DE102008023373B4

DE102008023373B4 - Verfahren zum Steuern eines Einspritzventils, Kraftstoff-Einspritzanlage und Verbrennungsmotor

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Publication number: DE102008023373B4
Application number: DE102008023373A
Authority: DE
Inventors: Fredrik Dr. Borchsenius; Hong Dr. Zhang
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-05-14
Also published as: CN102027221A; CN102027221B; US20110120423A1; KR101554863B1; DE102008023373A1; KR20110031913A; WO2009138282A1; US8714140B2

Abstract

Verfahren zum Steuern eines piezoelektrisch betätigten Einspritzventils (2) einer Kraftstoff-Einspritzanlage für einen Verbrennungsmotor, umfassend folgende Schritte:
– Erfassen eines Spannungsverlaufs (9, 9') einer an einem Piezo-Aktor des Einspritzventils (2) anliegenden Spannung (U) sowie eines zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Ladung (Q), die in einem den Piezo-Aktor umfassenden Stromkreis verschoben wird, während einer durch das Einspritzventil (2) vorgenommenen Referenz-Einspritzung,
– rechnerisches Ermitteln eines Kraftverlaufs (11, 11') einer durch den Piezo-Aktor auf ein bewegliches Schließelement des Einspritzventils (2) ausgeübten Kraft (F) während der Referenz-Einspritzung aus dem Spannungsverlauf (9, 9') und dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Ladung (Q), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner folgende Schritte umfasst:
– Bestimmen einer Lage (t_max) eines Maximums des Kraftverlaufs (11, 11'),
– Festlegen eines Ansteuerzeitpunkts und/oder einer Ansteuerdauer und/oder einer Ansteuerpulsintensität für mindestens eine spätere Einspritzung in Abhängigkeit von einem Zeitversatz zwischen einem für die Referenz-Einspritzung gewählten Ansteuerzeitpunkt und dem Maximum des Kraftverlaufs...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines piezoelektrisch betätigten Einspritzventils einer Kraft-Einspritzanlage für einen Verbrennungsmotor sowie eine entsprechende Kraftstoff-Einspritzanlage und einen Verbrennungsmotor, der eine solche Kraftstoffeinspritzanlage umfasst.
Um ein piezoelektrisch betätigtes Einspritzventil für eine Kraftstoffeinspritzung zu öffnen, wird ein Piezo-Aktor des Einspritzventils mit einem elektrischen Steuersignal beaufschlagt, worauf der Piezo-Aktor ein typischerweise als Ventilnadel ausgeführtes Schließelement des Einspritzventils öffnet. Zum Betätigen von Einspritzventilen verwendete Piezo-Aktoren sind z. B. aus den Druckschriften DE 101 43 502 C1 , DE 199 30 309 C2 und DE 10 2004 023 545 A1 bekannt, die auch beschreiben, wie durch Auswertung elektrischer Größen Informationen über von den Piezo-Aktoren ausgeübte Kräfte und über Ventilnadelbewegungen gewonnen werden können.
Aufgrund eines sehr schnellen Ansprechverhaltens derartiger Piezo-Aktoren können mit solchen Einspritzventilen auch sehr kleine Einspritzmengen verhältnismäßig genau dosiert werden und bei Bedarf mehrere Einzeleinspritzungen in kurzer Zeit hintereinander ausgeführt werden. Allerdings lässt sich ein fertigungs- oder verschleißbedingter Leerhub zwischen dem Piezo-Aktor und dem Schließelement nicht vermeiden, dessen genauer Wert in aller Regel nicht bekannt ist. Ein solcher Leerhub, der aufgrund eines Spiels zwischen dem Piezo-Aktor und dem Schließelement zustande kommt, führt dazu, dass das Einspritzventil erst mit einer nicht genau bekannten Verzögerung nach einer Ansteuerung des Einspritzventils öffnet. Das wiederum führt zu einer nachteiligen Ungenauigkeit eines Einspritzzeitpunkts, der hier als Beginn einer Einzeleinspritzung definiert sei, als auch infolgedessen zu einer Abwei chung zwischen einer tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge und einer Soll-Einspritzmenge.
Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern eines piezoelektrisch betätigten Einspritzventils einer Kraftstoff-Einspritzanlage für einen Verbrennungsmotor vorzuschlagen, das einen tatsächlichen Einspritzzeitpunkt genauer einzustellen erlaubt und damit auch eine genauere Dosierung einer Einspritzmenge ermöglicht. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Kraftstoff-Einspritzanlage vorzuschlagen, die Einspritzzeitpunkte und Einspritzmengen vergleichsweise genau zu steuern erlaubt, sowie einen Verbrennungsmotor mit einer solchen Kraftstoff-Einspritzanlage.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch eine Kraftstoff-Einspritzanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und einem Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
Bei dem vorgeschlagen Verfahren zum Steuern eines piezoelektrisch betätigten Einspritzventils einer Kraftstoff-Einspritzanlage für einen Verbrennungsmotor wird zunächst während mindestens einer durch das Einspritzventil vorgenommenen Referenz-Einspritzung ein Spannungsverlauf einer an einem Piezo-Aktor des Einspritzventils anliegenden Spannung sowie ein zeitlicher Verlaufs einer elektrischen Ladung, die in einem den Piezo-Aktor umfassenden Stromkreis verschoben wird, erfasst. Bei der Referenz-Einspritzung muss es sich dabei nicht um einen besonders ausgezeichneten Einspritzvorgang handeln, vielmehr kann jede gewöhnliche Einspritzung während eines Betriebs des entsprechenden Verbrennungsmotors als Referenzeinspritzung dienen, die hier nur deshalb so bezeichnet wird, weil sie zur Korrektur einer Ansteuerung des Einspritzventils bei mindestens einer späteren Einspritzung dient.
