DE102004028892A1

DE102004028892A1 - Verfahren zum Steuern wenigstens eines Injektors zur Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004028892A1
Application number: DE102004028892A
Authority: DE
Inventors: Patrick Mattes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2006-01-05

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern wenigstens eines einen piezoelektrischen Aktor aufweisenden Injektors zur Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine, wobei der piezoelektrische Aktor derart angesteuert wird, daß zuerst eine Voreinspritzung und dann eine Haupteinspritzung ausgeführt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung einer vorgebbaren Voreinspritzmenge die Dauer des Ansteuerimpulses für den piezoelektrischen Aktor (Ansteuerdauer) variiert wird und dann, wenn die Voreinspritzmenge durch Variation der Ansteuerdauer nicht erreichbar ist, die Ansteuerspannung des piezoelektrischen Aktors variiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern wenigstens eines einen piezoelektrischen Aktor aufweisenden Injektors zur Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine. wobei der piezoelektrische Aktor derart angesteuert wird, daß zuerst eine Voreinspritzung nach dann eine Haupteinspritzung ausgeführt wird.

Um bei der Voreinspritzung Streuungen der eingespritzten Kraftstoffmenge zu eliminieren, ist bei einem aus der EP 0416 265 A1 bekannten Verfahren vorgesehen, in bestimmten Betriebszuständen die Dauer des Ansteuerimpulses für den Injektor zu ermitteln, bei dem gerade eine Voreinspritzung einsetzt und davon ausgehend Abgleichssignale für Ansteuerimpulse, die die Voreinspritzung bewirken, zu bilden und zu speichern. Durch dieses auch Nullmengenkorrektur (NMK) genannte Verfahren werden bei der Voreinspritzung Streuungen der eingespritzten Kraftstoffmenge weitgehend eliminiert.

Um eine weitere Verbesserung der Emissionen und der Leistung der Brennkraftmaschine zu erzielen, sollen zukünftig die Einspritzungen in sehr kurzer zeitlicher Abfolge vorgenommen werden. Dies erfordert eine sehr hohe Geschwindigkeit der Düsennadel der als Düsen ausgebildeten Injektoren. Aufgrund dieser hohen Nadelgeschwindigkeit kommt es gewissermaßen zu einem Zielkonflikt zwischen der Einspritzrate und realisierbaren Kleinstmengen. Anders ausgedrückt, ist es nicht möglich, bei hohen Nadelgeschwindigkeiten gleichzeitig kleine Voreinspritzmengen durch derartige Injektoren zu realisieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern wenigstens eines einen piezoelektrischen Aktor aufweisenden Injektors der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzubilden, daß auch bei begrenzten minimalen Ansteuerdauern Voreinspritzmengen erzielbar sind, durch die eine Verbesserung des Emissionsverhaltens der Brennkraftmaschine erreicht wird.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Steuern wenigstens eines einen piezoelektrischen Aktor aufweisenden Injektors zur Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß zur Realisierung einer vorgebbaren Voreinspritzmenge die Dauer des Ansteuerimpulses für den piezoelektrischen Aktor, die sogenannte Ansteuerdauer, variiert wird und dann, wenn die Voreinspritzmenge durch Variation der Ansteuerdauer nicht erreichbar ist, die Ansteuerspannung des piezoelektrischen Aktors variiert wird.

Grundidee der Erfindung ist es, zunächst die aus der obenerwähnten EP 0 416 265 A1 bekannte Nullmengenkorrektur vorzunehmen durch Variation der Ansteuerdauer und dann, wenn die vorgebbare Voreinspritzmenge durch diese Variation der Ansteuerdauer nicht realisierbar ist, die Ansteuerspannung zu variieren, um so die vorgegebene Voreinspritzmenge zu erreichen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.

So wird bevorzugt die Ansteuerdauer bei zunächst konstanter Ansteuerspannung variiert. Umgekehrt wird die Ansteuerspannung des piezoelektrischen Aktors bei konstant gehaltener Ansteuerdauer variiert.

