DE102007061946A1

DE102007061946A1 - Fuel injection device operating method for internal-combustion engine, involves detecting closing of valve element based on evaluation of voltage applied on piezoelectric actuator according to actuator load

Info

Publication number: DE102007061946A1
Application number: DE200710061946
Authority: DE
Inventors: Matthias Burger; Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-06-25

Abstract

The method involves injecting fuel into a combustion chamber (14) using a fuel injection device (12), and influencing a position of a valve element (22) with a pressure in a hydraulic control chamber (36) connected with a high pressure chamber (40). The pressure in the control chamber is influenced by a valve device (50) actuated by a piezoelectric actuator (58). The actuator is loaded for closing the valve device and the valve element. The closing of the valve element is detected based on the evaluation of a voltage applied on the actuator according to an actuator load. Independent claims are also included for the following: (1) a computer program for executing a method for operating a fuel injection device of a fuel injection system of an internal-combustion engine (2) a controller and/or regulator for a fuel system for operating a fuel injection device of a fuel injection system of an internal-combustion engine.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung sowie ein Kraftstoff-Einspritzsystem nach dem Oberbegriff der nebengeordneten Patentansprüche.The The invention relates to a method for operating a fuel injection device according to the preamble of claim 1. The invention further relates to a Computer program, a control and / or regulating device and a Fuel injection system according to the preamble of siblings Claims.

Die DE 10 2006 019 736 A1 beschreibt eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung und ein Verfahren zu deren Betrieb. Die bekannte Kraftstoff-Einspritzvorrichtung verfügt über eine hydraulische Steuerung, zu deren Realisierung ein Ende eines Ventilelements in einen hydraulischen Steuerraum eintaucht. Dieser wird über eine Zulaufdrossel von einem Hochdruckbereich der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gespeist. Über eine Ventileinrichtung, die von einem Piezoaktor betätigt wird, kann der hydraulische Steuerraum mit einem Rücklauf verbunden werden. Der Piezoaktor wird dabei invers betrieben, d. h., dass der Piezoaktor im Ruhezustand der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, wenn diese geschlossen ist oder schließen soll, aufgeladen ist. Zum Auslösen eines Einspritzvorgangs wird der Piezoaktor entladen.The DE 10 2006 019 736 A1 describes a fuel injection device and a method for its operation. The known fuel injection device has a hydraulic control, for the realization of which one end of a valve element dips into a hydraulic control chamber. This is fed via an inlet throttle from a high-pressure region of the fuel injection device. Via a valve device which is actuated by a piezoelectric actuator, the hydraulic control chamber can be connected to a return. The piezoelectric actuator is operated inversely, that is, that the piezoelectric actuator in the idle state of the fuel injection device when it is closed or should close, is charged. To trigger an injection process, the piezoelectric actuator is discharged.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit ihm ein zuverlässiger und präziser Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung möglich ist.task The present invention is a method of the aforementioned To develop a way so that with him a reliable and precise operation of the fuel injection device is possible.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, sowie durch ein Computerprogramm, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Kraftstoff-Einspritzsystem mit den Merkmalen des jeweiligen nebengeordneten Patentanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich darüber hinaus in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf explizit hingewiesen wird.These The object is achieved by a method having the features of the claim 1, as well as a computer program, a control and / or control device and a fuel injection system with the Features of the respective independent patent claim. advantageous Further developments of the invention are specified in subclaims. For the invention important features can be found about it In addition, in the following description and in the drawing, wherein the characteristics both alone and in different Combinations may be important to the invention without being explicitly pointed out.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, ohne zusätzliche Sensoren das tatsächliche Schließen des Ventilelements zu detektieren und damit eine wichtige Information über den Ist-Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zu gewinnen. Diese Information kann dann für ganz unterschiedliche Zwecke verwendet werden, wie weiter unten noch im Detail erläutert werden wird.The The present invention makes it possible without additional Sensors the actual closing of the valve element to detect and thus provide important information about to gain the actual operation of the fuel injection device. This information can then be used for completely different purposes can be used, as explained in more detail below will be.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei einem Schließen des Ventilelements, wenn also das Ventilelement auf einem ihm zugeordneten Ventilsitz auftrifft, eine Druckwelle erzeugt wird, die sich mit hoher Geschwindigkeit im gesamten Hochdruckbereich ausbreitet. Da bei einer solchen Druckwelle praktisch nichts strömt, durchdringt eine solche Druckwelle auch übliche Drosselstellen ohne Verzögerung und im Wesentlichen ungedämpft. Sie gelangt somit auch in den hydraulischen Steuerraum, der – zum Schließen des Ventilelements – durch den geladenen Piezoaktor „zugehalten" wird. Die Druckwelle führt daher zu einer kurzzeitigen Erhöhung der auf den Piezoaktor wirkenden hydraulischen Druckkraft, die zu einer kurzzeitigen Änderung der am Piezoaktor anliegenden Spannung führt. Dies kann durch eine entsprechende Auswertung der am Piezoaktor anliegenden Spannung erfasst werden. Da der Zeitraum vom Auftreffen des Ventilelements auf den Ventilsitz und der damit zusammenhängenden Erzeugung der Druckwelle bis zum Eintreffen der Druckwelle im hydraulischen Steuerraum sehr kurz ist, kann der Zeitpunkt, zu dem die Änderung der am Piezoaktor anliegenden Spannung detektiert wird, in guter Näherung gleich dem Schließzeitpunkt des Ventilelements angesehen werden. Gegebenenfalls ist es aber möglich, anhand der bekannten Geometrien des Hochdruckbereichs die Laufzeit der Druckwelle vom Ort ihrer Entstehung bis zum Eintreffen im hydraulischen Steuerraum zu berücksichtigen.The Invention is based on the recognition that when closing the valve element, so if the valve element on a valve seat associated with it impinges, a pressure wave is generated, which is at high speed spread throughout the high pressure area. Because with such a pressure wave practically nothing flows, penetrates such a pressure wave also usual throttle bodies without delay and essentially undamped. It thus also enters the hydraulic control room, the - to close of the valve element - "locked" by the charged piezoactuator becomes. The pressure wave therefore leads to a short-term Increase of the hydraulic actuator acting on the piezoactuator Compressive force resulting in a short-term change in the piezoelectric actuator applied voltage leads. This can be done by an appropriate Evaluation of the voltage applied to the piezoelectric actuator can be detected. Since the period from the impact of the valve element on the valve seat and the associated generation of the pressure wave until the arrival of the pressure wave in the hydraulic control room very short, may be the timing at which the change in the piezoelectric actuator applied voltage is detected, to a good approximation considered equal to the closing time of the valve element become. If necessary, it is possible, on the basis of known geometries of the high pressure area the duration of the pressure wave from the place of their formation to the arrival in the hydraulic control room to take into account.

In einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass ein Gradient der am Piezoaktor anliegenden Spannung ausgewertet wird. Zwar ist grundsätzlich auch denkbar, den Absolutwert der Aktorspannung auszuwerten, die schlagartige Erhöhung der auf den Piezoaktor einwirkenden Druckkraft beim Eintreffen der Druckwelle macht sich jedoch vor allem in einem hohen Gradienten bemerkbar, der durch geeignete Auswerteverfahren zuverlässig erkannt werden kann.In a first embodiment of the invention Method is proposed that a gradient of the piezoelectric actuator applied voltage is evaluated. Although is basically also conceivable to evaluate the absolute value of the actuator voltage, the sudden increase of acting on the piezoelectric actuator Compressive force on arrival of the pressure wave, however, presents itself everything noticeable in a high gradient, by suitable evaluation can be reliably detected.

Eine einfache Auswertemöglichkeit besteht darin, dass ein Überschreiten eines Grenzwerts durch den Gradienten als Schließen des Ventilelements gewertet wird. Besonders schonend mit den Rechenressourcen geht ein Verfahren um, bei dem die am Piezoaktor anliegende Spannung zur Detektion des Schließens des Ventilelements nur während eines Zeitraums ausgewertet wird, der eine bestimmte Dauer hat und vom Ende des Ladens einen bestimmten zeitlichen Abstand aufweist. Die Dauer und der zeitliche Abstand bestimmen sich u. a. aus bestimmten charakteristischen, beispielsweise in einem Prüfstand ermittelbaren Betriebsgrößen der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, beispielsweise dem Zeitraum, der bei einer durchschnittlichen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung vom Ende des Ladens bis zum Auftreffen des Ventilelements im Ventilsitz und dem Eintreffen der Druckwelle am Piezoaktor verstreicht, zuzüglich bzw. abzüglich einer gewissen Toleranz.A simple evaluation possibility consists in that an exceeding of a limit value by the gradient is regarded as closing of the valve element. Particularly gentle with the computing resources is a method in which the voltage applied to the piezoelectric actuator for detecting the closing of the valve element is evaluated only during a period of time that has a certain duration and has a certain time interval from the end of loading. The duration and the time interval are determined, inter alia, from certain characteristic, for example, determinable in a test bench operating variables of the fuel injection device, for example, the period of time in an average fuel injection device from the end of loading until the valve element in the valve seat and the Ein meet the pressure wave on the piezoelectric actuator elapsed, plus or minus a certain tolerance.

Besonders bevorzugt ist jene Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der der detektierte Zeitpunkt des Schließens (Ist-Einspritzende) mit einem Sollwert (Soll-Einspritzende) verglichen und ein Ist-Ansteuersignal des Piezoaktors entsprechend korrigiert wird. Damit wird eine Regelung des Ist-Ansteuersignals des Piezoaktors und damit eine deutliche präzisere Zumessung des Kraftstoffs möglich. Letztlich wird hierdurch das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert und der Kraftstoffverbrauch wird gesenkt.Especially preferred is that development of the invention Procedure in which the detected time of closing (Actual injection end) with a setpoint (target injection end) compared and an actual drive signal of the piezoelectric actuator is corrected accordingly. This is a regulation of the actual drive signal of the piezoelectric actuator and thus a much more precise metering of the fuel possible. Ultimately, the emission behavior of the Internal combustion engine improves and fuel consumption is lowered.

In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass eine Ist-Einspritzdauer unter Berücksichtigung des Ist-Einspritzendes ermittelt und durch eine Korrektur einer Ansteuerdauer auf eine Soll-Einspritzdauer geregelt wird. Dies ist eine konkrete und besonders einfach zu realisierende Ausgestaltung einer Regelung unter Berücksichtigung des detektierten Zeitpunkts des Schließens (Ist-Einspritzende). Grundgedanke für die vorgeschlagene Regelung ist die Tatsache, dass es bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung über die Lebensdauer zu einem Verschleiß des Ventilsitzes kommen kann, mit dem das Ventilelement zusammenarbeitet, was wiederum zu einer Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge gegenüber einer an sich vorgesehenen Kraftstoffmenge führt. Durch den Verschleiß des Ventilsitzes kommt es nämlich während der Lebensdauer der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zu einer Änderung der hydraulischen Kräfte, die beim Öffnen des Ventilelements überwunden werden müssen. Die Änderung kann bedeuten, dass das Öffnen des Ventilelements beschleunigt wird, sie kann jedoch auch bedeuten, dass das Öffnen verzögert wird. Bei gleicher Ansteuerdauer führt dies zu einer Verschiebung der Ist-Einspritzdauer und damit zu einer Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge. Dank des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein solcher Verschleiß erkannt werden, und die Ansteuerdauer wird automatisch angepasst. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei allen Einspritzmengen möglich, also auch bei großen Ansteuerdauern.In Further development, it is proposed that an actual injection duration determined taking into account the actual injection end and by a correction of a drive duration to a target injection duration is regulated. This is a concrete and very easy to implement Design of a regulation taking into account the detected time of closing (actual injection end). basic idea for the proposed scheme is the fact that with a fuel injector over its lifetime can come to a wear of the valve seat, with the the valve element cooperates, which in turn leads to a change the injected amount of fuel compared to a per se provided amount of fuel leads. Due to the wear of the Valve seat comes namely during the life the fuel injector to a change in the hydraulic Forces that overcome when opening the valve element Need to become. The change can mean that the opening of the valve element is accelerated, it can however, it also means that the opening is delayed becomes. With the same activation duration, this leads to a shift the actual injection duration and thus to a change in the injected fuel quantity. Thanks to the invention Method, such wear can be detected and the activation duration is adjusted automatically. This is at the Process according to the invention in all injection quantities possible, even with long drive times.