Aus dem so erfassten Spannungsverlauf und dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Ladung wird dann rechnerisch ein Kraftverlauf einer durch den Piezo-Aktor auf ein bewegliches Schließelement des Einspritzventils ausgeübten Kraft während der Referenz-Einspritzung ermittelt. Das kann auf einfache Weise und hinreichend genau mittels eines linearen Piezokraftmodells geschehen, das die vom Piezo-Aktor ausgeübte Kraft in Abhängigkeit von der Spannung und der elektrischen Ladung angibt.
Schließlich wird eine Lage eines Maximums des genannten Kraftverlaufs bestimmt und ein Ansteuerzeitpunkt und/oder eine Ansteuerdauer und/oder eine Ansteuerpulsintensität für mindestens eine spätere Einspritzung in Abhängigkeit von einem Zeitversatz zwischen einem für die Referenz-Einspritzung gewählten Ansteuerzeitpunkt und dem Maximum des Kraftverlaufs festgelegt. Sowohl die Lage des Maximums als auch der Ansteuerzeitpunkt bzw. die Ansteuerdauer sowie der genannte Zeitversatz können dabei insbesondere über einen Kurbelwellenwinkel oder eine den Kurbelwellenwinkel wiedergebende Größe definiert werden. Der Zeitversatz, in Abhängigkeit von dem der Ansteuerzeitpunkt und/oder die Ansteuerdauer und/oder die Ansteuerpulsintensität für die mindestens eine spätere Einspritzung festgelegt wird, muss nicht unbedingt explizit bestimmt werden, vielmehr kann stattdessen auch ein – beispielsweise durch einen Kurbelwellenwinkel definierter – Zeitpunkt bestimmt werden, der ein-eindeutig mit diesem Zeitversatz zusammenhängt, z. B. der Zeitpunkt des Maximums des Kraftverlaufs selbst. Als Ansteuerzeitpunkt kann beispielsweise der Zeitpunkt eines Beginns eines Steuersignals zum Öffnen des Einspritzventils oder ein Zeitpunkt, zu dem ein dieses Steuersignal auslösender Vorgang stattfindet, bezeichnet sein.
Das vorgeschlagene Verfahren beruht auf der Einsicht, dass einerseits die vom Piezo-Aktor ausgeübte Kraft in sehr einfacher und eindeutiger Weise von der am Piezo-Aktor anliegenden Spannung und der durch den Piezo-Aktor verschobenen Ladung abhängt und andererseits die Lage des Maximums des Kraftverlaufs eng korreliert ist mit einem Zeitpunkt, zu dem das Schließelement tatsächlich öffnet und das Einspritzventil einen Weg für eine Kraftstoffeinspritzung freigibt. Letzteres liegt daran, dass ein im Einspritzventil herrschender Kraftstoffdruck im Augenblick einer Öffnung des Einspritzventils aufgrund des dann ausströmenden Kraftstoffs abrupt abfällt.
Die Bestimmung der Lage des Maximums des Kraftverlaufs der vom Piezo-Aktor ausgeübten Kraft erlaubt daher einen Rückschluss auf den Zeitpunkt der tatsächlichen Öffnung des Einspritzventils, der aufgrund eines nicht exakt bekannten Leerhubs oder Spiels des Einspritzventils zunächst nur in gewissen Grenzen, also ungefähr, bekannt ist.
Das beschriebene Verfahren erlaubt eine Korrektur einer Ansteuerung des Einspritzventils, mit der Abweichungen des genannten Spiels von einem Durchschnittswert berücksichtigt und damit wesentlich genauer dosierte und zeitlich genauer platzierte Einspritzungen realisiert werden können.
Eine entsprechend vorteilhafte Kraftstoff-Einspritzanlage für einen Verbrennungsmotor, mit der eine in diesem Sinne sehr genaue Steuerung von Einspritzungen möglich ist, umfasst für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors jeweils mindestens ein mit einem Piezo-Aktor zu betätigendes Einspritzventil sowie eine Steuervorrichtung zum Ansteuern der Einspritzventile, wobei die Steuervorrichtung programmtechnisch eingerichtet ist zum Steuern der Einspritzventile durch ein Verfahren beschriebener Art. Typischerweise wird diese Kraftstoff-Einspritzanlage als Common-Rail-Einspritzung ausgeführt sein, wobei die genannte Steuervorrichtung z. B. in eine ECU (Engine Control Unit) eines mit einer solchen Kraftstoff-Einspritzanlage ausgestatteten Verbrennungsmotors integriert sein kann. Die durch den Piezo-Aktor des jeweiligen Einspritzventils bewegbaren Schließelemente sind bei typischen Ausführungen der Erfindung als Ventilnadeln ausgeführt, wobei der Piezo-Aktor mehrere ringförmige Piezoelemente aufweisen kann, die die Ventilnadel oder eine Verlängerung der Ventilnadel umgeben können.
Zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Ladung, die in dem den Piezo-Aktor des jeweiligen Einspritzventils umfassenden Stromkreis verschoben wird, kann ein Stromverlauf eines durch diesen Stromkreis fließenden Stroms gemessen und rechnerisch über eine direkt oder indirekt, beispielsweise über einen Kurbelwellenwinkel, erfasste Zeit integriert werden. Die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignete Kraftstoff-Einspritzanlage kann dementsprechend mindestens einen Spannungsmesser zum Erfassen des Spannungsverlaufs sowie einen Strommesser zum Messen des Stromverlaufs aufweisen, wobei die Steuervorrichtung der Kraftstoff-Einspritzanlage dann vorzugsweise eine Integrationseinheit zum Ermitteln der elektrischen Ladung in Abhängigkeit vom gemessenen Stromverlauf umfasst.
Programmtechnisch einfach wird das vorgeschlagene Verfahren realisiert, indem der Ansteuerzeitpunkt mittels eines Regelkreises als Stellgröße so eingestellt wird, dass die Lage des Maximums des Kraftverlaufs, die dann als Regelgröße angesehen werden kann, auf einen Sollwert geregelt wird, der wieder z. B. über einen Kurbelwellenwinkel oder einen bestimmten Wert einer einen Kurbelwellenwinkel wiedergebenden Größe definiert sein kann und in aller Regel abhängig sein wird von einem aktuellen Betriebszustand des entsprechenden Verbrennungsmotors. Als Regeldifferenz kann dabei eine Differenz zwischen der tatsächlichen Lage des Maximums und dem Sollwert dienen.
Um einen durch ein Spiel des Einspritzventils verursachten verspäteten tatsächlichen Einspritzbeginn auszugleichen, kann der Ansteuerzeitpunkt mit dem beschriebenen Verfahren für die mindestens eine spätere Einspritzung um einen Zeitbetrag vor einen Nenn-Ansteuerzeitpunkt verlegt werden, der einer Differenz zwischen dem tatsächlichen Zeitversatz und einem Nennwert für den Zeitversatz zwischen Ansteuerzeitpunkt und Maximum des Kraftverlaufs entspricht. Wenn diese Differenz negativ ist, der tatsächliche Zeitversatz also kleiner ist als der entsprechende Nennwert, kann der Ansteuerzeitpunkt für die mindestens eine spätere Einspritzung dementsprechend um den Betrag der Differenz hinter den Nenn-Ansteuerzeitpunk verlegt werden. Das kann durch einen Regelkreis zuvor beschriebener Art geschehen.
Da ein vergrößertes Spiel zwischen Piezo-Aktor und Schließelement nicht nur einen späteren tatsächlichen Einspritzbeginn, sondern damit auch eine verkürzte tatsächliche Einspritzdauer mit sich bringt, kann das Verfahren vorteilhafterweise so gestaltet werden, dass nicht nur der Ansteuerzeitpunkt verschoben wird, sondern auch die Ansteuerdauer für die mindestens eine spätere Einspritzung korrigiert wird. So kann sichergestellt werden, dass die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge der Soll-Einspritzmenge entspricht. Dazu kann die Ansteuerdauer für die mindestens eine spätere Einspritzung gegenüber einer Nenn-Ansteuerdauer um einen Zeitbetrag verlängert werden, der einer mit einem Faktor von zwischen 1 und 2 multiplizierten Differenz zwischen dem tatsächlichen Zeitversatz und einem Nennwert für den Zeitversatz zwischen Ansteuerzeitpunkt und Maximum des Kraftverlaufs entspricht. Dementsprechend kann die Ansteuerdauer um den Betrag der Differenz verkürzt werden, wenn die Differenz negativ ist, wenn also der tatsächliche Zeitversatz kleiner ist als der Nennwert für den Zeitversatz. Eine der Differenz zwischen dem tatsächlichen Zeitversatz und dem Nennwert für den Zeitversatz entsprechende Änderung der Ansteuerdauer gegenüber der Nenn-Ansteuerdauer lässt sich einfach dadurch realisieren, dass der Ansteuerzeitpunkt in einer der zuvor beschriebenen Weisen verschoben wird, während ein Ende des entsprechenden Steuerimpulses unverändert gelassen wird. In vielen Anwendungsfällen wird sich dadurch bereits eine befriedigende Korrektur der Ansteuerung des Einspritzventils ergeben. Unter Umständen kann jedoch ein vergrößertes Spiel zwischen Piezo-Aktor und Schließelement des Einspritzventils nicht nur zu einer verspäteten Öffnung des Einspritzventils, sondern auch zu einem verfrühten Schließen des Einspritzventils führen. Daher kann man in manchen Fällen noch bessere Ergebnisse erzielen, wenn – im Fall einer positiven Differenz zwischen tatsächlichem Zeitversatz und Nennwert – zusätzlich zu einem Vorverlegen des Ansteuerzeitpunkts der entsprechende Steuerimpuls so verlängert wird, dass darüber hinaus das Ende des Steuerimpulses zurückverlegt wird. Eine Verlängerung der Ansteuerdauer gegenüber der Nenn-Ansteuerdauer um mehr als die doppelte Differenz zwischen dem tatsächlichen Zeitversatz und dem Nennwert für den Zeitversatz zwischen Ansteuerzeitpunkt und Maximum des Kraftverlaufs wird jedoch in aller Regel nicht erforderlich sein, um eine befriedigende Kompensation eines vergrößerten Leerhubes zu erreichen.
