DE102006039522B4

DE102006039522B4 - Verfahren zur Leerhubsteuerung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung

Info

Publication number: DE102006039522B4
Application number: DE200610039522
Authority: DE
Inventors: Friedrich Graf; Rainer Dr. Hirn
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2026-08-24
Also published as: DE102006039522A1; WO2008022951A1

Abstract

Verfahren zur Leerhubsteuerung von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen einer Brennkraftmaschine, die jeweils mindestens einen Piezoaktor aufweisen, unter Verwendung einer Vorrichtung zur Zuführung eines Energiebetrags an mindestens einen Piezoaktor, dadurch gekennzeichnet, dass der Leerhub durch eine variabel einstellbare Dehnung des Piezoaktors, verursacht durch einen dem Piezoaktor jeweils durch die Vorrichtung zugeführten variablen Energiebetrag, gesteuert wird, wobei ein jeweils ermittelter Ist-Leerhub als Ausgangswert für die Steuerung des Leerhubs dient, wobei die Zuführung von Energie an den Piezoaktor über ein elektrisch beheiztes Element erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leerhubsteuerung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs 1.
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen zum Betrieb einer Brennkraftmaschine sind generell seit vielen Jahren bekannt. Bei einem so genannten Common-Rail Einspritzsystem erfolgt die Kraftstoffzuführung in den jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine durch Injektoren, insbesondere durch Piezoinjektoren.
Für verschiedene Fahrzustände werden unterschiedliche Eigenschaften von diesen Systemen gefordert, um Schadstoffemissionsgrenzen, Kraftstoffverbrauchsminimierung und auch Langlebigkeit des Systems und damit auch des Fahrzeugs zu gewährleisten. Um diese Forderungen erfüllen zu können, muss die in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge möglichst genau dosiert werden. Dazu ist es erforderlich, dass der gesamte Hub des Piezoaktors für die mechanische Bewegung des Stellelements genutzt wird. Daraus folgt, dass das Spiel zwischen dem Piezoaktor und dem Stellelement, das auch als Leerhub bezeichnet wird, möglichst klein sein soll. Andererseits muss aber stets ein Mindestspiel zwischen Piezoaktor und Stellelement gewährleistet sein, um Fehlfunktionen im Betrieb zu vermeiden.
Die Druckschrift DE 10012607 A1 beschreibt ein Verfahren, den Leerraum zwischen Piezoaktor und Stellelement aus einer Änderung der Kapazität des Piezoaktors zu bestimmen, während der Piezoaktor unter Einsatz einer Energie E_L elektrisch aufgeladen wird. Der ermittelte Leerraum wird ausgeglichen, indem dem Piezoaktor bei einem Ansteuervorgang die Energie E_L zu sätzlich zur für den Schaltvorgang benötigten Energie E_V zugeführt wird.
Die Druckschrift DE 102004044450 B3 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, den Leerraum zwischen Piezoaktor und Stellelement aus einer Änderung des Drucks im Kraftstoffspeicher zu bestimmen, während der Piezoaktor angesteuert wird.
Die Druckschrift DE 10349307 B3 beschreibt ein Verfahren, den Leerraum zwischen Piezoaktor und Stellelement aus einer Änderung des elektrischen Widerstands des Piezoaktors zu bestimmen, während der Piezoaktor angesteuert wird.
Die Druckschrift DE 10340975 A1 beschreibt ein Verfahren, den Leerraum zwischen Piezoaktor und Stellelement durch elektrisches Vorspannen des Piezoaktors auf eine definierte Ladung zu kompensieren.
Aus der Druckschrift DE 19905340 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der gewünschte Leerhub so eingestellt wird, dass dem Piezoaktor eine Gleichspannung kontinuierlich zugeführt wird. Diese zugeführte Spannung kann gegebenenfalls einer gepulsten Ansteuerspannung überlagert werden. Die Gleichspannung bewirkt dabei eine von der Ansteuerspannung unabhängige Längenänderung des Piezoaktors.
Dieses Verfahren ermöglicht keine direkte Leerhubbeeinflussung, da ein dem Piezoaktor zusätzlicher Energiebetrag zugeführt wird, um damit den Einfluss des Leerhubs zu kompensieren. Dies führt im Betrieb zu ungenauen Einspritzmengen.
