DE102013208998A1

DE102013208998A1 - Verfahren zum Gewinnen von Informationen in Bezug auf Betriebsgrößen von Einspritzsystemen

Info

Publication number: DE102013208998A1
Application number: DE201310208998
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg Wiehoff; Tany Gargiso; Michael Katzenberger
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2014-11-20
Also published as: WO2014183963A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Gewinnen von Informationen in Bezug auf Betriebsgrößen von Einspritzsystemen von Verbrennungsmotoren, die durch Piezo-Aktuatoren betätigte Einspritzventile aufweisen, beschrieben. Die Informationen werden aus Spannungs- und/oder Ladungsmessungen am als Sensor wirkenden Piezo-Aktuator gewonnen, wobei die Spannungs- und/oder Ladungsmessungen während der passiven Betriebsphase des Piezo-Aktuators durchgeführt werden, in der dieser nicht als Aktuator tätig ist. Auf diese Weise können besonders störungsfreie und zusätzliche Informationen gewonnen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gewinnen von Informationen in Bezug auf Betriebsgrößen von Einspritzsystemen von Verbrennungsmotoren, die durch Piezo-Aktuatoren betätigte Einspritzventile aufweisen, welche Informationen aus Spannungs- und/oder Ladungsmessungen am als Sensor wirkenden Piezo-Aktuator gewonnen werden.
Bei derartigen Einspritzsystemen wird die Düsennadel des jeweiligen Einspritzventils durch einen Piezo-Aktuator angesteuert. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezo-Aktuator vergrößert dieser seine Länge, so dass auf diese Weise eine Positionssteuerung der Düsennadel des Einspritzventils durchgeführt werden kann. Für solche Einspritzventile gelten sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Robustheit der Einspritzmenge unter allen Betriebsbedingungen und über die gesamte Lebensdauer des zugehörigen Fahrzeuges.
Zur Identifikation der Düsennadelposition während des eigentlichen Einspritzvorganges (aktiver Betrieb) werden Feedback-Signale aus dem Piezo-Aktuator verwendet. Der Piezo-Aktuator wirkt dabei als Sensor. Diese Informationen unterliegen jedoch hohen Störgrößeneinflüssen, weil der Piezo-Aktuator zeitgleich als Aktuator und Sensor verwendet wird. Die verbleibende Zeit im Einspritzfenster wird der Piezo-Aktuator nicht betätigt (passiver Betrieb). Das Verhältnis zwischen aktivem und passivem Betrieb lässt sich ungefähr mit 1:10 angeben.
Störgrößen in Bezug auf das Feedback-Signal während der aktiven Phase des Piezo-Aktuators werden u.a. durch das Ansteuerprofil der zugehörigen Endstufe zur Strombeaufschlagung, durch den Leerhub in der Kraftübertragung zwischen Piezo-Aktuator und Düsennadel, durch Reibungseffekte im Bereich der Düsennadel sowie durch das eigentliche Hubverhalten des Piezo-Aktuators erzeugt. Diese Einflüsse reduzieren die Robustheit der abgeleiteten Regelgrößen und wirken sich somit auch auf die Qualität der Regelgüte aus.
Bisher wurde dieses Problem dadurch gelöst, dass die Feedback-Auswertealgorithmen zur Erfassung der Düsennadelposition verschiedene Schwellwerte aus den elektrischen Signalen der Piezo-Spannung bzw. Piezo-Ladung verwenden, um eine Plausibilisierung der Schließ- bzw. Öffnungsinformation durchzuführen. Allerdings hängt dabei die Robustheit von den gewählten Schwellwerten ab, welche jedoch unter Umständen nicht alle möglichen Ausprägungs- bzw. Fehlerfälle herausfiltern können und somit zu verbleibenden, nicht zulässigen Restfehlern führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, mit dem besonders störungsfreie Informationen gewonnen werden können.
Dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art dadurch gelöst, dass die Spannungs- und/oder Ladungsmessungen während der passiven Betriebsphase des Piezo-Aktuators durchgeführt werden, in der dieser nicht als Aktuator tätig ist.
Das erfindungsgemäße Konzept beruht darauf, die erforderlichen Spannungs- und/oder Ladungsmessungen zur Gewinnung der gewünschten Informationen in Bezug auf die Betriebsgrößen nicht während der aktiven Betriebsphase des Piezo-Aktuators durchzuführen, in der dieser als Aktuator tätig ist, sondern während dessen passiver Betriebsphase. Die Erfindung nutzt die sensorischen Eigenschaften des Piezo-Aktuators in dessen passiver Betriebsphase und nutzt die Tatsache, dass sich entsprechende Betriebsgrößen (Kraft, Druck etc.) und/oder entsprechende Betriebsgrößenänderungen des Systems auch in der passiven Phase des Piezo-Aktuators durch Spannungs- und/oder Ladungsmessungen direkt am Aktuator erfassen lassen. Solche Betriebsgrößen bzw. Betriebsgrößenänderungen induzieren Spannungen/Spannungsänderungen und/oder Ladungen/Ladungsänderungen und ermöglichen die Ableitung einspritzrelevanter Betriebsgrößen. Diese Daten sind unter dem Gesichtspunkt der Störsicherheit robust darstellbar und erweitern die Beobachtbarkeit des Betriebsverhaltens des Einspritzsystems.
In der passiven Betriebsphase des Piezo-Aktuators können somit besonders störungsfreie und zusätzliche Informationen aus der Motor- und Einspritzumgebung gewonnen werden. Somit lassen sich beispielsweise Informationen über inhärente Druckverhältnisse im Injektor generieren, oder es kann auf das Einspritzverhalten anderer Zylinder des Verbrennungsmotors geschlossen werden.
Durch Spannungs- und/oder Ladungsmessungen können insbesondere Kraft-, Druck- und/oder zeitliche Informationen einspritzrelevanter Betriebsgrößen gewonnen werden. Auf diese Weise kann bei reduziertem Störpotenzial das Einspritz- und Verbrennungsverhalten beobachtet werden.
Mit den erfindungsgemäß während der passiven Phase durchgeführten Spannungs- und/oder Ladungsmessungen können Feedback-Signale gewonnen werden, die zur Einspritzmengenadaption verwendet werden. Die gewonnenen Feedback-Signale können hierbei zusätzlich zu den während der aktiven Phase des Piezo-Aktuators erzeugten Feedback-Signalen eingesetzt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können daher insbesondere zusätzliche Informationen gewonnen werden, mit denen die Beobachtbarkeit des Betriebsverhaltens des Einspritzsystems erweitert werden kann.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Spannungs- und/oder Ladungsmessungen dauerhaft während der passiven Betriebsphase des Piezo-Aktuators durchgeführt. Da die passive Betriebsphase in der Regel etwa zehnmal so groß ist wie die aktive Betriebsphase eines Piezo-Aktuators, können somit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf permanente Weise Informationen in Bezug auf Betriebsgrößen von Einspritzsystemen von Verbrennungsmotoren zur Verfügung gestellt werden, wobei die gewonnenen Daten unter dem Gesichtspunkt der Störsicherheit robust darstellbar sind.
