DE10035814A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines Einspritzventils zur Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren zur Ansteuerung eines Einspritzventils zur Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor

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Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines Einspritzventils zur Kraftstoffeinspritzung in einem Verbrennungsmotor vorgeschlagen, bei dem das Ansteuersignal zur Bildung einer vorgegebenen kleinsten kontrollierbaren Kraftstoffmenge derart ausgebildet ist, daß das eine Schaltventil (5) einen Öffnungsquerschnitt (8) mehr oder weniger weit freigibt. Je höher die Drehzahl ist, um so größer wird der Öffnungsquerschnitt (8) ausgebildet, um die geförderte Kraftstoffmenge abzubauen bzw. um die eingespritzte Menge möglichst klein und genau zu dosieren. Bei niedriger Drehzahl wird der Öffnungsquerschnitt (8) entsprechend geschlossen. Die Regelung erfolgt mit einem Aktor (2), der ein piezoelektrisches Element aufweist. Dadurch ist es möglich, das Ansteuersignal mittels einer Ansteuerspannung (Ua) zu bilden und das Schaltventil (5) in beliebige Zwischenstellungen zur Bildung variabler Öffnungsquerschnitte (8) zu bringen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ansteuerung eines Einspritzventils zur Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Verfahren zur Ansteuerung von Einspritzventilen für die Kraftstoffeinspritzung sind schon bekannt. Beispielsweise wird bei der Direkteinspritzung das Einspritzventil bei einer Pumpe-Düse-Einheit von einem elektromagnetisch angetriebenen Aktor gesteuert. Ungünstig ist dabei, daß das von dem Aktor angetriebene Schaltventil nur 2 Endstellungen einnehmen kann. Das Schaltventil kann somit lediglich den Steuerkanal für die Kraftstoffzufuhr öffnen oder schließen. In vielen Fällen, insbesondere im unteren Drehzahlbereich kann damit die einzuspritzende Kraftstoffmenge hinreichend genau gesteuert werden. Bei hoher Drehzahl nimmt jedoch die geförderte Kraftstoffmenge in hohem Maße zu und kann durch konstruktive Maßnahmen nicht in gewünschtem Maße reduziert werden. Dadurch entsteht neben einem erhöhten Verbrauch auch eine ungünstige Zusammensetzung des Abgases.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung eines Einspritzventils zur Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß auch bei hohen Drehzahlen eine gewünschte kleinste kontrollierbare Menge an Kraftstoff einspritzbar ist. Das wird vorteilhaft dadurch erreicht, daß der Öffnungsquerschnitt für den Kraftstoffrücklauf zwischen den beiden Endstellungen des Schaltventils beliebig eingestellt werden kann. Dadurch ergibt sich die Wirkung einer veränderbaren Drossel, über die die Einspritzmenge steuerbar ist.
Durch die in den Ansprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß das Ansteuersignal für den Aktor in Abhängigkeit von der Motordrehzahl formbar ist. So kann die Ansteuerspannung bei niedriger Drehzahl so hoch gewählt werden, daß das Schaltventil fest an seinem Ventilsitz aufliegt, so daß kein Kraftstoff zurückfließen kann. Andererseits wird das Schaltventil mit steigender Drehzahl vom Ventilsitz abgehoben, so daß mehr oder weniger viel Kraftstoff austreten kann. Auf diese Weise kann der Öffnungsquerschnitt in Abhängigkeit von der Motordrehzahl angepaßt werden.
Als besonders geeignet erscheint dazu ein Aktor mit einem piezoelektrischen Material, der sich in Abhängigkeit von der angelegten Ansteuerspannung in seiner Länge ändert. So kann die Längenänderung mittels eines hydraulischen Kopplers übersetzt und zur Steuerung des Schaltventils vorteilhaft verwendet werden.
Günstig ist weiterhin, die Ansteuerspannung stufenweise zu verändern, um ein Schwingen des Schaltventils und damit eine Unsicherheit in der Einspritzmenge zu vermeiden. Insbesondere wird das Schwingen vermieden, wenn das Schaltventil für eine vorgegebene Zeitspanne in einer Zwischenstellung gehalten wird, bevor die Ansteuerspannung geändert wird, um das Schaltventil in eine weitere Zwischenstellung oder die Sollstellung für den Betrieb mit geöffnetem Schaltventil zu bringen.
