DE102015212378A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines einen Piezoaktor und eine Düsennadel aufweisenden Einspritzventils eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, bei welchem von einer Steuereinheit in Abhängigkeit von einer Sollhubhöhe des Piezoaktors in aufeinanderfolgenden Einspritzzyklen ein Steuersignal zur Veränderung der Isthubhöhe des Piezoaktors ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Sollhubhöhe des Piezoaktors zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Kapazität des Piezoaktors in Abhängigkeit von seiner Temperatur verändert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine.
  • Es ist bereits bekannt, die Einspritzventile eines Kraftstoffeinspritzsystems so anzusteuern, dass diese möglichst exakt zu vorgegebenen Zeitpunkten geöffnet und wieder geschlossen werden, um möglichst genau eine vorgegebene Menge eines unter Druck stehenden Kraftstoffs in einen Zylinder der Brennkraftmaschine einzuspritzen. Auf diese Weise und gegebenenfalls auch mittels zusätzlicher Vor- und/oder Nacheinspritzungen zusätzlich zu einer Haupteinspritzung innerhalb eines Einspritzzyklus lässt sich die Effizienz der Brennkraftmaschine steigern und gleichzeitig Abgas- und Lärmemissionen verringern.
  • Ein Einspritzventil, häufig auch als Injektor bezeichnet, weist ein Verschlusselement auf, das mittels eines Antriebs zum Öffnen und Schließen des Injektors bewegt werden kann. Im verschlossenen Zustand des Injektors, in dem keine Einspritzung erfolgt, befindet sich das Verschlusselement in einer Schließposition, in der es alle Einspritzöffnungen des Injektors verschließt. Mittels des Antriebs kann das Verschlusselement ausgehend von seiner Schließposition angehoben werden, um auf diese Weise zumindest manche der Einspritzöffnungen freizugeben und die Einspritzung auszulösen.
  • Häufig weist das Verschlusselement eine Düsennadel auf oder ist als eine solche ausgestaltet. In ihrer Verschlussposition sitzt diese Düsennadel auf einem Nadelsitz des Injektors. Der Antrieb des Injektors umfasst zum Bewegen des Verschlusselements einen Aktor, der dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines Steuersignals das Verschlusselement aus der Schließposition auf eine Hubhöhe anzuheben, es in dieser Hubhöhe zu halten und/oder das Verschlusselement wieder zurück in die Schließposition zu bewegen. Beispielsweise kann dieser Aktor durch ein Piezoelement gegeben sein, das sich infolge von elektrischen Lade- oder Entladevorgängen ausdehnt oder zusammenzieht und auf diese Weise eine Hub- oder Schließbewegung des Verschlusselements auslöst. Solche auch als Piezoaktoren bezeichnete Aktoren eignen sich besonders gut für ein genaues und verzögerungsfreies Bewegen des Verschlusselements. Dies ist besonders bei sogenannten direkt angetriebenen Piezo-Injektoren der Fall, bei denen eine direkte und verzögerungsfreie Kraftübertragung zwischen dem Piezoaktor und dem Verschlusselement ermöglicht wird.
