EP1841963B1

EP1841963B1 - Verfahren zum betreiben einer kraftstoff-einspritzvorrichtung einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP1841963B1
Application number: EP05815828A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Stoecklein; Holger Rapp; Udo Schulz; Hideyuki Iwatsuki
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2025-12-12
Also published as: DE102005002242A1; EP1841963A1; WO2006076992A1; ATE406512T1; CN101103193A; US7505846B2; DE502005005226D1; CN100570140C; US20080125952A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Piezoaktor mit einem Ventilelement der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gekoppelt ist, wobei das Ventilelement eine Druckstufe aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung einer Brennkraftmaschine, und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der EP 1172 541 A1 bekannt. Bei der dortigen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist ein Ventilelement in Form einer Ventilnadel vorgesehen, welches hydraulisch durch einen Druck in einem Steuerraum geöffnet oder geschlossen werden kann. Der Druck im Steuerraum wird wiederum durch ein Schaltventil beeinflusst, welches über einen hydraulischen Koppler mit einem Piezoaktor gekoppelt ist.
Die WO 03/040534 A zeigt ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Piezoaktor mit einem Ventilelement der Kraftstoffeinspritzvorrichtung gekoppelt ist. Ausgehend von Strom und Spannung wird die zeitliche Änderung der auf den Aktor wirkenden mechanischen Kraft berechnet, um bei einem Öffnen des Ventils am Ende des Einspritzvorganges einen plötzlich auftretenden Druckstoß erkennen zu können. Eine Regeleinheit berechnet in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung der am auf den Aktor wirkenden mechanischen Kraft den Sollwert für die elektrische Spannung, mit der der Aktor zu beaufschlagen ist.
Vom Markt her bekannt ist ferner eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, bei welcher das Ventilelement unmittelbar, also ohne Zwischenschaltung eines Schaltventils, ebenfalls über einen hydraulischen Koppler mit dem Piezoaktor gekoppelt ist. Dabei kann beim Laden und Entladen des Piezoaktors entweder der Spannungsverlauf des Piezoaktors vorgegeben werden, oder es wird ein Stromverlauf vorgegeben, der dann zu einer gewünschten Spannung am Ende des Lade- beziehungsweise Entladevorgangs führt. Im zuletzt genannten Fall kann das vorgegebene Stromprofil zusätzlich durch einen überlagerten Spannungsregler skaliert werden, so dass zumindest die Spannungsniveaus am Ende der Lade- beziehungsweise Entladevorgänge durch einen geschlossenen Regelkreis eingestellt werden.
Der Spannungsgradient kann dabei jedoch nicht beliebig hoch eingestellt werden. Zum einen ist er durch den maximalen Strom einer Endstufe begrenzt, mit der der Piezoaktor angesteuert wird, und zum anderen durch die Tatsache, dass bei einem zu hohen Spannungsgradienten die Gefahr besteht, dass die Resonanz des Piezoaktors angeregt wird, was zu einer Zerstörung oder mindestens zu einer Beschädigung des Piezoaktors führen kann.
Bei der bekannten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nimmt der für eine Betätigung des Ventilelements erforderliche "Spannungshub", also die Differenz zwischen Anfangs- und Endspannung bei einer Ansteuerung des Piezoaktors, mit zunehmendem Kraftstoffdruck, der auf das Ventilelement in Öffnungsrichtung wirkt, zu. Dabei ist die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung so ausgelegt, dass bei einem hohen Kraftstoffdruck ein Großteil des zur Verfügung stehenden Spannungshubs ausgeschöpft werden muss, um das Ventilelement zu öffnen. Nach dem Öffnen beschleunigt das Ventilelement und bewegt sich so weit, bis an den entgegengesetzt ausgerichteten Druckflächen des Ventilelements ein Kräftegleichgewicht herrscht. Bei einem hohen Kraftstoffdruck wird dieser Gleichgewichtspunkt erst bei fast vollständig geöffnetem Ventilelement erreicht.
Aufgrund der beschriebenen Verhältnisse ist es schwierig, bei der bekannten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung sehr kleine Kraftstoffmengen in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Derartige kleine und kleinste Einspritzmengen sind vor allem bei Voreinspritzungen ("Piloteinspritzung") gewünscht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit direkter Koppelung zwischen Piezoaktor und Ventilelement möglichst geringe Kraftstoffmengen einspritzen zu können, bei gleichzeitig stabilem Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, das heißt also ohne Schwingungen oder Resonanzprobleme.
Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Ansteigen der auf den Piezoaktor wirkenden Kraft als ein tatsächliches Öffnen des Ventilelements (Ist-Spritzbeginn) und/oder ein Abfallen der auf den Piezoaktor wirkenden Kraft als ein tatsächliches Schließen des Ventilelements (Ist-Spritzende) interpretiert und dass ein Schließvorgang des Ventilelements abhängig vom Ist-Spritzbeginn eingeleitet wird. Bei einem Computerprogramm, einem elektrischen Speichermedium und einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der eingangs genannten Art wird die gestellte Aufgabe entsprechend gelöst.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen stabilen Betrieb einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, bei der das Ventilelement und der Piezoaktor direkt gekoppelt sind, bei sehr kleinen Einspritzmengen von bis herab zu 1 mm³/Einspritzung und bei gleichzeitig sehr hohen Kraftstoffdrücken. Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Erhöhung der Zumessgenauigkeit auch bei größeren Einspritzmengen, da der Ist-Spritzbeginn und/oder das Ist-Spritzende bekannt sind beziehungsweise ist und bei der Ansteuerung des Piezoaktors berücksichtigt werden kann. Ferner ist eine sehr präzise Realisierung einer gewünschten Öffnungsdauer des Ventilelements möglich. Hierdurch kann die Zumessgenauigkeit auch im Teil- und Vollastbereich einer Brennkraftmaschine verbessert werden.
Hintergrund für diese Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Tatsache, dass bei einem Ventilelement mit einer Druckstufe unmittelbar nach dem Öffnen des Ventilelements beziehungsweise einer Ansteuerung des Piezoaktors eine zusätzliche Kraft in Öffnungsrichtung auf das Ventilelement wirkt. Aufgrund der direkten Kopplung des Ventilelements mit dem Piezoaktor wirkt diese zusätzliche Kraft auch auf den Piezoaktor. Indem die Änderung der auf den Piezoaktor wirkenden Kraft erfasst wird, kann ein Zeitpunkt, zu dem das Ventilelement tatsächlich öffnet (Ist-Spritzbeginn) beziehungsweise ein Zeitpunkt, zu dem das Ventilelement schließt (Ist-Spritzende) während des Betriebs der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung erfasst werden. Ist jedoch der Ist-Spritzbeginn beziehungsweise das Ist-Spritzende bekannt, kann die Ansteuerung des Piezoaktors entsprechend angepasst und hierdurch die Genauigkeit beim Einbringen von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine erheblich verbessert werden.
Kleinste Einspritzmengen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisiert werden, wenn das Vorzeichen eines Signals oder eines Signalgradienten mit dem der Piezoaktor angesteuert wird, geändert wird, sobald ein Ist-Spritzbeginn detektiert wurde. Als Signalgradient kommt beispielsweise ein Spannungsgradient in Frage oder - noch wirkungsvoller - als Signal ein Strom, mit dem der Piezoaktor geladen beziehungsweise entladen wird. Da die Vorzeichenänderung beziehungsweise das Umschalten von Entladen auf Laden oder umgekehrt geregelt auf Basis eines detektierten Ist-Spritzbeginns des Ventilelements erfolgt, kann die Kleinstmenge an Kraftstoff auch sehr stabil dargestellt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Ist-Spritzbeginn und/oder das Ist-Spritzende nach einem Sollwert geregelt wird. Anders als bei bisher bekannten Verfahren wird also nicht mehr Beginn und/oder Ende der Ansteuerung des Piezoaktors, sondern der tatsächliche Ist-Spritzbeginn und/oder das Ist-Spritzende geregelt, was nicht nur eine genaue Zumessung einer gewünschten Kraftstoffmenge, sondern auch eine präzise Realisierung eines gewünschten Einspritzzeitpunktes ermöglicht. Dabei wird vermieden, dass sich eine Streuung der Verzugszeit zwischen Ansteuerbeginn und Spritzbeginn beziehungsweise Ansteuerende und Spritzende auf die Kraftstoffzumessung auswirkt.
Dabei kann auch eine Differenz zwischen Ist-Spritzbeginn und Ist-Spritzende (Ist-Spritzdauer) nach einem Sollwert geregelt werden. In diesem Fall ist die Zumessgenauigkeit des Kraftstoffs noch besser.
