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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Erkennen eines Zeitpunktes eines charakteristischen Ereignisses innerhalb der Bewegung einer Düsennadel eines Injektors. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogrammprodukt.
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Insbesondere bei Injektoren nach dem Prinzip des Piezodirektschalters hat der Verlauf des Aktorhubs unmittelbaren Einfluss auf den Hubverlauf der Düsennadel. Toleranzen des Injektors und der Ansteuerung können durch Auswerten charakteristischer Ereignisse in den Ansteuersignalen und Einregeln von Sollwerten kompensiert werden. Dabei dient der Aktor gleichzeitig als Sensor.
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Beim Öffnen der Düsennadel schlägt diese an einem Hubanschlag an. Der Zeitpunkt zu dem der Hubanschlag erreicht wird, kann aus dem Verlauf der Aktorspannung ermittelt werden. Der Zeitpunkt des Einspritzendes des Injektors kann aus dem Verlauf der Aktorspannung, dem Verlauf des Aktorstroms oder dem Verlauf der Ladung des Aktors bestimmt werden. Auslöser für die Rückwirkung des Aktors auf die Ansteuersignale ist dabei jeweils eine Kraftänderung am Aktor, welche durch das Stoppen der Öffnungs- bzw. Schließbewegung der Düsennadel an einem Anschlag verursacht wird. Die Kopplung zwischen dem Ereignis am jeweiligen Anschlag der Düsennadel und dem Aktor erfolgt über eine Schaltkette bestehend aus Düsennadel, einem Koppler mit einem Kopplerkolben und Kopplervolumen, sowie weiteren Komponenten zur Kraftübertragung.
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Aus der
EP 1 400 675 B1 ist ein Verfahren zur Regelung wenigstens zweier Piezoaktoren bekannt. Dabei wird eine Kenngröße ausgehend von der am Piezoaktor anliegenden Spannung ermittelt. Diese Kenngröße wird dann auf einen gemeinsamen Sollwert eingeregelt
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Nachteilig hierbei ist, dass nicht alle charakteristischen Ereignisse im Verlauf der Spannung deutlich erkennbar sind. Die Ausprägung eines zur Auswertung geeigneten Ereignisses ist in der Spannung schwach ausgeprägt. Dies erschwert eine robuste und möglichst präzise Auswertung. Bzw. macht diese sogar unmöglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, dass das charakteristische Ereignis stark ausgeprägt ist und deutlich erkennbar ist. Durch die Auswertung einer virtuellen Aktorkraft, die ausgehend von einer Aktorspannung und einer Aktorladung berechnet wird, kann die Ausprägung von Ereignissen zur Bestimmung charakteristischer Ereignisse innerhalb der Bewegung der Düsennadel optimiert werden.
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Eine besonders genaue Berechnung der virtuellen Aktorkraft ergibt sich, wenn die virtuelle Aktorkraft unter Berücksichtigung der Leerlaufkapazität und einer Konstante berechnet wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das so berechnete charakteristische Ereignis einem Regelkreis als Istwert zugeführt und mit einem Sollwert verglichen wird. Dadurch ist eine genaue Steuerung der Brennkraftmaschine möglich. Insbesondere werden Toleranzen gut ausgeglichen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Istwert durch Beeinflussung wenigstens einer der Größen Ladestrom, Ladedauer, Entladestrom, Ansteuerdauer und/oder Ansteuerbeginn an den Sollwert angeglichen wird. Das heißt dass eine dieser Größen als Stellgrößen verwendet wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn es sich bei dem charakteristischen Ereignis um wenigstens eines der Ereignisse Einspritzbeginn, Hubanschlag oder Einspritzende handelt. Diese Ereignisse sind im Verlauf der virtuellen Aktorkraft leicht erkennbar und damit auch leicht auswertbar. Vorzugsweise werden diese Größen anhand des Zeitpunktes eines lokalen Minimums, eines lokalen Maximums oder einer Steigungsänderung erkannt.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung Programmcode zusammen mit Verarbeitungsanweisungen zum Erstellen eines auf einem Steuergerät ablauffähigen Computerprogramms, insbesondere Sourcecode mit Compilier- und/oder Verlinkungsanweisungen, wobei der Programmcode das Computerprogramm zur Ausführung aller Schritte eines der beschriebenen Verfahren ergibt, wenn er gemäß der Verarbeitungsanweisungen in ein ablauffähiges Computerprogramm umgewandelt wird, also insbesondere kompiliert und/oder verlinkt wird. Dieser Programmcode kann insbesondere durch Quellcode gegeben sein, welcher beispielsweise von einem Server im Internet herunterladbar ist.
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Kern und Vorteile der Erfindung
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahren möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 die wesentlichen Elemente eines Injektors und seiner Ansteuerung und
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2 verschiedene hierbei auftretende Signale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist der Injektor und seine Steuerung beispielhaft gezeigt. Diese Darstellung ist stark schematisiert und lediglich als beispielhafte Ausführungsform zu betrachten. Eine Düse 1 ist mit einer Düsennadel 2 schematisch dargestellt. Im Bereich zwischen der Düsennadel 2 und der Düse 1 befindet sich Kraftstoff unter hohem Druck. Wird die Düsennadel 2 von der Düse 1 abgehoben, so gelangt der Kraftstoff in dem Brennraum der Brennkraftmaschine. Die Düsennadel wird mechanisch durch ein Piezoaktor 5 betätigt. Der Piezoaktor ist aus einem piezoelektrischen aktiven Material, das sich unter Anlegen einer Spannung messbar ausdehnt. In 1 ist die Ruhelage des Piezoaktors dargestellt, d.h. das keine Spannung an dem Piezoelement anliegt. In diesem Fall verschließt die Düsennadel die Düse und es erfolgt keine Kraftstoffzumessung.
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Über eine Endstufe 7 kann an den Piezoaktor 5 eine Spannung angelegt werden. Hierzu wird die Endstufe 7 durch eine Steuereinheit mit einem entsprechenden Ansteuersignal beaufschlagt. Die Steuereinheit 6 berechnet das Ansteuersignal unter Auswertung von verschiedenen Ausgangssignalen verschiedener Sensoren 8. Gleichzeitig gelangen Signale, die die Endstufe 7 erfasst wieder zurück zur Steuereinheit 6. In der Steuereinheit 6 werden die Signale der Endstufe einer Auswertung unterzogen. Von der Endstufe 7 werden insbesondere Signale bezüglich der Spannung U, die am Piezoaktor 5 anliegt und dem beim Lade – oder Entladevorgang fließenden Strom I an die Steuereinheit 5 zurückgemeldet.
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Vorzugsweise sind die Steuereinheit 6 und die Endstufe 7 in ein Steuergerät integriert.
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Während eines Einspritzvorganges mittels des dargestellten Injektors treten verschiedene charakteristische Ereignisse auf. Diese sind im Wesentlichen der Einspritzbeginn, der Hubanschlag HA sowie das Einspritzende EOI. Durch auswerten der Rückmeldesignale von der Endstufe 7 an die Steuereinheit 6, können die Zeitpunkte, bei denen diese charakteristische Ereignisse auftritt, erkannt werden. Dabei wird der Signalverlauf der Rückmeldesignale über der Zeit bzw. über der Winkelstellung der Kurbel oder Nockenwelle ausgewertet. Hierbei können verschiedene Größe berechnet werden, ausgehend von denen die charakteristischen Ereignisse erkannt werden.
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Als besonders geeignetes und vorteilhaftes Signal hat sich dabei die virtuelle Aktorkraft erwiesen.
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Insbesondere die charakteristischen Ereignisse Einspritzbeginn, Hubanschlag oder Einspritzende lassen sich im Verlauf der aus Aktorspannung und Aktorladung berechneten virtuellen Aktorkraft auswerten.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das charakteristische Ereignis mit einem Sollwert verglichen wird. Der Istwert des charakteristischen Ereignisses wird durch Beeinflussung des Ladestroms, der Ladedauer, des Entladestroms, der Ansteuerdauer und/oder des Ansteuerbeginns auf den Sollwert eingestellt.
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Mit Hilfe des gemessenen Istwerts des Zeitpunkts des Einspritzbeginns wird eine Abweichung zu einem vom Betriebspunkt abhängigen Sollwert bestimmt. Mit einem Regler kann die Abweichung durch die Anpassung von Ladestrom und/oder Ansteuerdauer sowie Ansteuerbeginn angeglichen werden.
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Mit Hilfe des gemessenen Istwerts des Zeitpunkts des Hubanschlags wird eine Abweichung zu einem vom Betriebspunkt abhängigen Sollwert bestimmt. Mit einem Regler wird die Abweichung durch die Anpassung von Ladestrom, Ladedauer und/oder Ansteuerdauer sowie Ansteuerbeginn angeglichen.
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Mit Hilfe des gemessenen Istwerts des Zeitpunkts des Einspritzendes wird eine Abweichung zu einem vom Betriebspunkt abhängigen Sollwert bestimmt. Mit einem Regler wird die Abweichung durch die Anpassung von Ansteuerdauer und/oder Entladestrom ausgeglichen.
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So kann der Einfluss von Exemplarstreuung des Injektors, Verschleiß über Lebensdauer oder veränderlichen Umgebungsbedingungen auf den Zeitpunkt des Einspritzbeginns, des Hubanschlags sowie auf den Zeitpunkt des Einspritzendes kompensiert werden, um steigende Anforderungen an die Genauigkeit der Einspritzmenge zu erfüllen.
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In der 2 sind verschiedene Größen beispielhaft über der Zeit t aufgetragen. In 2a ist der zeitliche Verlauf der Aktorspannung U mit einer durchgezogenen Linie und der zeitliche Verlauf der Aktorladung Q mit eine gestrichelten Linie aufgetragen. In 2b ist der zeitliche Verlauf der Einspritzrate R mit einer durchgezogenen Linie und der zeitliche Verlauf der virtuellen Aktorkraft FV mit einer gestrichelten Linie aufgetragen.
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Die virtuelle Aktorkraft FV wird entsprechend der folgenden Formel wie folgt berechnet: FV = K·(C0·U(t) – Q(t))
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Hierzu wird der Verlauf des Stroms I(t) und der Spannung U(t) durch einen AD-Wandlung vom Steuergerät 6 erfasst. Der Verlauf der Ladung Q(t) wird durch Integration des Stromverlaufs I(t) im Steuergerät 6 berechnet. Alternativ wird der Verlauf der Ladung Q(t) mit Hilfe einer analogen Integrierer-Schaltung bestimmt und dann durch eine AD-Wandlung vom Steuergerät erfasst.
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Die Leerlaufkapazität C0 entspricht der Kapazität des Aktors im nicht angesteuerten Zustand. Zur Optimierung der Ausprägung der Ereignisse im Signalverlauf kann es vorteilhaft sein, einen von der physikalisch korrekten Leerlaufkapazität abweichenden Wert in obiger Formel einzusetzen. Ein geeigneter Wert der Leerlaufkapazität kann als konstanter Wert oder betriebspunktabhängig aus dem Speicher des Steuergeräts bereit gestellt werden.
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Bei der Größe K handelt es sich um eine Konstante.
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Alternativ kann auch der Verlauf der Größen über der Winkelstellung der Nockenwelle oder der Kurbelwelle betrachtet werden.
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Zum Öffnen der Düsenadel wird der Aktor durch einen positiven Strom geladen. Dabei steigen Ladung Q, Spannung U und Einspritzrate R an. Danach bleibt die Düse ohne weitere Stromzufuhr geöffnet. Zum Schließen der Düse wird der Aktor mit einem negativen Strom entladen. Dabei fallen Ladung, Spannung und Einspritzrate auf null ab.
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Der Ladestrom und die Ladedauer werden so gewählt, dass die Düsennadel den Hubanschlag kurz nach Ende der Ladephase erreicht. So wird erreicht, dass sich aufgrund der Sensoreigenschaft des Aktors im Spannungsverlauf gemäß dem Stand der Technik ein Minimum ausbildet, das den Zeitpunkt des Hubanschlags HA kennzeichnet. Gleichzeitig tritt auch im Verlauf der virtuellen Aktorkraft eine Steigungsänderung bzw. ein lokales Minimum auf. Auslöser für die Rückwirkung des Aktors auf die betrachteten Signale ist eine Kraftänderung am Aktor, welche durch das abrupte Stoppen der Öffnungsbewegung der Düsennadel am Hubanschlag verursacht wird. Die charakteristische Änderung im Verlauf der virtuellen Aktorkraft FV wird im Steuergerät als Zeitpunkt des Hubanschlags ausgewertet.
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In der 2 ist zu erkennen, dass die Steigungsänderung zum Zeitpunkt des Hubanschlags (HA) im Verlauf der virtuellen Aktorkraft deutlicher ausgeprägt ist als im Spannungsverlauf.
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Zum Zeitpunkt des Einspritzendes (EOI) wird die Schließbewegung der Düsennadel abrupt gestoppt. Dadurch erfährt der Aktor, der über die Schaltkette mit der Düsennadel gekoppelt ist, eine Kraftänderung. Die Kraftänderung führt zu Rückwirkungen auf die Ansteuersignale Spannung, Strom und Ladung. Auch die aus dem Verlauf von Spannung und Ladung berechnete erfindungsgemäße virtuelle Aktorkraft ändert sich aufgrund der Sensor-Eigenschaft des Aktors und bildet zum Zeitpunkt des Einspritzendes eine Steigungsänderung bzw. ein lokales Maximum aus. Die charakteristische Änderung im Verlauf der virtuellen Aktorkraft wird im Steuergerät als Zeitpunkt des Einspritzendes ausgewertet.
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Mit Hilfe des vom Steuergerät aus dem Verlauf der virtuellen Aktorkraft bestimmten Istwert des Zeitpunkts des Hubanschlags HA wird eine Abweichung zu einem vom Betriebspunkt abhängigen Sollwert des Einspritzendes bestimmt. Mit einem Regler kann die Abweichung durch Anpassung von Ladestrom, Ladedauer und/oder Ansteuerdauer sowie Ansteuerbeginn ausgeglichen werden. Bei zu frühem Hubanschlag muss dazu die Ansteuerdauer verkürzt werden, indem der Ansteuerbeginn später erfolgt, und/oder der Entladestrom verkleinert werden. Bei zu spätem Hubanschlag muss die Ansteuerdauer verlängert werden, indem der Ansteuerbeginn früher erfolgt, und/oder der Entladestrom vergrößert werden.
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Mit Hilfe des im Steuergerät aus dem Verlauf der virtuellen Aktorkraft bestimmten Istwert des Zeitpunkts des Einspritzendes kann eine Abweichung zu einem vom Betriebspunkt abhängigen Sollwert des Einspritzendes EOI bestimmt werden. Mit einem Regler kann die Abweichung durch Anpassung von Ansteuerdauer und/oder Entladestrom ausgeglichen werden. Bei zu frühem Einspritzende muss dazu die Ansteuerdauer verlängert werden und/oder der Entladestrom verkleinert werden. Bei zu spätem Einspritzende muss die Ansteuerdauer verkürzt werden und/oder der Entladestrom vergrößert werden.
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Bei einer Auslegung des Injektors, die von der in 2 beispielhaft dargestellten Variante abweicht, könnte auch der Einspritzbeginn aufgrund einer Kraftänderung am Aktor, hervorgerufen durch die Beschleunigung der Düsennadel aus dem Ruhezustand, eine Steigungsänderung im Verlauf der virtuellen Aktorkraft verursachen und so eine Auswertung im Steuergerät und eine Regelung ermöglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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