Um nach Erreichen der maximalen Ansteuerung und damit einem Aufsetzen des Schaltventils auf Ventilsitz die Fördermenge zu erhöhen, wird vorteilhaft die Anschaltdauer der Ansteuerspannung verlängert, da der Förderbeginn nach Erreichen des Aufsetzens des Schaltventils auf den Ventilsitz startet, kann durch Verlängern der angelegten Ansteuerspannung die Einspritzdauer verlängert und die Einspritzmenge somit vergrößert werden.
Als besonders günstig wird angesehen, wenn dieser Einspritzzyklus bei einer Mehrfacheinspritzung angewendet wird, so daß sich ein einfacher Programmablauf ergibt. Auf diese Weise können sehr einfach bspw. Vor-, -Haupt- und Nacheinspritzungen gesteuert werden.
Die Anwendung des Verfahrens bei einem Einspritzventil mit einer mechanisch angetriebenen Pumpeneinheit ergibt eine hohe Flexibilität in der Steuersystematik, insbesondere wenn die Steuerung in Form eines Softwareprogramms realisiert ist.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Schnittbild eines Einspritzventils, Fig. 2 zeigt ein Diagramm für eine Ansteuerspannung bei einer Einfacheinspritzung, Fig. 3 zeigt ein zweites Diagramm für eine Ansteuerspannung und die Fig. 4.1 bis 4.4 zeigen Diagramme für eine Mehrfacheinspritzung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Einspritzventils 1 einer Pumpe-Düse-Einheit (PDE), bei der ein piezoelektrischer Aktor 2 über einen hydraulischen Koppler 4 ein Schaltventil 5 steuert. Beim Anlegen einer Ansteuerspannung Ua an die Klemmen +, - an den Aktor 2 bewegt sich bei befülltem Koppler 4 das Schaltventil 5 zwischen zwei Endstellungen, wobei der Abstand des Schaltventils 5 zu einem Ventilsitz 7 den Querschnitt für den Kraftstoffrücklauf bildet. Diese Querschnittfläche bildet eine Drossel, über die mehr oder weniger unter Hochdruck stehender Kraftstoff abfließen kann. Der Hochdruck P1 wird von einer Pumpeneinheit 6 erzeugt, die vorzugsweise mittels eines Pumpenstößels A mechanisch angetrieben wird. Durch den von der Pumpeneinheit 6 erzeugten Hochdruck entsteht an einer Düsennadel 3 eine hohe Kraft, die gegen einen Federdruck die Düsennadel nach oben schiebt und dabei die Düsenöffnung freigibt, so daß der Kraftstoff austreten kann. Ist der Hochdruck P1 abgefallen, schließt die Düsennadel 3 automatisch die Ventilöffnung, so daß die Einspritzung dann unterbrochen ist. Durch die Steuerung des Öffnungsquerschnitts 8 mit Hilfe der Ansteuerspannung Ua gelingt es, eine kleinste kontrollierbare Menge an Kraftstoff über den gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors zu steuern. Eine Ansteuerung des Aktors 2 mit einer Ansteuerspannung Ua, die beispielsweise dreieck-, sinusförmig oder mit ähnlichen Funktionen aufgebaut ist, bringt nur bei niedrigeren Drehzahlen zufriedenstellende Ergebnisse bezüglich der kleinsten kontrollierbaren Menge (KKM). Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Ansteuerspannung entsprechend den Diagrammen der Fig. 2 bis 4 zu modifizieren, um auch im oberen Drehzahlbereich eine sehr kleine kontrollierbare Menge einzuspritzenden Kraftstoffs zu ermöglichen. Natürlich sind die in den Zeichnungen angegebenen Ansteuerkurven auch modifizierbar, um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erlangen.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Idee zugrunde, bei großen Drehzahlen die Pumpeneinheit 6 so anzusteuern, daß das Schaltventil 5 nicht am Ventilsitz 7 anliegt, sondern einen gewissen Öffnungsquerschnitt 8 mit dem Ventilsitz 7 bildet. Das Schaltventil 5 befindet sich im sogenannten ballistischen Betrieb und bildet einen Drosselquerschnitt, der für einen zur Einspritzung erforderlichen Druckaufbau ausreichend klein ist. Somit kann eine schnellere Absteuerung bzw. Spritzende erreicht und damit auch kleinere Einspritzmengen realisiert werden. Allerdings ist zur Bildung einer definierten Einspritzmenge erforderlich, daß sich das Schaltventil 5 frei schwebend in einer festen Zwischenposition befindet, um die Einspritzmenge mit hinreichender Genauigkeit zu gewährleisten.
