EP1381764B1 - Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung eines piezoaktors - Google Patents

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EP1381764B1
EP1381764B1 EP02721984A EP02721984A EP1381764B1 EP 1381764 B1 EP1381764 B1 EP 1381764B1 EP 02721984 A EP02721984 A EP 02721984A EP 02721984 A EP02721984 A EP 02721984A EP 1381764 B1 EP1381764 B1 EP 1381764B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piezoelectric actuator
internal combustion
combustion engine
operating situation
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP02721984A
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English (en)
French (fr)
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EP1381764A1 (de
Inventor
Johannes-Joerg Rueger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1381764A1 publication Critical patent/EP1381764A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2034—Control of the current gradient

Definitions

  • the invention is based on a method or a control unit or a fuel injection system in which a piezoelectric actuator is electrically transferred to change its length by application of an electrical current.
  • US 6,147,433 describes a method and apparatus for charging and discharging a piezoelectric element.
  • the charge current charging the piezoelectric element or the discharge current discharging the piezoelectric element is conducted via a device having inductive properties.
  • a switch provided in the charging circuit or a switch provided in the discharge circuit are repeatedly actuated during the charging or discharging in such a way that the piezoelectric element is brought to a predetermined voltage by a predetermined mean charging or discharging current.
  • the method according to the invention or the devices according to the invention with the characterizing features of the independent claims have the advantage of reducing the noise emissions of the injection system, especially in the operating situations in which these are significantly influenced by the actuation of piezoactuators.
  • the essential advantage is that, especially in common-rail injection systems, especially at high rail pressures, the system behavior, ie the accuracy of the timing and the dosage of injection quantities remain unaffected, ie that just at high speeds or high load of the internal combustion engine, the tolerances to be met with respect to timing and Dosiermengengenaumaschinetechnik be complied with easily.
  • Fig. 1a shows a voltage time diagram. It shows the temporal voltage curve on a piezoelectric actuator, which controls the injection of fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine via a valve. Shown are two principal control curves; During the first activation, within the charging time 1, the voltage U is linearly increased from zero to a value ⁇ U1 which is maintained for a while (eg ⁇ U1 ⁇ 200 V). In the subsequent discharge time 2, the voltage applied to the piezoelectric actuator is again lowered linearly to zero. The second drive has an intermediate level ⁇ U2 (eg ⁇ U2 ⁇ 100 V), to which the voltage is first set within the Loading time 3 is increased.
  • ⁇ U2 eg ⁇ U2 ⁇ 100 V
  • FIG. 1b shows similar voltage profiles with identical voltage levels ⁇ U1 and ⁇ U2.
  • the loading or unloading times 7, 8, 9, 11, 12 and 13 are greater than the loading and unloading times 1 to 6 of FIG. 1a.
  • the amount of time derivatives of the voltage curves in the charging or discharging times is therefore smaller than in Fig. 1a.
  • any of polygons representable Anberichtverrise are conceivable and the above description is transferable accordingly.
  • a control valve controlling the movement of the nozzle needle is not controlled directly, but rather via a hydraulic coupler, as described, for example, in German patent application DE 197 32 802.
  • This coupler essentially has two functions: on the one hand it amplifies the stroke of the piezoelectric actuator and on the other it decouples the control valve from the static temperature expansion of the actuator.
  • the drive voltage which is required to position the control valve correctly and thus to realize a desired injection, is generally heavily dependent on the fuel pressure, in a common rail system on the rail pressure of the fuel. This is explained by the fact that the control valve works against or with the rail pressure, depending on how the switching direction of the valve.
  • the time derivative of the drive voltage U is usually just to be chosen so that the charging or discharging time just corresponds to the time constant of the mechanical system. In this case, the vibration excitation of the system is minimized. From different For reasons, however, it is desirable to keep the charging or discharging time as short as possible, in particular in order to realize the shortest possible activation periods, in order to provide the smallest injection quantities, which is particularly important at high rail pressures. On the other hand, the noise emission increases significantly with the gradient or the time derivative of the voltage curve, since due to the high speed of the actuator movement and the control valve is moved at the appropriate speed. This effect is disturbing in certain operating situations of the internal combustion engine.
