DE102014225530A1

DE102014225530A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors

Info

Publication number: DE102014225530A1
Application number: DE102014225530.9A
Authority: DE
Inventors: Stephan OLBRICH; Hanna Zimmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2016-06-16
Also published as: WO2016091520A1; US10054077B2; EP3230572A1; CN107002586A; US20170321621A1; CN107002586B

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit zumindest einer von einer Injektornadel gesteuerten Einspritzöffnung, wobei mittels eines Sensors Druckänderungen beim Öffnen und/oder Schließen der Injektornadel ermittelt werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Öffnungs-/Schließzeit der Injektornadel eine die Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe durch das Öffnen und/oder Schließen einer Druckwelle gemessen wird, und daraus auf die Wellenlaufzeit geschlossen wird, mit der der Nadel oder Ventil Öffnungs-/Schließzeitpunkt korrigiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, das Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors auszuführen.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2012 206 586 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit zumindest einer von einer Injektornadel gesteuerten Einspritzöffnung und mit einem mit einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite des Kraftstoffinjektors kommunizierenden Steuerraum für die Injektornadel, wobei in den Steuerraum mittels einer Steuerventilanordnung ein Schließdruck, bei dem die Injektornadel in eine die Einspritzöffnung absperrende Schließlage gestellt ist, und ein Öffnungsdruck einstellbar ist, bei dem die Injektornadel in eine die Einspritzöffnung freigebende Offenlage übergeht, und wobei mittels eines Sensors Druckänderungen beim Öffnen und/oder Schließen der Injektornadel ermittelt werden.
Um mit geringem Aufwand eine präzise Einspritzmengensteuerung eines solchen Kraftstoffinjektors zu ermöglichen, wird mittels des Sensors, der bevorzugt ein Kraft- und/oder Drucksensor ist, ein dynamischer Druck in dem Kraftstoffinjektor erfasst. Über einen solchen Drucksensor, der gewöhnlich als Piezosensor oder DMS ausgebildet ist, wird zur Erkennung eines Öffnungs- oder Schließvorgangs der Nadel der Druck in der Hochdruckbohrung gemessen und aufgezeichnet. Aus dem Signalverlauf werden die Zeitpunkte für das Öffnen und/oder Schließen der Injektornadel oder des Ventils ermittelt. Nun ist die Zeit zwischen dem Ereignis des Öffnens-/Schließens der Injektornadel oder des Ventils und dessen Detektion abhängig von der Laufzeit einer Druckwelle vom Ereignis zum Sensor. Diese Wellenlaufzeit ist wiederum abhängig von z.B. der Temperatur, dem Druck des Kraftstoffs und der Kraftstoffsorte. Kleine Verzugszeiten der Detektion des Öffnungs-/Schließvorgangs können eine darauf aufsetzende Regelung ungenau machen, was sich nachteilig auf den Betrieb der Brennkraftmaschine und insbesondere auf deren Emissionen auswirken kann.
Es besteht daher der Wunsch, eine zeitrichtige Detektion auch dann sicherzustellen, wenn sich die Wellenlaufzeit z.B. durch den Druck, die Temperatur oder die Kraftstoffsorte verändert.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass die Öffnungs-/Schließzeit der Injektornadel oder des Ventils sehr präzise bestimmt werden kann, da Druckänderungen beim Öffnen und/oder Schließen der Injektornadel oder des Schaltventils ermittelt werden. Dies geschieht mithilfe einer die Schallgeschwindigkeit charakterisierenden Größe, mit der der Öffnungs-/Schließzeitpunkt der Injektornadel oder des Schaltventils um die Wellenlaufzeit von der Injektornadel oder dem Schaltventil zum Sensor korrigiert wird. Die Schallgeschwindigkeit des signalleitenden Mediums kann sich während des Betriebs abhängig von der Kraftstoffsorte, durch Temperatureinflüsse und dergleichen ändern. Eine die Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe repräsentiert damit auch die Einflüsse der Kraftstoffsorte, der Temperatur und dergleichen. Durch die Berücksichtigung der Wellenlaufzeit von der Injektionsnadel oder von dem Schaltventil zum Sensor ist eine genauere Bestimmung der Öffnungs-/Schließzeit der Injektornadel oder des Schaltventils möglich.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in dem unabhängigen Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich. So sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass die die Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe ausgehend von der Frequenz einer durch das Nadelöffnen/-schließen hervorgerufenen Eigenschwingung berechnet wird.