Die Druckschrift DE 10331057 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, den Leerraum zwischen Piezoaktor und Stellelement dadurch zu kompensieren, dass der Piezoaktor vor der Einspritzung für eine gewählte Zeit mit einem konstanten Strom angesteuert wird.
Die Druckschrift DE 10123372 A1 beschreibt ein Verfahren, den Leerraum zwischen Piezoaktor und Stellelement durch Beaufschlagen des Piezoaktors mit einer gewählten Ansteuerspannung zu kompensieren.
Die Druckschrift DE 19652801 C1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, den Leerraum zwischen Piezoaktor und Stellelement dadurch zu kompensieren, dass eine zur Ansteuerung des Piezoaktors aufgewendete Energie ermittelt und mit einer vorgegebenen Energie verglichen wird, und die zur Ansteuerung des Piezoaktors verwendete Ladespannung anhand dieses Vergleichs angepasst wird.
Die Druckschrift US 2004/0118951 A1 beschreibt eine Vorrichtung, den Leerraum zwischen Piezoaktor und Stellelement durch eine Messvorrichtung zu bestimmen und den ermittelten Leerraum durch Anpassung einer Ansteuerspannung des Piezoaktors zu kompensieren.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, das eine genauere Dosierung der Einspritzmenge ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass einer Vorrichtung ein von den jeweiligen Betriebsanforderungen abhängiger Energiebetrag zugeführt wird, um auf diese Weise eine definierte Dehnung des Piezoaktors zu erreichen. Die Zuführung des Energiebetrags in den Piezoaktor erfolgt durch ein elektrisch beheiztes Element.
Durch die definierte Zuführung von Energie und die daraus resultierende Dehnung wird es ermöglicht, dass der Leerhub zwischen Piezoaktor und Stellelement aktiv eingestellt wird, und damit genauere Einspritzmengen ermöglicht werden. Ein hydraulischer Leerhubausgleich und/oder andere Elemente zum Temperaturausgleich können somit entfallen. Auch ergeben sich neue Möglichkeiten der Fehlerdiagnose. Außerdem können Bauelemente mit einem größeren Toleranzbereich, die in der Fertigung günstiger sind, verwendet werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass einer der in die Berechnung des Energiebetrags eingehenden Korrekturwerte in einer Vorsteuerung analytisch und/oder heuristisch und/oder aus einem Kennfeld bestimmt wird. Dieser Korrekturwert soll den Einfluss äußerer Parame ter, wie z. B. Alterungseffekte und Kriechverhalten, Temperatur an bestimmten Stellen des Injektors, Betriebsstunden, Montagekräfte und Setzerscheinungen, auf den Leerhub des Injektors modellieren. Weiterhin ist es denkbar, dass der Korrekturwert auch noch weitere, oben nicht genannte äußere Parameter, die einen Einfluss auf den Leerhub haben, modelliert. Damit das Modell an die Realität noch besser angepasst werden kann, wird dem Modell noch zusätzlich zu den Werten der äußeren Parameter der Wert des gemessenen Ist-Leerhubs zugeführt. Durch die bessere Anpassung des Modells an die Realität werden genauere Einspritzmengen erreicht.
Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1: ein Flussdiagramm zur Berechnung des der Vorrichtung zugeführten Energiebetrags.
2: ein Blockschaltbild zur Berechnung des der Vorrichtung zugeführten Energiebetrags
3: ein Verfahren zur Bestimmung des Ist-Leerhubwertes
Gemäß 1 erfolgt im Schritt S1 eine Ermittlung des im Injektor auftretenden Ist-Leerhubs, wobei der ermittelte Wert an die Vorsteuerung im Schritt S21 gesendet wird. Die Bestimmung des Ist-Leerhubs kann dabei mit verschiedenen Verfahren durchgeführt werden.
Diese Bestimmung des Ist-Leerhubs erfolgt zeitlich gesehen vor der Einstellung des gewünschten Leerhubs durch den zugeführten Energiebetrag. Die Ist-Leerhubbestimmung dient dabei als Ausgangspunkt für die Berechnung des Energiebetrags, der der Vorrichtung zugeführt wird, um über eine definierte Dehnung des Piezoaktors einen definierten Leerhub zu bekommen.
Beispielhaft sind folgende Verfahren zur Ist-Leerhubbestimmung zu nennen:

a) kapazitative Leerhubbestimmung,
b) die Bestimmung des Leerhubs erfolgt dadurch, dass bei Motorstillstand der Piezoaktor schrittweise angesteuert wird, bis ein Druckverlust auftritt, wobei die Energiemenge, die bis zu diesem Druckverlust nötig war, ein Maß für den Leerhub ist,
c) die Bestimmung des Leerhubs erfolgt über einen Dehnmesssteifen,
d) die Bestimmung des Leerhubs dadurch erfolgt, dass der Verlauf der elektrischen Größen über den Einspritzvorgang gemessen wird. Hydraulische und/oder mechanische Rückwirkungen haben Einfluss auf den Verlauf der elektrischen Größen (wie z. B. Kapazität) des Piezoaktors. Durch eine Betrachtung des Verlaufs dieser elektrischen Größen kann auf den Leerhub geschlossen werden.
e) der Leerhub wird dadurch bestimmt, dass die Zeitdifferenz zwischen Beaufschlagung des Piezoaktors mit Energie und Abheben der Injektornadel ermittelt wird (siehe hierzu auch die ausführlichere Beschreibung zu 3).

Im Schritt S10 erfolgt ein Vergleich des gemessenen Leerhub-Istwertes mit einem hinterlegten Leerhub-Sollwert. Basierend auf dieser Differenz wird im Schritt S20 eine Reglerausgangsgröße für diese Differenz ermittelt.
Im Schritt S21 wird in der Vorsteuerung der Korrekturwert analytisch und/oder heuristisch und/oder aus einem Kennfeld bestimmt. Dieser Korrekturwert modelliert den Einfluss von äußeren Parametern auf den Leerhub. Mit Hilfe des aus Schritt S10 gelieferten Leerhub-Istwertes wird es ermöglicht, die berechneten Werte besser an die Realität anzupassen.
Im Schritt S30 erfolgt die Berechnung des Energiebetrags, mit dem der Injektor über die Vorrichtung angesteuert wird. Die Berechnung erfolgt mit den in den Schritten S20 und S21 ermittelten Werten, wobei für die Berechnung des Energiebetrags jedes mathematische Verfahren denkbar ist. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, dass die beiden Werte addiert werden.
Im Schritt S40 wird noch eine Fehlerdiagnose durchgeführt. Diese Diagnose basiert auf einer Vergleichslogik, in der über ein Modell überprüft wird, ob der gemessene Leerhub mit dem modellierten Leerhub übereinstimmt. Ist die Abweichung größer als eine vorgegebene Schwelle, so wird ein Fehlerzustand gemeldet.
2 zeigt ein Blockschaltbild zur Bestimmung des der Vorrichtung zugeführten Energiebetrags. Bei der Vorrichtung handelt es sich dabei beispielhaft um ein elektrisch beheiztes Element. Ein ermittelter Ist-Leerhubwert A1 wird von einem gespeicherten Soll-Leerhub A2 in einer Differenzschaltung A3 subtrahiert. Die Ermittlung des Ist-Leerhubs kann dabei mit allen in der Beschreibung zur 1 erwähnten Verfahren erfolgen. Das Ausgangssignal der Differenzschaltung A3 dient als Eingangsgröße für einen Regler A10. Die Outputgröße des Reglers A10 ist eine der beiden Werte, die für die Berechnung des der Vorrichtung zugeführten Energiebetrags benötigt werden.
Basierend auf den äußeren Parametern A20 wird in der Vorsteuerung A30 ein Korrekturwert analytisch und/oder heuristisch und/oder aus einem Kennfeld bestimmt. Der Ist-Leerhubwert A1 dient außerdem dazu, das Modell an die Realität besser anzupassen. Der ermittelte Korrekturwert wird in einer Addierschaltung A40 mit dem Ausgangswert des Reglers A10 addiert.
Der berechnete Energiebetrag wird dem Piezoaktor z. B. über ein elektrisch beheiztes Element A60 zugeführt.
Der berechnete Leerhub am Ausgang der Addierschaltung A40 wird ferner in der Fehlerdiagnose A50 mit dem Ausgangswert der Differenzschaltung A3 verglichen. Für den Fall, dass der berechnete Leerhub eine definierte Schwelle überschreitet, wird ein Fehlerzustand gemeldet.
3 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung des Ist-Leerhubwertes.
Dabei zeigt die Kennlinie 1 den zeitlichen Verlauf des dem Piezoaktor über eine Vorrichtung zugeführten Energiebetrags. Die Kurve 2 entspricht dem entsprechenden Sitzkontaktsignal.
Ab dem Zeitpunkt t0 wird begonnen, der Vorrichtung einen der Kennlinie 1 entsprechenden Energiebetrag zuzuführen. Das Sitzkontaktsignal 2 wird aufgrund des Leerhubs erst zu einem Zeitpunkt t1 ausgelöst. Die Zeitspanne t0 bis t1 entspricht dabei der Zeitdauer, die eine Injektornadel zum Abheben benötigt und stellt daher ein Maß für den Leerhub dar.

