DE102011005934A1

DE102011005934A1 - Verfahren zur Ermittlung der Kraftverhältnisse an der Düsennadel eines direkt getriebenen Piezoinjektors

Info

Publication number: DE102011005934A1
Application number: DE102011005934A
Authority: DE
Inventors: Michael Katzenberger; Robert Hoffmann; Simon Ruscheinski
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2012-09-27
Also published as: US9121378B2; CN103429877A; CN103429877B; WO2012126736A1; KR20140017628A; KR101871294B1; US20140007665A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der auf die Düsennadel eines direkt getriebenen Piezoinjektors wirkenden Kraft, bei welchem mittels eines Ladevorganges eine elektrische Spannung an dem die Düsennadel treibenden Piezoaktor aufgebaut wird. Nach dem Ende des Ladevorganges erfolgt eine wiederholte Messung der am Piezoaktor anliegenden Spannung. Aus aufeinanderfolgenden Spannungswerten wird ein Spannungsgradient ermittelt. Aus dem Spannungsgradienten werden Rückschlüsse auf die auf die Düsennadel wirkende Kraft gezogen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Kraftverhältnisse an der Düsennadel eines direkt getriebenen Piezoinjektors.
Kraftstoffeinspritzsysteme der neuen Generation arbeiten meist nach dem Common-Rail-Prinzip und enthalten oftmals piezoelektrisch betriebene Injektoren. Dabei sind an jeder Brennkammer des jeweiligen Verbrennungsmotors einer oder mehrere derartige Piezoinjektoren vorgesehen, welche gezielt geöffnet und geschlossen werden können. Bei geöffneten Injektoren gelangt Kraftstoff in das Innere der Brennkammer und verbrennt dort. Sowohl aus verbrennungstechnischer Sicht als auch aus abgastechnischer Sicht als auch aus Komfortgründen bedarf es einer möglichst genauen Bestimmung der jeweils eingespritzten Kraftstoffmenge.
Aus der WO 2009/010374 A1 sind bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Formung eines elektrischen Steuersignals für einen Einspritzimpuls eines Kraftstoffinjektors bekannt. Dieses elektrische Steuersignal betätigt einen piezoelektrischen Aktor, um eine vorgegebene Kraftstoffmenge in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Mit Hilfe des Kurvenverlaufes des elektrischen Steuersignals wird eine Einspritzrate des Kraftstoffinjektors in Abhängigkeit insbesondere vom Raildruck, vom Hubweg und/oder der Öffnungsdauer des Kraftstoffinjektors geregelt. Für wenigstens eine einzuspritzende Kraftstoffteilmenge ist der Verlauf des elektrischen Steuersignals bezüglich wenigstens einer Impulsflanke und/oder einer Amplitude frei formbar. Die Formung des Einspritzimpulses ist derart ausgebildet, dass die vorgegebene einzuspritzende Kraftstoffmenge unabhängig vom Verlauf des elektrischen Steuersignals konstant gehalten wird.
Bei einer Ratenverlaufsformung des Kraftstoffes ist es wichtig, die von der Brennkraftmaschine zur Gemischbildung geforderten Einspritzmengen mit engen Toleranzen einzuhalten, um die Schadstoffemissionen und den Kraftstoffverbrauch des jeweiligen Kraftfahrzeugs in gewünschter Weise zu beeinflussen.
Ein wesentlicher Aspekt bei der Ratenverlaufsformung ist der sogenannte Teilhubbetrieb. Dabei wird die Düsennadel in einer Mittelposition zwischen dem Düsensitz (Einspritzventil geschlossen) und der Endhubposition (Einspritzventil maximal geöffnet) der Düsennadel gehalten, um den Kraftstoffdurchfluss durch die Düse und damit die Gemischbildung zu beeinflussen.
In der Praxis besteht ein Problem darin, den genannten Teilhub exakt einzustellen und zu erreichen, dass die von der Brennkraftmaschine geforderte Einspritzmenge als Integral des einspritzdüsennadelhubabhängigen Kraftstoffdurchflusses durch die Düse gewährleistet werden kann. Dieses Problem basiert darauf, dass sich im Teilhubbetrieb Bauteiltoleranzen des Injektors sowie unterschiedliche Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur) beim Betrieb des Injektors in einer Brennkraftmaschine aufgrund der Steilheit der Durchflusskennlinie der Düse, aufgetragen über den Nadelhub, tendenziell stärker auswirken als dies bei einem Vollhubbetrieb des Injektors der Fall ist.
