DE102012204253A1

DE102012204253A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit Einspritzventil mit Piezo-Servobetrieb mit Raildruckermittlung und Kraftstoffeinspritzsystem

Info

Publication number: DE102012204253A1
Application number: DE201210204253
Authority: DE
Inventors: Hong Zhang; Detlev Schöppe
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-20
Also published as: DE102012204253B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine beschrieben. Hierbei wird ein Einspritzventil mit einem Servoventil und einem Piezo-Aktuator verwendet, der zusätzlich zum aktiven, für die Betätigung des Servoventils verwendeten Piezobereich einen passiven Piezobereich als Kraftsensor aufweist. Mithilfe des Kraftsensors wird die auf den passiven Piezobereich einwirkende Kraft beim Öffnen des Servoventils ermittelt, und aus dem Maximum des Kraftsignals wird der korrespondierende Druck des Druckspeichers berechnet. Die Raildruckermittlung wird somit mit dem Einspritzventil selbst vorgenommen, so dass ein spezieller, im Rail eingebauter Drucksensor entfallen kann. Ferner wird ein entsprechendes Kraftstoffeinspritzsystem erläutert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, das einen Druckspeicher (Rail), mindestens ein Einspritzventil, bei dem ein Piezo-Aktuator ein in einem Servoventilraum angeordnetes Servoventil gegen die Kraft einer Schließfeder betätigt, damit ein Verschlusselement eine über eine Kraftstoffleitung mit dem Druckspeicher in Verbindung stehende Einspritzöffnung öffnet, und eine Steuer- und Regeleinheit aufweist.
Kraftstoffeinspritzsysteme, mit denen die Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgenommen wird, sind seit langem bekannt. Derartige Einspritzsysteme umfassen mindestens ein Einspritzventil (Injektor) und mindestens eine mit dem Einspritzventil verbundene Steuer- und Regeleinheit zur Steuerung des Einspritzvorganges. Das Einspritzventil besitzt dabei einen Raum, aus welchem heraus Kraftstoff durch eine Einspritzöffnung in den Brennraum injizierbar ist. Das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung wird mittels eines Verschlusselementes (Düsennadel) vorgenommen, das von einem Aktuator betätigt (bewegt) werden kann. Der Raum wird über einen Hochdruckspeicher und eine Kraftstoffleitung mit Kraftstoff versorgt.
Bei dem Aktuator handelt es sich um ein Element zum Bewegen des Verschlusselementes. Damit wird ein Einspritzvorgang mithilfe des Aktuators gesteuert. Der Aktuator steht hierbei nicht in direkter Antriebsverbindung mit dem Verschlusselement, sondern betätigt ein Servoventil, um unter hohem Druck stehenden Kraftstoff aus einem Servoventilraum abzuführen und auf diese Weise eine Betätigung des Verschlusselementes zu bewirken und die zugehörige Einspritzöffnung zu öffnen.
Bei dem Aktuator handelt es sich um einen Piezo-Aktuator, der aufgrund des piezoelektrischen Effektes bei Beaufschlagung mit elektrischer Energie sich ausdehnt (seine Länge vergrößert) und auf diese Weise das Servoventil von seinem Sitz abhebt, um damit das Verschlusselement zu betätigen.
Derartige Kraftstoffeinspritzsysteme besitzen einen Druckspeicher (Rail), aus dem die einzelnen Einspritzventile des Systems mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt werden. Dieser Druckspeicher weist in der Regel einen im Rail eingebauten Drucksensor auf, um den im Druckspeicher herrschenden Druck zu erfassen und die Druckregelung durchzuführen. Dieser Drucksensor erhöht die Kosten des Gesamtsystems.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Raildruckerfassung besonders kostengünstig durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art dadurch gelöst, dass
ein Piezo-Aktuator verwendet wird, der zusätzlich zum aktiven, für die Betätigung des Servoventils verwendeten Piezobereich einen passiven Piezobereich als Kraftsensor aufweist;
mithilfe dieses Kraftsensors die auf den passiven Piezobereich einwirkende Kraft beim Öffnen des Servoventils ermittelt wird; und
das Maximum des Kraftsignals ermittelt und hieraus der korrespondierende Druck des Druckspeichers (Raildruck) berechnet wird.