  • the term "operating situation” is not to be understood as meaning a specific period of time within a triggering of the piezoactuator, but rather the operating state which generally exists over a plurality of injection cycles, for example idling, which is characterized by low load and low rotational speed.
  • the control according to FIG. 1a is to be used under normal driving conditions under load, for example, while in the operating situation "idling" a control according to FIG. 1b with a shallower driving gradient is to be preferred, especially where the noise caused by the activation of the injection system is relative to makes other vehicle noise noticeable to achieve a reduction in noise emission.
  • FIG. 2 illustrates the method sequence of the activation of a piezoactuator which, for example in a common rail injector, controls the injection of diesel fuel into the combustion chamber of the diesel engine.
  • the target value of the time gradient, which is to be applied to the piezoelectric actuator in the charge / discharge times, is determined as a function of the operating state of the internal combustion engine.
  • the gradient setpoint is determined so that while maintaining the functionality of the injection system, the noise due to the movement of mechanical components of the injection system is minimized.
  • certain threshold values of the rotational speed of the load torque and / or the rail pressure eg rotational speed ⁇ 2000 rpm, the load is less than 10% of the maximum load and the rail pressure is below 500 bar
  • a smooth transition occurs of the gradient setpoint in comparison to the "normal operation”
  • the charging time or discharge time typically (for example at 50% of the maximum load) moves in a range of 80 ⁇ s to 100 ⁇ s, while below the threshold values it assumes values of 100 ⁇ s to 150 ⁇ s.
  • it is checked whether it is the first request of the injection system after switching on. If so, a calculation of a driver signal for a driver, which activates charge / discharge means that can be applied to the piezoelectric actuator, is carried out.
  • the driver signal is calculated so that a sufficient electrical current is fed into the piezoelectric actuator in order to achieve the determined setpoint value of the time gradient or of the charge / discharge time of the voltage to be applied.
  • the drive of the driver which controls the charging / discharging, until the final value to be achieved is the drive electrical voltage is reached at the piezoelectric actuator.
  • the actual value of the time was determined which was necessary to load or unload the piezoelectric actuator to the voltage to be achieved. Subsequently, the query 20 is returned.
  • control deviation i. H. determines the deviation of the last actual value of the time required for the transhipment from the calculated target value and taken into account in the subsequent method step 70 in the calculation of the driver signal for the next transfer of the piezoelectric actuator.
  • the change in control only in certain operating points such as idling is completely sufficient, since only in this the imitated by the injector noise due to the control has significant influence on the overall noise of the drive unit.
  • the overall noise is by far dominated by the combustion noise.
  • the invention is based on the idea not to change the drive gradients or charge / discharge time as before depending on the voltage in order to be able to realize a charge or discharge time in the system time more constant, but in certain operating situations, namely in particular idling, to switch to a shallower gradient.
  • the noise emission can be significantly reduced.
  • idling and the rail pressure is relatively low, so that even with longer loading and unloading times smallest injection quantities can be realized and the tight tolerances to be complied with respect to the injection quantities can be guaranteed.
  • hard switching to smaller gradients may also be provided as soon as one or more of the mentioned threshold values falls below a certain value.
  • the control unit has a control unit 150, which is supplied with operating state variables 210 of the internal combustion engine. These operating state variables are the rotational speed, the load torque, the rail pressure and / or the piezoactuator temperature and / or the fuel temperature and / or further parameters.
  • the control unit 150 determines the setpoint value for the charge / discharge times or the charge / discharge gradients and transmits these to the logic circuit 130.
  • the logic circuit 130 is connected to an actual value determination unit 140 which, as shown in FIG. 3, integrated into the control unit or can be arranged separately, for example, in the immediate vicinity of the loading / unloading 110.
