-
Stand der Technik
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines
Injektors mit einem Piezo-Aktor, insbesondere eines Injektors einer
Brennkraftmaschine, wobei im geschlossenen Zustand des Injektors
eine Ausgangsspannung an den Piezo-Aktor angelegt wird und die Spannung
zum Öffnen
des Injektors durch Bestromung des Piezo-Aktors auf eine Einspritzspannung
gebracht wird.
-
Die
Düsennadeln
von Kraftstoffinjektoren für moderne
Brennkraftmaschinen, insbesondere für Dieselmotoren, werden aufgrund
der hohen dynamischen Anforderungen häufig direkt oder indirekt über Piezo-Aktoren
betätigt.
Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften dieser Piezo-Aktoren
bleiben allerdings über
die Lebensdauer nicht konstant. Sowohl der Aktorhub als auch die
Aktorkapazität
und -steifigkeit ändern
sich über
der Laufzeit. Diese Änderungen
können
im Betrieb ohne aufwendige Messtechnik nicht direkt erfasst und
somit auch nicht kompensiert werden. Die Folge sind Fehler in der
eingespritzten Kraftstoffmenge.
-
Bei
direkt gesteuerten Injektoren folgt die Nadelbewegung in erster
Linie dem Aktorhub. Der Aktorhub ist bei konstanter Aktorkraft wiederum
in erster Näherung
proportional zur Ansteuerspannung. Verringert sich beispielsweise
der Aktorhub über
der Laufzeit, so öffnet
die Nadel später
und schließt
früher,
was dazu führt,
dass weniger Kraftstoff eingespritzt wird als gewünscht.
-
Nach
Stand der Technik bewirkt die Alterung von Injektoren eine Veränderung
von Öffnungs-
und Schließzeitpunkt
sowie der Einspritzmenge.
-
Offenbarung
der Erfindung
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Änderungen
weitgehend zu kompensieren.
-
Dieses
Problem wird gelöst
durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines Injektors mit einem Piezo-Aktor,
insbesondere eines Injektors einer Brennkraftmaschine, wobei im
geschlossenen Zustand des Injektors eine Ausgangsspannung an den
Piezo-Aktor angelegt wird und die Spannung zum Öffnen des Injektors durch Bestromung
des Piezo-Aktors auf eine Einspritzspannung gebracht wird, wobei
die Spannung unmittelbar vor einer Einspritzung auf eine Zwischenspannung,
die die um eine Offset-Spannung veränderte Öffnungsspannung ist, eingestellt wird
wird zum Absetzen der Einspritzung auf die Einspritzspannung gebracht
wird. Unmittelbar vor einer Einspritzung bedeutet hier, dass dies
zeitnah an der Einspritzung geschieht. Wird keine Einspritzung abgesetzt,
so wird also weiterhin die Ausgangsspannung gehalten, die Zwischenspannung
wird nur für eine
relativ kurze Zeit vor Absetzen einer Einspritzung eingenommen.
Die Spannung wird vorzugsweise für
eine Verzögerungszeit
auf der Zwischenspannung konstant gehalten. Diese Verzögerungszeit kann
im Extremfall auch gleich null werden, so dass die Spannung direkt
von der Ausgangsspannung über
die Zwischenspannung auf die Einspritzspannung abgesenkt wird. Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass das Verändern
der Spannung von der Zwischenspannung auf die Einspritzspannung
mit einem größeren Gradienten
erfolgt als das Verändern
der Spannung von der Ausgangsspannung auf die Zwischenspannung.
Ist die Verzögerungszeit
gleich null, so bedeutet dies, dass bei der Zwischenspannung einzig
der Spannungsgradient geändert
wird. Die Öffnungsspannung
und/oder die Offset-Spannung werden vorzugsweise einem Kennfeld
entnommen. Das Kennfeld ist dabei vorzugsweise in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine
abgelegt. Das Offset kann so gemessen sein, dass die Zwischenspannung über die
Lebensdauer des Injektors beständig oberhalb
bzw. unterhalb – je
nach dem, ob die Spannung zum Absetzen einer Anspritzung erhöht oder vermindert
wird – der Öffnungsspannung
liegt. Wird die Spannung zum Absetzen einer Einspritzung vermindert,
so liegt die Zwischenspannung über
die Lebensdauer des Injektors vorzugsweise beständig oberhalb der Öffnungsspannung.
