DE102013223764B3 - Verfahren zum Betreiben eines Piezo-Servo-Injektors - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Injektors einer Brennkraftmaschine, dessen Düsennadel von einem Piezo-Aktuator über ein Servoventil betrieben wird, beschrieben. Der Leerhub des Piezo-Aktuators wird durch Aufrechterhaltung einer permanenten Direktkraftanbindung zwischen Piezo-Aktuator und Servoventil eliminiert, so dass eine Kraftänderung auf das Servoventil durch Ventilraumdruckänderung beim Öffnen und Schließen des Servoventils und beim Schließen der Düsennadel des Injektors immer als Kraftänderung auf den Piezo-Aktuator übertragen wird. Die hierdurch bewirkte Spannungs- und/oder Kapazitätsänderung des Piezo-Aktuators wird erfasst, und hieraus werden Parameter ermittelt, mit denen die vom Injektor abgegebene Einspritzmenge geregelt wird. Auf diese Weise lässt sich eine besondere hohe Mengendosierungsgenauigkeit erreichen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Injektors einer Brennkraftmaschine, dessen Düsennadel von einem Piezo-Aktuator über ein Servoventil betrieben wird.
  • Bei derartigen Injektoren steht die Düsennadel des Injektors nicht in direkter Verbindung mit einem Piezo-Aktuator, durch dessen Dehnung und Kontraktion die Öffnungs- und Schließbewegung der Düsennadel erzeugt wird, sondern zwischen Düsennadel und Piezo-Aktuator befindet sich ein Servoventil, dessen Ventilkörper mit dem Piezo-Aktuator in Verbindung steht und der durch die Dehnung des Aktuators von einem Ventilsitz abgehoben wird. Dies erfolgt gegen die Kraft einer Ventilfeder, die den Ventilkörper gegen den Ventilsitz presst. Durch Abheben des Ventilkörpers des Servoventils vom Ventilsitz erfolgt ein Kraftstofffluss, der zu Betätigung der zugehörigen Düsennadel führt.
  • Bei derartigen Injektoren muss sowohl der Verlauf der Servoventilbewegung als auch der der Düsennadelbewegung genau geregelt werden.
  • Dazu ist beispielsweise aus DE 10 2005 037 361 A1 ein Verfahren zur Ermittlung des Ventilöffnungszeitpunktes bekannt, wobei der Verlauf der auf das Servoventil wirkenden Kraft aus dem Verlauf der elektrischen Spannung des Piezostacks ermittelt wird.
  • Ein Verfahren um eine Einspritzung mit einer genau dosierten Kraftstoffmenge zu erreichen wird beispielsweise so durchgeführt, dass der Düsennadelschließzeitpunkt bestimmt und geregelt wird. Dazu muss nach dem Schließen des Servoventils noch eine Spannung am Piezo-Aktuator anliegen, damit der Aktuator weiterhin mit dem Servoventil in Kraftkontakt bleibt. Aus Dokument WO 01/ 63 121 A1 ist ein solches Verfahren zum Bestimmen des Schließzeitpunktes der Düsennadel eines solchen Injektors, der über ein piezoaktuatorisch betätigtes Servoventil verfügt, bekannt. Beim Beenden des Einspritzvorganges wird das Servoventil in diesem Verfahren nicht vollständig geschlossen wodurch sichergestellt wird, dass der Ventilkörper den Ventilsitz noch berührt. Dies ermöglicht eine Druckmessung in der Steuerkammer und damit die Erkennung des Schließzeitpunktes der Düsennadel, mit Hilfe des Piezoaktors.
  • Dies setzt aber voraus, dass der Leerhub des Piezo-Aktuators bekannt ist. Daher wird gleichzeitig der Leerhub adaptiert (über den Druckabfall oder über die Frequenz/Amplitudenänderung des Piezo-Aktuators während der Ansteuerung). Ein solches Adaptionsverfahren, das beispielsweise bereits aus DE 10 2011 003 751 A1 bekannt ist, ist jedoch relativ langsam, und die Genauigkeit und Robustheit sind abhängig von Betriebsbedingungen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art zu schaffen, mit dem eine besonders hohe Mengendosierungsgenauigkeit des Injektors erzielt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art dadurch gelöst, dass der Leerhub des Piezo-Aktuators durch Aufrechterhaltung einer permanenten Direktkraftanbindung zwischen Piezo-Aktuator und Servoventil eliminiert wird, so dass eine Kraftänderung auf das Servoventil durch Ventilraumdruckänderung beim Öffnen und Schließen des Servoventils und beim Schließen der Düsennadel des Injektors immer als Kraftänderung auf den Piezo-Aktuator übertragen wird, und dass die hierdurch bewirkte Spannungs- und/oder Kapazitätsänderung des Piezo-Aktuators erfasst wird und hieraus Parameter ermittelt werden, mit denen die vom Injektor abgegebene Einspritzmenge geregelt wird.
  • Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, den Leerhub des Piezo-Aktuators zu eliminieren und dadurch immer eine Direktkraftanbindung zwischen Piezo-Aktuator und Servoventil zu erreichen, wodurch immer ein Feedback-Signal beim Düsennadelschließen bzw. beim Öffnen/Schließen des Servoventils zur Verfügung steht. Erfindungsgemäß wird daher immer eine Kraftanbindung zwischen Piezo-Aktuator und Servoventil sichergestellt, und zwar auch beim kleinsten Arbeitsdruck. Durch diesen Kraftanschluss wird immer dafür gesorgt, dass die auf das Servoventil einwirkende Kraftänderung, verursacht durch eine Ventilraumdruckänderung beim Öffnen oder Schließen des Servoventils und beim Schließen der Düsennadel, auf den Piezo-Aktuator übertragen wird, so dass auf diese Weise eine Änderung der auf den in diesem Fall als Sensor wirkenden Piezo-Aktuator einwirkenden Kraft und somit eine Änderung von dessen Spannung und/oder Kapazität verursacht wird. Aus dieser Spannung- und oder Kapazitätsänderung werden dann Parameter ermittelt, mit denen die vom Injektor abgegebene Einspritzmenge geregelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich daher durch eine hohe Genauigkeit aus, ist rasch durchführbar und weist eine große Robustheit auf.
  • Vorzugsweise werden durch Ermittlung und Auswertung der Spannungs-, Kapazitäts- und/oder Kraftänderung am Piezo-Aktuator der Öffnungs- oder Schließzeitpunkt des Servoventils und/oder der Schließzeitpunkt der Düsennadel ermittelt. Die Bestimmung dieser Zeitpunkte kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf besonders genaue Weise erfolgen. Die entsprechenden ermittelten IST-Zeitpunkte können mit den in der Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine hinterlegten SOLL-Zeitpunkten verglichen werden und so eingeregelt werden, dass die Einspritzmenge der Soll-Menge folgt. Um dies zu erreichen, können insbesondere die Ladezeit und/oder Ladeenergie des Piezo-Aktuators, die Einspritzzeit und/oder die Entladezeit des Piezo-Aktuators geregelt werden.
  • Zur Einstellung der für die permanente Direktkraftanbidnung benötigten Kraft zwischen Piezo-Aktuator und Servoventil kann die dadurch am Piezo-Aktuator entstehende elektrische Spannung verwendet werden, wobei die Kraft aus der elektrischen Spannung berechnet werden kann. Die Einstellung kann beendet werden, wenn die Kraft den Sollwert erreicht hat.
  • Es gibt verschiedene bevorzugte Methoden, um die permanente Dichtkraftanbindung zwischen Piezo-Aktuator und Servoventil zu erreichen. Diese Methoden können getrennt voneinander aber auch in Kombination durchgeführt werden.
  • Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die permanente Direktkraftanbindung durch Erhöhung der Federkraft für das Servoventil erzeugt. Beispielsweise wird dabei die bisher eingesetzte Federkraft von 10 N erfindungsgemäß auf 100–140 N erhöht.
  • Bei einer weitern Ausführungsform der Erfindung wird die permanente Direktkraftanbindung durch Einstellung der Ventilsitzsteifigkeit relativ zur Steifigkeit des Piezo-Aktuators, insbesondere auf den zwei–vierfachen Wert derselben, erzeugt. Bei der Einstellung bzw. Auslegung der Steifigkeit K_sitz des Ventilsitzes an der Schließkante in Abhängigkeit von der Steifigkeit K_Piezo des Piezo-Aktuators wird insbesondere darauf geachtet, dass K_sitz gegenüber K_piezo nicht zu groß wird, damit bei einer Variation der Aktuator-Dehnung gegenüber dem Injektorkörper durch Piezo-Nachpolarisation/Depolarisation bzw. durch Temperaturänderung immer noch ein Kraftschluss zwischen Piezo-Aktuator und Servoventil entsteht. Andererseits soll K_sitz nicht kleiner als K_Piezo sein, damit bei einer Piezo-Ansteuerung ausreichender Ventillift im geöffneten Zustand besteht. Vorzugsweise wird daher die Ventilsitzsteifigkeit so eingestellt bzw. ausgelegt, dass sie zwei- bis viermal so groß ist wie die Steifigkeit des Piezo-Aktuators (z. B. von heute 75 N/Mikrometer auf 30 N/Mikrometer gegenüber 10 N/Mikrometer vom Piezo-Aktuator).
