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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
von Injektoren eines Kraftstoffzumesssystems einer Brennkraftmaschine
gemäß den Oberbegriffen
der jeweiligen unabhängigen Ansprüche.
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In
heutigen Kraftfahrzeugen kommen zunehmend Kraftstoffzumesssysteme
zum Einsatz, bei denen die Kraftstoffdruckerzeugung und die Kraftstoffzumessung
mittels eines Hochdruckspeichers voneinander entkoppelt sind. Sehr
verbreitet sind die sogenannten „Common-Rail-Systeme", bei denen Kraftstoff
mittels Injektoren in die Verbrennungsräume (Zylinder) der Brennkraftmaschine
eingespritzt wird und der vorgenannte Hochdruckspeicher als „Rail" bezeichnet wird.
In diesen Common-Rail-Systemen
wird daher der Einspritzdruck unabhängig von der Motordrehzahl
und der Einspritzmenge erzeugt und steht in dem Hochdruckspeicher
fortlaufend für die
Einspritzung zur Verfügung.
Der jeweilige Einspritzzeitpunkt und die Einspritzmenge werden in
einem elektronischen Motorsteuergerät berechnet und von den jedem
Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordneten Injektoren mittels
geeigneter Ansteuerung einer in einer Einspritzdüse des Injektors angeordneten
Düsennadel
selbst oder eines die Bewegung der Düsennadel steuernden Steuer-
bzw. Schaltventils umgesetzt. Beispielsweise erfolgt die Steuerung
der Düsennadel
bzw. des Schaltventils mittels eines Piezoaktors oder dgl., der
mit der Düsennadel
bzw. dem Schaltventil zusätzlich über einen zwischengeschalteten
hydraulischen Koppler verbunden ist.
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In
den genannten piezo-basierten Einspritzsystemen erfolgt die Betätigung des
genannten Schaltventils mittels des Aktors, und zwar über einen zwischengeschalteten
hydraulischen Koppler. Das Schaltventil moduliert dabei den Druck
in einem hydraulischen Steuerraum, wobei die Druckmodulation wiederum
die Düsennadelbewegung
steuert.
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Für eine präzise Zumessung
von Kraftstoff mittels dieser Injektoren in den jeweiligen Brennraum der
Brennkraftmaschine ist es notwendig, den Hub des Piezoaktors bzw.
den damit verbundenen Hub der Düsennadel
sowie des Schaltventils genau zu kennen, um die Tolerenzen der Einspritzmenge
im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch unter gleichzeitiger
Einhaltung strenger Abgasnormen sowie zur Begrenzung des Geräuschpegels
bei der Verbrennung möglichst
gering zu halten.
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Allerdings
weisen die eingesetzten Piezoaktoren bekanntermaßen ein „Hochlaufverhalten" auf, was bedeutet,
dass sich bei einem fabrikneuen Aktor der Aktorhub bei unveränderter
Ansteuerspannung innerhalb der ersten ca. 10 Millionen Ansteuerungen um
bis zu 10% erhöht.
Zusätzlich
zu dem genannten Hochlaufverhalten kommt es zu entsprechenden Hubdriften
aufgrund von Temperatureinflüssen
oder dgl. Die genannten Drifterscheinungen führen letztlich dazu, dass auch
bei präziser
Ansteuerung der Injektoren mit einer zeitlich konstanten Ansteuerspannung
die den jeweiligen Brennräumen
(Zylindern) der Brennkraftmaschine zugeführte Menge an Kraftstoff nicht
vorhersagbar variiert, d.h. zu entsprechend unpräzisen Mengen an eingespritztem
Kraftstoff führt.
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Die
genannten Effekte sind darüber
hinaus bei jedem Injektor individuell ausgeprägt und bspw. vom jeweiligen
Injektortyp sowie vom über
die Lebensdauer eines jeweiligen Injektors auftretenden Lastverlauf
abhängig.