Claims

Verfahren zur Leerhubsteuerung von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen einer Brennkraftmaschine, die jeweils mindestens einen Piezoaktor aufweisen, unter Verwendung einer Vorrichtung zur Zuführung eines Energiebetrags an mindestens einen Piezoaktor, dadurch gekennzeichnet, dass der Leerhub durch eine variabel einstellbare Dehnung des Piezoaktors, verursacht durch einen dem Piezoaktor jeweils durch die Vorrichtung zugeführten variablen Energiebetrag, gesteuert wird, wobei ein jeweils ermittelter Ist-Leerhub als Ausgangswert für die Steuerung des Leerhubs dient, wobei die Zuführung von Energie an den Piezoaktor über ein elektrisch beheiztes Element erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Piezoaktor durch die Vorrichtung zugeführte Energiebetrag mittels einer mathematischen Operation mit mindestens zwei zu ermittelnden Werten berechnet wird, wobei einer der Werte in einer Vorsteuerung analytisch und/oder heuristisch und/oder aus einem Kennfeld bestimmt wird und damit den Einfluss der den Leerhub beeinflussenden Parameter beschreibt und der andere Wert aus der Differenz eines hinterlegten Soll-Leerhubwertes und eines ermittelten Ist-Leerhubwertes gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Leerhub durch eine kapazitive Leerhubmessung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Leerhub aus dem Verlauf gemessener elektrischer Piezoaktorgrößen des Einspritzvorgangs ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Leerhub über einen Dehnmessstreifen gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Leerhub dadurch bestimmt wird, dass im Motorstillstand die Ansteuerung des Piezoaktors schrittweise erhöht wird, bis ein Druckverlust eintritt, der über einen Drucksensor bestimmt werden kann, wobei die für diesen Druckverlust zugeführte Energiemenge ein Maß für den Leerhub darstellt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Leerhub dadurch bestimmt wird, dass die Zeitdifferenz zwischen Beaufschlagung des Piezoaktors mit Energie und Abheben der Injektornadel bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Leerhub dadurch bestimmt wird, dass bei Motorstillstand der Piezoaktor mit Energie beaufschlagt wird bis ein Druckverlust auftritt, wobei die dafür benötigte Energiemenge ein Maß für den Leerhub ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Ist-Leerhubwert für die Anpassung des in der Vorsteuerung ermittelten Wertes herangezogen wird.
Vorrichtung zur Steuerung eines Leerhubs einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung mindestens einen Piezoaktor aufweist, wobei ein elektrisch beheiztes Element vorgesehen ist, dass dafür ausgelegt ist, dem Piezoaktor einen variablen Energiebetrag zuzuführen, wobei der Piezoaktor dafür ausgelegt ist, dass ein dem Piezoaktor zugeführter Energiebetrag eine Dehnung des Piezoaktors bewirkt, wobei der Piezo-Injektor dafür ausgelegt ist, dass eine Dehnung des Piezoaktors den Leerhub des Piezoaktors beeinflusst.