  • Aus der DE 10 2011 075 732 A1 sind ein Regelverfahren für ein Einspritzventil und ein Einspritzsystem bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird in wiederkehrenden Einspritzzyklen und in Abhängigkeit von einer Soll-Hubhöhe eines Verschlusselementes des Einspritzventils jeweils mindestens ein Steuersignal zum Ansteuern eines Antriebs des Einspritzventils erzeugt, wobei der Antrieb durch das Steuersignal zum Anheben des Verschlusselements auf die Soll-Hubhöhe angesteuert wird und das Verschlusselement mittels des Antriebs auf eine Ist-hubhöhe angehoben wird, wobei mindestens eine mit der Ist-Hubhöhe korrelierte Messgröße erfasst wird und die Ist-Hubhöhe in Abhängigkeit von dieser mindestens einen Messgröße bestimmt wird, wobei das Steuersignal in mindestens einem der nachfolgenden Einspritzzyklen in Abhängigkeit von einer Abweichung der Ist-Hubhöhe von der Soll-Hubhöhe erzeugt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoaktors eines Einspritzventils eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine anzugeben, welches den im praktischen Betrieb auftretenden Bedingungen besser gerecht wird.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteile Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt die Ansteuerung des Piezoaktors eines Einspritzventils eines Kraftstoffeinspritzsystems abhängig von der Injektortemperatur, auf welche im Allgemeinen über die Motortemperatur geschlossen werden kann. Im Falle eines Betriebs mit warmem Injektor erfolgt die Ansteuerung des Piezoaktors derart, dass der maximale Nadelhub erreicht wird, um eine vollständige Entdrosselung der Ventilnadel und damit einen maximalen Kraftstoffdurchfluss zu erreichen. Im Falle eines Betriebs mit kaltem Injektor erfolgt die Ansteuerung des Piezoaktors derart, dass der Nadelhub nicht maximal ist, so dass keine vollständige Entdrosselung der Ventilnadel erreicht wird und der Kraftstoffdurchfluss erniedrigt ist. Dieser niedrigere Kraftstoffdurchfluss wird durch eine Erhöhung der Ansteuerdauer des Piezoaktors kompensiert.
  • Die Vorteile dieser Vorgehensweise bestehen insbesondere darin, dass die Ansteuer-Hardware des Kraftstoffeinspritzsystems lediglich derart ausgelegt sein muss, dass sie im warmen Betrieb den maximalen Nadelhub zu einer vollständigen Entdrosselung und damit einem maximalen Kraftstoffdurchfluss sicherstellen kann. Im kalten Betrieb sind die Anforderungen an die Ansteuer-Hardware des Kraftstoffeinpritzsystems reduziert. Diese Vorgehensweise ermöglicht es folglich, die elektrischen Anforderungen an die Ansteuer-Hardware des Kraftstoffeinspritzsystems zu reduzieren. Dies erlaubt eine Verwendung einer preisgünstigeren Ansteuer-Hardware des Kraftstoffeinspritzsystems, wobei die Ansteuer-Hardware die elektronische Steuereinheit des Kraftstoffeinspritzsystems inklusive einer zugehörigen Endstufe ist.
  • Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
  • 1 eine Skizze eines Einspritzventils eines Kraftstoffeinpritzsystems,
  • 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der Kapazität des Piezoaktors über der Temperatur,
  • 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der Ansteuerspannung des Piezoaktors über seiner Temperatur und
  • 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Schließphase der Ventilnadel.
  • Die 1 zeigt eine Skizze eines Einspritzventils eines Kraftstoffeinspritzsystems. Das dargestellte Einspritzventil 1 weist einen Injektorkörper 2 auf, welcher beim gezeigten Ausführungsbeispiel mehrteilig ausgebildet ist. Der Injektorkörper 2 weist in seinem oberen Teil eine Aktorausnehmung 2a auf, in welcher ein Piezoaktor 3 angeordnet ist. Des Weiteren weist der Injektorkörper 2 eine Übertragungsstiftausnehmung 2b auf, durch welche ein Übertragungsstift 4 geführt ist. Der Übertragungsstift 4 dient zur Kopplung des Piezoaktors 3 mit einem in einer Steuerkolbenausnehmung 6 des Injektorkörpers 2 angeordneten Steuerkolben 5, wobei ein erster Teil 6a der Steuerkolbenausnehmung 6 oberhalb des Steuerkolbens 5 und ein zweiter Teil 6b der Steuerkolbenausnehmung 6 unterhalb des Steuerkolbens 5 angeordnet ist. In dem unterhalb des Steuerkolbens angeordneten zweiten Teil 6b der Steuerkolbenausnehmung 6 ist eine Steuerkolbenfeder 7 angeordnet, die sich auf einer die Steuerkolbenausnehmung 6 unten begrenzenden Fläche des Injektorkörpers 2 abstützt. Das obere Ende der Steuerkolbenfeder 7 stützt sich auf der Unterseite des Steuerkolbens 5 ab.
  • Der unterhalb des Steuerkolbens 5 vorgesehene zweite Teil 6b der Steuerkolbenausnehmung 6 ist über eine Verbindungsbohrung 8 mit einer Hochdruckkraftstoffleitung 9 verbunden, durch welche dem Einspritzventil 1 unter hohem Druck stehender Kraftstoff zugeführt und durch den Injektorkörper in einen Düsenraum 10 des Injektorkörpers 2 geleitet wird. In diesem Düsenraum 10 ist eine Düsennadel 11 positioniert, welche im Düsenraum 10 in ihrer Axialrichtung beweglich ist. Im nicht angesteuerten Zustand des Piezoaktors 3 sind im Injektorkörper 2 vorgesehene Einspritzöffnungen 12 durch die Düsennadel 11 verschlossen. Im angesteuerten Zustand des Piezoaktors 3 werden eine oder mehrere der im Injektorkörper 2 vorgesehenen Einspritzöffnungen 12 geöffnet.
  • Die Düsennadel 11 weist einen von ihr in Radialrichtung abstehenden Steg 13 auf. Zwischen diesem Steg 13 und der oberen Abschlusswand des Düsenraumes 10 ist eine Düsenfeder 14 angeordnet, durch deren Kraft die Düsennadel im nicht angesteuerten Zustand des Piezoaktors 3 nach unten gedrückt wird, um die Einspritzöffnungen 12 sicher zu verschließen.
  • Der obere Endbereich der Düsennadel 11 ist durch eine weitere Ausnehmung 15 des Injektorkörpers 2 geführt, welche schmäler ist als der Düsenraum 10.
  • Im Falle einer Ansteuerung des Piezoaktors 3 wird der obere Endbereich der Düsennadel 11 innerhalb dieser weiteren Ausnehmung 15 nach oben bewegt, wobei durch diese Bewegung der untere Endbereich der Düsennadel von seinem Dichtsitz abgehoben wird und die Einspritzöffnungen 12 freigibt.
  • Die Abmessungen des Düsenraumes 10 und der weiteren Aussparung 15 sind derart gewählt, dass auch im vollständig geöffneten Zustand aller Einspritzöffnungen 12 die obere Abschlussfläche der Düsennadel nicht an einen Anschlag des Injektorkörpers 2 stößt, d. h. dass die Düsennadel 12 beim Öffnen der Einspritzöffnungen anschlagfrei nach oben bewegt wird.
  • Die weitere Aussparung 15 ist in ihrem oberen Endbereich über eine weitere Verbindungsbohrung 16 mit dem oberhalb des Steuerkolbens 5 vorgesehenen ersten Teil 6a der Steuerkolbenausnehmung 6 gekoppelt. Aufgrund dieser Kopplung bilden die weitere Aussparung 15 und der erste Teil 6a der Steuerkolbenaussparung 6 einen Ausgleichsraum, über welchen ein hydraulischer Druckausgleich erfolgen kann.
  • Des Weiteren ist in der 1 eine Steuereinheit 17 dargestellt, welche unter Auswertung von ihr zugeführten Sensorsignalen se und unter Verwendung eines abgespeicherten Arbeitsprogrammes und abgespeicherter Kennfelder, Tabellen und/oder Kennlinien Steuersignale s für die ansteuerbaren Bauteile des Einspritzventils 1 ausgibt.
  • Untersuchungen haben ergeben, dass die Kapazität eines Piezoaktors abhängig ist von seiner Temperatur. Bei niedrigen Temperaturen haben Piezoaktoren eine geringere Kapazität als bei hohen Temperaturen. Um denselben Hub der Ventilnadel zu erreichen, muss folglich die an den Piezoaktor angelegte Spannung beim Vorliegen niedriger Temperaturen höher sein als beim Vorliegen höherer Temperaturen.
  • Dies wird nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert.
  • Die 2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der Kapazität des Piezoaktors in Abhängigkeit von der Temperatur für zwei verschiedene Typen von Piezoaktoren. Dabei handelt es sich jeweils um diejenige Kapazität, die sich bei einem Hub der Ventilnadel um 80 µm einstellt.
  • Der Verlauf V1 kennzeichnet dabei den Verlauf der Kapazität eines ersten Musters von einem ersten Typ von Piezoaktoren in Abhängigkeit von der Temperatur, der Verlauf V2 den Verlauf der Kapazität eines zweiten Musters vom ersten Typ von Piezoaktoren, der Verlauf V3 den Verlauf der Kapazität eines ersten Musters von einem zweiten Typ von Piezoaktoren in Abhängigkeit von der Temperatur und der Verlauf V4 den Verlauf der Kapazität eines zweiten Musters vom zweiten Typ von Piezoaktoren.
  • Aufgrund der unterschiedlichen Kapazität stellt sich eine unterschiedliche Ansteuerspannung ein. Dabei sind für große Raildrücke und niedrige Temperaturen die vergleichsweise höchsten Spannungen notwendig.
  • Die 3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur für zwei verschiedene Typen von Piezoaktoren. Dabei handelt es sich jeweils um diejenige Spannung, die notwendig ist, um einen Hub der Ventilnadel um 80 µm zu erreichen. Der Verlauf U1 kennzeichnet dabei den Verlauf der Spannung für das erste Muster vom ersten Typ von Piezoaktoren in Abhängigkeit von der Temperatur, der Verlauf U2 den Verlauf der Spannung des zweiten Musters vom ersten Typ von Piezoaktoren, der Verlauf U3 den Verlauf der Spannung des ersten Musters vom zweiten Typ von Piezoaktoren und der Verlauf U4 den Verlauf der Spannung des zweiten Musters vom zweiten Typ von Piezoaktoren.
  • Die vorgenannten Spannungen zur Ansteuerung des jeweiligen Piezoaktors müssen von einer jeweils geeigneten Ansteuer-Hardware bereitgestellt werden. Dies ist mit vergleichsweise hohen Hardwarekosten verbunden, die nur im Falle eines Vorliegens von niedrigen Temperaturen erforderlich sind.
  • Bei manchen bisher verwendeten Konzepten zum Direktantrieb eines Piezoinjektors konnte ein maximaler Raildruck von 2000 bar bei niedrigen Temperaturen nicht eingestellt werden, da ansonsten die Ansteuerspannung des Piezoaktors einen maximal zulässigen Grenzwert von 210 V überschritten hätte. Als Folge davon musste der maximale Druck des Kraftstoffs im Rail temperaturabhängig so lange begrenzt werden, bis der Injektor seine erwartete Betriebstemperatur, die mit einer Erhöhung seiner Aktorkapazität korreliert ist, erreicht hat.
  • Eine alternative Lösung bei bisher verwendeten Konzepten besteht darin, die Ansteuer-Hardware des Piezoinjektors derart auszulegen, dass sie dazu geeignet ist, die notwendige hohe Spannung bereitzustellen. Da diese hohe Spannung aber nur bei niedrigen Temperaturen notwendig ist, ist die Ansteuer-Hardware in diesem Falle überdimensioniert und verursacht vergleichsweise hohe Hardwarekosten. Demgegenüber wird bei der vorliegenden Erfindung darauf verzichtet, unabhängig von der vorliegenden Temperatur stets denselben Nadelhub zu erreichen. Vielmehr wird bei der vorliegenden Erfindung die Sollhubhöhe des Piezoaktors in Abhängigkeit von der vorliegenden Temperatur verändert. Dabei wird insbesondere dafür Sorge getragen, dass bei niedrigen Temperaturen der Entdrosselungsgrad der Ventilnadel verringert ist, um die elektrischen Anforderungen an die Ansteuer-Hardware des Einspritzsystems zu reduzieren. Zum Erreichen dieses Zieles wird der Piezoaktor mit einer geringeren Spannung angesteuert, die zu dem gewünschten kleineren Nadelhub führt. Dieser verringerte Nadelhub führt zu einem niedrigeren maximalen Durchfluss. Dieser niedrigere maximale Durchfluss wird durch eine entsprechende Vergrößerung der Ansteuerdauer kompensiert. Im Falle des Vorliegens niedrigerer Temperaturen hat diese im Vergleich zum Stand der Technik veränderte Vorgehensweise nur einen sehr geringen Einfluss auf den Verbrennungsvorgang und auf das gesamte Kraftstoffeinspritzsystem.
