DE102015212085B4

DE102015212085B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des minimalen hydraulischen Spritzabstandes eines Piezo-Servo-Injektors

Info

Publication number: DE102015212085B4
Application number: DE102015212085.6A
Authority: DE
Inventors: Janos Radeczky; Christian Bauer; Janos Kerekgyarto
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: CN107787400A; DE102015212085A1; CN107787400B; WO2017001180A1; US10233858B2; KR20180004808A; KR101989731B1; US20180179980A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung des minimalen hydraulischen Spritzabstandes eines Piezo-Servo-Injektors mit den folgenden Schritten: – Ermitteln des Schließzeitpunktes der Düsennadel des Injektors anhand des charakteristischen Druckverlaufes im Steuer-Federraum des Injektors, wobei der Begriff Steuer-Federraum einen Raum zur Beaufschlagung der Düsennadel, der mit einem Steuerventilelement öffenbar und schließbar ist und in dem eine Feder angeordnet ist, als auch einen Federraum, in dem eine Feder und ein Steuerventilelement angeordnet sind, mit einem nachgeordneten Steuerraum zur Beaufschlagung der Düsennadel, umfasst; – schrittweises Verringern des Spritzabstandes einer Folgeeinspritzung durch sukzessive zeitliche Vorverlegung des Ansteuerbeginns einer Folgeeinspritzung und dabei weiteres Beobachten des charakteristischen Druckverlaufes im Steuer-Federraum; und – Erhalten des minimalen hydraulischen Spritzabstandes aus dem letzten Iterationsschritt, bei dem ein Düsennadelschließen der vorhergehenden Einspritzung im charakteristischen Druckverlauf noch zu erkennen war.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des minimalen hydraulischen Spritzabstandes eines Piezo-Servo-Injektors.
Aufeinanderfolgende Einspritzungen eines Injektors beeinflussen sich gegenseitig, insbesondere bei einem kleinen zeitlichen Abstand. Wenn man kleinstmögliche hydraulische Spritzabstände realisieren möchte, muss der Aktuator eines Injektors mit Servoventil für einen Folgepuls bereits geladen werden, bevor die Düsennadel des vorherigen Pulses wieder geschlossen ist.
Ein entsprechender Kraftstoffinjektor ist beispielsweise aus dem Dokument DE 10 2005 030 132 A1 bekannt. Hierbei handelst es sich um einen servohydraulisch betätigten Common-Rail-Injektor für Dieselkraftstoff, mit einem Servoventil, das mittels eines Steuerfluids, welches durch das Servoventil hindurchtreten kann, eine Einspritzmenge des Injektors steuert, wobei für das Steuerfluid stromabwärts des Servoventils ein Ablaufbereich vorgesehen ist, der fluidmechanisch gedrosselt mit einem Rücklauf des Injektors gekoppelt ist.
Bei solchen Kraftstoffinjektoren, die beispielsweise mit piezoelektrischen Aktuatoren betätigt werden, besteht die Möglichkeit, wie in Dokument WO 01/63 121 A1 beschrieben, bestimmte Einspritzereignisse zu erfassen und zur Steuerung bzw. Regelung der Einspritzvorgänge heranzuziehen. Dabei wird in diesem Fall eine Spannung an das piezoelektrische Element angelegt, wodurch das Injektorventil betätigt wird. Durch Überwachen und Analysieren von Änderungen der zugeordneten Spannung und/oder des Stroms während des Anlegens der Spannung an das piezoelektrische Element werden dann Informationen über Einspritzereignisse in dem Kraftstoffinjektor bestimmt.
Durch eine konservative sichere Kalibrierung des kleinsten hydraulischen Spritzabstandes kann eine Verschmelzung zweier aufeinander folgender Einspritzungen verhindert werden. So eine Absicherung ist jedoch nicht optimal, da dadurch unnötig Potential für kleinere Dwell-Zeiten (einspritzfreie Zeiten) vergeben wird. Darüber hinaus besteht hierbei die Gefahr, dass es immer noch trotz getrennter Ansteuerpulse zu einer Verschmelzung zweier Einspritzraten in einer Einzeleinspritzung kommen kann.
Mit der Bestimmung und Steuerung von Mehrfacheinspritzungen und insbesondere der Abstände zwischen einzelnen Teileinspritzungen beschäftigen sich auch die folgend genannten Dokumente.
Dokument US 2013/0 074 806 A1 offenbart dazu ein Verfahren zur Formung der Injektionsrate, wobei der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden elektrischen Einspritzbefehlen so gestaltet wird, dass die Einzeleinspritzungen kontinuierlich ineinander übergehen.
Dagegen offenbart Dokument DE 10 2012 213 883 A1 ein Verfahren zum Adaptieren des Verlaufs eines Stromes, welcher durch einen Kraftstoffinjektor fließt und zu einer Mehrfacheinspritzung von Kraftstoff mit zumindest zwei Teileinspritzvorgängen führt, wobei zwei aufeinander folgende Teileinspritzvorgänge so weit separiert sind, dass sich der Kraftstoffinjektor zwischenzeitlich vollständig schließt.
Dokument DE 10 2007 000 394 A1 offenbart dagegen ein Kraftstoffeinspritzsteuerungssystem bei dem eine Erfassungseinheit konfiguriert ist, um ein Minimalintervall zwischen zeitlich benachbarten Kraftstoffeinspritzdauern basierend auf einem Verhalten der Abtriebswelle während eines Ausführens der Vielzahl von Kraftstoffeinspritzungen, zu erfassen. Das Minimalintervall behält die zeitlich benachbarten Kraftstoffeinspritzdauern einander nicht überlappend bei.
Schließlich offenbart das Dokument DE 10 2006 033 932 A1 ein Verfahren bei dem der Kraftstoff innerhalb eines Arbeitsspiels durch eine Mehrzahl von Einspritzungen in einen Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt, wobei ein Mindestabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einspritzungen von mindestens einer aktuellen, das Schließen des Ventilelements beeinflussenden Betriebsgröße, wie zum Beispiel einem aktuellen Kraftstoffdruck im Kraftstoffverteiler oder von einer vorhergehenden Ansteuerdauer der Brennkraftmaschine abhängt.
Aus der DE 10 2013 223 764 B3 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Injektors einer Brennkraftmaschine bekannt. Hierbei wird der Leerhub eines Piezo-Aktuators 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. Beispielsweise wird mit diesem Verfahren der Schließzeitpunkt der Düsennadel ermittelt.
Um die immer strengeren Anforderungen hinsichtlich minimaler realisierbarer hydraulischer Spritzabstände einhalten zu können, sind neue Konzepte erforderlich, die die Komponentenstreuung und Alterungseffekte erkennen und kompensieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die eine besonders genaue Ermittlung des minimalen hydraulischen Spritzabstandes ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der angegebenen Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:

