DE102009045867A1

DE102009045867A1 - Verfahren zum Bestimmen einer Einspritzdauer

Info

Publication number: DE102009045867A1
Application number: DE102009045867A
Authority: DE
Inventors: Klaus Joos; Michael Fischer; Guido Porten; Markus Amler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-04-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer zum Einspritzen einer erwünschten Kraftstoffmenge in einen Brennraum notwendigen Einspritzdauer (t_iS*) für einen piezoelektrischen Aktor eines Injektors mit folgenden Schritten:
- Bestimmen eines erwünschten Einspritzzeitfensters für den momentanen Betriebspunkt
- Bestimmen der zum Einspritzen der erwünschten Kraftstoffmenge notwendigen Einspritzdauer (t_iS) für den momentanen Betriebspunkt
- Prüfen, ob die bestimmte Einspritzdauer (t_iS) innerhalb des erwünschten Einspritzzeitfensters liegt
- wenn die bestimmte Einspritzdauer (t_iS) außerhalb des erwünschten Einspritzzeitfensters liegt, Verändern von wenigstens einem eine notwendige Einspritzdauer beeinflussenden Parameter (p_S, Φ_S) so, dass die sich daraus ergebende neue Einspritzdauer (t_iS*) innerhalb des erwünschten Einspritzzeitfensters liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer zum Einspritzen einer erwünschten Kraftstoffmenge in einen Brennraum notwendigen Einspritzdauer für einen piezoelektrischen Aktor eines Injektors.
Stand der Technik
Verbrennungsmotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum umfassen eine Motorsteuerung zum Bereitstellen mehrerer Betriebsarten und mehrerer Einspritzungen pro Arbeitsspiel. Die Anforderungen an den maximalen Einspritzdruck und die maximale Anzahl von Einspritzvorgängen pro Arbeitsspiel nehmen ständig zu und erfordern schnell schaltende Hochdruckeinspritzventile. In jüngster Zeit kommen dabei vermehrt Piezoventile zum Einsatz.
Einspritzventile (Injektoren) mit piezoelektrischem Aktor zeichnen sich durch sehr kurze Ansteuerzeiten aus, wodurch die Zumessung sehr keiner Kraftstoffmengen im Bereich von ca. 1 bis 2 mg/Hub bei gleichzeitig hohen Einspritzdrücken von z. B. 200 bar möglich ist. Bei hubgedrosselten Piezoventilen bei Benzindirekteinspitzung kann die eingespritzte Kraftstoffmasse dabei außer durch Variation der Einspritzzeit bzw. Ansteuerzeit auch durch eine Variation des Lade- und/oder Aktorhubs (Nadelhub) sowie der Lade- und Entladeflanke beeinflusst werden.
Einspritzventile für Brennkraftmaschinen, welche einen piezoelektrischen Aktor als Stellglied umfassen, sind beispielsweise aus der DE 101 13 670 A1 bekannt. An den piezoelektrischen Aktor wird eine elektrische Spannung angelegt, um eine Verlängerung oder Verkürzung des Aktors zu bewirken und damit eine Ventilöffnung zu bedienen, um Kraftstoff in einen Brennraum einzuspritzen.
Zum Einspritzen einer erwünschten Kraftstoffmenge kann, eine Anzahl von Einspritzparametern beeinflusst werden, welche eine Ladeflanke, eine Entladeflanke, einen Ladehub, einen Nadelhub sowie eine Einspritzdauer umfassen. Ein beispielhaftes Verfahren zum Bestimmen dieser Parameter ist in der DE 10 2006 046 470 A1 offenbart.
