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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils,
insbesondere eines Kraftfahrzeugs, das einen piezoelektrischen Aktor
aufweist, und bei dem der Aktor in einem Ansteuervorgang auf eine
vorgebbare erste Spannung aufgeladen/entladen wird, um einen entsprechenden Nadelhub
einer mit dem Aktor gekoppelten Ventilnadel einzustellen.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Computerprogramm, einen
entsprechenden elektronischen Speicher sowie ein entsprechendes Steuergerät.
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Derartige
Verfahren sind bekannt und werden dazu eingesetzt, das Kraftstoffeinspritzventil über den
Nadelhub der Ventilnadel in einen geöffneten beziehungsweise geschlossenen
Zustand zu versetzen, um eine gewünschte Kraftstoffmenge beispielsweise
in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs,
einzuspritzen.
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Nachteilig
an den bekannten Verfahren ist insbesondere eine geringe Geschwindigkeit
der Ventilnadel bei einem Übergang
des Kraftstoffeinspritzventils zwischen verschiedenen Ansteuerzuständen des
Aktors.
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Demgemäß ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten
Art dahingehend zu verbessern, dass die Geschwindigkeit der Ventilnadel
bei einem Übergang
zwischen verschiedenen Ansteuerzuständen des Aktors erhöht ist,
wodurch ein Übergang
des Kraftstoffeinspritzventils zwischen den Ansteuerzuständen beschleunigt und
unerwünschte Übergangszustände verkürzt werden.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
der Aktor zu Beginn des Ansteuervorgangs zunächst auf eine zweite Spannung
aufgeladen/entladen wird, die größer/kleiner
als die vorgebbare erste Spannung ist, bevor der Aktor ausgehend von
der zweiten Spannung auf die vorgebbare erste Spannung entladen/aufgeladen
wird.
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Beispielsweise
werden also zum Aufladen des Aktors von einer momentanen Spannung
auf eine erste Spannung, die größer ist
als die momentane Spannung des Aktors, erfindungsgemäß die folgenden
Schritte durchgeführt:
- – Aufladen
des Aktors auf eine zweite Spannung, die größer als die vorgebbare erste
Spannung ist, und
- – Entladen
des Aktors ausgehend von der zweiten Spannung auf die vorgebbare
erste Spannung.
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Das
erfindungsgemäße Prinzip
kann ebenfalls zum Entladen des Aktors von einer momentanen Spannung
auf eine vorgebbare erste Spannung, die kleiner ist als die momentane
Spannung, verwendet werden. Hierbei wird der Aktor entsprechend
zu Beginn des Ansteuervorgangs zunächst auf eine zweite Spannung
entladen, die kleiner ist als die vorgebbare erste Spannung, und
anschließend
wird der Aktor ausgehend von der zweiten Spannung auf die vorgebbare
erste Spannung aufgeladen.
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Vorteile der
Erfindung
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Durch
das erfindungsgemäße Aufladen
beziehungsweise Entladen des Aktors auf die zweite Spannung, die
größer beziehungsweise
kleiner als die von dem Aktor schließlich zu erreichende vorgebbare
erste Spannung ist, wird eine besonders große Geschwindigkeit der Ventilnadel
bei dem Übergang des
Kraftstoffeinspritzventils zwischen den entsprechenden Ansteuerzuständen erzielt.
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Hierdurch
werden insbesondere diejenigen Zeiträume bei der Ansteuerung des
Kraftstoffeinspritzventils verkürzt,
während
der das Kraftstoffeinspritzventil beziehungsweise dessen Ventilnadel
unerwünschte
Zwischenzustände
annehmen, die sich insbesondere durch eine verschlechterte Gemischbildung
in einem Brennraum negativ auf die Emissionen einer Brennkraftmaschine
auswirken.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw.
in der Zeichnung.