Ferner ist besonders bevorzugt, wenn der Zeitpunkt des Schließens des Ventilelements bei verschiedenen Drücken und verschiedenen Ansteuerdauern detektiert und hierdurch die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung kalibriert wird. Die Zeitpunkte des Schließens des Ventilelements werden also beispielsweise bei kurzen und bei langen Ansteuerdauern und bei unterschiedlichen Drücken, beispielsweise in einem Kraftstoffrail, detektiert. Damit kann beispielsweise bei der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine für jede Kraftstoff-Einspritzvorrichtung eine Kennlinie bzw. ein Kennfeld erstellt werden, welches für die Ansteuerung verwendet werden kann. Auf diese Weise können die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen reduziert werden, wodurch Kosten gespart werden. Dennoch ist dank des erfindungsgemäßen Verfahrens eine präzise Zumessung des Kraftstoffes möglich, da durch die Kalibrierung Exemplarstreuungen kompensiert werden können.Further is particularly preferred when the time of closing the valve element at different pressures and different Drive periods detected and thereby the fuel injection device is calibrated. The times of closing the valve element So, for example, for short and long drive times and at different pressures, for example in one Fuel rail, detected. This can, for example, during commissioning the internal combustion engine for each fuel injection device a characteristic curve or a characteristic field are created, which for the control can be used. That way you can the requirements for the manufacturing tolerances of the fuel injectors be reduced, thereby saving costs. Nevertheless, thanks of the inventive method a precise Metering of the fuel possible because of the calibration Copy tolerances can be compensated.

Möglich ist ferner, dass ein detektiertes Schließen des Ventilelements für eine Funktionsdiagnose der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung verwendet wird. Damit kann die Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine verbessert werden.Possible is further that a detected closing of the valve element for a functional diagnosis of the fuel injection device is used. Thus, the reliability of the internal combustion engine be improved.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:following Be embodiments of the invention with reference explained in more detail in the accompanying drawings. In the drawing show:

1 einen schematischen Schnitt durch eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung; 1 a schematic section through a fuel injection device;

2 ein Diagramm, in dem eine an einem Piezoaktor der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von 1 anliegende Spannung über der Zeit aufgetragen ist; 2 a diagram in which a on a piezoelectric actuator of the fuel injection device of 1 applied voltage is plotted over time;

3 ein Diagramm, in dem ein Hub eines Ventilelements einer Ventileinrichtung, mit der ein Druck in einem Steuerraum der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von 1 beeinflusst wird, über der Zeit aufgetragen ist; 3 a diagram in which a stroke of a valve element of a valve device, with a pressure in a control chamber of the fuel injection device of 1 is applied over time;

4 ein Diagramm, in dem ein Hub eines Ventilelements der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von 1 über der Zeit aufgetragen ist; 4 a diagram in which a stroke of a valve element of the fuel injection device of 1 is plotted over time;

5 ein Diagramm, in dem ein Druck in einem hydraulischen Steuerraum der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von 1 über der Zeit aufgetragen ist; 5 a diagram in which a pressure in a hydraulic control chamber of the fuel injection device of 1 is plotted over time;

6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Regeln einer Ansteuerdauer der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von 1; 6 a flowchart of a method for controlling a driving duration of the fuel injection device of 1 ;

7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kalibrieren der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von 1; und 7 a flowchart of a method for calibrating the fuel injection device of 1 ; and

8 ein Diagramm ähnlich 4 für eine alternative Ausführungsform. 8th a diagram similar 4 for an alternative embodiment.

Ein Kraftstoff-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Es umfasst eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12, die Kraftstoff direkt in einen ihr zugeordneten Brennraum 14 einer Brennkraftmaschine einspritzen kann. Zu dem Kraftstoff-Einspritzsystem 10 gehört ferner ein Kraftstoffrail 16, an welches die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12 in noch näher darzustellender Art und Weise angeschlossen ist und die von einer Kraftstoff-Fördereinrichtung 18 gespeist wird.A fuel injection system of an internal combustion engine contributes in 1 Overall, the reference number 10 , It includes a fuel injection device 12 putting fuel directly into a combustion chamber assigned to it 14 can inject an internal combustion engine. To the fuel injection system 10 also includes a fuel rail 16 to which the fuel injector 12 in even closer The delivery way is connected and that of a fuel delivery system 18 is fed.

Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12 umfasst ein längliches und mehrteiliges Gehäuse 20, in dessen Innerem ein nadelartiges Ventilelement 22 aufgenommen ist. An seinem in 1 unteren Ende arbeitet das Ventilelement 22 mit einem gehäuseseitigen Ventilsitz 24 zusammen. Im Bereich des Ventilsitzes 24 sind im Gehäuse 20 mehrere Kraftstoff-Austrittsöffnungen 26 vorhanden. Auf das in 1 obere Ende des Ventilelements 22 ist eine Hülse 28 aufgeschoben, die von einer Feder 30, die sich am Ventilelement 22 abstützt, gegen eine Gehäuseplatte 32 beaufschlagt wird. Die in 1 obere Stirnfläche des Ventilelements 22 bildet eine hydraulische Steuerfläche 34, die zusammen mit der Hülse 28 und der Gehäuseplatte 32 einen hydraulischen Steuerraum 36 begrenzt. Dieser ist über eine Zulaufdrossel 38 mit einem Hochdruckraum 40 verbunden, der als Ringraum zwischen dem Ventilelement 22 und dem Gehäuse 20 ausgebildet ist und der mit dem Kraftstoffrail 16 verbunden ist. In einem unteren Führungsbereich 42 ist das Ventilelement 22 im Gehäuse 20 geführt. Die Fluidverbindung des Hochdruckraums 40 mit einem in 1 unterhalb des Führungsbereichs 42 zwischen Ventilelement 22 und Gehäuse 22 gebildeten ringförmigen Druckraum 44 wird durch am Ventilelement 22 angeordnete Anschliffe 46 sichergestellt. In 1 unterhalb der Anschliffe 46 sowie im Bereich des Ventilsitzes 24 verfügt das Ventilelement 22 über in Öffnungsrichtung wirkende Druckflächen 48.The fuel injector 12 comprises an elongate and multi-part housing 20 , in the interior of which a needle-like valve element 22 is included. At his in 1 lower end works the valve element 22 with a housing-side valve seat 24 together. In the area of the valve seat 24 are in the case 20 several fuel outlets 26 available. On the in 1 upper end of the valve element 22 is a sleeve 28 deferred by a spring 30 located on the valve element 22 supported, against a housing plate 32 is charged. In the 1 upper end face of the valve element 22 forms a hydraulic control surface 34 that together with the sleeve 28 and the housing plate 32 a hydraulic control room 36 limited. This is via an inlet throttle 38 with a high pressure room 40 connected, as an annular space between the valve element 22 and the housing 20 is formed and with the fuel rail 16 connected is. In a lower management area 42 is the valve element 22 in the case 20 guided. The fluid connection of the high-pressure chamber 40 with an in 1 below the guidance area 42 between valve element 22 and housing 22 formed annular pressure chamber 44 is through the valve element 22 arranged polished sections 46 ensured. In 1 below the poles 46 as well as in the area of the valve seat 24 has the valve element 22 over pressure surfaces acting in the opening direction 48 ,

In 1 oberhalb der Gehäuseplatte 32 ist eine piezoelektrische Ventileinrichtung 50 angeordnet. Diese umfasst einen Ventilkörper 52, der mit einem Flachsitz (ohne Bezugszeichen) auf der Oberseite der Gehäuseplatte 32 zusammenarbeitet. Koaxial zu dem Ventilkörper 52 ist in der Gehäuseplatte 32 eine Ablaufdrossel 54 vorhanden.In 1 above the housing plate 32 is a piezoelectric valve device 50 arranged. This includes a valve body 52 provided with a flat seat (no reference numeral) on top of the housing plate 32 cooperates. Coaxial with the valve body 52 is in the housing plate 32 an outlet throttle 54 available.

Zwischen einer oberen Endplatte 56 des Gehäuses 20 und dem Ventilkörper 52 ist ein Piezoaktor 58 angeordnet. Der Ventilkörper 52 wird von einer Feder 60, die sich an der Gehäuseplatte 32 abstützt, gegen den Piezoaktor 58 beaufschlagt. Ein Ringraum 62, der zwischen der Ventileinrichtung 50 und dem Gehäuse 20 vorhanden ist, ist mit einem Rücklauf 64 verbunden.Between an upper end plate 56 of the housing 20 and the valve body 52 is a piezoelectric actuator 58 arranged. The valve body 52 is from a spring 60 that attach to the housing plate 32 supported, against the piezoelectric actuator 58 applied. An annulus 62 that is between the valve device 50 and the housing 20 is present, is with a return 64 connected.

Der Piezoaktor 58 ist mit einer Steuer- und Regeleinrichtung 66 verbunden, die Signale von verschiedenen Sensoren erhält, beispielsweise von einem Drucksensor 68, der den Druck im Kraftstoffrail 16 erfasst. Aufbau und Betrieb der in 1 dargestellten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12 sind im Detail darüber hinaus in der DE 10 2006 019 736 A1 beschrieben, deren Offenbarung daher ausdrücklich auch zum Gegenstand der vorliegenden Beschreibung gemacht wird.The piezo actuator 58 is with a control and regulating device 66 which receives signals from various sensors, such as a pressure sensor 68 that the pressure in the fuel rail 16 detected. Construction and operation of in 1 illustrated fuel injection device 12 are in the details beyond that DE 10 2006 019 736 A1 described, the disclosure of which is therefore expressly made the subject of the present description.

Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12 arbeitet folgendermaßen (vgl. auch 2 bis 5):
Bei geschlossener Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12, wenn also noch kein Kraftstoff in den Brennraum 14 eingespritzt wird, befindet sich der Piezoaktor 58 zunächst in seinem geladenen Zustand Spannung (U = U₀ in 2), in dem er den Ventilkörper 52 gegen die Gehäuseplatte 32 beaufschlagt (Hub H₅₂ = 0 in 3). Hierdurch ist die Verbindung vom Steuerraum 36 über die Ablaufdrossel 54 und den Ringraum 62 zum Rücklauf 64 unterbunden. Im Steuerraum 36 herrscht daher aufgrund der Zulaufdrossel 38 der auch im Hochdruckraum 40 und im Druckraum 44 herrschende hohe Druck (Druck P₃₆ im Steuerraum 36 = P₀ in 5) des Kraftstoffrails 16. Die Summe der auf das Ventilelement 22 einwirkenden Kräfte, einschließlich der an der Steuerfläche 34 aufgrund des Drucks im Steuerraum 36 wirkenden hydraulischen Kraft, drückt das Ventilelement 22 gegen den Ventilsitz 24 (Hub H₂₂ = 0 in 4).The fuel injector 12 works as follows (see also 2 to 5 ):
With the fuel injection device closed 12 So if there is still no fuel in the combustion chamber 14 is injected, is the piezoelectric actuator 58 initially in its charged state voltage (U = U ₀ in 2 ), in which he has the valve body 52 against the housing plate 32 charged (stroke H ₅₂ = 0 in 3 ). This is the connection from the control room 36 over the outlet throttle 54 and the annulus 62 to the return 64 prevented. In the control room 36 therefore prevails due to the inlet throttle 38 also in the high pressure room 40 and in the pressure room 44 prevailing high pressure (pressure P ₃₆ in the control room 36 = P ₀ in 5 ) of the fuel rail 16 , The sum of the on the valve element 22 acting forces, including those at the control surface 34 due to the pressure in the control room 36 acting hydraulic force, pushes the valve element 22 against the valve seat 24 (Hub H ₂₂ = 0 in 4 ).

Wenn Kraftstoff in den Brennraum 14 eingespritzt werden soll, wird der Piezoaktor 58 zum Zeitpunkt t₀ vollständig entladen (Spannung U = 0 in 2). Hierdurch verkürzt sich der Piezoaktor 58, so dass der Ventilkörper 52 zum Zeitpunkt t₀ von der Gehäuseplatte 32 abhebt, der Hub H₅₂ steigt also steil an. Hierdurch kann Kraftstoff aus dem Steuerraum 36 über die Ablaufdrossel 54 und den Ringraum 62 zum Rücklauf 64 abströmen. Aufgrund der Abstimmung zwischen Zulaufdrossel 38 und Ablaufdrossel 54 sinkt der Druck p₃₆ im Steuerraum 36 (vgl. 5). Damit reduziert sich auch die an der Steuerfläche 34 in Schließrichtung wirkende hydraulische Kraft. Schließlich hebt zum Zeitpunkt t₁ das Ventilelement 22 vom Ventilsitz 24 ab, der Hub H₂₂ steigt also an. Kraftstoff kann nun vom Hochdruckraum 40 über den Druckraum 44 und die Kraftstoff-Austrittsöffnung 26 in den Brennraum 14 einströmen.When fuel in the combustion chamber 14 is to be injected, the piezoelectric actuator 58 completely discharged at time t ₀ (voltage U = 0 in 2 ). This shortens the piezoelectric actuator 58 so that the valve body 52 at time t ₀ of the housing plate 32 lifts, so the hub H ₅₂ rises so steeply. This allows fuel from the control room 36 over the outlet throttle 54 and the annulus 62 to the return 64 flow out. Due to the coordination between inlet throttle 38 and outlet throttle 54 the pressure p ₃₆ in the control room drops 36 (see. 5 ). This also reduces the on the control surface 34 in the closing direction acting hydraulic force. Finally, at time t _1, the valve element lifts 22 from the valve seat 24 So, the hub H ₂₂ increases. Fuel can now from the high-pressure chamber 40 over the pressure room 44 and the fuel outlet 26 in the combustion chamber 14 flow.

Zum Beenden der Einspritzung wird zum Zeitpunkt t₂ der Piezoaktor 58 durch eine entsprechende Bestromung wieder bis auf seine Nennspannung U₀ geladen. Hierdurch wird der Ventilkörper 52 wieder gegen die Gehäuseplatte 32 gedrückt, der Hub H₅₂ in 3 ist also wieder gleich 0. In der Folge ist die Verbindung zwischen dem Steuerraum 36 und dem Rücklauf 64 unterbrochen. Kraftstoff strömt über die Zulaufdrossel 38 in den Steuerraum 36, wodurch der Druck p₃₆ wieder etwas ansteigt. Durch die nun an der Steuerfläche 34 wirkende erhöhte hydraulische Kraft wird die Öffnungsbewegung (Hub H₂₂) beendet, das Ventilelement 22 schließt stattdessen wieder. Zum Zeitpunkt t₃ schlägt das Ventilelement 22 auf den Ventilsitz 24 auf, der Hub H₂₂ ist also wieder gleich 0 und die Einspritzung ist beendet.To end the injection at the time t _2, the piezoelectric actuator 58 by a corresponding energization again charged to its rated voltage U ₀ . As a result, the valve body 52 again against the housing plate 32 pressed, the stroke H ₅₂ in 3 is again equal to 0. In the sequence is the connection between the control room 36 and the return 64 interrupted. Fuel flows through the inlet throttle 38 in the control room 36 , whereby the pressure p ₃₆ rises again somewhat. Through the now at the control surface 34 acting increased hydraulic force, the opening movement (stroke H ₂₂ ) is terminated, the valve element 22 closes again instead. At time t ₃ , the valve element strikes 22 on the valve seat 24 on, the stroke H ₂₂ is therefore equal to 0 and the injection is completed.