  • the actual value determining unit 140 is connected to the loading / unloading means 110. Via the line 220, the logic circuit 130 of higher-level, non-illustrated engine control units receive a request signal.
  • the logic circuit 130 is connected to a driver 120, which in turn is connected to the charging / discharging means 110, which serve for the time-dependent loading of the piezoelectric actuator 100 with an electrical voltage.
  • the setpoint for the charge / discharge time is determined taking into account the variables speed, load and rail pressure in the control unit 150, which forwards the determined value to the logic circuit 130.
  • This logic circuit 130 computes on a request over the signal line 220, taking into account the actual value of the charging / discharging time or the charging / discharging gradient measured by the actual value determining unit 140, a drive signal.
  • the logic circuit 130 passes on the driver signal to the driver 120, which controls the charge / discharge 110 in order to realize the voltage gradients to be achieved at the piezoelectric actuator 100.
  • FIG. 4 shows a component 131 of the logic circuit 130 shown in the form of a block diagram.
  • the summation node 255 receives the actual value determined by the actual value determination unit 140 or the setpoint value calculated by the control unit 150 , The summation node calculates the control deviation, ie the difference between the setpoint value and the actual value, and supplies this difference to the PI controller 270, that is to say to a proportional amplifier which is connected in parallel with an integrator.
  • the output of the PI controller 270 is connected to a second summing node 275 which adds the output value of the PI controller and the setpoint from the control unit 150.
  • the electrical voltage levels before and after the charging process to be calculated are supplied to a third summation node 285, which calculates their difference and feeds this to a multiplier 295, which in turn derives from the difference and the value supplied via line 300 the capacity of the piezoelectric actuator calculates the charge required for the reloading process.
  • the divider 305 divides the value of the electric received from the multiplier 295 Charge with the value of the charge or discharge time obtained from the summation node 275, so that the information about the current value required for the charge transfer at the piezoelectric actuator can be tapped off at the output 310 of the divider 305.
  • the output 310 of the divider 305 is connected to the driver 120 and is available to drive the charging / discharging means 110 (see FIG.
  • the lines 280, 290 and 300 are either connected to a memory element or memory elements in which the voltage or capacitance values to be retrieved are stored, or they are connected to separate, not shown circuit units, depending on the drive requirement or circuit state Recalculate or set voltage or capacity values.
  • the component 131 implements the method steps 60 and 70 shown in FIG. 2.
  • the charging or discharging time is controlled by a PI controller, the difference between the voltage levels to be bridged and the actuator capacitance determining the associated charging or discharging current.

Landscapes

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine über ein ventilsteuerenden Piezoaktors vorgeschlagen, bei dem die Betriebssituation der Brennkraftmaschine erfasst und die zeitliche Ableitung der am Piezoaktor abgreifbaren elektrischen Spannung in Abhängigkeit von der Betriebssituation gewählt wird. Des Weiteren wird ein Steuergerät zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems vorgeschlagen, bei dem ein Piezoelement so angesteuert wird, dass die zeitliche Ableitung der am Piezoaktor abgreifbaren elektrischen Spannung an die Betriebssituation der Brennkraftmaschine angepasst ist. Ferner wird ein Kraftstoffeinspritzsystem mit mindestens einem Piezoaktor vorgeschlagen, der entsprechend angesteuert wird.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einem Steuergerät bzw. einem Kraftstoffeinspritzsystem, bei dem ein Piezoaktor zur Veränderung seiner Länge durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom elektrisch umgeladen wird.
  • Aus der DE 199 31 235 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden eines Piezoaktors bekannt, bei dem im Leerlauf der Brennkraftmaschine längere Ladezeiten als im Normalbetrieb gewählt werden.
  • Aus der DE 199 21 456 ist Verfahren bekannt, bei dem innerhalb eines Lade- bzw. Entladevorgangs die zeitliche Ableitung der am Piezoaktor anliegenden elektrischen Spannung verändert wird.
