Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffeinspritzanlage für einen
Verbrennungsmotor nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6.
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Aus der DE 100 33 343 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzanlage für einen
Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor bekannt, die eine Einspritzregelung zur
Überwachung und/oder zum Lösen eines Konfliktes beim Ansteuern der Aktorelemente,
insbesondere ein Konfliktmanagement sich überlagernder Einspritzverläufe von Piezoaktoren
aufweist.
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Bei Piezo-Common-Rail-Aktoren kann nur gleichzeitig eine Ansteuerflanke ausgeführt
werden. Aus verbrennungstechnischen Gründen ist es aber erforderlich, die Ansteuerung
komplementärer Bänke so zu applizieren, daß sich Einspritzungen überlagern. Dies ist
dann mit der aus der DE 100 33 343 A1 bekannten Schaltungseinrichtung zur
Verschaltung piezoelektrischer Elemente möglich, wenn die Lade-/Entladeflanken der
piezoelektrischen Elemente keine Überlappung aufweisen. Bei überlappenden Flanken ist bei der
aus der DE 100 33 343 A1 hervorgehenden Kraftstoffeinspritzanlage vorgesehen, daß die
Ansteuerung mit niedriger Priorität (im folgenden niederpriore Ansteuerung genannt)
verschoben oder verkürzt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Flankenüberlappungen zu erkennen, zu
bestimmen und hieraus den notwendigen Grad der zeitlichen Verschiebung bzw.
Verkürzung aus dem Überlappungsbereich abzuleiten.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betrieb einer Kraftstoffeinspritzanlage der
eingangs beschriebenen Art durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 6
gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So werden die Flankenüberlappungen vorteilhafterweise während statischer und
dynamischer Interrupts einer Ansteuerschaltung während des Betriebs der Einspritzanlage
bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl und
von dem Kurbelwellenwinkel des Verbrennungsmotors.
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Dabei werden einzelne Flankenzeitpunkte paarweise auf Überlappung untersucht.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen und der Zeichnung.
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In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Verschaltung
piezoelektrischer Elemente;
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Fig. 2a das Laden eines piezoelektrischen Elementes;
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Fig. 2b das Laden eines piezoelektrischen Elementes;
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Fig. 2c das Entladen eines piezoelektrischen Elementes;
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Fig. 2d das Entladen eines piezoelektrischen Elementes;
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Fig. 3 einen Ansteuerungs-IC;
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Fig. 4 einen aus dem Stand der Technik bekannten zeitlichen Ablauf von
Interrupts;
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Fig. 5 schematisch eine Darstellung von Kollisionsbereichen von
Flankenpaaren im Winkelbereich;
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Fig. 6 eine schematische Darstellung des Verschiebens einer niederprioren
Flanke nach spät und
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Fig. 7 eine schematische Darstellung des Verkürzens einer niederprioren
Ansteuerung.
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Fig. 1 zeigt piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 sowie Mittel zu ihrer
Ansteuerung. Dabei bezeichnet A einen Bereich in detaillierter Darstellung sowie B einen
Bereich in undetaillierter Darstellung, deren Trennung mit einer gestrichelten Linie c
angedeutet ist. Der detailliert dargestellte Bereich A umfaßt eine Schaltung zum Laden
und Entladen der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60. In dem
betrachteten Beispiel handelt es sich bei den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und
60 um Aktoren in Kraftstoffeinspritzventilen (insbesondere in sogenannten Common Rail
Injektoren) eines Verbrennungsmotors. In der beschriebenen Ausführungsform werden
zur unabhängigen Steuerung von sechs Zylindern innerhalb eines Verbrennungsmotors
sechs piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 verwendet; für beliebige
andere Zwecke könnte jedoch eine beliebe andere Anzahl piezoelektrischer Elemente geeignet
sein.
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Der undetailliert dargestellte Bereich B umfaßt eine Einspritzregelung F mit einem
Steuergerät D und einen Ansteuerungs-IC E, die der Steuerung der Elemente innerhalb des
detailliert dargestellten Bereichs A dient. Dem Ansteuerungs-IC E werden verschiedene
Meßwerte von Spannungen und Strömen aus der gesamten restlichen Ansteuerschaltung
des piezoelektrischen Elements zugeführt. Erfindungsgemäß sind der Steuerrechner D
und der Ansteuerungs-IC E zur Regelung der Ansteuerspannungen sowie der
Ansteuerzeiten für das piezoelektrischen Element ausgebildet. Der Steuerrechner D und/oder der
Ansteuerungs-IC E sind ebenfalls zur Überwachung verschiedener Spannungen und
Ströme der gesamten Ansteuerschaltung des piezoelektrischen Elements ausgebildet.
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In der nachfolgenden Beschreibung werden zunächst die einzelnen Elemente innerhalb
des detailliert dargestellten Bereichs A eingeführt. Es folgt eine allgemeine Beschreibung
der Vorgänge des Ladens und Entladens der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40,
50 und 60. Schließlich wird detailliert beschrieben, wie beide Vorgänge durch den
Steuerrechner D und den Ansteuerungs-IC E gesteuert und überwacht werden.
