-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Kraftstoffinjektors eines Common-Rail-Systems. 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 Kraftstoffinjektors mittels des Verfahrens zu steuern.
-
Stand der Technik
-
Common-Rail-Systeme weisen Kraftstoffinjektoren zur Kraftstoffdirekteinspritzung in ein Verbrennungsmotor auf. Diese Kraftstoffinjektoren sind als Magnetventilinjektoren ausgeführt. Zur Einstellung ihres Magnetankerhubes weisen sie viele Bauteile auf. Dadurch ergibt sich ein großer Einfluss des Raildrucks im Common-Rail und der Temperatur des Kraftstoffinjektors auf den tatsächlichen Ankerhub. Dieser Einfluss muss bei der Einstellung des Nennankerhubes als Sicherheitsabstand von der Sitzdrosselgrenze vorgehalten werden. Dies wirkt sich nachteilig auf die Injektorfunktion aus, indem es bei mittleren und höheren Raildrücken zu einer erhöhten Schließdauerwelle kommt. Auch die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors wird hierdurch verkürzt.
-
Um die Amplitude der Schließdauerwelle zu reduzieren, kann eine hohe Strömungsgeschwindigkeit am Ventilsitz während der Öffnungsphasen des Schaltventils vorgesehen sein. Die Strömungsgeschwindigkeit am Ventilsitz kann erhöht werden, indem der Sitzdurchmesser verringert wird, indem der Ankerhub verringert wird, indem der A-Drosseldurchfluss vergrößert wird oder indem die Öffnungsgeschwindigkeit des Schaltventils verringert wird. Die Öffnungsgeschwindigkeit wird unter anderem durch die Magnetkraft und durch die Ventilfederkraft des Kraftstoffinjektors beeinflusst.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das Verfahren zum Steuern eines Kraftstoffinjektors eines Common-Rail-Systems sieht vor, dass dieses in einem ersten Betriebsmodus ohne Blankshots betrieben wird. In einem zweiten Betriebsmodus erfolgt vor jeder Kraftstoffeinspritzung des Kraftstoffinjektors mindestens ein Blankshot. Unter einem Blankshot wird dabei eine Ansteuerung des Kraftstoffinjektors mit einer so kurzen Ansteuerdauer verstanden, dass zwar sein Schaltventil öffnet und Kraftstoff in einen Rücklauf einer Hochdruckspeichereinspritzanlage des Common-Rail-Systems strömt, eine Düsennadel des Kraftstoffinjektors jedoch geschlossen bleibt und somit keine Einspritzung von Kraftstoff in einen Zylinder des Verbrennungsmotors erfolgt. Der Betrieb von Kraftstoffinjektoren unter Durchführung von Blankshots ist im Stand der Technik bei Einstellersystemen bekannt, um den Druck im Hochdruckspeicher des Common-Rail-Systems, d.h. den Raildruck aktiv abzubauen. Ein solches Verfahren zum Betrieb eines Common-Rail-Systems im Blankshot-Modus ist beispielsweise aus der
DE 199 17 711 C2 bekannt. Hierbei wird im Schubbetrieb des Verbrennungsmotors der Raildruck abgesenkt, um so einer Zumesseinheit des Common-Rail-Systems einen Spielraum für die Raildruckregelung zu geben. Dabei wird die Ansteuerdauer der Blankshots so gewählt, dass einerseits eine möglichst große Kraftstoffmenge pro Blankshot durch das Schaltventil in den Rücklauf abgesteuert wird und andererseits der Druck im Steuerraum des Kraftstoffinjektors bei der gewählten Ansteuerdauer ausreichend hoch liegt, damit keine Bewegung der Düsennadel erfolgt.
