DE102006058742A1

DE102006058742A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils

Info

Publication number: DE102006058742A1
Application number: DE102006058742A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Lehr; Erik Tonner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2008-06-19
Also published as: JP5039147B2; US8483933B2; US20110180046A1; CN101558227A; CN101558227B; EP2102474A1; WO2008071532A1; JP2010512486A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils (10), insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (10) einen piezoelektrischen Aktor (12) zum Antrieb einer mit dem Aktor (12), vorzugsweise hydraulisch, gekoppelten Ventilnadel (13) aufweist und wobei eine Ansteuerspannung (U) des piezoelektrischen Aktors (12) ausgewertet wird, um auf einen Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventils (10) zu schließen. Erfindungsgemäß wird die zweite zeitliche Ableitung der Ansteuerspannung (U) und/oder eine von der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung (U) abhängige Größe (ddu) ausgewertet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftstoffeinspritzventil einen piezoelektrischen Aktor zum Antrieb einer mit dem Aktor, vorzugsweise hydraulisch, gekoppelten Ventilnadel aufweist, und wobei eine Ansteuerspannung des piezoelektrischen Aktors ausgewertet wird, um auf einen Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventils zu schließen.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2006 003 861 bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine nach einer Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors an diesem Aktor anliegende Spannung auf Abweichungen von einem vorgebbaren Spannungswert überprüft, um auf einen Schließzeitpunkt einer Düsennadel des Kraftstoffeinspritzventils zu schließen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass genauere Informationen über einen Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventils erhalten werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zweite zeitliche Ableitung der Ansteuerspannung und/oder eine von der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung abhängige Größe ausgewertet wird.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäße Auswertung der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung des piezoelektrischen Aktors beziehungsweise einer hiervon abhängigen Größe ist ein präziser Rückschluss auf charakteristische Betriebszustände des piezoelektrischen Aktors beziehungsweise der mit ihm gekoppelten Ventilnadel und insgesamt des Kraftstoffeinspritzventils möglich.
Vorteilhaft kann insbesondere während eines Öffnens des Kraftstoffeinspritzventils ein Nulldurchgang der zweiten zeitlichen Ableitung, insbesondere von positiven zu negativen Werten hin, ermittelt werden, um auf einen charakteristischen Betriebszustand zu schließen. Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass sich während des Öffnens des Kraftstoffeinspritzventils nach einer bestimmten Zeit eine Rückwirkung der Ventilnadel auf den piezoelektrischen Aktor ergibt, die durch den beschriebenen Nulldurchgang der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung des piezoelektrischen Aktors feststellbar ist. Diese Rückwirkung korrespondiert mit einem charakteristischen Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventils, und die erfindungsgemäße Auswertung ermöglicht demnach eine präzise Überwachung des entsprechenden Betriebszustands.
Ferner kann besonders vorteilhaft vorgesehen sein, dass, insbesondere während eines Schließens des Kraftstoffeinspritzventils, ein Maximum der zweiten zeitlichen Ableitung ermittelt wird, um auf einen charakteristischen Betriebszustand zu schließen. Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass während eines Schließvorgangs des Kraftstoffeinspritzventils ein Auftreffen der Ventilnadel auf ihren Schließsitz und das damit einhergehende plötzliche Abbremsen der Ventilnadel wiederum eine Rückwirkung auf den piezoelektrischen Aktor in Form des vorstehend beschriebenen Maximums ergeben. Die erfindungsgemäße Auswertung auf ein derartiges Maximum hin ermöglicht dementsprechend eine präzise Überwachung desjenigen Zeitpunkts, in dem die Ventilnadel ihren Schließsitz erreicht.
Eine einfache und gleichzeitig ganz besonders genaue Auswertung kann durchgeführt werden, wenn die Ansteuerspannung des piezoelektrischen Aktors, vorzugsweise mit einer festen Abtastfrequenz, abgetastet wird, und wenn aus den hierbei erhaltenen Abtastwerten die von der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung abhängige Größe gebildet wird.
