DE102015204397A1

DE102015204397A1 - Verfahren zum Ermitteln eines charakteristischen Punktes der Hubbewegung eines Verschlusselementes eines Injektors und Einspritzsystem

Info

Publication number: DE102015204397A1
Application number: DE102015204397.5A
Authority: DE
Inventors: Anselm Schwarte
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: CN107407220A; WO2016142109A1; KR101972251B1; KR20170107573A; DE102015204397B4; CN107407220B

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Ermitteln eines charakteristischen Punktes der Hubbewegung eines Verschlusselementes eines Injektors und ein Einspritzsystem beschrieben. Das Signal einer Antriebsvorrichtung für das Verschlusselement wird zum Detektieren des charakteristischen Punktes verwendet, und es erfolgt eine spezielle Aufbereitung dieses Signals. Das bereitgestellte Signal wird auf die Soll-Signalsteigung gekippt, und es wird ein Minimum oder Maximum des gekippten Signals bestimmt und hieraus der charakteristische Punkt der Hubbewegung des Verschlusselementes ermittelt. Das Einspritzsystem weist einen Sensor auf, der dazu eingerichtet ist, ein Signal der Antriebsvorrichtung für den charakteristischen Punkt bereitzustellen, sowie eine Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, die spezielle Signalaufbereitung durchzuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines charakteristischen Punktes der Hubbewegung eines Verschlusselementes eines Injektors, wobei das Signal einer Antriebsvorrichtung für das Verschlusselement zum Detektieren des charakteristischen Punktes verwendet wird.
Bei Einspritzsystemen für Verbrennungsmotoren werden in der Regel Mehrfacheinspritzmuster mit zum Teil sehr geringen Abständen durchgeführt. Hierbei verfolgt man das Ziel, durch das Einspritzmuster und den Einspritzverlauf die Verbrennung hinsichtlich Emissionen, Verbrennungsgeräuschen und Verbrauch zu optimieren. Das Einspritzsystem muss für diese Zielsetzung eine hohe Mengengenauigkeit der einzelnen Einspritzungen gewährleisten. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die genaue Umsetzung des Fahrerwunschmomentes, wobei Mengenfehler meist direkt zu Drehmomentfehlern führen. Je höher die Anzahl der Einspritzvorgänge ist, desto stärker addieren sich die Einspritzmengenfehler zu Drehmomentabweichungen auf.
Um die Mengengenauigkeit eines derartigen Einspritzsystems zu verbessern, führt man eine Einspritzmengenregelung durch. Voraussetzung für eine derartige Einspritzmengenregelung ist die Positionsdetektion des Verschlusselementes des Injektors, d.h. des Einspritzventils bzw. der Einspritznadel.
Hierbei ist eine sichere und genaue Detektion der Öffnungs- und Schließereignisse des Einspritzventils über alle Betriebsweisen und den äußeren Einflüssen sowie Toleranz gegenüber von Spannungs- und Ladungsmessfehlern von Bedeutung.
Aus der DE 10 2011 082 455 B4 ist ein Verfahren zum Überwachen einer Einspritzmenge eines Fluids, welches durch eine Einspritzdüse eingespritzt wird, wobei die Einspritzdüse durch ein in einer Hubbewegung zwischen einer Schließposition und einer Hubposition geführtes Verschlusselement geöffnet und geschlossen wird, bekannt. Bei diesem Verfahren werden vier charakteristische Punkte der Hubbewegung detektiert. Aus den ermittelten vier charakteristischen Punkten der Hubbewegung erfolgt eine Berechnung der Einspritzmenge. Zum Bestimmen der charakteristischen Punkte wird ein Signal der Antriebsvorrichtung für das Verschlusselement verwendet. Das Signal der Antriebsvorrichtung kann vorzugsweise eine Kapazität, eine Spannung, eine Kapazitätsänderung oder eine Spannungsänderung der Antriebsvorrichtung umfassen.
Beispielsweise wird zur Detektion der Öffnungs- und Schließereignisse des Einspritzventils das Kapazitätssignal aus Ladung und Spannung gebildet. Die Krafteinwirkung der Einspritznadel auf die Antriebsvorrichtung bzw. das Kraftmaximum beim Schließen kann als Kapazitätsminimum im Kapazitätssignal detektiert werden. Auf diese Weise kann beispielsweise der Schließzeitpunkt ermittelt werden.