  • Die US 6,147,433 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements. Der das piezoelektrische Element ladende Ladestrom bzw. der das piezoelektrische Element entladende Entladestrom wird über ein induktive Eigenschaften aufweisendes Bauelement geführt. Ein im Ladestromkreis vorgesehener Schalter bzw. ein im Entladestromkreis vorgesehener Schalter werden während des Ladens bzw. Entladens derart wiederholt betätigt, dass das piezoelektrische Element durch einen vorgegebenen mittleren Lade- bzw. Entladestrom auf eine vorgegebene Spannung gebracht wird.
    • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, die Geräuschemissionen des Einspritzsystems gerade in den Betriebssituationen zu senken, in denen diese durch die Ansteuerung verwendeter Piezoaktoren signifikant beeinflußt werden. Darüber hinaus besteht der wesentliche Vorteil darin, dass insbesondere bei Common-Rail-Einspritzsystemen, speziell bei hohen Raildrücken, das Systemverhalten, d. h. die Genauigkeit der zeitlichen Ansteuerung sowie die Dosierung der Einspritzmengen unbeeinflußt bleiben, d. h. dass gerade bei hohen Drehzahlen oder hoher Last der Brennkraftmaschine die zu erfüllenden Toleranzen hinsichtlich zeitlicher Ansteuerung sowie Dosiermengengenauigkeit problemlos eingehalten werden.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Verfahren bzw. Vorrichtungen möglich.
    • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1
    zwei Spannungszeitdiagramme,
    Fig. 2
    ein Flußdiagramm,
    Fig. 3
    ein Blockschaltbild und
    Fig. 4
    ein weiteres Blockschaltbild.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Fig. 1a zeigt ein Spannungszeitdiagramm. Es zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf an einem Piezoaktor, der über ein Ventil die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine steuert. Abgebildet sind zwei prinzipielle Ansteuerverläufe; bei der ersten Ansteuerung wird innerhalb der Ladezeit 1 die Spannung U linear von Null auf einen Wert Δ U1 erhöht, der eine Zeitlang aufrechterhalten wird (z.B. Δ U1 ≈ 200 V). In der sich anschließenden Entladezeit 2 wird die am Piezoaktor anliegende Spannung wieder linear auf Null abgesenkt. Die zweite Ansteuerung weist ein Zwischenniveau Δ U2 auf (z.B. Δ U2 ≈ 100 V), auf das die Spannung zunächst innerhalb der Ladezeit 3 erhöht wird. Nach Erreichen dieses Spannungsniveaus wird innerhalb der weiteren Ladezeit 4 die Spannung um den Differenzwert Δ U3 (z.B. Δ U3 ≈ 100 V) erhöht, um erst darauffolgend in zwei Stufen innerhalb der Entladezeiten 5 und 6 wieder auf den Wert Null heruntergefahren zu werden. Die Fig. 1b zeigt ähnliche Spannungsverläufe mit gleichen Spannungsniveaus Δ U1 bzw. Δ U2. Die Lade- bzw. Entladezeiten 7, 8, 9, 11, 12 und 13 sind jedoch größer als die Lade- bzw. Entladezeiten 1 bis 6 aus Fig. 1a. Der Betrag der zeitlichen Ableitungen der Spannungsverläufe in den Lade- bzw. Entladezeiten ist daher kleiner als in Fig. 1a. Grundsätzlich sind beliebige aus Polygonzügen darstellbare Ansteuerverläufe denkbar und die obige Beschreibung entsprechend übertragbar.