  • Bei noch einer anderen Variante wird die permanente Direktkraftanbindung beim Montieren des Injektors ohne hydraulische Kraft so eingestellt, dass die Kraftanbindung zwischen Piezo-Aktuator und Servoventil nach Klemmen des Injektors in den zugehörigen Zylinder der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung der Klemmkraft auf den Injektorkörper ein Bruchteil, insbesondere etwa die Hälfte, der Federkraft beträgt. Mit anderen Worten, die Ventilsitz-Schließkraft soll ohne Rail-Druck, beispielsweise bei einer Federkraft von 140 N, etwa 70 N betragen. Die Kraftanbindung zwischen Piezo-Aktuator und Pilzventil beträgt hierbei vorzugsweise auch 70 N, damit bei einer Variation der Piezo-Dehnung durch Nachpolarisation und/oder durch Temperaturänderung gegenüber dem Injektorkörper immer noch Kraftschluss zwischen Aktuator und Servoventil bzw. eine genügende Ventilsitzschließkraft besteht.
  • In jedem Fall wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sichergestellt, dass die permanente Direktkraftanbindung so eingestellt wird, dass sie selbst bei kleinstem Arbeitsdruck sichergestellt wird, beispielsweise bei 150 bar.
  • Vorzugsweise wird durch die Erzeugung der permanenten Dichtkraftanbindung die Piezo-Polarisation stabilisiert. Hierbei wird daher die Kraftanbindung zwischen Aktuator und Servoventil auch zur Stabilisierung der Piezo-Polarisation eingesetzt. Insbesondere wird hierbei, wenn sich der Aktuator bei Erhöhung der Piezo-Nachpolarisation mehr ausdehnt, die Kraft auf den Aktuator durch die Kraftanbindung zwischen Aktuator und Servoventil erhöht, was zu einer Senkung der Piezo-Nachpolarisation und somit zu weniger Aktuator-Dehnung führt. Das Gleiche gilt umgekehrt auch im Fall der Piezo-Depolarisation. Somit wird die Piezo-Nachpolarisation bzw. -Depolarisation sehr stark eingeschränkt, was zur Konstanthaltung der Länge des Piezo-Aktuators ohne Ansteuerung beim jeweiligen Betriebspunkt beiträgt.
  • Während des Motorbetriebes wird nach Entladen des Piezo-Aktuators vorzugsweise kein Kurzschluss des Aktuators bis zur nächsten Einspritzung durchgeführt, damit die Änderung der Spannung durch Kraftänderung sichtbar bleibt.
  • Mit dem auf diese Weise ausgebildeten Injektor kann auch leicht eine Leckage durch Steuerung der Piezo-Spannung erzeugt werden, ohne dass sich die Düsennadel öffnet. Dies wird genutzt, um Rail-Druck ohne PDV/PCV (Druckablassventil) auf den Sollwert abzubauen, bei kleiner Einspritzmengenanforderung insbesondere im Fall der Abschaltung der Einspritzung.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines Injektors mit Piezo-Aktuator und Servoventil; und
  • 2 ein Blockdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines Injektors zeigt.
  • 1 zeigt einen Teil eines Injektors einer Brennkraftmaschine, dessen Düsennadel (nicht gezeigt) von einem Piezo-Aktuator 1 über ein Servoventil 2 betrieben wird. Das Servoventil 2 besitzt einen pilzförmigen Ventilkörper 3, der mit einem Ventilsitz 4 zusammenwirkt. Eine Feder 5 presst den Ventilkörper 3 gegen den Ventilsitz 4. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezo-Aktuator 1 dehnt sich dieser in der Figur nach unten aus und bewegt auf diese Weise den Ventilkörper 3 des Servoventils 2 durch die Kraft der Feder 5 in der Figur nach unten, so dass hierdurch zwischen Ventilsitz 4 und Ventilkörper 3 ein Strömungskanal freigegeben wird, durch den Kraftstoff fließen und hierdurch eine Bewegung einer nichtgezeigten Düsennadel zur Initiierung eines Einspritzvorganges bewirken kann.
  • Wenn die am Piezo-Aktuator 1 anliegende elektrische Spannung abgeschaltet wird, findet eine Kontraktion des Piezo-Aktuators statt, so dass der Ventilkörper 3 die Feder 5 in der Figur nach oben bewegt und das Servoventil 2 wieder geschlossen wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei sichergestellt, dass ein zwischen dem Piezo-Aktuator 1 und dem Ventilkörper 3 auftretender Leerhub eliminiert und eine permanente Direktkraftanbindung zwischen Piezo-Aktuator 1 und Servoventil 2 aufrechterhalten wird. Eine durch eine Ventilraumdruckänderung beim Öffnen und Schließen des Servoventils 2 und beim Schließen der Düsennadel auf das Servoventil 2 einwirkende Kraftänderung wird daher immer als Kraftänderung auf den Piezo-Aktuator 1 übertragen und macht sich hier als Spannungs- und/oder Kapazitätsänderung des als Sensor wirkenden Piezo-Aktuators 1 bemerkbar. Diese Änderung kann erfasst werden, und hieraus können Parameter ermittelt werden, mit denen die vom Injektor abgegebene Einspritzmenge geregelt wird.
