DE102015212091A1

DE102015212091A1 - Verfahren zum Betreiben eines direktbetätigten piezogesteuerten Injektors eines Einspritzsystems und Einspritzsystem

Info

Publication number: DE102015212091A1
Application number: DE102015212091.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Ascher; Tany Gargiso; Anselm Schwarte
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2016-12-29

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betreiben eines direktbetätigten piezogesteuerten Injektors und ein zugehöriges Einspritzsystem beschrieben. Bei dem Verfahren wird das Restspannungsniveau des Piezoaktuators des Injektors beim Düsennadelschließen desselben in Abhängigkeit von mindestens einer Betriebsgröße des Einspritzsystems eingestellt. Als Betriebsgrößen wird dabei insbesondere auf den Raildruck und den Durchfluss an der Injektordüse Bezug genommen. Auf diese Weise lässt sich ein besonders genauer Schließvorgang erreichen und ein signifikantes auswertbares Schließzeitpunktsignal erzielen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines direktbetätigten piezogesteuerten Injektors eines einen Hochdruckspeicher (Rail) aufweisenden Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine.
Mit „direktbetätigt“ ist hierbei gemeint, dass die Düsennadel des Injektors ohne Zwischenschaltung eines Steuerventils bzw. Servoventils vom zugehörigen Piezoaktuator angesteuert wird.
Es ist bekannt, bei derartigen direktbetätigten piezogesteuerten Injektoren das entsprechende Schließzeitsignal anhand elektrischer Größen des Piezoaktuators auszuwerten. Hierbei ist es von Bedeutung, dass ein signifikantes auswertbares Schließzeitsignal vorliegt.
Um einen Einspritzvorgang durchzuführen, wird der Piezoaktuator mit einer bestimmten Spannung angesteuert, um eine gewünschte Auslängung zu erreichen. Nach einer bestimmten Zeit wird die Ansteuerung gestoppt, um einen Entladungsvorgang des Aktuators und damit eine Kontraktion desselben durchzuführen. Es ist dann eine entsprechende Restspannung vorhanden. Beim Schließen der Düsennadel, wenn die Einspritzrate auf Null geht, liegt bei bekannten Konzepten dieses Restspannungsniveau immer auf einem festen Wert, da die entsprechende Endstufe immer in Sättigung geht. Dieses Restspannungsniveau liegt dabei beispielsweise bei 30 V.
Dieses konstante Restspannungsniveau wird beim Stand der Technik bei allen Bedingungen eingehalten. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Einhaltung eines derartigen konstanten Restspannungsniveaus bei neueren direktgetriebenen Konzepten und insbesondere bei kleineren Raildrücken zu einem nichtakkuraten und verschleppten Schließen führt. Des Weiteren wird das Schließzeitpunktsignal in Form und Amplitude nicht auswertbar. Auch zeigen neue leerhubbereinigte Konzepte ein derartiges nichtzufriedenstellendes Verhalten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem sich ein besonders akkurater Schließvorgang des Injektors erreichen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Restspannungsniveau des Piezoaktuators des Injektors beim Düsennadelschließen desselben in Abhängigkeit von mindestens einer Betriebsgröße des Einspritzsystems eingestellt wird.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht eine Einstellbarkeit des Restspannungsniveaus beim Düsennadelschließen vor. Somit kann für Bereiche, in denen die Düsennadel nicht mehr exakt schließt, das Restspannungsniveau verändert werden, und zwar in Abhängigkeit von mindestens einer Betriebsgröße des Einspritzsystems. Die Beziehung zwischen der jeweiligen Betriebsgröße und dem Restspannungsniveau wird erfindungsgemäß ermittelt und kann beispielsweise in Kennfeldern hinterlegt werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die entsprechende Betriebsgröße des Einspritzsystems bestimmt und hieraus, beispielsweise über die hinterlegten Kennfelder, das zugehörige optimale Restspannungsniveau gewonnen. Dieses Restspannungsniveau wird dann bei der Durchführung des zugehörigen Einspritzvorganges eingestellt. Hierdurch wird nicht nur der eigentliche Schließvorgang genauer durchgeführt, sondern auch das kapazitätsbezogene Schließsignal wird in Form und Amplitude signifikant und messbar verbessert.
Ohne Änderung der Mechanik und Hydraulik im Injektor wird daher immer ein akkurates Schließen des Injektors durch elektrische Ansteuerung erreicht, wobei auch die Schließzeitsignale auswertbar werden. Des Weiteren können leerhubbereinigte Injektorkonzepte verwendet werden, die eine geringere Restspannungsauswertung bedingen.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Höhe des Restspannungsniveaus so gewählt, dass die resultierende hydraulische Kraft beim Düsennadelschließen die Düsennadel in den Nadelsitz bewegt und somit der Piezoaktuator zurückgeschoben wird. Unter Berücksichtigung dieses weiteren Kriteriums werden besonders gute Ergebnisse erzielt.
Der Wirkmechanismus beim Schließen der Düsennadel sei kurz erläutert. Es wird hierbei davon ausgegangen, dass sich die Düsennadel im Vollhub und der Piezoaktuator im ausgelängten Zustand befinden. Durch die durchgeführte Entladung zieht sich der Piezoaktuator zusammen, wobei die Geschwindigkeit höher ist als das nachgelagerte mechanische und/oder hydraulische System. Der Piezoaktuator wird dann durch Halten der Spannung auf einem Restspannungsniveau in seiner Position gehalten. Der Steuerkolben und die Düsennadel folgen entsprechend ihrer Geschwindigkeit und holen den Piezoaktuator schließlich ein. Normalerweise könnte der Piezoaktuator nun den Steuerkolben und die Düsennadel in ihrer Position durch seine Restspannung halten, wenn nicht eine hydraulische Rückstellkraft auf die Nadel einwirken würde. Durch die Positionierung der Düsennadel geringfügig oberhalb ihres Sitzes ergibt sich durch die Androsselung eine hydraulische Schließkraft, die schließlich auch den Steuerkolben sich weiterbewegen lässt. Schließlich wird dadurch der Piezoaktuator zurückgeschoben. Durch diese äußere Krafteinwirkung entsteht eine Kapazitätsmulde, die der Krafteinwirkung entspricht. Die Höhe des Restspannungsniveaus wird dabei erfindungsgemäß so geschickt gewählt, dass damit die resultierende hydraulische Kraft die Düsennadel in ihren Sitz bewegt und somit auch der Piezoaktuator zurückgeschoben wird. Auf diese Weise wird ein akkurater Schließvorgang erreicht.
Auch wird erfindungsgemäß das Restspannungsniveau vorzugsweise so eingestellt, dass ein besonders signifikantes Schließsignal erzeugt wird, das anhand elektrischer Größen des Piezoaktuators einwandfrei ausgewertet werden kann.
Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Restspannungsniveau in Abhängigkeit vom Druck im Hochdruckspeicher (Raildruck) eingestellt. So hat sich gezeigt, dass vor allem bei kleinen Raildrücken das bisher aufrechterhaltene konstante Restspannungsniveau zu einem nichtakkuraten Schließvorgang führt. Erfindungsgemäß wird daher in Abhängigkeit vom ermittelten Raildruck ein Restspannungsniveau eingestellt, das optimale Ergebnisse liefert. Hierbei findet insbesondere eine Restspannungsabsenkung Anwendung. Als Betriebsgröße wird daher bei dieser Verfahrensvariante auf den Raildruck Bezug genommen.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Restspannungsniveau in Abhängigkeit vom Durchfluss an der Injektordüse eingestellt. Es wurde festgestellt, dass insbesondere bei kleinen Durchflusswerten Probleme hinsichtlich eines exakten Schließvorganges entstehen, wenn ein konstantes Restspannungsniveau nach dem Stand der Technik aufrechterhalten wird. Erfindungsgemäß wird somit das Restspannungsniveau in Abhängigkeit vom jeweiligen Durchflusswert eingestellt, insbesondere bei kleinen Durchflusswerten entsprechend abgesenkt.
Es versteht sich, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Restspannungsniveau auch in Abhängigkeit von mehreren Betriebsgrößen des Einspritzsystems eingestellt werden kann, beispielsweise sowohl in Abhängigkeit vom Raildruck als auch in Abhängigkeit vom Durchflusswert.
Das Restspannungsniveau wird daher vorzugsweise bei kleinen Raildrücken und/oder kleinen Durchflüssen an der Injektordüse gegenüber einem standardmäßigen Festwert des Standes der Technik abgesenkt.
Das Restspannungsniveau wird vorzugsweise eingeregelt.
Vorzugsweise wird das Restspannungsniveau auf einen Wert von 5 -< 30 V eingestellt.
