DE102004063295A1

DE102004063295A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Einspritzventils

Info

Publication number: DE102004063295A1
Application number: DE200410063295
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: Siemens AG
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2006-07-20

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. Eine Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) des Stellantriebs beginnt mit einem 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. Während der Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) wird ein zeitlicher Verlauf eines den Druck in dem Steuerraum (30) charakterisierenden Signals erfasst in Form von Zeitpunkten (t_i) und Signalwerten (S_V) Paaren. Abhängig von den Paaren werden Parameter (a,b,c,d, e,f,g,h, k,m, n,o) einer vorgegebenen analytischen Funktion (FCT) ermittelt. Abhängig von der vorgegebenen analytischen Funktion (FCT) wird ein Stellsignal für den Stellantrieb angepasst.

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, das bzw. 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. Die 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. Während der Steuerzeitdauer wird ein zeitlicher Verlauf eines den Druck in dem Steuerraum charakterisierenden Signals erfasst in Form von Zeitpunkt und Signalwert Paaren. Abhängig von den Paaren werden Parameter einer vorgegebenen analytischen Funktion ermittelt. Abhängig von der vorgegebenen analytischen Funktion wird dann ein Stellsignal für den Stellantrieb angepasst. Der Stellantrieb kann beispielsweise ein Piezo-Aktuator sein. Das Stellsignal kann beispielsweise ein Stromsignal sein.

Das erfindungsgemäße Vorgehen hat den Vorteil, dass die analytische Funktion charakterisiert ist durch ihre Parameter und somit lediglich die Parameter in einem geeigneten Datenspeicher abgelegt werden müssen. Darüber hinaus ist einfach zum Anpassen des Stellsignals für den Stellantrieb eine analytische Analyse der vorgegebenen analytischen Funktion möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Anpassen des Stellsignals abhängig von mindestens einem charakteristischen Punkt der vorgegebenen analytischen Funktion während der Ansteuerzeitdauer, wobei hierunter der der Ansteuerzeitdauer zugeordnete Verlauf der analytischen Funktion zu verstehen ist. Charakteristische Punkte können beispielsweise ein Wendepunkt und/oder Extremum sein. Diese charakteristischen Punkte sind besonders einfach analytisch zu bestimmen und können zu einem präzisen Steuern des Einspritzventils einfach herangezogen werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Anpassen des Stellsignals abhängig von einem ersten lokalen Minimum und/oder ersten lokalen Maximum der analytischen Funktion während der Ansteuerzeitdauer. Dies ist besonders einfach und ermöglicht ein Optimieren eines Güte wertes, der beispielsweise den zeitlichen Abstand zwischen dem ersten lokalen Minimum und dem ersten lokalen Maximum oder auch eine Differenz der zugeordneten Signalwerte geeignet in Beziehung setzt, auch eine Kombination dieser Maßnahmen ist möglich oder andere Metriken sind möglich. Darüber hinaus kann einfach auch die Krümmung der analytischen Funktion im Bereich des ersten lokalen Minimums zum Anpassen des Stellsignals herangezogen werden, was ebenfalls ein sehr präzises Steuern des Einspritzventils ermöglicht.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Stellsignal für den Stellantrieb angepasst abhängig von einer Bewertung des zeitlichen Verlaufs der analytischen Funktion im Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel. Auf diese Weise kann ebenfalls einfach ein präzises Steuern des Einspritzventils ermöglicht werden.

