DE102012204278A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems und Kraftstoffeinspritzsystem mit Einspritzventil mit Regelung der Bewegung des Verschlusselementes - Google Patents
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Abstract
Es werden ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine und ein zugehöriges Kraftstoffeinspritzsystem beschrieben. Bei dem Verfahren geht es um die Nutzung des Signals eines in den Piezo-Aktuator intergrierten Kraftsensors für die Regelung des Einspritzvorganges zur Sicherstellung der Einspritzmengengenauigkeit. Dabei wird die Bewegung des Verschlusselementes während der Einspritzphase detektiert und geregelt. Insbesondere findet eine Öffnungs- und Schließzeitregelung des Verschlusselementes des zugehörigen Einspritzventils statt, wobei entsprechende Ist-Zeitpunkte des Öffnens und Schließens des Verschlusselementes aus Maxima des Kraftsignals ermittelt und mit Soll-Zeitpunkten verglichen werden.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, das einen Druckspeicher (Rail), mindestens ein Einspritzventil mit Piezo-Direktantrieb, bei dem ein Piezo-Aktuator in direkter Antriebsverbindung mit einem Verschlusselement des Einspritzventils steht, 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 in direkter Antriebsverbindung mit dem Verschlusselement, was bedeutet, dass der Aktuator und das Verschlusselement in direktem mechanischen Kontakt stehen oder über zwischengeschaltete feste Körper, wie beispielsweise Pins, Hebel, Kolben, miteinander in Verbindung stehen. Wesentlich ist hierbei, dass keine hydraulische oder pneumatische Kopplung zwischen dem Aktuator und dem Verschlusselement vorliegt.
- 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 Verschlusselement direkt bewegt.
- Bei den heutigen Einspritzsystemen mit Piezo-Direktantrieb wird aus der Soll-Einspritzmenge über ein Einspritzkennfeld abhängig vom Druck im Druckspeicher (Raildruck) eine Soll-Einspritzzeit bestimmt. Durch Aufladen und Entladen des Piezo-Aktuators (Höhe und Dauer der Aufladung) wird dann diese Einspritzzeit realisiert. Der Schließzeitpunkt des Verschlusselementes (der Düsennadel) wird über das Piezosignal des Aktuators bestimmt und durch die Variation der Dauer zwischen Aufladen und Entladen des Aktuators auf den Soll Schließzeitpunkt geregelt. Wenn bei größerer Einspritzung die Düsennadel ihren Anschlagpunkt erreicht, kann auch dieser Zeitpunkt detektiert und auf den Soll-Anschlagzeitpunkt durch Variation des Lade-Stromprofils geregelt werden. Auf diese Weise lässt sich die Einspritzmenge genau regeln.
- Im ballistischen Betrieb, d.h. ohne Erreichen des Nadelanschlages, ist der Nadelöffnungszeitpunkt jedoch nicht detektierbar. Auch bei einer Einspritzung mit Nadelteilhub ist die Einstellung des Nadelteilhubes nicht regelbar. Dadurch kann durch Temperaturvariation und/oder Injektordrift die Soll-Einspritzmenge nicht mehr genau realisiert werden.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, mit dem eine besonders genaue Regelung der Bewegung des Verschlusselementes des Einspritzventils durchgeführt werden kann.
- 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 Verschlusselementes verwendeten Piezobereich einen passiven Piezobereich als Kraftsensor aufweist, dass mithilfe dieses Kraftsensorsensors die auf den Sensor einwirkende Kraft des Verschlusselementes ermittelt wird und dass das Signal des Kraftsensors zur Detektion und Regelung der Bewegung des Verschlusselementes verwendet wird.
- Erfindungsgemäß wird somit das Signal eines in den Piezo-Aktuator integrierten Kraftsensors für die Regelung des Einspritzvorganges zur Sicherstellung der Einspritzmengengenauigkeit genutzt. Dabei wird die Bewegung des Verschlusselementes (Bewegung der Düsennadel) während der Einspritzphase detektiert und geregelt.