Durch die hohen Einspritzdrücke bei gleichzeitig hoher Anzahl von Einspritzvorgängen kommt es jedoch zu störenden Geräuschen. Es ist daher aus der DE 101 13 670 A1 bekannt, Lade- und Entladeflanke in Hinblick auf eine reduzierte Geräuschentwicklung vorzugeben. Es hat sich jedoch gezeigt, dass in geräuschkritischen Betriebszuständen, beispielsweise im Niederlastbetrieb, weiterhin störende Geräusche auftreten können. Es ist daher wünschenswert, Piezoventile so anzusteuern, dass störende Geräusche minimiert werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung basiert im Wesentlichen auf der Erkenntnis, dass die Geräuschentwicklung von Piezoventilen maßgeblich auch durch die Einspritzdauer beeinflusst wird. Für vorgegebene Betriebspunkte ergeben sich erwünschte Zeitfenster für die Einspritzdauer, so dass die Geräuschentwicklung minimiert wird. Weiterhin wurde erkannt, dass die Einspritzdauer – auch bei Beibehaltung von vorbestimmten Parametern wie z. B. Nadelhub, Ladehub, Ladeflanke und Entladeflanke – dennoch in einem ausreichenden Umfang variiert werden kann, wenn die Einspritzdauer beeinflussende Parameter, insbesondere der Einspritzdruck bzw. Raildruck, der Aktorhub bzw. Nadelhub und/oder der Zündwinkel, entsprechend beeinflusst werden. Ergibt sich bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise, dass die notwendige Einspritzdauer zu kurz ist, kann die notwendige Einspritzdauer erhöht bzw. verlängert werden, wenn der Einspritzdruck reduziert wird. Dasselbe wird durch eine Reduzierung des Zündwinkels und/oder Nadelhubs erreicht. Somit kann eine Ansteuerfunktionalität für Piezodirekteinspritzventile bereitgestellt werden, die bei bereits vorgegebenen Ansteuerparametern, wie z. B. Nadelhub, Ladehub, Ladeflanke und Entladeflanke, eine aus motorischen Anforderungen resultierende Einspritzzeit innerhalb eines aus Geräuschsicht nötigen Zielbereichs einregelt. Dies gelingt beispielsweise durch Eingriff in die auf die Einspritzdauer wirkenden Parametern, wie z. B. Einspritzdruck, Nadelhub oder Zündwinkel. Zweckmäßigerweise werden dabei ein oder mehrere Parameter ausgewählt, die keinen oder nur geringen Einfluss auf das Geräusch haben. Dies hängt im Einzelfall von der zugrunde liegenden Applikation ab.
Zweckmäßigerweise wird das Einspritzzeitfenster unter Verwendung eines Kennfeldes vorgegeben. Es bietet sich an, zur Ermittlung des Kennfeldes bzw. zur Grundapplikation die Ansteuerparameter Ladeflanke und Entladeflanke sowie ggf. Nadelhub und/oder Ladehub (insbesondere wenn diese geräuschkritisch sind) auf herkömmliche Weise, wie es beispielsweise in der DE 101 13 670 A1 beschrieben ist, in einem geräuschkritischen Bereich, wie z. B. im Niederlastbetrieb, zu optimieren. Durch eine anschließende Variation der Einspritzzeit, bei der die motorische Last und damit die eingespritzte Kraftstoffmasse konstant gehalten wird, indem gleichzeitig der Einspritzdruck bzw. Raildruck variiert wird, kann eine Geräuschmessung durchgeführt werden, um die Geräuschentwicklung in Abhängigkeit von der Einspritzzeit bei einem vorgegebenen Betriebszustand zu ermitteln. Weiterhin kann eine Ermittlung für eine Lastvariation erzielt werden, bei der die Einspritzzeit variiert und der Einspritzdruck konstant gehalten wird.
Kann im geräuschoptimalen Betriebsreich des Verbrennungsmotors das erwünschte Zeitfenster, z. B. auf Grund einer extremen Laständerung (z. B. Leerlaufreglereingriff), nicht mehr eingestellt werden, wird durch Anpassung zumessungsrelevanter Parameter, wie z. B. Nadelhub, Raildruck oder Zündwinkel, das Ansteuerfenster verschoben. Es ist zweckmäßig, dabei aus Brennverfahrens- oder Verbrauchsgesichtspunkten relevante Eckwerte nicht zu überschreiten.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels eines hydraulisch übersetzten Dieseleinspritzventils in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Piezoinjektors mit direkter Steuerung der Ventilnadel.
