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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation einer Temperaturabhängigkeit eines hydraulischen Kopplers in einem Piezo-Kraftstoffinjektor. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen und ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches das Verfahren ausführt.
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Stand der Technik
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Heutzutage werden Piezo-Kraftstoffinjektoren beispielsweise in Common-Rail-Systemen verwendet um Kraftstoff gezielt in einen Brennraum einer Verbrennungsmaschine einzuspritzen. Ein solcher Piezo-Kraftstoffinjektor ist in der
EP 1 185 787 B1 , in Form eines Ventils, mit einer piezoelektrischen Einheit zur Betätigung eines verschiebbaren Ventilglieds aufgezeigt. Das Ventilglied ist über eine Hydraulikkammer, die als hydraulischer Koppler dient, mit einem Ventilschließglied verbunden. Folglich wird eine Ansteuerungsspannung für die piezoelektrische Einheit in Form von Bewegung an das Ventilschließglied übergeben, welches dann in einen Ventilsitz eingeführt wird und dementsprechend das Öffnen und Schließen des Ventils veranlasst. Zusätzlich wird die Ansteuerspannung bei diesem Ventil auf Grundlage eines in der Hydraulikkammer gemessenen Drucks reguliert.
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Der hydraulische Koppler ist mit Kraftstoff gefüllt, um beim Öffnen des Ventils eine Längen- und/oder Breitenänderung des piezoelektrischen Elements auf das Ventilschließglied zu übertragen, wobei der Kraftstoff komprimiert wird. Dabei ist eine systematische Leckage des Kraftstoffs im hydraulischen Kopplers, z.B. durch Spalte in einen Rücklauf, vorgesehen. Infolge dieser systematischen Leckage bei der Einspritzung, entsprechen der Druck und die Kraftstoffmenge nicht mehr dem Druck und der Kraftstoffmenge vor der Einspritzung.
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In der
DE 100 32 022 A1 wird ein Verfahren beschrieben, durch das man den Druck im hydraulischen Koppler ermitteln und entsprechend die geeignete Ansteuerspannung für das piezoelektrische Element bestimmen kann. Der hydraulische Koppler ist mechanisch mit dem piezoelektrischen Element gekoppelt, sodass der Druck im hydraulischen Koppler zu einer Verformung des piezoelektrischen Elements führt und demzufolge durch den piezoelektrischen Effekt eine Piezo-Spannung induziert. Diese induzierte Piezo-Spannung wird dann bei einem nachfolgenden Einspritzvorgang als Parameter zur Korrektur der Ansteuerspannung für das piezoelektrische Element verwendet.
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Zur Kompensation des Drucks und der Kraftstoffmenge im hydraulischen Koppler wird also die Ansteuerspannung abhängig vom vorhergehenden Einspritzvorgang angepasst.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Verfahren zur Kompensation einer Temperaturabhängigkeit eines hydraulischen Kopplers in einem Piezo-Kraftstoffinjektor mit Piezoaktor umfasst eine Temperaturbestimmung eines Kraftstoffs im hydraulischen Koppler. Die Temperatur des Kraftstoffs wirkt sich bekanntermaßen auf die Viskosität und das Kompressionsmodul des Kraftstoffs aus. Vorzugsweise können eine Erwärmung durch einen Rücklauf, eine Erwärmung durch eine Ansteuerspannung des Piezoaktors und eine Erwärmung durch Kompression in die Temperaturbestimmung miteinbezogen werden. Als Resultat ist eine genaue Temperaturbestimmung des Kraftstoffs möglich.
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Des Weiteren umfasst das Verfahren eine Ermittlung einer Leckage des hydraulischen Kopplers aufgrund der Temperaturbestimmung und einer Ventilöffnungszeit einer vorherigen Einspritzung. Wie vorhergehend beschrieben, erfolgt diese systematische Leckage über Spalte im hydraulischen Koppler. Die ermittelte Leckage wird im Folgenden, zusammen mit einer ermittelten Befüllung des hydraulischen Kopplers, dazu verwendet einen Zustand des hydraulischen Kopplers festzulegen. Der Zustand des hydraulischen Kopplers umfasst hauptsächlich die Kraftstoffmenge sowie dessen Druck.
