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Stand der
Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Bestimmung der elektrischen Schaltspannung
eines Piezostellers insbesondere eines Injektors eines Kraftstoffeinspritzsystems
einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen
der jeweiligen unabhängigen
Ansprüche.
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In modernen Brennkraftmaschinen werden zunehmend
Einspritzsysteme mit einem Hochdruckspeicher zur Speicherung des
einzuspritzenden Kraftstoffs realisiert, wobei die hochfrequente
Einspritzung selbst mittels eines Piezostellers erfolgt. Ein häufig verwendetes
Hochdruck-Einspritzsystem ist das sogenannte „Common-Rail" (CR)-Einspritzsystem,
bei dem der Hochdruckspeicher durch ein sogenanntes „Rail" realisiert ist.
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Ein solches CR-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine
sowie ein mit einem hier betroffenen Piezosteller ausgestattetes
Einspritzventil bzw. Injektor gehen bspw. aus der
DE 100 32 022 A1 und der
DE 100 02 270 C1 hervor.
Ein solcher Piezosteller weist bekanntermaßen piezoelektrische Elemente auf,
die sich in Abhängigkeit
von einer anliegenden elektrischen Spannung (Ansteuerspannung) ausdehnen
oder zusammenziehen. In einem Einspritzsystem werden solche piezoelektrischen
Elemente häufig
als „Einspritzaktor" bezeichnet. Ein
solcher Injektor dient zur fein regulierbaren Kraftstoffzumessung in
einen jeweiligen Verbrennungsraum bzw. Zylinder der Brennkraftmaschine.
Dabei dient der Piezosteller zur Steuerung der Bewegung einer Düsennadel
des Injektors, wobei entweder die Düsennadel selbst oder ein die
Bewegung der Düsennadel
steuerndes Schaltventil angesteuert wird. Ein solcher Injektor weist
bei Veränderung
der Ansteuerspannung ein typisches, individuelles Verhalten bezüglich der
erzeugten Einspritzmenge auf.
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Die für eine bestimmte Einspritzmenge
erforderliche, meist impulsförmige
Ansteuerspannung eines solchen Piezostellers ist nun in an sich
bekannter Weise von Zustandsgrößen des
Einspritzsystems wie bspw. den im Rail momentan herrschenden Druck
oder der Temperatur des Piezostellers oder anderer Komponenten des
Einspritzsystems abhängig.
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Eine besondere Betriebsgröße eines
solchen Piezostellers stellt die sogenannte Schaltspannung dar.
Diese Schaltspannung ist abhängig
vom Raildruck und den Stellkomponenten des Injektors wie insbesondere
dem Piezokristall, hydraulischer bzw. mechanischer Übersetzer
des Einspritzsystems sowie dem Ventilsitz des genannten Schaltventils. Unterhalb
der Schaltspannung erfolgt noch keine Einspritzung, da die erzeugten
Stellkräfte
nicht ausreichen, um das Schaltventil gegen den Raildruck zu öffnen.
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In der
EP 1 138 911 A1 sind ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Betrieb eines zur Verwendung als Einspritzaktor
in einem vorgenannten Kraftstoffeinspritzsystem vorgesehenen piezoelektrischen Elementes
beschrieben. Eine Hubaktivierung des Piezoelementes erfolgt über dessen
elektrischen Ladungszustand. Dieser Ladungszustand wird über eine
an dem Piezoelement anliegende elektrische Aktivierungsspannung
verursacht, deren Wert in Abhängigkeit
von dem Wert der elektrischen Kapazität des Piezoelementes gewählt wird.
Da die Kapazität des
Piezoelementes mit seiner Temperatur variiert, verändert sich
auch die Aktivierungsspannung mit der Temperatur. In der genannten
Druckschrift wird insbesondere ein Verfahren vorgeschlagen, um die Größe der genannten
Kapazität
auf der Grundlage der genannten Aktivierungsenergie zu ermitteln.
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Der genaue Wert der genannten Aktivierungsspannung,
im Folgenden, wie oben bereits erwähnt, als „Schaltspannung" bezeichnet, ist
nun für jeden
Piezosteller individuell verschieden und kann sich zudem noch über die
Lebensdauer des Piezostellers verändern. Um diese individuelle
Schaltspannung zu bestimmen, wird bereits in der Produktionsphase
zur Herstellung eines Piezostellers eine Einspritzmengenmessung
bei sich verändernder
Ansteuerspannung vorgenommen und der sich dabei ergebende Wert der
Schaltspannung mittels Codierung in ein Steuergerät der Brennkraftmaschine übernommen.
