DE102011075732A1 - Regelverfahren für ein Einspritzventil und Einspritzsystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren für ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine, wobei in wiederkehrenden Einspritzzyklen und in Abhängigkeit von einer Soll-Hubhöhe eines Verschlusselementes des Einspritzventils jeweils mindestens ein Steuersignal zum Ansteuern eines Antriebs des Einspritzventils erzeugt wird, wobei der Antrieb durch das Steuersignal zum Anheben des Verschlusselements auf die Soll-Hubhöhe angesteuert wird und das Verschlusselement mittels des Antriebs auf eine Ist-Hubhöhe angehoben wird, wobei mindestens eine mit der Ist-Hubhöhe korrelierte Messgröße erfasst wird und die Ist-Hubhöhe in Abhängigkeit von dieser mindestens einen Messgröße bestimmt wird, wobei das Steuersignal in mindestens einem der nachfolgenden Einspritzzyklen in Abhängigkeit von einer Abweichung der Ist-Hubhöhe von der Soll-Hubhöhe erzeugt wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein entsprechendes Einspritzsystem.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren für ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Die Erfindung betrifft außerdem ein entsprechendes Einspritzsystem gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
  • Derartige Regelverfahren dienen dazu, Einspritzventile so anzusteuern, dass diese möglichst exakt zu vorgegebenen Zeitpunkten geöffnet und wieder geschlossen werden, um möglichst genau eine vorgegebene Menge eines unter Druck stehenden Kraftstoffs in die Brennkraftmaschine einzuspritzen. Auf diese Weise und gegebenenfalls auch mittels zusätzlicher Vor- und/oder Nacheinspritzungen zusätzlich zu einer Haupteinspritzung innerhalb eines Einspritzzyklus lässt sich die Effizienz der Brennkraftmaschine steigern und gleichzeitig Abgas- und Lärmemissionen verringern.
  • Ein Einspritzventil, häufig auch als Injektor bezeichnet, weist ein Verschlusselement auf, das mittels eines Stellantriebs, im Folgenden kurz als Antrieb bezeichnet, zum Öffnen und Schließen des Injektors bewegt werden kann. Im verschlossenen Zustand des Injektors, in dem keine Einspritzung erfolgt, befindet sich das Verschlusselement in einer Schließposition, die auch als Verschlussposition bezeichnet wird, in der es alle Einspritzöffnungen des Injektors verschließt. Mittels des Antriebs kann das Verschlusselement, ausgehend von seiner Schließposition, angehoben werden, um auf diese Weise zumindest manche der Einspritzöffnungen freizugeben und die Einspritzung zu auszulösen.
  • Häufig weist das Verschlusselement eine Düsennadel auf oder ist als eine solche ausgestaltet. In ihrer Verschlussposition sitzt diese Düsennadel dann typischerweise auf einem sogenannten Nadelsitz des Injektors. Der Antrieb des Injektors umfasst zum Bewegen des Verschlusselements einen Aktor, der typischerweise dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines Steuersignals das Verschlusselement aus der Schließposition auf eine Hubhöhe anzuheben, es in dieser Hubhöhe zu halten und/oder des Verschlusselement wieder zurück in die Schließposition zu bewegen. Beispielsweise kann dieser Aktor durch ein Piezoelement gegeben sein, das sich infolge von elektrischen Lade- oder Entladevorgängen ausdehnt oder zusammenzieht und auf diese Weise eine Hub- oder Schließbewegung des Verschlusselements auslöst. Solche auch als Piezoaktoren bezeichnete Aktoren eignen sich besonders gut für ein genaues und verzögerungsfreies Bewegen des Verschlusselements. Dies ist besonders bei sogenannten direkt angetriebenen (Piezo-)Injektoren der Fall, bei denen eine direkte und verzögerungsfreie Kraftübertragung zwischen dem Piezoaktor und dem Verschlusselement ermöglichst wird. Ein solcher direkt angetriebener Injektor ist beispielsweise aus der Druckschrift EP 1 760 305 A1 bekannt, deren Offenbarungsgehalt hiermit vollständig übernommen sei.
  • Bei der Anwendung bekannter Regelverfahren für Einspritzventile, bei denen Einspritzventile eines Einspritzsystems, beispielsweise eines Common-Rail Einspritzsystems, mittels Steuersignalen angesteuert werden, stellt es sich häufig als problematisch heraus, dass zwischen baugleichen Einspritzventile innerhalb des Einspritzsystems Unterschiede in deren Ansprechverhalten auf die Steuersignale vorliegen können. Als besonders problemtische stellen sich Unterschiede im Öffnungsverhalten der Einspritzventile, da diese sich besonders stark auf Menge und Zeitpunkt von Einspritzungen auswirken können.
  • Solche Unterschiede können beispielsweise durch Fertigungstoleranzen, fortschreitende Verschleißerscheinungen oder andere, möglicherweise ebenfalls zeitabhängige Störeinflüsse hervorgerufen werden. Durch Verschließ kann zum Beispiel ein mit der Zeit größer werdendes Spiel zwischen dem Piezoaktor und dem Schließelement zustande kommen, so dass das Einspritzventil erst mit einer genau bekannten Verzögerung nach einer Ansteuerung des Einspritzventils öffnet. Aus der Druckschrift DE 10 2008 023 373 A1 ist beispielsweise ein Regelverfahren beschrieben, mit dem sich ein Leerhub, der aufgrund des oben genannten Spiels zwischen dem Piezoaktor und dem Verschlusselement zustande kommt, berücksichtigt und ausgeglichen werden kann. Dabei ist vorgesehen, dass die Lage eines Maximums eines Kraftverlaufs einer vom Piezoaktor auf das Verschlusselement ausgeübten Kraft bestimmt wird und anhand der zeitlichen Lage dieses Maximums auf den Zeitpunkt der tatsächlichen Öffnung des Einspritzventils zurückgeschlossen wird. Anschließend wird die Lage des Maximums des Kraftverlaufs als eine Regelgröße des Regelverfahrens verwendet und auf einen Sollwert geregelt.
  • Neben dem beschriebenen Leerhub kann das Ansprechverhalten des Injektors auf das Ansteuersignal von vielen weiteren Einflussfaktoren und Störgrößen abhängen, wie z.B. einem Verschleiß weiterer Bauteile, einer Düsenkörpertemperatur, einer Kraftstoffviskosität, einem Kraftstoffdruck, einer Temperatur des Piezoelements des Antriebs, wie auch einer Vorgeschichte des Piezoelements.
  • Neben einer möglichst genauen Einstellung des Einspritzzeitpunkts und der Einspritzmenge zunehmend auch eine Einstellung einer Einspritzrate gefordert. Dabei sei mit der Einspritzrate die pro Zeiteinheit eingespritzte Kraftstoffmenge bezeichnet. Diese Anforderungen bedingen eine hohe Regelgüte des Regelverfahrens, welche auch dann noch hinreichend sein muss, wenn das Ansprechverhalten und insbesondere das Öffnungsverhalten eines verwendeten Injektors sich zeitlich ändert und/oder von einem erwarteten Verhalten bzw. eines Referenzverhaltens von Injektoren gleicher Bauart abweicht. Insbesondere stellt es sich aufgrund von abweichenden Öffnungsverhalten einzelner Injektoren eines Einspritzsystem als besonders schwierig heraus, gleiche Einspritzraten mit den einzelnen Injektoren des Systems zu erzielen (Gleichstellung).
