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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Einspritzsystem, das mindestens zwei in oder an einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors angeordnete und mechanisch an diesen gebundene Injektoren aufweist, die jeweils eine von einem Piezoelement in eine Einspritzstellung gebrachte Ventilnadel aufweisen.
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Bei den Einspritzsystemen von derartigen Verbrennungsmotoren wirken die vorgesehenen Piezoelemente als Aktoren, die bei Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom ihre Länge vergrößern und auf diese Weise eine Ventilnadel des zugehörigen Injektors in eine Einspritzstellung bringen, in der eine bestimmte Menge an Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher in den Brennraum des zugehörigen Zylinders des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Bei Beendigung der Beaufschlagung des Piezoelementes nimmt dieses wieder seine ursprüngliche Länge ein, wodurch die Ventilnadel in ihre Ausgangsstellung zurückbewegt und der Einspritzvorgang beendet wird.
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Es ist bekannt, derartige Piezoelemente nicht nur als Aktor in der vorstehend beschriebenen Weise, sondern auch als Sensor zu verwenden, um hiermit beispielsweise auf das Piezoelement einwirkende Kräfte zu messen. Aus der
DE 10 2009 000 741 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Bestimmen eines Nadelschließens einer Ventilnadel, die von einem Piezoaktor angesteuert wird, bekannt, wobei ein Signal einer an dem Piezoaktor anliegenden Spannung gemessen und das Nadelschließen aus einem Verlauf des Signals nachgewiesen wird. Bei diesem Verfahren wird daher das Piezoelement zugleich als Aktor als auch als Sensor eingesetzt, wobei der Zeitpunkt des Nadelschließens der durch das Piezoelement betätigten Ventilnadel aus dem Verlauf des Spannungssignals des Piezoelements, das durch den Körperschall der Ventilnadel beim Nadelschließen erzeugt wird, ermittelt wird.
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Aus der
DE 10 2006 003 861 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung bekannt, bei dem ein piezoelektrisches Element derart angesteuert wird, dass ein Schließvorgang des Einspritzventils ausgelöst wird, wobei nach der Ansteuerung eine elektrische Spannung an dem piezoelektrischen Element und/oder ein elektrischer Strom über das piezoelektrische Element ermittelt und aus dem Verlauf der Spannung und/oder aus dem Verlauf des Stromes auf den Schließzeitpunkt der durch das piezoelektrische Element betätigten Düsennadel des Einspritzventils geschlossen wird. Auch bei diesem bekannten Verfahren wirkt daher das Piezoelement zugleich als Aktor und als Sensor.
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Weiterhin ist aus der
DE 195 36 110 A1 ein Verfahren zur Ermittlung von für die Verbrennung und/oder die Einspritzung in der Brennkraftmaschine charakterisierende Größen beschrieben, bei dem durch die Verwendung von mehreren Körperschallsensoren an unterschiedlichen Anbauoren der Brennkraftmaschine die Signalgüte der von den Körperschallsensoren beim Verbrennungsvorgang erzeugten Signale verbessert werden kann.
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Dokument
DE 101 22 441 A1 zeigt ein weiteres Verfahren bei dem mit einem Körperschallsensor ein Einspritzbeginn und/oder ein Einspritzende oder auch eine erfolgte Einspritzung und/oder eine erfolgte Verbrennung ermittelt werden, was zur Steuerung der Brennkraftmaschine herangezogen wird, wobei als Körper schallsensor ein Piezoaktor, der vorrangig zur Steuerung der Kraftstoffzumessung dient, verwendet wird.
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Schließlich zeigt die
DE 199 17 772 A1 ein Verfahren, bei dem mit einem Klopfsensor, der in ein Einspritzventil integriert ist, die Schließgeräusche von Gaswechselventilen und Einspritzventilen erfasst werden können.
