DE102007048609A1 - Verfahren zur Erfassung des Betriebsdrucks eines Piezoinjektors einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Erfassung des Betriebsdrucks eines Piezoinjektors einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren beschrieben, mit dessen Hilfe es möglich ist, bei Kraftstoffeinspritzsystemen mit Piezoinjektoren (16) auf einen Drucksensor im Rail (18) zu verzichten.

Description

  • Stand der Technik
  • Aus der DE 10 2005 001 578 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Piezoinjektor bekannt. Bei dieser Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist an dem Common Rail ein Rail-Drucksensor vorhanden. Das Ausgangssignal dieses Kraftstoffdrucksensors ist eine wichtige Eingangsgröße bei der Ermittlung von Spritzbeginn und Einspritzdauer. Da der von dem Rail-Druck gemessene Druck im Common Rail nicht immer identisch mit dem Betriebsdruck des Piezoinjektors ist, werden bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren die elektrischen Eigenschaften des in dem Piezoinjektor vorhandenen piezoelektrischen Elements ausgewertet, um den Betriebsdruck des Piezoinjektors ausgehend von dem gemessenen Raildruck ausreichend genau zu ermitteln. Dabei nützt das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren den Zusammenhang zwischen dem auf das piezoelektrische Element einwirkenden hydrostatischen Druck und dessen elektrische Kapazität aus.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das eine Vereinfachung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung ermöglicht und dadurch kostengünstiger herstellbar ist, weniger fehleranfällig ist und weniger Bauraum benötigt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erfassung des Betriebsdrucks in einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Piezoinjektor, wobei der Piezoinjektor ein piezoelektrisches Element, eine Düsennadel und einen Hubanschlag umfasst, und wobei das piezoelektrische Element mindestens teilweise mit dem Betriebsdruck beaufschlagt wird, dadurch gelöst, dass der Betriebsdruck in Abhängigkeit der Dauer eines Zeitintervalls zwischen dem Steuersignal für das piezoelektrische Element zum Öffnen der Düsennadel und dem Auftreffen der Düsennadel auf einem Hubanschlag ermittelt wird.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, auf einen Drucksensor im Common Rail vollständig zu verzichten, so dass der Common Rail fertigungstechnischer einfacher und kostengünstiger realisierbar ist, weil ein Einschraubgewinde für den Drucksensor entfallen kann.
  • Außerdem entfallen die Kosten für den Drucksensor und den zugehörigen Kabelbaum sowie die Schnittstelle zu einem Motorsteuergerät, welches die Ausgangssignale des Raildrucksensors auswertet. Dadurch wird neben den Kosteneinsparungen für die genannten Bauteile auch die Komplexität des Systems verringert, was weitere Kostenvorteile und eine erhöhte Zuverlässigkeit mit sich bringt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich zunutze, dass zwischen der Dauer eines Zeitintervalls, welches mit der Ansteuerung des piezoelektrischen Elements zum Öffnen der Düsennadel beginnt und mit dem Auftreffen der Düsennadel auf dem ihr zugeordneten Hubanschlag endet, und dem Raildruck zunutze. Für die Beschleunigung und Bewegung der Düsennadel von ihrem Düsennadelsitz bis zum Auftreffen der Düsennadel auf dem Hubanschlag ist der im Injektor herrschende Betriebsdruck die treibende Kraft, so dass über einen sehr großen Druckbereich ein direkter Zusammenhang zwischen der Dauer des genannten Zeitintervalls und dem Raildruck besteht.
  • Weil die Dauer des Zeitintervalls sehr präzise und ohne zusätzliche Hardware innerhalb des Steuergeräts des Motorsteuergeräts sehr präzise und ohne zusätzliche Hardware möglich ist, kann aus der Dauer dieses Zeitintervalls sehr einfach und mit ausreichender Genauigkeit der Betriebsdruck im Piezoinjektor bestimmt werden. Ein gesonderter Raildrucksensor kann dadurch entfallen.
