Die Erfindung betrifft ein Steuergerät und ein Computerprogramm zum Ansteuern von mindestens einem Kraftstoffventil mit Piezoantrieb einer Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung über ein Kopplungselement.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass bei Kraftstoffventilen mit Piezoantrieb der Nadelhub am Ventilsitz durch auf das Piezoelement als Aktor aufgebrachte Ladung beziehungsweise Spannung eingestellt werden kann. Im Stand der Technik erfolgt die Ansteuerung des Kraftstoffventils üblicherweise nicht durch eine direkte Verbindung zum Aktor, sondern durch ein zwischen den Aktor und das Kraftstoffventil geschaltetes hydraulisches Kopplungselement. Dieses dient dazu, Temperaturdehnungen und Dehnungen infolge von Druckkräften sowie Verschleiß zu kompensieren.

Nachteiligerweise ist das Verhalten dieses hydraulischen Kopplungselements jedoch abhängig von der Periodendauer der Ansteuerung, das heißt insbesondere von der Drehzahl der Brennkraftmaschine, von der Ansteuerdauer des Kraftstoffventils (Einspritzdauer), von der Lastkraft des Kraftstoffventils, welche von dem Druck in einem Kraftstoffspeicher abhängt, und von der Dämpfungskonstante des hydraulischen Kopplungselementes, welche nicht zuletzt von der Temperatur des verwendeten Hydraulikmediums abhängt.

Abhängig von den oben genannten negativen Einflüssen stellt sich während des Betriebs des hydraulischen Kopplungselementes ein sogenannter "stationärer Hubverlust" ein, welcher, wenn er unberücksichtigt bleibt, zu einer fehlerhaften Ansteuerung des Kraftstoffventils führt. Genauer gesagt kann er zu einer fehlerhaften Einstellung des Nadelhubs des Kraftstoffventils und damit zu einer falschen Einstellung der Einspritzmenge des Kraftstoffventils führen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, ein bekanntes Steuergerät zum Ansteuern eines Kraftstoffventils über ein Kopplungselement und ein Computerprogramm für ein derartiges Steuergerät so weiterzubilden, dass sie eine präzisere Ansteuerung des Kraftstoffventils ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Demnach wird die Aufgabe für das bekannte Steuergerät insbesondere dadurch gelöst, dass es ausgebildet ist, einen stationären Hubverlust als eine für das Kopplungselement charakteristische Fehlergröße bei der Ansteuerung des Kraftstoffventils zu kompensieren.

Vorteilhafterweise wird durch diese Kompensation erfindungsgemäß sichergestellt, dass der stationäre Hubverlust keine negativen Auswirkungen auf die Genauigkeit der Ansteuerung des Kraftstoffventils hat. Eventuelle aus dem stationären Hubverlust resultierende Fehler beziehungsweise Ungenauigkeiten werden erfindungsgemäß durch das Steuergerät im Vorfeld einer Ansteuerung kompensiert.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorteilhaft, die Auswirkungen des stationären Hubverlustes als Fehlergröße auf den Hub des Kraftstoffventils und/oder auf die Einspritzmenge in die in dem Steuergerät abgelegten Formeln, Kennlinien oder Kennfeldern zur Ansteuerung des Kraftstoffventils einzurechnen. Durch das Verrechnen des Koppelverhaltens in die Ansteuerparameter des Kraftstoffventils werden die Auswirkungen des stationären Fehlers aufgrund von Drehzahl, Einspritzzeit, Systemdruck oder Ventiltemperatur auf den Nadelhub und/oder die Einspritzmenge minimiert. Der Ventilhub und die Einspritzmenge können also genauer eingestellt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Steuergerätes sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die oben genannte Aufgabe.wird weiterhin durch ein Computerprogramm für ein Steuergerät gelöst. Die Vorteile dieses Computerprogramms entsprechen den oben unter Bezugnahme auf das Steuergerät genannten Vorteilen.