Wenn das Ventilelement 22 auf den Ventilsitz 24 aufschlägt und hierdurch das Abströmen von Kraftstoff schlagartig unterbunden wird, wird eine Druckwelle erzeugt, die sich ausgehend vom Bereich des Ventilsitzes 24 durch den Druckraum 44, den Hochdruckraum 40 und die Zulaufdrossel 38 bis in den Steuerraum 36 fortpflanzt. Der entsprechende Überschwinger des im Steuerraum 36 herrschenden Drucks p₃₆ ist in 5 mit 70 bezeichnet. Der im Steuerraum 36 herrschende Druck wirkt über die Ablaufdrossel 54 auch auf den Ventilkörper 52 und folglich auch auf den Piezoaktor 58. Eine bekannte Eigenschaft von Piezoaktoren besteht darin, dass diese die anliegende Spannung bei konstanter Ladung je nach auf den Piezoaktor einwirkender Kraft ändern. Dies führt bei der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12 dazu, dass der Drucküberschwinger 70 im Steuerraum 36 zu einer Änderung der am Piezoaktor 58 anliegenden Spannung U zum Zeitpunkt t₃ führt. Der entsprechende Spannungs-Überschwinger ist in 2 mit 72 bezeichnet. Der Piezoaktor 58 kann also als eine Art Drucksensor verwendet werden, mit dem die im Steuerraum 36 ankommende und durch das Schließen des Ventilelements 22 erzeugte Druckwelle detektiert werden kann. Man erkennt aus 2 auch, dass sich der Absolutwert U₀ der am Piezoaktor 58 anliegenden Spannung nur geringfügig ändert, jedoch ein vergleichsweise hoher Spannungsgradient beobachtet werden kann.When the valve element 22 on the valve seat 24 aufschlägt and thereby the flow of fuel is suddenly stopped, a pressure wave is generated, starting from the region of the valve seat 24 through the pressure room 44 , the high pressure room 40 and the inlet throttle 38 into the control room 36 propagates. The corresponding overshoot of the control room 36 prevailing pressure p ₃₆ is in 5 With 70 designated. The one in the control room 36 prevailing pressure acts via the outlet throttle 54 also on the valve body 52 and consequently also on the piezoelectric actuator 58 , A known property of piezoelectric actuators is that they change the applied voltage at a constant charge depending on the force acting on the piezoelectric actuator. This leads to the fuel injection device 12 to that the pressure overshoot 70 in the control room 36 to a change in the piezoelectric actuator 58 applied voltage U at time t ₃ leads. The corresponding voltage overshoot is in 2 With 72 designated. The piezo actuator 58 So it can be used as a kind of pressure sensor with which in the control room 36 incoming and closing the valve element 22 generated pressure wave can be detected. One recognizes 2 Also, that the absolute value U ₀ of the piezoelectric actuator 58 applied voltage changes only slightly, but a comparatively high voltage gradient can be observed.

In der Steuer- und Regeleinrichtung 66 wird daher nach dem Laden des Piezoaktors 58 zum Zeitpunkt t₂ der Gradient der am Piezoaktor 58 anliegenden Spannung U ausgewertet, und ein Überschreiten eines Grenzwerts durch den Gradienten der Spannung U wird als Schließen des Ventilelements 22 gewertet. Durch diese Auswertung kann der Zeitpunkt t₃ des Schließens des Ventilelements 22 vergleichsweise exakt detektiert werden. Dabei erfolgt die Auswertung des Gradienten der Spannung U lediglich in einem Zeitraum dT, der einem Zeitraum entspricht, in dem ein Schließen des Ventilelements 22 auch unter Berücksichtigung großzügiger Toleranzen erwartet werden kann. Hierdurch wird die Steuer- und Regeleinrichtung 66 außerhalb des Zeitraums dT entlastet.In the control and regulating device 66 is therefore after loading the piezoelectric actuator 58 at the time t _2, the gradient of the piezoelectric actuator 58 applied voltage U is evaluated, and exceeding a limit by the gradient of the voltage U is called closing of the valve element 22 scored. By this evaluation, the time t _{3 of} the closing of the valve element 22 be detected relatively accurately. In this case, the evaluation of the gradient of the voltage U is carried out only in a period of time dT, which corresponds to a period in which a closing of the valve element 22 can also be expected considering generous tolerances. As a result, the control and regulating device 66 relieved outside the period dT.

Über die Laufzeit der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12 kann es zu einem Verschleiß am Ventilsitz 24 kommen. Hierdurch ändern sich die hydraulischen Kräfte, die beim Öffnen des Ventilelements 22 überwunden werden müssen. Dies führt im einen Fall zu einem früheren, im anderen Fall zu einem späteren Öffnen des Ventilelements 22. Aufgrund von Fertigungstoleranzen kann es außerdem zu Exemplarstreuungen, also Unterschieden von einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12 zur anderen kommen, die einen ähnlichen Effekt wie der gerade beschriebene Verschleiß am Ventilsitz 24 haben. Ein verfrühtes oder verspätetes Öffnen des Ventilelements 22 führt, bei gleicher Ansteuerdauer AD (vgl. 2) des Piezoaktors 58, jedoch zu einer Veränderung der Einspritzdauer und damit zu einer Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge.Over the life of the fuel injector 12 There may be wear on the valve seat 24 come. This will change the hydraulic forces that occur when opening the valve element 22 must be overcome. This leads in one case to an earlier, in the other case to a later opening of the valve element 22 , Due to manufacturing tolerances, there may also be specimen scatters, that is, differences from a fuel injector 12 come to the other, the effect similar to the just described wear on the valve seat 24 to have. Premature or delayed opening of the valve element 22 leads, with the same drive time AD (see. 2 ) of the piezo actuator 58 , but to a change in the injection duration and thus to a change in the injected amount of fuel.