In Brennkraftmaschinen werden die Vorteile einer Ratenverlaufsformung und deren Einflüsse auf die Abgasemissionen überwiegend an Brennkraftmaschinen untersucht, in welchen mittels externer Sensoren der Zylinderdruck, verschiedene Temperaturen und zum Teil auch der Nadelhub überwacht werden. Eine Verwendung derartiger Sensoren ist kostenaufwendig und soll deshalb in Kraftfahrzeugen aus Kostengründen nicht erfolgen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Ermittlung der auf die Düsennadel eines direkt getriebenen Piezoinjektors wirkenden Kraft anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung der auf die Düsennadel eines direkt getriebenen Piezoinjektors wirkenden Kraft zur Verfügung gestellt, bei welchem während des Öffnungsvorganges und in einem Teilhubbetrieb mittels eines Ladevorganges eine elektrische Spannung an dem die Düsennadel treibenden Piezoaktor aufgebaut wird und bei welchem nach dem Ende des Ladevorganges eine wiederholte Messung der am Piezoaktor anliegenden Spannung erfolgt, aus aufeinanderfolgenden Spannungsmesswerten ein Spannungsgradient ermittelt wird und aus dem Spannungsgradienten Rückschlüsse auf die auf die Düsennadel wirkende Kraft gezogen werden.
Die ermittelte Information über die auf die Düsennadel wirkende Kraft kann in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, Rückschlüsse auf den Hub der Düsennadel zu ziehen. Eine Kenntnis des Hubes der Düsennadel wiederum erlaubt es, den Kraftstoffdurchfluss durch den Piezoinjektor zu ermitteln. Aus dem Kraftstoffdurchfluss kann schließlich die eingespritzte Kraftstoffmenge durch eine Integralbildung ermittelt werden. Dies wiederum erlaubt eine exakte Einstellung eines Teilhubbetriebes, um am Ende des Arbeitsspiels die von der Brennkraftmaschine geforderte Einspritzmenge als Integral des einspritzdüsennadelhubabhängigen Kraftstoffflusses durch die Düse zu gewährleisten, obwohl sich bei dieser Betriebsart die Bauteiltoleranzen im Injektor sowie unterschiedliche Umgebungsbedingungen beim Betrieb des Injektors in der Brennkraftmaschine durch die Steilheit der über den Nadelhub aufgetragenen Durchflusskennlinie der Düse tendenziell stärker auswirken als bei einem Vollhubbetrieb.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
1 eine Skizze zur Erläuterung des Aufbaus eines Piezoinjektors, bei welchem ein Verfahren gemäß der Erfindung verwendet werden kann, und
2 Diagramme zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen der am Piezoaktor anliegenden Spannung, der am Piezoaktor anliegenden Kraft, dem resultierenden Nadelhub und der daraus resultierenden Einspritzrate.
Die 1 zeigt eine Skizze zur Erläuterung des Aufbaus eines Piezoinjektors, bei welchem ein Verfahren gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Der dargestellte Piezoinjektor weist einen Piezoaktor 1, einen Pin 2, ein Hebelgehäuse 3, eine Glocke 4, einen Hebel 5, eine Zwischenscheibe 6, eine Düsennadelfeder 7, eine Düsennadel 8 und einen Düsenkörper 9 auf.
Der Piezoaktor 1 besteht aus einer Vielzahl einzelner dünner Schichten, die sich bei einem Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnen, d. h. sie übersetzen eine angelegte elektrische Spannung in mechanische Arbeit bzw. Energie. Umgekehrt rufen mechanische Beeinflussungen des Piezoaktors elektrische Signale hervor, die gemessen werden können. Die erreichbare Ausdehnung eines Piezoaktors ist abhängig von Parametern, zu denen seine nominelle Länge, die Anzahl seiner Schichten, die Güte der erfolgten Polarisierung und das Verhältnis seiner aktiven Fläche zu seiner Gesamtfläche gehören. Ist ein Piezoaktor aufgeladen, dann verharrt er für die Dauer der jeweiligen Einspritzung in seiner erreichten Ausdehnung.