  • Bei Einspritzsystemen mit Piezoaktoren wird in der Regel ein die Bewegung der Düsennadel steuerndes Steuerventil nicht direkt, sondern über einen hydraulischen Koppler angesteuert, wie er beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 197 32 802 beschrieben ist. Dieser Koppler hat im Wesentlichen zwei Funktionen: Zum einen verstärkt er den Hub des Piezoaktors und zum anderen entkoppelt er das Steuerventil von der statischen Temperaturdehnung des Aktors. Die Ansteuerspannung, die erforderlich ist, um das Steuerventil korrekt zu positionieren und damit eine gewünschte Einspritzung zu realisieren, ist i. d. R. stark vom Kraftstoffdruck, bei einem Common-Rail-System vom Raildruck des Kraftstoffs, abhängig. Dies erklärt sich dadurch, dass das Steuerventil gegen bzw. mit dem Raildruck arbeitet, je nachdem, wie die Schaltrichtung des Ventils ist. Die zeitliche Ableitung der Ansteuerspannung U ist i. d. R. gerade so zu wählen, dass die Lade- bzw. Entladezeit gerade der Zeitkonstanten des mechanischen Systems entspricht. In diesem Fall wird die Schwingungsanregung des Systems minimiert. Aus verschiedenen Gründen ist es allerdings wünschenswert, die Lade- bzw. Entladezeit so kurz wie möglich zu halten, insbesondere um möglichst kurze Ansteuerdauern zu realisieren, um kleinste Einspritzmengen zur Verfügung zu stellen, was speziell bei hohen Raildrücken von Bedeutung ist. Andererseits nimmt die Geräuschemission deutlich mit dem Gradienten bzw. der zeitlichen Ableitung des Spannungsverlaufs zu, da aufgrund der großen Geschwindigkeit der Aktorbewegung auch das Steuerventil mit entsprechender Geschwindigkeit bewegt wird. Dieser Effekt ist in bestimmten Betriebssituationen der Brennkraftmaschine störend. In diesem Zusammenhang ist mit der Bezeichnung "Betriebssituation" nicht ein bestimmter Zeitabschnitt innerhalb einer Ansteuerung des Piezoaktors zu verstehen, sondern der im allgemeinen über mehrere Einspritzzyklen hinweg vorhandene Betriebszustand wie beispielsweise der Leerlauf, der durch geringe Last und niedrige Drehzahl charakterisiert ist. Die Ansteuerung gemäß Fig. 1a ist beispielsweise im normalen Fahrbetrieb unter Last anzuwenden, während in der Betriebssituation "Leerlauf" eine Ansteuerung gemäß Fig. 1b mit flacheren Ansteuergradienten vorzuziehen ist, um gerade hier, wo sich das durch die Ansteuerung des Einspritzsystems verursachte Geräusch relativ zu anderen Fahrzeuggeräuschen bemerkbar macht, eine Reduktion der Geräuschemission zu erzielen.
  • Fig. 2 illustriert den Verfahrensablauf der Ansteuerung eines Piezoaktors, der beispielsweise in einem Common-Rail-Injektor die Einspritzung von Dieselkraftstoff in den Brennraum des Dieselmotors steuert. Nach dem Einschalten 10 des Motors bzw. Einspritzsystems wird zunächst in der Abfrage 20 abgewartet, ob ein Lade-/Entladevorgang angefordert wird. Falls dies der Fall ist, wird der Betriebszustand des Motors erfaßt (Verfahrensschritt 30). Der Betriebszustand des Motors ist charakterisiert durch die Drehzahl und/oder die Last an der Brennkraftmaschine und/oder durch den Kraftstoffdruck im Einspritzsystem. Weitere charakterisierende Größen können die Temperatur des Piezoaktors, die Temperatur des Kraftstoffs oder weitere Kenndaten sein. Im darauffolgenden Verfahrensschritt 40 wird der Sollwert des Zeitgradienten, der in den Lade-/Entladezeiten an den Piezoaktor anzulegenden elektrischen Spannung in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine ermittelt. Der Gradientensollwert wird dabei so festgelegt, dass unter