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Im späteren Betrieb der Brennkraftmaschine bzw.
eines entsprechenden Kraftfahrzeuges erfolgt die Bestimmung der
Schaltspannung bspw. anhand der sogenannten Nullmengenkalibrierung,
bei der Drehschwingungen detektiert werden, welche durch eine im
Schubbetrieb der Brennkraftmaschine einsetzende Verbrennung hervorgerufen
werden.
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Die vorgenannten Vorgehensweisen
zur Bestimmung der Schaltspannung erfordern zum Einen einen hohen
Mess- und Zeitaufwand. Zum Anderen stellt sich deren Einsatz im
laufenden Betrieb eines betroffenen Kraftfahrzeuges in Bezug auf
die Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine problematisch dar,
da die Bestimmung nur im Schubbetrieb erfolgen kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine gegenüber den
vorgenannten Lösungen
technisch vereinfachte und schnellere, allerdings gleichzeitig auch
möglichst
präzise
Bestimmung der Schaltspannung eines hier betroffenen Piezostellers ermöglicht wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Die Aufgabe wird gelöst durch
die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der
jeweiligen Unteransprüche.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die
Schaltspannung des Piezostellers mittels einer Ladungs- oder Energiebilanzmethode
an einem einzelnen Injektor zu ermitteln.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Piezosteller zunächst
mit einer elektrischen Ansteuerspannung beaufschlagt und die daraus
resultierende Ladeenergie ermittelt. Im Anschluss daran wird die
Ansteuerspannung wieder reduziert bzw. zurückgenommen und die daraus resultierende
Entladeenergie ermittelt. Aus einem Vergleich der ermittelten Lade-
und Entladenergie wird dann auf die Höhe der Schaltspannung geschlossen.
Es ist anzumerken, dass die genannte Lade- und Entladeenergie physikalisch gleichzusetzen
ist mit der in dem Piezoelement des Stellers aufgrund einer anliegenden
Spannung gespeicherten (Ladevorgang) und wieder abgegebenen (Entladevorgang)
Ladungsmenge.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in einer
ersten Ausgestaltung ein mit dem Piezosteller elektrisch verbundenes
Ladungsmengenerfassungsmodul zur Erfassung der genannten Lade- und Entladenergie,
ein Speichermodul zur Zwischenspeicherung der so erfassten Ladungswerte,
sowie ein Vergleichermodul zur ladungsbilanzierenden Auswertung
der in dem Speichermodul zwischengespeicherten in einem Messzyklus
sich ergebenden Ladungswerte. Ein mit diesen Modulen zusammenarbeitendes
Steuergerät
oder dgl. zur Bereitstellung der Ansteuerspannung für den Piezosteller
ist dabei so auszulegen, dass die Ansteuerspannung, ausgehend von
einem Ausgangswert, bei jedem Messzyklus jeweils um einen Spannungsschritt
inkrementiert und der Piezosteller mit dem sich dabei jeweils ergebenden
Spannungswert beaufschlagt wird. Am Ende jedes Messzyklusses wird
die Ansteuerspannung wieder auf den genannten Ausgangswert abgesenkt. Das
Vergleichermodul bildet die Differenz aus der erfassten Ladungsmenge
bei der Aufladung und der erfassten Entladestrommenge und vergleicht
den dabei sich ergebenden Differenzwert mit einem empirisch vorgegebenen
Schwellenwert. Ist die so berechnete Differenz kleiner oder gleich
dem genannten Schwellenwert, so wird die diesen Werten zugeordnete
Ansteuerspannung als Schaltspannung des Piezostellers bzw. des diesen
enthaltenden Stellverbandes angenommen.
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In einer alternativen Ausgestaltung
weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
ein Leistungserfassungsmodul, welches mit einem Zeitgeber zusammenarbeitet,
um aus den dabei erfassten momentanen Leistungswerten (Messgrößen bspw.
Spannung U, Strom I und Zeitintervall Delta t) gemäß der Beziehung
E = Σ(U·I·Delta_t)
die genannte Lade- bzw.
Entladeenergie E zu berechnen. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit ist
es vorteilhaft, das Zeitintervall Delta_t möglichst klein zu wählen.