Eine Korrektur sowohl des durch die Öffnung des Einspritzventils definierten tatsächlichen Einspritzbeginns als auch der Einspritzdauer kann alternativ oder ergänzend auch dadurch geschehen, dass die Ansteuerpulsintensität, also eine Intensität des Steuerimpulses, in Abhängigkeit vom Leerhub des Einspritzventils festgelegt wird, der sich in dem genannten Zeitversatz widerspiegelt. Ein Maß für die Ansteuerpulsintensität ist beispielsweise eine von der verschobenen Ladung abhängige Ladeenergie, über die wiederum ein vom Piezo-Aktor ausgeführter Hub korrigiert werden kann. So kann bei größerem Leerhub, der über ein verspätetes Maximum des Kraftverlaufs detektiert wird, durch Erhöhung der in den Piezo-Aktor gesteckten Ladeenergie ein größerer und/oder zügigerer Hub des Piezo-Aktors erreicht werden, was wiederum einen früheren Öffnungszeitpunkt zur Folge hat. Auch so kann der Öffnungszeitpunkt des Einspritzventils auf einen Sollwert für den Öffnungszeitpunkt bzw. den Einspritzbeginn geregelt werden.
Da ein genauer Wert eines geringen zeitlichen Abstand zwischen einem tatsächlichen Einspritzbeginn und dem Maximum des Kraftverlaufs auch von einem Kraftstoffdruck abhängen kann, der in einer das Einspritzventil versorgenden Kraftstoffleitung herrscht und der typischerweise als Raildruck bezeichnet wird, kann es im Hinblick auf eine möglichst genaue Korrektur der Steuerung des Einspritzventils vorteilhaft sein, wenn dieser Kraftstoffdruck während der mindestens einen späteren Einspritzung, für die der Ansteuerzeitpunkt und/oder die Ansteuerdauer und/oder die Ansteuerpulsintensität korrigiert wird, einen gleichen Wert hat wie während der Referenz-Einspritzung. Das wird mit hinreichend hoher Genauigkeit dann der Fall sein, wenn eine Einspritzung, für die der Ansteuerzeitpunkt und/oder die Ansteuerdauer und/oder die Ansteuerpulsintensität korrigiert wird, in einen Arbeitszyklus fällt, der unmittelbar auf einen Arbeitszyklus folgt, in dem die Referenz-Einspritzung stattgefunden hat.
Das beschriebene Verfahren zum Steuern der piezoelektrisch betätigten Einspritzventils, bei dem es sich insbesondere um ein Verfahren zum Korrigieren einer Ansteuerung des Einspritzventils handelt, kann in vorteilhafter Weise für jedes Einspritzventil der Kraftstoff-Einspritzanlage durchgeführt werden, beispielsweise fortwährend oder in definierten Abständen wiederholt während eines Betriebs des entsprechenden Verbrennungsmotors. Eine fortwährende Durchführung des Verfahrens kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass der Ansteuerzeitpunkt in weiter oben beschriebener Weise als Stellgröße eines Regelkreises behandelt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der 1 bis 3 erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Darstellung eines Teils einer Kraftstoff-Einspritzanlage, in der auch ein Regelkreis für eine Steuerung eines Einspritzventils veranschaulicht ist,
2 vier Diagramme mit Verläufen von für einen Einspritzvorgang relevanten Größen während einer Einspritzung und
3 in einer der 2 entsprechenden Darstellung vier Diagramme mit entsprechenden Verläufen für ein Einspritzventil mit einem vergrößerten Leerhub.
In 1 sind einige Komponenten einer als Common-Rail-Einspritzung ausgeführten Kraftstoff-Einspritzanlage eines Verbrennungsmotors dargestellt. Diese Einspritzanlage umfasst eine Steuervorrichtung 1, die Bestandteil einer ECU des Verbrennungsmotors ist, sowie für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors ein piezoelektrisch betätigtes Einspritzventil 2, von denen in 1 nur eines dargestellt ist, wobei die übrigen in entsprechender Weise durch die Steuervorrichtung 1 angesteuert werden. Die Einspritzventile 2 weisen als Schließelement jeweils eine in 1 nicht dargestellte Ventilnadel sowie einen Piezo-Aktor zum Bewegen der Ventilnadel auf. Der Piezo-Aktor umfasst einen Stapel von N Piezoelementen, die jeweils eine aktive Fläche A und eine Schichtdicke d haben und durch eine Dielektrizitätskonstante ε₃₃ sowie eine elektromechanische Kopplung d₃₃ ausgezeichnet sind. Weitere Komponenten des entsprechenden Verbrennungsmotors, auf die es vorliegend nicht ankommt, sind in der 1 nicht dargestellt.
Die Steuervorrichtung 1 umfasst eine herkömmliche Injektoransteuerung 3 für das auch als Injektor bezeichnete Einspritzventil 2, die abhängig von einem aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors ein Steuersignal für das Einspritzventil 2 generiert, das eine Öffnung des Einspritzventils 2 veranlasst, wenn eine Kraftstoff-Einspritzung in den dem Einspritzventil 2 zugeordneten Zylinder vorgenommen werden soll. Dieses Steuersignal wird letztlich in Form eines Spannungsimpulses an den Piezo-Aktor des Einspritzventils 2 angelegt, worauf dieser sich verformt und ein Heben der Ventilnadel bewirkt, was wiederum ein Öffnen einer Düsenöffnung des Einspritzventils 2 zur Folge hat. Das abhängig von einer Ausgabe der Injektoransteuerung 3 in einer ebenfalls abgebildeten Signalformungseinheit 4 in eine endgültige Form gebrachte Steuersignal für eine Einzeleinspritzung zeichnet sich insbesondere durch einen Ansteuerzeitpunkt aus, der als Beginn des Spannungsimpulses definiert sei, sowie durch eine Ansteuerdauer, womit eine Länge des Spannungsimpulses bezeichnet sei. Dabei bewirkt das Steuersignals, dass am Piezo- Aktor des Einspritzventils 2 eine zeitabhängige Spannung U anliegt und durch einen den Piezo-Aktor umfassenden Stromkreis ein zeitabhängiger Strom I fließt. Zum Erfassen eines Spannungsverlaufs der Spannung U und eines Stromverlaufs des durch den genannten Stromkreis fließenden Stroms I wird die Spannung U mit einem nicht eigens abgebildeten Spannungsmesser und der Strom I mit einem ebenfalls nicht dargestellten Strommesser gemessen. Darüber hinaus weist die Steuervorrichtung 1 der Einspritzanlage eine Integrationseinheit 5 auf, mit der eine in dem genannten Stromkreis verschobene elektrische Ladung Q ermittelt wird, indem der Stromverlauf des Stroms I über eine dazu erfasste Zeit integriert wird. So wird nicht nur der Spannungsverlauf, sondern auch ein zeitlicher Verlauf der Ladung Q während jeder durch das Einspritzventil 2 vorgenommenen Einspritzung erfasst.
Die Steuervorrichtung 1 ist nun so ausgebildet, dass jede dieser Einspritzungen jeweils als Referenz-Einspritzung zum Korrigieren eines späteren Steuersignals für eine entsprechende Einspritzung in einem folgenden Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors verwendet wird. Dazu wird zunächst ein Kraftverlauf einer durch den Piezo-Aktor auf die Ventilnadel des Einspritzventils 2 ausgeübte Kraft F während des als Referenz-Einspritzung für die entsprechende spätere Einspritzung dienenden Einspritzvorgangs ermittelt. Das geschieht auf rechnerische Weise mittels eines linearen Piezokraftmodells 6 unter Verwendung des dazu erfassten Spannungsverlaufs und des mit der Integrationseinheit 5 gewonnen zeitlichen Verlaufs der elektrischen Ladung Q. Dabei wird die Kraft F in Abhängigkeit von schon definierten Größen und Parametern berechnet als
Durch eine in der 1 ebenfalls veranschaulichte Maximumsdetektion 5 wird anschließend eine Lage t_max eines Maximums des Kraftverlaufs bestimmt, die beim vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel in Bezug auf einen von der Injektoransteuerung 3 ausgegebenen Nenn-Ansteuerzeitpunkt definiert sei. Durch ein Subtraktionsglied 8 wird dann eine Differenz Δt zwischen der so bestimmten Lage t_max des Maximums und einem Nennwert t_max,N gebildet. Dabei definiert der Nennwert t_max,N einen Sollwert für die Lage t_max des Maximums, im vorliegenden Fall wieder in Bezug auf den von der Injektoransteuerung 3 ausgegebenen Nenn-Ansteuerzeitpunkt, und kann aufgrund gewählte Definition des nullpunkts als Nennwert t_max,N für einen Zeitversatz zwischen Ansteuerzeitpunkt und Maximum des Kraftverlaufs angesehen werden.
In der Signalformungseinheit 4 wird nun das Steuersignal für die der jeweiligen Referenz-Einspritzung folgende Einspritzung dahingehend geändert, dass der Ansteuerzeitpunkt gegenüber dem Ansteuerzeitpunkt für die Referenz-Einspritzung um die Differenz Δt verschoben wird, und zwar vorverlegt wird, wenn der Wert der Lage t_max des Maximums größer ist als der Nennwert t_max,N, und zu einem späteren Zeitpunkt verschoben wird, wenn der ermittelte Wert der Lage t_max des Maximums bei der Referenz-Einspritzung kleiner ist als der Nennwert t_max,N. Auf diese Weise ist ein Regelkreis realisiert, mit dem der Ansteuerzeitpunkt als Stellgröße so eingestellt wird, dass die Lage t_max des Maximums des Kraftverlaufs auf einen Sollwert geregelt wird, im vorliegenden Beispiel auf den Nennwert t_max,N. Dabei kann der Nennwert t_max,N wie die Ausgabe der Injektoransteuerung 3 abhängig von einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors definiert sein. Die Lage t_max, der Nennwert t_max,N und der Ansteuerzeitpunkt kann darüber hinaus, wie auch die Ansteuerdauer, über einen Kurbelwellenwinkel oder eine den Kurbelwellenwinkel wiedergebende Größe definiert sein, da diese Größe bei gegebener Drehzahl ein eindeutiges Maß für die physikalische Zeit bildet.
