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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Ankerhubes eines Kraftstoffinjektors mit einem piezoelektrischen Nadelschließsensor. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um einen Ankerhub eines Kraftstoffinjektors mit einem piezoelektrischen Nadelschließsensor mittels des Verfahrens zu ermitteln.
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Stand der Technik
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Der Ankerhub eines Kraftstoffinjektors für die Common-Rail-Einspritzung von Kraftstoff kann auf 1 µm genau eingestellt werden. Durch Verschleiß, durch Laufzeiteffekte und durch verschiedene Betriebsbedingungen, kann der tatsächlich vorliegende beziehungsweise erreichte Ankerhub aber wesentlich stärker streuen. Dabei sind insbesondere zu kleine Ankerhübe für die Injektorfunktion problematisch, weil sie zu Sitzdrosselung und damit deutlich reduzierter Einspritzmenge führen können. Ein zu hoher Ankerhub ist bezüglich Verschleißerscheinungen problematisch.
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Die Auswertung des Signals eines piezoelektrischen Nadelschließsensors (Needle Closing Sensor; NCS) erlaubt einen Rückschluss auf den Ankerhub. Die Verwendung eines solchen piezoelektrischen Nadelschließsensors wird in der
DE 10 2014 204 098 A1 beschrieben. Auf Grund der nicht genau bekannten piezo-elektrischen Eigenschaften des Nadelschließsensors ist diese Methode allerdings ungenau. So erfolgt im Betrieb und über Laufzeit des Nadelschließsensors eine Streuung seines piezoelektrischen Longitudinaleffekts (d33-Effekt) von bis zu 30%. Dieser beschreibt das Verhältnis der auf das Piezoelement des Nadelschließsensors wirkenden mechanischen Kraft und dem parallel zu ihr erzeugten elektrischen Feldes, welches das Sensorsignal generiert.
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Offenbarung der Erfindung
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In dem Verfahren zum Ermitteln eines Ankerhubes eines Kraftstoffinjektors mit einem piezoelektrischen Nadelschließsensor werden während eines Öffnens eines Schaltventils des Kraftstoffinjektors ein Gesamtsignalabfall des Nadelschließsensors und ein Signaleinbruch innerhalb des Gesamtsignalabfalls ermittelt. Aus einem Verhältnis zwischen dem Gesamtsignalabfall und dem Signaleinbruch wird der Ankerhub ermittelt. Bei dem Kraftstoffinjektor handelt es sich insbesondere um einen Common-Rail-Kraftstoffinjektor für die Kraftstoffdirekteinspritzung.
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Das Verfahren ermöglicht die Ermittlung des Ankerhubes auch dann, wenn der piezoelektrische Longitudinaleffekt des Nadelschließsensors nicht bekannt ist. Damit kann in einem Werk bei der Vermessung hydraulischer Prüfpunkte des Kraftstoffinjektors zum einen der Abstand zur Sitzdrosselgrenze bestimmt werden und zum andern können auch Kraftstoffinjektoren mit zu großem Ankerhub identifiziert werden. Darüber hinaus erlaubt das Verfahren das Ankerdriftverhalten im Betrieb zu überwachen um dann gegebenenfalls entsprechend gegenzusteuern.
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Auf Grund hydraulischer Effekte kommt es bei der Aufwärtsbewegung des Ankers während des Schaltventilöffnens kurz vor Erreichen des Hubanschlages zu einem Innehalten der Ankerbewegung. Im Signal des Nadelschließsensors macht sich dieses Innehalten der Ankerbewegung, insbesondere bei kleinen Ankerhüben, als Signaleinbruch bemerkbar. Die Ausprägung des Signaleinbruches hängt vom Ankerhub ab. Mit abnehmenden Ankerhub nimmt die Ausprägung zu, bei größeren Ankerhüben ist kein Signaleinbruch mehr erkennbar. Dabei kann der Ankerhub insbesondere im Bereich von 10 µm bis 30 µm liegen. Der quantitative Signaleinbruch hängt neben dem Ankerhub auch noch vom piezoelektrischen Longitudinaleffekt des Nadelschließsensors ab und kann deshalb nicht direkt zur Bestimmung des Ankerhubes herangezogen werden. Wenn man allerdings den Signaleinbruch mit dem Gesamtsignalabfall während des Öffnungsvorganges (dieser ist proportional zum Ankerhub) ins Verhältnis setzt, ist das resultierende Verhältnis allein vom Ankerhub abhängig und nicht mehr vom piezoelektrischen Longitudinaleffekt des Nadelschließsensors.