Besonders vorteilhaft wird die von der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung abhängige Größe durch die folgende Gleichung erhalten: ddu[k] = (u[k + j] – u[k + 1]) – (u[k] – u[k – j + 1]),wobei u[k] einen Abtastwert für die Ansteuerspannung zu einem diskreten Zeitpunkt k darstellt, und wobei j eine vorgebbare Konstante ist, für die beispielsweise gilt j = 5. Die erfindungsgemäße Ermittlung der von der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung abhängigen Größe mittels der vorstehenden Gleichung stellt ein besonders einfaches und effizient zu realisierendes Verfahren dar, um die betreffenden Informationen mittels einer Recheneinheit, wie sie beispielsweise in einem Steuergerät zum Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils vorgesehen ist, zu erhalten. Untersuchungen der Anmelderin haben ferner ergeben, dass bei abgetasteten Signalen hiermit eine genauere Erkennung von Knicken in dem Signalverlauf möglich ist als bei der Auswertung der mathematisch exakten zweiten Ableitung.
Besonders vorteilhaft wird der Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils in Abhängigkeit der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung und/oder der von der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung abhängigen Größe geregelt. Dabei können die erfindungsgemäß erhaltenen Informationen über den beziehungsweise die Betriebszustände des Kraftstoffeinspritzventils vorteilhaft verwendet werden, um ein vorgebbares, insbesondere zeitlich konstantes Betriebsverhalten zu realisieren und fertigungsbedingte Toleranzen, Alterungseffekte und dergleichen zu kompensieren.
Um das gewünschte Betriebsverhalten des Kraftstoffeinspritzventils zu realisieren, wird vorteilhaft insbesondere ein Ladestrom und/oder ein Entladestrom, insbesondere entsprechende Schwellwerte hierfür, vorgegeben.
Ferner kann vorteilhaft vorgesehen sein, eine Ladezeit, für die der piezoelektrische Aktor aufgeladen wird, vorzugeben, um sicherzustellen, dass der piezoelektrische Aktor für eine nachfolgende Ansteuerung wieder auf die entsprechende Nenn- beziehungsweise Ausgangsspannung aufgeladen ist. Die Vorgabe einer Entladezeit ist dementsprechend auch möglich. Alternativ oder ergänzend zu der Vorgabe einer Lade- bzw. Entladezeit kann auch eine bestimmte Ansteuerspannung als Abschaltkriterium für einen Entlade- bzw. Aufladevorgang vorgegeben werden.
Eine Steigerung der Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich dadurch, dass die Auswertung nur in einem oder mehreren vorgebbaren Zeitfenstern erfolgt.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms, das auf einem Computer beziehungsweise einer Recheneinheit eines Steuergeräts ablauffähig und zur Ausführung des Verfahrens geeignet ist. Das Computerprogramm kann beispielsweise auf einem elektronischen Speichermedium abgespeichert sein, wobei das Speichermedium seinerseits zum Beispiel in dem Steuergerät enthalten sein kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kraftstoffeinspritzventils zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2a schematisch einen zeitlichen Verlauf einer Ansteuerspannung eines piezoelektrischen Aktors des Kraftstoffeinspritzventils aus 1,
2b schematisch einen zeitlichen Verlauf eines Ansteuerstroms des piezoelektrischen Aktors,
3a und 3b schematisch einen zeitlichen Verlauf einer erfindungsgemäß ausgewerteten, von der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung abhängigen Größe, und
4a bis 4d schematisch einen zeitlichen Verlauf eines Nadelhubs einer Ventilnadel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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.
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 mithilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt. Hierzu wird eine nachfolgend auch als Ansteuerspannung U bezeichnete elektrische Spannung an den Aktor 12 angelegt, die eine Längenänderung eines in dem Aktor 12 angeordneten Piezostapels hervorruft, welche ihrerseits zum Öffnen beziehungsweise Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 10 ausgenutzt wird.
