DE102004063294A1

DE102004063294A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Einspritzventils

Info

Publication number: DE102004063294A1
Application number: DE200410063294
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Fritsch; Andrea Dr. Garavaglia; Christian Hauser; Treerapot Prawate Kongtoranin; Heinz Lixl; Gonzalo Medina-Sanchez; Frédéric Renkens
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-30
Also published as: DE102004063294B4

Abstract

Ein Einspritzventil hat einen Stellantrieb, einen Steuerraum (30), dessen Druck abhängig von dem Stellantrieb beeinflussbar ist, und eine Düsennadel (24), deren Position abhängig von dem Druck in dem Steuerraum (30) einstellbar ist. Wenn eine Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) des Stellantriebs, die beginnt mit dem Beginn eines Steuerns der Düsennadel (24) aus ihrer Schließposition heraus und endet mit dem Beginn eines darauf folgenden Steuerns der Düsennadel (24) zurück in ihre Schließposition, größer oder gleich einem vorgegebenen Schwellenwert (THD) ist, so wird ein Stellsignal für den Stellantrieb angepasst abhängig von einem zeitlichen Verlauf eines den Druck in dem Steuerraum (30) charakterisierenden Signals, und zwar abhängig von mindestens einem charakteristischen Signalpunkt des Signals während der Ansteuerzeitdauer, der bevorzugt ein Wendepunkt und/oder Extremum ist. Dieses Anpassen erfolgt im Sinne eines Verringerns einer Abweichung einer zeitlichen Lage des mindestens eines charakteristischen Signalpunktes zu einer vorgegebenen zeitlichen Lage. Wenn die Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) des Stellantriebs kleiner ist als der vorgegebene Schwellenwert (THD), so wird das Stellsignal für den Stellantrieb angepasst abhängig von einer Bewertung des zeitlichen Verlaufs des den Druck in dem Steuerraum (30) charakterisierenden Signals im Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel (24), und zwar im Sinne eines Verringerns einer Abweichung der Bewertung von einer ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Einspritzventils, insbesondere eines Einspritzventils zum Zumessen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine.
Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoff-Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die während des Verbrennungsprozesses des Luft/Kraftstoff-Gemisches erzeugten Schadstoff-Emissionen zu senken. Insbesondere die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine sehr gute Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen. Im Falle von Dieselbrennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu 2000 bar. Für derartige Anwendungen setzen sich zunehmend Einspritzventile durch mit einem Piezo-Aktuator. Piezo-Aktuatoren zeichnen sich aus durch sehr kurze Ansprechzeiten. Derartige Einspritzventile sind so gegebenenfalls geeignet mehrfach innerhalb eines Arbeitszyklusses eines Zylinders der Brennkraftmaschine Kraftstoff zuzumessen.
Eine besonders gute Gemischaufbereitung lässt sich erreichen, wenn vor einer Haupteinspritzung eine oder mehrere Voreinspritzungen erfolgen, die auch als Piloteinspritzung bezeichnet werden, wobei für die einzelne Voreinspritzung gegebenen falls eine sehr geringe Kraftstoffmasse zugemessen werden soll. Ein präzises Ansteuern des Einspritzventils ist insbesondere für die Fälle sehr wichtig.

Aus der DE 199 30 309 C2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Einspritzventils bekannt mit einem Piezo-Aktuator und mit einer Steuerkammer, deren Druck auf einen beweglichen Düsenkörper mit einer Düsennadel zum Öffnen und Schließen von Einspritzlöchern wirkt. Ferner steht ein Steuerventil in Verbindung mit der Steuerkammer, das von dem Piezo-Aktuator betätigt wird. Nach einer Aufladung des Piezo-Aktuators wird die an ihm abfallende Spannung erfasst. Eine Nadelöffnungszeit wird ermittelt abhängig von den Zeitpunkten, an denen der Spannungsabfall einen vorgegebenen ersten Wert beziehungsweise einen vorgegebenen zweiten Wert einnimmt.

Aus der DE 100 24 662 A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines Einspritzventils und eine Steuerschaltung für ein Einspritzventil bekannt. Das Einspritzventil hat einen Aktor, der mit einem Stellglied in Wirkverbindung steht, mit dem der Druck in einem Steuerraum beeinflussbar ist. Eine Düsennadel ist vorgesehen, die in Wirkverbindung mit dem Druck in dem Steuerraum steht. Die Düsennadel ist abhängig von dem Druck in dem Steuerraum in verschiedene Positionen bewegbar, in denen unterschiedliche Einspritzzustände des Einspritzventils einstellbar sind. Der Aktor ist als piezoelektrischer Aktor ausgebildet. Die an dem piezoelektrischen Aktor abfallende Spannung wird als Detektionssignal erfasst, wenn eine Änderung der Spannung auftritt. Das Detektionssignal dient dann als Information für das Festlegen eines Einspritzzeitpunktes.