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Die Erfindung ermöglicht eine gegenüber dem
Stand der Technik schnellere Ermittlung der individuellen Schaltspannung
eines Piezostellers insbesondere eines vorgenannten Injektors. Denn
wie in der nachfolgenden figurativen Beschreibung noch eingehender
beschrieben, ermöglicht
die Erfindung die Bestimmung der Schaltspannung, ohne dass dabei
eine Einspritzung zu erfolgen hat. Es ist demnach vorteilhaft, dass
dadurch der Zeitbedarf für
die Bestimmung der Schaltspannung erheblich verringert wird, da
keine Verbrennung ausgelöst
werden muss. Die Erfindung ist damit sowohl für den Einsatz in der genannten
Produktionsphase als auch in der genannten späteren Betriebsphase des Piezostellers bzw.
im späteren
Fahrbetrieb eines den Piezosteller aufweisenden Kraftfahrzeuges
geeignet.
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Bei der Herstellung der Injektoren
werden zudem engere Einspritzmengentoleranzen ermöglicht.
Auch können
im laufenden Betrieb einer betroffenen Brennkraftmaschine Driften über die
Lebensdauer der Injektoren durch gezieltes Nachführen der Schaltspannung in
einem Steuergerät
korrigiert werden.
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Auch hinsichtlich der Betriebssicherheit
der Brennkraftmaschine ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorgehensweise
vorteilhaft, da ihre Anwendung nicht an das Bestehen eines Schubbetriebs der
Brennkraftmaschine gebunden ist.
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Die Erfindung ist aus den bereits
genannten und auch nachfolgenden Gründen besonders vorteilhaft
zur Bestimmung der Schaltspannung eines piezoelektrisch betriebenen
Injektors in einem Common-Rail-Einspritzsystem einsetzbar.
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Zeichnung
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
bevorzugter Ausführungsbeispiele
und unter Bezugnahme auf die Zeichnung eingehender erläutert, aus denen
weitere Besonderheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung hervorgehen.
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Im Einzelnen zeigen
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1 eine
vereinfachte Blockdarstellung eines Einspritzsystems gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine
schematische, ausschnittweise Darstellung eines im Stand der Technik
bekannten Kraftstoffeinspritzventils (Injektors) für Brennkraftmaschinen
im Längsschnitt;
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3a,b zwei Diagramme zur Illustration der an
sich bekannten Einspritzung von Kraftstoff mittels eines Piezostellers
in einer Brennkraftmaschine (3a)
und zur Illustration einer erfindungsgemäßen Ladungs-/Energiebilanzierung
zur Bestimmung der Schaltspannung eines solchen Piezostellers (3b); und
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4 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführunsgbeispiele
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Die
1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau eines in der
DE 39 29 747 A1 offenbarten Kraftstoffeinspritzsystems
einer selbstzündenden
Brennkraftmaschine. Die hier nur schematisch angedeutete Brennkraftmaschine
10 erhält von einer
Einspritzeinheit
30 eine bestimmte Kraftstoffmenge zugemessen.
Der momentane Betriebszustand der Brennkraftmaschine
10 wird
mittels Sensoren
40 erfasst und die so erfassten Messwerte
15 an
ein Steuergerät
20 übermittelt.
Diese Messwerte umfassen bspw. die Drehzahl und die Temperatur der
Brennkraftmaschine sowie den tatsächlichen Einspritzbeginn und
evtl. noch weitere Größen
25,
die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine charakterisieren,
wie bspw. die Stellung eines Fahrpedals
25 oder der Umgebungsluftdruck.
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Das Steuergerät 20 berechnet anhand
der Messwerte 15 und der weiteren Größen 25 entsprechend
der vom Fahrer gewünschten
Kraftstoffmenge elektrische Ansteuerimpulse 35, mit denen
ein mengenbestimmendes Glied der Einspritzeinheit 30 beaufschlagt
wird. Als mengenbestimmendes Glied dient dort ein Einspritzventil
(Injektor), welches so aufge baut ist, dass durch die Öffnungsdauer
bzw. die Schließdauer
einer mit einem Piezosteller gesteuerten Düsennadel (2) die einzuspritzende Kraftstoffmenge
festgelegt wird.