In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn das Stellsignal für den Stellantrieb angepasst wird abhängig von einer Bewertung des zeitlichen Verlaufs der analytischen Funktion im Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel, wenn die Ansteuerzeitdauer des Stellantriebs kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Dies ermöglicht ein präzises Steuern insbesondere bei sehr kurzen Ansteuerzeitdauern, so zum Beispiel bei Ansteuerzeitdauern kleiner als 600 μs. Ein unterschiedlicher Leerhub des Stellantriebs kann so auch zuverlässig bei sehr kurzen Ansteuerzeitdauern kompensiert werden. Vorteilhaft erfolgt das Anpassen des Stellsignals im Sinne eines Verringerns einer Abweichung der Bewertung von einer vorgegebenen Bewertung. Die vorgegebene Bewertung ist in diesem Zusammenhang bevorzugt abhängig von einem Druck eines Hochdruckspeichers, mit dem der Steuerraum koppelbar ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Bewertung des zeitlichen Verlaufs der analytischen Funktion im Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel durch ein Integrieren der analytischen Funktion und somit Bilden eines Integralwertes. Dies erfordert lediglich einen sehr geringen Rechenaufwand.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn ein Integrationsbeginn und/oder Integrationsende des Integrierens der analytischen Funktion abhängen von einem vorgegebenen Bezugspunkt der analytischen Funktion, 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 möglichst groß ist, also eine hohe Empfindlichkeit gegeben ist. Dies ermöglicht ein noch präziseres Steuern des Einspritzventils bei sehr kurzen Ansteuerzeitdauern. Der Integrationsbeginn und/oder das Integrationsende können bevorzugt durch Versuche oder Simulationen ermittelt werden und sie können 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 dem Beginn der Ansteuerzeitdauer ist. Dies hat den Vorteil, dass das erste Minimum repräsentativ ist dafür, 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 der analytischen Funktion 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 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 der analytischen Funktion im Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel durchgeführt und abhängig davon die vorgegebene Bewertung angepasst, wenn die Abweichung der zeitlichen Lage des charakteristischen Punktes von einer vorgegebenen zeitlichen Lage in vorgegebener Weise gering ist. Auf diese Weise wird die Erkenntnis genutzt, dass die charakteristischen Punkte mit deren zugeordneter zeitlicher Lage unabhängig von dem jeweils individuellen Einspritzventil korrelieren zu dem Druckverlauf in dem Steuerraum, während die Integralwerte abhängig von dem jeweiligen indivi duellen Einspritzventil korrelieren zu dem Druckverlauf. Die charakteristischen Punkte korrelieren somit bei allen Einspritzventilen, die im Wesentlichen baugleich sind, zu dem Druckverlauf in der gleichen Art und Weise. Demgegenüber korrelieren die Integralwerte 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 Punkten und den Integralwerten durchgeführt, dies kann auch als ein Referenzieren bezeichnet werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einem Bereich des Verlaufs des Signals, der das erste Minimum und das erste Maximum umfasst ein Polynom höherer Ordnung zugeordnet als analytische Funktion. Dies hat den Vorteil, dass ein Polynom höheren Grades leicht mit wenig Rechenaufwand analysierbar ist.

In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn das Polynom eine Ordnung von drei hat, da es so den tatsächlichen Signalverlauf in dem vorgegebenen Bereich sehr gut approximiert.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die analytische Funktion mindestens eine Exponentialfunktion und eine Lorentzfunktion. Dies hat den Vorteil, dass sich der Verlauf des Signals über einen weiten Bereich der Ansteuerzeitdauer sehr präzise approximieren lässt.