Die erfindungsgemäß durchgeführten Spannungs- und/oder Ladungsmessungen können gleichzeitig während der passiven Betriebsphase von Piezo-Aktuatoren mehrerer Einspritzventile durchgeführt werden. Auf diese Weise kann eine Plausibilisierung der gemessenen Signale erfolgen. Beispielsweise kann bei einem 4-Zylinder-Motor eine entsprechende Messung gleichzeitig bei drei Piezo-Aktuatoren durchgeführt werden, was zu einer deutlichen Robustheitserhöhung führt. Durch einen entsprechenden Signalabgleich wird daher die Genauigkeit der gewonnenen Informationen weiter erhöht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Spannungs- und/oder Ladungsmessungen vorzugsweise unter der Randbedingung hochohmiger Ausgangsimpedanz einer Endstufe durchgeführt. Aus Sicherheitsgründen findet ein entsprechender Entladewiderstand Verwendung, um den Piezo-Aktuator nach Beendigung der aktiven Phase zuerst zu entladen. Die entsprechende Entladecharakteristik wird dann bei der durchgeführten Auswertung berücksichtigt, so dass keine Verfälschungen der Messergebnisse auftreten.
Insgesamt ist somit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein zusätzlicher Informationsgewinn im passiven Betrieb durch Spannungs- und/oder Ladungsmessungen am Piezo-Aktuator möglich. Hierzu zählen beispielsweise:
Beobachtbarkeit des Einspritz- und Verbrennungsprozesses,
direkte Druckbestimmung im Injektor,
Beobachtung des Einspritzverlaufes,
Monitoring/Modellierung des Drucks im Rail,
Analyse der Pumpenphasenlage, Analyse von Aussetzer-Pumpenhüben, Überwachung VCV-Ventil,
Bestimmung Temperaturgang/Kraftstoffeigenschaften, wie E-Modul,
NVH-Analyse,
Fertigung: „messendes Einstellen“, Leerhubvermessung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung zur Spannungsmessung am Piezo-Aktuator;
2 ein schematisiertes Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
3 eine Schemadarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel einer Kompensation des Druckwelleneinflusses der Pumpenphasen.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung der Spannungsmessung am Piezo-Aktuator während der passiven Betriebsphase desselben. Die Spannungsmessung wird hierbei unter der Randbedingung hochohmiger Ausgangsimpedanz einer Endstufe durchgeführt. In der Darstellung ist eine Endstufe 2 gezeigt, die einen Piezo-Aktuator 1 mit einem definierten Strom beaufschlagt, um auf kontrollierte Weise bestimmte Hubzustände des Piezo-Aktuators 1 zu erzeugen. Um die Spannungsmessung mit einer Spannungsmesseinrichtung 4 während der passiven Phase des Piezo-Aktuators 1 durchzuführen, wird aus Sicherheitsgründen der Piezo-Aktuator zuerst entladen, wozu ein Entladewiderstand 3 verwendet wird. Bei der Signalauswertung wird die entsprechende Entladecharakteristik berücksichtigt und entsprechend herausgerechnet.
Die während der passiven Phase des Piezo-Aktuators 1 gemessene Spannung wird als Feedback-Signal benutzt, um entsprechende Informationen in Bezug auf Betriebsgrößen des zugehörigen Einspritzsystems zu gewinnen.
2 zeigt in einem schematisierten Ablaufdiagramm die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Ausführungsbeispiel. In Schritt 10 werden Sollwerte in Bezug auf die Öffnungs/Schließzeit der Düsennadel eines Einspritzventils in der Form von Spannungs- und/oder Ladungswerten für den zugehörigen Piezo-Aktuator eingegeben. In Schritt 11 erfolgt eine entsprechende Ansteuerung des Piezo-Aktuators mit zugehöriger Beaufschlagung der Düsennadel. Dies entspricht dem üblichen Ablauf. Bei dem bekannten Verfahren werden dann während der aktiven Phase des Piezo-Aktuators entsprechende IST-Werte der Spannung und/oder Ladung gemessen und in Form von Feedback-Signalen zur Regelung der Funktionsweise des Piezo-Aktuators verwendet. Dies ist in 2 mit Schritt 12 angedeutet.
Zusätzlich hierzu werden in der passiven Phase des Piezo-Aktuators erfindungsgemäß entsprechende Spannungs- und/oder Ladungsmessungen am Piezo-Aktuator durchgeführt, wie mit Schritt 13 angedeutet. Die gemessenen Werte werden ebenfalls als Feedback-Signale zur Regelung des Piezo-Aktuators eingesetzt. Auf diese Weise können zusätzliche Informationen in Bezug auf die Betriebsgrößen des Einspritzsystems gewonnen werden, die zur Regelung bzw. Adaption der Piezo-Aktuatoren eingesetzt werden können.
3 zeigt eine Schemadarstellung des Verfahrens, das hier zur Kompensation des Druckwelleneinflusses der Pumpenphasen eingesetzt wird. Entsprechende Sollwerte (Mengensollwert, Einspritzwinkelsollwert) werden in das System eingegeben und zur Betätigung bzw. Regelung eines Injektors verwendet. Hierbei wirken sich entsprechende Störgrößen aus, die in 3 beispielhaft angegeben sind. Während der passiven Betriebsphase des zugehörigen Piezo-Aktuators (nicht dargestellt) des Injektors findet erfindungsgemäß eine Spannungs- und Ladungsmessung am Piezo-Aktuator statt. Die gewonnenen Messwerte werden über Detektions-Algorithmen in entsprechende Feedback-Signale überführt, die zur Adaption des Systemdrucks des Einspritzsystems verwendet werden (Adaptionsfunktion des Druck-Sollwertes (Druck-SP)).
Im herkömmlichen System wird eine entsprechende Vorsteuer-Kompensation (FUP (Raildruck), Ansteuerzeit, Einspritzbeginn, Einspritzmenge etc.) vorgenommen, die von der erfindungsgemäß durchgeführten Adaptionsfunktion entsprechend beeinflusst werden kann bzw. die für die Adaptionsfunktion Berücksichtigung findet.
Mit dem hier schematisch dargestellten Verfahren gelingt es daher, Informationen über den Druckwelleneinfluss der Pumpenphasen zu gewinnen und den entsprechenden Einfluss beim Betrieb bzw. bei der Regelung des durch einen Piezo-Aktuator betätigten Injektors zu kompensieren.