-
Im vorliegenden Verfahren wird die Blankshot-Ansteuerung des Kraftstoffinjektors genutzt, um das Schaltventil und den Rücklauf eines Kraftstoffinjektors unmittelbar vor einer mengenrelevanten Schaltventilansteuerung vorzukonditionieren. Dies erfolgt in einem zweiten Betriebsmodus, in den der Kraftstoffinjektor dann wechselt, wenn eine angeforderte Ansteuerdauer des Kraftstoffinjektors in einem vorgegebenen Ansteuerdauerbereich liegt und wenn zusätzlich ein Raildruck des Common-Rail-Systems einen ersten Druckschwellenwert überschreitet. Hierdurch werden die Blankshot-Ansteuerungen in einem für das Entstehen einer Schließdauerwelle relevanten Betriebsbereich des Kraftstoffinjektors vorgenommen. Unmittelbar vor einer mengenrelevanten Ansteuerung kann so ein höherer Dampfanteil im Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors erreicht werden. Dies beeinflusst die Schallgeschwindigkeit der Schließdauerwelle im Niederdruckbereich und führt zu einer Phasenverschiebung der reflektierenden Druckwelle. Hiermit geht eine Verringerung der Druckamplitude einher.
-
Die Schließdauerwelle ist besonders im mittleren und oberen Raildruckbereich kritisch, sodass hier ein Wechsel in den zweiten Betriebsmodus erfolgen soll. Während die Untergrenze dieses Raildruckbereichs durch den ersten Druckschwellenwert gegeben ist, kann es vorzugsweise weiterhin vorgesehen sein, dass eine Obergrenze durch einen zweiten Druckschwellenwert definiert wird. Der Kraftstoffinjektor wechselt dann nur in den zweiten Betriebsmodus, wenn der Raildruck unter dem zweiten Druckschwellenwert liegt. Der erste Druckschwellenwert beträgt bevorzugt mindestens 70 MPa und besonders bevorzugt mindestens 80 MPa. Der zweite Druckschwellenwert beträgt bevorzugt maximal 230 MPa, besonders bevorzugt maximal 220 MPa und ganz besonders bevorzugt maximal 200 MPa.
-
Weiterhin wird die Ausprägung einer Schließdauerwelle durch die Ansteuerdauer des Kraftstoffinjektors bei der Kraftstoffeinspritzung bestimmt. Deshalb besteht eine Bedingung für den Wechsel in den zweiten Betriebsmodus darin, dass die angeforderte Ansteuerdauer des Kraftstoffinjektors in dem vorgegebenen Ansteuerdauerbereich liegt. Dieser kann durch einen unteren Ansteuerdauerschwellenwert und einen oberen Ansteuerdauerschwellenwert definiert werden. Dabei beträgt der untere Ansteuerdauerschwellenwert vorzugsweise mindestens 120 µs und der obere Ansteuerdauerschwellenwert beträgt bevorzugt maximal 350 µs, um die Blankshot-Ansteuerungen in dem für die Schließdauerwelle besonders relevanten Betriebsbereich des Kraftstoffinjektors zu nutzen.
-
Um ein optimales Vorkonditionieren des Schaltventils und des Rücklaufs zu erreichen ist es bevorzugt, dass ein zeitlicher Abstand zwischen dem Blankshot und der darauffolgenden Kraftstoffeinspritzung im zweiten Betriebsmodus mindestens 180 µs, besonders bevorzugt mindestens 220 µs beträgt. Weiterhin ist es bevorzugt, dass der zeitliche Abstand maximal 350 µs beträgt.
-
Um einerseits eine gute Vorkonditionierung zu erreichen und andererseits sicherzustellen, dass während des Blankshots kein Öffnen der Düsennadel erfolgt, liegt die Ansteuerdauer des Blankshots vorzugsweise im Bereich von 110 bis 115 µs.
-
Das Computerprogramm ist eingerichtet jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem elektronischen Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird ein elektronisches Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um einen Kraftstoffinjektor eines Common-Rail-Systems mittels des Verfahrens zu steuern.
-
Figurenliste
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt in einer Querschnittsdarstellung einen Ausschnitt eines Kraftstoffinjektors mit einem Schaltventil, der mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gesteuert werden kann.
- 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Stroms, eines Ankerhubs, eines Ventilnapfdrucks und eines Ankerraumdrucks eines Kraftstoffinjektors in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 4 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf eines Stroms, einer Einspritzung und eines Ankerhubs eines Kraftstoffinjektors in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung
-
Das in der 1 dargestellte elektromagnetisch betätigbare Steuerventil dient der Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel 1 eines Kraftstoffinjektors in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem. Das Steuerventil umfasst hierzu ein Ventilschließelement 2, das über einen hohlzylinderförmigen Ansatz 3 eines Ventilstücks 4 axial beweglich geführt ist. Das Ventilstück 4 bildet innerhalb des hohlzylinderförmigen Ansatzes 3 einen Ventilsitz 5 aus, gegen den das Ventilschließelement 2 mittels einer Feder 6 axial vorgespannt ist.