Der Fall eines verspäteten Öffnens des Ventilelements 22 ist in den 2, 4 und 5 gestrichelt dargestellt. Man sieht aus 4, dass das Ventilelement 22 erst zu einem Zeitpunkt t'₁ öffnet, der nach dem „normalen" bzw. Soll-Zeitpunkt t₁ liegt. Aufgrund der konstanten Öffnungsgeschwindigkeit erreicht das Ventilelement 22 zum Zeitpunkt t₂ einen etwas geringeren Maximalhub als im Normalfall, und es trifft bereits wieder zum Zeitpunkt t'₃ auf dem Ventilsitz 24 auf, wobei t'₃ zeitlich vor dem an sich gewünschten Soll-Einspritzende t₃ liegt. Entsprechend ist die Ist-Einspritzdauer TS_v bei einem verschlissenen Ventilsitz 24 kürzer als die Soll-Einspritzdauer TS_n, so dass bei der vorliegenden Ausführungsform aufgrund des Verschleißes am Ventilsitz 24 bei konstanter Ansteuerdauer AD die eingespritzte Ist-Kraftstoffmenge geringer ist als die an sich gewünschte Soll-Kraftstoffmenge.The case of late opening of the valve element 22 is in the 2 . 4 and 5 shown in dashed lines. You look 4 in that the valve element 22 opens only at a time t ' ₁ , which lies after the "normal" or setpoint time t _1. Due to the constant opening speed, the valve element reaches 22 at time t ₂ a slightly lower maximum stroke than in the normal case, and it already hits again at time t ' ₃ on the valve seat 24 on, with t ' ₃ temporally before the desired target injection end t ₃ is located. Accordingly, the actual injection duration TS _v at a worn valve seat 24 shorter than the target injection duration TS _n , so that in the present embodiment due to wear on the valve seat 24 at constant drive time AD, the injected actual fuel quantity is less than the desired fuel quantity desired per se.

Da, wie oben beschrieben worden ist, das tatsächliche Schließen des Ventilelements 22 (Ist-Einspritzende) detektiert werden kann, kann das Ist-Einspritzende t'₃ mit dem Soll-Einspritzende t₃ verglichen und das Ist-Ansteuersignal, des Piezoaktors entsprechend korrigiert werden. Auf diese Weise kann die Ist-Einspritzdauer TS_v unter Berücksichtigung des Ist-Einspritzendes t'₃ ermittelt und durch eine Korrektur der Ansteuerdauer AD auf eine Soll-Einspritzdauer TS_n geregelt werden. Dies wird nun unter Bezugnahme auf 6 erläutert: Nach einem Start in 74 wird in 76 durch Auswerten des Gradienten der am Piezoaktor 58 anliegenden Spannung U das Ist-Einspritzende t'₃ detektiert. In 78 wird zunächst die Differenz TD_v (vgl. 2) zwischen dem Ist-Einspritzende t'₃ und dem Ende t₂ der Ansteuerung AD berechnet. In 78 wird auch die entsprechende Differenz TD_n berechnet (vgl. 2). Schließlich wird in 78 die Differenz zwischen den beiden berechneten Zeiträumen gebildet.Since, as described above, the actual closing of the valve element 22 (Actual injection end) can be detected, the actual injection end t ' _{3 can be} compared with the target injection end t ₃ and the actual control signal, the piezoelectric actuator can be corrected accordingly. In this way, the actual injection duration T _v can t taking into account the actual injection end of _'3 determined and controlled at a target injection duration TS _n by a correction of the activation AD. This will now be with reference to 6 explains: After a start in 74 is in 76 by evaluating the gradient at the piezoelectric actuator 58 voltage applied U the actual injection end t ' ₃ detected. In 78 First, the difference TD _v (see. 2 ) between the actual injection end t ' ₃ and the end t _{2 of} the control AD calculated. In 78 the corresponding difference TD _{n is also} calculated (cf. 2 ). Finally, in 78 the difference between the two calculated periods formed.

In 80 wird aus der gebildeten Differenz mithilfe einer Funktion die verkürzte Ist-Einspritzdauer TS_v bestimmt. Hieraus wird in 82 eine Korrektur für das Ansteuersignal U ermittelt, so dass bei einer nachfolgenden Betätigung der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12 die Ist-Einspritzdauer TS_v möglichst genau der Soll-Einspritzdauer TS_n entspricht. Das Verfahren endet in 84. Man erkennt, dass sich das dargestellte Verfahren die Tatsache zunutze macht, dass das Zeitintervall zwischen dem Laden des Piezoaktors 58 zum Zeitpunkt t₂ und der Detektion der einlaufenden Druckwelle zum Zeitpunkt t₃ bzw. t'₃ ein charakteristisches Maß für die Schließzeit der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12 bzw. deren Ventilelement 22 ist, und dass dieses Zeitintervall gemessen werden kann. Die Schließzeit ist wiederum jene Zeitspanne, die die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12 vom Zeitpunkt t₂ der Bestromung des Piezoaktors 58 bis zum Einspritzende t₃ bzw. t'₃ benötigt. Da bei einer hubgesteuerten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12, wie sie vorliegend gezeigt ist, die Änderung der Einspritzdauer direkt proportional zur Änderung der Schließzeit ist, kann über die Detektion der verschleißbedingten Änderung der Schließzeit die Einspritzmenge korrigiert werden.In 80 is determined from the difference formed by means of a function, the shortened actual injection duration TS _v . This will be in 82 a correction for the drive signal U is determined, so that in a subsequent actuation of the fuel injection device 12 the actual injection duration TS _v corresponds as accurately as possible to the desired injection duration TS _n . The procedure ends in 84 , It can be seen that the illustrated method makes use of the fact that the time interval between the loading of the piezoelectric actuator 58 at time t ₂ and the detection of the incoming pressure wave at time t ₃ and t ' _{3 is} a characteristic measure of the closing time of the fuel injection device 12 or its valve element 22 is, and that this time interval can be measured. The closing time is again the time span that the Fuel injector 12 from the time t _{2 of} the current supply of the piezoelectric actuator 58 until the end of injection t ₃ or t ' ₃ needed. As with a stroke-controlled fuel injection device 12 As shown here, the change of the injection duration is directly proportional to the change of the closing time, the injection quantity can be corrected via the detection of the wear-related change of the closing time.