Damit ist gewährleistet,
dass auch bei einer Lebensdauerdrift des Injektors bzw. des Piezo-Aktors die Zwischenspannung noch
so hoch liegt, dass der Injektor nicht öffnet und damit nicht versehentlich
eine (vorzeitige) Einspritzung abgesetzt wird. Die Öffnungsspannung
des Injektors kann vorzugsweise gemessen und in einem Kennfeld abgelegt
werden. Dies erhöht
gegenüber einem
statistisch durch eine Messreihe über eine geeignete Anzahl Injektoren
festgelegten Wert die Genauigkeit des in dem Kennfeld abgelegten
Weites der Öffnungsspannung.
-
Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Verfahren zur
Ansteuerung eines Injektors mit einem Piezo-Aktor, insbesondere
eines Injektors einer Brennkraftmaschine, wobei im geschlossenen
Zustand des Injektors eine Ausgangsspannung an den Piezo-Aktor angelegt
wird und die Spannung zum Öffnen
des Injektors durch Bestromung des Piezo-Aktors auf eine Einspritzspannung gebracht
wird, wobei der Gradient der Spannungsänderung bei gealtertem Injektor
erhöht
wird.
-
Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch die Verwendung eines
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Kompensation einer Lebensdauerdrift eines Injektors. Ebenso
wird das eingangs genannte Problem gelöst durch ein Steuergerät mit Mitteln
zur Ansteuerung eines Injektors mit einem Piezo-Aktor, insbesondere
eines Injektors einer Brennkraftmaschine, wobei im geschlossenen
Zustand des Injektors eine Ausgangsspannung an den Piezo-Aktor angelegt
wird und die Spannung zum Öffnen
des Injektors durch Bestromung des Piezo-Aktors auf eine Einspritzspannung
gebracht wird, wobei die Spannung unmittelbar vor einer Einspritzung
auf eine Zwischenspannung, die die um eine Offset-Spannung veränderte Öffnungsspannung
ist, eingestellt wird und zum Absetzen der Einspritzung auf die
Einspritzspannung gebracht wird sowie ein Computerprogramm mit Programm-Code
zur Durchführung
aller Schritte nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn das Programm
in einem Computer ausgeführt
wird.
-
Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
-
Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigen:
-
1 das
technische Umfeld der Erfindung;
-
2 einen Öffnungsverlauf
bei neuem und gealtertem Injektor;
-
3 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
-
4 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
-
5 ein
Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Ausführungsform der Erfindung
-
1 zeigt
ein Speichereinspritzsystem 10, das einen Injektor (Einspritzventil) 12,
ein Steuergerät 14,
einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher 16, einen Kraftstofftank 18,
eine Hochdruckpumpe 20, sowie einen Drucksensor 22 und
ein Druckregelventil 24 aufweist. Der Injektor 12 ist über eine
Hochdruckleitung 26 mit dem Hochdruckspeicher 16 verbunden, so
dass in seinem Inneren statisch der gleiche Druck herrscht wie im
Hochdruckspeicher 16. Im Inneren des Injektors 12 ist
ein Piezo-Aktor 28 angeordnet, der
als Stapel aus n Schichten piezoelektrischen Materials realisiert
ist, die jeweils elektrisch zwischen einem ersten Anschluss 30 und
einem zweiten Anschluss 32 liegen.
-
Der
Piezo-Aktor 28 ist über
einen hydraulischen Koppler 34 mit einer Düsennadel 36 verbunden
und wird von dem Steuergerät 14 gesteuert,
das dazu eine Leistungs- und
Messelektronik 38 und ein Steuerteil 40 aufweist.