Der Erfindung sind insgesamt drei Zeichnungen beigefügt, wobei

Figur 1

ein hydraulisches Kopplungselement;

Figur 2

den zeitlichen Zusammenhang zwischen vorgenannten Einspritzungen und der Größe des Spaltes des Kopplungselementes; und

Figur 3

ein Steuergerät gemäß der Erfindung

Figur 1 zeigt die der Erfindung zugrunde liegende Anordnung von einem Steuergerät 50, einem Piezoantrieb 100 zur Ansteuerung eines Kraftstoffventils 300 nach Maßgabe durch Einspritzbefehle, ausgegeben von dem Steuergerät 50. In Figur 1 ist zu erkennen, dass der Piezoantrieb 100 nicht unmittelbar auf das Kraftstoffventil 300 einwirkt, sondern dass zwischen diese beiden Komponenten ein hydraulisches Kopplungselement 200 geschaltet ist. Dieses hydraulische Kopplungselement dient zur Kompensation von Temperaturdehnungen und Dehnungen infolge von Druckkräften sowie zur Kompensation von Verschleiß.

Figur 2 zeigt eine Detailansicht eines derartigen Kopplungselementes 200. Es ist zu erkennen, dass das Kopplungselement im Wesentlichen durch eine Kolben-Zylinder-Anordnung gebildet wird, wobei der Kolben das Bezugszeichen 220 und ein Zylinder zur Führung des Kolbens das Bezugszeichen 210 hat. Der Kolben 220 wird in dem mit einer Hydraulikflüssigkeit 220 gefüllten Zylinder 210 geführt. Von dem Piezoantrieb 100 ausgegebene Kräfte zur Einstellung des Kraftstoffventils 300 werden gemäß Figur 2 zunächst auf den Kolben 220 und von diesem über die Hydraulikflüssigkeit 230 auf den Führungszylinder 210 übertragen, bevor sie von dort an das Kraftstoffventil 300 weitergeleitet werden. Zur Realisierung einer bidirektionalen Kraftübertragung zwischen Piezoantrieb 100 und Kraftstoffventil 300 ist das Kopplungselement 200 in seinem Inneren vorzugsweise evakuiert.

Wie bereits einleitend erwähnt, ist das Verhalten des hydraulischen Kopplungselementes 200 von zahlreichen oben genannten Einflussfaktoren abhängig, welche dazu führen, dass sich während des Betriebs des Kopplungselementes 200 ein sogenannter stationärer Hubverlust einstellt. Dieser stationäre Hubverlust ist in Figur 2 mit dem Bezugszeichen h_v.stat bezeichnet. Er repräsentiert den Wegfehler, welcher durch die Zwischenschaltung des Kopplungselementes bei der Ansteuerung des Kraftstoffventils 300 durch den Piezoantrieb 100 aufgrund der genannten Einflüsse entstehen kann.

In Figur 3 ist allgemein das Verhalten des Kopplungselementes 200 während seines Betriebs sowie der stationäre Hubverlust als Fehler grafisch dargestellt. In Figur 3 repräsentieren die auf dem unteren Zeitstrahl dargestellten schwarzen Rechtecke die Ansteuerungen des Piezoantriebs 100 durch das Steuergerät 50 und demzufolge auch die Einspritzungen E. Die Zwischenräume zwischen den Einspritzungen repräsentieren die jeweiligen Ansteuerpausen beziehungsweise die Befüllungen B. Aus der Grafik in Figur 3 ist ersichtlich, dass der Koppelspalt KS, auf der Ordinate aufgetragen, jeweils während der Ansteuerzeiten aufgrund des von dem Piezoantrieb 100 ausgeübten Druckes auf den Kolben 220 deutlich abfällt, um dann jeweils in den nachfolgenden Ansteuerpausen wieder mit einer e-Funktion anzusteigen. Diese jeweiligen Anstiege resultieren daher, dass während der Ansteuerpausen kein Druck von dem Piezoantrieb auf den Kolben 220 und damit auf die Hydraulikflüssigkeit 230 ausgeübt wird. In Figur 3 ist weiterhin zu erkennen, dass sich nach einer gewissen Betriebsdauer der bereits erwähnte stationäre Hubverlust h_V.stat einstellt.