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Regelverfahren für einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine vorzuschlagen, dass sich durch eine besonders gute Regelgüte auszeichnet und ein möglichst präzises Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennkraftmaschine mittels eines Injektors ermöglicht. Dabei soll insbesondere das individuelle Ansprechverhalten bzw. Öffnungsverhalten des oder der verwendeten Injektoren möglichst gut berücksichtigt bzw. ausgleichen werden. Neben fertigungsbedingten Toleranzen des Injektors sollen dabei auch zeitabhängige Störgrößen, wie die oben genannten, insbesondere ein fortlaufender Verschleiß oder Temperaturänderungen des Injektors, möglichst vollständig ausgeglichen werden. Außerdem soll ein entsprechendes Einspritzsystem vorgeschlagen werden, das sich zur Durchführung eines solchen Regelverfahrens eignet, das also eine möglichst genaue Ansteuerung eines Injektors des Systems und somit eine besonders genaue Vorgabe von Einspritzmengen und Einspritzzeitpunkten ermöglicht, wobei insbesondere ein injektorindividuelle Abweichungen des Ansprechverhaltens bzw. des Öffnungsverhaltens des Injektors von einem Referenzverhalten baugleicher Injektoren möglichst gut berücksichtigt bzw. ausgeglichen wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Regelverfahren gemäß dem Hauptanspruch sowie durch ein Einspritzsystem gemäß dem Nebenanspruch. Weiterentwicklungen und spezielle Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstände der Unteransprüche.
  • Ein erfindungsgemäßes Regelverfahren für ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine sieht demnach vor, dass in wiederkehrenden Einspritzzyklen und in Abhängigkeit von einer Soll-Hubhöhe eines Verschlusselementes des Einspritzventils jeweils mindestens ein Steuersignal zum Ansteuern eines Antriebs des Einspritzventils erzeugt wird, wobei der Antrieb durch das Steuersignal zum Anheben des Verschlusselements auf die Soll-Hubhöhe angesteuert wird und das Verschlusselement mittels des Antriebs auf eine Ist-Hubhöhe angehoben wird.
  • Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es entscheidend, dass mindestens eine mit der Ist-Hubhöhe korrelierte Messgröße erfasst wird, beispielsweise durch direktes oder indirektes Messen, und die Ist-Hubhöhe in Abhängigkeit von dieser mindestens einen Messgröße bestimmt wird. Außerdem ist vorgesehen, dass das Steuersignal in mindestens einem der nachfolgenden Einspritzzyklen, vorzugsweise in dem direkt nachfolgenden Einspritzzyklus, in Abhängigkeit von einer Abweichung der Ist-Hubhöhe von der Soll-Hubhöhe erzeugt wird.
  • Ein erfindungsgemäßes Einspritzsystem zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine ist dazu eingerichtet bzw. ausgestattet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Ein derartiges Einspritzsystem umfasst demnach eine Steuereinheit und mindestens ein Einspritzventil mit einem Verschlusselement zum Verschließen des Einspritzventils, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, in wiederkehrenden Einspritzzyklen und in Abhängigkeit von einer Soll-Hubhöhe des Verschlusselementes jeweils mindestens ein Steuersignal zum Ansteuern eines Antriebs des mindestens einen Einspritzventils zu erzeugen. Dabei kann ein Einspritzzyklus eine oder mehrere Einzeleinspritzungen beinhalten, beispielsweise eine Haupteinspritzung und eine oder mehrere Vor- und/oder Nacheinspritzungen.
  • Der Antrieb ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von dem Steuersignal das Verschlusselement auf die Soll-Hubhöhe anzuheben. Aufgrund von nie vollständig zu vermeidenden Produktionstoleranzen, Verschließ und anderer Störeinflüssen wird diese Soll-Hubhöhe aber praktisch niemals exakt erreicht sondern nur mit einer gewissen Genauigkeit. Die tatsächliche Hubhöhe des Verschlusselements wird als Ist-Hubhöhe bezeichnet.
  • Für das erfindungsgemäße Einspritzsystem ist es entscheidend, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, mindestens eine mit der Ist-Hubhöhe des Verschlusselements korrelierte Messgröße zu erfassen, beispielsweise durch direktes oder indirektes Messen, die Ist-Hubhöhe in Abhängigkeit von dieser mindestens einen Messgröße zu bestimmen und anschließend das Steuersignal in mindestens einem der nachfolgenden Einspritzzyklen, vorzugsweise in dem direkt nachfolgenden Einspritzzyklus, in Abhängigkeit von einer Abweichung der Ist-Hubhöhe von der Soll-Hubhöhe zu erzeugen.
  • Die genannte Soll-Hubhöhe wird typischerweise bestimmt in Abhängigkeit von einem Öffnungsgrad, der zur Erzielung einer gewünschten Einspritzrate erforderlich ist, vorzugsweise unter Berücksichtigung weiterer Betriebsparameter, wie beispielsweise einem Druck, einer Temperatur und/einer Viskosität des Kraftstoffs. Für einen sogenannten sitzgedrosselten Betrieb, in dem durch das Verschlusselement eine bestimmte Drosselwirkung auf den Kraftstoff ausgeübt werden soll und/oder bei dem nur manche aber nicht alle von mehreren Einspritzlöchern des Einspritzventils freigegeben werden sollen, wird eine Soll-Hubhöhe vorgegeben, die kleiner als eine maximale Hubhöhe des Einspritzventils ist. Die maximale Hubhöhe wird häufig auch als Grenzhubhöhe bezeichnet und ist typischerweise durch einen mechanischen Anschlag des Verschlusselements oberhalb der Schließposition des Verschlusselements definiert.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich das individuelle Öffnungsverhalten eines gegebenen Injektors besonders genau und zuverlässig durch die nach der Ansteuerung des Injektors, d.h. des Antriebs, erzielten Ist-Hubhöhe des Verschlusselementes charakterisieren lässt. Fertigungstoleranzen, Verschleiß und weitere Störeinflüsse, die das Öffnungsverhalten des Injektors beeinflussen können, lassen sich unter Verwendung der genannten Abweichung zwischen der Soll-Hubhöhe und der tatsächlich erzielten Ist-Hubhöhe besonders gut ausgleichen, indem eine nachfolgende Ansteuerung des Injektors entsprechend korrigiert wird. Daher lässt sich durch die Verwendung dieser Abweichung als Regelabweichung ein besonders robustes Regelverfahren für Injektoren erzielen, mit dem sich also auch mit solchen Injektoren präzise Einspritzungen und eine hohe Regelgüte erzielen lassen, deren Öffnungsverhalten von denen eines Referenzinjektors abweichen und/oder sich zeitlich ändern, beispielsweise durch Verschleiß der Injektoren.
  • Vorzugsweise wird also die Abweichung zwischen der Ist-Hubhöhe und der Soll-Hubhöhe selbst als Regelabweichung des Regelverfahrens verwendet. Dies bedeutet, dass in Abhängigkeit von der zu einer ersten Ansteuerung gehörenden Regelabweichung, also der Differenz zwischen der Ist-Hubhöhe und der Soll-Hubhöhe dieser ersten Ansteuerung, nachfolgende Ansteuerungen, d.h. die Steuersignale der nachfolgenden Ansteuerungen, so korrigiert werden, dass die Regelabweichungen der nachfolgenden Ansteuerungen geringer ausfallen als die Regelabweichung der ersten Ansteuerung. Auf diese Weise lässt sich ein präzises Einspritzen des Kraftstoffs erzielen, ohne dabei von einem referenztreuen und exakt vorgegebenen Öffnungsverhalten des Injektors abzuhängen.