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Die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 sind in eine erste Gruppe G1
und eine zweite Gruppe G2 aufgeteilt, die jeweils drei piezoelektrische Elemente
umfassen (d. h., piezoelektrische Elemente 10, 20 und 30 in der ersten Gruppe G1 bzw.
piezoelektrische Elemente 40, 50 und 60 in der zweiten Gruppe G2). Die Gruppen G1 und G2
sind Bestandteile parallelgeschalteter Schaltungsteile. Mit den Gruppenwahlschaltern
310, 320 ist festlegbar, welche der Gruppen G1, G2 der piezoelektrischen Elemente 10,
20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 jeweils mit Hilfe einer gemeinsamen Lade- und
Entladeeinrichtung entladen werden (für Ladevorgänge sind die Gruppenwahlschalter 310, 320, wie
nachstehend noch näher beschrieben, jedoch ohne Bedeutung). Die piezoelektrischen
Elemente 10, 20 und 30 der ersten Gruppe G1 sind auf einer Aktorbank und die
piezoelektrischen Elemente 40, 50 und 60 in der zweiten Gruppe G2 sind auf einer weiteren
Aktorbank angeordnet. Als Aktorbank wird dabei ein Block bezeichnet, in dem zwei oder
mehr Aktorelemente, insbesondere piezoelektrische Elemente, fest abgeordnet, z. B.
vergossen, sind.
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Die Gruppenwahlschalter 310, 320 sind zwischen einer Spule 240 und den jeweiligen
Gruppen G1 und G2 angeordnet (deren spulenseitigen Anschlüssen) und sind als
Transistoren realisiert. Es sind Treiber 311, 321 implementiert, die von dem Ansteuerungs-IC E
empfangene Steuersignale in Spannungen umformen, die nach Bedarf zum Schließen und
Öffnen der Schalter wählbar sind.
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Parallel zu den Gruppenwahlschaltern 310, 320 sind (als Gruppenwahldioden
bezeichnete) Dioden 315 bzw. 325 vorgesehen. Wenn die Gruppenwahlschalter 310, 320 als MOS-
FETs bzw. IGBTs ausgeführt sind, können beispielsweise diese Gruppenwahldioden 315
und 325 durch die parasitären Dioden selbst gebildet sein. Während Ladevorgängen
werden die Gruppenwahlschalter 310, 320 von den Dioden 315, 325 überbrückt. Die
Funktionalität der Gruppenwahlschalter 310, 320 reduziert sich daher auf die Auswahl einer
Gruppe G1, G2 der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60
lediglich für einen Entladevorgang.
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Innerhalb der Gruppen G1 bzw. G2 sind die piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30
bzw. 40, 50 und 60 jeweils als Bestandteile der parallelgeschalteten Piezozweige 110, 120
und 130 (Gruppe G1) und 140, 150 und 160 (Gruppe G2) angeordnet. Jeder Piezozweig
umfaßt eine Serienschaltung bestehend aus einer ersten Parallelschaltung mit einem
piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60, und einem (als Zweigwiderstand
bezeichneten) Widerstand 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 sowie einer zweiten Parallelschaltung
mit einem als Transistor 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 ausgeführten (als Zweigwahlschalter
bezeichneten) Wahlschalter und einer (als Zweigdiode bezeichneten) Diode 12, 22, 32,
42, 52 bzw. 62).
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Die Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 bewirken, daß das jeweils
entsprechende piezoelektrische Element 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 sich während und nach einem
Ladevorgang kontinuierlich entlädt, da sie jeweils beide Anschlüsse der kapazitiven
piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 miteinander verbinden. Die
Zweigwiderstände 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 haben jedoch eine ausreichende Größe, um diesen
Vorgang gegenüber den gesteuerten Lade- und Entladevorgängen langsam zu gestalten,
wie nachstehend beschrieben. Daher ist die Ladung eines beliebigen piezoelektrischen
Elements 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 innerhalb einer relevanten Zeit nach einem
Ladevorgang als unveränderlich zu betrachten.
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Die Zweigwahlschalter/Zweigdiodenpaare in den einzelnen Piezozweigen 110, 120, 130,
140, 150 bzw. 160, d. h., Wahlschalter 11 und Diode 12 in Piezozweig 110, Wahlschalter
21 und Diode 22 in Piezozweig 120 usw., sind realisierbar als elektronische Schalter (d. h.
Transistoren) mit parasitären Dioden, beispielsweise MOSFETs bzw. IGBTs (wie
vorstehend für die den Gruppenwahlschalter/Diodenpaare 310 und 315 bzw. 320 und 325
angegeben).
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Mittels der Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 ist festlegbar, welche der
piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 jeweils mit Hilfe einer gemeinsamen
Lade- und Entladeeinrichtung geladen werden: Geladen werden jeweils all diejenigen
piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60, deren Zweigwahlschalter 11, 21,
31, 41, 51 bzw. 61 während des nachfolgend beschriebenen Ladevorgangs geschlossen
sind. Gewöhnlich ist immer nur einer der Zweigwahlschalter geschlossen.
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Die Zweigdioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 dienen der Überbrückung der
Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 während Entladevorgängen. Daher kann in dem
betrachteten Beispiel für Ladevorgänge jedes einzelne piezoelektrische Element ausgewählt
werden, während für Entladevorgänge entweder die erste Gruppe G1 oder die zweite
Gruppe G2 der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60, bzw. beide
ausgewählt werden müssen.
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Zurückkommend auf die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 selbst,
können die Zweigwahlpiezoanschlüsse 15, 25, 35, 45, 55 bzw. 65 entweder mit Hilfe der
Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 oder über die entsprechenden Dioden 12,
22, 32, 42, 52 bzw. 62 sowie in beiden Fällen zusätzlich über Widerstand 300 an Masse
gelegt werden.
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Mittels des Widerstands 300 werden die während des Ladens und Entladens der
piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zwischen den
Zweigwahlpiezoanschlüssen 15, 25, 35, 45, 55 bzw. 65 und Masse fließenden Ströme gemessen. Eine Kenntnis
dieser Ströme ermöglicht ein gesteuertes Laden und Entladen der piezoelektrischen
Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60. Insbesondere durch Schließen und Öffnen des
Ladeschalter 220 bzw. Entladeschalters 230 in Abhängigkeit des Betrags der Ströme, ist es
möglich, den Ladestrom bzw. Entladestrom auf vorgegebene Mittelwerte einzustellen
und/oder zu verhindern, daß sie vorgegebene Maximalwerte und/oder Minimalwerte
überschreiten bzw. unterschreiten.
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In dem betrachteten Beispiel, ist für die Messung selbst noch eine Spannungsquelle 621
erforderlich, die eine Spannung von beispielsweise 5 V DC liefert, sowie ein
Spannungsteiler in Form zweier Widerstände 622 und 623. Damit soll der Ansteuerungs-IC E (der
die Messungen durchführt) vor negative Spannungen geschützt werden, die andernfalls an
Meßpunkt 620 auftreten könnten, und die mit dem Ansteuerungs-IC E nicht beherrschbar
sind: Derartige negative Spannungen werden durch Addition mit einer von der genannten
Spannungsquelle 621 und den Spannungsteiler-Widerständen 622 und 623 gelieferten
positiven Spannungsanordnung verändert.
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Der andere Anschluß des jeweiligen piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 und
60, d. h. die jeweilige Gruppenwahlpiezoanschluß 14, 24, 34, 44, 54 bzw. 64, kann über
den Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 oder über die Gruppenwahldiode 315 bzw. 325
sowie über eine Spule 240 und eine Parallelschaltung bestehend aus einem Ladeschalter
220 und einer Ladediode 221 an den Pluspol einer Spannungsquelle angeschlossen
werden, sowie alternativ bzw. zusätzlich über den Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 oder
über die Diode 315 bzw. 325 sowie über die Spule 240 und eine Parallelschaltung
bestehend aus einem Entladeschalter 230 und einer Entladediode 231 an Masse gelegt werden.
Ladeschalter 220 und Entladeschalter 230 sind beispielsweise als Transistoren realisiert,
die über Treiber 222 bzw. 232 angesteuert werden.
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Die Spannungsquelle umfaßt einen Kondensator 210. Der Kondensator 210 wird von
einer Batterie 200 (beispielsweise einer Kraftfahrzeugbatterie) und einem
nachgeschalteten Gleichspannungswandler 201 geladen. Der Gleichspannungswandler 201 formt die
Batteriespannung (beispielsweise 12 V) in im wesentlichen beliebige andere
Gleichspannungen (beispielsweise 250 V) um, und lädt den Kondensator 210 auf diese Spannung
auf. Die Steuerung des Gleichspannungswandlers 201 erfolgt über den Transistorschalter
202 und den Widerstand 203, der der Messung von am Messpunkt 630 abgegriffenen
Strömen dient.
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Zum Zwecke der Gegenkontrolle wird durch den Ansteuerungs-IC E sowie durch die
Widerstände 651, 652 und 653 und beispielsweise eine 5 V Gleichspannungsquelle 654
eine weitere Strommessung am Meßpunkt 650 ermöglicht; des weiteren ist durch den
Ansteuerungs-IC E sowie durch die spannungsteilenden Widerstände 641 und 642 eine
Spannungsmessung am Meßpunkt 640 möglich.
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Ein (als Totalentladungswiderstand bezeichneter) Widerstand 330, ein (als Stoppschalter
bezeichneter) Schalter 331 sowie eine (als Totalentladungsdiode bezeichnete) Diode 332
dienen schließlich der Entladung der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und
60 (falls sie außerhalb des Normalbetreibers, wie nachstehend beschrieben, nicht durch
den □normalen□ Entladevorgang entladen werden). Der Stoppschalter 331 wird
vorzugsweise nach □normalen□ Entladevorgängen (zyklisches Entladen über
Entladeschalter 230) geschlossen und legt dadurch die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50
und 60 über die Widerstände 330 und 300 an Masse. Somit werden jegliche, eventuell in
den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 verbliebene Restspannungen
beseitigt. Die Totalentladungsdiode 332 verhindert ein Auftreten von negativen
Spannungen an den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60, die unter Umständen
durch die negativen Spannungen beschädigt werden könnten.
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Das Laden und Entladen aller piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60, bzw.
eines bestimmten piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60, erfolgt mit Hilfe
einer einzigen (allen Gruppen und ihren piezoelektrischen Elementen gemeinsamen)
Lade- und Entladeeinrichtung. In dem betrachteten Beispiel umfaßt die gemeinsame Lade-
und Entladeeinrichtung die Batterie 200, den Gleichspannungswandler 201, den
Kondensator 210, den Ladeschalter 220 und den Entladeschalter 230, Ladediode 221 und
Entladediode 231 sowie die Spule 240.
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Das Laden und Entladen eines jeden piezoelektrischen Elements erfolgt auf die gleiche
Art und Weise und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf lediglich das erste
piezoelektrische Element 10 erläutert.
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Die während der Lade- und Entladevorgänge auftretenden Zustände werden mit Bezug
auf die Fig. 2A bis 2D erläutert, von denen die Fig. 2A und 2B das Laden des
piezoelektrischen Elements 10, sowie die Fig. 2C und 2D das Entladen des
piezoelektrischen Elements 10 veranschaulichen.
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Die Steuerung der Auswahl eines oder mehrerer zu ladender bzw. zu entladender
piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60, der im folgenden beschriebene
Ladevorgang sowie der Entladevorgang erfolgt durch den Ansteuerungs-IC E und das Steuergerät
D durch Öffnen bzw. Schließen eines oder mehrerer der oben eingeführten Schalter 11,
21, 31, 41, 51, 61; 310, 320; 220, 230 und 331. Die Wechselwirkungen zwischen den
Elementen innerhalb des detailliert dargestellten Bereichs A einerseits sowie des
Ansteuerungs-IC E und des Steuerrechners D andererseits wird nachfolgend noch näher
erläutert.