Der stationäre Hubverlust h_V.stat lässt sich mathematisch wie folgt berechnen:$${\mathrm{h}}_{\mathrm{v}\mathrm{.}\mathrm{stat}}\mathrm{=}\frac{{\mathrm{t}}_{\mathrm{i}}\mathrm{\cdot }{\mathrm{F}}_{\mathrm{S}}}{{\mathrm{r}}_{\mathrm{k}}}\mathrm{\cdot }\frac{{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}\frac{{\mathrm{c}}_{\mathrm{v}}}{{\mathrm{r}}_{\mathrm{k}}}\mathrm{•}{\mathrm{t}}_{\mathrm{B}}}}{\mathrm{1}\mathrm{-}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}\frac{{\mathrm{c}}_{\mathrm{v}}}{{\mathrm{r}}_{\mathrm{k}}}\mathrm{•}{\mathrm{t}}_{\mathrm{B}}}}$$ wobei

r_k

die Dämpfungskonstante des Kopplungselementes [N/(m/s)];

t_i

die Ansteuerzeit;

F_S

die Schaltkraft;

c_v

die Steifigkeit des Ventils;

t_B

die Dauer der Ansteuerpause (Befüllphase); und

h_v._stat

den stationären Hubverlust

Dieser stationäre Hubverlust zeigt sich darin, dass es bei fortgesetztem Betrieb des Kopplungselementes dem Kopplungsspalt KS nicht mehr gelingt, sich während der Ansteuerpausen B der Brennkraftmaschine vollständig zu regenerieren, das heißt, wieder auf seinen ursprünglichen Wert h₀ anzuwachsen. Diese ursprüngliche Position h₀ repräsentiert einen Abstand des Kolbens 220 von der Bodenfläche des Zylinders 210, siehe Figur 2. Aufgrund des stationären Hubverlustes kehrt der Kolben 220, wie gesagt, nicht mehr auf seinen ursprünglichen Abstand h₀ vom Boden des Zylinders 210 zurück, sondern vielmehr schafft er es während der Ansteuerpause B lediglich, sich um einen Weg von h₀ - h_V.stat von dem Boden des Zylinders 210 zu entfernen; wenn er diese Position erreicht hat, ist die Ansteuerpause Brennkraftmaschine bereits wieder beendet. Der Kolben 220 wird dann durch eine erneute Ansteuerung durch das Piezoelement 100 dazu veranlasst, seine Bewegungsrichtung umzukehren und sich wieder dem Boden des Zylinders 210 zu nähern, was in einer schnellen Verkürzung des Koppelspaltes KS resultiert.

Wird dieser stationäre Hubverlust des Kopplungselementes 200 bei der Ansteuerung des Kraftstoffventils 300 nicht berücksichtigt, so führt dies zu Fehlern bei der Ansteuerung; genauer gesagt zu einer unpräzisen Ansteuerung.

Um derartige, aus dem stationären Hubverlust des Kopplungselementes 200 resultierende Fehler bei der Ansteuerung des Kraftstoffventils 300 zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, diesen stationären Hubverlust bei der Ansteuerung zu kompensieren. Genauer gesagt kann dieser stationäre Hubverlust bei der Einstellung des Hubs des Kraftstoffventils und/oder bei der Einstellung von dessen Einspritzzeit berücksichtigt werden. Vorteilhafterweise ist der bekannte stationäre Hubverlust h_V.stat des verwendeten Kopplungselementes 200 bereits in den in einem Speicherelement 52 des Steuergerätes hinterlegten Formeln, Kennlinien oder Kennlinienfeldern zur Ansteuerung des Kraftstoffventils 300 berücksichtigt.

Die Ansteuerung des Piezoantriebs 100 und des Kraftstoffventils 300 erfolgt vorzugsweise nach Maßgabe durch ein in dem Steuergerät 50 hinterlegten Computerprogramm. Dieses Computerprogramm wertet regelmäßig die in dem Speicherelement 52 hinterlegten Formeln und Kennlinien zur Ansteuerung des Kraftstoffventils aus. Das Computerprogramm ist erfindungsgemäß so ausgebildet, dass es den stationären Hubverlust bei der Ansteuerung des Kraftstoffventils berücksichtigt.

Das Computerprogramm kann gegebenenfalls zusammen mit weiteren Computerprogrammen zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 50 auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert werden. Bei dem Datenträger kann es sich um eine Diskette, eine Compact-Disc, einen Flash-Memory oder dergleichen handeln. Der auf dem Datenträger abgespeicherte Programmcode kann dann als ein Produkt an einen Kunden verkauft werden.

Außerdem ist es möglich, dass das Computerprogramm, gegebenenfalls zusammen mit weiteren Computerprogrammen ohne die Zuhilfenahme eines elektronischen Speichermediums über ein elektronisches Kommunikationsnetzwerk, insbesondere das Internet als Produkt an einen Kunden übertragen und verkauft wird.