DE10143502C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern piezobetriebener Kraftstoff-Einspritzventile - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern piezobetriebener Kraftstoff-Einspritzventile

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Abstract

Mittels eines nichtlinearen Aktormodells (8) wird die vom Piezoaktor (3) auf ein Einspritzventil (4, 5) bei einer Haupteinspritzung ausgeübte Kraft und daraus der Gradient (-dF¶H¶dt) des Kraftabfalls nach dem Kraftmaximum (F¶H¶max) ermittelt sowie ein Grenzwert (G) bestimmt, mit dem der bei einer Vor- oder Nach-Einspritzung ermittelte Gradient (-dF¶V¶/dt) verglichen wird und entsprechend dem Vergleichsergebnis die Signalparameter (p) für die nächste(n) Vor- oder Nach-Einspritzung(en) korrigiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern piezobe­ triebener Kraftstoff-Einspritzventile gemäß den Merkmalen nach Anspruch 1. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß den Merkmalen nach Anspruch 6.
Der Kraftstoff-Einspritzvorgang in Dieselmotoren wird übli­ cherweise in mehreren Abschnitten durchgeführt, wobei zur Er­ zielung eines sanfteren Verbrennungsverlaufs jeder Hauptein­ spritzung eine oder mehrere Vor- oder Nacheinspritzungen zu­ geordnet sind, bei denen die eingespritzte Kraftstoffmenge klein gegenüber der Haupteinspritzmenge ist.
Für eine präzise Dosierung der Kraftstoffmengen, insbesondere der Kleinmengen und zur Optimierung der Einspritz-Zeitpunkte, sind schnell schaltende Ventile erforderlich, wozu zunehmend piezobetriebene Einspritzventile eingesetzt werden.
Wegen der geringen maximalen Längenänderung der eingesetzten Piezoelemente (stacks) betätigt der Piezoaktor einen hydrau­ lischen Servokreis, welcher dann das Hauptventil bewegt. Mit­ tels einer Ansteuerelektronik wird die elektrische Ansteue­ rung des Piezoaktors so vorgenommen, dass die gewünschte Kraftstoffmenge eingespritzt wird.
Da es nicht möglich ist, Kraftstoffmengen oder mechanische Bewegungen im Einspritzventil zu erfassen, werden die elekt­ rischen Steuersignale bei der Einspritzung kleiner Kraft­ stoffmengen hinsichtlich Ansteuerdauer und Amplitude so aus­ gelegt, dass ein sicheres Einspritzen erfolgt. Wegen der Si­ cherheitsvorhalte gegenüber Druckschwankungen in der Kraft­ stoffzuleitung, Parametertoleranzen des Systems und des wei­ ten Betriebstemperaturbereichs ist damit im allgemeinen eine Kraftstoffmengen-Überdosierung verbunden. Dazu wurde bisher aus der in den Piezoaktor eingespeisten Ladung oder Energie auf die Piezoauslenkung geschlossen.
Aus DE 196 44 521 A1 ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines kapazitiven Stellgliedes eines Kraftstoffeinspritzventils be­ kannt, welchem zur Erzielung eines konstanten Hubs eine die­ sem Hub zugeordnete Energiemenge zugeführt wird.
In DE 199 30 309 A1 ist ein Verfahren zur Regelung der Ein­ spritzmenge eines Piezo-Kraftstoff-Einspritzventils beschrie­ ben, bei welchem die Spannung am Piezoaktor nach dessen an­ fänglicher Aufladung erfasst und daraus der Einspritzbeginn oder die Nadelöffnungszeit bei Vor- und Haupteinspritzung des Einspritzventils ermittelt wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, wel­ ches eine genauere Festlegung der Kraftstoff-Einspritzmenge bei Vor-/Nach-Einspritzungen ermöglicht, und mit dessen Hilfe überwacht werden kann, ob Kraftstoff-Vor-/Nach-Einspritzungen stattfinden oder nicht. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaf­ fen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrich­ tung durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer Erfassung und Auswertung der am Piezoaktor bei einem Öffnungsvorgang wir­ kenden, aus den elektrischen Signalen (des dem Piezoaktor zu­ geführten Stromes iP und der sich an ihm aufbauenden Spannung uP) ermittelten Kräfte, unter Zuhilfenahme eines nichtlinea­ ren Piezomodells und eines adaptiven Verfahrens zur Bewertung der im Servoventil auftretenden zeitlichen Kraftgradienten.