Erfindungsgemäß wird somit die Raildruckmessung bei einem mit Servoventil arbeitenden Einspritzventil realisiert. Anstatt eines speziellen Drucksensors wird die Raildruckerfassung mit dem Einspritzventil selbst durchgeführt. Neben dem eigentlichen Piezo-Aktuator findet ein durch einen zusätzlichen passiven Piezobereich gebildeter Kraftsensor Verwendung, der nach dem Öffnen des Servoventils durch den aktiven Bereich des Piezo-Aktuators mit dem Raildruck beaufschlagt wird. Erfindungsgemäß wird daher der Piezo-Aktuator bestromt, um das Servoventil für die Druckmessung zu öffnen, so dass dann der zusammen mit dem Piezo-Aktuator eine Baueinheit bildende Kraftsensor mit Kraftstoff und damit dem Druck des Druckspeichers beaufschlagt werden kann. Der nicht bestromte bzw. passive Piezobereich wird somit zur Druckmessung verwendet. Dabei steigt die auf den Kraftsensor einwirkende Kraft zunächst an, bis ein Maximum erreicht wird. Danach fällt die Kraft wieder ab. Die maximale Kraft ist direkt mit dem Raildruck gekoppelt und wird für die Berechnung des Raildrucks verwendet.
Es finden somit eine Einspritzphase und eine Druckmessphase Anwendung, wobei die Druckmessphase durchgeführt wird, bevor die nächste Einspritzphase beginnt.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die auf den passiven Piezobereich (Kraftsensor) einwirkende Kraft aus der elektrischen Spannung des Kraftsensors über eine Kennlinie ermittelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Drucks im Druckspeicher wird unabhängig vom eigentlichen Einspritzvorgang durchgeführt. Nach Beendigung der Druckbestimmung wird der Piezo-Aktuator erneut mit elektrischer Energie beaufschlagt, um das Servoventil wieder zu öffnen und hierdurch ein Abheben des Verschlusselementes (der Düsennadel) vom Sitz und damit die Freigabe einer Einspritzöffnung zu bewirken.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird speziell die auf den Kraftsensor einwirkende Kraft unter Berücksichtigung der auf den Kraftsensor einwirkenden Offsetkraft ermittelt. Hierbei bestimmen die Fläche des Kraftsensors, der Niederdruck sowie eine auf das Servoventil entgegen der vom Piezo-Aktuator ausgeübten Kraft einwirkende Federkraft die Offsetkraft auf den Kraftsensor.
Insbesondere wird die auf den Kraftsensor einwirkende Kraft nach der Beziehung F_s_max = A_st·P_rail – A_s·P_low – F_fed ermittelt, wobei bedeuten

F_s_max: = maximale Kraft, die auf den Kraftsensor einwirkt
A_st: = Sitzfläche des Servoventils
P_rail: = Druck im Druckspeicher (Rail)
A_s: = Fläche des Kraftsensors
P_low: = Niederdruck
F_fed: = Kraft einer auf das Servoventil einwirkenden Feder

Der Niederdruck P_low ist konstant eingehalten und damit bekannt. Die Fläche des Kraftsensors A_s und der Niederdruck P_low sowie die Federkraft F_fed bestimmen die Offsetkraft auf den Kraftsensor. Der Hochdruck im Servoventilraum steht in direkter Verbindung mit dem Raildruck und ist damit gleich dem Raildruck P_rail. Die Sitzfläche des Steuerventils A_st und der Hochdruck P_rail bestimmen damit die zusätzlich auf den Piezo-Aktuator (aktiven Bereich) und den Kraftsensor ausgeübte Kraft.
Somit kann aus der vorstehenden Beziehung der Raildruck P_rail als Ist-Raildruck berechnet werden.
Der Piezo-Aktuator wird nach Erreichen der maximalen, auf den Kraftsensor einwirkenden Kraft wieder entladen. Auf diese Weise wird das Servoventil durch die vorgesehene Feder wieder geschlossen.
Vorzugsweise wird der Aktuator nach dem Entladen nach der Druckbestimmung erst nach einer gewissen Pause für die Einspritzung wieder aufgeladen, bis der Ventilraum wieder mit dem vollen Druck des Druckspeichers beaufschlagt ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der volle Speicherdruck für die Einspritzung zur Verfügung steht.