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Zeichnung
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1 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
eines Kraftfahrzeugs mit einem piezoelektrischen Aktor;
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2a zeigt
schematisch einen Zeitverlauf der Spannung, mit der ein Aktor des
Kraftstoffeinspritzventils gemäß einer
ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung angesteuert wird;
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2b zeigt
schematisch einen Zeitverlauf der Spannung, mit der ein Aktor des
Kraftstoffeinspritzventils gemäß einer
zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung angesteuert wird;
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3a zeigt
schematisch einen Zeitverlauf einer Ansteuerspannung des Aktors
bei einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
und
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3b zeigt
einen zeitlichen Verlauf des Nadelhubs der Ventilnadel, wie er sich
bei einer Ansteuerung des Aktors gemäß 3a ergibt.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In
der 1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil 10 eines
Kraftfahrzeugs dargestellt, das mit einem piezoelektrischen Aktor 12 versehen
ist. Der piezoelektrische Aktor 12 wird wie in 1 durch
den Pfeil angedeutet von einem Steuergerät 20 angesteuert. Weiterhin
weist das Kraftstoffeinspritzventil 10 eine Ventilnadel 13 auf,
die auf einem Ventilsitz 14 im Inneren des Gehäuses des
Kraftstoffeinspritzventils 10 aufsitzen kann.
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Ist
die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz 14 abgehoben,
so ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 geöffnet und
es wird Kraftstoff eingespritzt. Dieser Zustand ist in der 1 dargestellt.
Sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14 auf,
so ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 geschlossen. Der Übergang
von dem geschlossenen in den geöffneten
Zustand wird mit Hilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt.
Hierzu wird eine elektrische Spannung an den Aktor 12 angelegt,
die eine Längenänderung
eines in dem Aktor 12 angeordneten Piezostapels hervorruft,
die ihrerseits zum Öffnen
bzw. Schließen
des Kraftstoffeinspritzventils 10 ausgenutzt wird.
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Das
Kraftstoffeinspritzventil 10 weist ferner einen hydraulischen
Koppler 15 auf. Zu diesem Zweck ist innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10 ein
Kopplergehäuse 16 vorhanden,
in dem zwei Kolben 17, 18 geführt sind. Der Kolben 17 ist
mit dem Aktor 12 und der Kolben 18 ist mit der
Ventilnadel 13 verbunden. Zwischen den beiden Kolben 17, 18 ist ein
Volumen 19 eingeschlossen, das die Übertragung der von dem Aktor 12 ausgeübten Kraft
auf die Ventilnadel 13 bewerkstelligt.
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Der
Koppler 15 ist von unter Druck stehendem Kraftstoff 11 umgeben.
Das Volumen 19 ist ebenfalls mit Kraftstoff gefüllt. Über die
Führungsspalte
zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 kann
sich das Volumen 19 über einen
längeren
Zeitraum hinweg an die jeweils vorhandene Länge des Aktors 12 anpassen.
Bei kurzzeitigen Änderungen
der Länge
des Aktors 12 bleibt das Volumen 19 jedoch nahezu
unverändert
und die Änderung
der Länge
des Aktors 12 wird auf die Ventilnadel 13 übertragen.
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Um
die Ventilnadel 13 möglichst
schnell zwischen zwei verschiedenen Ansteuerzuständen hin- und herzubewegen,
wird das nachstehend unter Bezugnahme auf die 2a und 2b beschriebene Ansteuerverfahren
durchgeführt.
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2a zeigt
den zeitlichen Verlauf einer Spannung U, mit der der Aktor 12 (1)
des Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung
angesteuert wird, um von einem Ausgangszustand, der der Spannung
U0 entspricht, in einen gewünschten
Ansteuerzustand überführt zu werden, bei
dem der Aktor 12 auf die Spannung U1 aufgeladen ist.
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Erfindungsgemäß wird der
Aktor 12 hierzu nicht direkt von der Ausgangsspannung U0
auf die vorgegebene Spannung U1 aufgeladen. Anstelle eines derartigen
direkten Aufladens wird der Aktor 12 zu Beginn des entsprechenden
Ansteuervorgangs von der Spannung U0 auf die zweite Spannung U2 aufgeladen,
die größer ist
als die vorgegebene erste Spannung U1, die der Aktor 12 am
Ende des Ansteuervorgangs schließlich einnehmen soll. Der Beginn des
betreffenden Ansteuervorgangs ist auf der Zeitachse des in 2a abgebildeten
Schaubilds mit dem Bezugszeichen t0 markiert.