Aus der WO 01/63121 ist ein Verfahren zum Erkennen von Einspritzereignissen eines Einspritzventils mit einem piezoelektrischen Aktuator bekannt. Das Einspritzventil umfasst einen Injektorkörper mit einer Steuerkammer, der ein Steuerventil zugeordnet ist, das den Kraftstoffdruck in der Steuerkammer steuert. Der piezoelektrische Aktuator wirkt auf das Steuerventil ein. Der piezoelektrische Aktuator wird mit einer Spannung beaufschlagt derart, dass der daraus resultierende Hub des piezoelektrischen Aktuators das Steuerventil betätigt. Ein axiales Wegbewegen einer Düsennadel von einem Ventilsitz wird abhängig von einem Anstieg des Spannungsabfalls an dem piezoelektrischen Aktuator erkannt. Ein Beenden der Bewegung der Düsennadel wird anhand eines abrupten Abfalls der Spannung an dem piezoelektrischen Aktuator erkannt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die ein präzises Steuern eines Einspritzventils ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Steuern eines Einspritzventils mit einem Stellantrieb, mit einem Steuerraum, dessen Druck abhängig von dem Stellantrieb beeinflussbar ist, und mit einer Düsennadel, deren Position abhängig von dem Druck in dem Steuerraum einstellbar ist. Eine Ansteuerzeitdauer des Stellantriebs beginnt mit einem Beginn eines Steuerns der Düsennadel aus ihrer Schließposition heraus und endet mit dem Beginn eines darauf folgenden Steuerns der Düsennadel zurück in ihre Schließposition. Wenn die Ansteuerzeitdauer größer oder gleich einem vorgegebenen Schwellenwert ist, so wird ein Stellsignal für den Stellantrieb angepasst abhängig von einem zeitlichen Verlauf eines den Druck in dem Steuerraum charakterisierenden Signals. Dies erfolgt abhängig von mindestens einem charakteristischen Signalpunkt des Signals während der Ansteuerzeitdauer, der bevorzugt ein Wendepunkt und/oder Extremum ist, und im Sinne eines Verringerns einer Abweichung einer zeitlichen Lage des mindestens einen charakteristischen Signalpunktes zu einer vorgegebenen zeitlichen Lage.

Wenn die Ansteuerzeitdauer des Stellantriebs kleiner ist als der vorgegebene Schwellenwert, so wird das Stellsignal für den Stellantrieb angepasst abhängig von einer Bewertung des zeitlichen Verlaufs des den Druck in dem Steuerraum charakterisierenden Signals im Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel und zwar im Sinne eines Verringerns einer Abweichung der Bewertung von einer vorgegebenen Bewertung. Dies ermöglicht sowohl ein präzises Steuern bei längeren Ansteuerzeiten auch ein präzises Steuern bei sehr kurzen Ansteuerzeiten, so zum Beispiel bei Ansteuerzeiten kleiner 600 μs. Ein unterschiedlicher Leerhub des Stellantriebs kann so auch zuverlässig bei sehr kurzen Ansteuerzeitdauern kompensiert werden.

Besonders vorteilhaft ist der Stellantrieb ein Piezo-Aktuator. Besonders vorteilhaft ist ferner die vorgegebene zeitliche Lage und die vorgegebene Bewertung abhängig von einem Fluiddruck in einem Hochdruckspeicher, mit dem der Steuerraum koppelbar ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Bewertung des zeitlichen Verlaufs des den Druck in dem Steuerraum charakterisierenden Signals in einem Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel ausgelöst durch das Betätigen des Stellantriebs während der Ansteuerzeitdauer durch ein Integrieren des Signals und somit Bilden eines Integralwertes. Dies ist besonders einfach und präzise.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hängen ein Integrationsbeginn und/oder -ende des Integrierens des Integrals des Signals ab von einem vorgegebenen Bezugspunkt des Signals, der eine Korrelation hat zu Vorgängen in dem Steuerraum. Auf diese Weise kann das gewünschte Ansteuerverhalten des Einspritzventils durch Auswerten des Integralwertes präzise erfolgen und zwar wegen einer guten Korrelation zu dem Stellsignal.

Ferner sind bevorzugt der Integrationsbeginn und das Integrationsende so gewählt, dass neben der guten Korrelation auch eine Änderung des Integrals in Bezug zu einer Änderung des Stellsignals groß ist, also eine hohe Empfindlichkeit gegeben ist. Dies ermöglicht ein noch präziseres Steuern des Einspritzventils bei kurzen Ansteuerzeitdauern. Der Integrationsbeginn und/oder das Integrationsende kann bevorzugt durch Versuche oder Simulationen ermittelt werden und er kann gegebenenfalls auch zeitlich vor oder nach dem jeweiligen Bezugspunkt liegen.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der vorgegebene Bezugspunkt ein erstes lokales Minimum des Signals nach Beginn der Ansteuerzeitdauer ist. Dies hat den Vorteil, dass das erste Minimum dafür repräsentativ ist, dass der Druckabbau in dem Steuerraum durch den Stellantrieb nach dem Durchschreiten des ersten Minimums geringer ist als ein Druckaufbau durch die Bewegung der Düsennadel. Das erste Minimum ist einfach detektierbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der vorgegebene Bezugspunkt ein erstes lokales Maximum des Signals nach dem Beginn der Ansteuerzeitdauer. Dies ist repräsentativ für einen vollen Hub des Stellantriebs, da die Bedingungen vor Einsetzen des Druckabfalls in dem Steuerraum definiert sind. Informationen über die sich anschließende Dynamik können durch Bezug auf das erste Maximum gewonnen werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Signalverlauf normiert auf den Signalwert in dem vorgegebenen Bezugspunkt. Dies hat den Vorteil, dass die Integralwerte gut vergleichbar sind. Insbesondere geben die zu dem vorgegebenen Bezugspunkt bestimmten normierten Werte des Signalverlaufs die Stärke der einsetzenden Dynamik gut wieder.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Integrieren in Bezug auf den Signalwert in dem vorgegebenen Bezugspunkt. Somit wird in diesem Fall lediglich die Fläche zwischen einer konstanten Geraden mit dem Signalwert und dem Signalverlauf des Signals ermittelt, was die Stärke der einsetzenden Dynamik gut wieder gibt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hängen der Integrationsbeginn und/oder das Integrationsende des Integrierens des Signals ab von einem Fluiddruck in einem Hochdruckspeicher, mit dem der Steuerraum koppelbar ist. Dies ermöglicht ein noch präziseres Ansteuern bei sehr kurzen Ansteuerzeitdauern des Einspritzventils.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei einem Betrieb mit einer Ansteuerzeitdauer, die größer ist als der Schwellenwert, die Bewertung des zeitlichen Verlaufs des den Druck in den Steuerraum charakterisierenden Signals im Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel durchgeführt und abhängig davon die vorgegebene Bewertung angepasst, wenn die Abweichung der zeitlichen Lage des charakteristischen Signalpunktes von der vorgegebenen zeitlichen Lage in vorgegebener Weise gering ist.