Claims

Verfahren zum Gewinnen von Informationen in Bezug auf Betriebsgrößen von Einspritzsystemen von Verbrennungsmotoren, die durch Piezo-Aktuatoren betätigte Einspritzventile aufweisen, welche Informationen aus Spannungs- und/oder Ladungsmessungen am als Sensor wirkenden Piezo-Aktuator gewonnen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs- und/oder Ladungsmessungen während der passiven Betriebsphase des Piezo-Aktuators durchgeführt werden, in der dieser nicht als Aktuator tätig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Spannungs- und/oder Ladungsmessungen Kraft-, Druck- und/oder zeitliche Informationen einspritzrelevanter Betriebsgrößen gewonnen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Spannungs- und/oder Ladungsmessungen Feedback-Signale gewonnen werden, die zur Einspritzmengenadaption verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnenen Feedback-Signale zusätzlich zu während der aktiven Phase des Piezo-Aktuators erzeugten Feedback-Signalen verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs- und/oder Ladungsmessungen dauerhaft während der passiven Betriebsphase des Piezo-Aktuators durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spannungs- und/oder Ladungsmessungen gleichzeitig während der passiven Betriebsphase von Piezo-Aktuatoren mehrerer Einspritzventile durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs- und/oder Ladungsmessungen unter der Randbedingung hochohmiger Ausgangsimpedanz einer Endstufe durchgeführt werden.