-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit zumindest einer von einer Injektornadel gesteuerten Einspritzöffnung und mit einem mit einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite des Kraftstoffinjektors kommunizierenden Steuerraum für die Injektornadel, wobei in den Steuerraum mittels einer Steuerventilanordnung ein Schließdruck, bei dem die Injektornadel in eine die Einspritzöffnung absperrende Schließlage bestellt ist und ein Öffnungsdruck einstellbar ist, bei dem die Injektornadel in eine die Einspritzöffnung freigebende Offenlage übergeht, und wobei mittels eines Sensors Druckänderungen beim Öffnen und oder Schließen der Injektornadel ermittelt werden.
-
Stand der Technik
-
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung ist aus der
DE 10 2010 000 827 A1 bekannt. Ein in diesem Dokument beschriebener Sensor ist im Bereich einer Elektromagnetanordnung des Kraftstoffinjektors angeordnet und wirkt mit einer Führungsstange eines Ankers einer Elektromagnetanordnung zusammen. Der Anker ist so ausgebildet, dass dieser mit einem Schließkörper einen mit einem Steuerraum verbundenen Ablaufkanal, der in einen Niederdruckbereich Kraftstoffinjektors einmündet, beherrscht. In einer geschlossenen Stellung des Schließkörpers ist der Steuerraum von der Niederdruckseite des Kraftstoffinjektors abgesperrt und in einer geöffneten Position des Schließkörpers ist der Steuerraum mit der Niederdruckseite verbunden. Mit dem Sensor wird der Zeitpunkt des Schließens einer Injektornadel bestimmt, die durch den in dem Steuerraum herrschenden Druck angesteuert wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors anzugeben, dass mit geringem Aufwand eine präzise Einspritzmengensteuerung des Kraftstoffinjektors ermöglicht.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vorteile der Erfindung
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mittels des Sensors, der bevorzugt ein Kraft- und/oder Drucksensors ist, ein dynamischer Druck in dem Kraftstoffinjektor erfasst wird. Dabei kann dieser dynamische Druck in einer allgemeinen Ausführung an beliebiger Stelle des Kraftstoffinjektors ermittelt werden, wobei aber bevorzugt der dynamische Druck in dem Steuerraum des Kraftstoffinjektors ermittelt wird. Dazu kann die bekannte Anordnung des Kraft- und/oder Drucksensors im Bereich der Elektromagnetanordnung verwendet werden, wobei der Kraft- und/oder Drucksensor mit einer Führungsstange eines Ankers, der Bestandteil der Elektromagnetanordnung ist, zusammenwirkt. Der Anker weist einen Schließkörper auf, der einen Ablaufkanal für Kraftstoff aus einem Steuerraum beherrscht. Der Steuerraum ist weiterhin über einen Zulaufkanal mit eingesetzter Zulaufdrossel mit einem Hochdruckkanal der Hochdruckseite des Kraftstoffinjektors verbunden. Wird der Anker und der Schließkörper zur Absperrung des Ablaufkanals auf dessen Mündung hin bewegt, steigt der Kraftstoffdruck in dem Steuerraum an und eine mit dem Steuerraum direkt kommunizierende Injektornadel wird in eine zumindest eine Einspritzöffnung verschließende Sperrstellung bewegt. Neben einer Druckerfassung zur Bestimmung des Einspritzendes wird von dem Kraft- und/oder Drucksensor, der im Übrigen bevorzugt ein piezoelektrischer Sensor ist, ein dynamischer Druck in dem Kraftstoffinjektor erfasst, der zu einer präzisen Steuerung der Einspritzmenge des Kraftstoffinjektors herangezogen wird. Der interessierende dynamische Druck wird in einem Zeitbereich erfasst, der außerhalb der Druckerfassung zur Bestimmung des Einspritzendes liegt, so dass keine nachteilige gegenseitige Beeinflussung auftritt.