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.
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.
Um Informationen über einen Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventils 10 zu erhalten, wird das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt, das beispielsweise in Form eines Computerprogramms auf einem elektronischen Speicherelement (nicht gezeigt) gespeichert und in dem Steuergerät 20 vorgesehen sein kann, um durch eine Recheineinheit des Steuergeräts 20 abgearbeitet zu werden.
2a zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der Ansteuerspannung U, mit der der Aktor 12 angesteuert wird, um das Öffnen und ein nachfolgendes Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 10 (1) und damit eine Kraftstoffeinspritzung zu bewirken.
Zu Beginn des Ansteuervorgangs bei t = t0 ist der Aktor 12 auf eine Ausgangsspannung U0 aufgeladen und weist damit seine maximale Länge bzw. einen maximalen Aktorhub auf, so dass die mit dem Aktor 12 gekoppelte Ventilnadel 13 (1) in ihrem Ventil- bzw. Schließsitz 14 aufliegt und das Kraftstoffeinspritzventil 10 dementsprechend geschlossen ist.
Eine anschließende Entladung des Aktors 12 bewirkt zunächst ein Absinken der Ansteuerspannung U in dem Zeitintervall [t0, t2]. Während dieser Zeit hat sich der Aktor 12 entsprechend verkürzt, so dass die Ventilnadel 13 von ihrem Ventilsitz 14 wegbewegt worden ist. Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass etwa nach dem Zeitpunkt t2 die sich bewegende Ventilnadel 13 auf den Koppler 15 und damit auch auf den Aktor 12 eine Rückwirkung ausübt, die einen zeitweisen Anstieg der Ansteuerspannung U in dem Zeitintervall [t2, t4] zur Folge haben kann. Danach bewirkt das fortgesetzte Entladen ein weiteres Absinken der Ansteuerspannung U bis zu dem Zeitpunkt t5, der das Ende des Entladevorgangs darstellt.
Ein anschließendes Aufladen des Aktors 12 erfolgt ab dem Zeitpunkt t6, bis hin zu dem Zeitpunkt t9, wobei die Ventilnadel 13 bereits zu dem Zeitpunkt t7 wieder ihren Ventilsitz 14 erreicht und dementsprechend stark abgebremst wird. Hierdurch ergibt sich eine weitere, entsprechende Rückwirkung der Ventilnadel 13 auf den mit ihr gekoppelten Aktor 12, dessen elektrische Kapazität sich dadurch verringert. Infolgedessen steigt die Ansteuerspannung U ab dem Zeitpunkt t8 steiler als zuvor, d.h. zu den Zeiten t < t7, obwohl sich für den Ansteuerstrom I keine wesentliche Änderung ergibt, vgl. 2b. Der Ladervorgang ist bei dem Zeitpunkt t9 beendet, an dem die Ansteuerspannung U wieder ihren für eine nächste Kraftstoffeinspritzung erforderlichen Ausgangswert U0 aufweist.
Erfindungsgemäß wird vorteilhaft die zweite zeitliche Ableitung der Ansteuerspannung U und/oder eine von der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung U abhängige Größe ausgewertet, um die Rückwirkung der Ventilnadel 13 bei dem Zeitpunkt t4 zu erkennen.
Bevorzugt wird die Ansteuerspannung U, vorzugsweise mit einer festen Abtastfrequenz, abgetastet, und aus den hierbei erhaltenen Abtastwerten u[k] wird eine von der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung U abhängige Größe ddu gebildet. Die Abtastfrequenz kann beispielsweise 200 kHz betragen.