Bei dieser Vorgehensweise bereiten aber schwache Signale, die insbesondere durch kleine Einspritzmengen bei hohen Drücken hervorgerufen werden, Probleme. Diese schwachen Signale verfügen über keine oder nur über eine unzureichende Signalausprägung bzw. nur über eine minimale Ausprägung, so dass das entsprechende Ereignis bzw. der charakteristische Punkt der Hubbewegung des Verschlusselementes nicht oder nur unzureichend detektiert werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, das eine besonders genaue Ermittlung eines charakteristischen Punktes der Hubbewegung des Verschlusselementes ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art durch die folgenden Schritte gelöst:
Bereitstellen eines Signals der Antriebsvorrichtung für den charakteristischen Punkt;
Berechnen der Regressionsgeraden für das Signal;
Berechnen der Soll-Signalsteigung;
Kippen des bereitgestellten Signals auf die Soll-Signalsteigung;
Detektion eines Minimums oder Maximums des gekippten Signals; und
Ermitteln des charakteristischen Punktes aus dem detektierten Minimum oder Maximum.
Um das Signal zum Ermitteln des charakteristischen Punktes der Hubbewegung des Verschlusselementes auch für kleine Signalausprägungen auswerten zu können, wird es um ein zu berechnendes Maß gekippt, nämlich auf die zu erwartende Steigung des Signals. Diese Normierung des Signals führt zu einer deutlichen Gleichstellung mit entsprechendem Genauigkeitsgewinn. Die Signalausprägung des Minimums oder Maximums wird vereinheitlicht bzw. erst ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise, das bereitgestellte Signal im Auswertefenster um ein bestimmtes Maß zu kippen, führt zu einer deutlichen Verbesserung bei der Ermittlung eines charakteristischen Punktes der Hubbewegung des Verschlusselementes. Neben der ermöglichten Detektion schwacher Signale kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch der Einfluss von Störungen stark minimiert werden. Entsprechende Messfehler können so bezüglich des Detektionsergebnisses fast eliminiert werden.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als charakteristischer Punkt der Schließzeitpunkt des Verschlusselementes ermittelt.
Insbesondere wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Piezoaktuator als Antriebsvorrichtung gearbeitet. Der Piezoaktuator kann gleichzeitig als Sensor eingesetzt werden, um den charakteristischen Punkt zu detektieren. Hierbei wird insbesondere eine Spannungs- und Ladungsmessung durchgeführt, woraus ein entsprechendes Kapazitätssignal ermittelt wird, das dann in der erfindungsgemäßen Weise ausgewertet werden kann.
Erfindungsgemäß wird daher bevorzugt, ein Kapazitätssignal oder ein Kraftsignal der entsprechenden Antriebsvorrichtung bereitzustellen.
Bezieht man die Erfindung auf das Kraftsignal, führt das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls zu einer Eliminierung von Unsicherheiten. Das Kraftsignal ist sehr sensitiv in Bezug auf Parameteränderungen der Antriebsvorrichtung, insbesondere eines Piezoaktuators. Eine Temperaturvariation bzw. die daraus abgeleiteten Parameter führen zu unterschiedlichen Signalformen. Wendet man das erfindungsgemäße Verfahren auf das Kraftsignal an, resultiert ein deutlicher Gewinn an Aussagekraft. Das Maximum liegt stabil an gleicher Position mit nahezu gleicher Ausprägung. Die erfindungsgemäß durchgeführte Normalisierung führt daher zu einer auswertbaren und konstanten Maximumlage.
Insbesondere bei niedrigen Piezospannungen um 0 V ist das Kapazitätssignal nicht mehr sinnvoll auswertbar, weil durch die Piezospannung dividiert wird. Insbesondere dann ist das Kraftsignal vorteilhaft, und zwar insbesondere zur Detektion des Schließzeitpunktes.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das bereitgestellte Signal auf eine Soll-Signalsteigung von Null normiert. Insbesondere wird hierbei der Kapazitätsverlauf auf eine Steigung von Null normiert. Die Piezokapazität ist dabei um die Piezohysterese bereinigt, und die Krafteinwirkungen sind annähernd konstant, so dass eine Steigung von Null resultiert.