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Mit derartigen Verfahren lässt sich somit der Schließzeitpunkt der Ventilnadel eines Injektors ermitteln, überwachen und/oder korrigieren und somit der Betrieb des zugehörigen Einspritzsystems des Verbrennungsmotors verbessern. Die gleichzeitige Nutzung des piezoelektrischen Elements als Aktor und als Sensor macht eine aufwändige elektronische Verschaltung zur Trennung von Ansteuer- und Sensorsignal und eine komplizierte Auswertung der sich überlagernden Signale erforderlich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art zu schaffen, das auf besonders einfache und effiziente Weise eine Optimierung der Betriebsweise des Verbrennungsmotors ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der angegebenen Art gelöst, das die folgenden Schritte aufweist:
Ansteuern eines momentan als Aktor wirkenden und somit momentan nicht zur Signalerfassung genutzten Piezoelements eines ersten Injektors zum Betätigen der zugehörigen Ventilnadel zur Durchführung eines Einspritzvorganges;
Erfassen des von einem durch den genannten Einspritzvorgang und/oder den dadurch initiierten Verbrennungsvorgang bewirkten Ereignis erzeugten, in den Zylinderkopf eingeleiteten Körperschalls, mittels eines momentan nicht als Aktor sondern als Sensor wirkenden Piezoelements eines weiteren Injektors, durch Messen einer hierdurch am Piezoelement des weiteren Injektors erzeugten elektrischen Größe oder deren Änderung; und
Auswerten der elektrischen Größe oder deren Änderung zur Überwachung des entsprechenden Ereignisses.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden daher mindestens zwei Injektoren mit zumindest je einem Piezoelement benötigt, bei denen es sich vorzugsweise um örtlich am Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors benachbarte Injektoren handelt. Hierbei wird ein erster Injektor angesteuert, um eine Einspritzung durchzuführen. Das zugehörige Piezoelement wird also momentan, während des zur Einspritzung benötigen Zeitraumes, nicht zur Signalerfassung genutzt, sondern wirkt in diesem Zeitraum ausschließlich als Aktor. Durch den Einspritzvorgang bzw. ein damit verbundenes Ereignis, einschließlich der durch die Einspritzung bewirkten Verbrennung im Brennraum des zugehörigen Zylinders eines Verbrennungsmotors, wird Körperschall erzeugt, der in den Zylinderkopf eingeleitet und von diesem auf das Piezoelement eines weiteren Injektors übertragen wird. Das Piezoelement des weiteren Injektors wirkt dabei momentan, also während eines Zeitraumes in dem es nicht zur Durchführung eines Einspritzvorganges benötigt wird, als Sensor und wandelt die auf das Piezoelement übertragenen Körperschallschwingungen in elektrische Signale um. Diese elektrischen Signale oder deren Änderung werden gemessen und ausgewertet. Auf diese Weise kann das Ereignis, das die elektrischen Signale erzeugt oder deren Änderung bewirkt hat, überwacht werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet somit jeweils eine klare Trennung der Funktion des Piezoelements als Aktor oder als Sensor statt, indem die von einem Injektor durch die Einspritzung direkt oder indirekt ausgelösten Köperschallsignale jeweils von einem weiteren Injektor erfasst werden, der in diesem Zeitraum keine Einspritzung durchführen muss. In der weiteren Folge können dann die durch den folgenden Einspritzvorgang des weiteren Injektors ausgelösten Köperschallsignale wiederum durch das Piezoelement des anderen oder noch eines weiteren Injektors des Verbrennungsmotors erfasst werden.
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Der Übertragungsweg der durch das Ereignis erzeugten Körperschallsignale verläuft grundsätzlich über den zugehörigen Zylinderkopf und die mechanische Anbindung der Injektoren an den Zylinderkopf. Die Injektorgehäuse der Injektoren sind daher fest mit dem Zylinderkopf verbunden, um eine gute Schallübertragung vom Zylinderkopf auf das jeweilige Injektorgehäuse und das Piezoelement zu ermöglichen. Des Weiteren existiert eine feste Anbindung des jeweiligen Piezoelements mit dem zugehörigen Injektorgehäuse, um auch hier einen entsprechend guten Schallübertragungsweg zu gewährleisten. Jede Dämpfung wäre hier kontraproduktiv.
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Vorzugsweise werden die Körperschallsignale, die durch einen Einspritzvorgang eines, einem jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors zugeordneten, Injektors direkt oder indirekt ausgelöst werden, von dem Piezoelement des dem benachbarten Zylinder des Verbrennungsmotors zugeordneten Injektors erfasst und zur Auswertung bereitgestellt. Dies gewährleistet einen kurzen Übertragungsweg für die Körperschallsignale und dadurch möglichst wenig Dämpfung oder Verluste auf dem Übertragungsweg.
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Bei dem Ereignis, das erfindungsgemäß überwacht wird, handelt es sich um ein durch die Einspritzung mittels eines Injektors bewirktes Ereignis oder um ein durch die nachfolgende Verbrennung in dem zugeordneten Zylinder des Verbrennungsmotors bewirktes Ereignis. Ein Ereignis, das durch die Einspritzung selbst verursacht wird, ist beispielsweise der Öffnungs- oder Schließzeitpunkt der zugehörigen Ventilnadel des jeweiligen Injektors. Ein verbrennungsbedingtes Ereignis ist beispielsweise der Verbrennungsbeginn oder das Verbrennungsende in dem jeweiligen dem Injektor zugeordneten Zylinder des Verbrennungsmotors. Grundsätzlich kann somit das erfindungsgemäße Verfahren genutzt werden, um Ereignisse zu überwachen, die einen Körperschall in den Zylinderkopf einleiten und somit auf das Piezoelement eines Injektors übertragen, dessen Piezoelement momentan nicht als Aktor wirkt, sondern zur Signalerfassung genutzt werden kann.