Aus den einzelnen Abtastwerten u[k] wird die von der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung U abhängige Größe ddu durch die folgende Gleichung erhalten: ddu[k] = (u[k + j] – u[k + 1]) – (u[k] – u[k – j + 1]),wobei u[k] einen Abtastwert für die Ansteuerspannung U zu einem diskreten Zeitpunkt k darstellt, und wobei j eine vorgebbare Konstante ist, für die beispielsweise gilt j = 5. Die Bildung der Größe ddu ist besonders zweckmäßig, da sie lediglich Additionen bzw. Subtraktionen erfordert und dementsprechend schnell und effizient von einer Recheinheit des Steuergeräts 20 ausführbar ist.
Ein schematischer zeitlicher Verlauf der Größe ddu ist für den Öffnungsvorgang des Kraftstoffeinspritzventils 10, vgl. das Zeitintervall [t0, t5] aus 2a, in 3a, und für den Schließvorgang des Kraftstoffeinspritzventils 10, vgl. das Zeitintervall [t6, t9] aus 2a, in 3b angegeben, wobei die diskreten Zeitpunkte k mit den entsprechenden Werten der auf den Abszissen angegebenen Zeit t korrespondieren.
Wie aus 3a ersichtlich ist, weist die erfindungsgemäß betrachtete Größe ddu zu dem Zeitpunkt t3, vgl. auch 2a, einen Nulldurchgang von positiven zu negativen Werten hin auf, der im Rahmen der erfindungsgemäßen Auswertung ermittelt bzw. untersucht wird. Durch die Ermittlung der zeitlichen Lage t3 dieses Nulldurchgangs kann unabhängig von Verschleißerscheinungen oder geänderten Betriebsbedingungen usw. ein charakteristischer Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventils 10 ermittelt werden, der Untersuchungen der Anmelderin zufolge etwa einem halben Maximalhub der Ventilnadel 13 entspricht.
D.h., der Zeitpunkt t3 des Nulldurchgangs der Größe ddu gibt unabhängig von geänderten Betriebsbedingungen und Verschleißerscheinungen denjenigen Zeitpunkt an, an dem die Ventilnadel 13 ihren halben Maximalhub vollführt hat. Das zeitliche Zusammentreffen des halben Maximalhubs und des Wendepunkts in der Ansteuerspannung U bzw. des Nulldurchgangs der Größe ddu gilt für die vorliegend beschriebene Auslegung des Kraftstoffeinspritzventils 10. Prinzipiell kann der Aktorhub bei dem Auftreten des Wendepunkts in der Ansteuerspannung U auch einen anderen Prozentbetrag des Maximalhubs betragen.
Analog hierzu haben Untersuchungen der Anmelderin ergeben, dass sich für die Größe ddu, wie in 3b abgebildet, während dem Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 10, ein Maximum ergibt, das dem Knick der Ansteuerspannung U im Bereich des Zeitpunkts t7, t8 entspricht, vgl. 2a. D.h. durch die Ermittlung des Zeitpunkts t8, an dem das Maximum der Größe ddu auftritt, kann unabhängig von geänderten Betriebsbedingungen und Verschleißerscheinungen der Zeitpunkt des tatsächlichen Schließens des Kraftstoffeinspritzventils 10 bestimmt werden, bei dem die Ventilnadel 13 ihren Ventilsitz 14 erreicht.
Somit kann unter Auswertung der Größe ddu unabhängig von sich zeitlich ändernden Betriebsbedingungen und Alterungserscheinungen insbesondere einer elektrischen Kapazität oder eines Hubvermögens des Aktors 12, des Ventilsitzes 14 usw. stets der entsprechende Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventils 10 bestimmt werden.
Besonders vorteilhaft wird ein Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils 10 in Abhängigkeit der Größe ddu bzw. ihrer Auswertung geregelt. Dadurch kann beispielsweise das Auftreten des Nulldurchgangs, vgl. 3a, bzw. des Maximums, vgl. 3b, auf jeweils einen bestimmten, festen Zeitpunkt t3, t8 geregelt werden, so dass sich der entsprechende Betriebszustand auch tatsächlich stets zu diesen Zeitpunkten t3, t8 einstellt.