Fig. 2 zeigt nun ein Spannungsdiagramm für die Ansteuerspannung Ua in Abhängigkeit von der Zeit t. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Ansteuerspannung von einem Wert U0 zum Zeitpunkt t0 auf die Spannung U1 zum Zeitpunkt t1 angehoben. Das Schaltventil 5 geht dadurch in eine Zwischenstellung auf ein erstes Niveau und verharrt dort bis zum Zeitpunkt t2. Die Zeitdauer t2 - t1 ist erforderlich, um ein Schwingen des Schaltventils 5 während der Bewegung zu verhindern (Beruhigungsphase). Durch das Niveau 1 bildet das Schaltventil 5 mit dem Ventilsitz 7 einen ersten Querschnitt, über den der unter dem Hochdruck P1 stehende Kraftstoff noch teilweise abfließen kann. Je weiter sich nun das Schaltventil 5 in Richtung auf den zweiten Sitz 7 hinbewegt, um so höher steigt der Druck P1 im Hochdruckkanal, bis es schließlich zum Einspritzvorgang kommt.
Nach der Beruhigung der Ventilnadel des Schaltventils 5 wird die Ansteuerspannung für den Aktor 2 auf den Wert U2 erhöht, so daß das Schaltventil 5 auf den Ventilsitz 7 aufsetzt. Der Öffnungsquerschnitt 8 ist dann zu 0 geworden. Die Einspritzung erfolgt zwischen den Spannungswerten U1 und U2 bzw. zwischen den Zeiten t2 und t3. Die Ansteuerspannung UA wird nun zurückgenommen, bis sie zum Zeitpunkt t4 auf den Wert 0 fällt. Dadurch öffnet sich der Öffnungsquerschnitt 8, so daß aufgrund des auftretenden Druckabfalls und des nachlassenden Pumpendrucks der Einspritzvorgang beendet wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Steuerkurve der Ansteuerspannung Ua zeigt Fig. 3. Bis zum Zeitpunkt t2 ist der Ablauf identisch mit dem der Fig. 2. Die Ansteuerspannung wird zunächst auf ein erstes Niveau U1 angehoben und dann auf den Wert U2 zum Zeitpunkt t2 erhöht und bildet das zweite Niveau b, das über dem ersten Niveau a liegt. Im zweiten Niveau b liegt das Schaltventil 5 bereits auf dem Ventilsitz 7 an. Wird die Spannung erhöht, bspw. auf den Wert U3 (Position c) dann wird das Schaltventil 5 noch fester auf den Ventilsitz 7 gepreßt. Bei weiterer Erhöhung bspw. bis zur Spannung U4 ist der Öffnungsquerschnitt 8 vollkommen geschlossen und auf die Ventilnadel bzw. den -sitz wirkt eine Dichtkraft, die durch den Kopplerdruck und die Ventilfläche bestimmt wird. Dieser Betriebszustand ist bevorzugt für den unteren Drehzahlbereich vorgesehen. Soll nun die Fördermenge vergrößert werden, dann wird die Verschlußzeit entsprechend verlängert, in diesem Fall von der Zeit t4 bis zur Zeit t5. Erst danach wird die Spannung abgebaut und der Aktor 2 entladen. Auch in diesem Fall beginnt der Förderbeginn FB stets auf dem zweiten Niveau b, c oder d, in diesem Fall zum Zeitpunkt t4, wenn der Druck ausreichend ist. Die Förderdauer ist dann solange, bis die Ansteuerspannung heruntergesetzt, der Aktor 2 sich entladen hat und folglich das Schaltventil 5 sich vom Ventilsitz 7 gelöst hat.