Die Variation der Ansteuerspannung erfolgt dabei vorteilhafterweise durch schrittweises Erhöhen oder Absenken der Ansteuerspannung um vorgebbare Werte innerhalb vorgebbarer Grenzen. Die Werte der Ansteuerdauer und der Ansteuerspannung, mit der eine vorgebbare Voreinspritzmenge erreicht werden, werden gespeichert und sind so für spätere Einspritzungen verwendbar. Das Erreichen der vorgegebenen Voreinspritzmenge wird bevorzugt durch ein Rückmeldesignal erkannt, das wenigstens eine der Größen gemessene Spritzdauer, Elementdruck, Brennraumdruck, Körperschall, Luftschall oder durch ein Lichtsignal im Brennraum realisiert wird. Bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine werden die Ansteuerdauer und die Ansteuerspannung zum Erreichen der vorgegebenen Voreinspritzmenge für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine auf die vorbeschriebene Weise ermittelt und abgespeichert.

Die ermittelte Ansteuerdauer und Ansteuerspannung zum Erreichen der vorgegebenen Voreinspritzmenge werden vorzugsweise als Funktion von Last und Drehzahl in einem Kennfeld gespeichert.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
Zeichnung
In der Zeichnung zeigen:
1 schematisch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens;
2 ein aus dem Stand der Technik bekannter Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff;
3 schematisch Ansteuerimpulse für die Voreinspritzung und die Haupteinspritzung über der Zeit und
4 ein schematisches Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine, dargestellt in 1 umfaßt eine Brennkraftmaschine 10 der über eine Kraftstoffzumeßeinrichtung 30, die einen Kraftstoffbehälter, eine Kraftstoffpumpe sowie Injektoren zur Einspritzung von Kraftstoff umfaßt, Kraftstoff zugeführt wird. Die Kraftstoffzumeßeinrichtung 30 kann beispielsweise durch das Speichereinspritzsystem "Common-Rail" realisiert werden, das beispielsweise aus der DE 102 15 610 A1 , dort Absatz [0042] und [0043], auf die vorliegend Bezug genommen wird, bekannt ist. Verschiedene Sensoren 40 erfassen Meßwerte 15, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 charakterisieren. Die von den Sensoren 40 erfaßten Werte werden einem Steuergerät 20 zugeführt. Das Steuergerät 20 berechnet ausgehend von den Meßwerten 15 und weiteren Größen 25 Ansteuerimpulse 35. mit denen die Injektoren der Kraftstoffzumeßeinrichtung 30 beaufschlagt werden.
Das Steuergerät 20 berechnet in an sich bekannter Weise die in die Brennkraftmaschine 10 einzuspritzende Kraftstoffmenge. Diese Berechnung erfolgt abhängig von Meßwerten 15 wie z.B. der Drehzahl, der Motortemperatur, des tatsächlichen Einspritzbeginns und eventuellen weiteren Größen 25, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 charakterisieren. Diese sind beispielsweise die Stellung des Fahrpedals, der Umgebungsluftdruck und dergleichen. Das Steuergerät 20 setzt die gewünschte Kraftstoffmenge in Ansteuerimpulse 35 um. Mit diesen Ansteuerimpulsen 35 werden dann die Injektoren der Kraftstoffzumeßeinrichtung 30 beaufschlagt.
2 zeigt in schematischer Darstellung ein aus dem Stand der Technik bekanntes auch als Injektor oder Einspritzdüse bezeichnetes Einspritzventil 1 mit einer zentralen Bohrung. Im oberen Teil ist ein Stellkolben 3 mit einem piezoelektrischen Aktor 2 in die zentrale Bohrung eingebracht, wobei der Stellkolben 3 mit dem Aktor 2 fest verbunden ist. Der Stellkolben 3 schließt nach obenhin einen hydraulischen Koppler 4 ab, während nach unten eine Öffnung mit einem Verbindungskanal zu einem ersten Sitz 6 vorgesehen ist. in dem ein Kolben 5 mit einem Ventilschließglied 12 angeordnet ist. Das Ventilschließglied 12 ist als doppelt schließendes Steuerventil ausgebildet. Es verschließt den ersten Sitz 6, wenn der Aktor 2 in Ruhephase ist. Bei Betätigung des Aktors 2, das heißt beim Anlegen einer Ansteuerspannung U an den Klemmen +, –, betätigt der Aktor 2 den Stellkolben 3 und drückt über den hydraulischen Koppler 4 den Kolben 5 mit dem Verschließglied 12 in Richtung auf einen zweiten Sitz 7. Unterhalb des zweiten Sitzes ist in einem entsprechenden Kanal eine Düsennadel 11 angeordnet, die den Auslauf in einem Hochdruckanal (Common-Rail-Druck) 13 schließt oder öffnet, je nachdem, welche Ansteuerspannung U anliegt. Der Hochdruck wird durch das einzuspritzende Medium, also Kraftstoff über einen Zulauf 9 zugeführt, über eine Zulaufdrossel 8 und eine Ablaufdrossel 1 wird die Zuflußmenge des Mediums in Richtung auf die Düsennadel 11 und den hydraulischen Koppler 4 gesteuert. Der hydraulische Koppler 4 hat dabei die Aufgabe, einerseits den Hub des Kolbens 5 zu verstärken und andererseits das Steuerventil von der statischen Temperaturdehnung des Aktors 2 zu entkoppeln. Die Wiederbefüllung des Kopplers 4 ist hier nicht dargestellt.