Dadurch ist es möglich, den Öffnungsvorgang des Einspritzven­ tils unabhängig vom Kraftstoffdruck und der Ventiltemperatur sicher festzustellen und die Ansteuersignale adaptiv so zu gestalten, dass die gewünschten minimalen Kraftstoffeinsprit­ zungen ohne Überdosierung erfolgen.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 den einem Piezoaktor bei einem Öffnungsvorgang des Ventils mit oder ohne Kraftstoffeinspritzung zugeführten Strom iP und die sich daraufhin an ihm aufbauende Spannung uP,
Fig. 2 die an einem Piezoaktor bei einem Öffnungsvorgang des Ventils mit oder ohne Kraftstoffeinspritzung wirkenden Kräfte und die daraus abgeleiteten Größen, und
Fig. 3 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt den einem Piezoaktor bei einem mit einer Kraft­ stoffeinspritzung verbundenen Öffnungsvorgang des Ventils bei einem Kraftstoffdruck von beispielsweise 1200 bar zugeführten Strom iP und die sich daraufhin am Piezoaktor aufbauende Spannung uP (ausgezogene Kurven), und zum Unterschied dazu einen Strom iF und die sich daraufhin am Piezoaktor aufbauen­ de Spannung uF (gestrichelte Kurven), wenn keine Kraftstoff­ einspritzung erfolgt.
Berücksichtigt man Druckschwankungen in der Kraftstoffzulei­ tung, Parametertoleranzen des Systems und den weiten Be­ triebstemperaturbereich, so kann aus diesen Kurvenpaaren kei­ ne sichere Aussage getroffen werden, ob eine Kraftstoffein­ spritzung erfolgt ist oder nicht.
Fig. 2a zeigt - wieder bei einem Kraftstoffdruck von bei­ spielsweise 1200 bar - die an einem Piezoaktor bei einem Öff­ nungsvorgang des Ventils mit oder ohne Kraftstoffeinspritzung wirkenden Kräfte, die aus gemessenem Strom iP und gemessener Piezospannung uP ermittelt wurden.
Die in Fig. 2a dargestellten, gemessenen Kraftkurven A und B werden in Fig. 2b näher erläutert. Bei einer Ansteuerung des Piezoaktors mit einem ausreichenden Strom iP erfolgt zunächst (Kurve A) ein schneller Kraftanstieg vom Wert Null bis zu ei­ nem Kraftmaximum Fmax (Öffnen des Ventils, Abschnitte a und b) und anschließend ein schneller Kraftabbau (Abschnitt c), der einem Gradienten -dF/dt, d. h., einer Tangente T1 folgt, und der sich anschließend etwas verlangsamt (Abschnitt e), bevor er, je nach Ansteuerdauer, früher oder später die Null­ linie wieder unterschreitet:
  • - bei einer minimalen Einspritzdauer/-menge (Voreinspritzung) im Abschnitt d,
  • - bei einer größeren Einspritzdauer/-menge (z. B. Hauptein­ spritzung, die durch einen längeren, teilweise gestrichelten Abschnitt e gekennzeichnet ist) im Abschnitt g.
Die Form des Kraftverlaufs der Abschnitte a, b und c ist weitgehend unabhängig von der Art der elektronischen Ansteue­ rung mittels einer Treiberstufe mit geringem Ausgangswider­ stand (Spannungsendstufe), mit hohem Innenwiderstand (Strom­ endstufe), oder mit einer Umschwingendstufe, in der der Pie­ zoaktor Teil eines Resonanzkreises ist. Der erreichte Maxi­ malwert Fmax ist nur abhängig von dem Strom iP, welcher dem Piezoaktor zugeführt wird.
Erfindungsgemäß erfolgt die Auswertung des - negativen - Kraftsprungs über die Bewertung der elektrischen Signale des Piezoaktors (Strom iP, Spannung uP) mit Hilfe eines nichtli­ nearen Piezomodells. Die Auswertung erfolgt über den Gradien­ ten -dF/dt der Tangente T1 des Kraftabfalls nach dem Kraftma­ ximum Fmax. Dieser Gradient hängt stark von Exemplarstreuun­ gen und von den Betriebsbedingungen (Temperatur, Kraftstoff­ druck, Piezo-Einspannung, Alterungseffekte etc.) ab.
Besonders vorteilhaft für die Auswertung des Kraftabfalls ist der Einsatz einer hochohmigen Ansteuerung mit Hilfe eines Stromverstärkers.
Alternativ oder ergänzend kann auch, wie bereits erwähnt, der Vergleich des Wegverlaufs oder der Geschwindigkeit des Piezo­ aktors mit einem Referenzverlauf verwendet werden.
Bei einem gegenüber einer Voreinspritzung langen Hauptein­ spritzung - bei ausreichender Höhe und Dauer der elektrischen Ansteuerung - kann davon ausgegangen werden, dass das Ventil sicher öffnet. Bei einem Haupteinspritzvorgang lässt sich demnach der Gradient -dFH/dt der Tangente T1 des Kraftabfalls nach dem Kraftmaximum FHmax ermitteln und damit der Gradient -dFV/dt für die folgende und ggf. weitere Nach- oder Vorein­ spritzungen überwachen; durch Vergleich des/der ermittelten Gradienten dieser folgenden Nach- oder Voreinspritzungen mit einem aus dem ermittelten Gradienten der Tangente T1 der Haupteinspritzung bestimmten Grenzwert G lässt sich leicht feststellen, ob Kraftstoffeinspritzungen stattgefunden hat/haben oder nicht: ist der Betrag |-dF/dt| des Gradienten der Vor/Nacheinspritzung größer als der Grenzwert G, so wird davon ausgegangen, dass eine Vor/Nacheinspritzung stattgefun­ den hat; ist er kleiner, so wird davon ausgegangen, dass kei­ ne Vor/Nacheinspritzung stattgefunden hat.
Bei korrekter Kraftstoffeinspritzung ergibt sich nämlich durch Entlastung des Servoventils ein schneller und in der Amplitude größerer Krafteinbruch als bei einer Fehleinsprit­ zung. Insbesondere bei einer Vor-/Nacheinspritzung mit klei­ nen Kraftstoffmengen ist diese Unterscheidung von Bedeutung.
Der Gradient des Kraftabfalls nach dem Kraftmaximum FHmax kann laufend ermittelt werden, da im Betrieb einer Brenn­ kraftmaschine kontinuierlich Haupteinspritzungen stattfinden. Hierdurch lassen sich die Störeinflüsse aller oben angeführ­ ten Effekte eliminieren.
Da infolge von Alterungseffekten auch die Gradienten der Tan­ genten T1 und T2 nicht konstant bleiben, empfiehlt es sich, in größeren zeitlichen Abständen oder nach einer vorgegebenen Zahl von Kraftstoff-Einspritzungen auch den Gradienten der Tangente T2 (bei Vor- oder Nach-Einspritzungen) zu ermitteln und ggf. zu speichern, um den Grenzwert G sicher bestimmen zu können und zwischen die Werte der Beträge der Gradienten der Tangenten T1 und T2 einzufügen.
Dies geschieht folgendermaßen: wird in adaptiven Schritten der dem Piezoaktor zugeführte Strom iP bei jedem Vorein­ spritzvorgang um einen bestimmten, kleinen Betrag verringert, so wird die Kraft Fmax des Piezoaktors immer kleiner, die Tangente T1 behält aber in etwa ihre Steigung. Erst in dem Moment, wo ein Strom iF erreicht wird, bei dem keine Kraft­ stoffeinspritzung mehr stattfindet, wird der Stromverlauf flacher - Fig. 2a, Kurve B und Fig. 2b, Abschnitt f (ge­ punktete Kurve) - und "springt" die Tangente von T1 auf T2.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche mit einem geeigneten Steuerprogramm die elektrische Ansteuerung für die Kraft­ stoffvoreinspritzung so vornehmen kann, dass neben den Haupt­ einspritzungen auch sichere Vor-/Nach-Einspritzungen bei ge­ ringstmöglicher Kraftstoffüberdosierung erfolgen können.
Diese Vorrichtung weist einen Pulsformer 1 auf, welcher mit­ tels Signalparametern p, die er aus einer Recheneinheit 7 er­ hält, und Ansteuersignalen st die Signalform für den Aus­ gangsstrom einer nachfolgenden Stromverstärker-Endstufe 2 er­ zeugt. Dieser Ausgangsstrom iP wird einem Piezoaktor 3 zuge­ führt, welcher auf ein Servoventil 4 einwirkt, wodurch ein Kraftstoffeinspritzventil 5 betätigt wird.
Die elektrischen Signale am Eingang des Piezoaktors (der ihm zugeführte Strom iP und die an ihm abfallende Spannung uP) werden gemessen und in einem Analog/Digital-Wandler 6 in di­ gitale Werte umgewandelt und anschließend in der bereits er­ wähnten Recheneinheit 7 verarbeitet.