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Im
Stand der Technik werden die genannten Effekte dadurch kompensiert,
dass bei der Fertigung eines Injektors der jeweilige Aktor einem
Standtest („Stresstest") unterzogen wird,
um das oben genannte „Hochlaufen" des Aktorhubes bereits
in der Fertigung zu provozieren und damit für den im Injektor verbauten
Aktor den genannten Hochlaufeffekt zu minimieren oder sogar ganz
zu eliminieren.
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Vorteile der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend fortzubilden,
dass die genannten Drifterscheinungen möglichst präzise und zuverlässig kompensiert
werden.
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Diese
Aufgabe wird bei einem hier betroffenen Verfahren und einer Vorrichtung
zur Steuerung von Injektoren eines Kraftstoffzumesssystems einer Brennkraftmaschine
durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand
der jeweiligen Unteransprüche.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den jeweiligen Injektor in
wenigstens zwei Steuerungs- oder Regelungsmodi (Betriebsmodi), bevorzugt
einer ladungs- und spannungsbasierten Steuerung oder Regelung, zu
betreiben und dabei den momentanen Betriebsmodus an die aktuelle
Betriebssituation des jeweiligen Injektors (optimal) anzupassen.
Im Betrieb des jeweiligen Injektors wird zur Kompensation der genannten
Erscheinungen daher bevorzugt betriebspunktabhängig zwischen den beiden genannten
Betriebsmodi umgeschaltet.
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Mögliche genannte
Betriebssituationen sind bspw. eine eingangs beschriebene Hochlaufphase, welche
bevorzugt durch die gegenwärtige
Anzahl der bereits erfolgten Ansteuerzyklen eines in dem jeweiligen
Injektor angeordneten Aktors Berücksichtigung findet,
oder die momentane Betriebstemperatur des Injektors bzw. seines
Aktors.
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Die
genannte ladungsbasierte Steuerung oder Regelung erfolgt bevorzigt
mittels einer in der nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung
DE 103 17 654 offenbarten
Ladungsbilanzmessung. Dabei wird bei jeweils fest vorgegebener bzw.
applizierter Ansteuerspannung eines Injektors der durch die Ansteuerspannung
bewirkte Ladungsfluss durch den Injektor erfasst und die Ansteuerspannung
des jeweiligen Injektors in Abhängigkeit
von der daraus bestimmten Ladungsdifferenz adaptiert.
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Bevorzugt
wird mittels eines für
den jeweiligen Injektor vorab ermittelten Kennfeldes (Ladungsmenge über Ansteuerspannung)
die Ansteuerspannung entsprechend verändert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Anwendung des genannten Verfahrens weist Mittel zur Erfassung
wenigstens eines Betriebsparameters des Injektors und zur Umschaltung
zwischen den genannten wenigstens zwei Betriebsmodi in Abhängigkeit
von dem erfassten wenigstens einen Betriebsparameter auf. Bei den
vorgenannten Mitteln kann es sich entweder um eine Steuerelektronik,
einen Steuerrechner oder in einem Motorsteuergerät implementierten Steuercode
handeln.
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Durch
die vorgeschlagene, vom Betriebspunkt abhängige Umschaltung insbesondere
des Ansteuerungsmodus des jeweiligen Injektors wird automatisch
eine für
die jeweilige Betriebssituation optimale Ansteuerung gewählt. Dies
ermöglicht
eine präzise
und zuverlässige
Kompensierung bzw. Eliminierung der vorbeschriebenen Effekte, womit
im Ergebnis die Mengengenauigkeit bei der Ansteuerung der Injektoren
erhöht
wird.
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Die
Erfindung ist bevorzugt in einem eingangs beschriebenen Piezo-Common-Rail-Einspritzsystem mit
den genannten Vorteilen einsetzbar.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend, unter Bezugnahme auf die Zeichnung,
anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
eingehender beschrieben, aus denen weitere Merkmale und Vorteile
der Erfindung hervorgehen.