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Vorzugsweise wird das durch das Ereignis erzeugte elektrische Signal oder dessen Änderung gemessen, mit einem Sollwert verglichen, und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis wird der zeitliche Ablauf und/oder die Qualität des Ereignisses bewertet. In der Folge kann dann gegebenenfalls der folgende Einspritzvorgang so korrigiert werden, dass sich der zeitliche Ablauf sowie die Qualität dem Sollwert annähern. Mit anderen Worten kann eine Adaption oder gar eine Regelung der Einspritzvorgänge erfolgen. Wie erwähnt, kann es sich hierbei beispielsweise um den Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkt der Ventilnadel eines einen Einspritzvorgang ausführenden Injektors oder um den Beginn und/oder das Ende einer hierdurch initiierten Verbrennung handeln. Über ein entsprechendes Steuer- oder Regelverfahren kann der erfindungsgemäß ermittelte IST-Wert dem Sollwert angeglichen werden.
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Beispielsweise können Ereignisse erfindungsgemäß erfasst werden, wie sie bei der Durchführung einer Einspritzung auftreten. Hierzu zählen insbesondere Zeitpunkte, bei denen ein hoher Impuls in die Struktur eingeprägt wird, wie beispielsweise der Ventilnadelanschlag zum Öffnungs- und Schließzeitpunkt. Die entsprechenden Impulse bewirken charakteristische Änderungen eines elektrischen Signals, das an dem momentan als Sensor betriebenen Piezoelement gemessen werden kann, beispielsweise der elektrischen Spannung, die ausgewertet werden kann, um beispielsweise die zeitliche Lage der jeweiligen Ereignisse zu ermitteln und, falls erforderlich, zu korrigieren.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 einen schematischen Schnitt durch den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors, wobei zwei Injektoren dargestellt sind;
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2 ein Diagramm, das den zeitlichen Ablauf der Ereignisse bei Durchführung einer Einspritzung mit nachfolgender Verbrennung zeigt; und
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3 eine Darstellung des zugehörigen Schallpegels mit Kennzeichnung der einzelnen Signalintensitäten bei den verschiedenen Ereignissen.
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1 zeigt schematisch einen Teil des Zylinderkopfes 3 eines Verbrennungsmotors im Schnitt. Im Zylinderkopf ist eine Anzahl von Injektoren angeordnet, von denen hier ein erster Injektor 1 und ein weiterer Injektor 2 zweier benachbarter Zylinder dargestellt sind. Über die Injektoren wird Kraftstoff in die zugehörigen Brennräume 4 und 5 der entsprechenden Zylinder eingespritzt.
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Bei den Injektoren 1, 2 kann es sich um sogenannte Piezo-Servoinjektoren oder auch um Piezo-Direktinjektoren handeln, die jeweils ein Injektorgehäuse 6 aufweisen, in dem eine Ventilnadel 9 eine Einspritzöffnung öffnet und schließt. Die Ventilnadel 9 wird über einen hydraulischen Differenzdruck indirekt, bei Piezo-Servoinjektoren oder über eine geeignete Hebelmechanik direkt, bei Piezo-Direktinjektoren, von einem zugehörigen Piezoelement (nicht gezeigt) betätigt. Das Piezoelement wird dazu mit einer elektrischen Spannung und einem entsprechenden elektrischen Strom beaufschlagt. Beim dadurch bewirkten Aufladen des Piezoelements vergrößert das Piezoelement seine Länge und betätigt auf diese Weise indirekt oder direkt die Ventilnadel 9, die die zugehörige Einspritzöffnung öffnet, wodurch Kraftstoff in den Verbrennungsraum des jeweiligen Zylinders des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Wird das Piezoelement wieder entladen, kehrt die Ventilnadel 9 in ihre Ausgangslage zurück, in der die Einspritzöffnung geschlossen wird.
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Das jeweilige Injektorgehäuse 6 ist fest mit dem Zylinderkopf 3 verbunden (mechanisch fest gekoppelt), wie in 1 rein symbolisch an den Stellen 7 und 8 dargestellt. Natürlich sind auch andere Arten der Befestigung möglich, sofern diese zur einwandfreien Übertragung von Körperschall geeignet sind. Auch das Injektorgehäuse 6 und das zugehörige Piezoelement stehen in festem mechanischen Kontakt, um auch hier die Übertragung von Körperschall zu gewährleisten.