Beibehaltung der Funktionstüchtigkeit des Einspritzsystems die Geräuschentwicklung aufgrund der Bewegung mechanischer Komponenten des Einspritzsystems minimiert wird. Hierbei wird bei dem Erreichen bestimmter Schwellenwerte der Drehzahl des Lastmoments und/oder des Raildrucks (z. B. Drehzahl < als 2000 Umdrehungen/Min., die Last ist kleiner als 10% der Maximallast und der Raildruck liegt unterhalb 500 bar) ein fließender Übergang des Gradientensollwerts im Vergleich zum "Normalbetrieb" realisiert, so dass unterhalb der genannten Schwellenwerte der Zeitgradient der anzulegenden Spannung kontinuierlich zu kleineren Werten übergeht. Die Ladezeit bzw. Entladezeit bewegt sich dabei typischerweise (z. B. bei 50% der Maximallast) in einem Bereich von 80 µs bis 100 µs, während sie unterhalb der Schwellenwerte Werte von 100 µs bis 150 µs annimmt. In der nachfolgenden Abfrage 50 wird geprüft, ob es sich um die erste Anforderung des Einspritzsystems nach dem Einschalten handelt- Falls ja, erfolgt eine Berechnung eines Treibersignals für einen Treiber, der an den Piezoaktor anlegbare Auf-/Entlademittel ansteuert. Das Treibersignal wird dabei so berechnet, dass ein ausreichender elektrischer Strom in den Piezoaktor eingespeist wird, um den ermittelten Sollwertt des Zeitgradienten bzw. der Lade-/Entladezeit der anzulegenden Spannung zu erzielen. In einem weiteren Schritt 80 erfolgt die Ansteuerung des Treibers, der die Lade-/Entlademittel ansteuert, bis der zu erzielende Endwert der elektrischen Spannung am Piezoaktor erreicht ist. In einem weiteren Schritt 90 wird der Ist-Wert der Zeit ermittelt, die nötig war, um den Piezoaktor auf die zu erzielende Spannung zu laden bzw. zu entladen. Anschließend wird zur Abfrage 20 zurückgekehrt.
  • Falls bei der Abfrage 50 das Ergebnis "Nein" ist, wird in einem Verfahrensschritt 60 die Regelabweichung, d. h. die Abweichung des letzten Ist-Werts der für die Umladung benötigten Zeit vom berechneten Soll-Wert ermittelt und im nachfolgenden Verfahrensschritt 70 bei der Berechnung des Treibersignals für die nächste Umladung des Piezoaktors berücksichtigt.
  • Die Veränderung der Ansteuerung nur in bestimmten Betriebspunkten wie beispielsweise dem Leerlauf, (wie oben durch die angegebenen Schwellenwerte charakterisiert), ist vollkommen ausreichend, da nur in diesen das vom Injektor imitierte Geräusch aufgrund der Ansteuerung signifikanten Einfluß auf das Gesamtgeräusch des Antriebsaggregats hat. Im Teil- oder Vollastbetrieb hingegen wird das Gesamtgeräusch bei weitem durch das Verbrennungsgeräusch dominiert. Dabei liegt der Erfindung die Idee zugrunde, die Ansteuergradienten bzw. Lade-/Entladezeit nicht wie bisher nur spannungsabhängig zu verändern, um eine Lade- bzw. Entladezeit im Bereich der Systemzeit konstanter realisieren zu können, sondern in bestimmten Betriebssituationen, nämlich insbesondere dem Leerlauf, auf einen flacheren Gradienten umzuschalten. Dabei kann die Geräuschemission signifikant verringert werden. Insbesondere beim Leerlauf ist auch der Raildruck relativ niedrig, so dass auch bei längeren Lade- bzw. Entladezeiten kleinste Einspritzmengen realisierbar sind und die einzuhaltenden engen Toleranzen bezüglich der Einspritzmengen gewährleistet werden können.
  • Alternativ zu einem fließenden Übergang des Gradienten bzw. Zeitsollwerts zwischen Normalbetrieb und Leerlaufbetrieb kann auch eine harte Umschaltung zu kleineren Gradienten vorgesehen sein, sobald einer oder mehrere der genannten Schwellenwerte einen bestimmten Wert unterschreiten.