Auf diese Weise wird die Erkenntnis genutzt, dass die charakteristischen Signalpunkte mit deren zugeordneter zeitlicher Lage unabhängig von dem jeweils individuellen Einspritzventil korrelieren zu dem Druckverlauf in dem Steuerraum, während die Bewertung abhängig von dem jeweiligen individuellen Einspritzventil korreliert zu dem Druckverlauf. Die charakteristischen Signalpunkte korrelieren somit zu allen Einspritzventilen, die im Wesentlichen baugleich sind und zu dem Druckverlauf zu einer gleichen Art und Weise. Demgegenüber korrelieren die Bewertungen zwar zu dem Druckverlauf des jeweils individuellen Einspritzventils, jedoch nicht notwendigerweise zu dem Druckverlauf eines anderen im Wesentlichen baugleichen Einspritzventils. Durch dieses Vorgehen wird somit eine Kreuzkorrelation zwischen den charakteristischen Signalpunkten und den Integralwerten durchgeführt, dies kann auch als ein Referenzieren bezeichnet werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in einem Kalibrationsvorgang das Stellsignal solange angepasst, bis der gewünschte Druckverlauf in dem Steuerraum erreicht ist, was abhängig von einer für den Druckverlauf repräsentativen erfassten Größe überprüft wird. Dann wird die zugeordnete Bewertung ermittelt und abhängig davon die vorgegebene Bewertung angepasst. Der Kalibrationsvorgang kann beispielsweise einfach im Laufe des Herstellens des Einspritzventils durchgeführt werden und so kann die vorgegebene Bewertung präzise erfolgen gegebenenfalls unter Einsatz einer entsprechend präzisen Messapparatur zum Erfassen der den Druckverlauf repräsentativen Größe, wie beispielsweise die über das Einspritzventil zugemessene Fluidmenge.

In diesem Zusammenhang kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Bewertung nur für einen oder wenige Fluiddrücke ermittelt wird und damit eine Einordnung in eine bestimmte Klasse erfolgt und dann für die jeweilige Klasse vorgegebene Bewertungen für alle relevanten Fluiddrücke dem jeweiligen individuellen Einspritzventil zugeordnet werden. Dies hat den Vorteil eines geringen Aufwandes.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Stellantrieb ein Piezo-Aktuator ist, da dieser eine sehr kurze Ansprechzeit hat. In diesem Zusammenhang ist es ferner vorteilhaft, wenn das Stellsignal ein Stromsignal ist. Der Stellantrieb kann jedoch auch ein Piezo-Aktuator sein ohne, dass das Stellsignal ein Stromsignal ist. Auf diese Weise kann der Piezo-Aktuator auch gleichzeitig als Drucksensor eingesetzt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einer der charakteristischen Signalpunkte ein Wendepunkt nach einem zweiten lokalen Maximum nach dem Beginn der Ansteuerzeitdauer des Signals. Dies hat den Vorteil, dass dieser Wendepunkt eine besonders hohe Korrelation unabhängig von dem individuellen Injektor zu dem Druckverlauf in dem Steuerraum hat.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Einspritzventil mit einer Steuervorrichtung,
2 und 3 ein Ablaufdiagramm eines Programms, das in der Steuereinrichtung abgearbeitet wird, und
4 einen zeitlichen Verlauf eines Spannungssignals eines Piezo-Aktuators des Einspritzventils gemäß 1.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ein Einspritzventil (1) hat ein Injektorgehäuse 1 mit einer Ausnehmung, in die ein Piezo-Aktuator 4 eingesetzt ist, der mit einem Übertrager 6 gekoppelt ist. Der Übertrager 6 ist in einem Leckageraum 8 angeordnet. Ein Schaltventil 10, das bevorzugt als Servoventil ausgebildet ist, ist so angeordnet, dass es abhängig von seiner Schaltstellung ein Leckagefluid, das in dieser Ausführungsform bevorzugt der Kraftstoff ist, absteuert. Das Schaltventil ist über den Übertrager 6 mit dem Piezo-Aktuator 4 gekoppelt und wird von ihm angetrieben, das heißt die Schaltstellung des Schaltventils 10 wird mittels des Piezo-Aktuators 4 eingestellt. Das Schaltventil 10 ist in einer Ventilplatte 12 angeordnet.
Das Einspritzventil umfasst ferner einen Nadelführungskörper 14 und einen Düsenkörper 16. Die Ventilplatte 12, der Nadelführungskörper 14 und der Düsenkörper 16 bilden eine Düsenbaugruppe, die mittels einer Düsenspannmutter 18 an dem Injektorgehäuse 1 befestigt ist.
