine geschätzte Temperatur für jede einzelne Einspritzeinrichtung berechnet wird. Alternativ können Einspritzeinrichtungen, die in Richtung der Rückseite des Motors positioniert sind, zusammen modelliert werden, und können Einspritzeinrichtungen, die in Richtung der Vorderseite des Motors positioniert sind, zusammen modelliert werden.
Sobald eine dynamische Schätzung der Stapeltemperatur erfolgt ist, können Schritte unternommen werden, um die Einspritzeinrichtungs-Steuerungsstrategie anzupassen, um im Wesentlichen jegliche Temperaturabhängigkeit zu beseitigen und die Kontinuität der Kraftstoffdosierung für alle Temperaturzustände sicherzustellen, wie zuvor beschrieben.
Weitere Elemente des Modells können hinzugefügt oder entfernt werden, während dennoch eine Schätzung der Temperatur des Stapels bereitgestellt ist. Zum Beispiel muss in einer vereinfachten Version des Modells die Temperatur des Einspritzeinrichtungskörpers 26 (das erste Untermodell 100) nicht modelliert werden, sondern kann stattdessen als gleich der Temperatur des Zylinderkopfes, T_{_CYL}, angenommen werden.
Unter Bezugnahme auf 5 ist in einem weiteren Beispiel ein Verfahren mit einer erweiterten Abbildungsfunktion 42 vorgesehen, um das System auf der Grundlage des Leitungsdrucksignals, P_{_RAIL}, und der Pumpeneinlasstemperatur, T_{_PUMP IN}, zusammen mit der Zylinderkopftemperatur, T_{_CYL}, und den Drehzahl- und Abgabeeingängen wie zuvor abzubilden. Je de Eingangsvariable besitzt einen vorbestimmten Betriebsbereich. Kombinationen aus den sechs Eingängen können über ihren Betriebsbereich gewählt und die stationäre Stapeltemperatur gemessen werden. Auf diese Weise kann eine sechsdimensionale Abbildung erzeugt werden, sodass während eines Betriebes eine beliebige Kombination aus den sechs Eingängen in die Abbildung eingegeben werden kann, um eine Schätzung der stationären Stapeltemperatur vorzusehen.
Die Kombination kann als eine ganze Fakultät der sechs Eingänge gewählt sein, aber, um die Anzahl von Kalibrierungspunkten zu reduzieren, könnte eine orthogonale Anordnung wie z. B. eine orthogonale L18-Anordnung (2^1 × 3^7) verwendet werden, die eine Abbildung von bis zu sieben Variablen, jede bei einem hohen, mittleren und niedrigen Wertzustand und einer Variablen jeweils bei einem hohen und niedrigen Wertzustand zulässt. Bei dieser besonderen Anwendung sind jedoch nur fünf Variable, jede bei einem hohen, mittleren und niedrigen Wertzustand, als Eingänge erforderlich. Ein möglicher Nachteil einer Realisierung der Abbildungsfunktion 42 in 5 besteht darin, dass ein hohes Ausmaß an vorausgehender Kalibrierung erforderlich ist. Die Abbildungsfunktion 40 in 3 ist hinsichtlich der erforderlichen Kalibrierung weniger komplex.
Die Abbildungsfunktion 42 in 5 beseitigt jedoch die Notwendigkeit, das System für den Pumpenverstärkungsfaktor G und die Zeitkonstante τ1 wie zuvor beschrieben vorzukalibrieren. Um die dynamische Temperatur des Stapels, T_{_STACK DYNAMIC}, aus dem Ausgang der erweiterten Abbildungsfunktion zu ermitteln, ist es notwendig, eine Integratorfunktion (Verzögerung erster Ordnung auf der Grundlage der Zeitkonstanten τ2) auf die Abschätzung der stationären Temperatur anzuwenden, wie zuvor für 3 beschrieben.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann, gleichgültig, ob eine Abbildung oder Modellierung realisiert ist, der Zylinderkopf-Temperatursensor entfernt sein, und stattdessen kann die Temperatur des Zylinderkopfes ermittelt werden, indem die Temperatur eines Motorkühlmittels, das für Kühlzwecke an dem System vorbeiströmt, gemessen werden. Dies ist besonders wünschenswert, wenn das Verfahren in einem Motor realisiert ist, der nicht bereits mit einem Zylinderkopf-Temperatursensor für andere Zwecke versehen ist.
Es wird einzusehen sein, dass alternative mathematische Beziehungen gefunden werden können, die genauer oder geeigneter für verschiedene Systemkonfigurationen sind, und dass die zuvor beschriebenen Gleichungen den Umfang der Erfindung, der in den Ansprüchen dargelegt ist, keinesfalls einschränken sollen.
