DE102004023545A1 - Verfahren zur Ermittlung der Position eines beweglichen Verschlusselementes eines Einspritzventils - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung der Position eines beweglichen Verschlusselementes eines Einspritzventils Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Position eines beweglichen Verschlusselements, insbesondere einer Ventilnadel, eines Einspritzventils bei einem Kraftfahrzeugmotor. Das Verschlusselement wird mittels eines Piezoelements zum Öffnen oder Schließen des Einspritzventils angetrieben. Es wird ein einer am Piezoelement erfassten elektrischen Spannung zugeordnetes Spannungssignal ermittelt und zur Ermittlung der Position des Verschlusselements herangezogen. Mittels eines Modells wird ein modellierter Spannungsverlauf ermittelt und ebenfalls zur Ermittlung der Position des Verschlusselements herangezogen wird. Insbesondere erfolgt die Ermittlung der Position des Verschlusselements unter Heranziehen der Differenz aus modelliertem Spannungsverlauf und ermitteltem Spannungssignal.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Position eines beweglichen Verschlusselements eines Einspritzventils bei einem Kraftfahrzeugmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Für die Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden Speichereinspritzsysteme verwendet, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Solche Einspritzsysteme sind beispielsweise als Common-Rail-Systeme bekannt. Diese Einspritzsysteme zeichnen sich dadurch aus, dass der Kraftstoff mit einer Hochdruckpumpe in einen allen Zylindern des Motors gemeinsam zugeordneten Druckspeicher gefördert wird, von dem aus die Einspritzventile an den einzelnen Zylindern versorgt werden. Die Einspritzventile werden häufig auch Injektoren genannt. Das Öffnen und Schließen der Einspritzventile wird üblicherweise elektrisch gesteuert, beispielsweise unter Zuhilfenahme von Piezoelementen als Aktoren.
  • Bei Einspritzventilen oder Injektoren kann zwischen den Düsenkörper mit der Düsennadel, die die Einspritzlöcher im Einspritzventil öffnet und schließt, und den piezoelektrischen Aktor ein Steuerventil als Verschlusselement geschaltet werden. Das Steuerventil dient dazu, hydraulisch das Öffnen und Schließen des eigentlichen Kraftstoffeinspritzventils zu be wirken, das heißt insbesondere den Beginn und das Ende des Einspritzvorgangs zeitlich exakt festzulegen. Das Einspritzventil soll zum Beispiel kontrolliert öffnen und am Ende des Einspritzvorganges schnell schließen. Auch soll die Einspritzung kleinster Kraftstoffmengen zur Voreinspritzung vor der eigentlichen Einspritzung möglich sein, mit der sich der Verbrennungsprozess optimieren lässt. Das Verschlusselement kann jedoch auch in anderer Gestalt und an anderer Stelle des Einspritzventils, beispielsweise als Ventilklappe oder Nadelventil am Ventilausgang angeordnet sein. Als Verschlusselement kann insbesondere eine Injektornadel verwendet werden. Das Einspritzventil kann als Nadelventil ausgebildet sein.
  • Aus der DE 199 60 971 A1 ist es bekannt, ein als Aktor verwendetes Piezoelement in Form eines Piezostapels, welches zur Ausführung einer elektrisch gesteuerten mechanischen Hubbewegung vorgesehen ist, in Reihe mit einem zweiten Piezoelement anzuordnen, um das zweite Piezoelement als sensorisches Element für die Hubbewegung des ersten, aktorischen Piezoelements zu nutzen. Eine solche Anordnung kann zur Ermittlung der Position eines vom aktorischen Piezoelement angetriebenen Bauteils eingesetzt werden. Als Anwendungsmöglichkeit für eine solche Anordnung ist aus der genannten Offenlegungsschrift ein Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Kraftfahrzeugs bekannt.