Eine weitere wichtige vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine Änderung der auf den Piezoaktor wirkenden Kraft über eine Änderung einer durch die Kraft beeinflussten elektrischen Größe des Piezoaktors erfasst wird. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass die Kraftänderung, die auf den Piezoaktor wirkt, bei diesem zu einer Längenänderung führt. Diese hat bei einem Betrieb mit vorgegebenem Dehnungsverlauf - also mit "eingeprägtem" Stromverlauf - eine Änderung des Spannungsverlaufs und bei Betrieb mit "eingeprägtem" Spannungsverlauf eine Änderung des Aktorstromverlaufs zur Folge. Diese Änderung kann erfindungsgemäß ohne Weiteres erfasst werden, so dass ein Ist-Spritzbeginn beziehungsweise ein Ist-Spritzende erfasst werden kann, ohne dass ein zusätzlicher Sensor erforderlich ist.
Eine konkrete Weiterbildung dieser Verfahrensvariante sieht vor, dass zum Öffnen des Ventilelements der Piezoaktor mit einem vorgegebenen Spannungsverlauf entladen oder geladen wird, und dass auf einen Ist-Spritzbeginn erkannt wird, wenn ein Entladestrom beziehungsweise ein Ladestrom einen Grenzwert über- beziehungsweise unterschreitet, wobei der Grenzwert durch das Produkt aus einer Kapazitätskonstante des Piezoaktors und dem Entlade- beziehungsweise Ladespannungsgradient gebildet wird. Diese Methode ist sehr einfach realisierbar.
Das Gleiche gilt für jene Verfahrensvariante, bei welcher zum Öffnen des Ventilelements der Piezoaktor mit einem vorgegebenen Stromverlauf entladen oder geladen wird, und bei welcher auf einen Ist-Spritzbeginn erkannt wird, wenn ein Entlade- beziehungsweise Ladespannungsgradient einen Grenzwert über- beziehungsweise unterschreitet, wobei der Grenzwert durch den Quotient aus Entlade- beziehungsweise Ladestrom und einer Kapazitätskonstanten des Piezoaktors gebildet wird.
Bei den beiden letztgenannten Verfahrensvarianten ist eine Kenntnis der verwendeten Lade- und Entladestrategie erforderlich. Unabhängig von einer solchen Strategie ist ein Verfahren, bei dem zum Öffnen des Ventilelements der Piezoaktor entladen oder geladen wird, und bei dem mittels eines Störgrößenbeobachters ein Stromanteil geschätzt wird, der sich aus dem Ansteigen der auf den Piezoaktor wirkenden Kraft ergibt, und bei dem auf einen Ist-Spritzbeginn erkannt wird, wenn der Stromanteil einen Grenzwert überschreitet. Als Störgrößenbeobachter kommt beispielsweise ein Luenberger-Beobachterverfahren in Frage.
Alle drei letztgenannten Verfahrensvarianten können nicht nur für die Erkennung eines Ist-Spritzbeginns, sondern in entsprechender Weise mit entsprechend angepassten anderen Grenzwerten für die Erkennung eines Ist-Spritzendes angewendet werden.

Zeichnungen

Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit mehreren Kraftstoffinjektoren;
Figur 2: einen Teilschnitt durch einen Kraftstoffinjektor von Figur 1;
Figur 3: ein Diagramm, in dem eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft über einem Hub eines Ventilelements eines Kraftstoffinjektors von Figur 2 aufgetragen ist;
Figur 4: ein Diagramm, in dem verschiedene Betriebsparameter eines Kraftstoffinjektors von Figur 2 bei einem Einspritzvorgang über der Zeit aufgetragen sind;
Figur 5: ein Funktionsschaubild eines ersten Verfahrens zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors von Figur 2;
Figur 6: ein Funktionsschaubild eines zweiten Verfahrens zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors von Figur 2;
Figur 7: ein Funktionsschaubild eines dritten Verfahrens zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors von Figur 2.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst mehrere Brennräume 12, in die der Kraftstoff direkt von einem jeweiligen Kraftstoffinjektor 14 eingespritzt wird. Die Kraftstoffinjektoren 14 sind an einen Kraftstoffdruckspeicher ("Rail") 16 angeschlossen, in den der Kraftstoff von einem Fördersystem 18 gefördert wird. Der Betrieb der Kraftstoffinjektoren 14 wird von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung 20 gesteuert beziehungsweise geregelt (gestrichelte Linien). Hierzu werden unter anderem auch Eingangssignale (gestrichelte Linien) von verschiedenen Sensoren verwendet, die in Figur 1 nicht dargestellt sind.
