DE102014217685B3

DE102014217685B3 - Verfahren zum Betreiben eines Common-Rail-Einspritzsystems

Info

Publication number: DE102014217685B3
Application number: DE102014217685.9A
Authority: DE
Inventors: Roman Etlender; Stefan Ascher; Reinhard Barth; Stephan Mößbauer; Willibald Schürz
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2034-09-05

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Common-Rail-Einspirtzsystems eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das Verfahren betrifft einen Injektor, dessen Düsennadel von einem Piezo-Aktor unter hydraulischer Kopplung zwischen Aktor und Nadel direkt betätigt wird. Der Piezo-Aktor wird vor dessen Betätigung zur Durchführung eines Einspritzvorganges zur Ausnutzung von seiner Verlustleistung zur Erwärmung desselben gezielt angesteuert, ohne dabei eine Einspritzung zu bewirken. Auf diese Weise kann das Kaltstartverhalten des zugehörigen Fahrzeuges verbessert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Common-Rail-Einspritzsystems eines Kraftfahrzeuges mit mindestens einem Injektor, dessen Düsennadel von einem Piezo-Aktor unter hydraulischer Kopplung zwischen Aktor und Nadel direkt betätigt wird.
Es ist bekannt, durch die Ansteuerung eines Piezo-Aktors mit elektrischer Energie eine Auslängung desselben zu bewirken, um auf diese Weise eine Düsennadel eines Injektors zu betätigen und hierdurch einen Einspritzvorgang zu initiieren. Die Betätigung der Düsennadel durch den Piezo-Aktor kann dabei entweder direkt oder unter Zwischenschaltung eines Servoventils erfolgen. Eine direkte Kopplung kann auf mechanische oder hydraulische Weise durchgeführt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fall, bei dem die Düsennadel eines Injektors vom Piezo-Aktor direkt, d. h. ohne Servoventil, betätigt wird, und zwar unter hydraulischer Kopplung zwischen Aktor und Nadel.
Heutige Anforderungen an moderne Einspritzsysteme, insbesondere Diesel-Einspritzsysteme, erfordern eine stabile Funktion des Piezo-Aktors in einem Bereich von –30°C bis 150°C. In diesem Bereich variiert jedoch die Kapazität des Piezo-Aktors sehr stark, wodurch u. a. bei kalten Temperaturen sehr hohe Anforderungen an die von der Steuereinheit maximal darzustellende Spannung gestellt werden. Ferner sind Ansteuerfunktionen typischerweise auf Betriebstemperaturen des Injektors ausgelegt und kalibriert und werden nur per Adaption und zusätzliche Steuerung auf kalte Temperaturen übertragen oder gänzlich ausgeschaltet. Um eine möglichst stabile Regelung des Injektors zu realisieren und damit ein gutes Kaltstartverhalten des Fahrzeuges zu erreichen, ist es jedenfalls wichtig, die Temperatur des Piezo-Aktors möglichst schnell in den Bereich der üblichen Betriebstemperatur zu bringen.
Aus der DE 10 2008 042 265 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils bekannt, bei dem einer Spule des Einspritzventils während eines Einspritzvorgangs Strom mit einem Stromprofil, das eine Anzahl Phasen umfasst, bereitgestellt wird, bei dem bei einem Heißbetrieb des Einspritzventils während jeweils eines Einspritzvorgangs der Spule eine minimale elektrische Energie zugeführt wird und bei dem bei einem Kaltstartbetrieb des Einspritzventils mindestens ein Betriebsparameter mindestens einer Phase vergrößert und der Spule eine erhöhte elektrische Energie bereitgestellt wird.
Die DE 44 31 189 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erhöhung der Temperatur des Kraftstoffs innerhalb von Einspritzdüsen von Verbrennungs-Kraftmaschinen, bei dem zur Temperierung des Kraftstoffes, welcher Verbrennungsmotoren über elektrisch bzw. elektromagnetisch betätigte Einspritzventile zugeführt wird, die für den Antrieb der Einspritzdüse eingesetzte elektrische Energie so geregelt wird, dass bei Bedarf eine zusätzliche Erwärmung des Kraftstoffs erfolgt. Je nach Verbrennungs-Kraftmaschine kann das Verfahren nur zur Vorheizung vor dem Kaltstart oder aber für die Vorheizung und die Temperierung während des Fahrbetriebs eingesetzt werden.