Die Fig. 4.1 bis 4.4 zeigen Steuerkurven für eine Mehrfacheinspritzung des Einspritzventils 1. Insbesondere werden in den Fig. 4.1. bis 4.4 modifizierte Einspritzverfahren für eine Voreinspritzung VE und eine nachfolgende Haupteinspritzung HE vorgeschlagen. In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, auch weitere Einspritzungen innerhalb eines Einspritzzyklus vorzusehen. Diese Mehrfacheinspritzungen haben den Vorteil, daß mehrere kleine Mengen im gesamten Betriebsbereich für die Vor- und Haupteinspritzung erreichbar sind. Die Funktionalität, die bisher nur im unteren Drehzahlbereich vorhanden war, kann nun auch bei großen Drehzahlen verwendet werden. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß die Realisierung ohne zusätzliche konstruktive Änderungen am Einspritzventil oder der Pumpe möglich sind. Die Änderungen der Ansteuerstrategie erfolgen nur über ein Softwareprogramm, daß in einem entsprechenden Steuergerät gespeichert ist. Für dieses Softwareprogramm muß lediglich der betrachtete Betriebsbereich entsprechend angepaßt werden. Wie bereits bei der Einfacheinspritzung dargelegt wurde, liegt bei der Mehrfacheinspritzung die Überlegung zugrunde, daß bei großen Drehzahlen das Schaltventil 5 nicht vollständig geschlossen ist und sich im ballistischen Betrieb befindet. Somit wird ein Öffnungsquerschnitt 8 erzeugt, der als Drosselquerschnitt wirksam wird aber so eng ist, daß er den für die Einspritzung erforderlichen Druckaufbau ermöglicht.
Entsprechend der Fig. 4.1 ist nun eine Voreinspritzung VE und anschließend eine Haupteinspritzung HE vorgesehen. Auch in diesem Fall wird die Ansteuerspannung von dem Wert 0 V auf den Wert U1 auf ein erstes Niveau angehoben. Im ersten Niveau befindet sich das Schaltventil 5 bereits im ballistischen Betrieb und bildet einen größeren Öffnungsquerschnitt 8. Die Ansteuerspannung Ua wird für eine gewisse Zeit auf dieses Niveau gehalten, so daß sich die freischwebende Ventilnadel des Schaltventils 5 beruhigen kann. Danach erfolgt eine Spannungserhöhung auf den Wert U2 entsprechend einer Hubvergrößerung des Schaltventils 5 bzw. einer Verkleinerung des Drosselquerschnittes durch die Verkleinerung des Öffnungsquerschnitts 8. Nun erfolgt die Einspritzung. Nach dem Ende der ersten Einspritzung, der sogenannten Voreinspritzung VE wird die Spannung auf 0 gesetzt und das Schaltventil 5 fährt nun auf den Hub 0 zurück und gibt so den größtmöglichen Öffnungsquerschnitt 8 frei. Anschließend erfolgt ein neuer Zyklus für die zweite Einspritzung, der Haupteinspritzung HE. In Fig. 4.1 entspricht diese dem Verlauf der Voreinspritzung VE.
Fig. 4.2 zeigt eine alternative Möglichkeit für die Bildung der Haupteinspritzung. Nachdem die Voreinspritzung VE erfolgt ist, wird nun die Spannung U2 nicht auf den Wert 0 V, sondern nur auf den Wert U1 des ersten Niveaus abgesenkt. Nach einer gewissen Beruhigungsphase des Schaltventils 5 erfolgt dann eine Anhebung der Ansteuerspannung Ua auf den Wert U2, so daß nun die Haupteinspritzung HE beginnt. Erst danach wird die Spannung auf 0 V abgesenkt. Diese Variante hat den Vorteil, daß sehr kurze zeitliche Abstände zwischen der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung möglich sind, da der Aktor nicht von 0 V sondern von der Spannung U1 neu aufgeladen wird. Das Einspritzverhalten bzw. die Ansteuerung der Haupteinspritzung entspricht der der Voreinspritzung.