  • Der Zusammenhang zwischen der Dauer des Zeitintervalls und dem Betriebsdruck kann in Form einer Kennlinie und/oder einer Geradengleichung im Steuergerät hinterlegt werden. Es hat sich bei Messungen von realen Piezoinjektoren herausgestellt, dass die Kennlinie über weite Druckbereich, beispielsweise von 250 bar bis etwa 2000 bar mit ausreichender Genauigkeit als Gerade abgebildet werden kann und selbst bei Drucken bis zu 2500 bar noch eine akzeptable Übereinstimmung zwischen den Messwerten und einer Ausgleichsgeraden, die als Kennlinie im Steuergerät hinterlegt wird, gegeben ist.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Ermittlung des Betriebsdrucks zwischen einem Steuersignal für das piezoelektrische Element zum Öffnen der Düsennadel und dem Auftreffen der Düsennadel auf dem Hubanschlag der maximale Hub Hmax der Düsennadel berücksichtigt. Dadurch ist es möglich, die bei der Serienfertigung unvermeidbaren Streuungen des maximalen Hubs Hmax angemessen zu berücksichtigen.
  • Dies kann ohne zusätzliche Kosten dadurch geschehen, dass bei der Funktionsprüfung und Vermessung der Piezoinjektoren, die nach der Montage und vor der Auslieferung an den Kunden bei allen Piezoinjektoren durchgeführt wird, auf einem Prüfstand der maximale Düsennadelhub Hmax erfasst wird. Der maximale Düsennadelhub Hmax wird ohnehin bei der Vermessung der Piezoinjektoren auf dem Prüfstand durchgeführt. Somit ist es lediglich erforderlich ist, den auf dem Prüfstand ermittelten maximalen Düsennadelhub Hmax auf dem Piezoinjektor zu kodieren und nach erfolgter Montage des Piezoinjektors in einer Brennkraftmaschine diesen maximalen Düsennadelhub als Parameter in das Motorsteuergerät einzugeben.
  • Die sich aus Temperaturänderungen aufgrund wechselnder Betriebstemperaturen ergebenden Änderungen der Länge des Piezoinjektors und damit auch des maximalen Düsennadelhubs Hmax können entweder über ein Temperaturmodell, welches im Steuergerät hinterlegt wird, oder aus der gemessenen Kühlwassertemperatur mithilfe geeigneter Korrekturgrößen oder Korrekturkennlinien ermittelt und entsprechend berücksichtigt werden. Alternativ kann die Kühlwassertemperatur auch durch ein geeignetes Modell in eine Betriebstemperatur des Piezoinjektors umgerechnet werden.
  • Besonders vorteilhaft ist das Verfahren einsetzbar bei Piezoinjektoren mit direkter Steuerung der Düsennadel. Bei diesen Injektoren stimmt der auf das piezoelektrische Element wirkende hydrostatische Druck sehr gut mit dem Betriebsdruck des Piezoinjektors überein.
  • Die erfindungsgemäßen Vorteile werden ebenfalls realisiert durch ein Computerprogramm zum Steuern oder Regeln einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Piezoinjektor sowie einem Steuergerät zum Steuern oder Regeln einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Piezoinjektor, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung in den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet,
  • 2 eine schematisierte und stark vereinfachte Darstellung eines Piezoinjektors mit direkter Steuerung der Düsennadel,
  • 3 ein Kennlinie der Betriebsdrucks in Abhängigkeit der Dauer der Düsennadelbewegung und
  • sowie 4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 das Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Motorblock 12 mit mehreren Brennräumen 14, in die der Kraftstoff direkt von der jeweiligen Piezoinjektor 16 eingespritzt wird. Die Piezoinjektoren 16 sind an einen Kraftstoffdruckspeicher 18 angeschlossen, in dem der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert wird. Dieser Kraftstoffdruckspeicher 18 wird auch als Rail bezeichnet.
  • Der Kraftstoff gelangt in den Rail 18 über ein Kraftstofffördersystem 20, welches mehrere nicht dargestellte Einzelkomponenten, wie beispielsweise ein Kraftstoffbehälter, eine Vorförderpumpe, eine Hochdruckpumpe und anderes mehr umfasst. Die Piezoinjektoren 16 können, wie in 1 dargestellt, über Leckageleitungen (ohne Bezugszeichen) mit einem Niederdruckbereich 22 verbunden sein.
  • Anders als bei herkömmlichen Kraftstoffeinspritzsystemen ist am Rail 18 kein Drucksensor vorhanden. Der in den Piezoinjektoren 16 anliegende Betriebsdruck wird vielmehr in den Piezoinjektoren 16 selbst mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt. Dieses Verfahren wird in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 26 angewendet, welches die gesamte Motorsteuerung übernimmt und unter anderem auch das Kraftstofffördersystem 20 ansteuert, um den Druck im Rail 18 bzw. dem Betriebsdruck der Piezoinjektoren 16 auf den gewünschten Wert einzuregeln.
  • In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Piezoinjektors 16 mit direkter Steuerung einer Düsennadel 32 stark vereinfacht und schematisiert dargestellt. Der Piezoinjektor 16 umfasst ein Gehäuse 28 mit einer durchgehenden Längsbohrung 30. Dabei kann das Gehäuse 28 aus mehreren Teilen 28a und 28b zusammengesetzt sein. Die Längsbohrung 30 hat verschiedene Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern.
  • In dem in 2 unteren Bereich der Längsbohrung 30 ist eine Düsennadel 32 dichtend und axial verschiebbar aufgenommen. Im Bereich ihrer konischen Spitze (ohne Bezugszeichen) ist die Düsennadel 32 von einem ringförmigen Druckraum 34 umgeben. Dieser ist über einen Kanal 36 mit dem Rail 18 verbunden.
  • Das andere Ende der Düsennadel 32 ragt mit einer Steuerfläche (ohne Bezugszeichen) in einen hydraulischen Steuerraum 38. Der Steuerraum 38 wird auf seiner der Düsennadel 32 gegenüberliegenden Seite von einem Steuerkolben 60 begrenzt, dessen Durchmesser in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel größer als der Durchmesser der Steuerfläche der Düsennadel 32 ist. Der Steuerkolben 16 ist mit einem piezoelektrischen Element 62 gekoppelt, das in einem Aufnahmeraum 64 des Gehäuses 28 angeordnet ist. Über den Steuerkolben 60, der längsverschiebbar und dichtend in der Bohrung 30 geführt ist, werden die von dem im Steuerraum 38 vorhandenen Kraftstoff ausgeübten hydraulischen Kräfte mittelbar auf das piezoelektrische Element 62 übertragen.
  • Das piezoelektrische Element 62 kann ggf. unter Zwischenschaltung einer nicht dargestellten Endstufe von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 26 angesteuert werden. Ein Absatz 40 der gestuften Bohrung 30 bildet zusammen mit einem entsprechenden Absatz (ohne Bezugszeichen) der Düsennadel 32 einen Hubanschlag für die Düsennadel. Der dadurch festgelegte Maximalhub ist in 2 mit Hmax bezeichnet.
  • Der Piezoinjektor 16 arbeitet wie folgt: Wenn kein Kraftstoff in den Brennraum 14 eingespritzt werden soll (Schließstellung der Düsennadel 32), liegt die Düsennadel 23 mit ihrem in 2 unterem Ende an einem Düsennadelsitz (ohne Bezugszeichen) des Gehäuses 28 auf und verschließt dadurch die Spritzlöcher (ohne Bezugszeichen). Dazu muss das piezoelektrische Element 62 bestromt werden, so dass es sich in axialer Richtung ausdehnt. Wegen der Kopplung zwischen piezoelektrischem Element 62 und Steuerkolben 60 wird dadurch der Steuerkolben 60 in 2 nach unten bewegt und gleichzeitig die Düsennadel 32 in ihren Sitz gepresst. Durch das Auftreffen der Düsennadel 32 auf ihrem Sitz wird die Bewegung der Düsennadel 32 behindert und gleichzeitig steigt der Druck im Steuerraum 38 an.
  • In dem Druckraum 34 herrscht zwar ebenfalls ein hoher Druck im Druckraum 34 des Piezoinjektors 16 herrscht in erster Näherung der Raildruck. Über eine Druckschulter an der Düsennadel 32 übt der unter Druck stehende Kraftstoff im Druckraum 34 eine in Öffnungsrichtung der Düsennadel 32 wirkende Kraft auf diese aus. Bei bestromtem piezoelektrischen Element 62 überwiegt jedoch die von dem im Steuerraum 38 befindlichen Kraftstoff auf die Düsennadel 32 ausgeübte Schließkraft.
  • Wenn nun der Piezoinjektor 16 geöffnet bzw. die Düsennadel 32 von dem Düsennadelsitz abgehoben werden soll, wird die Ladung des piezoelektrischen Elements 62 reduziert, so dass sich die Länge des piezoelektrischen Elements 62 verringert und sich der Steuerkolben 60 in 2 nach oben bewegt. Infolgedessen nehmen Druck und nimmt der Druck im Steuerraum 38 ab und die Kräftebilanz der auf die Düsennadel 32 wirkenden hydraulischen Kräfte verschiebt sich, so dass die Düsennadel 32 vom Düsennadelsitz abhebt und sich bis zu dem Absatz 40 im Gehäuse 28 bewegt. Dadurch werden die Spritzlöcher freigegeben und es erfolgt eine Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum 14.
  • Die Zeitdauer, welche die Düsennadel 32 benötigt, um vom Düsennadelsitz abzuheben und den Hubanschlag 40 zu erreichen ist ein Maß für den im Druckraum 34 herrschenden Betriebsdruck pB. Da, wie bereits erwähnt, die Öffnungskraft direkt proportional zu dem Druck pB im Druckraum 34, der im Zusammenhang mit der Erfindung als Betriebsdruck bezeichnet wird, kann aus der Dauer des Zeitintervalls ΔT vom Ansteuern des piezoelektrischen Elements 62 bis zum Auftreffen der Düsennadel 32 am Hubanschlag 40 der Betriebsdruck pB im Druckraum 34 ermittelt werden.
  • Das Auftreffen der Düsennadel 32 auf dem Hubanschlag 40 kann durch Messen der Ausgangsspannung der elektrischen Anschlüsse (ohne Bezugszeichen) des piezoelektrischen Elements 62 in der Steuer- und Regeleinrichtung 26 ohne zusätzliche Kosten und mit sehr großer Genauigkeit erfasst werden. Der Zeitpunkt der Ansteuerung des piezoelektrischen Elements 62 ist in der Steuer- und Regeleinrichtung 26 ohnehin bekannt. Somit kann die Dauer des Zeitintervalls ΔT vom Ansteuern des piezoelektrischen Elements 62 bis zum Auftreffen der Düsennadel 32 am Hubanschlag 40 von der Steuer- und Regeleinrichtung 26 ermittelt werden.
  • Selbstverständlich sind durch eine geeignete Ansteuerung des piezoelektrischen Elements 62 auch Zwischenstellungen zwischen der geschlossenen Stellung der Düsennadel 32 und der voll geöffneten Stellung der Düsennadel 32 möglich. Allerdings sind diese Zwischenstellungen für das erfindungsgemäße Verfahren nicht von Bedeutung.
  • 3 zeigt eine Kennlinie 42, welche den Zusammenhang zwischen der Dauer des Zeitintervalls ΔT zwischen dem Ansteuern des piezoelektrischen Elements 62 und dem Auftreffen der Düsennadel 32 auf dem Hubanschlag 40 und dem Betriebsdruck pB.
  • In der X-Achse ist die Dauer des Zeitintervalls ΔT zwischen dem Ansteuern des piezoelektrischen Elements 62 und dem Auftreffen der Düsennadel 32 auf dem Hubanschlag 40 aufgetragen. In der Y-Achse ist der Betriebsdruck pB aufgetragen. Wie sich aus 3 ergibt, können den Zeitdauern ΔT Raildrücke bzw. Betriebsdrücke pB im Piezoinjektor 16 zugeordnet werden. Wie sich aus 3 weiter ergibt, ist in einem sehr weiten Bereich von etwa 250 bar bis 1800 bar ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen der Dauer des Zeitintervalls ΔT und Betriebsdruck pB erkennbar. Selbst bei Drücken bis zu 2500 bar ist noch ein guter linearer Zusammenhang vorhanden. Dieser Zusammenhang kann entweder in Form einer Geradengleichung, wobei der Gradient zwischen dieser Geraden abhängig von der Bauart und dem Typ des Piezoinjektors 60 ist, oder in Form einer Kennlinie, die auch Nichtlinearitäten berücksichtigen kann, in der Steuer- und Regeleinrichtung 26 hinterlegt werden.