Der Nadelführungskörper 14 hat eine Ausnehmung, die als Ausnehmung des Düsenkörpers 16 in dem Düsenkörper 16 fortgesetzt ist und in der eine Düsennadel 24 angeordnet ist. Die Düsennadel 24 ist in dem Nadelführungskörper 14 geführt. Eine Düsenfeder 26 spannt die Düsennadel 24 in eine Schließposition vor, in der sie einen Kraftstofffluss durch eine Einspritzdüse 28 unterbindet.
An dem axialen Ende der Düsennadel 24, das hingewandt ist zu der Ventilplatte 12, ist ein Steuerraum 30 ausgebildet, der über eine Zulaufdrossel mit einer Hochdruckbohrung 32 hydraulisch gekoppelt ist. Die Hochdruckbohrung ist mit einem Hochdruckspeicher 42 hydraulisch gekoppelt, wenn das Einspritzventil in der Brennkraftmaschine montiert ist. Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Schließposition, so ist der Steuerraum 30 hydraulisch entkoppelt von dem Leckageraum 8. Dies hat zur Folge, dass sich nach einem Schließen des Schaltventils 10 der Druck in dem Steuerraum 30 im Wesentlichen dem Druck in der Hochdruckbohrung 32 angleicht. Die Hochdruckbohrung 32 ist beim Einsatz des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher hydraulisch gekoppelt und wird so mit Kraftstoff unter einem Druck von beispielsweise bis zu 2000 bar versorgt.
Über den Steuerraum 30 wird aufgrund des Fluiddrucks in dem Steuerraum 30 auf eine Stirnfläche der Düsennadel 24 ein Druck in Schließrichtung der Düsennadel 24 ausgeübt. Die Düsennadel 24 weist ferner axial beabstandet zu ihrer Stirnfläche einen Absatz auf, der mit Fluid, das durch die Hochdruckbohrung 32 strömt, derart beaufschlagt wird, dass eine öffnend wirkende Kraft auf die Düsennadel 24 wirkt. In ihrer Schließposition unterbindet die Düsennadel 24 einen Kraftstofffluss durch die Einspritzdüse 28. Bewegt sich die Düsen nadel 24 ausgehend von ihrer Schließposition hinein in den Steuerraum 30, so gibt sie den Kraftstofffluss durch die Einspritzdüse 28 frei, insbesondere in ihrer Offenposition, in der sie in Anlage mit dem Bereich der Wandung des Steuerraums 30 ist, der durch die Ventilplatte 12 gebildet wird.
Ob die Düsennadel 24 sich in ihrer Offensposition oder in ihrer Schließposition befindet hängt davon ab, ob die Kraft, die an dem Absatz der Düsennadel 24 durch den dort herrschenden Druck des Fluids hervorgerufen wird, größer oder kleiner ist als die Kraft, die durch die Düsenfeder 26 und den auf die Stirnfläche der Düsennadel 24 einwirkenden Druck hervorgerufen wird.
Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Offenposition, so strömt Fluid von dem Steuerraum 30 durch das Schaltventil 10 hinein in den Leckageraum 8. Bei geeigneter Dimensionierung der Zulaufdrossel sinkt dann der Druck in dem Steuerraum 30, was schließlich zu einer Bewegung der Düsennadel in ihre Offenposition führt. Der Druck des Fluids in dem Leckageraum 8 ist deutlich geringer als der Druck des Fluids in der Hochdruckbohrung.
Eine Steuervorrichtung 40 ist dem Einspritzventil zugeordnet. Die Steuervorrichtung 40 ist ausgebildet zum Erzeugen eines Stellsignals für den Stellantrieb des Einspritzventils, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Piezo-Aktuator 4 ist.
Das Stellsignal ist bevorzugt ein Stromsignal IS, das bevorzugt pulshöhenmoduliert ist. Ausgehend von einem Start eines Ladevorgangs LAV wird bevorzugt eine vorgegebene Anzahl Pulse, so zum Beispiel 20, mit einer vorgegebenen zeitlichen Dauer und Periode erzeugt bis der Ladevorgang abgeschlossen ist. Über die Höhe des jeweiligen Pulses wird die während des Ladevorgangs dem Piezo-Aktuator zuzuführende elektrische Energie eingestellt. Die dem Piezo-Aktuator 4 während eines Ladevorgangs zuzuführende Energie wird abhängig von Betriebsparametern ermittelt. Die dem Piezo-Aktuator 4 zugeführte Energie beeinflusst dessen axialen Hub und somit auch den Verlauf des Drucks in dem Steuerraum 30.
Ferner ist die Steuereinrichtung 40 ausgebildet zum Erfassen eines Signals, das den Druck in dem Steuerraum 30 charakterisiert. Im Zusammenhang mit dem als Piezo-Aktuator ausgebildeten Stellantrieb des Einspritzventils ist es besonders vorteilhaft, wenn das Signal ein Spannungssignal US ist, das den Spannungsabfall über den Piezo-Aktuator 4 charakterisiert. Bevorzugt umfasst die Steuereinrichtung 40 ferner mindestens einen Treiber, der dem Einspritzventil zugeordnet ist, der für ein niederohmiges Zuführen des Stromsignals IS während des Ladevorgangs LAV und eines Entladevorgangs ELV sorgt und der ansonsten hochohmig ist.