  • Die Ist-Hubhöhe, also die mittels der genannten korrelierten Messgröße bzw. Messgrößen bestimmte tatsächlich erzielte Hubhöhe des Verschlusselements, soll auch durch solche Größen gegeben sein können, die selbst ein eindeutiges Maß für die Hubhöhe darstellen. Dabei muss die Einheit dieses Maßes bzw. dieser Größe keine Längeneinheit sein, sondern kann beispielsweise auch, wie weiter unten beschrieben wird, eine Zeiteinheit oder eine Druckeinheit sein. Insbesondere ist es möglich, dass diese als Maß für die Hubhöhe dienende bzw. verwendete Größe identisch mit (einer) der genannten korrelierten Messgröße(n) ist. In diesem Fall wird also diese Messgröße selbst als Ist-Hubhöhe interpretiert und verwendet.
  • Als Messgrößen, die mit der Ist-Hubhöhe korreliert sind und die zur Bestimmung der Ist-Hubhöhe verwendet werden, kommen vorzugsweise solche Messgrößen in Betracht, die ihrerseits von der (nach der Ansteuerung) tatsächlich erzielten Ist-Hubhöhe des Verschlusselements beeinflusst werden, also physikalisch-kausal von der tatsächlich erzielten Hubhöhe abhängen. Hierfür werden weiter unten mehrere Beispiele genannt. Es ist auch möglich mehrere derartige Größen zur Bestimmung der Ist-Hubhöhe zu verwenden. Auf diese Weise kann die Ist-Hubhöhe besonders zuverlässig bestimmt werden, Ausreißer leichter erkannt werden können und einzelne Messfehler weniger stark ins Gewicht fallen können.
  • Mit dem genannten Steuersignal wird mindestens eine Stellgröße des Antriebs auf den Antrieb übertragen. In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Antrieb einen Piezo-Aktor zum Bewegen des Verschlusselements aufweist. Mit dem Steuersignal wird dann als Stellgröße eine Ladestromstärke, eine Ladespannung und/oder eine Ladezeit zum Aufladen des Piezo-Aktors vorgegeben und auf den Piezoaktor übertragen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Injektor um einen direkt angetriebenen Piezo-Injektor, bei dem also, wie oben beschrieben, eine direkte und praktisch verzögerungsfreie Kraftübertragung zwischen dem Piezo-Aktor und dem Verschlusselement realisiert wird. Prinzipiell kann aber auch ein Magnetaktor vorgesehen sein. In einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, unter Verwendung von durch den Piezo-Aktor erzeugten elektrischen Signalen zumindest eine der mindestens einen mit der Ist-Hubhöhe korrelierten Messgröße zu bestimmen. Hierbei dient der Piezo-Aktor des Antriebs also zusätzlich als Sensor, also als Piezo-Sensor, zum Messen dieser Messgröße. Ein Beispiel hierfür wird weiter unten beschrieben.
  • In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass nach Ansteuerung des Antriebs mit dem Steuersignal ein Ist-Wert einer Messgröße erfasst wird, die den Antrieb, beispielsweise einen momentanen Zustand, einen momentanen Bewegungszustand oder einen momentanen dynamischen Zustand des Antriebs, charakterisiert. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Zustand des Antriebs um einen, der zeitlich vor dem erzielen der Ist-Hubhöhe vorliegt, so dass die Ist-Hubhöhe vorzugsweise physikalisch-kausal von dem Ist-Wert der diesen Zustand charakterisierenden Messgröße abhängt. In mindestens einem der nachfolgenden Einspritzzyklen wird eine Abweichung dieses Ist-Wertes von einem Soll-Wert dieser Messgröße bei der Erzeugung des Steuersignals berücksichtigt. Hierzu kann die Steuereinheit entsprechend eingerichtet sein. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Ist-Wert dieser Messgröße als Regelgröße eines unterlagerten Regelkreises des Regelverfahrens verwendet wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass als solche Messgröße eine Ladeenergie eines Piezo-Aktors des Antriebs oder auch eine zeitlicher Kraftverlauf des Antriebs bzw. eine Kenngröße dieses Kraftverlaufs wie etwa ein Kraftmaximum verwendet wird. Die Verwendung eines Kraftmaximums als Regelgröße eines Regelverfahrens für einen Injektor zum Ausgleich eines Leerhubs und damit einhergehenden Verzögerungen im Öffnungsverhalten wurde bereits eingangs beschrieben.
  • Durch Verwendung der den Zustand des Antriebs charakterisierenden Messgröße, insbesondere dann, wenn der erzielte Ist-Nadelhub von dem Ist-Wert dieser den Antrieb charakterisierenden Messgröße abhängt, lässt sich eine besonders robuste Kaskadenregelung realisieren. Bei einer solchen Kaskadenregelung beinhaltet das Regelverfahren die Regelung der den Antrieb charakterisierenden Messgröße als einen weiteren „untergelagerten“ Regelkreis. Dabei wird vorzugsweise der Nadelhub als Regelgröße eines „äußeren“ Regelkreises des Verfahrens verwendet und der Ladezustand bzw. eine Ladeenergie des Piezoaktors als Regelgröße des unterlagerten Regelkreises. Hierzu kann die Steuereinheit entsprechend eingerichtet sein. Dies wird weiter unten anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels weiter beschrieben werden.
  • Vorzugsweise wird die Messung des Ist-Wertes der den Antrieb charakterisierenden Messgröße möglichst unmittelbar nach einer Ansteuerung des Injektors vorgenommen, vorzugsweise zumindest einmal pro Einspritzzyklus, besonders bevorzugt nach jeder einzelnen Ansteuerung des Injektors.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Einspritzsystem einen Nadelhubsensor, mit dem der Ist-Nadelhub direkt gemessen wird. Um die mit einem derartigen Nadelhubsensor zusätzlichen Kosten einzusparen, werden aber vorzugsweise andere mit dem Ist-Nadelhub korrelierte Messgrößen zur Bestimmung des Ist-Nadelhubs gemessen und verwendet. Im Folgenden werden, nicht abschließend, einige Beispiele hierfür beschrieben.
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest eine der mindestens einen mit der Ist-Hubhöhe korrelierte Messgröße als Zeitdifferenz zwischen einem Schließzeitpunkt, in dem das Verschlusselement in einer Verschlussposition eintrifft, und einem vorangegangenen Startzeitpunkt einer Schließbewegung des Verschlusselements in Richtung der Verschlussposition, gemessen wird. Dabei wird die Schließbewegung mit dem Antrieb zum Startzeitpunkt ausgelöst. Der Startzeitpunkt der Schließbewegung kann unter Verwendung der Ansteuerung des Antriebs mit einem entsprechenden Steuersignal zum Auslösen dieser Schließbewegung bestimmt werden.
  • Vorzugsweise wird der Schließzeitpunkt mittels des Piezo-Aktors selbst erfasst, indem ein durch das Auftreffen des Verschlusselements in der Verschlussposition ausgelöstes elektrisches Signal im Piezo-Aktor gemessen und mit der entsprechend eingerichteten Steuereinheit ausgewertet wird. Die genannte Zeitdifferent ist die Dauer der Schließbewegung, also die Zeit, die das Verschlusselement benötigte, um ausgehende von der Ist-Hubhöhe zur Schließ- bzw. Verschlussposition zurückzukehren. Da also ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dieser Zeitdifferenz und der Ist-Hubhöhe besteht, kann diese Zeitdifferenz selbst als Maß für die Ist-Hubhöhe verwendet werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Ist-Hubhöhe aus dieser Zeitdifferenz in einem weiteren Verfahrensschritt bestimmt wird, entweder unter Verwendung einer entsprechenden (zeitintegrierten) Bewegungsgleichung, in die die Zeitdifferenz eingesetzt wird, oder unter Verwendung eines entsprechenden Kennfeldes, in welchem Wertepaare von Zeitdifferenzen und zugehöriger Ist-Hubhöhen sowie gegebenenfalls weitere Betriebsparameter, wie etwa die Temperatur und der Druck des Kraftstoffs abgelegt sind. Hierfür kann die Steuereinheit entsprechend eingerichtet sein.