Der Piezo-Aktuator wird zweckmäßigerweise (für die Druckbestimmung) so aufgeladen, dass keine oder nur geringe Schwingungen verursacht werden, so dass die Beschleunigung des Piezoaktuators für die Kraftmessung (Druckbestimmung) vernachlässigt werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit mithilfe von mindestens einem Einspritzventil eine Messung des im Druckspeicher herrschenden Drucks durchgeführt, so dass ein spezieller Drucksensor entfallen kann. Natürlich kann zur Druckbestimmung das erfindungsgemäße Verfahren auch neben einem speziellen Drucksensor Anwendung finden. Die Druckbestimmung kann mithilfe eines Einspritzventils oder mehrerer bzw. aller Einspritzventile durchgeführt werden, wobei eine entsprechende Mittelwertbildung durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann im Betrieb mit konstantem Raildruck eine gegenseitige Plausibilisierung des von jedem Einspritzventil bestimmten Raildrucks stattfinden, wobei der entsprechende Wert zur OBD-Diagnose verwendet werden kann.
Um die Druckmessgenauigkeit zu erhöhen, kann in der Serienfertigung beim Funktionstest des Einspritzventils ein definierter Raildruck P_s0 eingestellt werden. Dabei wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kraft F_s_max0 bestimmt. Daraus kann injektorindividuell die Kennliniensteigung A_st zwischen F_s und P_rail bestimmt und gespeichert werden. Danach kann der Wert im Steuergerät eingelesen werden.
Vor jedem Motorstart, wenn der Raildruck und Niederdruck auf Umgebungsdruck abgebaut sind, kann der Piezo-Aktuator von jedem Einspritzventil nochmals in der vorstehend beschriebenen Weise angesteuert werden. Das Kraftsignal steigt zuerst und bleibt danach fast flach (entspricht der Steifigkeit der Ventilfeder). Der Kraftwert am Knickpunkt bestimmt die Federkraft. Somit kann die Federkraft individuell adaptiert werden, um die Druckmessgenauigkeit weiter zu steigern.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, das einen Druckspeicher (Rail), mindestens ein Einspritzventil, bei dem ein Piezo-Aktuator ein in einem Servoventilraum angeordnetes Servoventil gegen die Kraft einer Schließfeder betätigt, damit ein Verschlusselement eine über eine Kraftstoffleitung mit dem Druckspeicher in Verbindung stehende Einspritzöffnung öffnet, und eine Steuer- und Regeleinheit aufweist. Das Kraftstoffeinspritzsystem ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines Verfahrens der vorstehend beschriebenen Art eingerichtet ist.
Der passive Piezobereich, der als Kraftsensor wirkt, wird insbesondere durch eine zusätzliche seriell angeordnete passive Piezoschicht gebildet.
Erfindungsgemäß bilden der Piezo-Aktuator (der aktive Piezobereich) und der Kraftsensor eine Baueinheit. Der aktive Piezobereich ist dabei vorzugsweise als Stapelaktuator ausgebildet und weist eine Vielzahl von bestromten Piezoschichten auf.
Die als Piezo-Aktuator dienenden aktiven Piezoschichten stehen dabei vorzugsweise auf mechanische Weise (über geeignete Hebel, Kolben etc.) mit dem Servoventil in Verbindung, das eine Öffnung eines Servoventilraumes verschließt, über die der das Verschlusselement (die Düsennadel) beaufschlagende Kraftstoffdruck abgebaut wird. Durch Beaufschlagung des Piezo-Aktuators mit elektrischer Energie vergrößert sich dessen Länge, so dass das Servoventil geöffnet wird. Der im Ventilraum herrschende Druck kann somit abgebaut werden, so dass sich in der Einspritzphase das Verschlusselement von seinem Sitz abheben und die Einspritzöffnung freigeben kann. Im Druckbestimmungsmodus bzw. in der Druckbestimmungsphase wird durch das Öffnen des Servoventils ohne Öffnen des Verschlusselementes lediglich der Kraftsensor mit dem unter dem Druck des Druckspeichers stehenden Kraftstoff aus dem Ventilraum beaufschlagt. Eine elektrische Betriebsgröße, vorzugsweise die elektrische Spannung des passiven Piezobereiches des Kraftsensors, wird gemessen, woraus die Kraft und hieraus der Raildruck ermittelt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Einspritzventil mit vergrößerter Darstellung des im Kreis angeordneten Bereiches;
2 einen schematischen Teillängsschnitt durch einen Piezo-Aktuator mit Kraftsensor;
3 das Prinzip zur Raildruckmessung mit Servo-Injektor; und
4 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens.