Ein Programm zum Anpassen des Stromsignals IS, das ein Steuersignal ist, ist im Folgenden anhand des Ablaufdiagramms der 2 und 3 näher erläutert. Das Programm ist in der Steuervorrichtung 40 gespeichert und wird während des Betriebs des Einspritzventils in der Steuervorrichtung 40 abgearbeitet. Das Programm wird in einem Schritt S1 gestartet.
In einem Schritt S2 wird geprüft, ob ein Ladevorgang LAV gestartet wurde. Ist dies nicht der Fall, so verharrt das Programm für eine vorgebbare Wartezeitdauer T_W in dem Schritt S4 oder auch im Falle einer Brennkraftmaschine gegebenenfalls für eine Zeitdauer eines vorgegebenen Kurbelwellenwinkels. Im Anschluss daran wird die Bedingung des Schrittes S2 erneut geprüft.
Ist die Bedingung des Schrittes S2 hingegen erfüllt, so wird in einem Schritt S6 das Spannungssignal US erfasst und zwischengespeichert inklusive zugeordneter Zeitinformationen.
In einem Schritt S8 wird anschließend geprüft, ob ein Entladevorgang ELV gestartet wurde. Ist dies nicht der Fall, so wird die Bearbeitung wieder in dem Schritt S6 fortgesetzt und das Spannungssignal US weiter erfasst und zwischengespeichert. Ist die Bedingung des Schrittes S8 hingegen erfüllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S9 fortgesetzt.
Durch den Ladevorgang LAV wird ein Längen des Piezo-Aktuators 4 in axialer Richtung bewirkt und somit die Düsennadel 24 aus ihrer Schließposition heraus gesteuert. Durch den Entladevorgang ELV wird ein Verkürzen der axialen Länge des Piezo-Aktuators 4 bewirkt und somit ein Bewegen der Düsennadel 24 hinein in ihre Schließposition. Die Zeitdauer zwischen dem Start des Ladevorgangs LAV und dem Start des darauf folgenden Entladevorgangs ELV des Piezo-Aktuators 4 wird als Ansteuerzeitdauer T_CTRL des Piezo-Aktuators 4 bezeichnet. Die Ansteuerzeitdauer T_CTRL bestimmt wesentlich die zugemessene Fluidmenge. Durch die während des Ladevorgangs dem Piezo-Aktuator 4 zugeführte elektrische Energie wird maßgeblich die Geschwindigkeit des Bewegens der Düsennadel 24 von ihrer Schließposition in ihre Offenposition bestimmt und ein Leerhubs des Piezo-Aktuators 4 überwunden.
In einem Schritt S9 wird geprüft, ob die Ansteuerzeitdauer T_CTRL größer oder gleich ist als ein Schwellenwert THD. Der Schwellenwert THD ist geeignet vorgegeben und kann beispiels weise 600 μs betragen. Ist die Bedingung des Schrittes S9 erfüllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S10 fortgesetzt. Ist die Bedingung des Schrittes S9 nicht erfüllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S44 fortgesetzt, der weiter unten anhand der 3 näher erläutert ist.
In den Schritten S10 bis S22 werden charakteristische Signalpunkte des Spannungssignals US ermittelt, die Wendepunkte, Extrema oder ein Knickpunkt vor einem ersten Maximum P1 des Spannungssignals US sind und die auch Bezugspunkte sein können. Ferner werden in den Schritten S10 bis S22 den entsprechenden charakteristischen Signalpunkten des Spannungssignals US auch die entsprechenden Zeitpunkte zugeordnet, an denen sie auftraten.
Ein beispielhafter Verlauf des Spannungssignals US aufgetragen über die Zeit t ist anhand der 4 veranschaulicht. Ein Zeitpunkt t_₁ kennzeichnet einen Zeitpunkt des Startes eines Ladevorgangs LAV. Ein Zeitpunkt t₀ kennzeichnet das Beenden des jeweiligen Ladevorgangs LAV und somit auch den Zeitpunkt, an dem das Spannungssignal US sein erstes Maximum P1 erreicht unter der Voraussetzung, dass das Stromsignal IS wie im Ausführungsbeispiel dargestellt pulshöhenmoduliert ist und eine vorgegebene Anzahl an Strompulsen dem Piezo-Aktuator 4 während je eines Ladevorgangs LAV zugeführt werden.
Unter dem Begriff Extremum, Maximum und Minimum werden relative Extrema, Maxima beziehungsweise Minima verstanden und nicht notwendigerweise absolute Extrema, Maxima beziehungsweise Minima. t₂ markiert den Zeitpunkt, an dem der Entladevorgang ELV gestartet wird. Bevorzugt sind alle Zeitpunkte auf den Zeitpunkt t₀ bezogen, an dem der Ladevorgang LAV beendet ist.
In dem Schritt S10 (2) wird ein Knickpunkt SHS ermittelt, der sich zwischen den Zeitpunkt t_₁ des Starts des Ladevorgangs LAV und dem Zeitpunkt t₀ befindet, an dem der Ladevorgang LAV beendet ist. Dem Knickpunkt SHS ist ein Zeitpunkt t_SHS des Knickpunkts SHS zugeordnet. Im Anschluss an den Knickpunkt SHS des Spannungssignals US hat dieses eine zweite hohe Steigung. Der Knickpunkt SHS ist charakteristisch für den Beginn der Bewegung des Schaltventils 10 aus seiner Schließstellung heraus. Er charakterisiert somit auch einen Zeitpunkt eines Beginns der Bewegung der Düsennadel 24 aus ihrer Schließposition heraus.