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, umfasst der Kraftstoffinjektor 14 ein Gehäuse 22, in dem ein nadelartiges Ventilelement 24 längsverschieblich aufgenommen ist. Dieses weist eine in Öffnungsrichtung wirkende Druckschulter 26 auf, die in einem Druckraum 28 angeordnet ist, der über einen Kanal 30 mit dem Kraftstoffdruckspeicher 16 verbunden ist. Eine ebenfalls in Öffnungsrichtung wirkende konische Druckfläche 32 ist im geschlossenen Zustand des Ventilelements fluidisch von dem Druckraum 28 getrennt.
Das von der Druckfläche 32 entgegengesetzte Ende des Ventilelements 24 ragt mit einer Fläche 34 in einen hydraulischen Steuerraum 36 hinein, in dem der hohe Druck des Kraftstoffdruckspeichers herrscht. Der Steuerraum 36 wird auch von einem Steuerkolben 38 begrenzt, dessen Durchmesser in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel größer ist als die Steuerfläche 34 des Ventilelements 24. Der Steuerkolben 38 ist an einem Piezoaktor 40 befestigt, der, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer in Figur 2 nicht dargestellten Endstufe, von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 20 angesteuert wird.
Damit der Kraftstoffinjektor 14 Kraftstoff in den Brennraum 12 einspritzt, wird der Piezoaktor 40 so angesteuert, dass sich seine Länge verringert. In der Folge bewegt sich der Steuerkolben 38 in Figur 2 nach oben. Über die hydraulische Kopplung mittels des Steuerraums 36 und aufgrund der auf der Druckschulter in Öffnungsrichtung wirkenden Kraft bewegt sich auch das Ventilelement 24 nach oben. In der Folge liegt der im Druckraum 28 herrschende hohe Kraftstoffdruck auch an der endseitigen Druckfläche 32 des Ventilelements 24 an, was, nach der ersten Öffnungsbewegung des Ventilelements 24, zu einer zusätzlichen in Öffnungsrichtung wirkenden Kraft und zu einem beschleunigten Öffnen des Ventilelements 24 führt.
Da sich die in Öffnungsrichtung auf das Ventilelement 24 wirkende Kraft unmittelbar nach dem Öffnen rasch erhöht, spricht man auch von einem Ventilelement mit "Druckstufe". Der Anstieg der in Öffnungsrichtung auf das Ventilelement 24 wirkenden Kraft F ist auch aus Figur 3 ersichtlich, wo diese über einem Öffnungshub H aufgetragen ist. Kraftstoff kann nun durch Kraftstoff-Austrittskanäle 42 in den Brennraum 12 gelangen.
Um auch sehr kleine Kraftstoffmengen mit dem Kraftstoffinjektor 14 einspritzen zu können, wird gemäß einem Verfahren vorgegangen, welches nun unter Bezugnahme auf Figur 4 erläutet wird:
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Piezoaktor 40 dann, wenn das Ventilelement 24 geschlossen sein soll, geladen. Zum Öffnen des Ventilelements 24 wird der Piezoaktor 40 entladen. Dabei wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Piezoaktor 40 mit einem bestimmten, vorliegend im Wesentlichen linearen Spannungsverlauf geladen beziehungsweise entladen. Hierzu wird während des Entladens und des Ladens der Spannungsverlauf beziehungsweise der Spannungsgradient gemessen und der Lade- beziehungsweise Entladestrom entsprechend eingestellt. Eine Ladung Q des Piezoaktors kann dabei vereinfacht als Summe aus einem spannungsabhängigen Anteil Q_u = C₀ · U und einem längenabhängigen Anteil Q_x = C_x · (x - x₀) ausgedrückt werden. Die Faktoren C₀ und C_x sind dabei Kapazitätskonstanten, U eine am Piezoaktor anliegende Spannung, und x eine aktuelle Länge des Piezoaktors 40.