- Dabei wird speziell zur Realisierung der Einspritzung der Piezo-Aktuator mit elektrischer Energie beaufschlagt und gleichzeitig eine elektrische Messgröße des Kraftsensors gemessen, aus der die auf den Kraftsensor ausgeübte Kraft ermittelt wird. Mit anderen Worten, der Piezo-Aktuator wird mit einem speziellen Stromprofil angesteuert, und gleichzeitig wird die elektrische Spannung des Kraftsensors gemessen. Aus der Spannung wird insbesondere über eine Kennlinie, die in der Steuer- und Regeleinheit hinterlegt ist, die auf den Kraftsensor ausgeübte Kraft F_s bestimmt. Die ermittelte Kraft wird dann zur Detektion und Regelung der Bewegung des Verschlusselementes verwendet.
- Im Einzelnen werden dabei insbesondere Maxima oder Steigungsänderungen der ermittelten Kraft bestimmt, zugehörige Zeitpunkte der Bewegung des Verschlusselementes ermittelt und mit Soll-Zeitpunkten abhängig vom Druckspeicherdruck (Raildruck) verglichen und wird die auftretende Abweichung zur Korrektur der dem Piezo-Aktuator zugeführten elektrischen Energie (des Ladestromprofils) verwendet, um auf diese Weise die Bewegung des Verschlusselementes einzuregeln.
- Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Zeitpunkt der Öffnung des Verschlusselementes ermittelt und mit dem Soll-Zeitpunkt verglichen. Zum Zeitpunkt der Öffnung des Verschlusselementes zeigt das Kraftsignal entweder ein Maximum oder eine Steigungsänderung. Dieser Zeitpunkt wird bestimmt und mit dem Soll-Zeitpunkt abhängig vom Raildruck verglichen. Die Abweichung wird zur Korrektur des Ladestromprofils verwendet (Strom und Höhe der Aufladung), damit der Soll-Öffnungszeitpunkt immer genau realisiert wird.
- Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Zeitpunkt des Schließens des Verschlusselementes ermittelt und mit dem Soll-Zeitpunkt verglichen. Auch zum Zeitpunkt des Schließens des Verschlusselementes zeigt das Kraftsignal ein Maximum. Dieser Zeitpunkt wird bestimmt und mit dem Soll-Schließzeitpunkt abhängig vom Raildruck verglichen. Die Abweichung wird zur Korrektur der Dauer zwischen Laden und Entladen des Piezo-Aktuators verwendet, damit der Soll-Schließzeitpunkt immer genau realisiert wird.
- Bei noch einer anderen Ausführungsform wird der Zeitpunkt, bei dem das Verschlusselement seinen Anschlagpunkt erreicht, ermittelt und die Zeitdifferenz zwischen dem Erreichen dieses Anschlagpunktes und dem Zeitpunkt der Öffnung des Verschlusselementes mit einer Soll-Zeitdifferenz verglichen. Auch hier gilt, dass das Kraftsignal ein Maximum zeigt, wenn bei größerer Einspritzung das Verschlusselement den Anschlagpunkt erreicht. Dieser Zeitpunkt wird wiederum bestimmt, und die Zeitdifferenz zwischen dem Anschlagpunkt des Verschlusselementes und dem Öffnungspunkt wird mit der Soll-Zeitdifferenz verglichen. Die Abweichung wird zur Korrektur/Adaption des Ladestromprofils (Strom und Höhe der Ladung) verwendet, damit die Soll-Öffnungszeit des Verschlusselementes eingehalten werden kann.
- Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Bewegung des Verschlusselementes dadurch geregelt, dass die Dehnung des Piezo-Aktuators aus dem Kraftsignal des Kraftsensors ermittelt und mit einer Soll-Dehnung verglichen wird, wobei die Abweichung zur Korrektur der dem Piezo-Aktuator zugeführten elektrischen Energie (des Ladestromprofils) verwendet wird. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere für einen Teilhubbetrieb des Verschlusselementes eingesetzt.