Es wird auch einzusehen sein, dass die in den beiliegenden Ansprüchen angeführten Verfahrensschritte nicht in jedem Fall in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden müssen, sondern umgekehrt oder neu geordnet sein können, während dennoch das gewünschte Ergebnis zum Schätzen der Temperatur des piezoelektrischen Körpers bereitgestellt ist.

Claims

Verfahren zum Schätzen der Temperatur eines piezoelektrischen Aktorkörpers (32) zum Steuern des Betriebs einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (24), die innerhalb eines Motorgehäuses (28) angebracht ist und der Kraftstoff von einer Hochdruckkraftstoffpumpe (10) geliefert wird, wobei das Verfahren umfasst, dass eine Temperatur (T_{_INJ IN}) des Kraftstoffs an einem Einlass (22) der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (24) ermittelt wird, eine Temperatur (T_{_CYL}) des Motorgehäuses (28) ermittelt wird, und eine Temperatur (T_{_STACK STEADY
STATE}; T_{_STACK DYNAMIC}) des piezoelektrischen Aktorkörpers (32) auf der Grundlage der Temperatur (T_{_INJ IN}) des Kraftstoffs an dem Einspritzeinrichtungseinlass (22) und der Temperatur (T_{_CYL}) des Motorgehäuses (28) geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass eine Pumpenauslasstemperatur (T_{_PUMP OUT}) des Kraftstoffs an einem Auslass (14) der Hochdruckkraftstoffpumpe (10) ermittelt wird und die Temperatur (T_{_INJ
IN}) des Kraftstoffs an dem Einspritzeinrichtungseinlass (22) auf der Grundlage der Pumpenauslasstemperatur (T_{_PUMP
OUT}) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ermitteln der Pumpenauslasstemperatur (T_{_PUMP OUT}) umfasst, dass eine Pumpeneinlasstemperatur (T_{_PUMP
IN}) an einem Einlass in die Hochdruckkraftstoffpumpe (10) gemessen wird, der Druck (P_{_RAIL}) des Kraftstoffs an dem Hochdruckkraftstoffpumpenauslass (14) gemessen wird, und die Pumpenauslasstemperatur (T_{_PUMP
OUT}) auf der Grundlage der Pumpeneinlasstemperatur (T_{_PUMP IN}), des gemessenen Kraftstoffdrucks (P_{_RAIL}) und eines Pumpenverstärkungsfaktors (G) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Temperatur (T_{_INJ IN}) des Kraftstoffs an dem Einspritzeinrichtungseinlass (22) als gleich der Pumpenauslasstemperatur (T_{_PUMP
OUT}) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, das umfasst, dass die Temperatur (T_{_INJ IN}) des Kraftstoffs an dem Einspritzeinrichtungseinlass (22) auf der Grundlage der Pumpenauslasstemperatur (T_{_PUMP OUT}) und einer vorbestimmten Zeitkonstante (τ1) ermittelt wird, die mindestens eine Systemeigenschaft zwischen dem Pumpenauslass (14) und dem Einspritzeinrichtungseinlass (22) darstellt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine Systemeigenschaft eine Zeitverzögerung zwischen der Pumpenauslasstemperatur (T_{_PUMP OUT}) und der Temperatur (T_{_INJ IN}) des Kraftstoffs an dem Einspritzeinrichtungseinlass (22) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das umfasst, dass eine stationäre Temperatur (T_{_STACK STEADY STATE}) des piezoelektrischen Aktorkörpers (32) mittels einer Abbildungsfunktion (40) geschätzt wird, die Eingänge der Temperatur (T_{_INJ IN}) des Kraftstoffs an dem Einspritzeinrichtungseinlass (22), der Temperatur (T_{_CYL}) des Motorgehäuses (28), eines Motordrehzahlzustands und eines Kraftstoffabgabezustands empfängt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Abbildungsfunktion (40) einen Wert auf der Grundlage der Motorgehäusetemperatur (T_{_CYL}) und der Temperatur (T_{_INJ
IN}) des Kraftstoffs an dem Einspritzeinrichtungseinlass (22) mit einem vorbestimmten Kalibrierungswert (R) vergleicht, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass die stationäre Temperatur (T_{_STACK
STEADY STATE}) des piezoelektrischen Aktorkörpers (32) auf der Grundlage des Vergleichs geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Wert das Verhältnis von (i) der Differenz zwischen der geschätzten stationären Temperatur (T_{_STACK STEADY STATE}) des piezoelektrischen Aktorkörpers (32) und der Temperatur (T_{_INJ IN}) des Kraftstoffs an dem Einspritzeinrichtungseinlass (22) und (ii) der Differenz zwischen der Motorgehäusetemperatur (T_{_CYL}) und der Temperatur (T_{_INJ IN}) des Kraftstoffs an dem Einspritzeinrichtungseinlass (22) ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, das umfasst, dass der vorbestimmte Kalibrierungswert (R) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Ermitteln des vorbestimmten Kalibrierungswerts (R) umfasst, dass die Temperatur (T_{_INJ IN}) des Kraftstoffs an dem Einspritzeinrichtungseinlass (22) unter Verwendung eines Einspritzeinrichtungseinlass-Temperatursensors gemessen wird, die Temperatur des Motorgehäuses (T_{_CYL}) ermittelt wird, die stationäre Temperatur (T_{_STACK STEADY STATE}) des piezoelektrischen Aktorkörpers (32) unter Verwendung eines piezoelektrischen Temperatursensors gemessen wird, und der vorbestimmte Kalibrierungswert (R) als ein Verhältnis von (i) der Differenz zwischen der gemessenen stationären Temperatur (T_{_STACK STEADY STATE}) des piezoelektrischen Aktorkörpers (32) und der Temperatur (T_{_INJ IN}) des Einspritzeinrichtungseinlasses (22) und (ii) der Differenz zwischen der gemessenen Motorgehäusetemperatur (T_{_CYL}) und der Temperatur (T_{_INJ