2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung eines piezoelektrischen Aktors während eines Entladevorgangs und eines Ladevorgangs.
3 zeigt einen schematische Darstellung des Ablaufs eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsform(en) der Erfindung
1 zeigt schematisch 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 3 ist verschiebbar und dichtend in einer Hülse 7 geführt. Die Steuerbewegungen beziehungsweise die Hubbewegungen des piezoelektrischen Elements 3 sind in durch einen Doppelpfeil 9 angedeutet.
Am unteren Ende des Piezoinjektors 1 sind ein Düsennadelsitz 11, Spritzlöcher 13 und eine Düsennadel 15 angeordnet. Zwischen der Düsennadel 15 und dem piezoelektrischen Element 3 ist ein hydraulischer Koppler 17 vorgesehen. 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 23 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. Der Maximalhub der Düsennadel 15 ist mit H_Max bezeichnet. Der hydraulischer Koppler 17 hat also im Wesentlichen die Funktionen eines hydraulischen Übersetzers und dient zum Ausgleich von temperaturbedingten Längenänderungen.
Bei dem in 1 dargestellten Piezoinjektor mit direkt gekoppelter Düsennadel ist die Düsennadel 15 geschlossen, wenn das piezoelektrische Element 3 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.
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.
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: Q = C U.
Des Weiteren gilt für die Ladung des piezoelektrischen Elements: Q = It, wobei I den Ladestrom und t die Zeit bezeichnen.
Anhand der 2 wird stark vereinfacht ein Entladevorgang und ein Ladevorgang eines piezoelektrischen Elements 3 eines Piezoinjektors 1 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.
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.
Wenn nun im Zeitintervall zwischen t1 und t2 (Entladeflanke t_E) 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.
In dem Zeitraum t₂–t₃ (Einspritzdauer t_i) 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.
In dem Zeitintervall zwischen t3 und t4 (Ladeflanke t_L) 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.
Um besonders geräuscharm zu arbeiten, wird die mit Piezoinjektoren ausgerüstete Brennkraftmaschine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben, wie es beispielhaft anhand 3 beschrieben wird. Dabei wird im Wesentlichen die Einspritzdauer t₂–t₃ in ein vorbestimmtes Zeitfenster eingeregelt. Das Zeitfenster ergibt sich beispielsweise aufgrund des momentanen Betriebszustandes.
In 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Regelschemas 300 dargestellt. Einem ersten Regelglied 301 werden Sollwerte betreffend eine Luftmasse m sowie einen Lambda-Wert λ zugeführt, woraus innerhalb des Regelglieds 301 eine Sollansteuerzeit bzw. Solleinspritzzeit t_iS bestimmt wird. Die Solleinspritzzeit t_iS wird einem zweiten Regelglied 302 zugeführt. Dem zweiten Regelglied werden weiterhin ein Solleinspritzdruck bzw. Sollraildruck p_S sowie ein Sollzündwinkel Φ_S zugeführt. Weiterhin werden dem Regelglied Parameter P zugeführt, welche insbesondere einen Betriebszustand kennzeichnende Parameter, einen Ladehub, eine Ladeflanke und/oder eine Entladeflanke umfassen können.