- Speziell kann hierbei die Dehnung des Piezo-Aktuators mit der nachfolgenden Gleichung ermittelt werden:
d_l/l = –s_33·F_s/A_a + d_33·U/d - d_l =
- Dehnung Piezo-Aktuator
- l =
- Länge des Aktuators
- s_33 =
- Kehrwert Aktuatorsteifigkeit
- F_s =
- Kraft Piezo-Aktuator
- A_=
- Aktuatorfläche
- d_33 =
- Piezokonstante
- U =
- Spannung am Piezo-Aktuator
- d =
- Schichtdicke Piezo-Aktuator
- Die Soll-Dehnung des Piezo-Aktuators wird insbesondere aus einem vorgegebenen Soll-Hub des Verschlusselementes berechnet. Der Soll-Hub des Verschlusselementes kann dabei abhängig von der Soll-Einspritzmenge und dem Ist-Raildruck vorgegeben werden, speziell während eines Teilhubbetriebes des Verschlusselementes.
- Die Soll-Dehnung wird mit der aus der vorstehend wiedergegebenen Gleichung bestimmten Ist-Dehnung verglichen. Die entsprechende Abweichung wird zur Korrektur/Adaption der dem Piezo-Aktuator zugeführten elektrischen Energie (Strom und Höhe der Ladung) verwendet, damit die Soll-Dehnung eingehalten werden kann.
- Die vorstehend wiedergegebenen Verfahrensvarianten können getrennt voneinander oder in Kombination miteinander eingesetzt werden. In jedem Fall kann hierdurch sichergestellt werden, dass unabhängig vom Einspritzverlauf die Einspritzmengenanforderung injektorindividuell und über die Lebensdauer des Einspritzventils gleich realisiert werden kann.
- Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einem Druckspeicher (Rail), mindestens einem Einspritzventil mit Piezo-Direkt-antrieb, bei dem ein Piezo-Aktuator in direkter Antriebsverbindung mit einem Verschlusselement des Einspritzventils steht, und einer Steuer- und Regeleinheit. Dieses Kraftstoffeinspritzsystem ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines Verfahrens der vorstehend beschriebenen Art eingerichtet ist.
- Mit einem derartigen Einspritzsystem lässt sich eine besonders genaue Regelung des Einspritzvorganges durchführen.
- Der Piezo-Aktuator weist einen integrierten Kraftsensor auf. Der Kraftsensor wird hierbei durch einen zusätzlichen passiven Piezobereich gebildet. Es kann sich dabei um eine zusätzliche seriell angeordnete passive Piezoschicht handeln, die beispielsweise auf einem schichtweise ausgebildeten Piezostapel, der den aktiven Piezobereich bildet, angeordnet ist und von diesem durch eine geeignete Isolation getrennt ist. Der passive Piezobereich weist vorzugsweise auf beiden Seiten Elektroden zum Abgreifen einer elektrischen Messgröße, insbesondere der erzeugten elektrischen Spannung, auf.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
-
1 einen schematischen Teillängsschnitt durch ein Einspritzventil; -
2 einen schematischen Teillängsschnitt durch einen Piezo-Aktuator mit Kraftsensor; -
3 eine Prinzipdarstellung in Bezug auf die Öffnungs- und Schließzeitregelung des Verschlusselementes; und -
4 ein Ablaufdiagramm in Bezug auf eine Ausführungsform des Regelverfahrens. -
1 zeigt ein Einspritzventil1 , das an eine schematisch dargestellte Steuer- und Regeleinheit2 angeschlossen ist. Das Einspritzventil1 kommt beispielsweise in einem Dieselmotor eines Pkws zum Einsatz. Es dient dazu, Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Es besitzt einen Raum3 , der über eine hier nicht dargestellte Kraftstoffleitung mit einem Druckspeicher (Hochdruckspeicher) verbunden ist. Bei dem hier gezeigten Einspritzventil1 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 Einspritzventils1 weist dieses eine Einspritzöffnung4 auf, durch welche hindurch Kraftstoff aus dem Raum3 in den Brennraum eingespritzt werden kann. - Im Raum