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Im
Einzelnen zeigen
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1 eine Prinzipdarstellung
eines Teils eines für
den Einsatz der vorliegenden Erfindung geeigneten Common-Rail-Einspritzsystems
gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine schematische, ausschnittweise Darstellung
eines Injektors (Kraftstoffeinspritzventils) für Brennkraftmaschinen im Längsschnitt
gemäß dem Stand
der Technik;
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3 ein Blockschaltbild zur
Illistration einer ladungsabhängigen
Ansteuerung eines in den 1 und 2 gezeigten Injektors; und
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4 ein Blockschaltbild zur
Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der Vorrichtung.
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Beschreibung der Ausführunsgbeispiele
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In
der 1 ist der Hochdruckteil
eines für sämtliche
von der Erfindung umfassten Kraftstoffzumesssysteme stellvertretend
stehenden Common-Rail-Einspritzsystems dargestellt, wobei nachfolgend
nur dessen Hauptkomponenten und solche Komponenten näher erläutert werden,
welche für
das Verständnis
der Erfindung wesentlich sind.
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Die
gezeigte Anordnung weist eine Hochdruckpumpe 10 auf, welche über eine
Hochdruckleitung 12 mit einem Hochdruckspeicher ("Rail") 14 druckleitend
in Verbindung steht. Der Hochdruckspeicher 14 ist über weitere
Hochdruckleitungen mit Injektoren 18 verbunden. In der
vorliegenden Darstellung sind zur Vereinfachung nur eine Hochdruckleitung 16 und
ein Injektor 18 gezeigt. Der Injektor 18 ist in
einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Das dargestellte
Einspritzsystem wird von einem Motorsteuergerät 20 gesteuert. Durch
das Motorsteuergerät 20 erfolgt
insbesondere eine Steuerung des gezeigten Injektors 18.
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An
dem Injektor 18 ist eine Einrichtung 22 zum Speichern
von Informationen angeordnet, mittels derer eine individuelle Steuerung
des Injektors 18 durch das Motorsteuergerät 20 ermöglicht wird. Es
versteht sich, dass in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auch die anderen – hier nicht
gezeigten – Injektoren
eine entsprechende Einrichtung 22 aufweisen. Selbstverständlich kann
auch vorgesehen sein, dass nur einer der Injektoren eine solche
Speichereinrichtung 22 aufweist, die dann ebenfalls von den übrigen Injektoren
genutzt wird. Bei den genannten Informationen handelt es sich vorzugsweise
um Korrekturwerte für
ein bevorzugt im Motorsteuergerät angeordnetes
Mengenkennfeld des Injektors 18. Die Speichereinrichtung 22 kann
bspw. als digitaler Datenspeicher ggf. mit einer alphanumerischen
Verschlüsselung
der Informationen oder dgl., als einer oder mehrere elektrische
Widerstände,
als Barcode, oder auch als eine integrierte Halbleiterschaltung realisiert
sein. Das Motorsteuergerät 20 kann
ebenfalls eine zusätzliche
integrierte Halbleiterschaltung zur Auswertung der in der Einrichtung 22 gespeicherten
Informationen aufweisen.
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Die
von dem jeweiligen Injektor 18 zuzumessende Einspritzmenge
wird abhängig
von dem Betriebspunkt festgelegt. Die Einspritzmenge wird dabei in
erster Linie durch die Einspritzdauer des Injektors sowie den Raildruck
bestimmt, wobei sich die Einspritzdauer als Differenz zwischen dem
Einspritzbeginn und dem Einspritzende ergibt.
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In
der
2 ist ein aus der
DE 100 02 270 C1 hervorgehendes
piezoelektrisch gesteuertes Einspritzventil
101 in größerem Detail
in einer Schnittzeichnung dargestellt. Das Einspritzventil
101 weist eine
piezoelektrische Einheit
104 zur Betätigung eines in einer Bohrung
113 eines
Ventilkörpers
107 axial
verschiebbaren Ventilglieds
103 auf. Das Einspritzventil
101 weist
ferner einen an die piezoelektrische Einheit
104 angrenzenden
Stellkolben
109 sowie einen an ein Ventilschließglied
115 angrenzenden
Betätigungskolben
114 auf.