  • Es kann ferner vorgesehen sein, dass zumindest eine der mindestens einen mit der Ist-Hubhöhe korrelierten Messgröße durch eine elektrische Kapazität gegeben ist, die der Piezo-Aktor des Antriebs in einem Zeitpunkt aufweist, in dem sich das Verschlusselement auf der Ist-Hubhöhe befindet. Vorzugsweise wird diese Kapazität für den Zeitpunkt direkt nach der Hubbewegung, am Ende des Ansteuersignals für die Hubbewegung oder zum Startzeitpunkt der Schließbewegung, also unmittelbar vor der Steuersignal zum Auslösen der Schließbewegung bestimmt. Dabei kann die Kapazität unter Verwendung der bekannten Formel C = Q/U oder C = integral[I(t)dt]/U berechnet werden, wobei beispielsweise über die Dauer einer vorausgegangene Ladezeit und ggf. einer anschließenden Haltedauer des Verschlusselements auf der Ist-Hubhöhe während eines Einspritzzyklus integriert wird. Es wird dann also die Kapazität nicht selbst direkt gemessen, sondern der zeitliche Verlauf eines Lade- bzw. Entladestroms des Piezoaktors und eine Piezoaktor anliegenden elektrische Spannung.
  • Ferner ist es möglich, dass zumindest eine der mindestens einen mit der Ist-Hubhöhe korrelierten Messgröße als Einspritzrate des Kraftstoffs mittels eines Durchflusssensors des Einspritzsystems gemessen wird. Anschließend wird dann in Abhängigkeit von der Einspritzrate die Ist-Hubhöhe während des Einspritzens bestimmt. Hierfür kann die Steuereinheit entsprechend eingerichtet sein.
  • Es kann außerdem vorgesehen sein, dass zumindest eine der mindestens einen mit der Ist-Hubhöhe korrelierten Messgröße gemessen wird, indem in dem Einspritzventil, einer Zuleitung zum Einspritzventil und/oder in einem Druckspeicher ein durch das Einspritzen des Kraftstoffs ausgelöster Druckabfall des Kraftstoffs erfasst wird und hieraus die eingespritzte Menge, die Einspritzrate und schließlich die Ist-Hubhöhe berechnet wird.
  • Außerdem kann das Einspritzsystem einen Drucksensor zur Messung des genannten Druckabfalls umfassen. Es kann auch vorgesehen sein, dass zumindest eine der mindestens einen mit der Ist-Hubhöhe korrelierten Messgröße als eine durch die Einspritzung ausgelöste Änderung einer Drehzahl der Brennkraftmaschine erfasst wird. Diese Drehzahländerung kann beispielsweise mittels eines Drehzahlsensors bestimmt werden, der typischerweise an einer Antriebsachse oder Pleuelstange der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Aus der Drehzahländerung kann die eingespritzte Kraftstoffmenge, die Einspritzrate und schließlich die Ist-Hubhöhe berechnet werden.
  • Es ist auch möglich, dass mittels eines Zylinderdrucksensors des Einspritzsystems zumindest eine der mindestens einen mit der Ist-Hubhöhe korrelierten Messgröße als eine durch die Einspritzung ausgelöste Änderung eines Drucks in einem Zylinder der Brennkraftmaschine gemessen wird. Aus der Druckänderung kann die eingespritzte Kraftstoffmenge, die Einspritzrate und schließlich die Ist-Hubhöhe rückgerechnet werden.
  • Schließlich kann zumindest eine der mindestens einen Messgröße als ein durch eine Verbrennung des in einen Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzten Kraftstoffs ausgelöster Körperschall des Zylinders mittels eines Klopfsensors des Einspritzsystems gemessen werden. Aus der Intensität des Körperschall kann die eingespritzte Kraftstoffmenge, die Einspritzrate und schließlich die Ist-Hubhöhe rückgerechnet werden.
  • In Abhängigkeit der genannten Messgrößen kann also anschließend die Einspritzrate bestimmt werden, wobei in Abhängigkeit von der Einspritzrate die Ist-Hubhöhe während des Einspritzens bestimmt werden kann. Hierzu werden vorzugsweise weiterer Betriebsparameter, wie beispielsweise der Viskosität und der Temperatur des Kraftstoffs, berücksichtigt. Die Steuereinheit kann zur Durchführung der Auswertung der jeweiligen Messsignale und zur Durchführung der notwendigen Rechenoperationen entsprechend eingerichtet sein.
  • Die Formulierung „eingerichtet sein“ soll im Fall der Steuereinheit das Vorliegen einer entsprechenden programmtechnischen Einrichtung bzw. einer entsprechenden Programmierung der Steuereinheit bezeichnen können. Zu diesem Zweck weist die Steuereinheit typischerweise ein geeignetes Speichermedium sowie eine Recheneinheit, gegebenenfalls weitere Speichermedien sowie entsprechende Datenschnittstellen auf zur Durchführung der jeweiligen beschriebenen Verfahrensschritte, zu denen die Steuereinheit jeweils eingerichtet sein soll. Im Fall des Antriebs oder anderer mechanisch wirkender Komponenten des Systems soll unter die Formulierung „eingerichtet sein“ eine entsprechende Ausgestaltung, Ausformung, Konstruktion der jeweiligen Komponente oder eine mechanische oder signaltechnische Wirkverbindung dieser Komponente mit anderen Komponenten des Systems, insbesondere mit der Steuereinheit, verstanden werden können.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels, das in 1 bis 3 schematisch dargestellt ist, näher erläutert werden. Es zeigt:
  • 1 ein Einspritzsystem hier vorgeschlagener Art;
  • 2 Verfahrensschritte eines Regelverfahrens hier vorgeschlagener Art; und
  • 3 zeitliche Verläufe von Ist-Hubhöhen von Verschlusselementen dreier baugleicher Einspritzventile des in 1 gezeigten Einspritzsystems.
  • In 1 ist ein Einspritzsystem 1 hier vorgeschlagener Art schematisch dargestellt, das zur Ausführung einer speziellen Ausführung des hier vorgeschlagenen Regelverfahrens eingerichtet ist. Das System 1 umfasst eine Steuereinheit 2 und eine Mehrzahl, beispielsweise vier, baugleich ausgeführte Einspritzventile 3, von denen der Übersichtlichkeit halber hier aber nur eines dargestellt ist und im Folgenden beschrieben wird. Ebenso wird die programmtechnische Einrichtung der Steuereinheit nur in Bezug auf dieses eine Einspritzventil 3 beschrieben, obwohl eine entsprechende Programmierung auch bezüglich der weiteren Einspritzventile vorliegt. Somit beziehen sich auch die hier beschriebenen Verfahrensschritte, siehe auch 2, auf jedes einzelne der Einspritzventile des Einspritzsystems 1.