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Der Gesamtsignalabfall kann insbesondere als Differenz zwischen einem elektrischen Signal des Nadelschließsensors bei geschlossenem Schaltventil und einem lokalen Minimum des elektrischen Signals des Nadelschließsensors bei geöffnetem Schaltventil ermittelt werden. Das elektrische Signal des Nadelschließsensors bei geschlossenem Schaltventil beträgt idealerweise null. Durch Entspannung des Piezoelektrischen Elements des Nadelschließsensors beim Öffnen des Schaltventils wird ein negatives elektrisches Signal erzeugt.
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Der Signaleinbruch wird insbesondere als Differenz zwischen dem lokalen Minimum des elektrischen Signals des Nadelschließsensors bei geöffnetem Schaltventil und einem lokalen Maximum des elektrischen Signals des Nadelschließsensors bei geöffnetem Schaltventil ermittelt.
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Bei dem elektrischen Signal kann es sich um eine an dem Piezoelement anliegende Spannung handeln. Wenn das Piezoelement über einen niederohmigen Widerstand angeschlossen ist, so kann anstelle der Spannung der vom Piezoelement abgegebene Strom als elektrisches Signal verwendet werden.
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Das Ermitteln des Ankerhubs erfolgt vorzugsweise mittels einer Kennlinie, welche die Abhängigkeit des Verhältnisses vom Ankerhub beschreibt. Eine solche Kennlinie kann in einfacher Weise aus theoretischen Betrachtungen oder aus empirischen Messungen erstellt werden.
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Nachdem der Ankerhub ermittelt wurde ist es bevorzugt, aus dem Ankerhub den piezoelektrischen Longitudinaleffekt des Nadelschließsensors zu ermitteln.
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Dieser Wert kann dann verwendet werden, um die Genauigkeit zu erhöhen, mit der ein Betriebsereignis des Kraftstoffinjektors aus einem Signal des Nadelschließsensors erkannt werden kann. Derartige Betriebsereignisse sind beispielsweise ein Beginn eines Öffnens des Schaltventils, eine Kraftüberhöhung beim Beginn des Öffnens des Schaltventils, ein Ende des Öffnens des Schaltventils, ein Druckverlust in einem Ventilraum des Kraftstoffinjektors bei geöffnetem Schaltventil, ein Kavitationsrauschen bei geöffnetem Schaltventil, ein Beginn eines Schließens des Schaltventils, ein Ende des Schließens des Schaltventils, eine Nadelumkehr eines Nadelventils des Kraftstoffinjektors, ein Drucküberschwinger im Ventilraum bei der Nadelumkehr, ein Ventilprellen des Nadelventils, eine Änderung des Drucks im Ventilraum während des Schließens der Ventilnadel des Nadelventils, eine Änderung des Drucks im Ventilraum zwischen den Zuständen geöffnetes und geschlossenes Schaltventil bei geöffneter Ventilnadel des Nadelventils und ein Nadelschließen des Nadelventils.
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Das Ermitteln des piezoelektrischen Longitudinaleffekts erfolgt in einer Ausführungsform des Verfahrens, indem eine Abhängigkeit des Gesamtsignalabfalls von dem Ankerhub und von dem piezoelektrischen Longitudinaleffekt ausgewertet wird. Ein Betrag des Quotienten aus dem Gesamtsignalabfall und dem piezoelektrischen Longitudinaleffekt steigt mit steigendem Ankerhub an. Wenn der Ankerhub bekannt ist, kann also der piezoelektrische Longitudinaleffekt ermittelt werden. Hierzu kann die Abhängigkeit insbesondere als aus theoretischen Betrachtungen oder aus empirischen Messungen erstellte Kennlinie hinterlegt sein.