Die Detektion des Ist-Einspritzendes kann auch zu einer Kalibrierung der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12 beispielsweise bei der Inbetriebnahme oder bei einer Wartung verwendet werden. Hierdurch können durch Fertigungstoleranzen verursachte Exemplarstreuungen kompensiert werden. Dies wird nun unter Bezugnahme auf 7 erläutert: Nach einem Start in 86 wird die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12 in 88 bei verschiedenen Drücken im Kraftstoffrail 16 und bei kurzen und langen Ansteuerdauern des Piezoaktors 58 betrieben. In 90 werden die zugehörigen Ist-Einspritzenden detektiert und hieraus in 92 Wertetripel gebildet, welche den Druck im Kraftstoffrail 16, die Ansteuerdauer des Piezoaktors 58 und die auf der Basis des detektierten Ist-Einspritzendes ermittelte eingespritzte Kraftstoffmenge miteinander verknüpfen. Aus den Wertetripeln wird in 92 ein entsprechendes Kennfeld gebildet, welches in einem nachfolgenden Zeitraum für die Ansteuerung der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12 verwendet werden kann. Das Verfahren endet in 94.The detection of the actual injection end may also be for a calibration of the fuel injection device 12 be used for example during commissioning or during maintenance. This can be compensated by manufacturing tolerances caused specimen scattering. This will now be with reference to 7 explains: After a start in 86 becomes the fuel injector 12 in 88 at different pressures in the fuel rail 16 and for short and long activation periods of the piezoelectric actuator 58 operated. In 90 the associated actual injection ends are detected and therefrom in 92 Value triples formed, which the pressure in the fuel rail 16 , the activation time of the piezoelectric actuator 58 and link the injected fuel amount determined based on the detected actual injection end. From the value triples is in 92 formed a corresponding map, which in a subsequent period for the control of the fuel injection device 12 can be used. The procedure ends in 94 ,

In 4 war ein besonders einfacher Fall einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12 dargestellt worden, bei welcher die Geschwindigkeit des Ventilelements 22 beim Öffnen und beim Schließen identisch ist. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 12 kann jedoch auch so abgestimmt werden, dass die Geschwindigkeit des Ventilelements 22 beim Öffnen sehr groß, jedenfalls deutlich größer ist als beim Schließen. Hierdurch werden Toleranzen für den Einspritzbeginn reduziert. Die Gesamt-Einspritzdauer lässt sich in einem solchen Fall recht genau aus der Schließdauer des Ventilelements 22 bestimmen. Die detektierte Schließdauer-Differenz TD_n– TD_v ist dann äquivalent zu der Änderung TS_n – TS_v der Einspritzdauer. Dies ist in 8 für die Soll-Einspritzdauer TS und die Soll-Schließdauer TD des Ventilelements 22 beispielhaft aufgetragen.In 4 was a particularly simple case of a fuel injector 12 has been shown, in which the speed of the valve element 22 is identical when opening and closing. The fuel injector 12 However, it can also be tuned so that the speed of the valve element 22 When opening very large, at least much larger than when closing. As a result, tolerances for the start of injection are reduced. The total injection duration can be in such a case quite accurately from the closing time of the valve element 22 determine. The detected closing duration difference TD _n - TD _v is then equivalent to the change TS _n - TS _{v of} the injection duration. This is in 8th for the target injection duration TS and the target closing duration TD of the valve element 22 applied by way of example.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006019736 A1 [0002, 0026]

Claims

Method for operating a fuel injection device ( 12 ) of a fuel injection system ( 10 ) of an internal combustion engine, with the fuel in at least one combustion chamber ( 14 ), in which a position of a valve element ( 22 ) by a pressure in a hydraulic control room ( 36 ), which is connected to a high-pressure chamber ( 40 ) of the fuel injection device ( 12 ), and in which the pressure in the hydraulic control room ( 36 ) by a valve device ( 50 ) influenced by a piezoelectric actuator ( 58 ) is actuated, wherein the piezoelectric actuator ( 58 ) for closing the valve device ( 50 ) and the valve element ( 22 ), characterized in that a closing of the valve element ( 22 ) is detected by a piezoelectric actuator ( 58 ) applied voltage is evaluated after the loading.

Method according to claim 1, characterized in that that a gradient of the voltage is evaluated.

A method according to claim 2, characterized in that exceeding a limit value by the gradient as closing the valve element ( 22 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric actuator ( 58 ) applied voltage for detecting the closing of the valve element ( 22 ) is evaluated only during a period of a certain duration and has a certain time interval from the end of the shop.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the detected time of closing (actual injection end) compared with a desired value (target injection end) and an actual drive signal of the piezoelectric actuator ( 58 ) is corrected accordingly.

Method according to claim 5, characterized in that that an actual injection duration taking into account the Ist injection end determined and by a correction of a drive time is controlled to a desired injection duration.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the time of closing of the valve element ( 22 ) at different pressures and different drive durations and thereby the fuel injection device ( 12 ) is calibrated.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a detected closing of the valve element ( 22 ) for a functional diagnosis of the fuel injection device ( 12 ) is used.

Computer program, characterized in that it for use in a method according to any one of the preceding claims is programmed.

Control and / or regulating device ( 66 ) for a fuel system ( 10 ), characterized in that it is programmed for use in a method according to one of claims 1 to 8.

Fuel injection system ( 10 ) with a control and / or regulating device ( 66 ), characterized in that the control and / or regulating device ( 66 ) is programmed for use in a method according to one of claims 1 to 8.