Dabei sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass die Frequenz der Eigenschwingung mit Hilfe einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) ermittelt wird.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, die Frequenz der Eigenschwingung aus der Wellenlänge zu ermitteln.
Bevorzug ist vorgesehen, dass der Zusammenhang zwischen der die Schallgeschwindigkeit charakterisierenden Größe und der Wellenlaufzeit von der Injektornadel oder dem Schaltventil zu dem Sensor in einem Kennfeld hinterlegt ist. Dieses Kennfeld wird vorteilhafterweise empirisch bestimmt. Das Kennfeld spiegelt den Zusammenhang zwischen der die Schallgeschwindigkeit charakterisierenden Größe und der Wellenlaufzeit von der Injektornadel oder dem Schaltventil zum Sensor wider. Die die Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe wird dabei durch Erfassen der Druckwelle, welche ein Nadelöffnen-/schließen hervorruft, bestimmt.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne an diesem bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist das maschinenlesbare Speichermedium vorgesehen, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf ein elektronisches Steuergerät wird das erfindungsgemäße elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch einen Kraftstoffinjektor, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt und
2 schematische Frequenzspektren als Signale über der Frequenz zur Erläuterung der druckabhängigen Frequenzverschiebung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
In 1 ist höchst schematisch und unter Weglassung für die vorliegende Erfindung nicht relevanter Merkmale ein Kraftstoffinjektor dargestellt, wie er im Detail aus der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2014 204 746 A1 hervorgeht, auf die vorliegend Bezug genommen wird und die insoweit in vorliegende Anmeldung einbezogen wird. In einem Injektorgehäuse 11 ist eine Düsennadel, nachfolgend auch Injektornadel 25 genannt, angeordnet, in deren abgesenkter Stellung (wie dargestellt) Einspritzöffnungen 15 verschlossen sind und in deren angehobener Position die Einspritzöffnungen 15 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) freigegeben sind. Der Kraftstoff wird von einem auch als Common-Rail bezeichneten Hochdruckspeicher 58 über eine Zulaufbohrung 37 einem Hochdruckraum 17 zugeführt. Die Injektornadel 25 wird mittels eines Piezoaktors 50 über einen Kopplerkolben 35 auf an sich bekannte und in der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2014 204 746 A1 beschriebenen Weise betätigt. Der Piezoaktor 50 wird von einem Steuergerät 90 angesteuert. Hierzu sind Anschlussleitungen 51, 52 zum Piezoaktor 50 geführt. Der in der Zulaufbohrung 37 herrschende Druck des Kraftstoffs wird mittels eines Sensors 60 erfasst, der im oberen Bereich des Gehäuses 11 des Piezokraftstoffinjektors angeordnet ist.
Dieser Sensor 60 kann beispielsweise ein Piezo-Sensor sein. Darüber hinaus ist auch ein Sensor in Form eines DMS (DehnMessStreifens) denkbar.
Ein Ereignis, wie zum Beispiel das Nadelöffnen löst nun eine Druckwelle aus. Diese Druckwelle läuft die Hochdruckbohrung 57 entlang zum Sensor 60. Um den genauen Nadelöffnungszeitpunkt zu detektieren, muss diese Wellenlaufzeit berücksichtigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftstoffinjektors mit zumindest einer von einer Injektornadel 25 gesteuerten Einspritzöffnung 15 ermöglicht es nun, eine zeitrichtige Detektion auch dann sicherzustellen, wenn sich die Wellenlaufzeit z.B. durch Druck, Temperatur oder Kraftstoff verändert. Hierzu ist vorgesehen, dass die Schallgeschwindigkeit oder eine Ersatzgröße, also eine die Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe, gemessen wird. Dies geschieht dadurch, dass die Frequenz einer Eigenschwingung gemessen und hieraus die Schallgeschwindigkeit berechnet wird. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Wellenlaufzeit bei unterschiedlichen Kraftstoffen, Temperaturen und Drücken kompensiert werden kann und somit die Einspritzdauer genauer detektiert werden kann.