  • Aus der DE 199 30 309 C2 ist ein Verfahren zur Regelung eines Kraftstoffeinspritzvorgangs mit einem Kraftstoffeinspritzventil für einen Kraftfahrzeugverbrennungsmotor bekannt. Zum Öffnen des Einspritzventils wird ein Steuerventil als Verschlusselement von einem Piezoelement als Aktor betätigt. Zur Veränderung des Zustands des Verschlusselements wird das Piezoelement elektrisch angesteuert. Nach dieser Ansteuerung wird die Spannung am Piezoelement gemessen und aus der gemes senen Spannung wird der Einspritzbeginn oder die Nadelöffnungszeit des Einspritzventils ermittelt.
    •
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfache, genaue und schnelle Ermittlung der Position eines Verschlusselements eines Einspritzventils bei einem Kraftfahrzeugmotor zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Verschlusselement eines Einspritzventils mittels eines als Aktor vorgesehenen Piezoelements zum Öffnen oder Schließen des Einspritzventils angetrieben. Als Piezoelement kann hierbei ein Einzelpiezoelement oder ein Anordnung von Einzelpiezoelementen, zum Beispiel ein Piezostapel, verwendet werden. An dem Piezoelement wird eine elektrische Spannung erfasst. Es wird ein Spannungssignal ermittelt, welches der erfassten Spannung zugeordnet wird. Das Spannungssignal wird zur Ermittlung der Position des Verschlusselements herangezogen. Mittels eines Modells wird ein modellierter Spannungsverlauf ermittelt und zur Ermittlung der Position des Verschlusselements herangezogen. Als Grundlage für das Modell kann ein Ersatzschaltbild des Piezoelements oder eines das Piezoelement umfassenden elektrischen Stromkreises, beispielsweise des Piezoelements und dessen elektrische Zuleitungen, verwendet werden. Bei dem Modell handelt es sich bevorzugt um einen Algorithmus, welcher ein vorgebbares idealisiertes Verhalten des modellierten Piezoelements beschreibt. Als Modell kann jedoch alternativ auch eine physische Ersatzschalteinheit verwendet werden. Ein Vergleich des mittels des Modells modellierten Spannungsverlaufs mit dem durch Messung ermittelten Spannungsverlauf er möglicht eine gute Ermittlung der Position des Verschlusselements.
  • Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass ohne einen zusätzlichen Sensor eine Position eines Verschlusselements eines Einspritzventils zuverlässig ermittelt werden kann. Insbesondere kann die Position des Verschlusselements ermittelt werden, ohne einen speziellen Positionserfassungsmodus des Einspritzventils vorzusehen und das Verschlussmittel oder einen das Verschlussmittel betätigenden Aktor in diesen Positionserfassungsmodus zu versetzen.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Ermittlung der Position eines beweglichen Verschlusselements eines Einspritzventils wird eine Differenzspannung uDiff(t) ermittelt, indem die Differenz aus dem ermittelten Spannungssignal up(t) und dem modellierten Spannungsverlauf ui(t) ermittelt und zur Ermittlung der Position des Verschlusselements herangezogen wird. Das Vorzeichen der Differenz ist hierbei nebensächlich, so dass es unwesentlich ist, welche Größe von der anderen abgezogen wird.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird einem Extremwert der Differenzspannung uDiff(t) eine vorgebbare Position des Verschlusselements zugeordnet. Insbesondere korreliert die vorgebbare Position des Verschlusselements mit dem Beginn oder dem Ende eines Einspritzvorgangs. Als lokaler Extremwert der Differenzspannung uDiff(t) werden hier in einem weiteren Sinne alle Extremwerte betrachtet, welche entsprechend vorgebbare Kriterien hinsichtlich des Betrages, des Vorzeichens, der Krümmung, der Kurvenglätte usw. erfüllen. Die Ermittlung eines lokalen Extremwerts der Differenzspannung stellt eine zuverlässige und einfach durchführbare Auswertung der ermittelten Kurve dar, um auf eine definierte Position des Verschlusselements schließen zu können. Ausgehend von der Kenntnis einer definierten Position des Verschlusselements zu einem definierten Zeitpunkt ist im weiteren zeitlichen Verlauf die zeitabhängige Position des Verschlusselements besonders genau und zuverlässig ermittelbar.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens, welche besonders zuverlässige Ergebnisse liefert, wird zur Reduktion des Messrauschens eine Fouriertransformation der Differenzspannung uDiff(t) durchgeführt. Unter Heranziehen der Fouriertransformierten F(uDiff(t)) der Differenzspannung uDiff(t) wird die Grundwelle eines dem Spannungssignal zugeordneten Energiedichtespektrums ermittelt. Diese Grundwelle ist zumindest weitgehend frei von überlagerten Störungen, insbesondere ist das Messrauschen eliminiert, und daher ist diese Grundwelle zuverlässig und einfach auswertbar.