Bei dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Piezoinjektor, bei dem die Düsennadel 8 durch den Piezoaktor 1 direkt angetrieben wird. Zu diesem Zweck ist der Piezoaktor 1 über den Pin 2, die Glocke 4 und den Hebel 5, bei denen es sich um steife, formschlüssig geführte Koppelelemente handelt, unmittelbar mit der Düsennadel 8 verbunden. Durch diese unmittelbare Verbindung der Düsennadel mit dem Piezoaktor wird ein rückwirkender Krafteintrag von der Nadelbewegung auf den Piezoaktor ermöglicht, der im Kapazitätsverlauf erkennbar ist. Jeder Krafteintrag in den Piezoaktor äußert sich in einer Änderung der gemessenen Kapazität.
Der Düsenkörper 9 dehnt sich temperaturabhängig aus. Der Zweck der Düsennadelfeder 7 besteht darin, die Düsennadel 8 in ihrem Sitz zu halten. Die genannte Ausdehnung des Düsenkörpers 9 in Richtung seiner Längsachse, die sogenannte Düsenlängung, beeinflusst den maximalen Nadelhub. Auch der im nicht gezeichneten Rail herrschende Raildruck bewirkt eine Längung des Düsenkörpers und eine Stauchung der Düsennadel.
Bei einem Nadelöffnungsvorgang erfolgt zunächst ein Aufladen des Piezoaktors 1 durch ein Bestromen desselben. Nach einem Überwinden des Leerhubes wird die Ausdehnung des Piezoaktors 1 über den Pin 2 auf die Glocke 4 übertragen, wobei der Pin 2 im Hebelgehäuse 3 geführt wird. Die Glocke 4 drückt beidseits symmetrisch auf den Hebel 5, der ein Hebelpaar bildet. Diese Hebel rollen auf der Zwischenscheibe 6 nach Art einer Wippe. Der jeweilige Angriffspunkt der beiden Hebel liegt in einer Einkerbung der Düsennadel 8.
Durch die vorstehend beschriebene Mechanik wird die axiale Druckkraft des Piezoaktors 1 auf die Düsennadel 8 übertragen. Die Düsennadel wird aus ihrem Sitz gehoben, sobald die Hebelkraft größer ist als die Summe aus der Federkraft und der hydraulischen Kraft und die Elastizität des Düsenkörpers 9 nicht mehr für ein Nacheilen des Nadelsitzes mit der Düsennadel sorgt.
Nach einem definierten Weg trifft der Nadelanschlag auf die Zwischenscheibe. Es baut sich eine Kontaktkraft auf, die auf den Piezoaktor 1 zurückwirkt.
Mit derartigen Piezoaktoren 1 ist es möglich, die Düsennadel 8 nur teilweise aus ihrem Sitz zu heben und im sogenannten Teilhub zu halten. Der freigegebene Durchflussquerschnitt zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper ist dabei kleiner als die Summe der Querschnitte aller Düsenlöcher.
Die 2 zeigt Diagramme zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen der am Piezoaktor anliegenden Spannung, der am Piezoaktor anliegenden Kraft, dem resultierenden Nadelhub und der daraus resultierenden Einspritzrate. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, dass in dem Rail, aus welchem die Kraftstoffversorgung des Piezoinjektors erfolgt, ein Druck von 1000 bar herrscht, und das Piezoinjektor in einem Teilhubbetrieb arbeitet.
In der 2a ist der Verlauf der am Piezoinjektor anliegenden Spannung U während des Teilhubbetriebes in Abhängigkeit von der Zeit t gezeigt, und zwar für mehrere verschiedene, am Piezoinjektor anliegende Spannungen. Die nachfolgenden Betrachtungen beziehen sich auf die in der 2a gezeigten Spannungen U1 und U2.