Die Erfindung betrifft ferner ein Einspritzsystem mit mindestens einem Injektor, einer Steuervorrichtung und einer Recheneinheit, wobei der Injektor ein Verschlusselement zum Verschießen und Öffnen einer Einspritzdüse, eine Antriebsvorrichtung zum Führen des Verschlusselementes in einer Hubbewegung und einen Sensor zum Detektieren des charakteristischen Punktes der Hubbewegung des Verschlusselementes aufweist.
Erfindungsgemäß ist der Sensor dazu eingerichtet, ein Signal der Antriebsvorrichtung für den charakteristischen Punkt bereitzustellen, und ist die Recheneinheit dazu eingerichtet, eine Regressionsgerade für das bereitgestellte Signal zu berechnen, die Soll-Signalsteigung zu berechnen, das bereitgestellte Signal auf die Soll-Signalsteigung zu kippen, ein Minimum oder Maximum des gekippten Signals zu detektieren und den charakteristischen Punkt aus dem Minimum oder Maximum zu ermitteln.
Der vorgesehene Sensor stellt daher das Signal der Antriebsvorrichtung für den charakteristischen Punkt bereit, und die Recheneinheit wertet dieses Signal in erfindungsgemäßer Weise aus, so dass eine sichere und genaue Ermittlung des charakteristischen Punktes der Hubbewegung des Verschlusselementes möglich ist.
Der Sensor ist vorzugsweise dazu eingerichtet, ein Signal für den Schließzeitpunkt des Verschlusselementes bereitzustellen. Das detektierte Schließzeitpunktsignal kann daher auch für kleine Signalausprägungen ausgewertet werden.
Die Antriebsvorrichtung ist vorzugsweise ein Piezoaktuator, der ferner vorzugsweise gleichzeitig als Sensor wirkt. Auf diese Weise ist eine Signaldetektion ohne zusätzliche Einrichtungen möglich.
Bevorzugte Signalgrößen sind ein Kapazitätssignal und ein Kraftsignal. Im erstgenannten Fall stellt der Sensor vorzugsweise ein Spannungssignal und ein Ladungssignal der Antriebsvorrichtung bereit und ermittelt hieraus ein Kapazitätssignal. Natürlich kann auch direkt ein Kapazitätssignal über einen Kapazitätssensor bereitgestellt werden. Im zweiten Fall stellt der Sensor ein Kraftsignal der Antriebsvorrichtung bereit.
Was die Signalauswertung anbetrifft, so ist die Recheneinheit vorzugsweise so eingerichtet, dass sie das bereitgestellte Signal auf eine Soll-Signalsteigung von 0 normiert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Einspritzsystems;
2 den zeitlichen Verlauf der Hubbewegung eines Verschlusselementes der in 1 gezeigten Einspritzdüse;
3 die Kippung des Kapazitätssignals auf die Soll-Steigung;
4 die Kippung des Kraftsignals;
5 in der oberen Darstellung das Kapazitätsausgangssignal und in der unteren Darstellung das Signal nach erfindungsgemäßer Bearbeitung;
6 in der oberen Darstellung das Kraftausgangssignal und in der unteren Darstellung das Kraftsignal nach erfindungsgemäßer Bearbeitung; und
7 ein Ablaufschema der erfindungsgemäß durchgeführten Signalaufbereitung.
In 1 ist in einem Blockdiagramm als schematische Ansicht ein Einspritzsystem 1 zum Einspritzen einer Einspritzmenge eines Fluids dargestellt. Das Einspritzsystem 1 umfasst eine Steuervorrichtung 2 sowie eine Einspritzdüse 3 und eine Recheneinheit 4. Die Einspritzdüse 3 besitzt ein Verschlusselement 7, im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Düsennadel, die in einem Düsennadelsitz aufliegt, eine Antriebsvorrichtung 5 sowie einen Sensor 6. Die Antriebsvorrichtung 5 ist ein Piezoaktuator, welcher durch Anlegen einer Spannung die Form eines darin enthaltenen Piezokristalles ändert und somit das Verschlusselement 7 anhebt oder absenkt, also das Verschlusselement 7 in einer Hubbewegung führt. Das Verschlusselement 7 ist hierzu starr mit der Antriebsvorrichtung 5 verbunden und wird über eine Feder 9 von einer Umwandung 10 der Einspritzdüse 3 nach unten gedrückt, so dass das Verschlusselement 7 im Ruhezustand, also ohne Betätigung der Antriebsvorrichtung 5, die Einspritzdüse 3, genauer die Löcher 11 der Einspritzdüse 3, verschließt.