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Durch
das erfindungsgemäße Aufladen
des Aktors 12 auf die größere Spannung U2 wird eine
besonders schnelle Längenänderung
des Aktors 12 und damit auch eine besonders schnelle Bewegung der
mit dem Aktor 12 gekoppelten Ventilnadel 13 erzielt,
so dass unerwünschte
Ansteuerzustände,
bei denen der Aktor 12 auf Spannungen zwischen U0 und U1
beziehungsweise U2 aufgeladen ist, nur verhältnismäßig kurz eingenommen werden.
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Sobald
der Aktor 12 durch das erfindungsgemäße Aufladen zu der Zeit t1
auf die Spannung U2 aufgeladen worden ist, wird er erfindungsgemäß sofort
wieder entladen, bis er schließlich
zu dem Zeitpunkt t2 auf die vorgebbare erste Spannung U1 aufgeladen
ist.
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Es
hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Ansteuerung des Aktors 12 mit
der überhöhten zweiten
Spannung U2 und dem anschließenden
Entladen auf die eigentlich gewünschte
erste Spannung U1 zu einer größeren Geschwindigkeit
bei der Bewegung der Ventilnadel 13 führt, so dass bei einem Wechsel
zwischen verschiedenen Ansteuerzuständen an sich unerwünschte Nadelhübe, die
bei der Bewegung der Ventilnadel 13 von ihrer Ausgangsposition
zu der erwünschten
Zielposition überstrichen
werden, nur für
eine verhältnismäßig kurze
Zeit vorliegen. Die überhöhte Spannung
U2 wird vorteilhaft während
der Bewegungsphase der Ventilnadel erreicht.
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Hierdurch
ist insbesondere auch ein im Vergleich zu herkömmlichen Systemen besonders schnelles Öffnen des
Kraftstoffeinspritzventils 10 möglich.
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Dadurch
wird ganz besonders vorteilhaft der Zustand einer erhöhten Sitzdrossel
vermieden, bei dem das Kraftstoffeinspritzventil 10 bereits
geringfügig
geöffnet
ist und damit eine Einspritzung von Kraftstoff stattfindet, wobei
der Kraftstoff aufgrund der geringen Öffnung des Kraftstoffeinspritzventils 10 allerdings
noch nicht mit dem gewünschten
Druck eingespritzt wird, und dementsprechend die Emissionen einer
Brennkraftmaschine steigen.
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Analog
zu dem in 2a beschriebenen Aufladen des
Aktors 12 von einer Spannung U0 auf eine größere vorgegebene
Spannung U1 kann auch ein Entladen des Aktors 12 unter Anwendung
des erfindungsgemäßen Prinzips
erfolgen, was durch den in 2b abgebildeten
Zeitverlauf der Spannung U veranschaulicht ist.
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Zunächst ist
der Aktor 12, wie aus 2b ersichtlich,
auf eine Spannung U0 aufgeladen, und während eines Ansteuervorgangs
soll er durch das erfindungsgemäße Verfahren
auf eine vorgebbare erste Spannung U1 entladen werden, die im vorliegenden
Beispiel kleiner ist als die Ausgangsspannung U0. Analog zu dem
unter Bezug auf 2a Beschriebenen wird der Aktor 12 zum
schnellen Entladen auf die Spannung U1 zunächst auf eine zweite Spannung
U2 entladen, die kleiner ist als die erste Spannung U1. Anschließend wird
der Aktor 12 ab dem Zeitpunkt t1 direkt wieder auf die
gewünschte erste
Spannung U1 aufgeladen. Durch das erfindungsgemäße Entladen des Aktors 12 auf
die zweite Spannung U2 wird wiederum eine besonders schnelle Bewegung
der Ventilnadel 13 bewirkt, die die vorstehend genannten
Nachteile des Stands der Technik vermeidet.