Nachfolgend wird die Funktionsweise dieses Einspritzventils näher erläutert. Bei jeder Ansteuerung des Aktors 2 wird der Stellkolben 3 in Richtung des hydraulischen Kopplers 4 bewegt. Dabei bewegt sich auch der Kolben 5 mit dem Verschließglied 12 in Richtung auf den zweiten Sitz 7 zu. Über Leckspalte wird dabei ein Teil des im hydraulischen Kopplers 4 befindlichen Mediums, beispielsweise der Kraftstoff, herausgedrückt. Zwischen zwei Einspritzungen muß daher der hydraulische Koppler 4 wiederbefüllt werden, um seine Funktionssicherheit zu erhalten.
Über den Zulaufkanal 9 herrscht ein hoher Druck, der beim Common-Rail-System beispielsweise zwischen 200 und 2000 bar betragen kann. Dieser Druck wirkt gegen die Düsennadel 11 und hält sie geschlossen, so daß kein Kraftstoff austreten kann. Wird nun infolge der Ansteuerspannung U der Aktor 2 betätigt und damit das Verschlußglied 12 in Richtung des zweiten Sitzes bewegt, baut sich der Druck im Hochdruckbereich ab und die Düsennadel 11 gibt den Einspritzkanal frei. Mit P₁ ist der sogenannte Kopplerdruck bezeichnet. wie er im hydraulischen Koppler 4 gemessen wird. Nach dem Entladen des Aktors 2 ist der Kopplerdruck P₁ näherungsweise 0 und wird durch Wiederbefüllung wieder angehoben. Es finden zunächst auf ebenfalls an sich bekannte und in 2 dargestellte Weise eine Voreinspritzung VE und eine dieser nachfolgende Haupteinspritzung HE statt.
Um sowohl die Leistung der Brennkraftmaschine zu vergrößern als auch deren Emissionsverhalten zu verbessern, ist nun beabsichtigt, die Geschwindigkeit der Düsennadel 11 zu erhöhen, um so in schneller Abfolge Einspritzungen vornehmen zu können. Bedingt durch die hohe Geschwindigkeit der Düsennadel 11 kommt es nun zu einem "Zielkonflikt" zwischen der Einspritzrate und realisierbaren Kleinstmengen für die Voreinspritzung. Das nachfolgend beschriebene Verfahren ermöglicht es nun, hohe Düsennadelgeschindigkeiten und gleichzeitig kleine Voreinspritzmengen zu realisieren.
In einem ersten Schritt 100 wird zunächst bei einer konstanten, vom Druck im Kraftstoffsystem abhängigen Spannung die Ansteuerdauer ET variiert um eine vorgebbare Größe ΔET. In einem Schritt 120 wird geprüft, ob die vorgegebene Voreinspritzmenge erreicht wurde. Wenn dies der Fall ist, wird in einem Schritt 140 die auf diese Weise ermittelte Ansteuerdauer ET gespeichert. Wenn die Zielmenge jedoch nicht erreicht wurde, wird in einem Schritt 160 bei konstanter Ansteuerdauer ET die Spannung U verändert durch Addieren eines Spannungswertes ΔU und in Schritt 120 geprüft, ob die Voreinspritzmenge durch diese Spannungsänderung erreicht wurde. Wenn dies der Fall ist, werden die so ermittelte Ansteuerspannung und die Ansteuerdauer in Schritt 140 gespeichert. Wenn dies jedoch nicht der Fall ist, wird die Ansteuerspannung schrittweise um den Wert ΔU geändert und jeweils in Schritt 120 geprüft, ob die vorgegebene Menge erreicht wurde. Die in 120 vorgenommene Überprüfung, ob die vorgegebene Einspritzmenge erreicht wurde. wird aufgrund eines Rückmeldesignals überprüft. Anhand der Änderung des Rückmeldesignals kann erkannt werden, ob eine Voreinspritzung mit den gewünschten Eigenschaften erfolgte oder nicht. Ändert sich das Rückmeldesignal nicht, erfolgte keine Voreinspritzung. Ändert sich dagegen das Rückmeldesignal, so fand die gewünschte Voreinspritzung statt. Dabei wird die Haupteinspritzung konstant gehalten. Die Rückmeldesignale werden ebenfalls wie die Betriebskenngrößen durch geeignete Sensoren 40 erfaßt. Als Rückmeldesignale können in besonders vorteilhafter Weise ein Signal eines Sensors oder eine Kombination der Signale verschiedener Sensoren verwendet werden. Als Sensoren kommen hierbei Sensoren für die Spritzdauer, den Elementdruck, den Brennraumdruck, den Motorkörperschall sowie den Luftschall in Frage. Eine Rückmeldung kann auch mittels eines Lichtsignals im Brennraum realisiert werden. Eventuell müssen die Signale in Korrelation mit dem Ansteuersignal der Voreinspritzung betrachtet werden. Es ist dabei möglich, bei einer entsprechenden Anzahl von Sensoren, jeden In jektor separat zu betrachten. Ist kein Rückmeldesignal vorhanden, so wird zunächst auf die vorbeschriebene Weise zunächst die Ansteuerdauer ET verändert und dann die Ansteuerspannung U, bis ein Rückmeldesignal einer gewünschten Voreinspritzung existiert.
Bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und damit mehreren Injektoren wird das vorgenannte Verfahren an jedem Injektor durchgeführt. Das Verfahren kann dabei einmal im Werk bei dem Motorenhersteller oder im Rahmen der Wartung durchgeführt werden, wobei die hierbei ermittelten Werte als Grundeinstellungen verwendet werden. Die mit Hilfe des Verfahrens ermittelten Werte können in besonders vorteilhafterweise in einem Kennfeld über Last und Drehzahl gespeichert werden und stehen dann bei jeder Voreinspritzung zur Verfügung.