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Besonders bevorzugt ist eine Ermittlung der Befüllung des hydraulischen Kopplers auf Grundlage des zeitlichen Abstands zwischen der vorherigen und der aktuellen Einspritzung. Gemäß einem weiteren Aspekt, kann zusätzlich der Zustand des hydraulischen Kopplers vor der vorherigen Einspritzung in die Ermittlung des aktuellen Zustands des hydraulischen Kopplers einbezogen werden. Beide Aspekte dienen dazu, den aktuellen Zustand des hydraulischen Kopplers genauer zu bestimmen.
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In einem weiteren Schritt wird ein Korrekturwert abhängig vom Zustand des hydraulischen Kopplers ermittelt, der zur Korrektur einer Ansteuerspannung des Piezoaktors dient. Optional kann der Korrekturwert aus einem Kennfeld für den aktuellen Zustand des hydraulischen Kopplers ermittelt werden.
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Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, insbesondere dann, wenn es auf einem elektronischen Steuergerät durchgeführt wird. Vorzugsweise ist es auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
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Das Computerprogramm ermöglicht die einfache Implementierung des Verfahrens in einem vorhandenen elektronischen Steuergerät, ohne daran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das erfindungsgemäße elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um die Temperaturabhängigkeit des hydraulischen Kopplers zu kompensieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 ist eine Längsschnittdarstellung eines Piezo-Kraftstoffinjektors, der einen hydraulischen Koppler umfasst, dessen Temperaturabhängigkeit mittels eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens kompensiert werden kann.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm 2 eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3a zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf einer Ansteuerspannung gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie gemäß herkömmlicher Verfahren.
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3b zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf eines Hubs einer Düsennadel gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren sowie gemäß herkömmlicher Verfahren.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Darstellung eines Kraftstoffinjektors 1 mit einer zentralen Bohrung. Im oberen Teil ist ein Stellkolben 3 mit einem piezoelektrischen Aktor 2 eingebracht, wobei der Stellkolben 3 mit dem Aktor 2 fest verbunden ist. Der Stellkolben 3 schließt nach oben hin einen hydraulischen Koppler 4 ab, während nach unten eine Öffnung mit einem Verbindungskanal zu einem ersten Sitz 6 vorgesehen ist, in dem ein Kolben 5 mit einem Verschließglied 12 angeordnet ist. Das Verschließglied 12 ist als doppelt schließendes Steuerventil ausgebildet. Es verschließt den ersten Sitz 6, wenn der Aktor 2 in Ruhephase ist. Bei Betätigung des Aktors 2, d. h. beim Anlegen einer Ansteuerspannung U an den Klemmen +, –, betätigt der Aktor 2 den Stellkolben 3 und drückt über den hydraulischen Koppler 4 den Kolben 5 mit dem Verschließglied 12 in Richtung auf einen zweiten Sitz 7. Unterhalb des zweiten Sitzes ist in einem entsprechenden Kanal eine Düsennadel 11 angebracht, die den Auslauf im Hochdruckkanal (Common-Rail-Druck) 13 schließt oder öffnet, je nachdem, welche Ansteuerspannung U anliegt. Der Hochdruck wird durch das einzuspritzende Medium, beispielsweise Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor über einen Zulauf 9 zugeführt. Über eine Zulaufdrossel 8 und eine Ablaufdrossel 10 wird die Zuflussmenge des Mediums in Richtung auf die Düsennadel 11 und den hydraulischen Koppler 4 gesteuert. Der hydraulische Koppler 4 hat dabei die Aufgabe, einerseits den Hub des Kolbens 5 zu verstärken und andererseits das Steuerventil von der statischen Temperaturdehnung des Aktors 2 zu entkoppeln. Die Wiederbefüllung des Kopplers ist hier nicht dargestellt
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Im Folgenden wird die Funktionsweise dieses Kraftstoffinjektors näher erläutert. Bei jeder Ansteuerung des Aktors 2 wird der Stellkolben 3 in Richtung des hydraulischen Kopplers 4 bewegt. Dabei bewegt sich auch der Kolben 5 mit dem Verschließglied 12 in Richtung auf den zweiten Sitz 7 zu. Über Leckspalte wird dabei ein Teil des im hydraulischen Koppler 4 befindlichen Mediums, beispielsweise der Kraftstoff, herausgedrückt. Zwischen zwei Einspritzungen muss daher der hydraulische Koppler 4 wieder befüllt werden, um seine Funktionssicherheit zu erhalten.