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In bezug auf den Ladevorgang, muß zunächst ein aufzuladendes piezoelektrisches
Element 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 ausgewählt werden. Um lediglich das erste
piezoelektrische Element 10 zu laden, wird der Zweigwahlschalter 11 des ersten Zweiges 110
geschlossen, während alle übrigen Zweigwahlschalter 21, 31, 41, 51, und 61 geöffnet
bleiben. Um ausschließlich ein beliebiges anderes piezoelektrisches Element 20, 30, 40, 50,
60 zu laden, bzw. um mehrere gleichzeitig zu laden, würde dessen/deren Auswahl durch
Schließen der entsprechenden Zweigwahlschalter 21, 31, 41, 51, und/oder 61 erfolgen.
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Sodann kann der Ladevorgang selbst erfolgen:
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Innerhalb des betrachteten Beispiels ist für den Ladevorgang im allgemeinen eine positive
Potentialdifferenz zwischen dem Kondensator 210 und Gruppenwahlpiezoanschluß 14
des ersten piezoelektrischen Elements 10 erforderlich. Solange jedoch Ladeschalter 220
und Entladeschalters 230 geöffnet sind, erfolgt kein Laden bzw. Entladen des
piezoelektrischen Elements 10. In diesem Zustand befindet sich die in Fig. 1 abgebildete Schaltung
in einem stationären Zustand, d. h. das piezoelektrische Element 10 behält seinen
Ladungszustand im wesentlichen unverändert bei, wobei keine Ströme fließen.
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Zum Laden des ersten piezoelektrischen Elements 10 wird Schalter 220 geschlossen.
Theoretisch könnte das erste piezoelektrische Element 10 allein dadurch geladen werden.
Dies würde jedoch zu großen Strömen führen, die die betreffenden Elemente beschädigen
könnten. Daher werden die auftretenden Ströme am Meßpunkt 620 gemessen und
Schalter 220 wird wieder geöffnet sobald die erfaßten Ströme einen bestimmten Grenzwert
überschreiten. Um auf dem ersten piezoelektrischen Element 10 eine beliebige Ladung zu
erreichen, wird daher Ladeschalter 220 wiederholt geschlossen und geöffnet, während
Entladeschalter 230 geöffnet bleibt.
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Bei näherer Betrachtung ergeben sich bei geschlossenem Ladeschalter 220 die in Fig. 2A
dargestellten Verhältnisse, d. h. es entsteht eine geschlossene Schaltung umfassend eine
Reihenschaltung bestehend aus dem piezoelektrischen Element 10, Kondensator 210 und
der Spule 240, wobei in der Schaltung ein Strom iLE(t) fließt, wie in Fig. 2A durch Pfeile
angedeutet. Aufgrund dieses Stromflusses werden sowohl dem
Gruppenwahlpiezoanschluß 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10 positive Ladungen zugeführt als auch
in der Spule 240 Energie gespeichert.
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Wenn der Ladeschalter 220 kurz (beispielsweise einige µs) nach dem Schließen öffnet,
ergeben sich die in Fig. 2B dargestellten Verhältnisse: es entsteht eine geschlossene
Schaltung umfassend eine Reihenschaltung bestehend aus dem piezoelektrischen Element
10, Entladediode 231 und Spule 240, wobei in der Schaltung ein Strom iLA(t) fließt, wie
in Fig. 2B durch Pfeile angedeutet. Aufgrund dieses Stromflusses fließt in der Spule 240
gespeicherte Energie in das piezoelektrische Element 10. Entsprechend der Energiezufuhr
an das piezoelektrische Element 10, erhöht sich die in diesem auftretende Spannung und
vergrößern sich dessen Außenabmessungen. Bei erfolgter Energieübertragung von der
Spule 240 an das piezoelektrische Element 10, ist der in Fig. 1 dargestellte und bereits
beschriebene stationäre Zustand der Schaltung wieder erreicht.
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Zu diesem Zeitpunkt bzw. früher oder später (je nach gewünschtem Zeitprofil des
Ladevorgangs), wird Ladeschalter 220 erneut geschlossen und wieder geöffnet, so daß die
vorstehend beschriebenen Vorgänge erneut ablaufen. Aufgrund des erneuten Schließens
und erneuten Öffnens des Ladeschalters 220 erhöht sich die in dem piezoelektrischen
Element 10 gespeicherte Energie (die in dem piezoelektrischen Element 10 bereits
gespeicherte Energie und die neu zugeführte Energie summieren sich), und die an dem
piezoelektrischen Element 10 auftretenden Spannung erhöht sich und dessen
Außenabmessungen vergrößern sich entsprechend.
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Werden das oben erwähnte Schließen und Öffnen des Ladeschalters 220 vielfach
wiederholt, so erfolgt die Erhöhung der an dem piezoelektrischen Element 10 auftretenden
Spannung sowie die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 10 stufenweise.
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Wenn Ladeschalter 220 eine vorgegebene Anzahl von Malen geschlossen und geöffnet
wurde und/oder das piezoelektrische Element 10 den gewünschten Ladezustand erreicht
hat, wird das Laden des piezoelektrischen Elements durch Offenlassen des Ladeschalters
220 beendet.
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In bezug auf den Entladevorgang, werden in dem betrachteten Beispiel die
piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 in Gruppen (G1 und/oder G2) wie nachfolgend
beschrieben entladen:
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Zunächst werden der Gruppenwahlschalter 310 und/oder 320 der Gruppe G1 und/oder
G2, deren piezoelektrische Elemente zu entladen sind, geschlossen (die
Zweigwahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 61 haben keinen Einfluß auf die Auswahl der piezoelektrischen
Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 für den Entladevorgang, da sie in diesem Fall durch die
Dioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 überbrückt werden). Um das piezoelektrische Element
10 als Teil der ersten Gruppe G1 zu entladen, wird daher der erste Gruppenwahlschalter
310 geschlossen.
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Wenn der Entladeschalter 230 geschlossen ist, ergeben sich die in Fig. 2C dargestellten
Verhältnisse: es entsteht eine geschlossene Schaltung umfassend eine Reihenschaltung
bestehend aus dem piezoelektrischen Element 10 und der Spule 240, wobei in der
Schaltung ein Strom iEE(t) fließt, wie in Fig. 2C durch Pfeile angedeutet. Aufgrund dieses
Stromflusses wird die in dem piezoelektrischen Element gespeicherte Energie (ein Teil
davon) in die Spule 240 übertragen. Entsprechend der Energieübertragung von dem
piezoelektrischen Element 10 zur Spule 240, sinkt die an dem piezoelektrischen Element 10
auftretende Spannung und verringern sich dessen Außenabmessungen.
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Wenn der Entladeschalter 230 kurz (beispielsweise, einige µs) nach dem Schließen
öffnet, ergeben sich die in Fig. 2D dargestellten Verhältnisse: es entsteht eine geschlossene
Schaltung umfassend eine Reihenschaltung bestehend aus dem piezoelektrischen Element
10, Kondensator 210, Ladediode 221 und der Spule 240, wobei in der Schaltung ein
Strom iEA(t) fließt, wie in Fig. 2D durch Pfeile angedeutet. Aufgrund dieses Stromflusses
wird in der Spule 240 gespeicherte Energie in den Kondensator 210 rückgeführt. Bei
erfolgter Energieübertragung von der Spule 240 in den Kondensator 210, ist der in Fig. 1
dargestellte und bereits beschriebene stationäre Zustand der Schaltung wieder erreicht.
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Zu diesem Zeitpunkt bzw. früher oder später (je nach gewünschtem Zeitprofil des
Entladevorgangs), wird Entladeschalter 230 erneut geschlossen und wieder geöffnet, so daß die
vorstehend beschriebenen Vorgänge erneut ablaufen. Aufgrund des erneuten Schließens
und erneuten Öffnens des Entladeschalters 230 nimmt die in dem piezoelektrischen
Element 10 gespeicherte Energie weiter ab, und die an dem piezoelektrischen Element
auftretenden Spannung und dessen Außenabmessungen nehmen ebenfalls entsprechend ab.
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Werden das oben erwähnte Schließen und Öffnen des Entladeschalters 230 vielfach
wiederholt, so erfolgt die Abnahme der an dem piezoelektrischen Element 10 auftretenden
Spannung sowie der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 10 stufenweise.
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Wenn Entladeschalter 230 eine vorgegebene Anzahl von Malen geschlossen und geöffnet
wurde und/oder das piezoelektrische Element den gewünschten Ladezustand erreicht hat,
wird das Entladen des piezoelektrischen Elements durch Offenlassen des Entladeschalters
230 beendet.
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Die Wechselwirkung zwischen dem Ansteuerungs-IC E und dem Steuerrechner D
einerseits sowie den Elementen innerhalb des detailliert dargestellten Bereichs A andererseits
erfolgt mit Hilfe von Steuersignalen, die über Zweigwahlsteuerleitungen 410, 420, 430,
440, 450, 460, Gruppenwahlsteuerleitungen 510, 520, Stoppschaltersteuerleitung 530,
Ladeschaltersteuerleitung 540 und Entladeschaltersteuerleitung 550 sowie Steuerleitung
560 Elementen innerhalb des detailliert dargestellten Bereichs A von dem Ansteuerungs-
IC E zugeführt werden. Andererseits werden an den Meßpunkten 600, 610, 620, 630, 640,
650 innerhalb des detailliert dargestellten Bereichs A Sensorsignale erfaßt, die dem
Ansteuerungs-IC E über die Sensorleitungen 700, 710, 720, 730, 740, 750 zugeführt werden.
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Zur Auswahl der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 für die
Ausführung von Lade- bzw. Entladevorgängen einzelner oder mehrerer piezoelektrischer
Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 durch Öffnen und Schließen der entsprechenden Schalter wie
vorstehend beschrieben, werden an die Transistorbasen mittels der Steuerleitungen
Spannungen angelegt bzw. nicht angelegt. Mittels der Sensorsignale erfolgt insbesondere eine
Bestimmung der sich ergebenden Spannung der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und
30, bzw. 40, 50 und 60 anhand der Meßpunkte 600 bzw. 610 sowie der Lade- und
Entladeströme anhand des Meßpunkts 620.
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In Fig. 3 sind einige der in dem Ansteuerungs-IC E enthaltenen Bauelemente angegeben:
Eine Logik-Schaltung 800, Speicher 810, Digital-Analog-Urnsetzerbaustein 820 sowie
Komparatorbaustein 830. Ferner ist angegeben, daß der (für Steuersignale verwendete)
schnelle Parallelbus 840 mit der Logik-Schaltung 800 des Ansteuerungs-IC E verbunden
ist, während der langsamere serielle Bus 850 mit dem Speicher 810 verbunden ist. Die
logische Schaltung 800 ist mit dem Speicher 810, mit dem Komparatorbaustein 830
sowie mit den Signalleitungen 410, 420, 430, 440, 450 und 460; 510 und 520; 530, 540, 550
und 560 verbunden. Der Speicher 810 ist mit der logischen Schaltung 800 sowie mit dem
Digital-Analog-Umsetzerbaustein 820 verbunden. Des weiteren ist der Digital-Analog-
Umsetzerbaustein 820 mit dem Komparatorbaustein 830 verbunden. Darüber hinaus ist
der Komparatorbaustein 830 mit den Sensorleitungen 700 und 710, 720, 730, 740 und
750 und - wie bereits erwähnt - mit der Logik-Schaltung 800 verbunden.
-
Fig. 4 zeigt schematisch einen aus dem Stand der Technik bekannten zeitlichen Ablauf
von Interrupts zum Programmieren des Beginns einer im folgenden näher zu
beschreibenden Haupteinspritzung HE sowie von zwei Voreinspritzungen VE1 und VE2 in
Abhängigkeit vom oberen Totpunkt der Kurbelwelle. Wie aus Fig. 4 zu entnehmen ist,
werden bei einem 6 Zylinder-Motor statische Interrupts bei beispielsweise ca. 78°
Kurbelwelle sowie bei beispielsweise ca. 138° Kurbelwelle erzeugt, durch welche jeweils der
Beginn der Voreinspritzung VE2 sowie der direkt vor der Haupteinspritzung HE
liegenden Voreinspritzung VE1 programmiert werden. Die Enden dieser Einspritzungen
werden sodann aufgrund dynamischer Interrupts programmiert. Es versteht sich, daß die
vorstehenden Kurbelwellenwinkel lediglich beispielhafte Angaben sind. Die Interrupts
können rein prinzipiell auch bei anderen Kurbelwellenwinkeln erzeugt werden. Vorstehend
wurde lediglich die Programmierung von Voreinspritzungen erläutert. In entsprechender
Weise ist jedoch auch mit Nacheinspritzungen zu verfahren, sofern solche vorgenommen
werden.
-
Die Berechnung zur Erkennung von Flankenüberlappungen erfolgt in jedem statischen
und dynamischen Interrupt. Berechnet werden können nur Überlappungen zwischen
Flanken, die zum Zeitpunkt der Interrupts bekannt sind.
-
In jedem Interrupt werden folgende Schritte durchgeführt:
- 1. Die aktuelle Drehzahl n wird ermittelt, diese Drehzahl n wird im gesamten Interrupt
verwendet ("Einfrieren der Drehzahl");
- 2. mit jedem Interrupt werden neue Informationen über Flanken bekannt. Damit nur
aktuelle Informationen paarweise verglichen werden, wird der Informationsstatus
aktualisiert. Bei jedem Interrupt wird daher ein Flag für neue Informationen gesetzt
und geprüft, ob Ansteuerungen, bei denen Flags gesetzt sind, bereits abgearbeitet
sind. In diesem Fall werden die betreffenden Flags gelöscht;
- 3. es folgt eine Bestimmung der Zeitpunkte der Flankenbearbeitung bezogen auf eine
beliebige Referenz, zum Beispiel auf die Referenzzeit t = 0 bei einem
Kurbelwellenwinkel phi = 0°. Dabei werden die bekannten Informationen über Beginnwinkel,
Zeitoffset, Beginn und Dauer unter Berücksichtigung der aktuellen Drehzahl zur
Extrapolation benutzt. Der allgemeine Zusammenhang zwischen Drehzahl n, Winkel
phi und Zeit t ist:
n = (phi/t).c = Gleichung (1),
wobei die Zeit in µ-Sekunden, der Kurbelwellenwinkel phi in °KW gemessen
werden und die Konstante c 166667 (U/min)/(°KW/µs) beträgt;
- 4. die einzelnen Flankenzeitpunkte werden paarweise auf Überlappung untersucht.
Vorteilhafterweise werden nur Paare gemischter Bankzugehörigkeit getestet, da sich
Überlappungen innerhalb derselben Bank aus Applikationsfehlern ergeben. Die
sichere Strategie besteht aber dennoch im Testen jeder denkbaren Flankenpaare;
- 5. jeder Einspritzung wird eine Priorität zugeteilt. Abhängig von System- und
Umgebungsparametern wird jeder Einspritzung eine bestimmte Priorität zugeordnet.
Dadurch wird bei jeder Einspritzpaarung unterschieden zwischen niederprioren und
hochprioren Ansteuerungen. Es wird sichergestellt, daß eine Umschaltung der
Prioritäten während eines Berechnungsablaufs keine negativen Auswirkungen hat. So
können beispielsweise nach der aktuellen Prioritätenkonstellation eine
Überlappungserkennung und Maßnahmen im statischen Interrupt vorgenommen werden,
anschließend können die Prioritäten umgeschaltet werden, also geändert werden. In
den nachfolgenden dynamischen Interrupts dieser Paarung müßte nach neuer
Priorität regiert werden, was im schlimmsten Falle eine Maßnahme gegen die
Ansteuerung einer Einspritzung höherer Priorität (hochpriore Ansteuerung) zur Folge hätte.
Deshalb muß auch bei einer derartigen Umschaltung der Prioritäten die Konsistenz
der Prioritätenzuordnung gewährleistet sein. Vorteilhaft wird dies durch Zuordnung
eines Prioritätensatzes zu jeder Paarung erfüllt. Die Größe des Buffers für
verschiedene Prioritätensätze muß dabei so gewählt werden, daß die maximal mögliche
Anzahl an Änderungen der Prioritätssätze während der gesamten Abarbeitung einer
Paarung gespeichert werden kann. Der Prioritätensatz einer Paarung wird nach ihrer
vollständigen Abarbeitung mit dem aktuellen, durch einen Prioritätenmanager der
elektronischen Ansteuerschaltung vorgegebenen Satz erneuert;
- 6. bei der Untersuchung auf Kollision wird in der Zeitbasis der Abstand des jeweiligen
Beginns der beiden Flanken zueinander ermittelt. Ausgehend von diesem Abstand
kann entschieden werden, ob eine Überlappung vorliegt. Da die Flankenzeitpunkte
auf den Winkeln der Einspritzungen aufbauen, muß hierbei auf 720°KW-Überläufe
besonders geachtet werden. Hierbei ist rein prinzipiell eine Vielzahl von
Realisierungsmöglichkeiten bei der Abstandsberechnung und der Auswertung denkbar. In
der nachfolgend beschriebenen Ausgestaltung des Verfahrens werden 3
Berechnungen vorgenommen.
In Fig. 5 sind die Berechnungen auf der Winkelbasis dargestellt, auf der Abszisse ist
dabei der Wert einer niederprioren Flanke A, auf der Ordinate der Wert einer
hochprioren Flanke B aufgetragen. Die hochpriore Flanke wird nach früh (pre) und nach
spät (post) mit Bereichen "abgesichert". Falls nun eine niederpriore Flanke diesen
Bereich schneidet, liegt eine Kollision vor. Die Bereiche sind in der Abbildung
markiert. Bereiche außerhalb 720°KW = phimax werden entsprechend der Zuordnung in
den zulässigen Bereichen übertragen. Die Ergebnisse der Berechnungen gemäß
folgender Gleichungen:
B - A = Gleichung (2)
B - A - phimax = Gleichung (3)
B - A + phimax = Gleichung (4)
sind im Diagramm in Fig. 2 gekennzeichnet. Überlappungen, die durch die einzelnen
Berechnungen erkannt werden, sind dabei jeweils durch die gleiche Schraffur
gekennzeichnet. In Fig. 5 ist der Zusammenhang auf Winkelbasis erläutert, die
Transformation in den Zeitbereich erfolgt mit der oben erläuterten Gleichung (1). Ein
Beispiel von A = 50° und B = 100° liefert mit Gleichung (2) die Überlappung bei
gegebenen Werten der Verschiebung nach früh (pre) und nach spät (post);
- 7. In Abhängigkeit vom Überlappungsgrad wird der Grad der Verschiebung bzw.
Verkürzung ermittelt. Verschoben wird nach spät derart, daß die niederpriore
Beginnflanke im Abstand eines Zeitvorhalts nach dem voraussichtlichen Ende der
hochprioren Flanke plaziert wird. Beim Verschieben wird die Dauer beibehalten.
Verschoben wird auch der Zeitpunkt des dynamischen Interrupts, der an die
Beginnflanke mit festem Abstand gekoppelt ist. Verkürzt wird derart, daß die niederpriore
Endeflanke nach früh verschoben wird. Der Zeitpunkt der Beginnflanke wird
beibehalten. Die Entscheidung, ob verschoben oder verkürzt wird, hängt davon ab, ob zum
Zeitpunkt der Überlappungserkennung die Beginnflanke bereits abgearbeitet wird.
Wird die Beginnflanke bereits abgearbeitet, wobei hierunter der Beginn des Ablaufs
des Verbrennungsvorgangs verstanden wird, so ist ein Verschieben nicht mehr
möglich, es kann nur noch verkürzt werden. Daraus folgt, daß bei allen Überlappungen
von niederprioren Endeflanken nur verkürzt werden kann, da der Zeitpunkt der
Überlappungserkennung nur im dynamischen Interrupt der niederprioren
Einspritzung liegen kann, diese aber mit der Ausführung der Beginnflanke verbunden ist.
-
Als Beispiel wird in Verbindung mit Fig. 6 eine Verschiebung dargestellt. Die
Überlappung wird mittels der Gleichung (2) erkannt, der resultierende
Überlappungsbetrag tk geht direkt in den Grad der Verschiebung ein. Der Grad der
Verschiebung ist
tk + Zeitvorhalt + Absicherungsbereich post
= Gleichung (5).
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Gleichung (5) gilt auch dann, wenn die Überlappung aus Gleichung (3) oder
Gleichung (4) ermittelt wurde.
-
Für eine Verkürzung der Ansteuerdauer ist in Fig. 6 ein Beispiel dargestellt. Die
Überlappung wird wieder mit Gleichung (2) erkannt, der resultierende
Überlappungsbetrag tk geht auch hier direkt in den Grad der Verkürzung ein. Der Grad der
Verkürzung ist
tk - Zeitvorhalt - Absicherungsbereich pre
= Gleichung (6)
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Gleichung (6) gilt auch dann, wenn die Überlappung aus Gleichung (3) oder
Gleichung (4) ermittelt wurde.
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Neben Primärkollisionen sind auch Sekundärkollisionen möglich.
Sekundärkollisionen ergeben sich zum Beispiel, wenn im statischen Interrupt die niederpriore
Beginnflanke nach spät verschoben wird, diese aber mit der hochprioren Endeflanke
kollidiert. Der Zeitpunkt der Kollisionserkennung liegt dann im dynamischen
Interrupt der hochprioren Ansteuerung. Also muß die niederpriore Beginnflanke bei
dieser Sekundärkollision weiter nach spät verschoben werden. In entsprechender Weise
ist im Falle von Tertiärkollisionen vorzugehen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des
Verfahrens sieht vor, daß nach einer Überprüfung aller Paarungen, die mit der
Erkennung einer Überlappung und zugehöriger Maßnahme endete, ein nochmaliger
Durchlauf aller Paarungen erfolgt, und zwar solange, bis entweder ein
Abbruchkriterium basierend auf der Anzahl der Durchläufe auftritt oder Überlappungsfreiheit
festgestellt wird.
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Bei einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Erkennung von
unerwünschten Überschneidungen der Zeitintervalle, in dem ein piezoelektrisches
Element ge- oder entladen werden soll mit einem Zeitintervall, in dem das andere
piezoelektrische Element ge- oder entladen werden soll durch Berechnung genutzter
Winkelbereiche und Vergleich mit vorgegebenen zulässigen Winkelbereichen, das
heißt kollisionsfreien oder kollisionstoleranten Winkelbereichen.
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Als kollisionsfreier Winkelbereich wird dabei der Winkelbereich verstanden, der von
den verschiedenen Einspritztypen eines Zylinders des Verbrennungsmotors
überstrichen werden darf, ohne daß es zu Überlappungen von Ansteuerungen der Aktoren
kommt. Der kollisionsfreie Winkelbereich wird beispielsweise bei einem 4-Zylinder-
Verbrennungsmotor mit 1-Bank-Struktur durch Division des Wertes 720°
Kurbelwellenwinkel durch die Anzahl der Zylinder, also vier bestimmt. Der kollisionsfreie
Winkelbereich beträgt also bei einer Verbrennungsmaschine dieses Typs 180°
Kurbelwellenwinkel. Als genutzter Winkelbereich wird der vom Beginn der frühesten
Voreinspritzung bis zum Ende der spätesten Nacheinspritzung überstrichene
Kurbelwellenwinkelbereich bezeichnet. Überschreitet nun der genutzte Winkelbereich
den kollisionsfreien Winkelbereich, so überlappt beispielsweise eine späte
Einspritzung eines Zylinders mit einer frühen Einspritzung eines anderen Zylinders auf
derselben Bank. Wie bereits vorstehend erwähnt, darf auf einer Bank nur ein Aktor
gleichzeitig geladen sein, andernfalls ein Ladungsausgleich stattfinden würde, der zu
einer gestörten Ansteuerung führen kann.
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Neben der 1-Bank-Struktur können auch mehrere Zylinder zu einer Bank
zusammengefaßt werden, wobei mehrere Bänke von derselben Versorgungseinheit zum
Laden oder Entladen angesteuert werden. Eine solche Anordnung wird als Quasi-
Mehrbank-Struktur bezeichnet. In diesem Fall wird der Winkelbereich, in dem
Kollisionen von Ansteuerungen auf verschiedenen Bänken durch ein
Flankenmanagement aufgelöst werden können, als kollisionstoleranter Bereich bezeichnet. In
diesem Falle führt eine Überschreitung des kollisionstoleranten plus kollisionsfreien
Winkelbereichs zu gestörten Ansteuerverläufen.
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Am Beispiel einer 6-Zylinder-Verbrennungsmaschine mit Quasi-2-Bank-Struktur
beträgt der kollisionsfreie Winkelbereich 120° Kurbelwellenwinkel und der
kollisionstolerante Winkelbereich ebenfalls 120° Kurbelwellenwinkel. Der gesamte
zulässige Winkelbereich wird nun durch die Summe des kollisionsfreien
Winkelbereichs und des kollisionstoleranten Winkelbereichs bestimmt, im Falle des 6-
Zylinder-Verbrennungsmotors mit Quasi-2-Bank-Struktur entspricht der zulässige
Winkelbereich 240° Kurbelwellenwinkel. Allgemein kann der zulässige
Winkelbereich bei einem Verbrennungsmotor mit Quasi-2-Bank-Struktur durch Division des
Wertes 720° Kurbelwellenwinkel durch die Anzahl der Zylinder multipliziert mit der
Anzahl der Bänke bestimmt werden.
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Kern dieser Ausgestaltung des Verfahrens zum Betrieb einer
Kraftstoffeinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor ist die Berechnung des genutzten Winkelbereichs
und der Vergleich mit dem zulässigen Winkelbereich, das heißt dem kollisionsfreien
oder der Summe aus kollisionsfreiem und kollisionstolerantem Winkelbereich.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens beschrieben.
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In jedem Interrupt werden neue Informationen, die zur Berechnung des genutzten
Winkelbereichs genutzt werden, bekannt. Dabei werden in jedem Interrupt folgende
Schritte durchgeführt:
- 1. Die aktuelle Drehzahl n wird ermittelt, diese Drehzahl wird im gesamten
Interrupt verwendet ("Einfrieren der Drehzahl").
- 2. Mit jedem Interrupt werden neue Informationen über Flanken bekannt. Diese
Informationen werden unter Verwendung der aktuellen Drehzahl n auf die
Winkelbasis umgerechnet.
- 3. Jede neu hinzugekommene Winkelinformation wird in den genutzten
Winkelbereich hineingerechnet. Dabei wird aus der Menge der bekannten
Winkelinformationen eine Minimum-/Maximumauswahl vorgenommen mit dem Ziel, die
zu einem Arbeitsspiel gehörende früheste und späteste Ansteuerflanke zu
ermitteln. Aus den Winkelinformationen der frühesten und spätesten
Ansteuerflanken wird durch Differenzbildung der bekannte genutzte Winkelbereich
ermittelt.
Nach dem dynamischen Interrupt der letzten Nacheinspritzung ist auf diese
Weise der gesamte genutzte Winkelbereich von der frühesten Voreinspritzung
bis zur spätesten Nacheinspritzung bekannt, wobei der allgemeine
Zusammenhang zwischen Drehzahl n Winkel phi und Zeit t oben in Form der Gleichung
(1) bereits erläutert wurde.
- 4. Der bekannte genutzte Winkelbereich wird mit den vorgegebenen
kollisionsfreien und kollisionstoleranten Winkelbereichen verglichen. Bei
Bereichsüberschreitung erfolgt eine Fehlermeldung und eine Quantifizierung der
Bereichsüberschreitung.
- 5. Bei allen Berechnungen wird dabei die Drehzahldynamik mit ihrer Wirkung
vom Berechnungszeitpunkt bis zum Zeitpunkt der Abarbeitung, das heißt der
Ansteuerung der Aktoren berücksichtigt.
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Möglichkeiten zur Reaktion auf eine Fehlermeldung sind nun
- a) eine entsprechende Verschiebung einer niederprioren Einspritzung, so daß der
genutzte Winkelbereich wieder im zulässigen Bereich liegt;
- b) eine Berücksichtigung der Fehlermeldung und des Grades der
Bereichsüberschreitung bei der nächstfolgenden Ansteuerung im gleichen oder ähnlichen
Betriebspunkt.