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In der
2 ist
ein in der
DE 100
02 270 C1 beschriebenes piezoelektrisch gesteuertes Einspritzventil
(Injektor)
101 in einer Schnittzeichnung dargestellt. Der
Injektor
101 weist einen piezoelektrischen Steller (im
Folgenden „Piezosteller")
104 zur
Betätigung
eines in einer Bohrung
113 eines Ventilkörpers
107 axial
verschiebbaren Ventilglieds (Schaltventil)
103 auf. Der
Injektor
101 umfasst ferner einen an den Piezosteller
104 angrenzenden
Stellkolben
109 sowie einen an ein Ventilschließglied
115 angrenzenden
Betätigungskolben
114.
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
den piezoelektrischen Steller
104 in Abhängigkeit
insbesondere des im Hochdruckbereich
121 vorliegenden Druckniveaus.
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Aus der 3a ist der typische Verlauf der Einspritzmenge
eines in der 2 gezeigten
Injektors 101 in Abhängigkeit
von der Ansteuerspannung eines in dem Injektor angeordneten Piezostellers 104 zu
ersehen. Bis hin zu einer Ansteuerspannung U_Schalt 300 ist
die Einspritzmenge nahezu Null. Für Spannungen U ≥ U_Schalt
steigt die Einspritzmenge sehr rasch an, um ab einer für den Betrieb
des Piezostellers optimalen oberen Spannung U_Opt 305 in den
Bereich einer maximal möglichen
Einspritzmenge m_max 310 überzugehen.
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Die 3b zeigt
eine typische, bei der Erfindung zugrunde gelegte Ladungs/Energieverlustkurve eines
Stellverbandes aus Piezokristall (Aktor), Wegübersetzer 116 und
Schaltventil 103. Damit der Piezosteller 104 den
für eine
Einspritzung erforderlichen Arbeitshub ausführen kann, muss der Aktor bestromt werden.
Dies geschieht üblicherweise
mittels des vorbeschriebenen Steuergerätes 20 der Brennkraftmaschine.
Der Strom kann entweder getaktet oder kontinuierlich in den Aktor
fließen.
Damit der Aktor wieder in den Ausgangszustand zurückkehren
kann, muss der Piezokristall entladen werden.
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Solange die Schaltspannung U_Schalt 300 des
Aktors nicht erreicht ist, fließt
nahezu die gesamte Ladungs- bzw. Strommenge (d.h. elektrische Energie)
beim Entladen wieder in das genannte Steuergerät 20 zurück, da der
in der 2 gezeigte Stellverband
in diesem Betriebsmodus nur einen äusserst geringen Arbeitshub
vollzieht.
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Bei Überschreiten der Schaltspannung U_Schalt 300 ist
die aufgenommene Ladungs- bzw. Strommenge
(Energie) ausreichend, damit der genannte Stellverband den vollen
Arbeitshub (> 30 ... 50μm) ausführen kann.
Beim Entladen des Aktors fließt
in diesem Betriebsmodus demnach deutlich weniger Ladung bzw. Energie
(ca. 40 ... 50%) in das Steuergerät 20 zurück.
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Aus einer Zusammensicht der beiden übereinander
zeitlich synchron dargestellten Diagramme in den 3a und 3b ist
insbesondere zu ersehen, dass die Ladungsmengen- bzw. Strommengenänderung im Bereich der Schaltspannung
U_Schalt 300 sprunghaft erfolgt, wobei im Falle einer Ansteuerung des
Aktors in diesem Sprungbereich die sich ergebende Einspritzmenge
noch vernachlässigbar
ist, da sich die volle Einspritzmenge erst im Bereich der genannten
oberen Ansteuerspannung U_Opt 305 ergibt.
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Durch Bilanzierung der Lade- und
Entladeladung bzw. der über
die jeweilige Messzeit integrierten Lade- bzw. Entladestrommenge
wird schließlich
festgestellt, ob das Schaltventil 103 aufgrund der Ansteuerung öffnet oder
geschlossen bleibt, da erst durch einen tatsächlich erfolgenden Arbeitshub
des Stellventils 103 eine Einspritzung ausgelöst wird.
Durch geeignete Vorgabe von Betriebsparametern wie bevorzugt des
Raildrucks und der Ansteuerdauer lässt sich in der vorbeschriebenen
Weise die Schaltspannung bestimmen, ohne dass bereits eine Einspritzung
zu erfolgen hat. Dadurch erhöht
sich die Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine, da keine Einspritzung
erfolgen kann, weil insbesondere die in der 3b zu ersehende Tatsache ausgenutzt wird, dass
die hydraulische Reaktion des Stellventils 103 gegenüber dem
Zeitpunkt der elektrischen Ansteuerung grundsätzlich mit einem gewissen Zeitversatz erfolgt.