  • 2 zeigt schematisch die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. Um eine permanente Direktkraftanbindung zwischen Piezo-Aktuator und Servoventil herzustellen und aufrechtzuerhalten, wird in Schritt 10 die Federkraft für das Servoventil 2 erhöht, in Schritt 11 die Ventilsitzsteifigkeit relativ zur Steifigkeit des Piezo-Aktuators 1 eingestellt und/oder in Schritt 12 die Kraftanbindung zwischen Piezo-Aktuator 1 und Servoventil 2 nach Klemmen des Injektors in den zugehörigen Zylinder der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung der Klemmkraft auf den Injektorkörper so eingestellt, dass die Kraftanbindung etwa die Hälfte der Federkraft beträgt. Diese Maßnahmen werden in Schritt 13 entsprechend kombiniert, um die Aufrechterhaltung einer permanenten Direktkraftanbindung zwischen Piezo-Aktuator 1 und Servoventil 2 zu sorgen.
  • In Schritt 14 wird das Servoventil 2 dann geöffnet und geschlossen und die Düsennadel geschlossen. In Schritt 15 wird die hierdurch bewirkte Spannungs- und/oder Kapazitätsänderung des Piezo-Aktuators erfasst. Hieraus werden in Schritt 16 entsprechende Parameter ermittelt, beispielsweise die Ladezeit, die Ladeenergie, die Einspritzzeit sowie die Entladezeit, die dann in Schritt 17 entsprechend geregelt werden, damit die Einspritzmenge immer der Sollmenge folgt.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Injektors einer Brennkraftmaschine, dessen Düsennadel von einem Piezo-Aktuator über ein Servoventil betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Leerhub des Piezo-Aktuators (1) durch Aufrechterhaltung einer permanenten Direktkraftanbindung zwischen Piezo-Aktuator (1) und Servoventil (2) eliminiert wird, so dass eine Kraftänderung auf das Servoventil (2) durch Ventilraumdruckänderung beim Öffnen und Schließen des Servoventils (2) und beim Schließen der Düsennadel des Injektors immer als Kraftänderung auf den Piezo-Aktuator (1) übertragen wird, und dass die hierdurch bewirkte Spannungs- und/oder Kapazitätsänderung des Piezo-Aktuators (1) erfasst wird und hieraus Parameter ermittelt werden, mit denen die vom Injektor abgegebene Einspritzmenge geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Ermittlung und Auswertung der Spannungs-, Kapazitäts- und/oder Kraftänderung am Piezo-Aktuator (1) der Öffnungs- oder Schließzeitpunkt des Servoventils (2) und/oder der Schließzeitpunkt der Düsennadel ermittelt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladezeit und/oder Ladeenergie des Piezo-Aktuators (1) sowie die Einspritzzeit und/oder die Entladezeit des Piezo-Aktuators (1) geregelt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der für die permanente Direktkraftanbindung benötigten Kraft zwischen Piezo-Aktuator (1) und Servoventil (2) die dadurch am Piezo-Aktuator (1) entstehende elektrische Spannung verwendet wird, wobei die Kraft aus der elektrischen Spannung berechnet und die Einstellung beendet wird, wenn die Kraft den Sollwert erreicht hat.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die permanente Direktkraftanbindung durch Erhöhung der Federkraft für das Servoventil (2) erzeugt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die permanente Direktkraftanbindung durch Einstellung der Ventilsitzsteifigkeit relativ zur Steifigkeit des Piezo-Aktuators, insbesondere auf den zwei- bis vierfachen Wert derselben, erzeugt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die permanente Direktkraftanbindung beim Montieren des Injektors ohne hydraulische Kraft so eingestellt wird, dass die Kraftanbindung zwischen Piezo-Aktuator (1) und Servoventil (2) nach Klemmen des Injektors in den zugehörigen Zylinder der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung der Klemmkraft auf den Injektorkörper ein Bruchteil, insbesondere etwa die Hälfte, der Federkraft beträgt.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die permanente Direktkraftanbindung so eingestellt wird, dass sie selbst bei kleinstem Arbeitsdruck sichergestellt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Erzeugung der permanenten Direktkraftanbindung die Piezo-Polarisation stabilisiert wird.
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