D.h., der Wendepunkt in der Ansteuerspannung U, Zeitpunkt t3, und der Knick bei dem Schließvorgang, Zeitpunkt t8, können für aufeinanderfolgende Kraftstoffeinspritzvorgänge – bezüglich eines Ansteuerbeginns t0 – zeitlich gleichgestellt werden, wodurch nahezu über die gesamte Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils 10 ein gleichbleibender zeitlicher Verlauf des Nadelhubs der Ventilnadel 13 erzielbar ist, der mit einer entsprechend gleichbleibenden eingespritzten Kraftstoffmenge korrespondiert. Einer Mengendrift der eingespritzten Kraftstoffmenge durch eine Alterung bzw. Ermüdung des Aktors 12 und mechanischen Verschleiß wird somit effektiv vorgebeugt.
Um die zeitliche Gleichstellung der charakteristischen Betriebszustände zu erzielen, kann beispielsweise der Lade- bzw. Entladestrom I, 2b, entsprechend eingestellt werden. Insbesondere können für den Lade- bzw. Entladestrom I vorgesehene Schwellwerte in Abhängigkeit der Größe ddu bzw. ihres zeitlichen Verlaufs eingestellt werden.
Eine Regelung der Ladezeit, für die der Aktor 12 nach dem Entladen wieder aufgeladen wird, kann ebenfalls erfolgen, um sicherzustellen, dass der Aktor 12 nach dem tatsächlichen Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 10 zu dem Zeitpunkt t8, 2a, noch weiter aufgeladen wird bis auf die für einen nachfolgenden Kraftstoffeinspritzvorgang erforderliche Ausgangsspannung U0.
Generell ist es möglich, die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Betriebszustände bzw. die hiermit korrelierenden Knicke bzw. Wendepunkte in dem zeitlichen Verlauf der Ansteuerspannung U als Regelmerkmale zu verwenden und z.B. mit unterschiedlichen Stehgrößen wie z.B. einem Ansteuerbeginn zu verknüpfen. Bevorzugt kann der Wendepunkt in der Ansteuerspannung U während des Öffnens des Kraftstoffeinspritzventils 10 mit dem Ansteuerbeginn und ein Knick in der Ansteuerspannung U während des Schließens des Kraftstoffeinspritzventils 10 mit der Ansteuerdauer verknüpft werden.
Eine besonders sichere Erkennung der charakteristischen Betriebszustände des Kraftstoffeinspritzventils 10 ist dann gewährleistet, wenn die Auswertung der Größe ddu auf einen Nulldurchgang bzw. auf ein Maximum hin nur in vorgebbaren Zeitfenstern erfolgt. Die Zeitfenster sind vorzugsweise in Abhängigkeit einer tatsächlich erfolgenden Ansteuerung des Aktors 12 vorteilhaft so zu wählen, dass die zu ermittelnden Merkmale Nulldurchgang bzw. Maximum möglichst eindeutig in dem Zeitfenster auftreten. Beispielhaft sind zwei derartige Zeitfenster T1, T2 in den 3a, 3b durch geschweifte Klammern symbolisiert.
4a zeigt in insgesamt vier Kurven schematisch einen zeitlichen Verlauf des Nadelhubs h der Ventilnadel 13, wie er sich bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen bzw. Verschleißzuständen ohne die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Öffnen eines Kraftstoffeinspritzventils ergibt. Wie aus 4a ersichtlich ist, existieren je nach Betriebsbedingungen bzw. Verschleißzustand sehr verschiedene zeitliche Verläufe für den Nadelhub h und damit auch entsprechend unterschiedliche eingespritzte Kraftstoffmengen.
Die erfindungsgemäße zeitliche Gleichstellung des Wendepunkts der Ansteuerspannung U zu dem Zeitpunkt t3 führt wie in 4b abgebildet zu einem wesentlich einheitlicheren Nadelhubverlauf h auch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen bzw. Verschleißzustand.