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Die 4 zeigt
ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung
der elektrischen Schaltspannung eines hier betroffenen Piezostellers,
welches auch zur weiteren Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens
dienen soll.
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Ein bereits vorgenanntes Steuergerät 400 einer
zugrundeliegenden Brennkraftmaschine liefert über eine elektrische Zuleitung 410 eine
Ansteuerspannung an einen aus einem Piezosteller 420, einem
Ventilglied 430 und einer Einspritzdüse 440 (Düsennadel)
bestehenden Stellverband 450 eines Injektors. Die Ansteuerspannung
wird, ausgehend von einer Ausgangsspannung U0, welche deutlich unterhalb
der zu erwartenden Schaltspannung U_Schalt 300 liegen sollte,
bei jedem Messzyklus jeweils um einen Spannungsschritt Delta_U inkrementiert
und der genannte Stellverband 450 mit dem sich dabei ergebenden
Spannungswert beaufschlagt. Am Ende jedes Messzyklusses wird die
Ansteuerspannung wieder auf den Anfangswert U0 abgesenkt. Diese Stufenfunktion
der Ansteuerspannung ist in der 4 rechts
oben dargestellt.
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Die aufgrund der am Piezosteller 420 anliegenden
Ansteuerspannung zu Beginn jedes Messzyklusses aus dem Steuergerät 400 in
ein Piezoelement 460 des Piezostellers 420 einfließende (Ladestrommenge)
und am Ende jedes Messzyklusses nach dem Abstellen der Ansteuerspannung
in das Steuergerät 400 wieder
abfließende
(Entladestrommenge) elektrische Ladungsmenge wird in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
mittels eines Ladungsmengenmessers 470 erfasst. Es versteht
sich allerdings, dass die genannten Ladungsmengen durch dem Fachmann
geläufige,
alternative Messmethoden erfasst bzw. ermittelt werden können, bspw.
mittels einer Leistungserfassung, welche mit einem Zeitgeber zusammenarbeitet,
um aus den dabei erfassten momentanen Messgrößen (Leistungswerten) gemäß der an
sich bekannten Beziehung E = Σ(U·I·Delta_t)
die genannte Lade- bzw. Entladestrommenge, bzw. die korrespondierende
Energie E, zu berechnen. Typische Zeitintervalle Delta_t sind in einer
in der 4 rechts unten
dargestellten Ausschnittvergrößerung zu
ersehen. Zur Erhöhung
der Messgenauigkeit wird das in der 4 dargestellte Zeitintervall
Delta t möglichst
klein gewählt.
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Die in einem Messzyklus sich ergebenden Werte
der integralen Ladestrommenge und der integralen Entladestrommenge
werden, zusammen mit den von dem Steuergerät 400 übermittelten
Werte der jeweiligen Ansteuerspannung, in einem Speichermodul 480 zwischengespeichert
und an ein Vergleichermodul 490 übermittelt. Das Vergleichermodul 490 bildet
für jedes
der Wertetripel {U_Ansteuer, Ladestrommenge, Entladestrommenge}
die Differenz (Ladestrommenge – Entladestrommenge)
und vergleicht den dabei sich ergebenden Differenzwert mit einem
empirisch vorgegebenen Schwellenwert, bspw. 0.6. Dieser Schwellenwert
liegt bevorzugt oberhalb des vorgenannten, zu erwartenden Ladungsverlustes
im Bereich von 40 ... 50%. Ist die so berechnete Differenz kleiner
oder gleich dem genannten Schwellenwert, so wird der diesen Werten zugeordnete
Spannungswert U_Ansteuer als Schaltspannung des Piezostellers bzw.
des diesen enthaltenden Stellverbandes angenommen und an das Steuergerät 400 übermittelt.
Andernfalls erfolgt ein weiterer Messzyklus mit einer, wie vorbeschrieben, weiter
inkrementierten Ansteuerspannung, und zwar solange, bis das genannte
Schwellenkriterium erfüllt ist.
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Durch die gestrichelte Linie 500 soll
ferner angedeutet werden, dass die innerhalb dieser Linie enthaltenen
Funktionsbausteine auch in Form eines einzigen Steuergerätes oder
durch entsprechende Codierung eines bestehenden Motorsteuergerätes realisiert
werden können.