3 ist eine als Verschlusselement dienende Düsennadel5 angeordnet, mittels welcher die Einspritzöffnung4 geöffnet und geschlossen werden kann. Befindet sich die Düsennadel5 in einer geöffneten Position, in welcher sie die Einspritzöffnung4 freigibt, wird unter Hochdruck stehender Kraftstoff aus dem Raum3 in die Brennkammer eingespritzt. In einer geschlossenen Position der Düsennadel5 , in welcher die Düsennadel5 die Einspritzöffnung4 verschließt, wird das Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkraftkammer unterbunden. - Die Düsennadel
5 wird mittels einer im oberen Abschnitt des Raumes3 angeordneten Schließfeder6 mittels eines die Düsennadel5 direkt betätigenden Piezo-Aktuators7 gesteuert, der elektrisch mit der Steuer- und Regeleinheit verbunden ist. Abhängig von einer Ansteuerung durch die Steuer- und Regeleinheit2 kann der Piezo-Aktuator7 seine Länge verändern und eine Kraft auf die Düsennadel5 ausüben, wobei die Kraft über einen in der Figur verdeckten Pin, über eine Glocke8 und über Hebel9 auf die Düsennadel5 übertragbar ist. Über den Pin, die Glocke8 und die Hebel9 sind der Piezo-Aktuator7 und die Düsennadel5 unmittelbar mechanisch gekoppelt. Eine vom Piezo-Aktuator7 ausgeübte Kraft wird daher direkt auf die Düsennadel5 übertragen. Umgekehrt wirkt eine von der Düsennadel5 ausgeübte mechanische Kraft direkt auf den Piezo-Aktuator7 . Wird der Piezo-Aktuator7 nicht mit elektrischer Energie beaufschlagt, drückt die Schließfeder6 die Düsennadel5 in1 nach unten, so dass diese die Einspritzöffnung4 gegen den Druck im Raum3 verschließt und eine Einspritzung unterbindet. Wird der Piezo-Aktuator7 mit elektrischer Energie beaufschlagt, vergrößert der Piezo-Aktuator7 seine Länge und übt eine Kraft auf die Düsennadel5 aus, wodurch die Einspritzöffnung4 mittels der Düsennadel5 geöffnet wird. - Der in
1 nur schematisch dargestellte Piezo-Aktuator7 weist zusätzlich zum aktiven, für die Betätigung der Düsennadel5 verwendeten Piezobereich einen passiven Piezobereich als Drucksensor auf. Mithilfe dieses Kraftsensors wird die auf den passiven Piezobereich einwirkende Kraft durch die Düsennadel5 ermittelt. -
2 zeigt schematisch den Aufbau des Piezo-Aktuators7 , der eine Baueinheit bildet, welche den aktiven Piezobereich12 zur Betätigung der Düsennadel5 und den passiven Piezobereich13 zur Krafterfassung aufweist. Der aktive Piezobereich12 setzt sich aus einer Vielzahl von aktiven übereinander angeordneten Piezoschichten zusammen, die jeweils links und rechts eine entsprechende Anschlusselektrode10 aufweisen. Auf der obersten aktiven Piezoschicht ist durch eine geeignete Isolierung14 getrennt eine passive Piezoschicht angeordnet, die den als Kraftsensor wirkenden Piezobereich13 bildet. Beidseitig ist die passive Piezoschicht mit entsprechenden Anschlusselektroden15 versehen. - Bei dem Verfahren zur Regelung des Einspritzvorganges wird wie folgt vorgegangen. Zur Realisierung einer Einspritzung wird der Piezo-Aktuator mit einem Stromprofil angesteuert. Gleichzeitig wird die elektrische Spannung des Kraftsensors gemessen. Aus der Spannung wird über eine Kennlinie die auf den Sensor ausgeübte Kraft F_s bestimmt.