4c zeigt schematisch einen zeitlichen Verlauf des Nadelhubs h der Ventilnadel 13, wie er sich bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen bzw. Verschleißzuständen ohne die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Schließen eines Kraftstoffeinspritzventils ergibt. Wie aus 4c ersichtlich ist, existieren je nach Betriebsbedingungen bzw. Verschleißzustand sehr verschiedene zeitliche Verläufe für den Nadelhub h und damit auch entsprechend unterschiedliche eingespritzte Kraftstoffmengen.
Die erfindungsgemäße zeitliche Gleichstellung des Knicks der Ansteuerspannung U zu dem Zeitpunkt t8 führt wie in 4d abgebildet zu einem wesentlich einheitlicheren Nadelhubverlauf h auch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen bzw. Verschleißzuständen, und damit zu einer weitestgehend von unterschiedlichen Betriebsbedingungen bzw. einem Verschleißzustand unabhängigen eingespritzten Kraftstoffmenge.
Die zeitliche Gleichstellung der vorstehend beschriebenen Betriebszustände des Kraftstoffeinspritzventils 10 ermöglicht über die gesamte Betriebs- bzw. Lebensdauer des Kraftstoffeinspritzventils 10 eine genaue Einhaltung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge, sofern die Einspritzrate in dem geöffneten Zustand nahezu konstant bleibt.
Neben der vorteilhaften zeitlichen Gleichstellung charakteristischer Betriebszustände des Kraftstoffeinspritzventils 10 basierend auf der Größe ddu und einer entsprechenden Regelung ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch die Vorgabe einer gewünschten Ventilnadeldynamik durch die Einstellung des Lade- bzw. Entladestroms I.
Der Knick der Ansteuerspannung U, der bei dem vorliegenden Beispiel gemäß 2a in dem Zeitintervall [t7, t9] liegt, kann u.a. bei hohen Ansteuerströmen I und in Abhängigkeit der Auslegung der hydraulischen Komponenten des Kraftstoffeinspritzventils 10 auch nach dem Ende der Bestromung, d.h. in 2a bei t > t9 auftreten. Auch in diesem Fall kann der Knick der Ansteuerspannung U durch das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren erkannt und als Regelmerkmal eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft auch dazu eingesetzt werden, um einen Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventils 10 zu erkennen, bei dem die Ventilnadel 13 während des Öffnens einen Hubanschlag erreicht. Der Hubanschlag (nicht gezeigt) begrenzt insbesondere die Bewegung der Ventilnadel 13 auf einen Maximalhub, der mit dem vollständig geöffneten Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 10 korrespondiert. Bei dem Erreichen des Hubanschlags verändert sich die Rückwirkung der Ventilnadel 13 auf den piezoelektrischen Aktor 12 Untersuchungen der Anmelderin zufolge derart, dass die zeitliche Änderung der Ansteuerspannung U eine dementsprechende, verhältnismäßig große Änderung erfährt. Diese Änderung lässt sich vorteilhaft als lokales Minimum der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung U erkennen, so dass unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Bestimmung des tatsächlichen Erreichens des Hubanschlags durch die Ventilnadel 13 möglich ist.
Wie bereits in Verbindung mit den weiteren interessierenden Betriebszuständen des Kraftstoffeinspritzventils 10 beschrieben, lässt sich unter Vorgabe entsprechender Stellgrößen somit vorteilhaft auch der Zeitpunkt des Erreichens des Hubanschlags durch die Ventilnadel 13 regeln, wodurch die Genauigkeit bei der Einspritzung der Kraftstoffmenge gesteigert wird. Insbesondere kann durch die beschriebene Auswertung des mit dem Erreichen des Nadelhubanschlags korrespondierenden lokalen Minimums der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung U auch eine zeitliche Gleichstellung des Erreichens des Nadelhubanschlags der Ventilnadeln 13 mehrerer Kraftstoffeinspritzventile 10 im Wege einer entsprechenden Regelung vorgenommen werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine zum Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils 10 erforderliche Bestromung des piezoelektrischen Aktors 12 zu dem Zeitpunkt t5, vgl. 2b, beendet. Ab diesem Zeitpunkt t5 bewegt sich die Ventilnadel 13 zunächst weiter in Öffnungsrichtung auf den Hubanschlag zu und übt dabei einen Druck auf den piezoelektrischen Aktor 12 aus, der zu dem Anstieg der Ansteuerspannung U direkt nach dem Zeitpunkt t5 führt, vgl. 2a. Sobald die Ventilnadel 13 ihren Hubanschlag erreicht, bleibt die Ansteuerspannung U im wesentlichen konstant, bevor sie zu dem Zeitpunkt t6 durch ein erneutes Bestromen des piezoelektrischen Aktors 12 erneut ansteigt.
Je nach Ausbildung des Kraftstoffeinspritzventils 10 bzw. seiner hydraulischen Komponenten können ggf. auftretende weitere Betriebszustände, die mit charakteristischen Änderungen der Ansteuerspannung zusammenhängen, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erkannt werden, und deren tatsächliches zeitliches Auftreten kann vorteilhaft zum Gegenstand entsprechender Regelverfahren gemacht werden, vorzugsweise mit dem Ziel einer Gleichstellung über mehrere Kraftstoffeinspritzventile 10.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils (10), insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (10) einen piezoelektrischen Aktor (12) zum Antrieb einer mit dem Aktor (12), vorzugsweise hydraulisch, gekoppelten Ventilnadel (13) aufweist, und wobei eine Ansteuerspannung (U) des piezoelektrischen Aktors (12) ausgewertet wird, um auf einen Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventils (10) zu schließen, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite zeitliche Ableitung der Ansteuerspannung (U) und/oder eine von der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung (U) abhängige Größe (ddu) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere während eines Öffnens des Kraftstoffeinspritzventils (10), ein Nulldurchgang der zweiten zeitlichen Ableitung, insbesondere von positiven zu negativen Werten hin, ermittelt wird, um auf einen charakteristischen Betriebszustand zu schließen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere während eines Schließens des Kraftstoffeinspritzventils (10), ein Maximum der zweiten zeitlichen Ableitung ermittelt wird, um auf einen charakteristischen Betriebszustand zu schließen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerspannung (U), vorzugsweise mit einer festen Abtastfrequenz, abgetastet wird, und dass aus hierbei erhaltenen Abtastwerten (u[k]) die von der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung (U) abhängige Größe (ddu) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung (U) abhängige Größe (ddu) durch die folgende Gleichung erhalten wird: ddu[k] = (u[k + j] – u[k + 1]) – (u[k] – u[k – j + 1]), wobei u[k] einen Abtastwert für die Ansteuerspannung (U) zu einem diskreten Zeitpunkt k darstellt, und wobei j eine vorgebbare Konstante ist, für die beispielsweise gilt j = 5.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Auswertung der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung (U) und/oder der von der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung (U) abhängigen Größe (ddu) ein Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils (10) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wendepunkt und/oder ein Extremum, insbesondere ein Maximum, der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung (U) und/oder der von der zweiten zeitlichen Ableitung der Ansteuerspannung (U) abhängigen Größe (ddu) auf einen konstanten Zeitpunkt, insbesondere bezüglich eines Ansteuerbeginns, geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladestrom und/oder ein Entladestrom, insbesondere entsprechende Schwellwerte hierfür, mit dem der piezoelektrische Aktor (12) auf- beziehungsweise entladen wird, vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladezeit, für die der piezoelektrische Aktor (12) aufgeladen wird, vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung nur in einem oder mehreren vorgebbaren Zeitfenstern (T1, T2) erfolgt.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 programmiert ist.
Steuergerät (20) für ein Kraftstoffeinspritzventil (10), insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.