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Über den Zulaufkanal 9 herrscht ein hoher Druck, der beim Common-Rail-System beispielsweise zwischen 200 und 1600 bar betragen kann. Dieser Druck wirkt gegen die Düsennadel 11 und hält sie geschlossen, so dass kein Kraftstoff austreten kann. Wird nun in Folge der Ansteuerspannung U der Aktor 2 betätigt und damit das Verschlussglied 12 in Richtung des zweiten Sitzes bewegt, dann baut sich der Druck im Hochdruckbereich ab und die Düsennadel 11 gibt den Einspritzkanal frei.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt wird eine Temperaturbestimmung 100 des Kraftstoffs im hydraulischen Koppler 4 ausgeführt, wobei drei Faktoren besonders berücksichtigt werden:
- – Eine Erwärmung TR durch einen nicht dargestellten Rücklauf, da erwärmter Kraftstoff aus Nebenaggregaten der Verbrennungsmaschine, beispielsweise einem Common-Rail, in den gemeinsamen Rücklauf eingegeben wird.
- – Eine Erwärmung TU durch die Ansteuerspannung U die am Aktor 2 dissipiert, und
- – Eine Erwärmung TK durch Kompression, da hier eine adiabatische Zustandsänderung erfolgt.
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Die Temperatur des Kraftstoffs wirkt sich auf dessen Viskosität und Kompressionsmodul aus und beeinflusst daher die Menge an Kraftstoff, die, über eine Ventilöffnungszeit tÖff, während der Leckage M–, durch die Spalte aus dem hydraulischen Koppler 4 austritt. In der Folge, wird in einem weiteren Schritt eine Ermittlung 101 der Leckage M– aufgrund der Temperaturbestimmung 100 und der Ventilöffnungszeit tÖff durchgeführt.
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Zusätzlich wird auf Grundlage einer vorangegangenen Einspritzung und dem zeitlichen Abstand tDiff zu dieser eine Befüllung M+ des hydraulischen Koppler 4 ermittelt 102. Hier wird die Menge an Kraftstoff, die während dem zeitlichen Abstand tDiff zwischen zwei Einspritzungen durch ebendiese Spalte in den hydraulischen Koppler 4 eintritt, festgestellt.
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In einem weiteren Schritt wird eine Bilanz aus Leckage M– und Befüllung M+ gezogen und ein aktueller Zustand X1 des hydraulischen Kopplers 4 geschlussfolgert 103. Dieser trifft Aussagen über den Druck und die Kraftstoffmenge im hydraulischen Koppler 4 und somit über einen voraussichtlichen Hub H der Düsennadel 11. Ein vorheriger Zustand X0 des hydraulischen Kopplers 4 bei einer vorhergehenden Einspritzung wirkt sich auf den aktuellen Zustand X1 des hydraulischen Kopplers 4 aus und wird im Verfahren miteinbezogen.
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Aus dem aktuellen Zustand X1 wird im Folgenden ein Korrekturwert fU für die Ansteuerspannung U gebildet 105, der zur eine Temperaturabhängigkeit des Kraftstoffs beinhaltet. In dieser Ausführungsform wird ein Kennfeld 104 herangezogen, um einen Zusammenhang zwischen aktuellen Zustand X1 und Korrekturwert fU aufzuzeigen. In anderen Ausführungsformen kann hierfür eine Tabelle oder eine Funktion zur Zuordnung verwendet werden.
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Schließlich wird eine Korrektur 106 der Ansteuerspannung U über den Korrekturwert fU vorgenommen. Da sich die Ansteuerspannung U ändert, verändert sich ebenso der Hub H der Düsennadel 11, sodass eine veränderte Temperatur des Kraftstoffs kompensiert wird.