Der Knickpunkt SHS wird bevorzugt mittels Auswerten der ersten zeitlichen Ableitung des Spannungssignals US ermittelt. In dem Schritt S12 wird das erste Maximum P1 des Spannungssignals US ermittelt und der zu dem ersten Maximum P1 zuzuordnende Zeitpunkt des ersten Maximums zugeordnet, der in der Regel der vorgegebene Zeitpunkt t₀ ist, an dem der Ladevorgang LAV beendet ist.
In einem Schritt S14 wird ein erster Wendepunkt B ermittelt und der diesem zugeordnete Zeitpunkt t_B ermittelt.
In dem Schritt S16 wird ein erstes Minimum V des Spannungssignals US ermittelt und der diesem zugeordnete Zeitpunkt t_V ermittelt. In dem Schritt S18 wird ein zweiter Wendepunkt G1 des Spannungssignals US ermittelt und ein entsprechender Zeitpunkt t_G1 des zweiten Wendepunkts zugeordnet. In einem Schritt S20 wird ein zweites Maximum P2 des Spannungssignals U2 ermittelt und ein Zeitpunkt t_P2 des zweiten Maximums des Spannungssignals US zugeordnet.
In einem Schritt S22 wird ein dritter Wendepunkt G2 des Spannungssignals US ermittelt und diesem der entsprechende Zeitpunkt t_G3 zugeordnet. Die Nummerierung der Maxima, der Minima und der Wendepunkte ist jeweils bezogen auf das erste Maximum P1. Je nachdem wie der Zeitpunkt t₂ des Starts des Entladevorgangs relativ zu dem Zeitpunkt t₀ liegt, an dem der Ladevorgang LAV beendet ist, kann auch nur eine Untermenge der in den Schritten S10 bis S22 beschriebenen Signalpunkten bestimmt werden. Liegt der Zeitpunkt t₂ des Startes des Entladevorgangs LAV beispielsweise zwischen den Zeitpunkten t_V und t_G1 des ersten Minimums V und des zweiten Wendepunkts G2, so können auch nur die charakteristischen Signalpunkte der Schritte S10, S12, S14 und S16 bestimmt werden und ihnen die entsprechenden Zeitpunkte zugeordnet werden.
In einem Schritt S24 wird ein Gütewert GW abhängig von einem oder mehreren der Zeitpunkte t_G2, t_P2, t_G1, t_V, t_B, t_SHS, die jeweils repräsentativ sind für die jeweilige zeitliche Lage der jeweiligen charakteristischen Signalpunkte. Besonders einfach kann der Gütewert GW beispielsweise auch nur abhängig von einem der Zeitpunkte t_G2, t_P2, t_G1, t_V, t_B, t_SHS ermittelt werden. Dies kann beispielsweise durch direktes Zuordnen des jeweiligen Zeitpunktes t_G2, t_P2, t_G1, t_V, t_B, t_SHS erfolgen. So kann dem Gütewert GW beispielsweise der Zeitpunkt t_G2 des zweiten Wendepunktes G2 zugeordnet werden.
In einem Schritt S26 wird ein Soll-Gütewert GW_SP bevorzugt abhängig von dem Fluiddruck FUP in dem Hochdruckspeicher 42 ermittelt.
In einem Schritt S28 wird ein Betrag einer Differenz des Soll-Gütewertes GW_SP und des Gütewertes GW daraufhin überprüft, ob er kleiner ist als ein Gütewert-Schwellenwert GW_THD. Der Gütewert-Schwellenwert GW_THD ist geeignet so klein gewählt, dass bei seinem Unterschreiten die für den jeweiligen Anwendungsfall gewünschte Präzision des Steuerns des Stellantriebs gewährleistet ist. Ist die Bedingung des Schrittes S28 nicht erfüllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S30 fortgesetzt, in dem ein Korrekturwert KOR abhängig von dem Gütewert GW und dem Soll-Gütewert GW_SP ermittelt wird. Dies kann beispielsweise in Form einer Regelung erfolgen und zwar durch Bilden der Differenz des Soll-Gütewertes GW_SP und des Gütewertes GW, durch ein Zuführen dieser Differenz zu einem geeignet ausgebildeten Regler, der beispielsweise als P, PI oder PID-Regler ausgebildet sein kann. Allerdings kann an dieser Stelle auch eine Adaption erfolgen. Der Regler kann beispielsweise auch nicht-linearer Natur sein.
In einem Schritt S32 wird anschließend das Stromsignal IS abhängig von dem Korrekturwert KOR angepasst. Der Korrekturwert wird bevorzugt in dem Schritt S32 für den jeweils zugeordneten Fluiddruck FUP in dem Hochdruckspeicher 42 ermittelt und entsprechend erfolgt bevorzugt die Korrektur des Stromsignals IS in dem Schritt S32 abhängig von dem aktuellen Fluiddruck FUP in dem Hochdruckspeicher 42.
Nach der Bearbeitung des Schrittes S32 wird die Bearbeitung in dem Schritt S4 fortgesetzt.
Ist die Bedingung des Schrittes S28 hingegen erfüllt, so werden in einem Schritt S34 ein Integrationsbeginn INT_A und ein Integrationsende INT_B ermittelt. Diese können in einer einfachen Ausführung fest vorgegeben sein. Sie hängen jedoch bevorzugt ab von einem der Bezugspunkte des Signals, der eine Korrelation hat zu Vorgängen in dem Steuerraum.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn sie abhängen von dem ersten lokalen Minimum V oder dem ersten lokalen Maximum P1. Bevorzugt werden der Integrationsbeginn INT_A und das Integrationsende INT_B abhängig von dem Fluiddruck FUP in dem Hochdruckspeicher 42 ermittelt. Dazu ist beispielsweise eine entsprechende Kennlinie in einem Datenspeicher der Steuervorrichtung 40 gespeichert. Die einzelnen Stützpunkte der Kennlinie sind bevorzugt durch Versuche, zum Beispiel an einem Motorprüfstand oder durch Simulationen in geeigneter Weise ermittelt.