-
In Weiterbildung der Erfindung wird der dynamische Druck zur Ermittlung von Druckschwankungen des Kraftstoffdrucks in den Kraftstoffinjektor ausgewertet. Diese Druckschwankungen treten beispielsweise in dem Steuerraum auf, so dass ohne eine Änderung des entsprechenden Systems von dem vorhandenen Kraft- und/oder Drucksensor die Druckschwankungen aufgenommen werden können. Diese ermittelten Druckschwankungen können in beliebiger Weise zur Steuerung der von dem Kraftstoffinjektor in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzenden Einspritzmenge herangezogen werden. Bevorzugt wird anhand einer ermittelten Druckschwankung bei einer Folgeeinspritzung die Einspritzmenge korrigiert. Dabei wird aus den Druckschwankungen beispielsweise ein Mittelwert des Kraftstoffdrucks ermittelt und dieser Mittelwert ermöglicht eine genaue Bestimmung der Folgeeinspritzung.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Frequenz und die zeitliche Zuordnung der Druckschwankungen ermittelt. Mit der so gewonnenen Frequenz und der zeitlichen Zuordnung lässt sich eine präzise Einspritzmengensteuerung realisieren.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die zeitliche Zuordnung beispielsweise bezogen auf eine Nockenwellenstellung des Kraftstoffeinspritzsystems ermittelt. Damit ist eine präzise zeitliche Zuordnung zur Darstellung einer genauen Einspritzmengensteuerung realisiert.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird aus der Ermittlung der Offenlage und der Schließlage der Injektornadel eine Periodendauer zwischen zwei Einspritzungen ebenso wie der relative Druckunterschied zwischen aufeinander folgenden Einspritzungen ermittelt. Diese Periodendauer und die relative Druckamplitude können mittels eines Algorithmuses aus dem gemessenen Spannungssignal ermittelt werden. Die Periodendauer und die Druckamplitude können dann direkt zur Steuerung einer Folgeeinspritzung herangezogen werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass es insbesondere bei einem Common-Rail Einspritzsystem zu Druckschwingungen zwischen dem Hochdruckspeicher und dem Kraftstoffinjektor des Common-Rail Systems kommt. Für die erste Einspritzung ist die Druckschwingung zwischen dem Druckspeicher und dem Kraftstoffinjektor so gut wie abgeklungen, und es wird der Druck in dem Hochdruckspeicher gemessen und der Kraftstoffinjektor entsprechend angesteuert. Die Mengenzumessung des einzuspritzenden Kraftstoffs ist gut. Für die folgende Einspritzung ist allerdings der Druck in dem Kraftstoffinjektor mit Druckschwingungen überlagert, so dass der Druck, der für die Zumessung verantwortlich, abhängig davon ist, ob die Einspritzung auf einem Druckwellenberg oder einem Druckwellental beginnt. Somit ist die Mengengenauigkeit der Einspritzung Schwankungen unterworfen. Diese Schwankungen sind von vielen Parametern, beispielsweise Temperatur und Einspritzmenge, abhängig und können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren präzise gemessen werden, ohne das für die Bestimmung aufwendige Kennfelder, die in einer Steuereinheit abgelegt sind, ausgewertet werden müssen. Der Vorteil liegt in einem deutlich geringeren Aufwand für die Bestimmung der Druckschwankungen und es können höhere Mengengenauigkeiten der Einspritzungen erreicht werden, da die Daten für die Bemessung der Einspritzungen durch die vorgenommenen Messungen abgeglichen werden. Prinzipiell erfolgt dadurch ein Übergang von einer bloßen Steuerung der Einspritzung zu einer Regelung.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verfahrensschritte der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Es zeigen:
-
1 einen ausschnittsweisen Axialschnitt eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors,
-
2 ein Diagramm mit zwei Messsignalen, die einerseits für eine Schließzeitpunktbestimmung auszuwertende Druckwellen, sowie anderseits Druckwellen nach einer Einspritzung sind, und
-
3 ein Diagramm mit Messsignalen der Druckwellen nach der Einspritzung ähnlich zu der Darstellung 2.
-
Ausführungsform der Erfindung
-
Ausweislich der 1 ist innerhalb eines Injektorkörpers 1 ein Hochdruckraum 2 sowie ein Niederdruckraum 3 angeordnet. Der Hochdruckraum 2 und der Niederdruckraum 3 sind voneinander durch ein Ventilstück 4 getrennt.
-
Der Hochdruckraum 2 kommuniziert über einen Zulaufkanal 5 mit einer nicht dargestellten Hochdruckquelle für Kraftstoff, die normalerweise ein Hochdruckspeicher eines Common Rail Einspritzsystems ist. Der Niederdruckraum 3 ist über eine Rücklaufleitung 21 mit einem Kraftstofftank des Common Rail Einspritzsystems verbunden.