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 Steuervorrichtung abgearbeitet wird,
4 einen zeitlichen Verlauf eines Spannungsverlaufs eines Piezo-Aktuators des Einspritzventils gemäß 1,
5 einen weiteren zeitlichen Verlauf des Spannungssignals,
6 einen zeitlichen Verlauf eines Stromsignals,
7 zeitliche Verläufe des Spannungssignals für unterschiedliche Energien,
8 zeitliche Verläufe des Spannungssignals für unterschiedliche Drücke in vergrößerter Darstellung in einem Zeitfenster, das in der 7 dargestellt ist, und
9 zeitliche Verläufe einer analytischen vorgegebenen Funktion.
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 ange ordnet, 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 Düsennadel 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 Of fenposition 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 LRV 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 Steuervorrichtung 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 in Form von Zeitpunkt t_i und Signalwert S_V Paaren und zwischengespeichert.
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.
Anstelle der Prüfung des Einsetzens des Entladevorgangs ELV in dem Schritt S8, kann auch geprüft werden, ob die Ansteuerzeitdauer T_CTRL abgelaufen ist.
In dem Schritt S9 werden Parameter a, b, c, d, e, f, g, h, k, m, n, o einer vorgegebenen analytischen Funktion FCT abhängig von den bei den Durchläufen des Schrittes S6 ermittelten Zeitpunkt t_i und Signalwert S_V Paaren ermittelt. Dies erfolgt vorzugsweise mittels eines bekannten Approximationsverfahrens, so zum Beispiel durch ein Minimieren der kleinsten Fehlerquadrate. Methoden für ein derartiges Approximieren der Parameter der vorgegebenen analytischen Funktion FCT sind dem Fachmann beispielsweise bekannt aus dem einschlägigen Fachbuch "Signalverarbeitung", E. Schrüfer, München, Wien, Hansa 1990, ISBN 3-446-15944-4, S. 72 – 106, dessen Inhalt hiermit diesbezüglich einbezogen ist.
Die vorgegebene analytische Funktion FCT kann beispielsweise durch ein Polynom höherer Ordnung, insbesondere dritter Ordnung aber gegebenenfalls auch höher gebildet sein. Im Fall des Polynoms dritter Ordnung werden die Parameter a, b, c, d abhängig von den Zeitpunkt t_i und Signalwert S_V in Paaren approximiert. Bevorzugt wird dazu lediglich eine Untermenge der bei den einzelnen Durchläufen des Schrittes S6 erfassten Paaren eingesetzt, wobei diese beispielsweise durch diejenigen Paare gebildet sind, die um einen vorgegebenen Bereich des Verlaufs des Signals, der das erste Minimum und das erste Maximum umfasst, zugeordnet sind. Die genaue zeitliche Lage und Ausdehnung dieses Bereichs kann beispielsweise durch geeignete Versuche oder Simulationen vorab festgelegt sein. Die vorgegebene analytische Funktion kann jedoch auch eine andere analytische Funktion sein oder umfassen, wie zum Beispiel einen Tangens hyperbolicus oder auch mindestens eine Exponentialfunktion und/oder Lorentzfunktion. Anhand der folgenden Formel ist eine mögliche weitere Ausführungsform für die vorgegebene analytische Funktion beispielhaft dargestellt, die sich aus Teilfunktionen f1, f2 und f3 zusammensetzt. FCT: f1 – f2 + f3 (F1)
f2 = K·(1 – e[–e·(t – t_e)])m (F3)
e, f, g, h, k, m, n, o bezeichnen Parameter der vorgegebenen analytischen Funktion. WIN bezeichnet eine Fensterfunktion, e die zeitliche Lage und f die Breite des Fensters. Mögliche Verläufe der so resultierenden vorgegebenen analytischen Funktion FCT sind in der 9 dargestellt.
In einem Schritt S10 wird geprüft, ob die Ansteuerzeitdauer T_CTRL größer oder gleich ist einem Schwellenwert THD. Der Schwellenwert THD ist geeignet vorgegeben und kann beispielsweise 600 μs betragen. Ist die Bedingung des Schrittes S10 erfüllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S12 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 S12 bis S22 werden charakteristische Punkte des Spannungssignals US ermittelt, die beispielsweise Wendepunkte oder Extrema sind und die auch Bezugspunkte sein können. Ferner werden in den Schritten S12 bis S22 den entsprechenden charakteristischen Punkten der analytischen Funktion FCT auch die entsprechenden Zeitpunkte zugeordnet, an denen sie auftraten. Das Ermitteln kann einfach durch ein Differenzieren der vorgegebenen analytischen Funktion erfolgen. Das entsprechende Differential kann beispielsweise schon vorab in einem Programmspeicher der Steuervorrichtung 40 gespeichert sein und ist so sehr einfach berechenbar.