Aus der 2a ist ersichtlich, dass das Laden des Piezoinjektors zu einem Zeitpunkt t0 = 0 beginnt. Im Rahmen des Ladevorganges steigt die am Piezoaktor anliegende Spannung U1 bis auf einen Maximalwert M1 an. An diesem Zeitpunkt endet der Ladevorgang. Nach dem Erreichen des Maximums M1 sinkt der Spannungswert U1 wieder ab, erreicht einen konstanten Spannungswert und verbleibt bis zum Zeitpunkt t2 auf diesem. Ab dem Zeitpunkt t2 erfolgt ein aktives Entladen des Piezoaktors. Folglich sinkt die am Piezoaktor anliegende Spannung wieder auf 0 V ab.
Liegt im Rahmen des Ladevorganges am Piezoaktor eine Spannung U2 an, dann erfolgt ab dem Zeitpunkt t0 = 0 ein Spannungsanstieg am Piezoaktor bis zu einem Maximalwert M2, welcher kleiner ist als der Maximalwert M1. Nach dem Erreichen des Maximums M2 verbleibt der Spannungswert der Spannung U2 auf ein und demselben Spannungswert, der dem Maximalwert M2 entspricht.
Bei der vorliegenden Erfindung werden die in der 2a gezeigten Verläufe der am Piezoaktor anliegenden Spannung verwendet, um Rückschlüsse auf die am Piezoaktor anliegende Kraft zu ziehen.
Zu diesem Zweck erfolgt nach dem Ende des Ladevorganges, d. h. beim Erreichen des Maximalwertes M1 bzw. M2 eine Spannungsmessung. Aus den gemessenen darauf folgenden Spannungswerten wird ein Spannungsgradient ermittelt (siehe G1 und G2 in 2a). Aus diesem Spannungsgradienten werden Rückschlüsse auf die auf der Düsennadel wirkende Kraft gezogen. Dazu wird mittels des genannten Spannungsgradienten eine im voraus abgespeicherte Datenbank adressiert, in welcher für den gegebenen Kraftstoffdruck einer Vielzahl von Spannungsgradienten jeweils ein Kraftwert zugeordnet ist.
In der 2b ist der Verlauf der auf den Piezoaktor wirkenden Kraft während des Teilhubbetriebes über der Zeit t aufgetragen, und zwar wiederum für die mehreren verschiedenen, am Piezoinjektor anliegenden Spannungen. Der in der 2b gezeigte Kraftverlauf K1 ist dem in der 2a gezeigten Spannungsverlauf U1 zugeordnet. Der in der 2b gezeigte Kraftverlauf K2 ist dem in der 2a gezeigten Spannungsverlauf U2 zugeordnet. Es ist ersichtlich, dass der Kraftverlauf K1 den Spannungsverlauf U1 wiederspiegelt und dass der Kraftverlauf K2 den Spannungsverlauf U2 wiederspiegelt. So tritt sowohl bei U1 als auch bei K1 nach dem Erreichen des jeweiligen Maximums jeweils ein deutlicher Rückgang des Amplitudenwertes auf, so dass der aus aufeinanderfolgenden Spannungs- bzw. Kraftwerten abgeleitete Gradient vergleichsweise groß ist. Bei U2 und auch bei K2 hingegen weichen die aufeinanderfolgenden Werte der Spannung bzw. der Kraft allenfalls geringfügig voneinander ab, so dass der Gradient etwa den Wert 1 hat.
In einer im voraus abgespeicherten Datenbank sind nunmehr Datensätze abgespeichert, die für einen vorgegebenen Druckwert einer Vielzahl von Spannungsgradienten jeweils einen Kraftwert zuordnen. Mittels eines ermittelten Spannungsgradienten kann folglich diese Datenbank adressiert werden, um einen jeweils zugehörigen Kraftwert zu ermitteln.
Die ermittelten Kraftwerte werden vorzugsweise ihrerseits dazu verwendet, eine weitere im voraus abgespeicherte Datenbank zu adressieren. In dieser weiteren Datenbank sind wiederum für einen vorgegeben Raildruckwert einer Vielzahl von Kraftwerten jeweils ein Wert für den Nadelhub zugeordnet.