– Ermitteln des Schließzeitpunktes der Düsennadel des Injektors anhand des charakteristischen Druckverlaufes im Steuer-Federraum des Injektors, wobei der hier verwendete Begriff „Steuer-Federraum” sowohl einen einzigen Raum zur Beaufschlagung der Düsennadel, der mit einem Steuerventilelement (Servoventilelement) öffenbar und schließbar ist und in dem eine Feder angeordnet ist, als auch einen Federraum, in dem Steuerventilelement und Feder angeordnet sind, und einen nachgeordneten Steuerraum zur Beaufschlagung der Düsennadel umfasst;
– schrittweises Verringern des Spritzabstandes einer Folgeeinspritzung durch sukzessive zeitliche Vorverlegung des Ansteuerbeginns einer Folgeeinspritzung und dabei weiteres Beobachten des charakteristischen Druckverlaufes im Steuer-Federraum; und
– Erhalten des minimalen hydraulischen Spritzabstandes aus dem letzten Iterationsschritt, bei dem ein Düsennadelschließen der vorhergehenden Einspritzung im charakteristischen Druckverlauf noch zu erkennen war.

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft einen Piezo-Servo-Injektor, bei dem ein Piezo-Aktuator durch das Anlegen einer Spannung ausgelängt wird und hierdurch auf ein Steuerventil (Servoventil) einwirkt, das eine Düsennadel zum Einspritzen von Kraftstoff steuert. Im Einzelnen wirkt hierbei der Piezo-Aktuator auf einen Steuerkolben ein, der einen Steuer-Federraum öffnet, über den die Düsennadel beaufschlagt wird. In Gegenrichtung bewirkt eine im Steuer-Federraum angeordnete Feder ein Schließen des Steuer-Federraumes.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nunmehr der Schließzeitpunkt der Düsennadel des Injektors anhand des charakteristischen Druckverlaufes im Steuer-Federraum des Injektors ermittelt. Bei der Schließbewegung der Düsennadel tritt nämlich eine erkennbare Druckabsenkung im Steuer-Federraum ein, die durch eine Beschleunigung der Düsennadel kurz vor dem Auftreffen auf den Nadelsitz verursacht wird. Im Moment des Schließens bzw. Abbremsen der Düsennadel im Sitz wird im Steuer-Federraum eine Druckspitze generiert.
Diese charakteristischen Punkte werden erfindungsgemäß erfasst, und hieraus wird der Schließzeitpunkt der Düsennadel ermittelt.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Spritzabstand einer Folgeeinspritzung durch sukzessive zeitliche Vorverlegung des Ansteuerbeginns einer Folgeeinspritzung schrittweise verringert. Hierbei wird der Druckverlauf im Steuer-Federraum weiter beobachtet. Aus dem letzten Iterationsschritt, bei dem ein Düsennadelschließen der vorhergehenden Einspritzung im charakteristischen Druckverlauf noch zu erkennen war, wird der minimale hydraulische Spritzabstand gewonnen.
Erfindungsgemäß wird somit durch Erkennen von physikalischen Verläufen (Druck im Steuer-Federraum) im Bereich des Nadelschließens der kleinste hydraulische Spritzabstand ermittelt. Dadurch können die Auswirkungen verschiedener Alterungseffekte (Leerhub-Änderungen, Änderung der Nadelsitzgeometrie), die für den Schließzeitpunkt der Nadel relevant sind, berücksichtigt werden. Zum einen können hierdurch kleinste Dwell-Zeiten kalibriert werden. Zum anderen kann die Systemperformance über die Lebenszeit des Injektors sichergestellt werden.
Durch die erfindungsgemäß durchgeführte Ermittlung des minimalen hydraulischen Spritzabstandes (d. h. des minimalen Abstandes zwischen zwei Spritzvorgängen, der ohne gegenseitige Beeinflussung der beiden Einspritzungen möglich ist) können beispielsweise entsprechende Adaptionen in Bezug auf Komponentenstreuungen und Alterungseffekte durchgeführt werden. So kann beispielsweise der erhaltene minimale hydraulische Spritzabstand für nachfolgende Mehrfacheinspritzungen zugrunde gelegt werden.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Druckverlauf im Steuer-Federraum mittels des Piezo-Aktuators nach bekannter Signalauswertung gemessen. Dies kann beispielsweise auf eine Art und Weise durchgeführt werden, wie sie in der DE 10 2008 023 373 A1 beschrieben ist. Gemäß diesem Konzept wird basierend auf einer Piezo-Modellierung der Verlauf der Piezo-Kraft beschrieben. Die Lage des Maximums dieses Verlaufs beschreibt die zeitliche Servoventilöffnung, wobei dieser Betrag mit der Kraft korreliert, die für die Ventilöffnung nötig ist. Durch diese Information kann im Bereich minimaler hydraulischer Spritzabstände der vorstehend genannte charakteristische Druckverlauf im Steuer-Federraum reflektiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Rahmen einer Kalibrierung des Injektors durchgeführt werden. So kann das Verfahren als Bestandteil einer Vermessung des Injektors in einem Messaufbau durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch im Betrieb eines zugehörigen Verbrennungsmotors durch dynamische Verlagerung einer regulären Folgeeinspritzung durchgeführt werden. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine Min-Dwell-Regelung realisieren, d. h. eine Regelung zum Erhalt eines minimalen Abstandes zwischen zwei Einspritzvorgängen ohne gegenseitige Beeinflussung beider Vorgänge.
Insbesondere kann hierbei der minimale hydraulische Spritzabstand im laufenden Betrieb des Injektors ohne einen Adaptionspuls bestimmt werden. Hierbei wird die Position einer regulären Einspritzung, die so nah wie möglich, also mit dem minimalen hydraulischen Spritzabstand, abgesetzt werden soll, dynamisch geändert. Die vorstehend beschriebenen physikalischen Zusammenhänge werden dann während der Bestromungsphase des Piezo-Aktuators ausgewertet.
Auch kann das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen eines Adaptionslaufes durchgeführt werden. Dann wird der Betrieb mit den adaptierten Werten bis zum nächsten Adaptionslauf durchgeführt, der wiederkehrend jeweils nach bestimmter Betriebszeit (beispielsweise alle 1.000 km) oder an bestimmten Betriebspunkten, beispielsweise immer beim Fahrzeugstart, durchgeführt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, die zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert.
Es zeigen:
1 einen Ausschnitt aus einem Injektor, wobei links der Injektor geschlossen und rechts der Injektor geöffnet dargestellt ist; und
2 ein Diagramm, das den Federraumdruckverlauf zeigt.
1 zeigt einen Ausschnitt eines Injektors, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des minimalen hydraulischen Spritzabstandes durchgeführt wird. Es handelt sich hierbei um einen Piezo-Servo-Injektor, der einen nichtdargestellten Piezo-Aktuator aufweist, welcher auf einen Steuerkolben 1 eines Steuerventils 2 oder Servoventils einwirkt. Durch eine durch die Auslängung und Kontraktion des Piezo-Aktuators bewirkte Bewegung des Steuerkolbens 1 öffnet und schließt das Steuerventil 2 eine Federkammer 3, in der sich eine Feder befindet, die das Steuerventil 2 in entgegengesetzter Richtung beaufschlagt. Der Federkammer 3 nachgeordnet ist eine Steuerkammer 4, über die eine Düsennadel 5 druckbeaufschlagt wird, um einen entsprechenden Einspritzvorgang durchzuführen.
Die linke Abbildung von 1 zeigt den Injektor im geschlossenen Zustand, in dem keine Einspritzung stattfindet und das Steuerventil geschlossen ist, während die rechte Abbildung den Injektor im geöffneten Zustand bei offenem Steuerventil zeigt, wobei eine Einspritzung durchgeführt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nunmehr der Schließzeitpunkt der Düsennadel 5 des Injektors anhand des charakteristischen Druckverlaufes im Steuer-Federraum des Injektors ermittelt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel der Federraumdruckverlauf erfasst wird.
2 zeigt in einem Diagramm den Federraumdruckverlauf über die Zeit. Man erkennt, dass bei der Schließbewegung der Düsennadel eine erkennbare Druckabsenkung DA im Federraum eintritt, die durch eine Beschleunigung der Düsennadel kurz vor dem Auftreffen auf den Nadelsitz verursacht wird. Im Moment des Schließens bzw. Abbremsens der Düsennadel im Sitz wird im Federraum eine Druckspitze DS generiert.
Die entsprechenden charakteristischen Punkte werden erfindungsgemäß erfasst, woraus der Schließzeitpunkt der Düsennadel ermittelt wird.
In einem weiteren Schritt wird der Spritzabstand einer Folgeeinspritzung durch sukzessive zeitliche Vorverlegung ZV des Ansteuerbeginnes einer Folgeeinspritzung schrittweise verringert. Hierbei wird der Druckverlauf im Federraum weiter beobachtet. Aus dem letzten Iterationsschritt, bei dem ein Düsennadelschließen der vorhergehenden Einspritzung im charakteristischen Druckverlauf noch zu erkennen war, wird der kleinste Spritzabstand gewonnen.