-
Zum Öffnen des Steuerventils wird eine Magnetspule 7 bestromt, sodass ein Magnetfeld aufgebaut wird dessen Magnetkraft auf einen Anker einwirkt, der vorliegend durch einen plattenförmigen Abschnitt 8 des Ventilschließelements 2 gebildet wird. Die Magnetkraft bewegt das Ventilschließelement 2 entgegen der Federkraft der Feder 6 in Richtung eines Magnetkerns 9 der die Magnetspule 7 umgibt und ein Hubanschlag für das Ventilschließelement 2 ausbildet. Öffnet das Steuerventil, so wird eine Verbindung eines Steuerraums 10 mit einem ringförmigen Ventilraum 11 hergestellt, der innerhalb des hohlzylinderförmigen Ansatzes 3 des Ventilstücks 4 angeordnet ist. Die Verbindung führt über eine Ablaufdrossel 12, die wie auch der Steuerraum 10 im Ventilstück 4 ausgebildet ist. Der im Steuerraum 10 herrschende Steuerdruck, der die Düsennadel 1 in Schließrichtung belastet, sinkt ab und die Düsennadel 1 vermag zu öffnen. Ein Ventilnapf 13 wird durch die Unterseite des Ventilraums 11 gebildet.
-
Der aus dem Steuerraum 10 in den Ventilraum 11 ablaufende Kraftstoff muss weiter abgeführt werden. Das Ventilstück 4 weist im hohlzylinderförmigen Ansatz 3 Radialbohrungen 14 auf, die eine dauerhafte Verbindung des Ventilraums 11 mit einem Niederdruckraum 15 herstellen.
-
Um die Düsennadel 1 in ihren Sitz zurück zu stellen, muss der Steuerdruck im Steuerraum 10 wieder angehoben werden. Hierzu wird die Bestromung der Magnetspule 7 beendet, sodass die Feder 6 das Ventilschließelement 2 in seine Ausgangslage zurückstellt und das Steuerventil schließt.
-
Ein Rücklaufstecker 16 mit einem umlaufenden Ohrring 17 ist oberhalb der Feder 6 in einem Ablaufkanal 18 angeordnet.
-
Beim Öffnungsvorgang des Schaltventils entsteht eine Druckwelle, die am Rücklaufstecker 16 teilweise an einer Reflexionsstelle 19 reflektiert wird. Während des Öffnungsvorgangs des Schaltventils entsteht gleichzeitig ein Dampfgebiet im Ventilnapf. Wenn die reflektierte Druckwelle nun den Ventilnapf erreicht, kollabieren die Dampfblasen. Dabei entsteht ein Druckpeak, der das Ventilschließen deutlich verlangsamt. In einem Raildruckbereich von 80 MPa bis 200 MPa ist der Sicherheitsabstand zur Sitzdrosselgrenze im Warmbetrieb so hoch, dass kein stabiles Dampfgebiet bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten am Ventilsitz mehr entstehen kann.
-
Wenn in einem ersten Verfahrensschritt S01 ein Ventilöffnen des Kraftstoffinjektors in einem elektronischen Steuergerät (nicht dargestellt) angefordert wird, wird in einem Schritt S02 überprüft, ob die Ansteuerdauer Δta in einem Ansteuerdauerbereich zwischen einem unteren Ansteuerdauerschwellenwert Δta1 von vorliegend beispielsweise 150 µs und einem oberen Ansteuerdauerschwellenwert Δta2 von vorliegend beispielsweise 300 µs liegt. Dies ist in 2 dargestellt. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird in einem weiteren Schritt S03 überprüft, ob der mittels eines nicht dargestellten Raildrucksensors gemessene Raildruck pR über einem ersten Druckschwellenwert pR1 von vorliegend beispielsweise 80 MPa liegt und unter einem zweiten Druckschwellenwert pR2 von vorliegend beispielsweise 200 MPa liegt. Die Druckschwellenwerte pR1 , pR2 spannen einen mittleren und oberen Raildruckbereich des Kraftstoffinjektors auf, der allerdings unter einem typischen Systemdruck des Common-Rail-Systems vom 250 MPa liegt.