Der Sensor 6 ist ein Kapazitätssensor, welcher zwei parallele Platten aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des Verschlusselementes 7 angebracht sind. Wird das Verschlusselement 7 durch die Antriebsvorrichtung bewegt, so ändert sich die von dem Sensor 6 gemessene Kapazität. Der Sensor 6 ist hierbei direkt an der Antriebsvorrichtung 5 angebracht bzw. kann auch Teil der Antriebsvorrichtung 5 sein. Anstelle eines Kapazitätssensors kann auch ein Sensor zum Messen der Spannung des Piezoaktuators vorgesehen sein. Die Spannung als Signal des Piezoaktuators kann einfach bestimmt werden, wobei bei Kenntnis der Ladung des Piezoaktuators, beispielsweise über einen anliegenden Strom, die Kapazität auch zusätzlich ermittelt werden kann. Der Sensor 6 kann allerdings auch eingerichtet sein, Änderungen der genannten Messgröße qualitativ und quantitativ zu detektieren.
Bei einer anderen nichtgezeigten Ausführungsform wirkt der Piezoaktuator gleichzeitig als Sensor, der die Spannung und Ladung erfasst und hieraus ein Kapazitätssignal ableitet.
Der Sensor 6 detektiert durch den zeitlichen Verlauf der Kapazität charakteristische Punkte der Hubbewegung des Verschlusselementes 7. Die vom Sensor 6 gemessene Kapazität sowie die charakteristischen Punkte werden über eine Leitung 8 an die Recheneinheit 4 übermittelt, welche eine entsprechende Signalauswertung vornimmt.
2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Hubbewegung der Düsennadel. Es sind hierbei vier charakteristische Punkte OPP_1, OPP_2, OPP_3 und OPP_4 dargestellt, die dem Nadelöffnungszeitpunkt, dem maximalen Öffnungspunkt, dem Beginn des Schließvorganges und dem Schließzeitpunkt entsprechen. Im folgenden Text wird die Ermittlung des Schließzeitpunktes als charakteristischen Punkt beschrieben.
Zur Detektion des Schließzeitpunktes (OPP_4) wird vom Sensor das Ladungs- und Spannungssignal ermittelt, woraus von der Recheneinheit das Kapazitätssignal berechnet wird. Die Krafteinwirkung des Verschlusselementes (der Einspritznadel) auf die Antriebseinrichtung (den Piezoaktuator) bzw. das Kraftmaximum beim Schließen kann als Kapazitätsminimum im Kapazitätssignal detektiert werden. Damit ist der Schließzeitpunkt (OPP_4) dann bekannt.
Probleme bereiten hierbei aber schwache Signale, welche über keine oder nur eine unzureichende Signalausprägung verfügen. Diesbezüglich wird die nachfolgend beschriebene Signalaufbereitung durchgeführt.
3 zeigt in der oberen Darstellung das Spannungssignal 20 und in der mittleren Darstellung das Ladungssignal 21. Hieraus wird das Kapazitätssignal 22 ermittelt. In Bezug auf dieses Signal wird eine Regressionsgerade 23 berechnet, und das Signal wird auf die zu erwartende Steigung des Signals gekippt. Diese Normierung des Schließsignals führt zu einer deutlichen Gleichstellung mit entsprechendem Genauigkeitsgewinn. Die Signalausprägung des Minimums wird vereinheitlicht bzw. erst ermöglicht. Die Piezokapazität ist bereinigt um die Piezohysterese, und die Krafteinwirkungen sind annähernd konstant bzw. die Signalsteigung ist Null. Der Kapazitätsverlauf wird daher auf eine Steigung von Null normiert. Der entsprechende normierte Kapazitätsverlauf ist bei 24 dargestellt.
Insbesondere bei niedrigen Piezospannungen um 0 V ist das Kapazitätssignal nicht mehr sinnvoll auswertbar. Insbesondere dann ist das Kraftsignal zur Detektion des Schließzeitpunktes vorteilhaft.
4 zeigt die Kippung des Kraftsignals zur Detektion des Schließzeitpunktes.