Eine weitere Verfahrensvariante sieht vor, dass die Entladezeit des Piezoaktuators so eingestellt wird, dass sich das gewünschte Restspannungsniveau ergibt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einem Hochdruckspeicher (Rail), mindestens einem direktbetätigten piezogesteuerten Injektor und einer Steuereinheit zum Ansteuern des Piezoaktuators des Injektors. Das Einspritzsystem ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass von ihr ein Restspannungsniveau des Piezoaktuators des Injektors beim Düsennadelschließen desselben in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße des Einspritzsystems einstellbar ist. Als Betriebsgrößen finden vorzugsweise der Raildruck und/oder der Durchfluss an der Injektordüse Anwendung.
In Bezug auf weitere Merkmale der Ausgestaltung dieses Einspritzsystems wird auf die vorherigen Ausführungen in Verbindung mit dem beschriebenen Verfahren verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm, dass den Verlauf der Spannung und der Einspritzrate bei einem Einspritzvorgang zeigt; und
2 ein Ablaufdiagramm der Hauptschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt mit einer durchgezogenen Linie den Verlauf der elektrischen Spannung, mit der ein direktbetätigter Piezoaktuator eines Injektors bei der Durchführung eines Einspritzvorganges beaufschlagt wird. Ferner ist in 1 mit einer strichpunktierten Linie der Verlauf der entsprechenden Einspritzrate dargestellt.
Der vorstehend erwähnte, mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Spannungsverlauf betrifft ein Verfahren des Standes der Technik, bei dem nach einer Aufladephase, Haltephase und Absenkphase eine konstante Restspannung von beispielsweise 30 V aufrechterhalten wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird beispielsweise beim Feststellen eines niedrigen Raildrucks das Restspannungsniveau entsprechend gesenkt, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Hierdurch wird neben einem akkuraten Schließvorgang erreicht, dass ein signifikantes und auswertbares Schließzeitpunktsignal (OPP4-Signal) generiert wird.
Im Ablaufdiagramm der 2 sind die Hauptschritte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In Schritt 1 wird anhand von Modellversuchen die Beziehung zwischen dem Restspannungsniveau am Piezoaktuator sowie dem Durchfluss an der Injektordüse ermittelt und hieraus ein Kennfeld erstellt, das beispielsweise im Speicher einer entsprechenden Steuereinheit hinterlegt wird.
In Schritt 2 wird ein Einspritzvorgang durchgeführt. Gemäß Schritt 3 wird der Durchfluss an der Düsennadel gemessen. In Schritt 4 wird der gemessene Durchfluss mit den im Kennfeld hinterlegten Durchflusswerten verglichen und hieraus ein damit korreliertes Restspannungsniveau gewonnen.
In Schritt 5 wird das in Schritt 4 bestimmte Restspannungsniveau für den nächsten Einspritzvorgang bereitgestellt. Gemäß Schritt 6 wird ein weiterer Einspritzvorgang unter Berücksichtigung des bereitgestellten ermittelten Restspannungsniveaus durchgeführt. Es kann dann beispielsweise das zugehörige Schließzeitpunktsignal ermittelt und für entsprechende Regelungsvorgänge verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines direktbetätigten piezogesteuerten Injektors eines einen Hochdruckspeicher (Rail) aufweisenden Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das Restspannungsniveau des Piezoaktuators des Injektors beim Düsennadelschließen desselben in Abhängigkeit von mindestens einer Betriebsgröße des Einspritzsystems eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Restspannungsniveaus so gewählt wird, dass die resultierende hydraulische Kraft beim Düsennadelschließen die Düsennadel in den Nadelsitz bewegt und somit der Piezoaktuator zurückgeschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Restspannungsniveau so eingestellt wird, dass ein besonders signifikantes Schließsignal erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Restspannungsniveau in Abhängigkeit vom Druck im Hochdruckspeicher (Raildruck) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Restspannungsniveau in Abhängigkeit vom Durchfluss an der Injektordüse eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Restspannungsniveau bei kleinen Raildrücken und/oder kleinen Durchflüssen an der Injektordüse gegenüber einem standardmäßigen Festwert des Standes der Technik abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Restspannungsniveau eingeregelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladezeit des Piezoaktuators so eingestellt wird, dass sich das gewünschte Restspannungsniveau ergibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Restspannungsniveau auf einen Wert von 5 -< 30 V eingestellt wird.
Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einem Hochdruckspeicher (Rail), mindestens einem direktbetätigten piezogesteuerten Injektor und einer Steuereinheit zum Ansteuern des Piezoaktuators des Injektors, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass von ihr ein Restspannungsniveau des Piezoaktuators des Injektors beim Düsennadelschließen desselben in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße des Einspritzsystems einstellbar ist.