IN}) des Einspritzeinrichtungseinlasses (22) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, das ferner umfasst, dass eine dynamische Temperatur (T_{_STACK DYNAMIC}) des piezoelektrischen Aktorkörpers (32) auf der Grundlage der geschätzten stationären Temperatur (T_{_STACK STEADY STATE}) geschätzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, das umfasst, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (24) in Abhängigkeit von der geschätzten stationären Temperatur (T_{_STACK STEADY STATS}) des piezoelektrischen Aktorkörpers (32) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner umfasst, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (24) in Abhängigkeit von der geschätzten dynamischen Temperatur (T_{_STACK DYNAMIC}) des piezoelektrischen Aktorkörpers (32) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Steuern der Kraftstoffeinspritzeinrichtung umfasst, dass ein Ladungs- und/oder Spannungstransfer zu und von dem piezoelektrischen Aktorkörper (32) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der piezoelektrische Aktorkörper (32) innerhalb eines Kraftstoffvolumens (34) angeordnet ist, das im Betrieb Kraftstoff von der Hochdruckkraftstoffpumpe (10) aufnimmt, wobei das Verfahren umfasst, dass eine dynamische Temperatur (T_{_STACK DYNAMIC}) des piezoelektrischen Aktorkörpers (32) mittels eines thermischen Modells (50) eines Wärmetransfers zwischen dem piezoelektrischen Aktorkörper (32), dem Einspritzeinrichtungskörper (26) und dem Kraftstoffvolumen (34) geschätzt wird, wobei das thermische Modell (50) Eingänge auf der Grundlage der Temperatur (T_{_INJ IN}) des Kraftstoffs an dem Einspritzeinrichtungseinlass (22) und der Temperatur (T_{_CYL}) des Motorgehäuses (28) empfängt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das thermische Modell (50) ferner Eingänge auf der Grundlage eines Motordrehzahlzustands und eines Kraftstoffabgabezustands empfängt.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das thermische Modell ein Untermodell (200) eines Wärmetransfers zu und von dem piezoelektrischen Aktorkörper (32) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das thermische Modell ein Untermodell (300) eines Wärmetransfers zu und von dem Kraftstoff innerhalb des Kraftstoffvolumens (34) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das thermische Modell ein Untermodell (100) eines Wärmetransfers zu und von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (24) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, das ferner umfasst, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung in Abhängigkeit von der geschätzten dynamischen Temperatur (T_{_STACK DYNAMIC}) des piezoelektrischen Aktorkörpers (32) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Steuern der Kraftstoffeinspritzeinrichtung umfasst, dass ein Ladungs- und/oder Spannungstransfer zu und von dem piezoelektrischen Aktorkörper (32) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Ermitteln der Temperatur (T_{_CYL}) des Motorgehäuses (28) umfasst, dass die Temperatur (T_{_CYL}) des Motorgehäuses (28) unter Verwendung eines Temperatursensors gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, das umfasst, dass ein Motorkühlmittel zum Kühlen des Motorgehäuses (28) bereitgestellt wird, wobei das Ermitteln der Temperatur (T_{_CYL}) des Motorgehäuses (28) umfasst, dass die Temperatur der Temperatur (T_{_CYL}) des Motorgehäuses (28) auf der Grundlage der Temperatur des Motorkühlmittels geschätzt wird.
Computerprogrammprodukt, das mindestens einen Computerprogrammsoftwareabschnitt umfasst, der bei einer Ausführung in einer Ausführungsumgebung dazu dient, die Schritte eines beliebigen der Ansprüche 1 bis 24 zu realisieren.
Datenspeichermedium, auf dem der oder jeder Computersoftwareabschnitt nach Anspruch 25 gespeichert ist.
Mikrocomputer, der mit einem Datenspeichermedium nach Anspruch 26 versehen ist.