  • Beim Vorliegen hoher Temperaturen, insbesondere beim Vorliegen der üblichen Betriebstemperatur des Einspritzsystems, wird im Unterschied dazu dafür gesorgt, dass der maximale Nadelhub vorliegt, um eine möglichst vollständige Entdrosselung der Ventilnadel zu erreichen.
  • Die 4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Schließphase der Ventilnadel. In diesem Diagramm sind der Verlauf k1 des Nadelhubes, der Verlauf k2 des Hubes des Steuerkolbens, der Verlauf k3 der Piezokraft, der Verlauf k4 der Kapazität, der Verlauf k5 des Stromes, der Verlauf k6 der Spannung und der Verlauf k7 des Hubes des Piezoaktors veranschaulicht. Insbesondere ist aus der 4 ersichtlich, dass der Nadelhub mit der Energie korreliert und dass der Nadelhub auch mit der Schließzeit korreliert. Dadurch ist sichergestellt, dass ein niedrigerer Nadelhub auch eine niedrigere Energie bedeutet. Da die Schließzeit detektiert werden kann, kann der Nadelhub anhand der detektierten Schließzeit kontrolliert und bei Bedarf korrigiert werden.
  • Bei der vorliegenden Erfindung werden nach alledem die Anforderungen an die Ansteuer-Hardware des Kraftstoffeinspritzsystems dadurch gesenkt, dass der Soll-Nadelhub in Abhängigkeit von der vorliegenden Temperatur verändert wird, wobei insbesondere beim Vorliegen einer niedrigen Temperatur der Soll-Nadelhub verringert wird, um die maximale Ansteuerspannung des Piezoaktors zu reduzieren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011075732 A1 [0005]

Claims (6)

  1. Verfahren zur Ansteuerung eines einen Piezoaktor und eine Düsennadel aufweisenden Einspritzventils eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, bei welchem von einer Steuereinheit in Abhängigkeit von einer Sollhubhöhe des Piezoaktors in aufeinanderfolgenden Einspritzzyklen ein Steuersignal zur Veränderung der Isthubhöhe des Piezoaktors ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Sollhubhöhe des Piezoaktors zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Kapazität des Piezoaktors in Abhängigkeit von seiner Temperatur verändert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Sollhubhöhe des Piezoaktors beim Vorliegen einer niedrigeren Temperatur kleiner vorgibt als beim Vorliegen einer höheren Temperatur.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Sollhubhöhe des Piezoaktors beim Vorliegen der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine derart vorgibt, dass eine vollständige Entdrosselung der Düsennadel erreicht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Sollhubhöhe des Piezoaktors beim Vorliegen von unterhalb der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine liegenden Temperaturen derart vorgibt, dass eine teilweise Entdrosselung der Düsennadel erreicht wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Ansteuerdauer des Piezoaktors beim Vorliegen einer niedrigeren Temperatur größer vorgibt als beim Vorliegen einer höheren Temperatur.
  6. Vorrichtung zur Ansteuerung eines einen Piezoaktor und eine Düsennadel aufweisenden Einspritzventils eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, mit einer Steuereinheit, die in Abhängigkeit von einer Sollhubhöhe des Piezoaktors in aufeinanfolgenden Einspritzzyklen ein Steuersignal zur Veränderung der Isthubhöhe des Piezoaktors ausgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (17) derart ausgebildet ist, dass sie die Sollhubhöhe des Piezoaktors zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Piezoaktors in Abhängigkeit von der Temperatur verändert.
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