Anschließend kann auch ein Schritt S36 optional vorgesehen sein, in dem das Spannungssignal US auf den jeweiligen Signalwert des ersten Maximums P1 oder des ersten Minimums V normiert werden kann und so ein normiertes Spannungssignal US_NORM erhalten wird. Das Normieren erfolgt bevorzugt durch Dividieren der jeweiligen Werte des Spannungssignals US durch den entsprechenden Signalwert des ersten Maximums P1 oder des ersten Minimums V. Ebenso kann in dem Schritt S36 ein Normieren des Signalwertes des ersten Minimums erfolgen und somit ein normierter Signalwert V_NORM des ersten Minimums V erhalten werden.
In einem Schritt S38 wird anschließend ein Integralwert INT_V durch Bilden des Integrals über das Spannungssignal US von dem Integrationsbeginn INT_A bis zu dem Integrationsende INT_B ermittelt. Bevorzugt wird das Integral gebildet über die Differenz des Spannungssignals US und des Signalwertes V_V des ersten Minimums V. Falls vor dem Schritt S38 der Schritt S36 abgearbeitet wurde, werden dann in dem Schritt S38 die entsprechenden normierten Spannungssignale US_NORM und der normierte Signalwert V_V_NORM des ersten Minimums V integriert.
In einem Schritt S40 wird anschließend einem Soll-Integralwert INT_V_SP und zwar für den aktuellen Fluiddruck FUP in dem Hochdruckspeicher 42 der Integralwert INT_V direkt oder mittels einer Zuordnungsvorschrift zugeordnet. An dieser Stelle kann beispielsweise ein Anpassen des Soll-Integralwertes INT_V_SP im Sinne einer Adaption erfolgen. Der Soll-Integralwert INT_V_SP ist bevorzugt im Neuzustand des Einspritzventils mit einem Grundwert belegt, der im Anschluss an die Herstellung des Einspritzventils durch einen Kalibrationsvorgang in dem Datenspeicher der Steuervorrichtung 40 gespeichert ist. Bei dem Kalibrationsvorgang wird das Stellsignal, also in diesem Fall Stromsignal, solange angepasst, bis der gewünschte Druckverlauf erreicht ist, was abhängig von einer für den Druckverlauf repräsentativen erfassten Größe überprüft wird. Dann wird der zugeordnete Integralwert INT_V ermittelt und abhängig von dem so ermittelten Integralwert INT_V der Soll-Integralwert INT_V_SP entsprechend angepasst oder erstmalig eingespeichert. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn lediglich einzelne Betriebspunkte des Fluiddrucks zu diesem Zweck ausgewertet werden. Anhand dessen findet eine Klassifizierung des Einspritzventils statt. Für die übrigen Werte des Fluiddrucks FUP werden entsprechend bereits vorgegebene Soll-Integralwerte INT_V_SP zugeordnet. Im Anschluss an den Schritt S40 wird dann die Bearbeitung in dem Schritt S4 fortgesetzt.
Das Vorgehen gemäß der Schritte S34 bis S40 entspricht einer Bewertung des zeitlichen Verlaufs der analytischen Funktion FCT im Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel 24 und einem Anpassen einer vorgegebene Bewertung abhängig davon, wenn die Abweichung der zeitlichen Lage des charakteristischen Punktes von einer vorgegebenen zeitlichen Lage in vorgegebener Weise gering ist. Die Bewertung kann auch eine andere als das Integral sein.
Ist die Bedingung des Schrittes S9 nicht erfüllt, das heißt die Ansteuerzeitdauer T_CTRL ist kleiner als der Schwellenwert THD, so wird in einem Schritt S44 sowohl der Integrationsbeginn INT_A als auch das Integrationsende INT_B ermittelt und zwar vorzugsweise abhängig von dem Fluiddruck FUP in dem Hochdruckspeicher 42. Anschließend kann ein Schritt S46 entsprechend zu dem Schritt S36 vorgesehen sein.
In einem Schritt S50 wird dann der Integralwert INT_V entsprechend des Vorgehens des Schrittes S38 ermittelt.
In einem Schritt S52 wird der Soll-Integralwert INT_V_SP ermittelt und zwar bevorzugt abhängig von dem Fluiddruck FUP in dem Hochdruckspeicher 42.