Der Koppler 34 weist eine Drossel 42 auf. Die
Drossel 42 erlaubt einen langsam erfolgenden Ausgleich
der Drücke
innerhalb und außerhalb
des Kopplers 34, so dass nur schnelle Längenänderungen des Piezo-Aktors 28 auf
die Düsennadel 36 übertragen
werden, langsame, thermisch induzierte Volumenänderungen aber ausgeglichen werden.
-
Der
Steuereingriff auf die Leistungs- und Messelektronik 38 wird
in der 1 durch den Pfeil 44 repräsentier.
Der Pfeil 46 repräsentiert
eine Übergabe
einer von der Leistungs- und Messelektronik 38 erfassten
Spannung U an das Steuerteil 40. Die Ladung und Entladung
des Piezo-Aktors 28 erfolgt über die Anschlüsse 30 und 32.
Der Kraftstoffdruck p im Kraftstoff-Hochdruckspeicher 16 oder
einem anderen unter Hochdruck stehenden Kraftstoff führenden
Teil des Speichereinspritzsystems 10 wird von dem Drucksensor 22 erfasst
und an das Steuergerät 14 übermittelt.
-
Wie
in der 1 prinzipiell dargestellt ist, wirkt der Piezo-Aktor 28 mit
einer Längenänderung über den
hydraulischen Koppler 34 direkt auf die Düsennadel 36 ein.
Die Düsennadel 36 sitzt
fest auf ihrem Sitz, wenn der Piezo-Aktor 28 geladen und
damit ausgedehnt ist. Die Schließkraft wird dabei durch den Druck
im Kopplerraum erzeugt. Wird der Piezo-Aktor 28 entladen,
so zieht er sich zusammen und entlastet über den mit Kraftstoff gefüllten hydraulischen
Koppler 34 die Düsennadel 36.
Der an einer Druckschulter 49 der Düsennadel 36 herrschende
Einspritzdruck erzeugt permanent eine auf die Düsennadel 36 wirkende Öffnungskraft.
Beim Entladen des Piezo-Aktors 28 sinkt der Druck im Koppler 34 unter
den Betrag der Öffnungskraft
ab, was zu einem Abheben der Düsennadel 36 von
ihrem Sitz und damit zu einer Einspritzung von Kraftstoff führt.
-
2 zeigt
den Öffnungsverlauf
bei einem neuen sowie einem gealterten Aktor. Dargestellt ist als
Hubverlauf der Hub des Piezo-Aktors 28 in Metern über der
Zeit in Sekunden. In das Diagramm eingezeichnet ist ebenfalls die
an dem Piezo-Aktor 28 anliegende Spannung in Volt über der
Zeit in Sekunden. Der Hubverlauf ist in erster Näherung proportional zum Spannungsverlauf,
daher wurde die Darstellung des Spannungsverlaufs so gewählt, dass
die Kurven für
den Spannungsverlauf (Spannung U über der Zeit t) und des Öffnungsverlaufs
(Hub H über
der Zeit t) in dem Diagramm der 2 deckungsgleich sind.
Dargestellt ist eine Kurve A des Hubverlaufs für einen neuen Aktor sowie eine
Kurve B des Hubverlaufs für
einen gealterten Aktor. Der Spannungsverlauf ist deckungsgleich
mit der Kurve A. Unter einem neuen Aktor wird hier ein Aktor unmittelbar
nach dessen Herstellung verstanden, unter einem gealterten Aktor
wird ein Aktor nach einer Gebrauchszeit verstanden. Wie aus der
Darstellung der 2 zu erkennen ist, ändert sich
der Gradient des Hubs, der Gradient ist die Änderung des Hubs ΔH über der Änderung
der Zeit Δt.
Der Gradient ist bei einem neuen Aktor gemäß der Kurve A steiler als bei
einem gealterten Aktor. Ausgehend von einem Ausgangshub AH mit einer zugeord neten Ausgangsspannung
UA wird der Piezo-Aktor 28 bestromt,
so dass dessen Länge sich ändert. Mit
Erreichen einer Öffnungsspannung UOE bzw. bei einem Öffnungshub HOE des
Piezo-Aktors 28 öffnet
der Injektor 12, so dass eine Einspritzung abgesetzt wird.