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Um
ein möglichst
schnelles Erreichen der gewünschten
ersten Spannung U1 zu erzielen, findet ein Aufladen (2a)
beziehungsweise Entladen (2b) auf
die erste Spannung U1 ausgehend von der zweiten Spannung U2 unmittelbar
nach dem Erreichen der zweiten Spannung U2, das heißt zu dem Zeitpunkt
t1, statt.
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Alternativ
hierzu kann gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Aktor 12 ausgehend
von der zweiten Spannung U2 erst nach einer vorgebbaren Wartezeit
(nicht gezeigt) auf die vorgebbare erste Spannung U1 entladen beziehungsweise
aufgeladen wird. Hierdurch kann beispielsweise der Trägheit des
aus der Ventilnadel 13 beziehungsweise dem Koppler 15 gebildeten
Massensystems Rechnung getragen und damit eine noch präzisere Steuerung
des Kraftstoffeinspritzventils 10 vorgenommen werden.
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Ferner
ist es auch möglich,
dass die zweite Spannung U2 in Abhängigkeit der ersten Spannung U1
gewählt
wird. Darüber
hinaus kann die zweite Spannung U2 auch in Abhängigkeit der Ausgangsspannung
U0 gewählt
werden, auf die der Aktor 12 vor Beginn des Ansteuervorgangs,
t < = t0, aufgeladen
ist.
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Bei
einer weiteren, ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass der Aktor 12 von einer Ausgangsspannung
Ua (3a), bei der das Kraftstoffeinspritzventil 10 (1)
geschlossen ist, zunächst
auf eine Zwischenspannung Uzw aufgeladen wird, bei der das Kraftstoffeinspritzventil 10 teilweise
geöffnet
ist, und anschließend
auf eine Zielspannung Uziel aufgeladen wird, bei der das Kraftstoffeinspritzventil 10 völlig geöffnet ist.
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Ein
derartiger Verlauf der Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils 10 wird
insbesondere bei Kraftstoffeinspritzventilen 10 von selbstzündenden Brennkraftmaschinen
eingesetzt, um während
des Zündverzugs
eine Reduzierung der eingespritzten Kraftstoffmenge zu erzielen.
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Die
Einspritzung mit geringerem Kraftstoffmassenstrom während des
Zündverzugs
und eine daran anschließende
Einspritzung mit einem größeren Kraftstoffmassenstrom
während
einer einsetzenden Verbrennung ist bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen
als emissionsmindernde Maßnahme per
se bekannt und kann unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besonders vorteilhaft durchgeführt
werden.
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Durch
die besonders hohe Geschwindigkeit der Ventilnadel 13 bei
einer Ansteuerung des Aktors 12 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann ausgehend von der Ausgangsspannung Ua, die in dem Schaubild
gemäß 3a beispielsweise
0 V beträgt,
eine besonders schnelle Bewegung der Nadel auf die Zwischenposition
U1 bewirkt werden.
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Je
nach Ausgestaltung des Aktors 12 beziehungsweise des Kraftstoffeinspritzventils 10 kann
es sich bei dem Umladevorgang entweder um ein Aufladen oder auch
ein Entladen des Aktors 12 handeln. Beispielsweise kann
der Aktor 12 so ausgebildet sein, dass er bei dem Anliegen
einer Ausgangsspannung von Ua = 180 V seine maximale Länge aufweist,
so dass die mit ihm verbundene Ventilnadel 13 in ihrem
Ventilsitz 14 ruht und das Kraftstoffeinspritzventil 10 demgemäß geschlossen
ist. Um das Kraftstoffeinspritzventil 10 in seinen geöffneten
Zustand zu überführen, ist
der Aktor 12 dementsprechend auf eine geringere Spannung
aufzuladen, die eine Reduktion der Länge des Aktors 12 und
damit ein Abheben der Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz 14 bewirkt.