1 zeigt auf schematische Weise ein Einspritzventil, das beispielsweise in einem Dieselmotor eines Pkws zum Einsatz kommt. Es dient dazu, Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Es besitzt einen Raum, der über eine Kraftstoffleitung (Hochdruckleitung) 2 mit einem Druckspeicher (Hochdruckspeicher) (Rail) verbunden ist. Bei dem hier dargestellten Einspritzventil handelt es sich um eines einer Vielzahl von Einspritzventilen, die in einem Common-Rail-System jeweils über Kraftstoffleitungen mit dem selben Druckspeicher verbunden sind. Am unteren Ende des Einspritzventils weist dieses eine Einspritzöffnung auf, durch welche Kraftstoff aus dem Raum in den Brennraum eingespritzt werden kann. Im Raum ist eine als Verschlusselement dienende Düsennadel 7 angeordnet, mittels welcher die Einspritzöffnung geöffnet und geschlossen werden kann. Befindet sich die Düsennadel 7 in einer geöffneten Position, in welcher sie die Einspritzöffnung freigibt, wird unter Hochdruck stehender Kraftstoff aus dem Raum in die Brennkammer eingespritzt. In einer geschlossenen Position der Düsennadel 7, in welcher die Düsennadel die Einspritzöffnung verschließt, wird das Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer unterbunden.
Die Düsennadel 7 wird mittels eines Piezo-Aktuators 1 gesteuert. Abhängig von einer Ansteuerung kann der Piezo-Aktuator 1 seine Länge verändern und über einen Verstärkungshebel 17 eine Kraft auf einen Steuerkolben 9 ausüben, der ein Servoventil 4 kontaktiert, welches über eine Schließfeder gegen einen Ventilsitz gepresst wird. Das Servoventil 4 ist in einem Ventilraum 16 angeordnet, der über eine Drossel mit einem Steuerraum 8 für das Verschlusselement in Verbindung steht. Der Steuerraum 8 nimmt einen Kolben 5 auf, der die Düsennadel 7 betätigt.
Wenn der Piezo-Aktuator 1 mit elektrischer Energie beaufschlagt wird (aufgeladen wird), vergrößert er seine Länge und bewirkt hierdurch, dass der Steuerkolben 9 das Servoventil 4 von seinem Sitz abhebt, so dass der im Servoventilraum 16 anstehende Druck abgebaut wird. Durch diesen Druckabbau bewegen sich der Nadelkolben 5 und die Düsennadel 7 in der Figur nach oben und geben dabei die Einspritzöffnung zur Durchführung eines Einspritzvorganges frei.
Des Weiteren zeigt 1 noch einen Kraftstoffrücklauf 3 sowie eine Schließfeder 6 für die Düsennadel 7.
Der in 1 nur schematisch dargestellte Piezo-Aktuator 1 weist zusätzlich zum aktiven, für die Betätigung der Düsennadel 7 verwendeten Piezobereich 12 einen passiven Piezobereich 13 als Kraftsensor auf. Mithilfe dieses Kraftsensors wird die über den Steuerkolben 9 und den Verstärkungshebel 17 auf den Piezo-Aktuator einwirkende Kraft ermittelt.
2 zeigt schematisch den Aufbau des Piezo-Aktuators 1, der eine Baueinheit bildet, welche den aktiven Piezobereich 12 zur Betätigung der Düsennadel 7 und den passiven Piezobereich 13, der als Kraftsensor dient, aufweist. Der aktive Piezobereich 12 setzt sich aus einer Vielzahl von aktiven übereinander angeordneten Piezoschichten zusammen, die jeweils links und rechts eine entsprechende Anschlusselektrode 10 aufweisen. Auf der obersten aktiven Piezoschicht ist durch eine geeignete Isolierung 14 getrennt eine passive Piezoschicht angeordnet, die den als Kraftsensor wirkenden Piezobereich 13 bildet. Beidseitig ist die passive Piezoschicht mit entsprechenden Anschlusselektroden 15 versehen.