-
Der Hochdruckraum 2 ist weiterhin über zumindest eine nicht dargestellte Einspritzöffnung mit einem Brennraum einer ebenfalls nicht dargestellten Brennkraftmaschine verbindbar. Die normalerweise mehreren Einspritzöffnungen werden in bekannter Weise von einer Injektornadel 6 gesteuert. Von dieser Injektornadel 6 ist nur das einspritzöffnungsferne Ende, welches als Plunger ausgebildet ist, dargestellt. Der Plunger der Injektornadel 6 ist verdrängerwirksam in einem in dem Ventilstück 4 angeordneten Steuerraum 7 angeordnet beziehungsweise wirkt mit diesem zusammen. Der Steuerraum 7 kommuniziert über einen Zulaufkanal mit einer eingesetzten Zulaufdrossel 8 mit dem Hochdruckraum 2 und über einen vorzugsweise gedrosselten Ablaufkanal 9 mit dem Niederdruckraum 3, wobei der Ablaufkanal 9 mittels einer Steuerventilanordnung 10 gesteuert wird. Wenn der Ablaufkanal 9 mittels der Steuerventilanordnung 9 abgesperrt ist, und die Injektornadel 6 sich dementsprechend in ihrer die Einspritzöffnungen verschließenden Schließlage befindet, stellt sich in dem Steuerraum 7 der gleiche Hochdruck wie in dem Hochdruckraum 2 ein. Wird der Ablaufkanal 9 mittels der Steuerventilanordnung geöffnet, stellt sich im Steuerraum 7 ein gegenüber dem Hochdruck im Hochdruckraum 2 verminderter Druck ein, und die Injektornadel 6 verschiebt sich in Richtung zu dem Steuerraum 7, so dass eine Offenlage eingestellt wird, in der der Kraftstoff durch die nun zugänglichen Einspritzöffnungen in den zugeordneten Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
-
Die Steuerventilanordnung 10 weist einen hülsenförmigen Schließkörper 11 auf, der von einer als Schraubendruckfeder ausgebildeten Schließfeder 12 gegen einen zur Auslassmündung des Ablaufkanals 9 konzentrischen Sitz gespannt wird. In dem Ausführungsbeispiel ist der Sitz als Planfläche ausgebildet, auf dem der hülsenförmige Schließkörper 11 mit einer Ringkante aufsitzt. Grundsätzlich kann jedoch auch ein anders geformter Sitz vorgesehen sein.
-
Der hülsenförmige Schließkörper 11 ist auf einer zur Längsachse 100 des Injektorkörpers 1 gleichachsigen Führungsstange 13 axial verschiebbar geführt, wobei der Ringspalt zwischen dem Innenumfang des Schließkörpers 11 und dem Außenumfang der Führungsstange 13 als nahezu leckagefreier Drosselspalt beziehungsweise Dichtspalt ausgebildet ist. Wenn der Schließkörper 11 die dargestellte Schließlager einnimmt, wird ein innerhalb des Schließkörpers 11 gebildeter Druckraum 14, der über den Ablaufkanal 9 mit dem Steuerraum 7 kommuniziert und dementsprechend den gleichen Fluiddruck wie der Steuerraum 7 aufweist, gegenüber dem Niederdruckraum 3 abgesperrt. Der Schließkörper 11 ist Bestandteil eines Ankers 15 einer Elektromagnetanordnung 16, die als Aktor zur Betätigung der Steuerventilanordnung 10 vorgesehen ist. Diese Elektromagnetanordnung 16 weist in bekannter Weise eine Magnetspule 17 auf, die innerhalb einer zur Führungsstange 13 konzentrischen Elektromagnetanordnung mit einem ringförmigen Außenpol 18 und einem ringförmigen Innenpol 19 angeordnet ist. Wird die Magnetspule 17 bestromt, wird der Anker 15 von dem Außenpol 18 und dem Innenpol 19 magnetisch angezogen, so dass der Schließkörper 11 gegen die Kraft der Schließfeder 12 von seinem Sitz abgehoben und die Steuerventilordnung 10 geöffnet wird.
-
Während der geschlossenen Phase der Steuerventilanordnung 10 ist die Injektornadel 6 geschlossen, und in dem Druckraum 14 sowie in dem Steuerraum 7 liegen gleiche Fluiddrucke vor. Unmittelbar vor dem Schließzeitpunkt der Injektornadel 6 sinkt der Druck in dem Steuerraum 7 wegen des zu diesem Zeitpunkt geringen Drucks unter dem Düsensitz der Injektornadel 6 und der damit einhergehenden Schließbewegung der Injektornadel 6 unter den Hochdruck im Zulaufkanal 5 ab. Unmittelbar nach dem Schließen der Injektornadel 6 kommt es wegen der nun nicht mehr bewegten Injektornadel 6 zu einem steilen Anstieg des Drucks im Steuerraum 7.