  • Das Einspritzventil 3 weist jeweils ein als Düsennadel ausgestaltetes Verschlusselement 4 zum Öffnen und Verschließen von Einspritzöffnungen 5 des Einspritzventils 3, die in verschiedenen Ebenen angeordnet sind. Das Einspritzventil ist also als eine sogenannte Variodüse ausgestaltet. Je nach Ist-Hubhöhe der Düsennadel können somit manche der Einspritzöffnungen 5 geöffnet werden, durch welche dann Kraftstoff ein gespritzt wird, und andere, höher angeordnete Einspritzöffnungen 5 verschlossen bleiben. Falls nicht alle Einspritzöffnungen 5 freigegeben werden, befindet sich Einspritzventil typischerweise in einem sitzgedrosselten Betrieb. Für einen solchen Betrieb wird eine Soll-Hubhöhe vorgegeben, die kleiner als eine maximale, durch einen mechanischen Anschlag definierte Hubhöhe des Einspritzventils ist. Über die Ist-Hubhöhe wird also ein Öffnungsgrad der Einspritzventile eingestellt. Die Steuereinheit 2 ist dazu eingerichtet, je nach gewünschter Einspritzrate, den zugehörigen Öffnungsgrad des Einspritzventils 3 in Abhängigkeit von einer Temperatur, einer Viskosität und einem Druck des Kraftstoffs zu bestimmen und aus diesem Öffnungsgrad eine zur Erzielung dieses Öffnungsgrads erforderliche Soll-Hubhöhe des Verschlusselements 3 zu berechnen.
  • Die Steuereinheit 2 ist außerdem dazu programmiert, in wiederkehrenden Einspritzzyklen und in Abhängigkeit von der berechneten Soll-Hubhöhe jeweils mindestens ein Steuersignal zum Ansteuern eines Antriebs 6 des Einspritzventils 3 zu erzeugen. In jedem Einspritzzyklus können mittels aufeinander folgender Steuersignale mehrere Einzeleinspritzungen durchgeführt werden, welche sich, in Abhängigkeit von dem jeweiligen Steuersignal, in ihrer Einspritzmenge und ihrem zeitlichen Einspritzratenverlauf voneinander unterscheiden können.
  • Mit dem Steuersignal werden in Abhängigkeit von der Soll-Hubhöhe Stellgrößen des Antriebs 6 festgelegt und auf den Antrieb 6 übertragen. In dem gezeigten Beispiel ist der Antrieb durch einen Piezo-Aktor gegeben. Als Stellgröße wird eine Ladezeit des Piezo-Aktors verwendet. Alternativ oder zusätzlich zu der Ladezeit könnte außerdem eine einstellbare Ladespannung und/oder ein einstellbarer Ladestrom als Stellgrößen verwendet werden. Der Antrieb 6 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von dem Steuersignal das Verschlusselement auf die Soll-Hubhöhe anzuheben. Dabei wird durch das Steuersignal der Piezoaktor bis zu einer Ladeenergie, die insbesondere von der Ladezeit abhängt, elektrisch aufgeladen, so dass sich der Piezoaktor aufgrund des Piezoeffektes ausdehnt und das Verschlusselement in eine Hubbewegung bis auf die Ist-Hubhöhe versetzt wird. Bei dem Einspritzventil handelt es sich um einen direkt angetriebenen Piezo-Injektor, bei dem eine direkte und praktisch verzögerungsfreie Kraftübertragung zwischen dem Antrieb 6 und dem Verschlusselement gewährleistet wird.
  • Aufgrund von Produktionstoleranzen und Verschleiß des Einspritzventils, insbesondere des Verschlusselements 4 und einem Nadelsitz 3‘, auf dem das Verschlusselement 4 in seiner Schließposition aufsitzt, sowie anderer bereits genannter Störeinflüssen wird die gewünschte Soll-Hubhöhe nur selten exakt erreicht. Das heißt, zwischen der tatsächlich erzielten Ist-Hubhöhe des Verschlusselements 4 und der Soll-Hubhöhe besteht in der Regel eine Abweichung. Die Steuereinheit 2 ist daher außerdem dazu eingerichtet, mehrere mit der Ist-Hubhöhe des Verschlusselements 4 korrelierte Messgrößen zu erfassen, die jeweils von der tatsächlich erzielten Ist-Hubhöhe beeinflusst werden und von dieser abhängen. Die Steuereinheit 2 ist außerdem programmtechnisch dazu eingerichtet, die Ist-Hubhöhe in Abhängigkeit von diesen Messgrößen zu bestimmen und anschließend das Steuersignal mindestens einer der nachfolgenden Einzeleinspritzungen der nachfolgenden Einspritzzyklen in Abhängigkeit von der Abweichung der Ist-Hubhöhe von der Soll-Hubhöhe zu erzeugen. Dabei wird die Abweichung zwischen der Ist-Hubhöhe und der Soll-Hubhöhe als Regelabweichung des Regelverfahrens verwendet, d.h. die Steuersignale der nachfolgenden Ansteuerungen werden so korrigiert, dass die folgenden Regelabweichungen reduziert werden.
  • Die Steuereinheit 2 ist dazu eingerichtet, den Antrieb 6 zum Schließen des Einspritzventils 3 anzusteuern. Infolge eines entsprechenden Steuersignals, das in diesem Beispiel durch einen Entladestrom gegeben ist, der zu einer Entladung und einem Zusammenziehen des Piezo-Aktors führt, wird das Verschlusselement 4 in eine Schließbewegung in Richtung der Verschlussposition, also in Richtung des Nadelsitzes 3‘ versetzt. Beim Auftreffen des Verschlusselements 4 auf dem Nadelsitz 3‘ wird ein Rückstoß auf den Piezo-Aktor übertragen, der einen elektrischen Impuls in dem Piezo-Aktor 6 auslöst. Die Steuereinheit 2 ist dazu eingerichtet, unter Verwendung dieses elektrischen Impulses den Schließzeitpunkt zu bestimmen. Der genannte elektrische Impuls ist also ein Messsignal, das den Schließzeitpunkt signalisiert. Der Piezo-Aktor dient also zusätzlich als Sensor zum Detektieren des Auftreffens des Verschlusselementes in der Schließposition. Anschließend berechnet die Steuereinheit 2 die Zeitdifferenz zwischen dem Startzeitpunkt der Schließbewegung, welcher durch den Zeitpunkt der Übertragung des entsprechenden Steuersignals gegeben ist, und dem Schließzeitpunkt. Diese Zeitdifferenz wird als Maß für die Ist-Hubhöhe verwendet. Zusätzlich oder alternativ könnte auch vorgesehen sein, dass die Ist-Hubhöhe selbst aus dieser Zeitdifferenz bestimmt wird, beispielsweise mittels einer Bewegungsgleichung oder anhand von entsprechenden Kennfeldern, wie weiter oben beschrieben wurde.
  • Außerdem wird mittels der Steuereinheit 2 eine Kapazität des Piezo-Aktors des Antriebs 6 bestimmt, den der Piezo-Aktor unmittelbar vor dem Steuersignal beim Startzeitpunkt der Schließbewegung aufweist. Die Kapazität wird unter Verwendung der bekannten Formel C = ∫[I(t)dt]/U berechnet, wobei von dem Startzeitpunkt der Hubbewegung bis zum Startzeitpunkt der anschließenden Schließbewegung integriert wird.
  • Zusätzlich wird eine Einspritzrate des Kraftstoffs mittels eines dem Einspritzsystem zugeordneten Durchflusssensors 7 des Einspritzsystems 1 gemessen und mit der Steuereinheit 2 in Abhängigkeit von der Einspritzrate die Ist-Hubhöhe während des Einspritzens bestimmt.