Eine durch z.B. das Nadelöffnen ausgelöste Druckwelle läuft die Hochdruckbohrung 37 entlang zum Sensor 60. Die Zeit, welche die Welle unterwegs ist, hängt von der Länge der Strecke und der Schallgeschwindigkeit des Mediums in der Hochdruckbohrung 37 ab. Die Schallgeschwindigkeit ist abhängig z.B. von der Temperatur, dem Druck und den Kraftstoffeigenschaften wie Kompressionsmodul und Dichte des Kraftstoffs. Für eine genaue Detektion z.B. des Nadelöffnens muss die Laufzeit kompensiert werden. In dynamischen Betriebszuständen, wie sie im Fahrzeug fast ausschließlich vorkommen, ist eine Bestimmung der aktuellen, lokalen Schallgeschwindigkeit über Modelle sehr schwierig und entsprechend ungenau. Deshalb wird eine die Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe bestimmt. Es wird beispielsweise die Frequenz einer Eigenschwingung, die z.B. nach dem Nadelschließen entsteht, ausgewertet. Dies geschieht vorzugsweise mit Hilfe einer Fast-Fourier-Transformation (FFT). Statt einer Fourier-Transformation kann die Frequenz der Eigenschwingung auch aus der Wellenlänge der Druckwelle ermittelt werden. Es wird also mit anderen Worten aus der Frequenz einer Eigenschwingung der Druckwelle, die mithilfe des Sensors 60 erfasst wird, auf eine die Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe und aus dieser wiederum auf die Wellenlaufzeit von der Injektornadel 25 oder von dem Schaltventil zu dem Sensor 60 geschlossen. Der Zusammenhang zwischen der die Schallgeschwindigkeit charakterisierenden Größe und der Wellenlaufzeit von der Düsennadel 25 zu dem Sensor 60 ist vorteilhafterweise in einem Kennfeld hinterlegt, das beispielsweise empirisch ermittelt werden kann.
In 2 ist schematisch ein Frequenzspektrum bei einem Druck von 1200 bar, gekennzeichnet mit A, und ein Frequenzspektrum bei einem Druck von 2000 bar, gekennzeichnet mit B, dargestellt. Das Signal S über der Frequenz f zeigt, dass das Frequenzspektrum bei höherem Druck gegenüber dem Frequenzspektrum bei niedrigerem Druck, um eine Differenz Δf verschoben ist. Diese Frequenz der Eigenschwingung, die durch das Nadelschließen entsteht, welche die Maxima in 2 repräsentieren, wird ausgewertet.
Mit Hilfe eines Kennfelds kann aus Δf ein Δt bestimmt werden, um den der Nadelöffnungs-/Nadelschließzeitpunkt korrigiert wird. Die korrigierte Nadelöffnungs-/Schließzeit wird mit der Soll-Öffnungs-/Schließzeit verglichen. Bei Abweichungen wird die Ansteuerung entsprechend korrigiert, wobei auch hier vorteilhafterweise ein Kennfeld herangezogen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012206586 A1 [0002]
DE 102014204746 A1 [0014, 0014]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit zumindest einer von einer Injektornadel (25) gesteuerten Einspritzöffnung, wobei mittels eines Sensors (60) Druckänderungen beim Öffnen und/oder Schließen der Injektornadel (25) oder eines Schaltventils ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Öffnungs-/Schließzeit der Injektornadel (25) eine die Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe einer durch das Öffnen und/oder Schließen hervorgerufene Druckwelle gemessen und ausgewertet wird, mit der der Öffnungs-/Schließzeitpunkt der Injektornadel (25) oder des Schaltventils um die Wellenlaufzeit von der Injektornadel (25) oder von dem Schaltventil zum Sensor (60) korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe ausgehend von der Frequenz einer durch das Nadelöffnen/-schließen hervorgerufene Eigenschwingung berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Eigenschwingung mit Hilfe einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Eigenschwingung aus der Wellenlänge der Druckwelle ermittelt wird.
Verfahren der nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang zwischen der die Schallgeschwindigkeit charakterisierenden Größe und der Wellenlaufzeit von der Injektornadel (25) oder dem Schaltventil zum Sensor (60) in einem Kennfeld hinterlegt ist.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 6 gespeichert ist.
Elektronisches Steuerungsgerät (90), welches eingerichtet ist, um einen Kraftstoffinjektor mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zu betreiben.