Die DE 101 36 049 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens einer Verbrennungs-Kraftmaschine. Hierbei werden während der Kaltstartphase einer Verbrennungs-Kraftmaschine die Endstufen mit einem Ansteuersignal angesteuert, welches Signalanteile zur Erzeugung von Aufwärmphasen der Magnetspulen enthält, wodurch eine Aufheizung des Injektorkörpers und des darin befindlichen Kraftstoffvolumens erfolgt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art zur Verfügung zu stellen, das zu einer Verbesserung des Kaltstartverhaltens des Fahrzeuges führt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf dem Grundgedanken, durch gezielte Ansteuerung die Verlustleistung des Piezo-Aktors zu nutzen, um diesen zu erwärmen und dabei keine Einspritzung auszulösen. Durch die Erwärmung des Piezo-Aktors vor dessen Betätigung zur Durchführung eines Einspritzvorganges kann dieser selbst bei kalten Temperaturen stabil operieren, so dass sich insgesamt ein sehr gutes Kaltstartverhalten des Fahrzeuges erreichen lässt.
Dabei wird der Piezo-Aktor so angesteuert, dass seine Temperatur in den Bereich der üblichen Betriebstemperatur des zugehörigen Injektors gebracht wird. Wie erwähnt, sind die entsprechenden Ansteuerfunktionen typischerweise auf die übliche Betriebstemperatur des entsprechenden Injektors ausgelegt. Eine entsprechende Adaption oder zusätzliche Steuerung unter Berücksichtigung von kalten Temperaturen kann daher ganz entfallen oder weitgehend eingeschränkt werden.
Die Ansteuerung des Piezo-Aktors zur Erwärmung desselben wird dabei insbesondere so durchgeführt, dass eine Auslängung des Piezo-Aktors bewirkt wird, die unterhalb der Auslängung liegt, die für eine eine Einspritzung bewirkende Druckdifferenz im Steuerraum der hydraulischen Kopplungseinheit sorgt.
Bei dem hier in Rede stehenden Injektorkonzept öffnet die Düsennadel die Einspritzlöcher, wenn eine gewisse (auslegungsabhängige) Druckdifferenz im Steuerraum der hydraulischen Kopplung erreicht ist. Diese Druckdifferenz wird durch das Vergrößern des Steuerraumvolumens generiert, welches durch die Bewegung eines Steuerkolbens erzeugt wird. Die benötigte Druckdifferenz wird bei einem bestimmten Piezohub erreicht. Längt man den Piezo-Aktor durch eine gezielt Ansteuerung unter diesen Wert aus, so bleibt der Injektor geschlossen. Ferner können Leckagen in den hydraulischen Koppler-Volumina ausgenutzt werden. Auch kann durch eine „langsame” Bestromung des Aktors die Bildung einer die Düsennadel öffnenden Druckdifferenz weiter verlangsamt werden.
Der Piezo-Aktor wird unter Berücksichtigung des vorhandenen Raildrucks angesteuert. Wenn der Raildruck niedrig ist oder kein Raildruck vorhanden ist, beispielsweise unmittelbar vor dem Start des Fahrzeuges, wird mit einem Ansteuerprofil operiert, das bei normalem Raildruck zu einem Öffnen der Düsennadel und damit zu einem Einspritzvorgang führen würde. Der Raildruck wird daher gemessen, und der ermittelte Raildruckwert wird für das Ansteuern des Piezo-Aktors zugrundegelegt. Hierbei kann, wie vorstehend bereits angedeutet, beispielsweise ein Ansteuerprofil mit höherer Energie gewählt werden, um auf diese Weise eine raschere Erwärmung des Piezo-Aktors herbeizuführen. Demgegenüber muss bei normalem Raildruck der Grenzwert für das Öffnen der Düsennadel eingehalten werden. Im Regelfall und insbesondere bei normalem Raildruck wird die Ansteuerung des Piezo-Aktors mit einem Ansteuerprofil durchgeführt, dessen Startpeak sicher unter dem Peak für eine Einspritz-Minimalansteuerung liegt, und wird die Ansteuerung mit einer Gesamtenergie durchgeführt, die die Energie der Einspritz-Minimalansteuerung nicht übersteigt.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der Phase vor dem Start des Fahrzeuges bei fehlendem oder niedrigem Raildruck mit einem Ansteuerprofil mit höherer Energie und/oder Frequenz als dem Einspritz-Minimalansteuerungsprofil operiert.