Der längenabhängige Anteil Q_x basiert dabei auf folgender Überlegung: Die in Öffnungsrichtung am Ventilelement 24 angreifende Kraft überträgt sich über die hydraulische Kopplung des Druckraums 28 und den Steuerkolben 38 auch auf den Piezoaktor 40. Öffnet das Ventilelement 24, führt dies aufgrund der Druckstufe am Ventilelement 24 zu einer Krafterhöhung ("Kraftsprung") auch am Piezoaktor 40. Dieser Kraftsprung führt zu einer zusätzlichen Längenänderung des Piezoaktors 40. Um den vorgegebenen Spannungsverlauf auch unter der Randbedingung der erhöhten Längenänderungsgeschwindigkeit des Piezoaktors 40 einzuhalten, muss der Entladestrom i gegenüber dem Zustand bei ruhendem Ventilelement 24 erhöht werden. Bei dem hier verwendeten Verfahren werden dieser Kraftsprung und die entsprechende Ladungsänderung dazu verwendet, ein tatsächliches Öffnen des Ventilelements 24 (Spritzbeginn) beziehungsweise ein tatsächliches Schließen des Ventilelements 24 (Spritzende) zu erfassen. Hierzu werden folgende physikalische Grundlagen verwendet: $Q = \int idt = Q_{u} + Q_{x} = C_{0} * u + C_{x} * (x - x_{0})$
Dies ergibt aufgelöst nach dem Entlade- beziehungsweise Ladestrom des Piezoaktors 40: $i = i_{u} + i_{x} = \frac{{dQ}_{u}}{dt} + \frac{{dQ}_{x}}{dt} = C_{0} * \frac{du}{dt} + C_{x} * \frac{dx}{dt}$
Hieraus ergibt sich: $\frac{dx}{dt} = \frac{1}{C_{x}} * (i - c_{0} * \frac{du}{dt})$
Unterschreitet der Entladestrom i beim Entladen eindeutig den Grenzwert C₀ · du/dt, bedeutet dies, dass das Ventilelement 24 gerade öffnet. Überschreit der Ladestrom i beim Laden des Piezoaktors 40 diesen Wert, ändert sich gerade die Bewegungsrichtung des Ventilelements 24. Unterschreitet der Ladestrom beim Laden diesen Wert, ist das Ventilelement 24 im Schließen begriffen. In Figur 4 ist die am Piezoaktor 40 anliegende Spannung U mit 44 bezeichnet, der Strom i mit 46, der Grenzwert C₀ · du/dt mit 48 (strichpunktierte Kurve) und ein Hub H des Ventilelements 24 mit 50. Der Spritzbeginn erfolgt zum Zeitpunkt t₁, die Richtungsumkehr des Ventilelements 24 zum Zeitpunkt t₂, und das Spritzende liegt beim Zeitpunkt t₃.
Abhängig von dem erfassten Spritzbeginn des Kraftstoffinjektors 14 zum Zeitpunkt t₁ wird der Piezoaktor 40 von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 20 schnellstmöglich wieder geschlossen. Hierzu wird nach einem erfassten Spritzbeginn t₁ der Entladestrom i so geändert, dass der Gradient du/dt der Spannung u ein umgekehrtes Vorzeichen aufweist. Das Schließen des Ventilelements 24 wird also abhängig vom tatsächlichen Öffnen (Spritzbeginn), eingeleitet. Da anhand des angegebenen Verfahrens der Ist-Spritzbeginn und das Ist-Spritzende zu den Zeitpunkten t₁ beziehungsweise t₃ erfasst werden können, können diese jeweils nach einem Sollwert geregelt werden. Möglich ist auch, den Ist-Spritzbeginn zum Zeitpunkt t₁ und eine Differenz dt_i, die auch als Ist-Spritzdauer bezeichnet wird, nach einem Sollwert zu regeln.
Letztlich kann der Kraftstoffinjektor 14 beziehungsweise der Piezoaktor 40 aber auch geladen und entladen werden mit einem vorgegebenen bestimmten Verlauf des Ladebeziehungsweise Entladestroms i. Aus der obigen Gleichung (1) ergibt sich dann: $\frac{du}{dt} = \frac{1}{C_{0}} * \frac{{dQ}_{u}}{dt} = \frac{1}{C_{0}} * (i - \frac{{dQ}_{x}}{dt}) = \frac{1}{C_{0}} * (1 - C_{x} * \frac{dx}{dt})$
$\frac{dx}{dt} = \frac{1}{C_{x}} * \frac{{dQ}_{x}}{dt} = \frac{1}{C_{x}} * (i - \frac{{dQ}_{u}}{dt}) = \frac{1}{C_{x}} * (1 - c_{0} * \frac{du}{dt})$
Liegt in diesem Fall der Spannungsgradient du/dt beim Entladen eindeutig über dem Wert i/C₀, so ist das Ventilelement 24 im Öffnen begriffen. Unterschreitet der Spannungsgradient du/dt diesen Wert, schließt das Ventilelement 24 gerade.
Der Spritzbeginn und das Spritzende können jedoch auch unabhängig von der Lade- und Entladestrategie, also unabhängig davon, ob ein bestimmter Spannungsverlauf oder ein bestimmter Stromverlauf vorgegeben wird, ermittelt werden. Dies geschieht mit Hilfe eines Störgrößenbeobachters 51, beispielsweise eines Luenberger-Beobachterverfahrens (vgl. Figur 5). Integriert man die Gleichung $\frac{du}{dt} = \frac{1}{C_{0}} * \frac{{dQ}_{u}}{dt} = \frac{1}{C_{0}} * (i - \frac{{dQ}_{x}}{dt}) = \frac{1}{C_{0}} * (i - C_{x} * \frac{dx}{dt})$
so erhält man $u = \frac{1}{C_{0}} * \int (i - C_{x} * \frac{dx}{dt}) dt = \frac{1}{C_{0}} * \int (i - \frac{{dQ}_{x}}{dt}) dt = \frac{1}{C_{0}} * \int (i - i_{x}) dt$
Die Gleichung (7) kann als Übertragungstrecke verstanden werden, von deren Eingangsgrößen jedoch nur der Strom i gemessen werden kann. Die von der Längenänderung des Piezoaktors 40 beziehungsweise der Krafterhöhung beim Öffnen des Ventilelements 24 abhängige Stromgröße i_x kann jedoch nicht gemessen werden. Um diese zu ermitteln, wird zunächst der in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 20 bekannte Lade- beziehungsweise Entladestrom i einer Streckennachbildung zugeführt (Block 52 in Figur 5). In dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht diese Streckennachbildung aus einem Integrator mit der Integrationskonstante C₀ beziehungsweise mit einer durch Normierung aus der Integrationskonstanten C₀ berechneten Zeitkonstanten. Die Ausgangsgröße dieses Integrators 52 ist eine beobachtete Spannung u_b am Piezoaktor 40.
Wenn die Größe i_x = 0 ist, ist u_b = u. Wenn jedoch der Piezoaktor 40 beim Öffnen oder Schließen des Ventilelements 24 seine Länge ändert und folglich i_x ≠ 0 wird, weichen u_b und u voneinander ab. In 54 wird die Differenz zwischen u_b und der gemessenen Spannung u gebildet und einem Rückkoppelglied 56 zugeführt. Dieses kann beispielsweise ein einfacher Proportionalverstärker oder ein PI-Glied, aber auch ein Verstärker mit einem Übertragungsverhalten zweiter oder höherer Ordnung sein.
Das Ausgangssignal des Rückkoppelglieds 56 wird dann mit negativem Vorzeichen dem Eingang der Streckennachbildung 52 aufgeschaltet. Dieses Ausgangssignal folgt nun der an sich unbekannten Größe i_x entsprechend dem Übertragungsverhalten des Beobachters 51 nach und kann entweder direkt oder über ein weiteres Filterglied 58 geführt als beobachtetes Signal i_x,b für die unbekannte Größe i_x verwendet werden. Unterschreitet das Signal i_x,b beim Entladen eine definierte Schwelle, so wird ein Öffnen des Ventilelements 24 detektiert, überschreitet es beim Laden eine zweite definierte Schwelle, so wird der Beginn des Schließvorgangs des Ventilelements 24 detektiert. Unterschreitet es nach Ende des Ladevorgangs diese zweite oder eine weitere, dritte Schwelle, so wird dies als Spritzende erfasst.