Auf Grundlage aller zugeführten Größen P, p_S, Φ_S wird innerhalb des Regelglieds 302, insbesondere unter Verwendung eines Kennfelds, ein Einspritzzeitfenster bestimmt, das durch einen unteren Einspritzdauerschwellwert S1 und einen oberen Einspritzdauerschwellwert S2 gekennzeichnet ist. Anschließend wird überprüft, ob die Solleinspritzzeit t_iS innerhalb des Einspritzzeitfensters liegt. Wenn die Solleinspritzzeit t_iS kleiner als der untere Einspritzdauerschwellwert S1 ist, wird in vorliegendem Beispiel der Solleinspritzdruck p_S und/oder der Sollzündwinkel Φ_S erniedrigt. Liegt die Solleinspritzzeit t_iS oberhalb des oberen Einspritzdauerschwellwerts S2, wird der Solleinspritzdruck p_S und/oder der Sollzündwinkel Φ_S erhöht. Durch die Veränderung der die notwendige Einspritzdauer beeinflussenden Parameter, hier Einspritzdruck und Zündwinkel, kommt es zu einer Veränderung, der zur Einspritzung der vorbestimmten Kraftstoffmenge notwendigen Einspritzdauer. Somit kann die Solleinspritzdauer t_iS in das vorbestimmte Einspritzzeitfenster verschoben werden.
Die – gegebenenfalls veränderten – Größen Solleinspritzzeit t_iS*, Solleinspritzdruck p_S*, und Sollzündwinkel Φ_S* werden schließlich von dem Regelglied 302 ausgegeben.
Die Erfindung wurde anhand eines hydraulikübersetzten Dieseleinspritzventils beschrieben. Die Erfindung ist jedoch für alle Arten von Injektoren, insbesondere auch für Otto-Motoren u. ä., anwendbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10113670 A1 [0004, 0006, 0009]
DE 102006046470 A1 [0005]
DE 19854789 A1 [0022]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer zum Einspritzen einer erwünschten Kraftstoffmenge in einen Brennraum notwendigen Einspritzdauer (t_iS*) für einen piezoelektrischen Aktor (3) eines Injektors (1) mit folgenden Schritten: – Bestimmen eines erwünschten Einspritzzeitfensters für den momentanen Betriebspunkt – Bestimmen der zum Einspritzen der erwünschten Kraftstoffmenge notwendigen Einspritzdauer (t_iS) für den momentanen Betriebspunkt – Prüfen, ob die bestimmte Einspritzdauer (t_iS) innerhalb des erwünschten Einspritzzeitfensters liegt – wenn die bestimmte Einspritzdauer (t_iS) außerhalb des erwünschten Einspritzzeitfensters liegt, Verändern von wenigstens einem eine notwendige Einspritzdauer beeinflussenden Parameter (p_S, Φ_S) so, dass die sich daraus ergebende neue Einspritzdauer (t_iS*) innerhalb des erwünschten Einspritzzeitfensters liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erwünschte Einspritzzeitfenster einen oberen und einen unteren Einspritzzeitdauerschwellwert umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der die Einspritzzeit beeinflussender Parameter einen Einspritzdruck (p_S), einen Zündwinkel (Φ_S) und/oder einen Aktorhub umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2 und 3, wobei der Einspritzdruck (p_S), der Zündwinkel (Φ_S) und/oder der Aktorhub erhöht werden, wenn die bestimmte Einspritzdauer (t_iS) den oberen Einspritzdauerschwellwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2 und 3, wobei der Einspritzdruck (p_S), der Zündwinkel (Φ_S) und/oder der Aktorhub verringert werden, wenn die bestimmte Einspritzdauer (t_iS) den unteren Einspritzdauerschwellwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erwünschte Einspritzzeitfenster unter Berücksichtigung einer reduzierten Geräuschentwicklung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erwünschte Einspritzzeitfenster mittels eines Kennfeldes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei zur Ermittlung des Kennfeldes eine erste Messung bei konstanter Last durchgeführt wird, wobei die Einspritzdauer zusammen mit dem Einspritzdruck so variiert wird, dass die Einspritzmenge konstant bleibt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei zur Ermittlung des Kennfeldes eine zweite Messung bei variabler Last durchgeführt wird, wobei die Einspritzdauer variiert wird und der Einspritzdruck konstant gehalten wird.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.