Die Recheneinheit 7 weist ein Aktormodell 8 auf, mittels wel­ chem aus den bei einer Haupteinspritzung gemessenen Werten (Strom iP und Spannung uP) der zeitliche Verlauf FH(t) der Kraft F am Ausgang des Piezoaktors 3 (siehe Fig. 2a) und daraus der Gradient -dFH/dt des Kraftabfalls nach dem Kraft­ maximum FHmax, d. h., die Steigung der Tangente T1 (Fig. 2b) rechnerisch ermittelt wird.
Dieses Aktormodell beinhaltet die nichtlinearen Zusammenhänge zwischen Ladung bzw. Spannung und mechanischer Auslenkung, sowie Arbeitspunkt-abhängige Parameter. Ferner berücksichtigt das Modell die dielektrische Hysterese des Piezoaktors. Damit erlaubt dieses Aktormodell den Rückschluss von den elektri­ schen auf die mechanischen Größen und die Simulation des Pie­ zoaktors im Bereich pulsförmiger Auslenkung.
In der Recheneinheit 7 ist auch ein Speicher 10 angeordnet, in welchem der aus einer Haupteinspritzung ermittelte zeitli­ che Verlauf FH(t) der Kraft FH am Ausgang des Piezoaktors 3 bzw. der daraus ermittelte Gradient -dFH/dt des Kraftabfalls nach dem Kraftmaximum FHmax (die Steigung der Tangente T1, siehe Fig. 2b), der Grenzwert G und ggf. die Steigung der Tangente T2 gespeichert wird.
Ein Vergleicher 9 vergleicht nun den bei einer Vor- bzw. Nacheinspritzung ermittelten Gradienten -dFV/dt, d. h., dessen Betrag, mit dem im Speicher 10 gespeicherten Grenzwert G. Ist dieser Betrag des Gradienten größer als der Grenzwert G, so wird davon ausgegangen, dass eine korrekte Vor-/Nach- Einspritzung stattgefunden hat. Ist der Betrag des Gradienten kleiner als der Grenzwert G, so wird auf eine Fehleinsprit­ zung geschlossen. Über den Vergleicher 9, in den auch eine Parameterkorrektur integriert ist, erfolgt eine Korrektur der Signalparameter (beispielsweise Amplitude und Kurvenform des Stroms iP), welche dem Pulsformer 1 zugeführt werden, wie be­ reits oben erwähnt. Mittels Änderung der Signalparameter än­ dert der Pulsformer 1 die Signalform für die nächste(n) Vor- oder Nacheinspritzung(en). Damit kann sichergestellt werden, dass jeweils für Vor- oder Nach-Einspritzungen eine vorgege­ bene, auch minimale, Kraftstoffmenge eingespritzt wird.
Alternativ oder ergänzend zu der vom Piezoaktor 3 ausgeübten Kraft F kann auch, wie bereits erwähnt, der Vergleich des Wegverlaufs s(t) oder die Geschwindigkeit v(t) des Piezoak­ tors 3 mit einem Referenzverlauf als Vergleichsgröße für ei­ nen korrekten oder fehlerhaften Einspritzvorgang verwendet werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Ansteuern eines Kraftstoff-Einspritzven­ tils mittels eines Piezoaktors (3), insbesondere zur Bestim­ mung der Kraftstoff-Einspritzmenge bei Vor- oder Nach-Ein­ spritzungen, dadurch gekennzeichnet,
dass aus dem dem Piezoaktor (3) bei einer Kraftstoff-Haupt­ einspritzung zugeführten Strom (iP) und der sich daraufhin an ihm aufbauenden Spannung (uP) der zeitliche Verlauf (dFH/dt) der von ihm auf das Kraftstoff-Einspritzventil (4, 5) ausgeübten Kraft (FH) ermittelt wird,
dass aus diesem zeitlichen Verlauf (dFH/dt) der Gradient (-dFH/dt) der Tangente (T1) des nach dem Kraftmaximum (FHmax) auftretenden Kraftabfalls bestimmt wird, und
dass ein von diesem Gradienten der Tangente (T1) abgeleiteter Grenzwert (G) festgelegt wird,
dass aus dem dem Piezoaktor bei einer auf die Kraftstoff- Haupteinspritzung folgenden Nach-Einspritzung - oder Vor- Einspritzung eines folgenden Einspritzvorgangs - zugeführ­ ten Strom (iP) und der sich daraufhin an ihm aufbauenden Spannung (uP) der zeitliche Verlauf (dFV/dt) der von ihm auf das Kraftstoff-Einspritzventil (4, 5) ausgeübten Kraft (FV) ermittelt wird,
dass aus diesem zeitlichen Verlauf (dFV/dt) der Gradient (-dFV/dt) der Tangente (T1) des nach dem Kraftmaximum (FVmax) auftretenden Kraftabfalls bestimmt wird, und