Die Steuervorrichtung 1 ist programmtechnisch zum Durchführen der beschriebenen Verfahrensschritte eingerichtet, insbesondere sind die Signalformungseinheit 4, die Integrationsein heit 5, das lineare Piezokraftmodell 6, die Maximumsdetektion 7 und das Subtraktionsglied 8 programmtechnisch realisiert.
In beschriebener Weise wird erreicht, dass der Ansteuerzeitpunkt für die späteren Einspritzungen gegenüber der jeweiligen Referenz-Einspritzung um einen Zeitbetrag vor einen von der Injektoransteuerung 3 ausgegebenen Nenn-Ansteuerzeitpunkt verlegt wird, der einer Differenz des tatsächlichen Zeitversatzes zwischen einem für die Referenz-Einspritzung gewählten Ansteuerzeitpunkt und dem Maximum des Kraftverlaufs zum Nennwert t_max,N für den Zeitversatz zwischen Ansteuerzeitpunkt und Maximum des Kraftverlaufs entspricht. Statt mittels des hier beschriebenen Regelkreises kann das bei einer alternativen Ausführung einer entsprechenden Einspritzanlage auch dadurch geschehen, dass der tatsächliche Zeitversatz zwischen dem für die Referenzeinspritzung gewählten Ansteuerzeitpunkt und dem Maximum des Kraftverlaufs bestimmt und zur Bildung der Differenz zwischen diesem tatsächlichen Zeitversatz und dem Nennwert t_max,N mit dem dazu als Betriebszustand abhängige Größe gespeicherten Nennwert t_max,N verglichen wird, wonach der Ansteuerzeitpunkt für die folgenden Einspritzungen so festgelegt wird, dass er um den Betrag dieser Differenz vor oder im Fall einer negativen Differenz hinter dem ebenfalls betriebszustandsabhängig vorgegebenen Nenn-Ansteuerzeitpunkt liegt.
Das Ausführungsbeispiel aus 1 sieht vor, dass mit einer Änderung des Ansteuerzeitpunkts auch die Ansteuerdauer für die jeweils spätere Einspritzung verändert wird, indem nämlich in der Signalformungseinheit 4 nur der Ansteuerzeitpunkt im Sinne des Beginns des von der Signalformungseinheit 4 ausgegebenen Steuersignals verschoben wird, nicht aber dessen Ende. Dadurch wird erreicht, dass die Ansteuerung für die späteren Einspritzungen gegenüber einer vorgegebenen Nenn-Ansteuerdauer um einen Zeitbetrag verändert wird, der der Differenz zwischen dem für die Referenz-Einspritzung erfassten tatsächlichen Zeitversatz und dem Nennwert für den Zeitversatz zwischen Ansteuerpunkt und Maximum des Kraftverlaufs entspricht, wobei die Ansteuerdauer verlängert wird, wenn die Differenz positiv ist, und verkürzt wird, wenn die Differenz negativ ist. Um zu berücksichtigen, dass ein Leerhub zwischen Piezo-Aktor und Ventilnadel im Einspritzventil 2 nicht nur eine verspätete Öffnung des Einspritzventils 2, sondern auch ein verfrühtes Schließen des Einspritzventils 2 zur Folge haben kann, kann bei einer alternativen Ausgestaltung der Einspritzanlage auch vorgesehen sein, dass das Ende des Steuerimpulses gegenüber der Referenzeinspritzung z. B. um den Betrag nach hinten verschoben wird, um den der Einspritzzeitpunkt im Sinne des Beginns des Steuersignals vorverlegt wird oder vice versa.
Bei einer weiteren Abwandlung des Anhand der 1 beschriebenen Verfahrens werden der durch die Öffnung des Einspritzventils definierte tatsächlichen Einspritzbeginn und die Einspritzdauer dadurch korrigiert, dass in der Signalformungseinheit 4 eine Ansteuerpulsintensität, also eine Intensität des an den Piezo-Aktor angelegten Steuerimpulses, in Abhängigkeit vom Leerhub des Einspritzventils 2 bzw. von der Differenz Δt festgelegt werden. Ein Maß für die Ansteuerpulsintensität ist dabei eine von der verschobenen Ladung Q abhängige Ladeenergie, von der wiederum die Größe eines vom Piezo-Aktor ausgeführten Piezohubs abhängt. Bei größerem Leerhub, der über ein verspätete Lage t_max des Maximum des Kraftverlaufs detektiert wird, wird dann durch Erhöhung der in den Piezo-Aktor gesteckten Ladeenergie ein größerer und zügigerer Hub des Piezo-Aktors bewirkt, was wiederum sowohl einen früheren Öffnungszeitpunkt als auch eine verlängerte Einspritzdauer zur Folge hat. Sowohl der Öffnungszeitpunkt als auch die Einspritzdauer können so wieder auf entsprechende Sollwerte geregelt werden.