Zwischen den Kolben
109,
114 ist eine als hydraulische Übersetzung
arbeitende Hydraulikkammer
116 angeordnet. Das Ventilschließglied
115 wirkt
mit wenigstens einem Ventilsitz
118,
119 zusammen
und trennt einen Niederdruckbereich
120 von einem Hochdruckbereich
121.
Eine nur schematisch angedeutete elektrische Steuereinheit
112 liefert
die Ansteuerspannung für
die piezoelektrische Einheit
104, und zwar in Abhängigkeit
vom jeweils herrschenden Druckniveaus im Hochdruckbereich
121.
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Die
in der 3 schematisch
gezeigte Anordnung zur ladungsbasierten Steuerung eines hier betroffenen
Injektors (Einspritzventils) umfasst einen steuerbaren Spannungsgeber 200.
Für die
Ansteuerung des Injektors 205 existieren zwei Betriebsmodi. In
dem einen Betriebsmodus wird der Injektor durch den Spannungsgeber 200 geladen,
in dem anderen Betriebsmodus wird der Injektor entladen. Die Bedeutung
dieser beiden Betriebsmodi wird aus der nachfolgenden Beschreibung
noch deutlicher.
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Mittels
eines Ladungsmessers 210 wird die in den Injektor ein-
bzw. abströmende
Ladungsmenge erfasst. Eine in den Injektor 205 einströmende Ladungsmenge
ergibt sich insbesondere in dem genannten Betriebsmodus "Mode 1", wohingegen eine abströmende Ladungsmenge
im "Mode 2" resultiert. Der
Ladungsmesser 210 ist mit einem Integralbildner 215 verbunden,
der die von dem Ladungsmesser 210 bereitgestellten momentanen
Ladungswerte über
die Zeit aufintegriert und den jeweils sich ergebenden Wert der
Gesamtladungsmenge an einen Zwischenspeicher 220 übergibt.
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Aus
dem Zwischenspeicher 220 wird der gemessene Ladiungswert
an ein Vergleichermodul 235 übergeben und dort mit einem
Sollwert Q_Soll verglichen, der aus der geforderten Sollspannung
U_Soll 195 gebildet wird, indem die Sollspannung 195 über ein
Kennfeld 230 in einen Ladungswert umgerechnet wird. Diesem
Kennfeld liegt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Beziehung
U = Q/C mit C = „effektive
elektrische Kapazität
des Injektors" zugrunde.
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Das
Vergleichermodul 235 berechnet die Differenz Q_Soll – Q_Ist.
Im Falle, dass sich bei dem Vergleich Q_Ist > Q_Soll ergibt, liefert das Vergleichermodul 235 die
Information "Spannungserniedrigung" an ein Steuermodul 240,
welches wiederum mit einem Steueranschluss 245 des Spannungsgebers 200 verbunden
ist. Im Gegensatz dazu liefert das Vergleichermodul 235 im
Falle von Q_Ist < Q_Soll
die Information "Spannungserhöhung" an das Steuermodul 240.
Die Absolutbeträge
der Spannungserniedrigung bzw. Spannungserhöhung ergeben sich aus dem Zusammenhang ΔU = Δ(Q_Ist, Q_Soll)/C.
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Es
ist anzumerken, dass die vorbeschriebene Erfassung und Auswertung
der in den Injektor einfließenden
Ladungsmenge zusammen mit der aus dem Injektor hinausfließenden Ladungsmenge
nur bevorzugt ist sowie die beiden Betriebsmodi des Spannungsgebers 200 nicht
zwingend erforderlich sind.