Wie aus Figur 6 ersichtlich ist, können das Rückkoppelglied und das Filterglied 58 zu einer Einheit 60 zusammengefasst werden. Hierzu wird das gefilterte Signal aus gewichteten Komponenten des Ausgangssignals des Rückkoppelglieds gebildet. Am Beispiel eines PI-Glieds als Rückkoppelglied 56 lässt sich dies folgendermaßen veranschaulichen: Beispielsweise kann als beobachtetes Signal i_x,b anstelle des Ausgangssignals des Rückkoppelglieds 56 auch nur dessen I-Anteil oder die Summe aus dem I-Anteil und dem mit einem Faktor K multiplizierten P-Anteil verwendet werden, wobei K dann zwischen 0 und 1 liegen sollte. Dies entspricht einer Filterung des Ausgangssignals mit einem Verzögerungsglied erster Ordnung.
Die Streckennachbildung des Piezoaktors 40 kann, wie nachfolgend dargestellt wird, noch genauer an dessen reales Verhalten angepasst werden: So kann beispielsweise ein nicht lineares Verhalten des Piezoaktors 40 durch einen in gleicher Weise nicht linearen Integrator 52 nachgebildet werden und/oder es können Hystereseffekte durch Einfügen eines Hystereseglieds 60 in die Streckennachbildung berücksichtigt werden (vgl. Figur 7).
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die oben angegebenen Verfahren in Form eines Computerprogramms auf einem Speicher der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 20 abgelegt sind.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (14) einer Brennkraftmaschine (10), bei dem ein Piezoaktor (40) mit einem Ventilelement (24) der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (14) gekoppelt ist, wobei das Ventilelement (24) eine Druckstufe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ansteigen der auf den Piezoaktor (40) wirkenden Kraft (F) als ein tatsächliches Öffnen des Ventilelements (24) (t₁) und/oder ein Abfallen der auf den Piezoaktor (40) wirkenden Kraft (F) als ein tatsächliches Schließen des Ventilelements (24) (Ist-Spritzende) interpretiert und bei der Ansteuerung des Piezoaktors (40) wenigstens zeitweise berücksichtigt wird, und dass ein Schließvorgang des Ventilelements (24) abhängig vom tatsächlichen Öffnen des Ventilelements (t₁) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorzeichen eines Signals oder eines Signalgradienten (dU/dt), mit dem der Piezoaktor (40) angesteuert wird, geändert wird, sobald ein Ist-Spritzbeginn (t₁) detektiert wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Spritzbeginn (t₁) und/oder das Ist-Spritzende (t₃) nach einem Sollwert geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz (dt_i) zwischen Ist-Spritzbeginn (t₁) und Ist-Spritzende (t₃) (Ist-Spritzdauer) nach einem Sollwert geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der auf den Piezoaktor (40) wirkenden Kraft über eine Änderung einer durch die Kraft beeinflussten elektrischen Größe (i, u) des Piezoaktors (40) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Öffnen des Ventilelements (14) der Piezoaktor (40) mit einem vorgegebenen Spannungsverlauf (44) entladen oder geladen wird, und dass auf einen Ist-Spritzbeginn (t₁) erkannt wird, wenn ein Entladestrom bzw. ein Ladestrom (46) einen Grenzwert (48) über- bzw. unterschreitet, wobei der Grenzwert (48) durch das Produkt aus einer Kapazitätskonstanten (C₀) des Piezoaktors (40) und dem Entlade- bzw. Ladespannungsgradient (du/dt) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Öffnen des Ventilelements (24) der Piezoaktor (40) mit einem vorgegebenen Stromverlauf entladen oder geladen wird, und dass auf einen Ist-Spritzbeginn erkannt wird, wenn ein Entlade- bzw. Ladespannungsgradient (du/dt) einen Grenzwert (i/C₀) über- bzw. unterschreitet, wobei der Grenzwert (i/C₀) durch den Quotient aus Entlade- bzw. Ladestrom (i) und einer Kapazitätskonstanten (C₀) des Piezoaktors (40) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Öffnen des Ventilelements (24) der Piezoaktor (40) entladen oder geladen wird, und dass mittels eines Störgrößenbeobachters (51) ein Stromanteil (i_x,b) geschätzt wird, der sich aus dem Ansteigen der auf den Piezoaktor (40) wirkenden Kraft ergibt, und dass auf einen Ist-Spritzbeginn erkannt wird, wenn der Stromanteil (i_x,b) einen Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es in entsprechender Weise für die Erkennung eines Ist-Spritzendes (t₃) angewendet wird.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
Elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20) einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 10 abgespeichert ist.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20) für eine Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 programmiert ist.