Da bei dem beschriebenen Ausführungsbeispielen die Einspritzung, für die der Ansteuerzeitpunkt und die Ansteuerdauer bzw. die Ansteuerpulsintensität gegenüber dem Ansteuerzeitpunkt und der Ansteuerdauer für die entsprechende Referenz-Einspritzung verändert wird, in einen unmittelbar auf den Arbeitszyklus der Referenzeinspritzung folgenden Arbeitszyklus fällt, wird sichergestellt, dass ein in einer die Einspritzventile 2 versorgenden Kraftstoffleitung herrschender Raildruck während der späteren Einspritzung einen gleichen Wert hat wie während der entsprechenden Referenz-Einspritzung. Dabei ist die in 1 skizzierte Einspritzanlage so ausgelegt, dass eine Korrektur der Ansteuerzeitpunkte und Ansteuerdauern während eines Betriebs des Verbrennungsmotors für alle Einspritzventile 2 dieses Verbrennungsmotors fortwährend durchgeführt wird. Bei einer alternativen Ausgestaltung einer solchen Einspritzanlage kann auch vorgesehen sein, dass eine derartige Korrektur lediglich in definierten Abständen bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors durchgeführt wird.
Zur Veranschaulichung der Vorgänge, auf denen das beschriebene Verfahren beruht, sind in den 2 und 3 Zeitverläufe verschiedener physikalischer Größen während einer Einzeleinspritzung für zwei Injektoren gezeigt, die sich durch unterschiedliche Leerhübe zwischen dem jeweiligen Piezo-Aktor und der jeweiligen Ventilnadel voneinander unterscheiden.
Die Ordinate der Diagramme dient dabei jeweils als Zeitachse, wobei der Nullpunkt dieser Zeitachsen gewählt ist als Nenn-Ansteuerzeitpunkt für den jeweiligen Injektor, also als Zeitpunkt, der als Beginn für ein noch nicht korrigiertes Steuersignal für diesen Injektor vorgesehen ist. Der genannte Injektor entspricht dabei dem Einspritzventil 2 aus 1.
In 2, die sich auf einen Injektor mit einem sehr geringen Leerhub von 2 μm bezieht, ist ganz oben ein Spannungsverlauf 9 der während der Einspritzung am Piezo-Aktor des Injektors anliegenden Spannung U gezeigt, der das Steuersignal für den Piezo-Aktor bzw. den Injektor bildet. Darunter ist ein Stromverlauf 10 des dabei durch den Piezo-Aktor fließenden Stroms I dargestellt. Das folgende Diagramm zeigt einen Kraftverlauf 11, der durch den Piezo-Aktor auf die Ventilnadel des Injektors ausgeübten Kraft F, die bei der Einspritzanlage aus 1 rechnerisch ermittelt wird, indem zunächst aus dem Stromverlauf 10 mittels der Integrationseinheit 5 der zeitliche Verlauf der durch den Strom I verschobenen Ladung Q bestimmt wird und aus dieser Ladung Q und der ebenfalls gemessenen Spannung U mittels des linearen Piezokraftmodells 6 auf die Kraft F geschlossen wird.
Es ist gut zu erkennen, dass der Kraftverlauf 11 nach der Ansteuerung des Injektors ein Maximum annimmt, und zwar hier bei einem ersten Wert t₁ auf der Zeitachse. Die Ursache dieses Maximums ist in einer Öffnung des Injektors durch ein Anheben der Ventilnadel zu finden, weil diese Öffnung zu einem abrupten Abfall eines im Injektor herrschenden Kraftstoffdrucks p führt. Ein Verlauf 12 dieses Kraftstoffdrucks p ist in dem letzten Diagramm der 2 dargestellt. Ein Vergleich der letzten beiden Diagramme zeigt, dass das Maximum des Kraftverlaufs um eine sehr geringe Zeitdifferenz δt versetzt auf die Öffnung des Injektors folgt, die zeitgleich liegt mit einem in den beiden letzten Diagrammen der 2 durch einen vertikalen Strich gekennzeichneten Beginn des Druckabfalls. Zur Veranschaulichung dessen ist im vorletzten Diagramm der 2 auch ein zeitlicher Verlauf 13 eines Hubes s der Ventilnadel eingezeichnet.
3 zeigt in einer der 2 entsprechenden Darstellung einen Spannungsverlauf 9', einen Stromverlauf 10', einen Kraftverlauf 11', einen Verlauf 12' des Kraftstoffdrucks im Injektor und einen Verlauf 13' des Hubs s der Ventilnadel eines Injektors, der sich gegenüber dem Injektor, auf den sich 2 bezieht, lediglich durch einen vergrößerten Leerhub zwischen Piezo-Aktor und Ventilnadel von 10 μm unterscheidet. Aufgrund des größeren Leerhubs hebt sich die Ventilnadel hier etwas später, weshalb auch der mit der Öffnung korrelierte Druckabfall des im Injektor, genauer in einem Steuerraum des Injektors, herrschenden Drucks p später eintritt. Auch das Maximum des Kraftverlaufs 11' liegt deshalb später als bei dem Kraftverlauf 11 aus 2, nämlich bei einem zweiten Wert t₂ auf der Zeitachse. Die Zeitdifferenz δt zwischen dem Maximum des Kraftverlaufs 11' und dem Moment, zu dem die Ven tilnadel sich zu heben beginnt, hat dagegen einen der Zeitdifferenz δt aus 2 entsprechenden Wert. Daher ist es möglich, aus der Lage des Maximums des Kraftverlaufs 11' auf den tatsächlichen Einspritzzeitpunkt bzw. eine Abweichung dieses Einspritzzeitpunkts von einem Soll-Einspritzzeitpunkt zu schließen. Um den tatsächlichen Einspritzzeitpunkt für spätere Einspritzungen dem Soll-Einspritzzeitpunkt anzugleichen und eine korrekte Dosierung einer Einspritzmenge zu erreichen, wird daher der Ansteuerzeitpunkt, der dem Beginn des in dem jeweils oberen Diagramm der 2 und 3 erkennbaren Steuersignals entspricht, oder alternativ die Ansteuerpulsintensität für spätere Einspritzungen gemäß dem zuvor anhand 1 beschriebenen Verfahren verändert.