Ein beispielhafter Verlauf der vorgegebenen analytischen Funktion FCT 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 die vorgegebene analytische Funktion FCT ihr 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 S12 wird das erste Maximum P1 der vorgegebenen analytischen Funktion FCT 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 der vorgegebenen analytischen Funktion FCT ermittelt und der diesem zugeordnete Zeitpunkt t_V ermittelt. In dem Schritt S18 wird ein zweiter Wendepunkt G1 der vorgegebenen analytischen Funktion FCT ermittelt und ein entsprechender Zeitpunkt t_G1 des zweiten Wendepunkts zugeordnet. In einem Schritt S20 wird ein zweites Maximum P2 der vorgegebenen analytischen Funktion FCT ermittelt und ein Zeitpunkt t_P2 des zweiten Maximums des Spannungssignals US zugeordnet.
In einem Schritt S22 wird ein dritter Wendepunkt G2 der vorgegebenen analytischen Funktion FCT ermittelt und diesem der entsprechende Zeitpunkt t_G2 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 Punkte 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 G1, so können auch nur die charakteristischen Punkte der Schritte 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 ermittelt, die jeweils repräsentativ sind für die jeweilige zeitliche Lage der jeweiligen charakteristischen Punkte. Besonders einfach kann der Gütewert beispielsweise auch nur abhängig von einem der Zeitpunkte ermittelt werden. Dies kann beispielsweise durch direktes Zuordnen des jeweiligen Zeitpunktes erfolgen. So kann dem Gütewert beispielsweise der Zeitpunkt t_G2 des dritten 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, wobei der Soll-Gütewert GW_SP geeignet vorgegeben ist.
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 SollGütewert 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, 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 KOR 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 bevorzugt 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 der analytischen Funktion FCT, 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 Flu iddruck 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.
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. Das Integral der analytischen Funktion FCT kann vorab in dem Programmspeicher als Rechenfunktion gespeichert sein und so ein sehr einfaches, wenig rechenintensives Berechnen des Integralwertes INT_V erfolgen.
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 durch einen im Anschluss an die Herstellung des Einspritzventils erfolgten Kalibrationsvorgang als Startwert in dem Datenspeicher der Steuervorrichtung 40 gespeichert. Bei dem Kalibrationsvorgang wird das Stellsignal und somit in diesem Fall Stromsignal IS, 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 FUP zu diesem Zweck ausgewertet werden anhand dessen eine Klassifizierung des Einspritzventils stattfindet und dann für die übrigen Werte des Fluiddrucks FUP entsprechend bereits vorgegebene Soll-Integralwerte INT_V_SP zugeordnet werden.
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 S10 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. 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 S56 das Stromsignal IS entsprechend des Vorgehens des Schrittes S32 angepasst. Die in dem Schritten S32 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.
Bei entsprechender Ausgestaltung der Steuereinrichtung40, die auch als Vorrichtung zum Steuern des Einspritzventils bezeichnet werden kann, kann das für den Verlauf des Drucks in dem Steuerraum charakteristische Signal auch ein von dem Spannungssignal US abweichendes Signal, wie beispielsweise ein die in dem Piezo-Aktuator 4 gespeicherte Energie charakterisierendes Signal oder ein entsprechendes Stromsignal sein.
Anhand der 5 ist ein beispielhafter Verlauf des Spannungssignals US aufgetragen. Anhand der 6 ist ein beispielhafter Verlauf des Stromverlaufs IS aufgetragen. Anhand der 7 sind beispielhafte Verläufe des Spannungssignals US aufgetragen für unterschiedliche Werte der zugeführten elektrischen Energie. 8 zeigt einen Teilbereich der Signalverläufe des Spannungssignals US und zwar in dem Bereich, der in der 7 mit einem Fenster gekennzeichnet ist.