  • Eine weitere bevorzugte Auswertemöglichkeit ergibt sich daraus, dass die modellierte Spannung ui(t) ermittelt wird als die zeitliche Integration des Piezo-Stromes ii geteilt durch eine den Piezostapel modellierende Kapazität C. Hierbei kann die Höhe der Kapazität C durch einen Vergleich eines unter vorgebbaren Bedingungen ermittelten Spannungssignals mit einem modellierten Spannungsverlauf ermittelt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zur Ermittlung der Position eines beweglichen Verschlusselements eines Einspritzventils wird das Piezoelement zur Steuerung der Verschlussvorrichtung des Einspritzventils mittels einer Stromsteuerung angetrieben. Durch die Vorgabe des durch das Piezoelement fließenden Stromes wird die Verschlussvorrichtung des Einspritzventils gesteuert. Zur Ermittlung der Posi tion des Verschlusselements wird die elektrische Spannung am Piezoelement erfasst und ausgewertet. Alternativ zu einer Erfassung der Piezospannung während eines Bestromungsvorganges, kann die Erfassung der Piezospannung auch in Bestromungspausen erfolgen. Hierzu kann in Bestromungspausen das Piezoelement elektrisch von der Stromversorgung getrennt werden, so dass eine Erfassung der Piezospannung am elektrisch freien Piezoelement möglich wird.
  • Bevorzugt wird die Ermittlung der Position des Verschlusselements zur Regelung des Einspritzverlaufs eines Einspritzventils herangezogen. Die Regelung des Einspritzverlaufs kann erfolgen, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, eine Schadstoffemission zu mindern oder beispielsweise das Motorgeräusch zu optimieren.
  • Bei dem Verschlusselement des Einspritzventils kann es sich um ein beliebiges Verschlusselement, wie beispielsweise eine Klappe handeln, jedoch wird bevorzugt eine longitudinal verschiebbare Injektornadel verwendet.
  • Eine besonders vorteilhafte Anwendung des Verfahrens ergibt sich bei der Messung der Nadelposition einer mittels eines Piezoelements angetrieben Injektornadel in einem Einspritzinjektor. Piezo-Aktoren ermöglichen bzgl. ihres dynamischen Verhaltens hohe Stellkräfte und kurze Ansprechzeiten in enggefassten Einspritzprofilen, wie der Vor- und Nacheinspritzung zur Reduzierung der Geräuschentwicklung und der Schadstoffe während des Verbrennungsablaufs. Hierbei ist die genaue Kenntnis der Position der Injektornadel in bezug auf die Nockenwellenverstellung für Einspritzzeiträume kleiner als 100 μs besonders vorteilhaft.