Claims

Verfahren zum Steuern eines piezoelektrisch betätigten Einspritzventils (2) einer Kraftstoff-Einspritzanlage für einen Verbrennungsmotor, umfassend folgende Schritte: – Erfassen eines Spannungsverlaufs (9, 9') einer an einem Piezo-Aktor des Einspritzventils (2) anliegenden Spannung (U) sowie eines zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Ladung (Q), die in einem den Piezo-Aktor umfassenden Stromkreis verschoben wird, während einer durch das Einspritzventil (2) vorgenommenen Referenz-Einspritzung, – rechnerisches Ermitteln eines Kraftverlaufs (11, 11') einer durch den Piezo-Aktor auf ein bewegliches Schließelement des Einspritzventils (2) ausgeübten Kraft (F) während der Referenz-Einspritzung aus dem Spannungsverlauf (9, 9') und dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Ladung (Q), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner folgende Schritte umfasst: – Bestimmen einer Lage (t_max) eines Maximums des Kraftverlaufs (11, 11'), – Festlegen eines Ansteuerzeitpunkts und/oder einer Ansteuerdauer und/oder einer Ansteuerpulsintensität für mindestens eine spätere Einspritzung in Abhängigkeit von einem Zeitversatz zwischen einem für die Referenz-Einspritzung gewählten Ansteuerzeitpunkt und dem Maximum des Kraftverlaufs (11, 11'), wobei der Ansteuerzeitpunkt als Stellgröße eines Regelkreises so eingestellt wird, dass die Lage (t_max) des Maximums des Kraftverlaufs (11, 11') auf einen Sollwert geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ladung (Q) zum Erfassen ihres zeitlichen Verlaufs ermittelt wird, indem ein Stromverlauf (10, 10') eines durch den genannten Stromkreis fließenden Stroms (I) gemessen und rechnerisch über eine ebenfalls erfasste Zeit integriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln des Kraftverlaufs (11, 11') die vom Piezo-Aktor ausgeübte Kraft (F) mittels eines linearen Piezokraftmodells (6) in Abhängigkeit von der Spannung (U) und der elektrischen Ladung (Q) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansteuerzeitpunkt für die mindestens eine spätere Einspritzung um einen Zeitbetrag vor einen Nenn-Ansteuerzeitpunkt gelegt wird, der einer Differenz zwischen dem tatsächlichen Zeitversatz und einem Nennwert für den Zeitversatz zwischen Ansteuerzeitpunkt und Maximum des Kraftverlaufs entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerdauer für die mindestens eine spätere Einspritzung gegenüber einer Nenn-Ansteuerdauer um einen Zeitbetrag größer gewählt wird, der einer mit einem Faktor von zwischen 1 und 2 multiplizierten Differenz zwischen dem tatsächlichen Zeitversatz und einem Nennwert für den Zeitversatz zwischen Ansteuerzeitpunkt und Maximum des Kraftverlaufs entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftstoffdruck in einer das Einspritzventil versorgenden Kraftstoffleitung während der mindestens einen späteren Einspritzung, für die der Ansteuerzeitpunkt und/oder die Ansteuerdauer und/oder die Ansteuerpulsintensität korrigiert wird, einen gleichen Wert hat wie während der Referenz-Einspritzung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es für jedes Einspritzventil der Kraftstoff-Einspritzanlage bei einem Betrieb des entsprechenden Verbrennungsmotors fortwährend oder in definierten Abständen wiederholt durchgeführt wird.
Kraftstoff-Einspritzanlage für einen Verbrennungsmotor, umfassend für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors jeweils ein mit einem Piezo-Aktor zu betätigendes Einspritzventil sowie eine Steuervorrichtung zum Ansteuern der Einspritzventile, wobei die Steuervorrichtung programmtechnisch eingerichtet ist zum Steuern der Einspritzventile durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Kraftstoff-Einspritzanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Common-Rail-Einspritzung ausgeführt ist.
Kraftstoff-Einspritzanlage nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzventile als Schließelemente jeweils eine durch den Piezo-Aktor bewegbare Ventilnadel aufweisen.
Kraftstoff-Einspritzanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Spannungsmesser zum Erfassen des Spannungsverlaufs und einen Strommesser zum Messen des Stromverlaufs aufweist, wobei die Steuervorrichtung eine Integrationseinheit zum Ermitteln der elektrischen Ladung in Abhängigkeit vom gemessenen Stromverlauf umfasst.
Verbrennungsmotor, umfassend eine Kraftstoff-Einspritzanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11.