Bei einer Änderung
des Hubverlaufs ändert
sich der Zeitpunkt, zu dem der Öffnungshub
HOE erreicht wird. Die Spannung U wird bis
auf eine Einspritzspannung UE, bei der ein
Einspritzhub HE des Injektors 12 vorliegt,
gesenkt, die Spannung wird für
einen Zeitraum t2 gehalten. Danach wird die Spannung wieder auf
die Ausgangsspannung UA angehoben.
-
Die
Verschiebung des Öffnungszeitpunktes zwischen
der Kurve A des neuen Aktors und der Kurve B des gealterten Aktors
ist mit Δt1 bezeichnet. Entsprechend findet auch eine
Verschiebung des Schließzeitpunktes
zwischen neuem und gealtertem Aktor statt. Durch den wiederum geringeren
Gradienten des Öffnungshubs über der
Zeit bei dem gealterten Aktor wird ausgehend von einem geringeren
Aktorhub der Öffnungshub
wiederum früher
erreicht als dies bei einem neuen Aktor der Fall ist. Die daraus
resultierende Zeitverschiebung ist in 2 mit ΔtS bezeichnet. Insgesamt beträgt in dem
Diagramm der 2 die Öffnungszeit des Injektors 12 bei
neuem Injektor tN, die Öffnungszeit bei gealtertem
Injektor beträgt
tG und ist geringer als die Öffnungszeit
tN bei neuem Injektor.
-
3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Hier wurde der Gradient des Öffnungshubs gegenüber dem
Stand der Technik erhöht.
Dies kann erreicht werden durch eine stärkere Bestromung des Piezo-Aktors 28,
so dass der Gradient des Spannungsverlaufs ebenfalls erhöht ist.
In dem nur theoretisch existierenden Fall einer Steigung von ± unendlich
des Aktorhubs, so dass dieser tatsächlich Rechteckform hätte, würden Öffnungs- und
Schließzeitpunkt
des neuen und des gealterten Injektors zusammenfallen. Je höher der
Gradient des Öffnungsverlaufs
ist, desto geringer wird die Verschiebung des Öffnungszeitpunkts ΔtE und die Verschiebung des Schließzeitpunkts ΔtS, so dass auch die Abweichung der Öffnungsdauer
tG bei gealtertem Injektor gegenüber der Öffnungsdauer
tN bei neuem Injektor geringer wird.
-
4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand der Darstellung eines Öffnungsverlaufs
entsprechend der Darstellung der 2. Hier
wird die an dem Piezo-Aktor 28 anliegende Spannung kurz
vor dem Zeitpunkt, zu dem eine Einspritzung abgesetzt werden soll,
auf eine Zwischenspannung UZ, die um ein
(kleines) Offset UOFF oberhalb der Öffnungsspannung
UOE liegt, abgesenkt. Dadurch wird auch
der Piezo-Aktor 28 so weit verkürzt, dass bei einer nur geringfügig weiteren
Verkürzung
der Öffnungshub
HOE erreicht wird. Die Spannung U gemäß der Kurve
U an dem Piezo-Aktor 28 wird nach Absenken auf die Zwischenspannung
UZ für
einen Zeitraum ΔtZ auf dem Zwischenwert UZ gehalten.
Bei der Zwischenspannung UZ hat der Piezo-Aktor 28 den
Zwischenhub HZ. Der Gradient des Hubverlaufs
zwischen dem Ausgangshub und dem Zwischenhub wird dadurch praktisch bedeutungslos,
da die Haltezeit der Zwischenspannung UZ so
bemessen ist, dass unabhängig
vom Gradienten, also unabhängig
davon, ob es sich um einen neuen oder gealterten Injektor handelt,
der Zwischenhub HZ erreicht wird. Bei einer
weiteren Spannungsabsenkung wird nun die Öffnungsspannung UOE bzw.
der Öffnungshub
HOE schnell erreicht, so dass sich die unterschiedlichen
Gradienten des Öffnungsverlaufs
nur noch geringfügig
auswirken, die Verschiebung des Öffnungszeitpunkts ΔtE wird dadurch geringer als im Stand der
Technik gemäß 2.