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Bei dem hier beschriebenen Verfahren werden nunmehr bestimmte Ereignisse, die Körperschall erzeugen, sensorisch erfasst, ausgewertet, überwacht und/oder korrigiert. Hierzu sind paarweise zwei Injektoren erforderlich, bei denen es sich in diesem Beispiel um die in 1 gezeigten benachbarten Injektoren 1 und 2 handelt. Mit dem ersten Injektor 1 wird zum aktuellen Zeitpunkt des Verbrennungszyklus des Verbrennungsmotors Kraftstoff in den Verbrennungsraum des zugeordneten Zylinders eingespritzt, d. h. der zugehörige Brennraum 4 wird befeuert, wie in 1 symbolisch mit einem Blitzsymbol dargestellt. Durch den Einspritzvorgang werden bestimmte Ereignisse initiiert, wie beispielsweise das Öffnen und Schließen der Ventilnadel und der Verbrennungsvorgang, der durch seinen Beginn, ggf. den Verbrennungsschwerpunkt und das Ende der Verbrennung gekennzeichnet ist. Der durch diese Ereignisse erzeugte Körperschall wird in den Zylinderkopf 3 geleitet und von diesem über die entsprechenden Befestigungseinrichtungen 7, 8 in das Gehäuse 6 des zweiten, weiteren, benachbarten Injektors 2 geleitet und von diesem Gehäuse 6 auf das zugehörige Piezoelement übertragen (schematisch angedeutet durch Pfeildarstellung in 1). Durch die entsprechenden Schallschwingungen wird dabei ein elektrisches Signal im Piezoelement des weiteren Injektors 2 erzeugt, dessen Spannung (U) und/oder dessen Stromstärke (I) gemessen und ausgewertet wird. Durch Vergleich mit entsprechenden Sollwerten wird das zugehörige Ereignis analysiert und überwacht.
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2 zeigt in vier übereinander angeordneten Diagrammen von oben nach unten je ein vereinfacht dargestelltes Beispiel für den Ladestromverlauf 10, den Hubwegverlauf 11 des Piezoelements/Aktors und den Öffnungs-Wegverlauf 12 der Ventilnadel an einem momentan im Einspritzmodus betriebenen Piezo-Injektor sowie den Verbrennungsdruckverlauf 13 im Verbrennungsraum des zugeordneten Zylinders des Verbrennungsmotors, jeweils aufgetragen über der Zeitachse. Die entsprechenden Ereignisse t0–t7 haben die folgende Bedeutung:
t0 = Ladebeginn des Piezoelements
t1 = Aktor trifft auf Ventil/Hebel
t2 = Ventil/Hebel trifft auf Anschlag-Endposition
t3 = Ventilnadel trifft auf Öffnungs-Endposition (Anschlag)
t4 = Verbrennungsbeginn; starker Druckanstieg im Zylinder
t5 = Ventil/Hebel erreicht wieder Ausgangsstellung, bei Entladung des Piezoelements (siehe Stromverlauf 10)
t6 = Ventilnadel erreicht Geschlossen-Stellung (Anschlagposition wird durch Feder/Druckkraft schnell erreicht)
t7 = Verbrennungsende, keine Geräuschentwicklung mehr durch Druckpulsationen
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Die vorstehend genannten Ereignisse sind mit der Erzeugung von Körperschall verbunden. In 3 sind die entsprechenden Ereignisse in Übereinstimmung des zeitlichen Ablaufs in 2 in einer vereinfacht dargestellten Schallpegelkurve 20 gekennzeichnet. Man erkennt, dass die Schallpegelkurve an den jeweiligen Ereignissen charakteristische Ausschläge aufweist, die ausgewertet werden, um beispielsweise die zeitliche Lage des zugehörigen Ereignisses zu ermitteln.
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Die Ereignisse t1, t2, t3 und t6 sind injektorkonzeptabhängig und unterscheiden sich ggf. je nach der konzeptionellen und konstruktiven Ausführung des jeweiligen Injektors von den in 2 und 3 gezeigten Diagrammen. Die in den 2 und 3 dargestellten Kurven sind deshalb als stark vereinfachte Beispiele anzusehen, die jedoch geeignet sind, das Prinzip, auf dem das beanspruchte Verfahren basiert, zu verdeutlichen. Die Ereignisse t4 und t7 sowie die Abklingkurve dazwischen sind ein Maß für den Verbrennungsvorgang (Beginn, Ende und Intensität). Hieraus kann auf die Einspritzmenge und Zündwilligkeit des eingespritzten Kraftstoffes geschlossen werden und es können daraus entsprechende Systemreaktionen abgeleitet werden, die geeignet sind den Istverlauf der Verbrennung an einen vorgegebenen Sollverlauf anzugleichen.
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Nicht dargestellt, aber gleichermaßen auch möglich ist eine Überwachung der Steuerzeiten der Gaswechselventile, die beim Öffnen und Schließen ebenfalls charakteristische Körperschallschwingungen im Zylinderkopf erzeugen. Auch hier kann dann ggf. korrigierend eingegriffen werden.