  • In dem Einspritzventil 3 wird mit einem Drucksensor 8 des Einspritzventils 3 ein durch das Einspritzen des Kraftstoffs ausgelöster Druckabfall des Kraftstoffs in dem Einspritzventil erfasst wird. Es könnten auch (weitere) Drucksensoren an einer Zuleitung 9, die einen Druckspeicher 10 mit dem Einspritzventil verbindet, an dem Druckspeicher 10 oder an einer Hochdruckpumpe 11 des Einspritzsystems 1 angeordnet sein, um entsprechende Druckänderungen des Kraftstoffs an diesen Komponenten zu messen. Prinzipiell könnten derartige Drucksensoren oder Durchflusssensoren auch an einer Vorförderpumpe 26 angeordnet sein, mit der der Kraftstoff aus einem Tank 26 zur Hochdruckpumpe 25 gefördert wird.
  • Außerdem wird eine durch die Einspritzung ausgelöste Änderung einer Drehzahl einer Brennkraftmaschine 12 erfasst, in deren Zylinder 13 der Kraftstoff mit dem Einspritzventil 3 eingespritzt wird. Diese Drehzahländerung wird mit einem Drehzahlsensor 14 gemessen, welcher an einer Antriebsachse 15 der Brennkraftmaschine 12 angeordnet ist.
  • Es wird zusätzlich mit einem an dem Zylinder 13 angeordneten Zylinderdrucksensor 16 des Systems eine durch die Einspritzung ausgelöste Änderung eines Drucks in dem erfasst. Außerdem ist an dem Zylinder ein Klopfsensor 17 des Systems 1 angeordnet, mit dem ein durch eine Verbrennung des in den Zylinder 13 eingespritzten Kraftstoffs ausgelöster Körperschall des Zylinders gemessen wird.
  • In Abhängigkeit der genannten Messgrößen wird mittels der entsprechend programmierten Steuereinheit 2 die Einspritzrate der jeweiligen Einspritzung bestimmt und in Abhängigkeit von der Einspritzrate anschließend jeweils die zugehörige Ist-Hubhöhe berechnet, wobei weitere Betriebsparameter, wie insbesondere die Viskosität und die Temperatur des Kraftstoffs berücksichtigt werden. Die Steuereinheit ist zur Signalübertragung mit den Sensoren 6, 7, 8, 14 und 16 verbunden, und für die Auswertung der jeweiligen Messsignale dieser Sensoren sowie zu den notwendigen Rechenoperationen zur Bestimmung der Ist-Hubhöhe aus den Messsignalen programmtechnisch eingerichtet. Außerdem ist die Steuereinheit 2 dazu eingerichtet, unter Verwendung der auf diese Weise berechneten Ist-Hubhöhen die oben genannte Zeitdifferenz zu überprüfen und gegebenenfalls den Wert der Zeitdifferenz zu korrigieren.
  • In einer einfacheren Ausführungsform wird die Ist-Hubhöhe unter Verwendung der beschriebenen Zeitdifferenz zwischen Startzeitpunkt der Schließbewegung und dem Schließzeitpunkt und/oder unter Verwendung der Kapazität des Piezoaktors bestimmt, ohne dass die Messwerte der Sensoren 7, 8, 14, 16 und 17 in der oben beschriebenen Weise verwendet werden. Dann können diese Sensoren 7, 8, 14, 16 und 17 entfallen, wodurch ein einfacherer Aufbau des Systems erzielt werden kann.
  • Zusätzlich wird nach einer jeden Ansteuerung des Antriebs 5 ein Ist-Wert einer Ladeenergie des Piezoaktors des Antriebs 5 erfasst, also eine Messgröße, die einen momentanen Zustand des Antriebs charakterisiert. Die Messung des Ist-Werte dieser den Antrieb charakterisierenden Messgröße wird möglichst unmittelbar nach einer jeden Ansteuerung des Antriebs vorgenommen.
  • Der Ist-Wert der Ladeenergie wird anschließend als Regelgröße eines unterlagerten Regelkreises des Regelverfahrens verwendet, vgl. auch 2 und die zugehörige Beschreibung unten. Eine Abweichung des Ist-Wertes der Ladeenergie von einem Sollwert der Ladeenergie wird dabei als eine Regelabweichung des unterlagerten Regelkreises interpretiert und dazu verwendet, das Steuersignal bzw. die Stellgröße für den Antrieb, also in diesem Fall die Ladezeit des Piezo-Aktors, für eine nachfolgende Einzeleinspritzung so zu korrigieren, dass die Regelabweichung des unterlagerten Regelkreises verringert wird. Dahingegen wird in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Hubhöhe, also die Abweichung der durch die Ansteuerung des Antriebs 6 erzielten Ist-Hubhöhe von der Soll-Hubhöhe, der Soll-Wert des unterlagerten Regelkreises, also die Soll-Ladeenergie des Piezo-Aktors, (gegebenenfalls) so korrigiert, das eine Regelabweichung der Hubhöhe verringert wird. Diese Korrektur des Soll-Wertes des unterlagerten Regelkreises führt also indirekt zu einer Korrektur der Stellgröße.
  • Das Regelverfahren wird in diesem Beispiel also in der Form einer Kaskadenregelung ausgeführt, siehe auch 2, bei der der Soll-Wert der Ladeenergie von der Ist-Hubhöhe und der Soll-Hubhöhe abhängt. Falls beispielsweise die Ist-Hubhöhe kleiner (bzw. größer) als die Soll-Hubhöhe ist, falls also der Werte der zugehörigen Regelabweichung positiv (bzw. negativ) ist, wird daraufhin der Soll-Wert der Ladeenergie für die nächsten Ansteuerung des Antriebs angehoben (bzw. abgesenkt). Anschließend wird in Abhängigkeit des angehobenen (bzw. abgesenkten) Soll-Wert der Lageenergie das Steuersignal so bestimmt, dass der Wert der Stellgröße, also der Ladezeit, entsprechend vergrößert (bzw. verkleinert) wird, so dass auf diese Weise bei der nächsten Ansteuerung des Antriebs ein höherer (bzw. kleinerer) Ist-Nadelhub und somit eine kleinere Regelabweichung zwischen Ist- und Soll-Nadelhub erzielt wird, siehe auch 3.
  • Zur Durchführung der beschriebenen Verfahrensschritte umfasst die Steuereinheit 2 eine Recheneinheit 18 mit einem Datenspeicher 19 mit einer programmtechnischen Implementierung des Regelverfahrens sowie einen ersten PI-Regler 20 und einen zweiten PI-Regler 21.
  • In 2 sind einige der oben beschriebenen Schritte dieser speziellen, kaskadenartigen Ausführung des vorgeschlagenen Regelverfahrens schematisch dargestellt. Im ersten Schritt S1 wird zunächst in Abhängigkeit von der gewünschten Einspritzrate einer nächsten Einzeleinspritzung mit der Recheneinheit 18 die zugehörige Soll-Hubhöhe in Form der oben beschriebenen Zeitdifferenz bestimmt. Im zweiten Schritt S2 wird diese Zeitdifferenz der Soll-Hubhöhe mit der Zeitdifferenz der tatsächlich erreichten Ist-Hubhöhe einer vorausgegangenen Einzeleinspritzung verglichen und die Regelabweichung zwischen Ist- und Soll-Hubhöhe, also die Differenz der beiden zugehörigen Zeitdifferenzen, berechnet. Bei der Ist-Hubhöhe kann es sich beispielsweise um die Ist-Hubhöhe der direkt vorausgegangenen Einzeleinspritzung handeln, falls für sie die gleiche Soll-Hubhöhe vorgegeben war. Andernfalls wird eine im Datenspeicher 19 gespeicherte Ist-Hubhöhe einer vorausgegangenen Einzeleinspritzung verwendet, für die die gleiche Soll-Hubhöhe bestimmt war.