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Demgemäß sind in
dem Diagramm nach 3a negative Spannungswerte auf
der Y-Achse aufgetragen. Das heißt, um die vorstehend beschriebene
Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils 10 mit einer
teilweisen Öffnung
zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 zu erreichen und einer anschließenden vollständigen Öffnung,
ist der Aktor 12 zunächst
ausgehend von der Ausgangsspannung Ua auf die Zwischenspannung Uzw
aufzuladen, und danach, zur Zeit t = t4, wird der Aktor 12 schließlich auf
die Zielspannung Uziel aufgeladen, bei der ein vollständiges Öffnen des
Kraftstoffeinspritzventils 10 gegeben ist. Die Zielspannung
Uziel kann beispielsweise –20
V betragen.
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Durch
den in 3a abgebildeten zeitlichen Verlauf
der Spannung U wird zunächst
ein schnelles Versetzen des Kraftstoffeinspritzventils 10 in
einen teilweise geöffneten
Zustand zwischen den Zeiten t3 und t4 bewirkt, und daran anschließend erfolgt
durch eine Ansteuerung mit der Zielspannung Uziel ein vollständiges Öffnen des
Kraftstoffeinspritzventils 10. Um die Zwischenposition
h1 möglichst
schnell zu erreichen und damit den bereits beschriebenen Nachteil
der Sitzdrossel zu vermeiden, erfolgt eine Ansteuerung des Aktors 12 nach
dem erfindungsgemäßen Prinzip,
bei dem der Aktor 12 zum Erreichen der Zwischenspannung
Uzw zunächst
auf eine überhöhte Zwischenspannung
Uzw' aufgeladen
und anschließend
auf die gewünschte
Zwischenspannung Uzw entladen wird. Die Zwischenspannung Uzw' wird dabei während der
Bewegungsphase der Nadel von ihrer Ausgangslage bei t ≤ t1 nach h1
erreicht.
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Nach
der Wartezeit Δt,
während
der ein geringer Kraftstoffmassenstrom aus dem Kraftstoffeinspritzventil 10 austritt,
wird das Kraftstoffeinspritzventil 10 schließlich unter
Anlegen der Zielspannung Uziel an den Aktor 12 ganz geöffnet, wodurch
ein größerer Kraftstoffmassenstrom
aus dem Kraftstoffeinspritzventil 10 austritt.
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Nach
einer gewünschten
Ansteuerdauer wird der Aktor 12 schließlich wieder auf die Ausgangsspannung
Ua gebracht, wodurch die Kraftstoffeinspritzung beendet wird.
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Ein
dem Zeitverlauf der Ansteuerspannung U aus 3a entsprechender
Nadelhubverlauf h ist 3b zu entnehmen.
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Bei
einer weiteren, sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Aktor 12 innerhalb verschiedener Ansteuerzeiträume auf
mehrere verschiedene Zwischenspannungen aufgeladen, bevor er schließlich auf
die Zielspannung Uziel aufgeladen wird. Auf diese Weise ist eine sehr
flexible Steuerung der von dem Kraftstoffeinspritzventil 10 eingespritzten
Kraftstoffmenge realisierbar.
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Anstelle
der Verwendung eines Kraftstoffeinspritzventils 10 mit
einem hydraulischen Koppler 15 kann zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
auch ein Kraftstoffeinspritzventil verwendet werden, dessen Aktor
12 zum Beispiel mechanisch starr mit der Ventilnadel 13 gekoppelt
ist. Ebenso ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei allen
anderen Kraftstoffeinspritzventilen anwendbar, bei denen ein Nadelhub
h beziehungsweise eine eingespritzte Kraftstoffmenge beziehungsweise
ein Kraftstoffmassenstrom proportional ist zu der Ansteuerspannung
U oder einer sonstigen Ansteuergröße, mit der der Aktor 12 angesteuert
wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann mit Hilfe eines analogen oder digitalen Steuergeräts 20 ausgeführt werden.
Insbesondere kann das Steuergerät 20 einen
Mikroprozessor aufweisen, der mit einem Computerprogramm versehen
ist, das zur Durchführung
des beschriebenen Verfahrens programmiert ist. Das Computerprogramm
kann auf einem elektronischen Speicher abgespeichert sein, beispielsweise
auf einem Flash-EEPROM.