Claims

Verfahren zur Ermittlung des minimalen hydraulischen Spritzabstandes eines Piezo-Servo-Injektors mit den folgenden Schritten: – Ermitteln des Schließzeitpunktes der Düsennadel des Injektors anhand des charakteristischen Druckverlaufes im Steuer-Federraum des Injektors, wobei der Begriff Steuer-Federraum einen Raum zur Beaufschlagung der Düsennadel, der mit einem Steuerventilelement öffenbar und schließbar ist und in dem eine Feder angeordnet ist, als auch einen Federraum, in dem eine Feder und ein Steuerventilelement angeordnet sind, mit einem nachgeordneten Steuerraum zur Beaufschlagung der Düsennadel, umfasst; – schrittweises Verringern des Spritzabstandes einer Folgeeinspritzung durch sukzessive zeitliche Vorverlegung des Ansteuerbeginns einer Folgeeinspritzung und dabei weiteres Beobachten des charakteristischen Druckverlaufes im Steuer-Federraum; und – Erhalten des minimalen hydraulischen Spritzabstandes aus dem letzten Iterationsschritt, bei dem ein Düsennadelschließen der vorhergehenden Einspritzung im charakteristischen Druckverlauf noch zu erkennen war.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erhaltene minimale hydraulische Spritzabstand für nachfolgende Mehrfacheinspritzungen zugrunde gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlauf im Steuer-Federraum mittels des Piezo-Aktuators gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es im Rahmen einer Kalibrierung des Injektors durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es als Bestandteil einer Vermessung des Injektors in einem Messaufbau durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es im Betrieb eines zugehörigen Verbrennungsmotors durch dynamische Verlagerung einer regulären Folgeeinspritzung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hiermit eine Regelung zum Erhalt eines minimalen Abstandes zwischen zwei Einspritzvorgängen ohne gegenseitige Beeinflussung beider Vorgänge durchgeführt wird.
Vorrichtung ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche.