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Stand der Technik
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Die Injektoren von Brennkraftmaschinen werden zunehmend häufiger mit Hilfe piezoelektrischer Elemente betätigt, um die Anforderungen hinsichtlich Emissionen, Leistung und Geräusch bestmöglich erfüllen zu können.
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Diese Anforderungen können selbstverständlich nur dann erfüllt werden, wenn die Ansteuerung des piezoelektrischen Elements mit der erforderlichen Präzision und Genauigkeit erfolgt.
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Ein piezoelektrisches Element kann als Kapazität aufgefasst werden, die geladen wird, um eine Ausdehnung des piezoelektrischen Elements in axialer Richtung zu erreichen. Um ein Zusammenziehen des piezoelektrischen Elements in axialer Richtung zu erreichen, wird es entladen.
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Daher hängt der Hub des Injektors von der Kapazität des piezoelektrischen Elements ab. Da die Kapazitäten baugleicher piezoelektrischer Elemente aufgrund der unvermeidbaren herstellungsbedingten Toleranzen nicht exakt identisch sind, ist es erforderlich, diese Unterschiede in den Kapazitäten der piezoelektrischen Elemente bei deren Ansteuerung zu berücksichtigen.
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Aus der
DE 196 52 807 A1 ist ein Verfahren zum Ansteuern eines oder mehrer piezoelektrisch betriebener Kraftstoffeinspritzventile bekannt. Die Stellglieder dieser Kraftstoffeinspritzventile können mittels eines gemeinsamen Kennfelds angesteuert werden. Es ist vorgesehen in einer Steuerschaltung, vorgegebene Werte für eine Kondensatorspannung und Stellgliedladezeiten zu speichern. Zudem ist ein Kennfeld vorgesehen ist, in dessen Bereichen abhängig von der Ladezeit und der Ladespannung des Stellgliedes Korrekturbeträge für die Ladezeit oder für die Ladespannung zu speichen. Von dieser Offenbarung geht die Erfindung aus.
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Aus der
WO 99/067527 A2 ist ein Verfahren zum Steuern eines kapazitiven Aktors bekannt, der beispielsweise als piezoelektrisch betriebenes Kraftstoffeinspritzventil ausgeführt ist. Es wird dabei eine auf den Aktor aufgebrachte Energie ermittelt und eine am Aktor anliegende Aktorspannung gemessen. Aus der Energie und der Aktorspannung wird auf einen Funktionszustand geschlossen.
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Aus der
DE 19845 037 A1 sind ein Verfahren und eine Anordnung zum Ansteuern eines Aktors eines piezoelektrisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventils bekannt. Um fertigungs-, alterungs- und temperaturbedingte Toleranzen von Spulen und Kondensatoren ausgleichen zu können, wird vorgeschlagen einen Messvorgang durchzuführen, um Kapazitäts- und Induktivitätswerte zu ermitteln.
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Aus der
DE 198 54 789 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Ladestrom beziehungsweise der Entladestrom unter Berücksichtigung der Kapazität des angesteuerten piezoelektrischen Elements eingestellt wird.