  • Fig. 3 zeigt ein mit einem Treiber 120 und Auf-/Entlademitteln 110 verbundenes Steuergerät 200. Das Steuergerät weist eine Kontrolleinheit 150 auf, der Betriebszustandsgrößen 210 der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Bei diesen Betriebszustandsgrößen handelt es sich um die Drehzahl, das Lastmoment, den Raildruck und/oder die Piezoaktortemperatur und/oder die Kraftstofftemperatur und/oder weiteren Parametern. Die Kontrolleinheit 150 bestimmt den Sollwert für die Lade-/Entladezeiten bzw. die Lade-/Entladegradienten und übermittelt diese der Logikschaltung 130. Die Logikschaltung 130 ist mit einer Ist-Wert-Ermittlungs-Einheit 140 verbunden, die wie in Fig. 3 abgebildet, in das Steuergerät integriert oder aber separat beispielsweise in unmittelbarer Nähe der Auf-/Entlademittel 110 angeordnet sein kann. Die Ist-Wert-Ermittlungs-Einheit 140 ist mit den Auf-/Entlademitteln 110 verbunden. Über die Leitung 220 kann die Logikschaltung 130 von übergeordneten, nicht näher dargestellten Motorsteuergeräten ein Anforderungssignal erhalten. Die Logikschaltung 130 ist mit einem Treiber 120 verbunden, der wiederum mit den Auf-/Entlademitteln 110 verschaltet ist, die zur zeitabhängigen Beaufschlagung des Piezoaktors 100 mit einer elektrischen Spannung dienen.
  • Der Sollwert für die Lade-/Entladezeit wird unter Berücksichtigung der Größen Drehzahl, Last und Raildruck in der Kontrolleinheit 150 bestimmt, die den ermittelten Wert an die Logikschaltung 130 weiterleitet. Diese Logikschaltung 130 berechnet bei einer Anforderung über die Signalleitung 220 unter Berücksichtigung des von der Ist-Wert-Ermittlungs-Einheit 140 gemessenen Ist-Werts der Lade-/Entladezeit bzw. des Lade-/Entladegradienten ein Treibersignal. Die Logikschaltung 130 leitet das Treibersignal an den Treiber 120 weiter, der die Lade-/Entlademittel 110 entsprechend ansteuert, um die zu erzielenden Spannungsgradienten am Piezoaktor 100 zu realisieren.
  • Alternativ können andere Größen als Drehzahllast und/oder Raildruck zur Ermittlung des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine und/oder des Einspritzsystems zur Regelung der Ansteuergradienten in den Umladephasen herangezogen werden.
  • Fig. 4 zeigt einen in Form eines Blockschaltbilds dargestellten Bestandteil 131 der Logikschaltung 130. Über die Leitungen 250 bzw. 260 werden einem Summationsknoten 255 der von der Ist-Wert-Ermittlungseinheit 140 ermittelte Ist-Wert bzw. der von der Kontrolleinheit 150 berechnete Sollwert zugeführt. Der Summationsknoten berechnet die Regelabweichung, d. h. die Differenz von Sollwert mit dem Istwert und führt diese Differenz dem PI-Regler 270, also einem Proportionalverstärker, der mit einem Integrator parallel geschaltet ist, zu. Der Ausgang des PI-Reglers 270 ist mit einem zweiten Summationsknoten 275 verbunden, der den Ausgangswert des PI-Reglers und den Sollwert aus der Kontrolleinheit 150 addiert. Über die Leitungen 280 bzw. 290' werden die elektrischen Spannungsniveaus vor bzw. nach dem zu berechnenden Umladevorgang einem dritten Summationsknoten 285 zugeführt, der deren Differenz berechnet und diese einem Multiplizierer 295 zuführt, der wiederum aus der Differenz und dem über die Leitung 300 zugeführten Wert der Kapazität des Piezoaktors die für den Umladevorgang erforderliche Ladungsmenge berechnet. Der Dividierer 305 dividiert den aus dem Multiplizierer 295 erhaltenen Wert der elektrischen Ladung mit dem aus dem Summationsknoten 275 erhaltenen Wert der Lade- bzw. Entladezeit, so dass am Ausgang 310 des Dividierers 305 die Information über den für den Umladevorgang am Piezoaktor erforderlichen Stromwert abgreifbar ist. Der Ausgang 310 des Dividierers 305 ist dabei mit dem Treiber 120 verbunden und steht diesem zur Ansteuerung der Auf-/Entlademittel 110 (vgl. Fig. 3) zur Verfügung. Die Leitungen 280, 290 und 300 sind entweder mit einem Speicherelement bzw. Speicherelementen verbunden, in denen die zu abzurufenden Spannungs- bzw. Kapazitätswerte abgelegt sind, oder sie sind mit gesonderten, nicht näher dargestellten Schaltungseinheiten verbunden, die je nach Ansteuerungsbedarf bzw. Schaltungszustand die Spannungs- bzw. Kapazitätswerte neu ermitteln bzw. festlegen.