-
Der Druck in dem Steuerraum wird von einem Kraft- und/oder Drucksensor 20 erfasst, der im Bereich oberhalb der Elektromagnetanordnung 16 angeordnet ist und in direktem Kontakt mit der Führungsstange 13 steht. Die Führungsstange 13 grenzt mit ihrem gegenüberliegenden Ende direkt an den Druckraum 14, der wiederum über den Ablaufkanal 9 mit dem Steuerraum 7 in Verbindung steht. Somit kann von dem Kraft- und/oder Drucksensor 20 der in dem Steuerraum 7 herrschende Druck problemlos erfasst werden und beispielsweise eine mit dem Kraft- und/oder Drucksensor 20 verbundenen Auswerteschaltung, die bevorzugt in die Steuerung der Brennkraftmaschine integriert ist, weitergeleitet werden. Die Führungsstange 13 hat bei dieser Ausgestaltung eine Doppelfunktion, indem diese einerseits den hülsenförmigen Schließkörper 11 und den Anker 15 axial führt, und andererseits als Kraftübertragungsglied zwischen dem Druckraum 14 beziehungsweise dem damit kommunizierenden Steuerraum 7 und dem Kraft- und/oder Drucksensor 20 dient. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Kraft- und/oder Drucksensor 20 im Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors, im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel nahe der Mündung einer den Niederdruckraum 3 mit einem drucklosen Kraftstofftank verbindenden Rücklaufleitung 21, angeordnet ist. Der Kraft- und/oder Drucksensor 20 kann zweckmäßig als piezoelektrisches Element ausgebildet sein, an dem eine von Andruck der Führungsstange 13 abhängige elektrische Spannung abgreifbar ist. Da der Kraft- und/oder Drucksensor 20 nur von dem unter Niederdruck stehenden Kraftstoff beaufschlagt wird, ergeben sich hinsichtlich der notwendigen elektrischen Isolation keine Schwierigkeiten. Übliche Isolationsmaterialien sind hinreichend resistent gegenüber unter geringen Druck stehenden Kraftstoffen.
-
Abweichend von der dargestellten Ausführungsform, bei der als Aktor eine Elektromagnetanordnung 16 vorgesehen ist, können auch Kraftstoffinjektoren mit anderen Aktoren vorgesehen sein. Insbesondere sind piezoelektrische Aktoren denkbar, die ihre Länge in Abhängigkeit von einer anliegenden elektrischen Spannung ändern. Der Druck- und/oder Kraftsensor 20 kann beliebige kraft- bzw. druckabhängige physikalische Effekte ausnutzen. Besonders ist ein piezoelektrisches Element geeignet, an dem eine elektrische Spannung abgreifbar ist, die von den auf das Element einwirkenden externen Kräften abhängt.
-
Stattdessen sind auch piezoresistive Elemente verbaubar, die den sogenannten piezoresistiven Effekt ausnutzen, der darin besteht, dass viele Materialien ihren spezifischen elektrischen Widerstand unter der Einwirkung von Druck- und/oder Zugkräften ändern. Ein Beispiel für ein solches Element ist ein Siliziumelement.
-
In dem Diagramm gemäß 2 ist zunächst über einer Zeitachse ein gemessenes elektrisches Spannungssignal 22 dargestellt, das eine zu einer Schließzeitpunktbestimmung der Injektornadel 6 herangezogene Druckwelle wiedergibt. Das Spannungssignal ist auf der linken Diagrammseite zunächst von Steuersignalen 28 überlagert. Danach erreicht das Spannungssignal 22 seinen Maximalwert und klingt dann ab. Im ersten Drittel des abklingenden Spannungssignals 22 ist eine Abweichung 23 in Form eines Peaks des Spannungssignals 22 erkennbar ist, die zum Zeitpunkt des Schließens der Einspritzöffnungen durch die Injektornadel 6 auftritt und somit zur Schließzeitpunktbestimmung elektrisch ausgewertet kann. Danach fällt das Spannungssignal 22 angenähert nach Art einer E-Funktion weiter ab, wobei der Abklingvorgang von einer Ungleichmäßigkeit 24 in Form einer Erhebung gestört ist.
-
Diese Erhebung 24 rühren von Druckwellen des Kraftstoffs in dem Steuerraum 7 bzw. dem Druckraum 14 her, die wie geschildert zwischen dem Hochdruckspeicher und dem Kraftstoffinjektor in dem Hochdrucksystem nach einer Einspritzung auftreten. Die Druckwellen sind in dem Diagramm der 2 neben dem von dem Kraft- und/oder Drucksensor ermittelten Spannungssignal 22 als eigenständiges Drucksignal 27 dargestellt. Die Druckwellen des Drucksignals 27 weisen deutliche Wellentäler 25 und Wellenberge 26 auf, die die Unregelmäßigkeit 24 in den Spannungssignal 22 bewirken. Aus dem einen dynamischen Druck darstellenden beziehungsweise wiedergebenden Spannungssignal 22 werden die Druckwellen 27 durch einen geeigneten Algorithmus bestimmt und dienen als Basis für die Ansteuerung einer folgenden Einspritzung. Insbesondere wird die folgende Einspritzung so korrigiert, dass die Einspritzmenge in einem vorgegebenen Bezug zu der vorhergehenden Einspritzung steht.
-
Das Spannungssignal 22 ist ebenfalls in der 3 – hier alleinig und in einer anderen Auflösung – dargestellt. Deutlich erkennbar ist die Abweichung 23, aus der der Schließzeitpunkt der Injektornadel 6 bestimmt wird und die Unregelmäßigkeit 24, aus der die Druckwellen in dem Kraftstoff algorithmisch bestimmt werden können.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102010000827 A1 [0002]