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Die
in der 4 gezeigte Anordnung
zur erfindungsgemäßen Umschaltung
zwischen einer Ladungssteuerung und einer Spannungssteuerung einer
Piezoendstufe 300 eines Piezoaktors 305 eines hier
nicht gezeigten Injektors umfasst im Bereich eines links dargestellten
Signaleingangs 310 ein erstes Berechnungsmodul 315 zur
Umrechnung des in einem vorbeschriebenen Rail eines Common-Rail-Systems
momentan herrschenden Raildrucks p_Rail in einen entsprechenden
(vorbeschriebenen) Ladungssollwert Q_Soll und gleichzeitig in einen
Spannungssollwert U_Soll. Die Berechnung basiert auf zwei unterschiedlichen
Kennlinien, und zwar einer ersten Kennlinie 320 Q_Soll über p_Rail
und einer zweiten Kennlinie 325 U Soll über p_Rail. Die Kennlinien 320, 325 werden
im Vorfeld empirisch ermittelt.
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Die
beiden Ausgangssignale Q_Soll, U_Soll des ersten Berechnungsmoduls 315 werden
den beiden Eingängen 330, 335 eines
ersten Umschalters 340 zugeführt. Eine dem ersten Umschalter 340 zugeführte Umschaltbedingung "x" 345 stellt in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
die von einem (nicht gezeigten) Zähler bereitgestellte Zyklenzahl bereits
erfolgter Ansteuerungen des Piezoaktors 305 dar. Die Umschaltbedingung 345 kann
jedoch auch auf einem anderen der bereits erwähnten Betriebsparameter beruhen.
Ferner wird bereits an dieser Stelle angemerkt, dass die Umschaltbedingung 345 für sämtliche
Umschalter 340, 395, 405 der Anordnung
identisch ist. Der erste Umschalter 340 schaltet, je nach
vorliegender Umschaltbedingung 345, eines der beiden Signale
Q_Soll, U_Soll ohne Vorzeichenwechsel an einen ersten Verknüpfungspunkt 350 durch.
An diesem Verküpfungspunkt 350 liegen
auch die entsprechenden Ist-Werte Q_Ist und U_Ist an, welche – wie nachfolgend
noch beschrieben – in
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
direkt von der Piezo-Endstufe 300 bereitgestellt werden.
Es versteht sich dabei, dass der Wert Q_Ist, bspw. wie in der 3 beschrieben, ermittelt
wird.
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Hinter
dem ersten Verknüpfungspunkt 350 ist
in an sich bekannter Weise ein Regelglied 355 angeordnet,
und zwar im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ein Proportional-Integral(PI)-Regler.
Mittels des Regelglieds 355 wird die Ansteuerspannung U_Anst 360 auf
einen vorgebbaren Wert geregelt. Zum Zwecke des integralen Regelverhaltens
des Regelglieds 355 wird das Eingangssignal 365 zusätzlich auf
einen nicht das Vorzeichen bestimmenden zweiten Verknüpfungspunkt 370 überführt 375.
Die am Ausgang des Regelglieds 355 in Abhängigkeit
von der genannten Umschaltbedingung 345 ggf. anliegende
Regelgröße Q_neu
wird nun mittels eines zweiten Berechnungsmoduls 380 mittels
einer ebenfalls im Vorfeld empirisch zu ermittelnden Kennlinie 385 für die Aktorspannung
in Abhängigkeit
von der spannungsbedingten Ladungsmenge in eine entsprechende Regelgröße U_neu
umgerechnet.
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Im
Falle des Anliegens bereits der Größe U_neu (in Abhängigkeit
von der Umschaltbedingung 345) wird diese lediglich an
den Ausgang des zweiten Berechnungsmoduls 380 durchgeschleift 390.
Mittels eines zweiten Umschalters 395 wird sichergestellt, dass
entsprechend der Umschaltbedinging 345 das jeweils korrekte
Signal durchgeschaltet wird und schließlich am Eingang 400 der
Piezo-Endstufe 300 zum Zwecke der Ansteuerung des Piezoaktors 305 anliegt.
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Wie
bereits erwähnt,
liefert die Piezo-Endstufe 300 in dem einen Betriebsmodus
entweder unmittelbar U_Ist oder Q_Ist. Mittels eines dritten Umschalters 405 wird,
ebenfalls abhängig
von der Umschaltbedingung 345, entweder U_Ist oder Q_Ist
an den ersten Verknüpfungspunkt 350 durchgeschaltet.