-
Solange nur eine der Bedingungen, die in den Schritten S02 und S03 abgefragt werden, nicht erfüllt ist, wird der Kraftstoffinjektor in einem ersten Betriebsmodus B1 betrieben. Im ersten Betriebsmodus B1 erfolgen lediglich die angeforderten Ansteuerungen des Kraftstoffinjektors zur Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsmotor. Wenn hingegen alle Bedingungen erfüllt sind, wechselt der Kraftstoffinjektor in einen zweiten Betriebsmodus B2. In diesem erfolgt vor jeder Kraftstoffeinspritzung ein Blankshot. Die Blankshots erfolgen vorliegend beispielsweise jeweils 260 µs vor den angeforderten Kraftstoffeinspritzungen mit einer Blankshot-Ansteuerdauer von 112 µs.
-
In 3 sind der Verlauf des Stroms I an der Magnetspule 18 des Hubs H des Ankers des Drucks pv am Ventilnapf und des Drucks pA im Ankerraum mit der Zeit t jeweils im ersten Betriebsmodus B1 mit einer durchgezogenen Linie und im zweiten Betriebsmodus B2 mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Hierbei sind die Bedingungen der Verfahrensschritte S02 und S03 erfüllt. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird der Kraftstoffinjektor also im zweiten Betriebsmodus betrieben, während er in einem herkömmlichen Verfahren im ersten und einzigen Betriebsmodus verbleiben würde. In diesem ersten Betriebsmodus ist lediglich ein einziger Anstieg des Stroms I zu beobachten. Dieser steigt zunächst auf einen Maximalwert an, der als Booststrom bezeichnet wird. Danach wird er zunächst auf einen Anzugsstrom und anschließend auf einen Haltestrom abgesenkt. Hieraus ergibt sich ein vorübergehend konstanter Ankerhub H, wodurch die Düsennadel 19 geöffnet ist und eine Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsmotor erfolgt. Hierbei entsteht eine ausgeprägte Schließdauerwelle, welche an den maximal erreichten Werten des Ventilnapfdrucks pv und des Ankerraumdrucks pA erkennbar ist. Im zweiten Betriebsmodus erfolgt hingegen vor der Hauptansteuerung des Kraftstoffinjektors eine weitere kurze Bestromung mit demselben Booststrom, der für die Hauptansteuerung verwendet wird. Es folgt eine gegenüber der Hauptansteuerung deutlich verkürzte Anzugsphase und eine ebenfalls deutlich verkürzte Haltephase, sodass nur ein geringfügiges Anheben und anschließendes sofortiges Wiederabsetzen des Ankers erfolgt. Dieser erste Ankerhub bewirkt bereits einen Druckanstieg im Ventilnapf und im Ankerraum. Es ist erkennbar, dass durch diese Vorkonditionierung der maximal erreichte Druck im Ventilnapf und im Ankerraum sinkt und somit die Schließdauerwelle verringert wird.
-
In 4 sind die Ergebnisse eine Transientenmessung einer Ansteuerung des Kraftstoffinjektors jeweils im ersten Betriebsmodus B1 (durchgezogene Linie) und im zweiten Betriebsmodus B2 (gestrichelte Linie) dargestellt. Ebenso wie in 3 ist auch in 4 erkennbar, dass der Ankerhub H im zweiten Betriebsmodus B2 gegenüber dem ersten Betriebsmodus B1 früher abfällt und somit ein schnelleres Schließen der Düsennadel 19 erfolgt. Dies ist durch die weniger ausgeprägte Schließdauerwelle bedingt. Durch das frühere Schließen der Düsennadel 19 sinkt die Einspritzrate E des Kraftstoffinjektors und nähert sich stärker dem gewünschten Wert an als dies unter dem Einfluss einer starken Schließdauerwelle möglich wäre. Der Blankshot hat dabei auch keinen negativen Einfluss auf die Mengenbilanz, da die Blankshot-Ansteuerung nur unmittelbar vor einer gewünschten Haupteinspritzung unter den Voraussetzungen der oben genannten Randbedingungen erfolgt.
-
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
-