  • In Abhängigkeit von der berechneten Regelabweichung wird mit dem ersten PI-Regler 20 ein Korrekturwert zu einer Vorsteuer-Ladeenergie des Piezoaktors bestimmt. Diese Vorsteuer-Lageenergie wird in Schritt S4 aus einem im Datenspeicher 19 gespeicherten Vorsteuer-Kennfeld in Abhängigkeit von der Soll-Hubhöhe ausgelesen. In Schritt S5 wird der genannte Korrekturwert des ersten PI-Reglers mit der Recheneinheit 18 zu dem Vorsteuerwert der Ladeenergie addiert. Hieraus ergibt sich der Soll-Wert der Ladeenergie für den unterlagerten Regelkreis.
  • In Schritt S6 wird mit der Recheneinheit 19 die Regelabweichung zwischen diesem Soll-Wert der Ladeenergie und einem in der oben genannten, vorausgegangenen Einzeleinspritzung gemessenen Ist-Wert der Ladeenergie bestimmt. In Abhängigkeit von dieser Regelabweichung wird in Schritt S7 mittels dem zweiten PI-Regler 21 ein Korrekturwert zu einer Vorsteuerwert der Ladezeit mit der Recheneinheit 18 bestimmt. In Schritt S8 wird in Abhängigkeit von dem Soll-Wert der Ladeenergie der Vorsteuerwert für die Ladezeit aus einer in dem Datenspeicher 19 abgelegten Vorsteuer-Kennfeld ausgelesen. In Schritt S9 werden mit der Recheneinheit 18 dieser Korrekturwert und der Vorsteuerwert zu einem Stellwert der Ladezeit zusammengerechnet. In Schritt S10 wird in ein Steuersignal in Form eines Ladestrom-Impuls, dessen Dauer dieser Ladezeit entspricht, mit einer Endstufe 22 der Steuereinheit 2 erzeugt und auf den Piezoaktor des Antriebs 6 übertragen, so dass der Piezoaktor auf eine neue Ist-Ladeenergie aufgeladen wird. Durch diese Aufladung des Piezoaktors wird eine Längenänderung des Piezoaktors ausgelöst und das Verschlusselement 4 bis zu einer neuen Ist-Hubhöhe angehoben.
  • In einer etwas einfacheren, aber dennoch robusten Ausführung des Regelverfahrens wird auf die oben beschriebenen unterlagerten Regelung der Ladeenergie verzichtet. Dann wird in Abhängigkeit von der Regelabweichung zwischen Soll-Hubhöhe und Ist-Hubhöhe direkt der Wert der Stellgröße, also die Ladezeit, so korrigiert, dass die Regelabweichung einer nachfolgenden Einspritzung reduziert wird. Dann entfallen also die Schritte S6 bis S9, wobei in Schritt S3 in Abhängigkeit von der Regelabweichung zwischen Ist-Hubhöhe und dem Soll-Hubhöhe mittels dem PI-Regler 20 der Korrekturwert für die Ladezeit mit der Recheneinheit 18 bestimmt und in Schritt S4 in Abhängigkeit von der Soll-Hubhöhe ein Vorsteuerwert für die Ladezeit aus einer in dem Datenspeicher 19 abgelegten Vorsteuer-Kennfeld ausgelesen wird. In Schritt S5 wird aus dem Korrekturwert und dem Vorsteuerwert der resultierende Wert der Ladezeit berechnet. Schritte S10 und S11 sind dann wie oben beschrieben.
  • In dem beschriebenen Regelverfahren werden also in Abhängigkeit von der festgestellten Regelabweichungen Korrekturwerte bestimmt, mit denen aus Vorsteuer-Kennfeldern – im gezeigten Beispiel für die Ladeenergie bzw. die Ladezeit – ausgelesenen Soll-Werte bzw. Steuergrößen korrigiert werden. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Übertragungsverhalten der PI-Regler 20 und 21 nicht verändert. Prinzipiell ist dies natürlich ebenfalls möglich. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Übertragungsverhalten bzw. die Übertragungsfunktionen der verwendeten Regler in Abhängigkeit von den festgestellten Regelabweichungen automatisch an das sich zeitlich ändernde Öffnungsverhalten der Injektoren oder andere zeitlich veränderliche Störgrößen angepasst werden, dass also ein sogenanntes adaptives Regelverfahren durchgeführt wird.
  • In 3 sind in dem oberen Zeitdiagramm zeitliche Verläufe von Hubhöhen h von Verschlusselementen 4 dreier der baugleichen Einspritzventile 3 des Systems gezeigt. Die gezeigten Hubhöhen sind kleiner als eine durch einen mechanischen Anschlag definierte Grenzhubhöhe der Einspritzventile, so dass nur jeweils die untersten Einspritzöffnungen 5 geöffnet werden. Die sich ergebenen Einzeleinspritzungen weisen also jeweils eine nur reduzierte Einspritzrate auf (sitzgedrosselter Betrieb).
  • In dem unteren Zeitdiagramm sind die zeitlichen Verläufe der Ladestromstärke I des Steuersignals 23 zum Öffnen bzw. des Steuersignals 24 zum Schließen der Einspritzventile 3 jeweils als durchgezogene Linien schematisch dargestellt. Zur Veranschaulichung des Regelverfahrens werden in diesem Fall die drei Einspritzventile zum gleichen Zeitpunkt tA mit dem gleichen Steuersignal 23 zum Öffnen angesteuert zur Erzielung der Soll-Hubhöhe h0. Eine synchrone Ansteuerung der Einspritzventile ist aber nicht notwendig für das vorgeschlagene Verfahren. Das Steuersignal 23 ist in diesem vereinfachten Fall durch einen Ladestrom-Impuls mit einer konstanten Ladestromstärke I0 und der Ladedauer τ = t0 – tA gegeben, mit dem die Piezoaktoren der Einspritzventile 3 aufgeladen werden. Es ist zu erkennen, dass trotz identischer Ansteuerung 23 die Verschlusselemente 3 auf unterschiedliche Ist-Hubhöhen h1, h2, und h3 angehoben werden.
  • +Nach dem Ansteuern zum Öffnen der Einspritzventile folgt eine Halteperiode, in denen die Verschlusselemente 4 auf den jeweils erzielten Ist-Hubhöhen h1, h2, und h3 gehalten werden. Zum Startzeitpunkt tS werden die Einspritzventile mit dem Steuersignal 24 angesteuert, das durch einen Entladestrom-Impuls gegeben ist. Aufgrund der direkten und praktisch verzögerungsfreien Kraftübertragung zwischen den Piezoelementen und den Verschlusselementen werden die Verschlusselemente jeweils praktisch verzögerungsfrei in eine Schließbewegung in Richtung der jeweiligen Schließposition versetzt. Es ist zu erkennen, dass aufgrund der unterschiedlichen Ist-Hubhöhen h1, h2, und h3 die Verschlusselemente jedoch zu unterschiedlichen Schließzeitpunkten t1, t2, und t3 in den jeweiligen Schließpositionen eintreffen. Je größer die erzielte Ist-Hubhöhe ist, umso größer ist die Zeitdifferenz zwischen dem Schließzeitpunkt t1, t2, bzw. t3 und dem Startzeitpunkt tS. Dies verdeutlicht den oben genannten eindeutigen Zusammenhang zwischen dieser Zeitdifferenz und der Ist-Hubhöhe, so dass diese Zeitdifferenz, wie oben beschrieben, als Maß für die Hubhöhe und somit auch für die Regelgröße verwendet werden kann.