In einem Schritt S54 wird anschließend der Korrekturwert abhängig von dem Soll-Integralwert INT_V_SP und dem Integralwert INT_V ermittelt. Dies erfolgt bevorzugt analog zu der Ermittlung des Korrekturwertes in dem Schritt S30. Anschließend wird in einem Schritt S36 das Stromsignal IS entsprechend des Vorgehens des Schrittes S32 angepasst. Die in dem Schritten S30 und S56 angepassten Stromsignale IS werden dann bei folgenden Ansteuerzeitdauern mit entsprechendem Fluiddruck FUP und bei Unter- bzw. Überschreiten des Schwellenwertes THD entsprechend eingesetzt zum Ansteuern des Piezo-Aktuators 4. Im Anschluss an die Bearbeitung des Schrittes S56 wird die Bearbeitung in dem Schritt S4 fortgesetzt.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Einspritzventils mit einem Stellantrieb, mit einem Steuerraum (30), dessen Druck abhängig von dem Stellantrieb beeinflussbar ist, und mit einer Düsennadel (24), deren Position abhängig von dem Druck in dem Steuerraum (30) einstellbar ist, bei dem – wenn eine Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) des Stellantrieb, die beginnt mit einem Beginn des Steuerns der Düsennadel (24) aus ihrer Schließposition heraus und endet mit dem Beginn eines darauf folgenden Steuerns der Düsennadel (24) zurück in ihre Schließposition, größer oder gleich als ein vorgegebener Schwellenwert (THD) ist, ein Stellsignal für den Stellantrieb angepasst wird abhängig von einem zeitlichern Verlauf eines den Druck in den Steuerraum (30) charakterisierenden Signals und zwar abhängig von mindestens einem charakteristischen Signalpunkt des Signals während der Ansteuerzeitdauer (T_CRL) und im Sinne eines Verringerns einer Abweichung einer zeitlichen Lage des mindestens einen charakteristischen Signalpunktes zu einer vorgegebenen zeitlichen Lage und – das Stellsignal für den Stellantrieb angepasst wird, abhängig von einer Bewertung des zeitlichen Verlaufs des den Druck in dem Steuerraum (30) charakterisierenden Signals im Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel (24), wenn die Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) des Stellantriebs kleiner ist als der vorgegebene Schwellenwert (THD), und zwar im Sinne eines Verringerns einer Abweichung der Bewertung von einer vorgegebenen Bewertung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bewertung des zeitlichen Verlaufs des den Druck in dem Steuerraum (30) charakterisierenden Signals im Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel (24) erfolgt durch ein Integrieren des Signals und somit Bilden eines Intergralwertes (INT_V).
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein Integrationsbeginn (INT_A) und/oder ein Integrationsende (INT_B) des Integrierens des Signals abhängen von einem vorgegebenen Bezugspunkt des Signals, der eine Korrelation hat zu Vorgängen in dem Steuerraum (30).
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der vorgegebene Bezugspunkt ein erstes lokales Minimum (V) des Signals nach Beginn der Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem der vorgegebene Bezugspunkt ein erstes lokales Maximum (P1) des Signals nach Beginn der Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem der Signalverlauf normiert wird auf den Signalwert in dem vorgegebenen Bezugspunkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem das Integrieren erfolgt in Bezug auf den Signalwert in dem vorgegebenen Bezugspunkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem der Integrationsbeginn (INT_A) und/oder das Integrationsende (INT_B) des Integrierens des Signals abhängen von einem Druck eines Hochdruckspeichers mit dem der Steuerraum (30) koppelbar ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem bei einem Betrieb mit einer Ansteuerzeitdauer (T_CTRL), die größer ist als der Schwellenwert (THD), die Bewertung des zeitlichen Verlaufs des den Druck in dem Steuerraum (30) charakterisierenden Signals im Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel (24) durchgeführt wird und abhängig davon die vorgegebene Bewertung angepasst wird, wenn die Abweichung der zeitlichen Lage des charakteristischen Signalpunktes von der vorgegebenen zeitlichen Lage in vorgegebener Weise gering ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in einem Kalibrationsvorgang das Stellsignal solange angepasst wird, bis der gewünschte Druckverlauf erreicht ist, was abhängig von einer für den Druckverlauf repräsentativ erfassten Größe überprüft wird, und dann die zugeordnete Bewertung ermittelt wird und abhängig davon die vorgegebene Bewertung angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Stellantrieb ein Piezo-Aktuator (4) ist und das Stellsignal ein Stromsignal (IS) ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das den Druck in dem Steuerraum (30) charakterisierende Signal ein Spannungssignal (US) ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem einer der charakteristischen Signalpunkte ein Wendepunkt (G2) nach dem einem zweiten lokalen Maximum (P2) nach dem Beginn der Ansteuerzeitdauer des Signals ist.
Vorrichtung zum Steuern eines Einspritzventils mit einem Stellantrieb, mit einem Steuerraum (30), dessen Druck abhängig von dem Stellantrieb beeinflussbar ist, und mit einer Düsennadel (24), deren Position abhängig von dem Druck in dem Steuerraum (30) einstellbar ist, die ausgebildet ist zum – wenn eine Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) des Stellantrieb, die beginnt mit einem Beginn des Steuerns der Düsennadel (24) aus ihrer Schließposition heraus und endet mit dem Beginn eines darauf folgenden Steuerns der Düsennadel (24) zurück in ihre Schließposition, größer oder gleich als ein vorgegebener Schwellenwert (THD) ist, Anpassen eines Stellsignals für den Stellantrieb abhängig von einem zeitlichern Verlauf eines den Druck in den Steuerraum (30) charakterisierenden Signals und zwar abhängig von mindestens einem charakteristischen Signalpunkt des Signals während der Ansteuerzeitdauer (T_CRL) und im Sinne eines Verringerns einer Abweichung einer zeitlichen Lage des mindestens einen charakteristischen Signalpunktes zu einer vorgegebenen zeitlichen Lage und – Anpassen des Stellsignals für den Stellantrieb abhängig von einer Bewertung des zeitlichen Verlaufs des den Druck in dem Steuerraum (30) charakterisierenden Signals im Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel (24), wenn die Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) des Stellantriebs kleiner ist als der vorgegebene Schwellenwert (THD), und zwar im Sinne eines Verringerns einer Abweichung der Bewertung von einer vorgegebenen Bewertung.