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In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Ermitteln des piezoelektrischen Longitudinaleffekts, indem eine Abhängigkeit des Signaleinbruchs von dem Ankerhub und von dem piezoelektrischen Longitudinaleffekt ausgewertet wird. Ein Betrag des Quotienten aus dem Signaleinbruch und dem piezoelektrischen Longitudinaleffekt sinkt mit steigendem Ankerhub. Wenn der Ankerhub bekannt ist, kann also der piezoelektrische Longitudinaleffekt ermittelt werden. Hierzu kann die Abhängigkeit insbesondere als aus theoretischen Betrachtungen oder aus empirischen Messungen erstellte Kennlinie hinterlegt sein.
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Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere dann, wenn es auf einem elektronischen Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Das Computerprogramm ermöglicht die einfache Implementierung des Verfahrens in einem vorhandenen Steuergerät, ohne daran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um einen Ankerhub eines Kraftstoffinjektors mit einem piezoelektrischen Nadelschließsensor zu ermitteln.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 ist eine Querschnittsdarstellung eines Kraftstoffinjektors, dessen Ankerhub mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ermittelt werden kann.
- 2 zeigt einen Detailausschnitt aus dem Kraftstoffinjektors gemäß 1.
- 3 zeigt in einem Diagramm die zeitlichen Verläufe von Spannungssignalen eines Nadelschließsensors des Kraftstoffinjektors gemäß Fig. 1 für unterschiedliche Ankerhübe.
- 4 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit eines Gesamtsignalabfalls und eines Signaleinbruch vom Ankerhub in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 5 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit eines Verhältnisses des Gesamtsignalabfalls und des Signaleinbruch vom Ankerhub in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Ein Ausführungsbeispiele der Erfindung wird anhand eines Kraftstoffinjektors
10 beschrieben, der aus der
DE 10 2009 029 549 A1 bekannt ist und in
1 dargestellt ist. Dieser Kraftstoffinjektor
10 umfasst einen Injektorkörper
11, in dem ein Ventilkolben
12 angeordnet ist. Dieser ist an einem oberen Ende in einem Ventilstück
13 geführt. Sein unteres Ende erstreckt sich in Richtung einer Düse 14. Der Ventilkolben
12 ist mit der Ventilnadel
15 eines Nadelventils
16 verbunden, die innerhalb der Düse
14 angeordnet ist. Außerdem ist der Ventilkolben 12 mit einer Hochdruckbohrung
17 und mit einer Rücklaufbohrung
18 verbunden. An einem oberen Ende des Kraftstoffinjektors
10 sind ein Magnetkopf 19, eine Ankergruppe
20 und ein Rücklauf
21 angeordnet. Der Kraftstoffinjektor 10 ist weiterhin über einen elektrischen Anschluss
22 mit einer elektrischen Energiequelle (nicht gezeigt) und über einen Hochdruckanschluss
23, der einen Stabfilter umfasst, mit einer Kraftstoffzuleitung (nicht gezeigt) verbunden.
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Beim Betrieb des Kraftstoffinjektors 10 ist vorgesehen, dass der Magnetkopf 19 bestromt wird, wodurch die Ankergruppe 20 zum Magnetkopf hin bewegt wird. Dadurch öffnet sich die Verbindung zwischen einem Steuerraum 24 oberhalb des Ventilkolbens 12 und dem Rücklauf 21. Dies löst ein Absinken des Drucks im Steuerraum 24 und damit eine Öffnungsbewegung des Verbunds aus Ventilkolben 12 und Ventilnadel 15 aus. Durch das Öffnen des Nadelventils 16 wird die Verbindung zwischen der Hochdruckbohrung 17 und den Spritzlöchern der Düse 14 hergestellt, wodurch Kraftstoff zur Düse 14 gefördert und in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors eingespritzt wird.
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Gemäß 2 ist innerhalb des Injektorkörpers 11 ein Hochdruckraum 25 sowie ein Niederdruckraum 26 angeordnet. Diese beiden Räume sind voneinander durch das Ventilstück 13 getrennt. Der Hochdruckraum 25 kommuniziert mit dem Hochdruckanschluss 23. Der Niederdruckraum 26 ist über den Rücklauf 21 mit einem Kraftstofftank verbunden. Der Hochdruckraum 25 ist mit der Düse 14 verbunden. Das düsenferne Ende des Ventilkolbens 12 ist verdrängerwirksam in dem im Ventilstück 13 angeordneten Steuerraum 24 angeordnet. Der Steuerraum 24 kommuniziert über eine Zulaufdrossel 27 mit dem Hochdruckraum 25 und über einen gedrosselten Ablaufkanal 28 mit dem Niederdruckraum 26, wobei der Ablaufkanal 28 mittels eines Schaltventils 29 gesteuert wird. Wenn der Ablaufkanal 28 mittels des Schaltventils 29 abgesperrt wird und die Ventilnadel 15 sich in ihrer Schließlage befindet, stellt sich im Steuerraum 24 der gleiche Hochdruck wie im Hochdruckraum 25 ein, mit der Folge, dass der Ventilkolben 12 nach abwärts gepresst und die damit verbundene Ventilnadel 15 in der das Nadelventil 16 absperrenden Schließlage gehalten wird. Wird der Ablaufkanal 28 mittels des Schaltventils 29 geöffnet, stellt sich im Steuerraum 24 ein gegenüber dem Hochdruck im Hochdruckraum 25 verminderter Druck ein, und der Ventilkolben 12 verschiebt sich zusammen mit der Ventilnadel 15 in Aufwärtsrichtung, das heißt die Ventilnadel 15 wird in deren Offenlage gestellt, so dass Kraftstoff durch die Düse 14 in den Brennraum eingespritzt wird.
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Das Schaltventil 29 besitzt einen hülsenförmigen Schließkörper 30, der von einer Schließfeder 34, die als Schraubendruckfeder ausgebildet ist, gegen einen zur Auslassmündung des Ablaufkanals 28 konzentrischen Sitz gespannt wird. Im Beispiel der 2 ist der Sitz als Planfläche ausgebildet, auf der der hülsenförmige Schließkörper 30 mit einer linienförmigen Ringkante aufsitzt. Der hülsenförmige Schließkörper 30 ist auf einer zur Längsachse L des Injektorkörpers 11 gleichachsigen Führungsstange 31 axial verschiebbar geführt, wobei der Ringspalt zwischen dem Innenumfang des Schließkörpers 30 und dem Außenumfang der Führungsstange 31 als praktisch leckagefreier Drossel- bzw. Dichtspalt ausgebildet ist. Wenn der Schließkörper 30 die in 2 dargestellte Schließlage einnimmt, wird der innerhalb des Schließkörpers 30 gebildete Ventilraum 32 , welcher über den Ablaufkanal 28 mit dem Steuerraum 24 kommuniziert und dann dementsprechend gleichen Fluiddruck wie der Steuerraum 24 aufweist, gegenüber dem Niederdruckraum 26 abgesperrt.
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Während der geschlossenen Phase der mit dem Ventilkolben 12 verbundenen Ventilnadel 15, das heißt bei geschlossenem Nadelventil 16, ist das Schaltventil 29 geschlossen, und im Ventilraum 32 sowie im Steuerraum 24 liegen gleiche Fluiddrucke vor. Unmittelbar vor dem Schließzeitpunkt der Ventilnadel 15 sinkt der Druck im Steuerraum 24 wegen des zu diesem Zeitpunkt geringen Drucks unter dem Düsensitz der Ventilnadel 15 und der damit einhergehenden Schließbewegung des Ventilkolbens 12 unter den Hochdruck im Hochdruckanschluss 23 ab. Unmittelbar nach dem Schließen der Ventilnadel 15 kommt es wegen des nun stillstehenden Ventilkolbens 12 zu einem steilen Anstieg des Drucks im Steuerraum 24, wobei der Steuerraumdruck auf den Druck im Hochdruckanschluss 23 ansteigt. Der Druck im Steuerraum 24 und der damit praktisch identische Druck im Ventilraum 32 weisen folglich zum Schließzeitpunkt der Ventilnadel 15 ein ausgeprägtes Minimum auf.