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Es
ist anzumerken, dass die vorbeschriebene Anordnung zur Umschaltung
nur bevorzugt ist und jede andere, dem hier betroffenen Fachmann
geläufige
Art der Umschaltung vom Erfindungsgedanken mit umfasst ist.
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Die
in der 4 gezeigte Anordnung
wird wie folgt betrieben. In der bereits beschriebenen Hochlaufphase
des Aktorhubes des Piezoaktors eines Injektors wird der Aktor mit
konstanter Ladung betrieben, d.h. die dem Aktor zugeführte Ladungsmenge
wird auf einen empirisch vorgebbaren Wert geregelt. Hier wird der
an sich bekannte Effekt zugrunde gelegt, dass der Aktorhub eines
Piezoaktors bei idealer Ladungsregelung unabhängig von der Zahl der erfolgten
Zyklen konstant ist. Obwohl die Ladungsregelung nicht mit der gleichen
Präzision
wie die Spannungsregelung durchzuführen ist, überwiegt der genannte Hochlaufeffekt
in der Hochlaufphase die Toleranzen der Ladungsregelung. Nachdem
der Aktor die Hochlaufphase beendet hat, wird in der vorbeschriebenen
Weise auf die Spannungsregelung umgeschaltet. In dieser Betriebsphase
verändert
sich bzw. driftet der Aktorhub bei konstanter Ansteuerspannung nur
noch geringfügig,
so dass nun die Spannungsregelung die toleranzärmste Art der Ansteuerung darstellt.
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Das
genannte Ende der Hochlaufphase kann in an sich bekannter Weise
mittels eines in Hardware oder Software realisierten Zählers erfasst
werden, wobei der Zähler
bei jedem Ansteuerzyklus des Aktors um "1" hochzählt, und
zwar bis zu einem empirisch festzulegenden Schwellenwert. Ein bevorzugter Schwellenwert
ist 106 Zyklen. In der einfachsten Ausgestaltung schalten die vorbeschriebenen
Umschalter 340, 395, 405 bei Erreichen
des genannten Schwellenwertes von der ladungsbasierten Regelung
auf die spannungsbasierte Regelung um. Alternativ kann vorgesehen
sein, dass die Ansteuerspannung, in Abhängigkeit vom momentanen Zählerstand des
genannten Zählers,
in mehreren Zwischenschritten oder sogar kontinuerlich verändert wird,
um den eingangs genannten Hochlaufeffekt über die geänderte Ansteuerspannung sukzessive
zu eliminieren bzw. zu korrigieren.
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Die
vorbeschriebene Vorgehensweise hat gegenüber der im Stand der Technik
bspw. durchgeführten
driftkompensierenden Änderung
der Ansteuerspannung in Abhängigkeit
von der Anzahl der Ansteuerzyklen den besonderen Vorteil, dass der
exakte Hubverlauf als Funktion der Zyklenzahl nicht bekannt sein
muss. Die genaue Kenntnis dieses Zusammenhangs wäre nämlich erforderlich, wenn man die
Ansteuerspannung kontinuierlich an das Aktorhubvermögen anpassen
würde.
Zudem würde
jede sich zusätzlich
einstellende Toleranz wie bspw. Exemplarstreuungen oder Umwelteinflüsse wie
die Außentemperatur
die Kompensationsgenauigkeit verschlechtern. Dies ist bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ansatz nicht der Fall, da keine Kompensation vorgenommen wird, sondern
eine fortlaufende Regelung der Ladungsmenge.
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Die
vorbeschriebene Anordnung bzw. das dieser Anordnung zugrundeliegende
Verfahren können
entweder in Form einer eigens vorgesehenen Steuerschaltung oder
in Form eines in einem Motorsteuergerät vorgesehenen Steuerprogramms
implementiert werden.