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Zukünftig werden Piezoinjektoren mit einer direkten Nadelsteuerung eingesetzt. Dadurch wird eine noch bessere Kontrolle über die Düsennadel erlangt, was Vorteile hinsichtlich Robustheit, Emissionen, dem Emissionsverhalten und der Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine bewirkt. Um diese Vorteile auch praktisch nutzen zu können, muss die Ansteuerung des piezoelektrischen Elements der Injektoren mit noch weiter verbesserter Genauigkeit erfolgen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche eine weiter verbesserte Präzision bei der Ansteuerung des piezoelektrischen Elements beziehungsweise beim Steuern des Hubs des piezoelektrischen Elements ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements, bei dem der Ladestrom und der Entladestrom des piezoelektrischen Elements unter Berücksichtigung der Kapazität des piezoelektrischen Elements eingestellt wird, dadurch gelöst, dass bei dynamischen Betriebspunktänderungen der Ladestrom oder die Ladedauer und der Entladestrom oder die Entladedauer in Abhängigkeit einer Vorsteuerkennlinie oder eines Vorsteuerkennfelds und eines individuellen Korrekturfaktors ermittelt werden. Jedem piezoelektrischen Element ist mindestens ein Korrekturfaktor zugeordnet. Der zum Einregeln des piezoelektrischen Elements auf einen Betriebspunkt erforderliche Strom Iist kann mit einem Sollwert Isoll verglichen werden und der Korrekturfaktor als Quotient aus diesen beiden Größen gebildet werden. Dieser Korrekturfaktor kann für den Ladevorgang und für den Entladevorgang gesondert bestimmt werden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, mit Hilfe einer Vorsteuerkennlinie oder eines Vorsteuerkennfelds auch bei dynamischen Betriebspunktänderungen die Ansteuerung des piezoelektrischen Elements mit der erforderlichen Genauigkeit vorzunehmen. Naturgemäß ist jede Vorsteuerkennlinie beziehungsweise jedes Vorsteuerkennfeld mit Werten für ein bezüglich Kapazität und Hubverhalten „durchschnittliches“ piezoelektrisches Element hinterlegt. Durch die unvermeidbaren Streuungen der Kapazität des piezoelektrischen Elements bei einer Serienfertigung können dadurch Ungenauigkeiten bei der Ansteuerung des piezoelektrischen Elements entstehen. Diese Ungenauigkeiten werden erfindungsgemäß durch einen individuellen Korrekturfaktor berücksichtigt, so dass bei baugleichen piezoelektrischen Elementen trotz der herstellungsbedingten Streuungen der Kapazität ein nahezu identisches und ausreichend genaues Ansteuerverhalten im Bereich der dynamischen Betriebspunktänderungen erreicht wird. Dadurch kann trotz der Ansteuerung bei diesen Betriebspunktänderungen eine ausreichend große Genauigkeit bei gleichzeitiger Entlastung des Steuergeräts erzielt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Korrekturfaktor in Abhängigkeit von einer Kapazität des piezoelektrischen Elements und optional weiterer individueller Parameter bestimmt.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, jedem piezoelektrischen Element mindestens einen individuellen Korrekturfaktor für den Ladestrom beziehungsweise die Ladedauer und für den Entladestrom oder die Entladedauer zuzuordnen. Dadurch können auch Unterschiede im Betriebsverhalten des Piezoinjektors beim Öffnen der Düsennadel und beim Schließen der Düsennadel berücksichtigt werden.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der mindestens eine individuelle Korrekturfaktor bei der Funktionsprüfung des piezoelektrischen Elements ermittelt. Bei der Serienfertigung von Piezoinjektoren wird jeder Injektor vor der Auslieferung an den Kunden einer so genannten Nassprüfung unterzogen. Bei dieser Prüfung wird unter anderem die Einspritzmenge an verschiedenen Prüfpunkten vermessen. Bei dieser Vermessung ist die Ladedauer und die Entladedauer von entscheidender Bedeutung. Um die injektorindividuellen Unterschiede, die sich aufgrund der Serienstreuung einstellen, egalisieren zu können, werden die Ladezeiten und die Entladezeiten bei der Vermessung von einem Prüfstandsteuergerät ausgeregelt. Die dabei ohnehin gewonnenen Informationen über die Ladezeiten und die Entladezeiten beziehungsweise die daraus sich ergebenden Ladeströme und Entladeströme können nun zur Gewinnung eines individuellen Korrekturfaktors genutzt werden.
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Des Weiteren ist es möglich, für verschiedene Betriebspunkte des Piezoinjektors Korrekturfaktoren zu ermitteln und in einer Kennlinie oder einem Kennfeld zu hinterlegen.