Dies wird anhand der 2c veranschaulicht, in welcher der Hub der Düsennadel über der Zeit t aufgetragen ist. Der der Kraft K1 entsprechende Verlauf des Hubes ist mit H1 bezeichnet, der der Kraft K2 entsprechende Verlauf des Hubes ist mit H2 bezeichnet. Aus einem Vergleich der 2b und 2c ist erkennbar, dass ein größerer Kraftgradient, wie er in der Kurve K1 auftritt, zu einem größeren Hub führt, während ein kleiner Kraftgradient, wie er in der Kurve K2 auftritt, nur zu einem kleinen oder gar keinem Nadelhub führt, wie es in der 2c durch die Kurve H2 veranschaulicht ist.
Auch bezüglich des Paares Kraft-Nadelhub ist eine Datenbank vorgesehen, in welcher für einen vorgegebenen Wert des Raildruckes einer Vielzahl von Kraftwerten jeweils ein Hubwert zugeordnet ist. Diese Datenbank kann folglich mittels eines Kraftwertes adressiert werden, um einen zugehörigen Hubwert zu ermitteln.
Aus diesem Hubwert wiederum können Rückschlüsse auf einen zugehörigen Kraftstoffdurchfluss bzw. eine zugehörige Kraftstoffdurchflussrate gezogen werden. So sind in der 2d mehrere Kraftstoffdurchflussratenverläufe gezeigt, von denen einer mit dem Bezugszeichen R1 und ein anderer mit dem Bezugszeichen R2 bezeichnet ist. Der Verlauf R1 ist dem in der 2c gezeigten Verlauf H1 zugeordnet, der Verlauf R2 dem in der 2c gezeigten Verlauf H2. Es ist ersichtlich, dass ein großer Nadelhub auch zu einer großen Durchflussrate führt.
Diese Zuordnung zwischen Nadelhub und Durchflussrate ist wiederum in einer im voraus abgespeicherten Datenbank getroffen, in welcher für einen vorgegebenen Wert des Raildruckes eine Vielzahl von Hubwerten und ein jeweils zugehöriger Durchflussratenwert hinterlegt sind. Mittels eines Raildruckwertes kann die genannte Datenbank adressiert werden, um einen jeweils zugehörigen Durchflussratenwert zu ermitteln.
Aus dem Durchflussratenwert können schließlich durch eine Integralbildung Rückschlüsse auf die jeweils eingespritzte Kraftstoffmenge gezogen werden. Anhand dieser Werte für die eingespritzte Kraftstoffmenge kann dann eine Regelung des Teilhubbetriebes vorgenommen werden, durch welche sichergestellt ist, dass stets die jeweils gewünschte Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Dies wiederum hat den Vorteil, dass die genannte Teilhubansteuerung mit ihren emissionstechnischen Vorteilen im kompletten Last/Drehzahlbereich verwendet werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/010374 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Ermittlung der auf die Düsennadel eines direkt getriebenen Piezoinjektors wirkenden Kraft, bei welchem mittels eines Ladevorganges eine elektrische Spannung an dem die Düsennadel treibenden Piezoaktor aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass – nach dem Ende des Ladevorganges eine wiederholte Messung der am Piezoaktor anliegenden Spannung erfolgt, – aus aufeinanderfolgenden Spannungswerten ein Spannungsgradient ermittelt wird und – aus dem Spannungsgradienten Rückschlüsse auf die auf die Düsennadel wirkende Kraft gezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung des ermittelten Spannungsgradienten eine Datenbank adressiert wird, in welcher einer Vielzahl von Spannungsgradienten jeweils ein Kraftwert zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem ermittelten Kraftwert Rückschlüsse auf den Hub der Düsennadel gezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung des ermittelten Kraftwertes eine Datenbank adressiert wird, in welcher einer Vielzahl von Kraftwerten jeweils ein Hubwert zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Hub der Düsennadel Rückschlüsse auf den Kraftstoffdurchfluss gezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung des ermittelten Hubwertes eine Datenbank adressiert wird, in welcher einer Vielzahl von Hubwerten jeweils ein Kraftstoffdurchflusswert zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Kraftstoffdurchflusswert Rückschlüsse auf die eingespritzte Kraftstoffmenge gezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlusse auf die eingespritzte Kraftstoffmenge durch eine Integralbildung des Kraftstoffdurchflusswertes gezogen werden.