3 zeigt das Prinzip zur Raildruckmessung mit Servo-Injektor. Der Piezo-Aktuator wird geladen, wodurch das Servoventil geöffnet wird. Gleichzeitig wird die Spannung des Kraftsensors und damit die Kraft am Sensor gemessen. Das Maximum des Kraftsignals F_s_max wird ermittelt und hieraus der korrespondierende Druck des Druckspeichers (Raildruck) mithilfe der angegebenen Gleichung ermittelt.
4 zeigt die einzelnen Schritt des Verfahrens in einem Ablaufdiagramm. In Schritt 30 wird der Piezo-Aktuator (der aktive Bereich desselben) geladen, so dass sich das Servoventil öffnet. Im nachfolgenden Schritt 31 wird die Spannung des Kraftsensors (passiven Piezobereiches) gemessen und über eine hinterlegte Kennlinie die am Kraftsensor (passiven Piezobereich) anstehende Kraft ermittelt. In Schritt 32 wird das Maximum des Kraftsignals detektiert, wonach der Raildruck in Schritt 33 berechnet wird.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, das einen Druckspeicher (Rail), mindestens ein Einspritzventil, bei dem ein Piezo-Aktuator ein in einem Servoventilraum angeordnetes Servoventil gegen die Kraft einer Schließfeder betätigt, damit ein Verschlusselement eine über eine Kraftstoffleitung mit dem Druckspeicher in Verbindung stehende Einspritzöffnung öffnet, und eine Steuer- und Regeleinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Piezo-Aktuator verwendet wird, der zusätzlich zum aktiven, für die Betätigung des Servoventils verwendeten Piezobereich einen passiven Piezobereich als Kraftsensor aufweist; mithilfe dieses Kraftsensors die auf den passiven Piezobereich einwirkende Kraft beim Öffnen des Servoventils ermittelt wird; und das Maximum des Kraftsignals ermittelt und hieraus der korrespondierende Druck des Druckspeichers (Raildruck) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den passiven Piezobereich (Kraftsensor) einwirkende Kraft aus der elektrischen Spannung des Kraftsensors über eine Kennlinie ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den passiven Piezobereich (Kraftsensor) einwirkende Kraft unter Berücksichtigung der auf den passiven Piezobereich einwirkenden Offsetkraft ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den passiven Piezobereich einwirkende Kraft nach der Beziehung F_s_max = A_st·P_rail – A_s·P_low – F_fed ermittelt wird, wobei bedeuten F_s_max = maximale Kraft, die auf den Kraftsensor einwirkt A_st = Sitzfläche des Servoventils P_rail = Druck im Druckspeicher (Rail) A_s = Fläche des Kraftsensors P_low = Niederdruck F_fed = Kraft einer auf das Servoventil einwirkenden Feder
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezo-Aktuator nach Erreichen der maximalen, auf den Kraftsensor einwirkenden Kraft wieder entladen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezo-Aktuator nach dem Entladen nach der Raildruckbestimmung erst nach einer gewissen Pause für die Einspritzung wiederaufgeladen wird, bis der Servoventilraum wieder mit dem vollen Druck des Druckspeichers beaufschlagt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezo-Aktuator so aufgeladen wird, dass er keine oder nur geringe Schwingungen verursacht, so dass die Beschleunigung des Aktuators für die Kraftmessung (Druckbestimmung) vernachlässigt werden kann.
Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, das einen Druckspeicher (Rail), mindestens ein Einspritzventil, bei dem ein Piezo-Aktuator ein in einem Servoventilraum angeordnetes Servoventil gegen die Kraft einer Schließfeder betätigt, damit ein Verschlusselement eine über eine Kraftstoffleitung mit dem Druckspeicher in Verbindung stehende Einspritzöffnung öffnet, und eine Steuer- und Regeleinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Piezobereich (13) durch eine zusätzliche seriell angeordnete passive Piezoschicht gebildet ist.