Claims

Verfahren zum Steuern wenigstens eines einen piezoelektrischen Aktor aufweisenden Injektors zur Kraftstoffeinspritzung in eine Brennkraftmaschine (10), wobei der piezoelektrische Aktor derart angesteuert wird, daß zuerst eine Voreinspritzung und dann eine Haupteinspritzung ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung einer vorgebbaren Voreinspritzmege die Dauer des Ansteuerimpulses für den piezoelektrischen Aktor (Ansteuerdauer) variiert wird und dann, wenn die Voreinspritzmenge durch Variation der Ansteuerdauer nicht erreichbar ist, die Ansteuerspannung des piezoelektrischen Aktors variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerdauer bei konstant gehaltener Ansteuerspannung variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerspannung bei konstant gehaltener Ansteuerdauer variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation der Ansteuerspannung durch schrittweises Erhöhen/Verringern der Ansteuerspannung um vorgebbare Werte innerhalb vorgebbarer Grenzen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite der Ansteuerdauer und der Ansteuerspannung, mit der die vorgebbare Voreinspritzmenge erreicht werden, gespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Erreichen der Voreinspritzmenge erforderliche Ansteuerspannung und Ansteuerdauer in stationären Betriebspunkten ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erreichen der vorgegebenen Voreinspritzmenge durch ein Rückmeldesignal erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Rückmeldesignal wenigstens eine der Größen gemessene Spritzdauer, Elementdruck, Brennraumdruck Körperschall, Luftschall oder ein Lichtsignal im Brennraum verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerdauer und die Ansteuerspannung zum Erreichen der vorgegebenen Voreinspritzmenge für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine ermittelt und abgespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerdauer und die Ansteuerspannung zum Erreichen der vorgegebenen Voreinspritzmenge als Funktion von Last und Drehzahl in einem Kennfeld gespeichert werden.