Will man nun für die Haupteinspritzung größere Mengen einspritzen, dann erfolgt dies zweckmäßiger Weise durch eine Verlängerung der eingeschalteten Ansteuerspannung auf dem zweiten Niveau. Entsprechend zur Fig. 4.1 ist in Fig. 4.3 eine Variante dargestellt, bei der für die Haupteinspritzung HE die Spannung U2 über den Förderbeginn erhöht wird, um das Schaltventil 5 fest auf dem Ventilsitz 7 zu halten. Dadurch verlängert sich die Einspritzdauer. Die Spannung U2 wird auf einen Maximalwert Umax begrenzt, um Schäden am Schaltventil 5, dem Aktor 2 oder der Steuerschaltung zu vermeiden. Die gestrichelt dargestellten Kennlinien zeigen verschiedene Varianten für die Verlängerung der Ansteuerspannung auf dem Niveau U2.
Entsprechendes gilt für die Fig. 4.4, die eine Weiterentwicklung der Fig. 4.2 darstellt. Auch hier wird zur Vergrößerung der Fördermenge die Einschaltdauer für die Ansteuerspannung Ua erhöht bzw. verlängert. Wie zu Fig. 4.3 wird auch hier ab der Spannung Umax die Förderdauer für den Kraftstoff erhöht. Die Spannung zwischen dem Wert U2 und Umax dient lediglich dazu, den Druck auf das Schaltventil 5 zu erhöhen und damit die Dichtkraft des Schaltventils 5 zu vergrößern. Die Spannung U2 wird dabei so gewählt, dass sie größer ist als die Spannung z. B. 180 V, die zum Öffnen des Ventils wenigstens erforderlich ist.
Als weitere Alternative ist vorgesehen, die zweite Einspritzung HE ohne Ansteuerung auf einem Zwischenniveau durchzuführen, wenn große Mengen Kraftstoff eingespritzt werden. Da sich bei großen Mengen Kraftstoff das Schaltventil 5 immer auf den Ventilsitz 7 befindet und somit eine definierte Position hat, ist eine Beruhigungsphase nicht erforderlich. Je nach gewünschtem Betriebsdruck bzw. dem zeitlichen Abstand zwischen der Voreinspritzung VE und der Haupteinspritzung HE kann sich das Niveau zwischen beiden Einspritzungen ändern.

Claims (11)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines Einspritzventils (1) zur Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungsmotor, wobei das Einspritzventil (1) von einem elektrisch betätigten Aktor (2) angesteuert wird, der mittels eines Schaltventils (5) eine Düsennadel (3) derart ansteuert, daß in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal (Ua) eine vorgegebene kleinste kontrollierbare Kraftstoffmenge eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dosierung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge das Ansteuersignal (Ua) derart ausgebildet wird, daß ein durch die Lage des Schaltventils (5) bestimmter Öffnungsquerschnitt (8) für den Kraftstoffrücklauf veränderbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansteuersignal (Ua) wenigstens in Abhängigkeit von der Motordrehzahl formbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansteuersignal (Ua) bei höheren Drehzahlen des Verbrennungsmotors das Schaltventil (5) in eine vorgegebene Zwischenstellung mit vergrößertem Öffnungsquerschnitt (8) bringt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansteuersignal (Ua) bei niedrigeren Drehzahlen des Verbrennungsmotors das Schaltventil (5) auf einen Ventilsitz (7) bringt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (2) ein Piezo-Aktor ist, der durch eine Ansteuerspannung (Ua) gesteuert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerspannung (Ua) stufenweise an einen vorgegebenen Sollwert herangeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerspannung (Ua) ein eingestelltes Spannungsniveau für eine vorgegebene Zeitdauer hält.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen der maximalen Ansteuerspannung (Ua) zur Erhöhung der Kraftstoff- Fördermenge die Einschaltdauer der Ansteuerspannung (Ua) verlängert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Mehrfacheinspritzung innerhalb eines Zyklus der Vorgang wiederholt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Druckaufbau eine mit dem Einspritzventil (1) verbundene vorzugsweise mechanisch angetriebene Pumpeneinheit (6) verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Ansteuersignals (Ua) ein Softwareprogramm verwendet wird.
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