  • Somit ist es mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, auf einem Drucksensor im Rail 18 zu verzichten. Dadurch werden nicht nur erhebliche Kosten und Bauraum eingespart, sondern die Genauigkeit der Betriebsdruckerfassung wird noch erhöht, da letztendlich für die Steuerung des Piezoinjektors 16 nicht der im Rail 18 herrschende Druck, sondern der Betriebsdruck pB im Innern des Piezoinjektors 16 die maßgebende Größe ist.
  • In 4 ist ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
  • Nach einem Startblock 44 wird die in einem ersten Funktionsblock 46 die Ansteuerung des piezoelektrischen Elements 62 und der Zeitpunkt der Auslösung dieses Ansteuersignals abgespeichert. In einem zweiten Funktionsblock 48 wird durch eine Überwachung der Spannung an den elektrischen Anschlüssen des piezoelektrischen Elements 62 überwacht, der Zeitpunkt erfasst, zu dem die Düsennadel 32 auf dem Hubanschlag 40 auftrifft. Danach alternativ zur Spannung U des piezoelektrischen Elements kann auch beispielsweise die Ladung Q des piezoelektrischen Elements 62 ausgewertet werden, um das Auftreffen der Düsennadel 32 auf dem Hubanschlag 40 zu ermitteln.
  • In einem dritten Funktionsblock 50 wird die Dauer des Zeitintervalls ΔT beginnend mit dem Auslösen der Ansteuerung des piezoelektrischen Elements 16 und endend mit dem Auftreffen der Düsennadel 32 auf dem Hubanschlag 40 ermittelt. Anschließend wird in einem vierten Funktionsblock 52 mithilfe der Kennlinie 42 und ausgehend von der Dauer des Zeitintervalls ΔT der Betriebsdruck PB ermittelt. Dieser Betriebsdruck PB kann nun in herkömmlicher Weise für die Ansteuerung der Injektoren und die Steuerung bzw. Regelung der gesamten Kraftstoffeinspritzanlage genutzt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102005001578 A1 [0001]

Claims (8)

  1. Verfahren zur Erfassung des Betriebsdrucks (pB) in einer Kraftstoff-Einspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine (10) mit einem Piezo-Injektor (16), wobei der Piezo-Injektor (16) ein piezoelektrisches Element (62), einem Hubanschlag (40) und eine Düsennadel (32) umfasst, wobei die Düsennadel (32) mindestens bereichsweise mit dem Betriebsdruck (pB) beaufschlagt wird, und wobei eine Ladung (Q) und/oder eine Spannung (U) des piezoelektrischen Elements (62) zur Bestimmung des Betriebsdrucks (pB) herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsdruck (pB) in Abhängigkeit der Dauer eines Zeitintervalls (ΔT) zwischen einem Steuersignal für das piezoelektrische Element (62) zum Öffnen der Düsennadel (32) und dem Auftreffen der Düsennadel (32) auf dem Hubanschlag (40) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des Betriebsdrucks (pB) der Zusammenhang zwischen der Dauer des Zeitintervalls (ΔT) und dem Betriebsdruck (pB) in einer Kennlinie (42) hinterlegt ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Betriebsdrucks (pB) der maximale Hub (Hmax) der Düsennadel (32) berücksichtigt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Betriebsdrucks (pB) die Betriebstemperatur des Piezoinjektors (16). und/oder der Brennkraftmaschine (10) berücksichtigt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es für die Ermittlung von Betriebsdrücken (pB) größer 200 bar eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es für die Ermittlung von Betriebsdrücken (pB) von Piezo-Injektoren (16) mit direkter Steuerung der Düsennadel (32) eingesetzt wird.
  7. Computerprogramm zum Steuern und/oder Regeln einer Brennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Piezo-Injektor (10), dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem der Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche arbeitet.
  8. Steuergerät zum Steuern und/oder Regeln einer Brennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Piezo-Injektor (16), dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 arbeitet.
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