dass der Betrag dieses ermittelten Gradienten (-dFV/dt) mit dem Grenzwert (G) verglichen wird,
wobei auf eine stattgefundene Nach- oder Vor-Einspritzung ge­ schlossen wird, wenn der Betrag des Gradienten (-dFV/dt) größer als der Grenzwert (G) ist, und auf eine nicht stattgefundene Nach- oder Vor-Einspritzung geschlossen wird, wenn der Betrag des Gradienten (-dFV/dt) kleiner als der Grenzwert (G) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf (dF/dt) der auf das Kraftstoff-Ein­ spritzventil (4, 5) ausgeübten Kraft (F) bei jeder Kraft­ stoff-Einspritzung mittels eines nichtlinearen Aktormodells (8) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ zum zeitlichen Verlauf (dF/dt) der auf das Kraft­ stoff-Einspritzventil (4, 5) ausgeübten Kraft (F) der zeitli­ che Wegverlauf (s(t)) oder die Geschwindigkeit (v(t)) des Piezoaktors (3) als Vergleichsgröße für einen korrekten oder fehlerhaften Einspritzvorgang herangezogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in vorgegebenen Zeitabständen oder nach einer vorgegebenen Zahl von Kraftstoff-Einspritzungen der dem Piezoaktor (3) bei jeder Vor- oder Nach-Einspritzung zugeführte Strom (iP) adap­ tiv jeweils um einen vorgegebenen, kleinen Betrag solange verringert wird, bis der Gradient (-dFV/dt) von dem der Tan­ gente (T1) zugeordneten Wert auf einen deutlich kleineren, der Tangente (T2) zugeordneten Wert springt, bei dem keine Kraftstoff-Einspritzung mehr stattfindet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (G) auf einen Wert festgelegt wird, der zwi­ schen den Betragswerten der Gradienten der Tangente (T1) und der Tangente (T2) liegt.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, mit einem von einem Piezoaktor (3) betätigten Kraftstoff-Einspritzventil (4, 5),
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Pulsformer (1) mit einer nachgeschalteten Endstufe (2) vorgesehen ist, wobei dem Pulsformer (1) Ansteuersig­ nale (st) und Signalparameter (p) zugeführt werden, aus welchen er die Signalform für den Ausgangsstrom (iP) der Endstufe (2) erzeugt, welcher dem Piezoaktor (3) zugeführt wird,
dass ein Analog/Digital-Wandler (6) vorgesehen ist, in wel­ chem die am Eingang des Piezoaktors (3) abgreifbaren elek­ trischen Signale (iP, uP) in digitale Werte gewandelt wer­ den,
dass eine Recheneinheit (7) vorgesehen ist, in welcher die digitalen Signale (iP, uP) zu Signalparametern (p) für den Pulsformer (1) verarbeitet werden,
dass die Recheneinheit (7) ein nichtlineares Aktormodell (8) aufweist, mittels welchem aus den bei jeder Kraftstoff- Einspritzung am Eingang des Piezoaktors (3) abgreifbaren Signalen (iP, uP) der zeitliche Verlauf der vom Piezoaktor (3) auf das Kraftstoff-Einspritzventil (4, 5) ausgeübten Kraft (F) und daraus der Gradient (-dF/dt) des Kraftab­ falls nach dem Kraftmaximum (Fmax) rechnerisch ermittelt wird und daraus ein Grenzwert (G) bestimmt wird,
dass die Recheneinheit (7) einen Speicher (10) aufweist, in welchem laufend der Betrag des Gradienten (-dFH/dt) jeder Kraftstoff-Haupteinspritzung und der daraus ermittelte Grenzwert (G) gespeichert werden,
dass die Recheneinheit (7) einen Vergleicher (9) aufweist, in welchem der für jede Vor- oder Nacheinspritzung ermittelte Betrag des Gradienten (-dFV/dt) mit dem im Speicher (10) gespeicherten Grenzwert (G) verglichen wird, und
dass in den Vergleicher (9) eine Parameterkorrektur integ­ riert ist, welche die dem Pulsformer (1) zuführbaren Sig­ nalparameter (p) entsprechend dem Vergleichsergebnis kor­ rigiert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstufe (2) ein Stromverstärker für hochohmige An­ steuerung des Piezoaktors (3) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des der Tangente (T2) zugeordneten Gra­ dienten (-dFV/dt), in der Recheneinheit (7) erfolgt.
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