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In 3a und 3b sind Diagramme dargestellt, die den zeitlichen Verlauf der Ansteuerspannung U bzw. des Hubs H und der Düsennadel 11 für mehrere aufeinander folgende Einspritzvorgänge aufzeigen. In den Diagrammen sind mehrere Konfigurationen gekennzeichnet, wobei gleiche Bezugszeichennummern auf dieselbe Konfiguration hinweisen und die Endung a den Verlauf der Ansteuerspannung U und die Endung b den Verlauf des Hubs H der Düsennadel repräsentieren. Die Konfigurationen ergeben sich wie folgt:
- – 201a und 201b korrespondieren mit einer Konfiguration, bei der die Temperatur des Kraftstoffs einem mittleren Bereich, beispielsweise der Raumtemperatur, entspricht und gemäß eines herkömmlichen Verfahrens keine Kompensation vorgenommen wurde;
- – 202a und 202b korrespondieren mit einer Konfiguration, bei der die Temperatur des Kraftstoffs einem hohen Bereich, also bei Fahrtbedingungen, entspricht und gemäß eines herkömmlichen Verfahrens keine Kompensation vorgenommen wurde;
- – 203a und 203b korrespondieren mit einer Konfiguration, bei der die Temperatur des Kraftstoffs einem hohen Bereich, also bei Fahrtbedingungen, entspricht und eine Kompensation gemäß eines herkömmlichen Verfahrens vorgenommen wurde;
- – 204a und 204b korrespondieren mit einer Konfiguration, bei der die Temperatur des Kraftstoffs einem hohen Bereich, also bei Fahrtbedingungen, entspricht und eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrens vorgenommen wurde.
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Gleichermaßen für alle Konfigurationen alternieren die dargestellten Zustände des Piezo-Kraftstoffinjektors zwischen einer Stellung in der dieser über die Öffnungszeit tÖff geöffnet ist und einer Stellung in der er über den zeitlichen Abstand tdiff geschlossen ist. Die Darstellung wurde für eine bessere Interpretation so gewählt, dass die Öffnungszeit tÖff und der zeitliche Abstand tdiff für alle Konfigurationen gleich ist und zur selben Zeit beginnen.
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Betrachtet man für die Konfiguration in einem mittleren Temperaturbereich den Verlauf der Spannung 201a und des Hubs 202b stellt man keine wahrnehmbare Veränderung zwischen hintereinander ablaufenden Einspritzungen fest. Steigt jedoch die Temperatur des Kraftstoffs im hydraulischen Koppler 4 an, so verändert sich die Leckage M– und die Befüllung M+ des hydraulischen Kopplers 4. Lässt man in dieser Konfiguration den Spannungsverlauf 202a konstant, sinkt der dazugehörige Verlauf 202b des Hubs H über mehrere Einspritzungen signifikant ab. Dadurch verändert sich analog die in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge. Um eine ausreichende Kraftstoffeinspritzung zu gewährleisten, wird gemäß eines Verfahrens des Stands der Technik, die Spannung U bei allen Einspritzungen erhöht, wie in 203a aufgezeigt. Allerdings zeigt der dazugehörige Hubverlauf 204b weiterhin ein Absinken des Hubs H über mehrere Einspritzungen hinweg. Beim ersten Einspritzen ist ein übermäßig hoher Hub H sichtbar. Die diesbezüglich in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge variiert entsprechend weiterhin, was dazu führt, dass zu viel Kraftstoff eingespritzt wird, wenn der Verlauf 203b des entsprechenden Hub H über dem Verlauf 201b der mittleren Konfiguration liegt. Der Spannungsverlauf 204a gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt einen wesentlichen Unterschied. Im Gegensatz zu den anderen Konfigurationen, steigt hier die Spannung U bei jedem Einspritzvorgang, entsprechend der veränderten Leckage M– und Befüllung M+ des hydraulischen Kopplers 4, um den Korrekturwert fU an. Als Resultat ähneln sich der Hubverlauf 204b gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Hubverlauf 201b bei mittlerer Temperatur. Dementsprechend bleibt die Einspritzmenge des Kraftstoffs konstant auf einem gewünschten Niveau und die Temperaturabhängigkeit des hydraulischen Kopplers ist kompensiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1185787 B1 [0002]
- DE 10032022 A1 [0004]