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 – während einer Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) des Stellantriebs, die beginnt mit einem 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, ein zeitlicher Verlauf eines den Druck in dem Steuerraum (30) charakterisierenden Signals erfasst wird in Form von Zeitpunkt (t_i) und Signalwert (S_V) Paaren, – abhängig von den Paaren Parameter (a, b, c, d, e, f, g, h, k, m, n, o) einer vorgegebene analytischen Funktion (FCT) ermittelt werden und – abhängig von der vorgegebenen analytischen Funktion (FCT) ein Stellsignal für den Stellantrieb angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Anpassen des Stellsignals abhängig von mindestens einem charakteristischen Punkt der vorgegebenen analytischen Funktion (FCT) während der Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Anpassen des Stellsignals abhängig von einem ersten lokalen Minimum (V) und/oder einem ersten lokalen Maximum (P1) der analytischen Funktion (FCT) während der Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Stellsignal für den Stellantrieb angepasst wird abhängig von einer Bewertung des zeitlichen Verlaufs der analytischen Funktion (FCT) im Bereich des Einsetzens der Bewegung der Düsennadel (24).
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Stellsignal für den Stellantrieb angepasst wird abhängig von einer Bewertung des zeitlichen Verlaufs der analytischen Funktion (FCT) im Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel (24), wenn die Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) des Stellantriebs kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert (THD).
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Bewertung des zeitlichen Verlaufs der analytischen Funktion (FCT) im Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel (24) erfolgt, durch ein Integrieren der analytischen Funktion (FCT)und somit Bilden eines Integralwertes (INT_V).
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem ein Integrationsbeginn (INT_A) und/oder ein Integrationsende (INT_B) des Integrierens der analytischen Funktion (FCT) abhängig von einem vorgegebenen Bezugspunkt der analytischen Funktion (FCT), der eine Korrelation hat zu Vorgängen in dem Steuerraum (30).
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der vorgegebene Bezugspunkt ein erstes lokales Minimum (V) der analytischen Funktion (FCT) nach Beginn der Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem der vorgegebene Bezugspunkt ein erstes lokales Maximum (P1) der analytischen Funktion (FCT) nach Beginn der Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem der Integrationsbeginn (INT_A) und/oder das Integrationsende (INT_B) des Integrierens der analytischen Funktion (FCT) abhängen von einem Fluiddruck (FUP) eines Hochdruckspeichers (42), mit dem der Steuerraum (30) koppelbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem bei einem Betrieb mit einer Ansteuerzeitdauer (T_CTRL), die größer ist als ein Schwellenwert (THD), die Bewertung des zeitlichen Verlaufs der analytischen Funktion (FCT) im Bereich des Einsetzens einer Bewegung der Düsennadel (24) durchgeführt wird und abhängig davon die vorgegebene Bewertung angepasst wird, wenn eine Abweichung einer zeitlichen Lage des charakteristischen Punktes von einer vorgegebenen zeitlichen Lage in vorgegebener Weise gering ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein vorgegebener Bereich des Verlaufs des Signals, der das erste Minimum (V) und das erste Maximum (P1) umfasst, ein Polynom höherer Ordnung zugeordnet ist als analytische Funktion (FCT).
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Polynom eine Ordnung von drei hat.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die analytische Funktion (FCT) mindestens eine Exponentialfunktion oder eine Lorentzfunktion umfasst.
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 – während einer Ansteuerzeitdauer (T_CTRL) des Stellantriebs, die beginnt mit einem 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, Erfassen eines zeitlichen Verlaufs eines den Druck in dem Steuerraum (30) charakterisierenden Signals in Form von Zeitpunkt (t_i) und Signalwert (S_V) Paaren, – abhängig von den Paaren Parameter (a, b, c, d, e, f, g, h, k, m, n, o) einer vorgegebenen analytischen Funktion (FCT) ermittelt werden und – abhängig von der vorgegebenen analytischen Funktion (FCT) ein Stellsignal für den Stellantrieb angepasst wird.