Bei noch einer anderen Ausführungsform wird zur Ansteuerung des Piezo-Aktors eine Bestromung mit sehr kurzen Pulsen durchgeführt, die zu einer kurzzeitigen Überschreitung des Maximalstromes der Ansteuerung für eine Kleinstmenge führen kann. Eine derartige kurzzeitige Überschreitung wäre für die Verhinderung eines Einspritzvorganges unschädlich.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Betätigung (Ansteuerung) des Piezo-Aktors zur Erwärmung im Normalfall getrennt von einer Betätigung zur Durchführung eines Einspritzvorganges vor der Einspritzbetätigung, um bei der Einspritzbetätigung einen erwärmten Aktor zur Verfügung zu haben. Es finden daher zwei getrennte Ansteuervorgänge des Aktors statt. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Ansteuervorgang des Aktors zur Erwärmung mit einem Ansteuervorgang zur Durchführung eines Einspritzvorganges kombiniert, d. h. hier findet ein einziger Ansteuervorgang Anwendung, der aber derart langsam oder anfangs mit einem derart niedrigen Energieniveau durchgeführt wird, dass der Aktor entsprechend erwärmt wird, bis die ein Öffnen der Düsennadel bewirkende Druckdifferenz erreicht ist. Beispielsweise wird hierbei so operiert, dass beim Erreichen der Auslängung des Aktors für die Einspritzung die übliche Betriebstemperatur des Injektors erreicht ist.
In jedem Fall wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Erwärmung des Piezo-Aktors, insbesondere eine solche auf den üblichen Betriebstemperaturbereich des zugehörigen Injektors, erreicht, wobei während dieser Erwärmungsphase für ein sicheres Geschlossenbleiben des Injektors gesorgt wird. Die Düsennadel wird erst dann geöffnet, wenn der Aktor die gewünschte Temperatur erreicht hat. Einige Ausführungsformen zum Erreichen dieses Zieles wurden vorstehend beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm, in dem der Stromverlauf für eine Kleinsteinspritzmenge und der Stromverlauf für die Erwärmung des Piezo-Aktors dargestellt sind; und
2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt mit strichpunktierter Linie ein Stromprofil für die Bestromung eines Piezo-Aktors eines Injektors eines Einspritzsystems, das zum Einspritzen einer Kleinsteinspritzmenge eingesetzt wird. Ferner zeigt 1 mit gestrichelter Linie ein Bestromungsprofil, das auf erfindungsgemäße Weise zum Erwärmen des Piezo-Aktors eingesetzt wird. Wie man dem Diagramm entnehmen kann, liegt hierbei der Startpeak des Stromprofils für die Erwärmung des Piezo-Aktors sicher unterhalb des Peaks für die Minimalansteuerung (Einspritzen einer Kleinsteinspritzmenge). Darüber hinaus erfolgt die Bestromung langsamer als bei der Ansteuerung für die Kleinsteinspritzmenge.
Das Ablaufdiagramm der 2 zeigt die einzelnen Verfahrensschritte bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren beginnt beispielsweise damit, dass der Raildruck des Common-Rail-Einspritzsystems gemessen wird (Schritt 1). In Schritt 2 erfolgt eine Messung der Temperatur des Piezo-Aktors eines zugehörigen Injektors, der erwärmt werden soll, um das Kaltstartverhalten des zugehörigen Kraftfahrzeuges zu verbessern. Wenn die Temperatur des Piezo-Aktors über der üblichen Betriebstemperatur des Einspritzsystems liegt oder dieser Temperatur entspricht, folgt gemäß Schritt 5 ein üblicher Einspritzvorgang. Das erfindungsgemäße Verfahren kommt daher in diesem Fall nicht zum Einsatz.
Wenn die Temperatur des Piezo-Aktors unter der üblichen Betriebstemperatur des Einspritzsystems liegt und der Raildruck im Bereich des normalen Raildrucks liegt, wird gemäß Schritt 3 der Piezo-Aktor mit einem Stromprofil angesteuert, das eine Einspritzung ausschließt, jedoch zu einer Erwärmung des Piezo-Aktors führt. Wenn der Piezo-Aktor die übliche Betriebstemperatur des Einspritzsystems erreicht hat oder über dieser liegt, erfolgt gemäß Schritt 6 ein Ansteuern des Piezo-Aktors zur Durchführung eines Einspritzvorganges.