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Da der Druck des Steuerraums 24 bei geschlossenem Schließkörper 30 auch im Ventilraum 32 vorliegt, wird die Führungsstange 31 innerhalb des Schließkörpers 30 in dieser Ventilstellung stirnseitig immer vom Steuerraumdruck belastet. Der Ventilraumdruck wird mittels der Führungsstange 31 auf ein kleines Piezoelement als Nadelschließsensor 33 abgeleitet. Elektrische Anschlüsse des Nadelschließsensors 33 sind mit von außen zugänglichen Steckkontakten verbunden, so dass eine von dem Nadelschließsensor 33 bereitgestellte Spannung als elektrisches Signal U ausgelesen werden kann. Dieses ist abzüglich einer Offset-Spannung proportional zum Druck im Ventilraum 32. Das ausgelesene elektrische Signal U wird an ein Steuergerät (nicht gezeigt) weitergegeben, welches den Kraftstoffinjektor 10 steuert.
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In 3 ist der zeitliche Verlauf des elektrischen Signals U beim Öffnen und erneuten Schließen des Schaltventils 29 für unterschiedliche Ankerhübe A1 bis A5 der Ankergruppe 20 dargestellt, wobei A1 dem geringsten Ankerhub und A5 dem höchsten Ankerhub entspricht. Ausgehend von einem Signal von 0 V bei geschlossenem Schaltventil 29 fällt das elektrische Signal U jeweils auf ein lokales Minimum ab. Dieser Abfall wird als Gesamtsignalabfall G bezeichnet. Wenn das Schaltventil 29 geschlossen wird, steigt das elektrische Signal U wieder auf seinen Ausgangswert an. Im elektrischen Signal U ist ein Innehalten der Ankerbewegung als Signaleinbruch S erkennbar. Mit abnehmendem Ankerhub nimmt die Ausprägung des Signaleinbruchs S zu.
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4 zeigt, wie der Gesamtsignalabfall G, der dem Quotienten des theoretischen Gesamtsignalabfalls Gt durch den piezoelektrischen Longitudinaleffekt d
33 entspricht, und der Signaleinbruch S, der dem Quotienten des theoretischen Signaleinbruchs St durch den piezoelektrischen Longitudinaleffekt d
33 entspricht, jeweils vom Ankerhub A abhängt. Als theoretischer Gesamtsignalabfall Gt und theoretischer Signaleinbruchs St werden hierbei die vom piezoelektrischen Longitudinaleffekt d
33 unabhängigen Werte des Gesamtsignalabfall G und des Signaleinbruchs S bezeichnet. Das Verhältnis V des theoretischen Gesamtsignalabfalls S
g und des theoretischen Signaleinbruchs S
s ergibt sich aus Formel 1:
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Das Verhältnis V ist also nicht vom piezoelektrischen Longitudinaleffekt d33 abhängig. Es ist in 5 in Abhängigkeit vom Ankerhub A dargestellt. Diese Abhängigkeit zwischen dem Ankerhub A und dem Verhältnis V ist als Kennlinie im Steuergerät hinterlegt. Nach Berechnung des Verhältnisses V kann daher der Ankerhub A ermittelt werden.
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Weiterhin sind auch die Abhängigkeit des Gesamtsignalabfalls G und des Signaleinbruchs S vom Ankerhub A gemäß 4 im Steuergerät als Kennlinien hinterlegt. Sobald der Ankerhub A ermittelt wurde, kann aus diesem und aus dem gemessenen Gesamtsignalabfall G oder dem gemessenen Signaleinbruch S der piezoelektrische Longitudinaleffekt d33 ermittelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014204098 A1 [0003]
- DE 102009029549 A1 [0017]