5 zeigt die durchgeführte Signalaufbereitung bei einem Kapazitätssignal. In der oberen Darstellung ist das Kapazitätsausgangssignal gezeigt, während unten das Signal nach erfindungsgemäßer Bearbeitung dargestellt ist. Es ist ein deutlich ausgeprägtes Minimum zu erkennen, das dem gesuchten Schließzeitpunkt (OPP_4) entspricht.
6 zeigt die Signalaufbereitung des Kraftsignals. Oben ist das Kraftausgangssignal mit starker Abhängigkeit von den angenommenen Piezoparametern gezeigt. Unten ist das Kraftsignal nach Bearbeitung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erkennen. Das deutlich ausgeprägte Maximum entspricht dem Schließzeitpunkt.
7 zeigt ein Ablaufschema der erfindungsgemäß durchgeführten Signalaufbereitung durch Kippen des Signals auf die Soll-Steigung im Auswertefenster. Gemäß Schritt 50 wird das Schließzeitpunktsignal des Einspritzventils als Kapazitäts- oder Kraftsignal ermittelt. In Schritt 52 erfolgt die Berechnung der zugehörigen Regressionsgeraden. Gemäß Schritt 51 werden die Einspritzparameter Einspritzmenge, Injektortemperatur und Raildruck ermittelt, woraus in Schritt 53 die Berechnung der Soll-Signalsteigung erfolgt.
In Schritt 54 wird das Kapazitäts- oder Kraftsignal auf die Soll-Signalsteigung gekippt. In Schritt 55 erfolgt die Detektion des Minimums bzw. des Maximums in dem gekippten Signal und hieraus die Berechnung des Schließzeitpunktes.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011082455 B4 [0005]

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines charakteristischen Punktes der Hubbewegung eines Verschlusselementes (7) eines Injektors, wobei das Signal einer Antriebsvorrichtung(5) für das Verschlusselement (7) zum Detektieren des charakteristischen Punktes verwendet wird, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Signals der Antriebsvorrichtung (5) für den charakteristischen Punkt; Berechnen der Regressionsgeraden (23) für das Signal; Berechnen der Soll-Signalsteigung; Kippen des bereitgestellten Signals auf die Soll-Signalsteigung; Detektion eines Minimums oder Maximums des gekippten Signals; und Ermitteln des charakteristischen Punktes aus dem detektierten Minimum oder Maximum.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als charakteristischer Punkt der Schließzeitpunkt (OPP_4) des Verschlusselementes (7) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Piezoaktuator als Antriebsvorrichtung (5) gearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kapazitätssignal oder ein Kraftsignal der Antriebsvorrichtung (5) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bereitgestellte Signal auf eine Soll-Signalsteigung von Null normiert wird.
Einspritzsystem (1) mit mindestens einem Injektor, einer Steuervorrichtung (2) und einer Recheneinheit (4), wobei der Injektor ein Verschlusselement (7) zum Verschließen und Öffnen einer Einspritzdüse (3), eine Antriebsvorrichtung (5) zum Führen des Verschlusselementes (7) in einer Hubbewegung und einen Sensor (6) zum Detektieren eines charakteristischen Punktes der Hubbewegung des Verschlusselementes (7) aufweist, wobei der Sensor (6) dazu eingerichtet ist, ein Signal der Antriebsvorrichtung (5) für den charakteristischen Punkt bereitzustellen, und die Recheneinheit (4) dazu eingerichtet ist, eine Regressionsgerade (23) für das bereitgestellte Signal zu berechnen, die Soll-Signalsteigung zu berechnen, das bereitgestellte Signal auf die Soll-Signalsteigung zu kippen, ein Minimum oder Maximum des gekippten Signals zu detektieren und den charakteristischen Punkt aus dem Minimum oder Maximum zu ermitteln.
Einspritzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (6) dazu eingerichtet ist, ein Signal für den Schließzeitpunkt (OPP_4) des Verschlusselementes (7) bereitzustellen.
Einspritzsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (7) ein Piezoaktuator ist.
Einspritzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein als Sensor wirkender Piezoaktuator ist.
Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Spannungssignal und ein Ladungssignal der Antriebsvorrichtung (7) bereitstellt und hieraus ein Kapazitätssignal ermittelt.
Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Kraftsignal der Antriebsvorrichtung bereitstellt.
Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (4) so eingerichtet ist, dass sie das bereitgestellte Signal auf eine Soll-Signalsteigung von Null normiert.