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Dadurch dass die zur Bildung des Korrekturfaktors erforderlichen Messgrößen ohnehin bei der Funktionsprüfung der Piezoinjektoren ermittelt werden, entstehen keine zusätzlichen Kosten für Sensoren oder anderes. Auch wird die Dauer der Prüfung nicht verlängert.
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Nach Abschluss der Prüfung sind die zylinderindividuellen Korrekturfaktoren auf dem Piezoinjektor abzuspeichern beziehungsweise zu codieren. Dies ist jedoch auch ohne nennenswerte zusätzliche Kosten möglich, da ohnehin auf dem Injektor schon verschiedene andere zylinderindividuelle Werte abgespeichert werden. Diese individuellen Werte können beispielsweise mit einem Barcodelabel oder auf andere Weise codiert und am Piezoinjektor angebracht werden. Bei der Montage dieses Piezoinjektors in eine Brennkraftmaschine werden diese individuellen Korrekturfaktoren ausgelesen und dem Steuergerät der Brennkraftmaschine übermittelt: Dadurch wird das Steuergerät in die Lage versetzt, die individuellen Korrekturfaktoren bei der Berechnung der Ansteuerdauer und des Ladestroms beziehungsweise Entladestroms der piezoelektrischen Elemente zu berücksichtigen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Piezoinjektors mit direkter Steuerung der Ventilnadel;
- 2 den zeitlichen Verlauf der Spannung eines piezoelektrischen Elements während eines Entladevorgangs und eines Ladevorgangs und
- 3 eine schematische Darstellung des Ablaufs eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt stark vereinfacht und schematisiert einen Schnitt durch einen Piezoinjektor mit direkter Nadelsteuerung. Bei diesem Piezoinjektor 1 stützt sich ein erstes Ende eines piezoelektrischen Elements 3 gegen eine Deckelplatte 5 ab. Das der Deckelplatte 5 entgegengesetzte Ende des piezoelektrischen Elements 1 ist verschiebbar und dichtend in einer Hülse 7 geführt.
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Die Steuerbewegungen beziehungsweise die Hubbewegungen des piezoelektrischen Elements 1 sind in 1 durch einen Doppelpfeil 9 angedeutet.
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Am unteren Ende des Piezoinjektors 1 sind ein Düsennadelsitz 11, Spritzlöcher 13 und eine Düsennadel 15 angeordnet.
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Zwischen der Düsennadel 15 und dem piezoelektrischen Element 3 ist ein hydraulischer Koppler 17 vorgesehen.
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Der hydraulische Koppler 17 hat einen ersten Arbeitsraum 19 und einen zweiten Arbeitsraum 21. Zwischen erstem Arbeitsraum 19 und zweitem Arbeitsraum 21 ist eine Drosselplatte mit einer Drosselbohrung 25 angeordnet. Über die Bohrung 25 sind der erste Arbeitsraum 19 und der zweite Arbeitsraum 21 miteinander hydraulisch verbunden. Da der Durchmesser des ersten Arbeitsraums 19 sehr viel größer als der Durchmesser des zweiten Arbeitsraums 21 ist und der erste Arbeitsraum 19 von dem piezoelektrischen Element 3 begrenzt wird, während der zweite Arbeitsraum 21 von der Düsennadel 15 begrenzt wird, wird jeder Hub des piezoelektrischen Elements 3 in einen vergrößerten Düsennadelhub übersetzt. Der Hub der Düsennadel wird in Schließrichtung durch den Düsennadelsitz 11 und in Öffnungsrichtung durch die Drosselplatte 23 festgelegt. In 1 ist der Maximalhub der Düsennadel 15 mit Hmax bezeichnet.
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Der hydraulische Koppler 17 hat also im Wesentlichen die Funktionen eines hydraulischen Übersetzers und dient zum Ausgleich von temperaturbedingten Längenänderungen.