Zusätzlich
kann der Gradient der Spannungsabsenkung ausgehend von der Zwischenspannung UZ erhöht
werden, mithin der Piezo-Aktor 28 also höher bestromt
werden, so dass die Zeitverschiebung ΔtE zum
Erreichen des Öffnungshubs
HOE zwischen neuem und gealtertem Aktor
weiter verringert wird. Als weitere Maßnahme wird die Bestromung
zum Ende der Öffnungszeit
bei gealtertem Aktor hinausgezögert
um einen Zeitraum ΔtNG, so dass der Öffnungshub UE bei
gealtertem Piezo-Aktor 28 zum gleichen Zeitpunkt wie bei
neuem Piezo-Aktor erreicht wird, die Verschiebung des Schließzeitpunkts ΔtS geht also gegen null. Durch diese Maßnahme wird die Öffnungsdauer
des Injektors 12 bei gealtertem Aktor nur geringfügig anders
als bei einem neuen Aktor.
-
Die
Werte für
die Öffnungsspannung
U
OE sowie den Spannungsoffset U
OFF können z.B.
im Steuergerät
14 in
Form eines Kennfeldes abgelegt sein. Das Kennfeld kann statisch
sein, kann also fest in dem Steuergerät auf die Lebensdauer des Injektors
12 abgelegt
sein, kann aber auch dynamisch während
des Betriebs immer wieder angepasst werden. Dazu ist es notwendig,
die Öffnungsspannung
U
OE des Injektors während des Betriebs zu messen.
Die Messung der Injektorspannung kann beispielsweise mit einem Verfahren
wie in der
DE 10 2006 0101166 erfolgen,
auf die hier aus drücklich
Bezug genommen wird. Bei konstanten Werten können z.B. lebensdauerabhängige Offsetspannungen
U
OFF oder lebensdauerabhängige Öffnungsspannungen U
OE abgelegt werden. Die Lebensdauerabhängigkeit
kann durch unterschiedliche Werte, die im Versuch über eine
geeignete Anzal von Injektoren ermittelt werden, dargestellt werden.
Diese Werte könnten
beispielsweise nach Ablauf einer bestimmten Betriebszeit oder nach einer
bestimmten Lebensdauer jeweils herangezogen werden. Die Zwischenspannung
UZ kann dabei auch so eingestellt werden, dass diese über die
gesamte Lebensdauer des Injektors oberhalb der Öffnungsspannung liegt. Auch
hier können
dazu im Versuch Werte ermittelt werden, wie weit sich die Öffnungsspannung über die
Lebensdauer des Injektors ändert.
-
5 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beginnend mit Schritt 101 wird ausgehend von der Ausgangsspannung
UA der Piezo-Aktor 28 bestromt.
Die Bestromung wird unterbrochen nach Erreichen der Zwischenspannung
UZ in Schritt 102. Die Zwischenspannung
UZ wird in Schritt 103 für einen Zeitraum ΔtZ gehalten. Nach Ablauf der Zeit ΔtZ wird der Piezo-Aktor 28 in Schritt 104 erneut
bestromt, wobei die Stromstärke
hier höher
sein kann (wie in 4 dargestellt) als die zuvor
in Schritt 102 gewählte
Stromstärke.
Nach Erreichen der Einspritz-Spannung UE,
diese kann beispielsweise null Volt betragen, kann aber auch von
dieser verschieden sein, wird diese Spannung in Schritt 105 für einen
Zeitraum Δt2 gehalten, danach wird die Spannung an dem
Piezo-Aktor 28 in Schritt 106 wieder auf die Ausgangsspannung
angehoben.