  • Der Bestandteil 131 realisiert die in Fig. 2 dargestellten Verfahrensschritte 60 und 70. Die Lade- bzw. Entladezeit wird über einen PI-Regler geregelt, wobei über die Differenz der zu überbrückenden Spannungsniveaus und die Aktorkapazität der zugehörigen Lade- bzw. Entladestrom bestimmt wird.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Ansteuerung eines die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine über ein Ventil steuernden Piezoaktors, bei dem der Piezoaktor zur Veränderung seiner Länge durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom zumindest teilweise aufgeladen beziehungsweise entladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebssituation der Brennkraftmaschine erfasst (30) und die zeitliche Ableitung der am Piezoaktor (100) abgreifbaren elektrischen Spannung während der Lade-/Entladezeit in einer Betriebssituation mit niedrigem Kraftstoffdruck im Vergleich zu einer Betriebssituation mit höherem Kraftstoffdruck verkleinert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem ein Common-Rail-System und der Kraftstoffdruck der Druck des Kraftstoffs im Rail des Common-Rail-Systems ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, und die zeitliche Ableitung der am Piezoaktor (100) abgreifbaren elektrischen Spannung während der Lade-/Entladezeit in einer Betriebssituation mit niedriger Last und/oder niedriger Drehzahl im Vergleich zu einer Betriebssituation höherer Last beziehungsweise höheren Drehzahl verkleinert wird.
  4. 4 Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Leerlaufs der Brennkraftmaschine die zeitliche Ableitung verkleinert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des am Piezoaktor während des Ladens beziehungsweise des Entladens anliegende elektrische Strom je nach zu erzielender zeitlicher Ableitung eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine eine Dieselbrennkraftmaschine ist.
  7. Steuergerät zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystem mit mindestens einem die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine über ein Ventil steuernden Piezoaktor, bei dem der Piezoaktor zur Veränderung seiner Länge durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom zumindest teilweise auf- beziehungsweise entladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontrolleinheit (150) zur Erfassung der Betriebssituation der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, so dass die zeitliche Ableitung der am Piezoaktor (100) abgreifbaren elektrischen Spannung während der Lade-/Entladezeit in einer Betriebssituation mit niedrigem Kraftstoffdruck im Vergleich zu einer Betriebssituation mit höherem Kraftstoffdruck verkleinert wird.
  8. Kraftstoffeinspritzsystem mit mindestens einem die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine über ein Ventil steuernden Piezoaktor, bei dem der Piezoaktor zur Veränderung seiner Länge durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom zumindest teilweise auf- beziehungsweise entladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontrolleinheit zur Erfassung der Betriebssituation der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, so dass die zeitliche Ableitung der am Piezoaktor (100) abgreifbaren elektrischen Spannung während der Lade-/Entladezeit in einer Betriebssituation mit niedrigem Kraftstoffdruck Drehzahl im Vergleich zu einer Betriebssituation mit höherem Kraftstoffdruck verkleinert wird.
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