3 zeigt den Ablauf des Verfahrens am Beispiel einer Nadelöffnungs- und -schließzeitregelung. Hierbei werden aus entsprechenden Maxima des Kraftsignals, die zum Zeitpunkt der Nadelöffnung und zum Zeitpunkt des Nadelschließens auftreten, die entsprechenden Zeitpunkte (Ist-Zeitpunkte) ermittelt und mit den entsprechenden Soll-Zeitpunkten abhängig vom Raildruck verglichen. Die entsprechenden Abweichungen werden zur Korrektur des Ladestromprofils und der Dauer zwischen Laden und Entladen verwendet, um somit den Soll-Öffnungszeitpunkt und Soll-Schließzeitpunkt genau zu realisieren. -
4 zeigt die entsprechenden Verfahrensschritte bei der Nadelöffnungs- und -schließzeitregelung. In Schritt20 erfolgt eine Beaufschlagung des Piezo-Aktuators mit einem speziellen Stromprofil, um einen Einspritzvorgang durchzuführen. Gemäß Schritt21 wird gleichzeitig hiermit die auf den Piezo-Aktuator ausgeübte Kraft mit dem vorgesehenen Kraftsensor gemessen. Aus dem erhaltenen Kraftsignal wird dann gemäß Schritt22 der Öffnungs- und Schließzeitpunkt der Düsennadel aus den entsprechenden Maxima des Kraftsignals ermittelt. In Schritt23 werden die ermittelten Ist-Zeitpunkte mit vorgegebenen Soll-Zeitpunkten verglichen, und in Schritt24 werden die gefundenen Abweichungen zur Korrektur des dem Piezo-Aktuator zugeführten Stromprofils verwendet, um auf diese Weise den Einspritzvorgang zur Sicherstellung der Einspritzmengengenauigkeit zu regeln.
Claims (12)
- Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, das einen Druckspeicher (Rail), mindestens ein Einspritzventil mit Piezo-Direktantrieb, bei dem ein Piezo-Aktuator in direkter Antriebsverbindung mit einem Verschlusselement des Einspritzventils steht, und eine Steuer- und Regeleinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Piezo-Aktuator verwendet wird, der zusätzlich zum aktiven, für die Betätigung des Verschlusselementes verwendeten Piezobereich einen passiven Piezobereich als Kraftsensor aufweist, dass mithilfe dieses Kraftsensors die auf den Sensor einwirkende Kraft des Verschlusselementes ermittelt wird und dass das Signal des Kraftsensors zur Detektion und Regelung der Bewegung des Verschlusselementes verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung der Einspritzung der Piezo-Aktuator mit elektrischer Energie beaufschlagt und gleichzeitig eine elektrische Messgröße des Kraftsensors gemessen wird, aus der die auf den Kraftsensor ausgeübte Kraft ermittelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Maxima oder Steigungsänderungen der ermittelten Kraft bestimmt, zugehörige Zeitpunkte der Bewegung des Verschlusselementes ermittelt und mit Soll-Zeitpunkten abhängig vom Druckspeicherdruck (Raildruck) verglichen werden und dass die auftretende Abweichung zur Korrektur der dem Piezo-Aktuator zugeführten elektrischen Energie (des Ladestromprofils) verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt der Öffnung des Verschlusselementes ermittelt und mit dem Soll-Zeitpunkt verglichen wird.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Schließens des Verschlusselementes ermittelt und mit dem Soll-Zeitpunkt verglichen wird.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt, bei dem das Verschlusselement seinen Anschlagpunkt erreicht, ermittelt und die Zeitdifferenz zwischen dem Erreichen dieses Anschlagpunktes und dem Zeitpunkt der Öffnung des Verschlusselementes mit einer Soll-Zeitdifferenz verglichen wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Verschlusselementes dadurch geregelt wird, dass die Dehnung des Piezo-Aktuators aus dem Kraftsignal des Kraftsensors ermittelt und mit einer Soll-Dehnung verglichen wird, wobei die Abweichung zur Korrektur der dem Piezo-Aktuator zugeführten elektrischen Energie (des Ladestromprofils) verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einem Teilhubbetrieb des Verschlusselementes eingesetzt wird.
- Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnung des Piezo-Aktuators mit der nachfolgenden Gleichung ermittelt wird:
d_l/l = –s_33·F_s/A_a + d_33·U/d - Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Dehung des Piezo-Aktuators aus einem vorgegebenen Soll-Hub des Verschlusselementes berechnet wird.
- Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einem Druckspeicher (Rail), mindestens einem Einspritzventil mit Piezo-Direktantrieb, bei dem ein Piezo-Aktuator in direkter Antriebsverbindung mit einem Verschlusselement des Einspritzventils steht, und einer Steuer- und Regeleinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das System zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.
- Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Piezobereich (
13 ) durch eine zusätzliche seriell angeordnete passive Piezoschicht gebildet ist.
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