  • Im gezeigten Beispiel sei zur Veranschaulichung die Ist-Hubhöhe h2 gleich der vorgegebenen Soll-Hubhöhe h0, so dass der korrespondierende Sollwert der Zeitdifferenz durch tS – t2 gegeben ist. Daher ist die Regelabweichung für das Einspritzventil, das auf h2 angehoben worden ist, bei dieser Einzeleinspritzung gleich 0. Folglich erfolgt für dieses Einspritzventil nachfolgend keine Korrektur der Ladezeit τ. Für das auf die Ist-Hubhöhe h1 angehobene Einspritzventil besteht eine positive Regelabweichung, t2 – t1 > 0, so dass in der nachfolgenden Einzeleinspritzung eine Erhöhung des Soll-Wertes der Ladeenergie und somit auch eine Verlängerung der Ladezeit um den Korrekturwert Δ+ erfolgt (siehe gestrichelter Linienverlauf). Für das auf die Ist-Hubhöhe h3 angehobene Einspritzventil besteht eine negative Regelabweichung, t2 – t3 < 0, so dass in der nachfolgenden Einzeleinspritzung eine Verringerung des Soll-Wertes der Ladeenergie und somit eine Verkürzung der Ladezeit um den Korrekturwert Δ– erfolgt (siehe gestrichelter Linienverlauf). Diese Korrektur der Ladeenergie und der Ladedauer wird nachfolgenden gegebenenfalls wiederholt, bis bei jedem der drei Einspritzventile die Soll-Hubhöhe h2 zumindest innerhalb vorgegebener Genauigkeitsgrenzen erzielt wird. Dies wird auch als Gleichstellung der Einspritzventile des Einspritzsystems bezeichnet.
  • 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
    • EP 1760305 A1 [0004]
    • DE 102008023373 A1 [0006]

Claims (18)

  1. Regelverfahren für ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine, wobei in wiederkehrenden Einspritzzyklen und in Abhängigkeit von einer Soll-Hubhöhe eines Verschlusselementes des Einspritzventils jeweils mindestens ein Steuersignal zum Ansteuern eines Antriebs des Einspritzventils erzeugt wird, wobei der Antrieb durch das Steuersignal zum Anheben des Verschlusselements auf die Soll-Hubhöhe angesteuert wird und das Verschlusselement mittels des Antriebs auf eine Ist-Hubhöhe angehoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine mit der Ist-Hubhöhe korrelierte Messgröße erfasst wird und die Ist-Hubhöhe in Abhängigkeit von dieser mindestens einen Messgröße bestimmt wird, wobei das Steuersignal in mindestens einem der nachfolgenden Einspritzzyklen in Abhängigkeit von einer Abweichung der Ist-Hubhöhe von der Soll-Hubhöhe erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb einen Piezo-Aktor zum Bewegen des Verschlusselements aufweist und dass über das Steuersignal eine Ladestromstärke, eine Ladespannung und/oder eine Ladezeit zum Aufladen des Piezo-Aktors vorgegeben werden.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ansteuerung des Antriebs mit dem Steuersignal ein Ist-Wert einer einen Zustand des Antriebs charakterisierenden Messgröße erfasst wird und eine Abweichung dieses Ist-Wertes von einem Sollwert dieser Messgröße bei der Erzeugung des Steuersignals in mindestens einem der nachfolgenden Einspritzzyklen berücksichtigt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Wert der den Zustand des Antriebs charakterisierenden Messgröße als Regelgröße eines unterlagerten Regelkreises verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als den Zustand des Antriebs charakterisierende Messgröße eine Ladeenergie eines Piezo-Aktors des Antriebs verwendet wird.
  6. Verfahren aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bewegen des Verschlusselements sowie zum Messen zumindest einer der mindestens einen mit der Ist-Hubhöhe korrelierten Messgröße ein Piezo-Aktor des Antriebs verwendet wird.
  7. Verfahren aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der mindestens einen mit Messgröße gemessen wird, indem eine Zeitdifferenz zwischen einem Schließzeitpunkt, in dem das Verschlusselement in einer Verschlussposition eintrifft, und einem vorangegangenen Startzeitpunkt einer Schließbewegung des Verschlusselements in Richtung der Verschlussposition, erfasst wird.
  8. Verfahren aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der mindestens einen mit der Ist-Hubhöhe korrelierten Messgröße gemessen wird, indem eine elektrische Kapazität erfasst wird, die ein Piezo-Aktor des Antriebs in einem Zeitpunkt aufweist, in dem sich das Verschlusselement auf der Ist-Hubhöhe befindet.
  9. Verfahren aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der mindestens einen mit der Ist-Hubhöhe korrelierten Messgröße gemessen wird, indem in dem Einspritzventil, einer Zuleitung zum Einspritzventil und/oder in einem Druckspeicher ein durch das Einspritzen des Kraftstoffs ausgelöster Druckabfall des Kraftstoffs erfasst wird.
  10. Verfahren aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der mindestens einen mit der Ist-Hubhöhe korrelierten Messgröße gemessen wird, indem eine Einspritzrate des Kraftstoffs mittels eines Durchflusssensors des Einspritzventils gemessen wird.
  11. Verfahren aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der mindestens einen mit der Ist-Hubhöhe korrelierten Messgröße gemessen wird, indem eine durch die Einspritzung ausgelöste Änderung einer Drehzahl der Brennkraftmaschine erfasst wird.
  12. Verfahren aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der mindestens einen mit der Ist-Hubhöhe korrelierten Messgröße gemessen wird, indem eine durch die Einspritzung ausgelöste Änderung eines Drucks in einem Zylinder der Brennkraftmaschine mittels eines Zylinderdrucksensors erfasst wird.
  13. Verfahren aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der mindestens einen Messgröße gemessen wird, indem ein durch eine Verbrennung des in einen Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzten Kraftstoffs ausgelöster Körperschall des Zylinders mittels eines Klopfsensors erfasst wird.
  14. Einspritzsystem zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine, umfassend eine Steuereinheit und mindestens ein Einspritzventil mit einem Verschlusselement zum Verschließen des Einspritzventils, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, in wiederkehrenden Einspritzzyklen und in Abhängigkeit von einer Soll-Hubhöhe des Verschlusselementes jeweils mindestens ein Steuersignal zum Ansteuern eines Antriebs des mindestens einen Einspritzventils zu erzeugen, wobei der Antrieb dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Steuersignal das Verschlusselements auf die Soll-Hubhöhe anzuheben, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit außerdem dazu eingerichtet ist, mindestens eine mit einer Ist-Hubhöhe des Verschlusselements korrelierte Messgröße zu erfassen, die Ist-Hubhöhe in Abhängigkeit von dieser mindestens einen Messgröße zu bestimmen und anschließend das Steuersignal in mindestens einem der nachfolgenden Einspritzzyklen in Abhängigkeit von einer Abweichung der Ist-Hubhöhe von der Soll-Hubhöhe zu erzeugen.
  15. Einspritzsystem aus Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb einen Piezoaktor aufweist und dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, über das Steuersignal eine Ladestromstärke, eine Ladespannung und/oder eine Ladezeit zum Aufladen des Piezo-Aktors vorzugeben.
  16. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, unter Verwendung von durch den Piezo-Aktor erzeugten elektrischen Signalen zumindest eine der mindestens einen mit der Ist-Hubhöhe korrelierten Messgröße ein Piezo-Aktor des Antriebs zu bestimmen.
  17. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Ist-Hubhöhe in Abhängigkeit von einer Zeitdifferenz zwischen einem Schließzeitpunkt, in dem das Verschlusselement in einer Verschlussposition eintrifft, und einem vorangegangenen Startzeitpunkt einer Schließbewegung des Verschlusselements in Richtung der Verschlussposition, zu bestimmten.
  18. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit zur Durchführung zumindest eines der Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen.
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