Wenn die Temperatur des Piezo-Aktors unterhalb der üblichen Betriebstemperatur des Einspritzsystems liegt und kein Raildruck oder nur ein geringer Raildruck vorliegt, der unter dem für die Einspritzung vorgesehenen normalen Raildruck liegt, wird der Piezo-Aktor gemäß Schritt 4 ebenfalls zum Erwärmen angesteuert. Da kein Raildruck vorhanden ist bzw. nur ein geringer Raildruck vorliegt, kann hierbei jedoch zum Erwärmen ein Stromprofil Anwendung finden, das bei normalem Raildruck zu einer Einspritzung führen würde. Die Ansteuerung muss hierbei aber so erfolgen, dass lediglich der gewünschte Vorgang des Erwärmens auftritt und keine Einspritzung durchgeführt wird. Wenn der Aktor die übliche Betriebstemperatur des Einspritzsystems erreicht hat oder diese überschritten hat, wird dann ein üblicher Einspritzvorgang gemäß Schritt 6 durchgeführt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher eine schnelle Erwärmung des Piezo-Aktors eines Injektors vor dem Einspritzen durchgeführt. Bei Durchführung eines Einspritzvorganges besitzt daher der Piezo-Aktor eine erhöhte Temperatur, die beispielsweise der üblichen Betriebstemperatur des Einspritzsystems entspricht und eine Verbesserung des Kaltstartverhaltens des zugehörigen Fahrzeuges bewirkt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Common-Rail-Einspritzsystems eines Kraftfahrzeuges mit mindestens einem Injektor, dessen Düsennadel von einem Piezo-Aktor unter hydraulischer Kopplung zwischen Aktor und Nadel direkt betätigt wird, mit den folgenden Schritten: a) Messen des Raildrucks des Common-Rail-Einspritzsystems; b) Messen der Temperatur des Piezo-Aktors eines zugehörigen Injektors; c) wenn die Temperatur des Piezo-Aktors unter der üblichen Betriebstemperatur des Einspritzsystems und der Raildruck im Bereich des normalen Raildrucks liegen, Ansteuern des Piezo-Aktors mit einem Stromprofil, das eine Einspritzung ausschließt, jedoch zu einer Erwärmung des Piezo-Aktors führt, und Ansteuern des Piezo-Aktors zur Durchführung eines Einspritzvorganges, wenn der Piezo-Aktor die übliche Betriebstemperatur des Einspritzsystems erreicht hat oder über dieser liegt, oder Ansteuern des Piezo-Aktors mit einem Stromprofil für einen Einspritzvorgang und dabei derart langsames Bestromen, dass die Temperatur des Piezo-Aktors bis zum Erreichen der einen Einspritzvorgang bewirkenden Auslängung des Piezo-Aktors erhöht und insbesondere auf einen üblichen Betriebstemperaturbereich des Injektors gebracht wird und Durchführen des Einspritzvorganges; und d) wenn die Temperatur des Piezo-Aktors unter der üblichen Betriebstemperatur des Einspritzsystems liegt und kein Raildruck oder nur ein geringer Raildruck vorliegt, der unter dem für die Einspritzung vorgesehenen normalen Raildruck liegt, Ansteuern des Piezo-Aktors mit einem Stromprofil, das beim normalen Raildruck zu einer Einspritzung führen würde, jedoch keine Einspritzung bewirkt, und Ansteuern des Piezo-Aktors zur Durchführung eines Einspritzvorganges, wenn der Piezo-Aktor die übliche Betriebstemperatur des Einspritzsystems erreicht hat oder über dieser liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Piezo-Aktors zur Erwärmung desselben so durchgeführt wird, dass eine Auslängung des Piezo-Aktors bewirkt wird, die unterhalb der Auslängung liegt, die für eine eine Einspritzung bewirkende Druckdifferenz im Steuerraum der hydraulischen Kopplungseinheit sorgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Piezo-Aktors mit einem Ansteuerprofil durchgeführt wird, dessen Spitzenwert am Start sicher unter dem Spitzenwert für eine Einspritz-Minimalansteuerung liegt, und dass die Ansteuerung mit einer Gesamtenergie durchgeführt wird, die die Energie der Einspritz-Minimalansteuerung nicht übersteigt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Phase vor dem Start des Fahrzeuges bei fehlendem oder niedrigem Raildruck mit einem Ansteuerprofil mit höherer Energie und/oder Frequenz als dem Einspritz-Minimalansteuerungsprofil operiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des Piezo-Aktors eine Bestromung mit sehr kurzen Pulsen durchgeführt wird, die zu einer kurzzeitigen Überschreitung des Maximalstromes der Ansteuerung für eine Kleinstmenge führen kann.