    •
  • Nachfolgend wird eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 Eine qualitative Darstellung gemessener zeitlicher Verläufe von Kenngrößen eines Kraftstoffeinspritzinjektors: Einspritzmengenverlauf 3, Piezo-Spannungsverlauf 4, Kraftstoffdruckverlauf 2 und Piezo-Stromverlauf 5
  • 2 Ein Blockschaltbild einer Einheit zur Ermittlung der Differenzspannung aus gemessenem 4 und modelliertem 7 Spannungsverlauf am Piezoelement
  • 3 Einen gemessenen 4 und einen modellierten 7 zeitlichen Verlauf einer Piezo-Spannung mit ermitteltem Einspritzbeginn tA und Einspritzende tE
  • Die 1 zeigt den Verlauf verschiedener Kenngrößen eines Einspritzinjektors bei einer Änderung der ursprünglichen Stapellänge L des Aktors um die Längenänderung ΔL. Der Aktor besteht aus übereinandergestapelten elektrisch kontaktierten Piezo-Scheiben bzw. Piezo-Elementen. Die Längenänderung des Aktors wird auf die Injektornadel übertragen, um den unter Druck stehenden Kraftstoff entsprechend der Größe der Längenänderung und der Zeitdauer der Längenänderung gesteuert in einen Zielraum einzuspritzen. Durch eine gezielte Ansteuerung des Piezoaktors wird ein bestimmtes Profil des Einspritzmengenverlaufs 3 generiert und als messbares Volumen V(t) der eingespritzten Kraftstoffmenge zu einem definierten Zeitfenster von Beginn tA bis zum Ende tE mittels des Injektors eingespritzt.
  • Aufgrund der Stromeinspeisung bilden sich im zeitlichen Verlauf des Spannungssignals 4 der gemessenen Piezo-Spannung uP(t) sowohl das Stromsignal 5 als auch die mechanische Rückwirkung der Injektornadel ab, so dass der Einspritzbeginn tA und das Einspritzende tE aus dem Spannungssignal uP(t) detektierbar sind. Eine Erfassung der Zeitpunkte tE und tA und damit insbesondere der Position der Injektornadel wird ermöglicht durch eine Trennung der elektrischen Eingangsgröße iP(t) von den rückwirkenden Kräften F(t) der Injektornadel während der Einspritzvorgänge. Eine solche Trennung kann durch eine Differenzbildung zwischen modelliertem und gemessenem Spannungsverlauf an einem Piezoelement erfolgen.
  • Zur Modellierung wird gemäß dem Blockschaltbild in 2 insbesondere die Kapazität C des Piezo-Elements aus dem Ersatzschaltbild eines aus n Piezo-Elementen bestehenden Stapels herausgetrennt und isoliert betrachtet. Mittels dieser Kapazität C wird in Block 6 unter Heranziehen des gemessenen Piezo-Stroms iP(t) aus Block 5 die modellierte Piezospannung in Block 7 ermittelt. Der hierdurch modellierte zugehörige Spannungsverlauf ui(t) lässt sich aus der integralen Beziehung ui = 1/C• ∫ ii dt berechnen. Dieser modellierte Spannungsverlauf wird mit dem gemessenen Spannungsverlauf uP(t) aus Block 4 verglichen, insbesondere wird die Differenzspannung in Block 8 ermittelt.
  • Die Bestimmung der Kapazität C des Piezo-Stapels erfolgt bevorzugt durch Anpassung der Amplitude des modellierten Spannungsverlaufs ui(t) an den gemessenen realen Spannungsverlauf uP(t). Bei den Piezoelementen der untersuchten Injektoren fanden sich Kapazitätswerte um 10μF.
  • Ein Vergleich des Verlaufs 4 der gemessenen Spannung uP(t) mit dem Verlauf 7 der modellierten Spannung ui(t) gemäß 3 führt auf den zeitlichen Verlauf 8 der Differenzspannung uDiff(t) = uP(t) – ui(t). Hieraus ist ersichtlich, dass der Einspritzbeginn tA mit dem ersten lokalen Minimum und das Einspritzende tE mit dem zweiten lokalen Minimum im Verlauf der Differenzspannung zusammenfällt. Als Referenzkurve ist zusätzlich der Einspritzmengenverlauf 9 angegeben.
  • Zur Verbesserung der Zuordnung charakteristischer Punkte der Differenzspannung und entsprechenden Punkten des Einspritzmengenverlaufs wird in einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens eine Fourier-Transformation des ursprünglich zeitlichen Verlaufs der Differenzspannung uDiff(t) mit UDiff(f) = Φ{uDiff(t)} durchgeführt. Mittels einer Berechnung der Grundwelle des Energiedichtespektrums H(f) = |UDiff(f)|2 bei der Ermittlung der Position einer Injektornadel aus den ersten beiden lokalen Minima von H(f) wird das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich verbessert, da die ersten Minima der Grundwelle besonders stark mit den Zeitpunkten des Einspritzbeginns und des Einspritzendes und daher mit der Position eines Verschlusselements eines Einspritzventils, insbesondere einer Injektornadel, korrelieren und der Grundwellenanteil des Energiedichtespektrums besonders glatt verläuft und daher einfach und zuverlässig auswertbar ist.
  • Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Ermittlung der Position eines beweglichen Verschlusselements eines Einspritzventils besteht in der Ermittlung der Differenzspannung (8) uDiff(t) mittels eines Kalman-Filters. Hierbei wird ein Messwert der Piezospannung von einem mittels eines Kalman-Filters modellierten Spannungswert, dem sogenannten Prädiktionswert, abgezogen, um das Residuum res(t) zu ermitteln. Dieses Residuum res(t) wird zur Ermittlung der Position des Einspritzventils herangezogen, wobei die Auswertung des Residuums in gleicher Weise erfolgen kann wie die Auswertung der Differenzspannung. Als deterministische Steuergröße geht der Piezostrom in das Verfahren ein.
  • Die Ermittlung der Einspritznadelposition mittels eines Kalman-Filters kann erweitert werden, indem weitere Größen, wie beispielsweise die Kapazität des Piezoelements, während des Öffnungs- oder Schließvorgangs mitbestimmt wird. Hierbei kön nen ausgewählte oder alle mittels dieses Ansatzes ermittelten Größen den Zustandsvektor bilden. Die in das Verfahren eingehende Beobachtungsgröße ist die gemessene Piezospannung, wobei die Anzahl der Beobachtungswerte N bevorzugt so gewählt wird, dass diese Anzahl kleiner als die Anzahl der zu Ermittelnden Zustände ist, da ansonsten einerseits der Informationszuwachs nur gering ist und andererseits die zur Durchführung des Verfahrens benötigte Zeit ansteigt.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Ermittlung der Position eines beweglichen Verschlusselements eines Einspritzventils bei einem Kraftfahrzeugmotor, wobei – das Verschlusselement mittels eines Piezoelements zum Öffnen oder Schließen des Einspritzventils angetrieben wird, und – ein einer am Piezoelement erfassten elektrischen Spannung zugeordnetes Spannungssignal (4) ermittelt wird, und – das Spannungssignal (4) zur Ermittlung der Position des Verschlusselements herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Modells ein modellierter Spannungsverlauf (7) ermittelt und zur Ermittlung der Position des Verschlusselements herangezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenzspannung (8) uDiff(t) durch Differenzbildung aus dem ermittelten Spannungssignal (4) up(t) und dem modellierten Spannungsverlauf (5) ui(t) ermittelt und zur Ermittlung der Position des Verschlusselements herangezogen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass einem lokalen Extremwert der Differenzspannung (8) uDiff(t) eine vorgebbare Position des Verschlusselements zugeordnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbare Position des Verschlusselements mit dem Beginn oder dem Ende eines Einspritzvorgangs korreliert.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduktion des Messrauschens mit der Differenzspannung (8) uDiff(t) eine Fouriertransformation durchgeführt wird und mittels der Fouriertransformierten F(uDiff(t)) der Differenzspannung (uDiff(t) die Grundwelle eines dem Spannungssignal zugeordneten Energiedichtespektrums ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die modellierte Spannung (7) ui(t) als die zeitliche Integration des Piezo-Stromes ii geteilt durch eine den Piezostapel modellierende Kapazität C gebildet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Kapazität C durch einen Vergleich eines unter vorgebbaren Bedingungen ermittelten Spannungssignals (4) mit einem modellierten Spannungsverlauf (7) ermittelt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement zur Steuerung der Verschlussvorrichtung des Einspritzventils mittels einer Stromsteuerung angetrieben wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Position des Verschlusselements zur Regelung des Einspritzverlaufs herangezogen wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement eine longitudinal verschiebbare Injektornadel ist.
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