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Bei dem in 1 dargestellten Piezoinjektor mit direkt gekoppelter Düsennadel ist die Düsennadel 15 geschlossen, wenn das piezoelektrische Element seine maximale Länge hat. Dies bedeutet, dass das piezoelektrische Element 3 bestromt sein muss, wenn die Düsennadel 15 geschlossen sein soll. Wenn die Düsennadel 15 geöffnet werden und Kraftstoff über die Spritzlöcher 13 in einen nicht dargestellten Brennraum eingespritzt werden soll, muss demzufolge das piezoelektrische Element 3 ganz oder teilweise entladen werden.
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Elektrische Schaltungen, mit deren Hilfe ein piezoelektrisches Element
3 geladen und entladen werden kann, sind einem Fachmann zum Beispiel aus der
DE 198 54 789 A1 bekannt. In dieser Schrift sind verschiedene elektrische Schaltungen beschrieben und ein Verfahren zum Ansteuern des piezoelektrischen Elements mit unterschiedlichen mittleren Stromstärken beschrieben. Auf diese Beschreibungen wird hiermit Bezug genommen und, um Wiederholungen zu vermeiden, auf diese verwiesen.
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Bei einem piezoelektrischen Element
3 besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Länge des piezoelektrischen Elements und der Spannung U beziehungsweise der Ladung Q des piezoelektrischen Elements. Diese beiden Größen sind über die Kapazität C miteinander gemäß folgender Gleichung gekoppelt:
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Des Weiteren gilt für die Ladung des piezoelektrischen Elements:
wobei I den Ladestrom und t die Zeit bezeichnen.
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Anhand der 2 wird stark vereinfacht ein Entladevorgang und ein Beladevorgang eines piezoelektrischen Elements 3 eines Piezoinjektors 1 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.
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Ausgehend von einem geladenen Zustand, entsprechend einer Spannung U1 hat das piezoelektrische Element 3 eine große Ausdehnung in axialer Richtung und infolgedessen ist die Düsennadel 15 geschlossen.
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Wenn nun im Zeitintervall zwischen t1 und t2 das piezoelektrische Element 3 entladen wird, sinkt die Spannung von einem Ausgangswert U1 bis auf einen niedrigeren Wert U2 ab. Infolgedessen zieht sich das piezoelektrische Element 3 in axialer Richtung zusammen, so dass aufgrund des hydraulischen Kopplers 17 die Düsennadel 15 vom Düsennadelsitz 11 abhebt und eine Einspritzung beginnt.
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In dem Zeitraum t2 - t3 ist die Spannung des piezoelektrischen Elements 3 und damit dessen Länge konstant, so dass mit einem konstanten Düsennadelhub Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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In dem Zeitintervall zwischen t3 und t4 wird das piezoelektrische Element 3 wieder auf die Spannung U1 geladen. Infolgedessen nimmt die Länge des piezoelektrischen Elements 3 zu und die Düsennadel 15 wird erneut geschlossen. Damit endet die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum.
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Selbstverständlich kann das Entladen und das Beladen in verschiedenen Etappen erfolgen oder es kann die Geschwindigkeit des Entladens und des Beladens variiert werden, um den Einspritzverlauf in der gewünschten Weise zu formen.
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Wenn nun die mit einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Piezoinjektor ausgerüstete Brennkraftmaschine von einem Betriebspunkt schnell in einen anderen Betriebspunkt wechseln soll, würde ein Regler während dieser dynamischen Betriebspunktänderung der Brennkraftmaschine zu träge reagieren oder es wäre eine erhebliche Rechenleistung im Steuergerät erforderlich, um eine Regelung mit der gewünschten Genauigkeit vornehmen zu können. Daher wird erfindungsgemäß bei dynamischen Betriebspunktänderungen die Ansteuerung des piezoelektrischen Elements nicht geregelt, sondern mit Hilfe einer Vorsteuerstromkennlinie beziehungsweise eines Vorsteuerstromkennfelds vorgenommen.
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In 3 ist ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ansteuern des piezoelektrischen Elements 3 dargestellt. Ausgehend von einer gewünschten Änderung der Spannung des piezoelektrischen Elements wird mit Hilfe einer Vorsteuerstromkennlinie oder eines Vorsteuerstromkennfelds 27 ein Vorsteuerstrom IVorsteuer ermittelt.
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Um nun die bereits ausführlich erläuterten individuellen Unterschiede im Betriebsverhalten des piezoelektrischen Elements beziehungsweise des Piezoinjektors 1 bei der Steuerung berücksichtigen zu können, wird der Vorsteuerstrom IVorsteuer mit einem individuellen Korrekturfaktor Fkorr,i multipliziert. Die Multiplikation des Stroms IVorsteuer mit dem Korrekturfaktors Fkorr,i ergibt einen korrigierten beziehungsweise individualisierten Vorsteuerstrom IVorsteuer,i. Wenn der zugehörige Piezoinjektor 1 mit dem korrigierten Vorsteuerstrom IVorsteuer,i angesteuert wird, ändert sich die Ladung Q beziehungsweise die Spannung U des piezoelektrischen Element 3 um genau den Betrag ΔQ beziehungsweise ΔU, der erforderlich ist, um den gewünschten Hub der Düsennadel 15 zu bewirken. Dabei ist es unerheblich, ob die Spannung ΔU einen positiven oder negativen Wert hat. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet sowohl beim Entladen als auch beim Beladen des piezoelektrischen Elements gleich. Allerdings ist naturgemäß das Vorzeichen der Spannungsdifferenz ΔU beim Beladen und beim Entladen verschieden.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können somit zylinderindividuelle Unterschiede, die hauptsächlich durch Unterschiede in der Kapazität des piezoelektrischen Elements 3 eines Piezoinjektors 1 bedingt sind, erfasst und individuell korrigiert werden, so dass diese fertigungsbedingten Streuungen keine Auswirkungen auf die Qualität der Ansteuerung des Piezoinjektors 1 haben. Vielmehr wird erreicht, dass alle Piezoinjektoren 1, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuert werden, auch bei dynamischen Betriebspunktänderungen mit gleicher Präzision angesteuert werden. Dadurch werden die Streuungen verringert, was sich unmittelbar auf die Genauigkeit der eingespritzten Kraftstoffmengen positiv auswirkt. Infolgedessen werden die Emissionen verringert und die Leistung erhöht. Außerdem verbessert sich das Startverhalten der Brennkraftmaschine insbesondere im Heiß- und beim Kaltstart. Auch wird das Betriebsgeräusch des Piezoinjektors 1 beim Start der Brennkraftmaschine reduziert und es können Freigabeschwellen für verschiedene Lernfunktionen, wie zum Beispiel die Aktordrift, früher erreicht werden. Insgesamt erfolgt die Ansteuerung des Piezoinjektors 1 mit größerer Präzision.
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Besonders vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass einerseits das Steuergerät durch die Steuerung der piezoelektrischen Elemente bei dynamischen Betriebspunktänderungen entlastet wird und andererseits alle Einflussgrößen, die aufgrund der Streuung bei einer Serienproduktion auftreten, ohne zusätzlichen nennenswerten Rechenzeitbedarf berücksichtigt werden können. Auch müssen, wegen der ohnehin vorhandenen hundertprozentigen Funktionsprüfung aller Injektoren keine zusätzlichen Tests und Prüfprozeduren durchlaufen werden. Es ist vielmehr ausreichend, die ohnehin bei der schon etablierten Prüfprozedur anfallenden Werte vom Prüfstandsteuergerät auszulesen und auf dem Piezoinjektor 1 zu codieren. Daher ist auch die Erfassung der individuellen Korrekturwerte nicht mit nennenswerten Mehrkosten verbunden.
