DE102017219968A1

DE102017219968A1 - Verfahren zum Bestimmen des Raildrucks eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017219968A1
Application number: DE102017219968.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Bauer
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2019-05-09

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Bestimmen des Raildrucks eines mit einem Rail und einem Piezoservoinjektor versehenen Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine sowie ein zugehöriges Kraftstoffeinspritzsystem beschrieben. Es werden ein erstes Feedbacksignal entsprechend dem Kraftmaximum am Piezoaktor und ein zweites Feedbacksignal entsprechend einem Spannungsabfall am Piezoaktor erzeugt, und die beiden Feedbacksignale werden in Drucksignale umgewandelt. Aus den gewonnenen Drucksignalen wird der Raildruck ermittelt. Der ermittelte Raildruck kann als Raildrucksensorersatzwert Verwendung finden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Raildrucks eines mit einem Rail und einem Piezoservoinjektor versehenen Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine.
Derartige Kraftstoffeinspritzsysteme sind bekannt. Eine genaue Erfassung des Raildrucks bei derartigen Systemen hat eine immer größer werdende Bedeutung. Um den Raildruck zu erfassen, hat man bisher entsprechende Drucksensoren verwendet.
Es ist aber auch bereits bekannt, zur Erfassung des im Druckspeicher herrschenden Drucks (Raildrucks) Feedbacksignale vom Piezoservoninjektor zu verwenden. So ist beispielsweise aus der WO 2013/139671 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems bekannt, bei dem zur Erfassung des im Druckspeicher herrschenden Drucks ein Piezoaktor Verwendung findet, der zusätzlich zum aktiven, für die Betätigung des Verschlusselementes verwendeten Piezobereich einen passiven Piezobereich als Drucksensor aufweist. Mithilfe dieses Drucksensors wird die auf den passiven Piezobereich einwirkende Kraft des Verschlusselementes und damit der im Druckspeicher herrschende Druck ermittelt.
Aus der DE 10 2012 204 253 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit Einspritzventil mit Piezoservobetrieb bekannt, bei dem der Piezoaktor zusätzlich zum aktiven Piezobereich einen passiven Piezobereich als Kraftsensor aufweist. Mithilfe des Kraftsensors wird die auf den passiven Piezobereich einwirkende Kraft beim Öffnen des Servoventils ermittelt, und aus dem Maximum des Kraftsignals wird der korrespondierende Druck des Druckspeichers berechnet.
Die DE 100 14 737 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des Raildrucks eines Einspritzventils mit einem piezoelektrischen Aktor, bei dem mittels eines hydraulischen Kopplers eine Düsennadel betätigt wird. Durch den Druck im Hochdruckkanal wird über den hydraulischen Koppler ein Kopplerdruck aufgebaut, der im Aktor eine Piezospannung induziert. Da dieser Spannungswert redundant ist zum Druckwert im Hochdruckkanal, der von einem Drucksensor gemessen wird, kann er zur Überwachung der Funktion des Drucksensors verwendet werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, mit dem der Raildruck mit einem besonders geringen Aufwand besonders genau ermittelbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der angegebenen Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:

Erzeugen eines ersten Feedbacksignals entsprechend einem Kraftmaximum (F_max) am Piezoaktor;
Erzeugen eines zweiten Feedbacksignals entsprechend einem Spannungsabfall (ΔU) am Piezoaktor;
Umwandeln der beiden Feedbacksignale in Drucksignale (p_Fmax,p_ΔU) ; und
Ermitteln des Raildrucks aus den erhaltenen Drucksignalen.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird somit der Raildruck aus dem Kraftmaximum am Piezoaktor F_max (Feedbacksignal 1) sowie dem Spannungsabfall ΔU (Feedbacksignal 2) bestimmt. Diese beiden Feedbacksignale werden in Drucksignale (p_Fmax, p_ΔU) konvertiert, und hieraus wird ein Raildruckwert (für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine) errechnet. Im Gegensatz zum vorstehend genannten Stand der Technik finden daher beim erfindungsgemäßen Verfahren zwei Feedbacksignale des Piezoaktors Verwendung, der Teil eines Piezoservoinjektors ist.
Im Einzelnen wird dabei in der folgenden Weise vorgegangen:
Um eine Einspritzung auszuführen, wird bei dem unter Hochdruck stehenden Injektor der Piezoaktor so lange mit elektrischer Ladung beaufschlagt, bis die Piezokraft größer ist als die resultierende Kraft aus dem Hochdruck, der auf den Querschnitt des vorhandenen Servoventils wirkt. Das Servoventil öffnet sich dadurch, und durch das Abströmen von Kraftstoff aus dem zugehörigen Steuerraum wird der Druck oberhalb des Verschlussorgans (der Nadel) abgesenkt. Das resultierende Kraftverhältnis am Verschlussorgan sorgt nun dafür, dass sich das Verschlussorgan aus dem Sitz hebt und über die Düse Kraftstoff in den zugehörigen Zylinder der Brennkraftmaschine gespritzt wird. Soll die Einspritzung beendet werden, wird der Piezoaktor entladen, infolgedessen er sich zurückzieht. Das Servoventil schließt und der Steuerraumdruck erhöht sich. Dadurch ändert sich das Kraftverhältnis am Verschlussorgan, und die Bewegungsrichtung kehrt sich um. Schließlich kehrt das Verschlussorgan in den Sitz zurück, und die Einspritzung wird beendet.
Während des vorstehend beschriebenen Vorganges wird erfindungsgemäß die Ladephase im Hinblick auf die Kraftwirkung auf den Piezoaktor und deren Folgen ausgewertet. So wird unter Zuhilfenahme der linearen Piezogleichungen bei zeitlich gemessener Aktorspannung U(t) und -ladung (Q(t) auf die Piezokraft F(t) geschlossen. $F (t) = \frac{ε_{33} \cdot A}{d_{33} \cdot d} \cdot U (t) - \frac{1}{d_{33} \cdot N} \cdot Q (t)$
$mit der Piezokapazität C = N \cdot ε_{33} \cdot \frac{A}{d}$
$F (t) = \frac{1}{d_{33} \cdot N} \cdot (C \cdot U (t) - Q (t))$
Die zeitliche Lage des Kraftmaximums entspricht dem Zeitpunkt des Servoventilöffnens. Diese Information wird zur Regelung der zeitlichen Ansteuerparameter des Injektors verwendet.
Der Absolutwert des Maximums dieses Kraftverlaufes während der Ladephase ist proportional zum am Servoventil anstehenden Raildruck PFU (im späteren Verlauf auch p_rail). Dieser lineare Zusammenhang wird als erstes Feedbacksignal zur Rekonstruktion einer Druckinformation verwendet.
Zur Ermittlung des Raildrucks wird erfindungsgemäß ferner ein zweites Feedbacksignal des Piezoaktors benutzt. Es handelt sich hierbei um ein Spannungssignal gegen Ende der Ladephase, welches sich aus der Steifigkeit des Piezoaktors ergibt. Ändert sich die äußere Kraft F(t) auf den Piezoaktor, so ändert sich dessen relative Länge Δl/l(t) aufgrund seiner mechanischen Steifigkeit und damit die Spannung U(t) an den Anschlusspolen. $U (t) = \frac{d}{d_{33}} \cdot \frac{Δ1}{1} (t) + \frac{S_{33} \cdot d}{d_{33} \cdot A} \cdot F (t)$
Während des Ladevorganges baut der Piezoaktor zunächst so viel Kraft auf, bis die auf den Servoventilquerschnitt A_servo wirkende Kraft F_max ≈ p_rail * A_servo überwunden werden kann. Das Servoventil öffnet sich nun, und die äußere Kraft auf den Piezoaktor fällt ab. Durch das Wegfallen dieser Last längt sich der Aktor und gleichzeitig fällt die Spannung um einen Betrag ΔU ab.
Der Betrag dieses Spannungsabfalls ΔU ist proportional zur äußeren Last und somit zum Raildruck. Diese Abhängigkeit des Spannungsabfalls ΔU von der Entlastung am Piezoaktor während des Ladevorganges wird daher erfindungsgemäß genutzt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorzugsweise die beiden Feedbacksignale über kalibrierbare Tabellen in Drucksignale umgewandelt. Ferner wird vorzugsweise mit den erhaltenen Drucksignalen eine betriebspunktabhängige Plausibilisierung durchgeführt.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich daher durch die folgenden fünf Verfahrensschritte aus:

Ermittlung Feedbacksignal 1;
Ermittlung Feedbacksignal 2;
Umwandlung der Feedbacksignale über kalibrierbare Tabellen in Drucksignale;
Betriebspunktabhängige Plausibilisierung der Drucksignale; und
Ermittlung des Raildrucks.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur Bestimmung eines Raildrucksensorersatzwertes verwendet werden. Auf diese Weise wird ein höherer Standard für die funktionale Sicherheit des Einspritzsystems erreicht, indem der Raildruck jederzeit redundant bekannt ist. Es wird hierbei davon ausgegangen, dass der Raildruck mit einem Raildrucksensor gemessen wird und dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein zweiter Wert für den Raildruck bereitgestellt wird. Auf diese Weise kann ausgeschlossen werden, dass im System ein anderer Druck vorherrscht als vom Sensor festgestellt wird.
Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens findet daher eine Raildrucksensorersatzwertbestimmung aus Injektorfeedbacksignalen statt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Ein solches Kraftstoffeinspritzsystem kann einen Raildrucksensor besitzen, wobei mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Raildrucksensorersatzwertbestimmung durchgeführt wird, um einen zweiten Raildruckwert bereitzustellen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem es um die Bestimmung eines Raildrucksensorersatzwertes geht.
Das Verfahren betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem, das mindestens einen Piezoservoinjektor aufweist. Am zugehörigen Rail des Kraftstoffeinspritzsystems befindet sich ein Raildrucksensor, der in Schritt 7 einen Raildrucksensorwert PFU, p_rail zur Verfügung stellt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in Schritt 1 ein erstes Feedbacksignal entsprechend dem Kraftmaximum F_max am Piezoaktor bereitgestellt. In Schritt 2 wird ein zweites Feedbacksignal entsprechend einem Spannungsabfall ΔU am Piezoaktor zur Verfügung gestellt. Die entsprechenden Signale werden einer ECU zugeführt und dort ausgewertet bzw. weiterverarbeitet. Über kalibrierbare Tabellen werden beide Feedbacksignale in den Schritten 3 und 4 in Drucksignale p_Fmax, p_ΔU konvertiert. Danach folgt in Schritt 5 eine betriebspunktabhängige Plausibilisierung, woraus dann ein Raildrucksensorersatzwert p_subst ermittelt wird.
Dieser Raildrucksensorersatzwert kann dann mit dem gemäß Schritt 7 erzeugten Raildrucksensorwert verglichen werden (Schritt 6) und beispielsweise für Diagnosezwecke, Tuningschutz etc. eingesetzt werden. Durch den Vergleich der beiden Werte kann ausgeschlossen werden, dass im System ein anderer Druck vorherrscht als vom Raildrucksensor festgestellt.
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

WO 2013/139671 A1 [0003]
DE 102012204253 A1 [0004]
DE 10014737 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Raildrucks eines mit einem Rail und einem Piezoservoinjektor versehenen Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine mit den folgenden Schritten: Erzeugen eines ersten Feedbacksignals entsprechend einem Kraftmaximum (F_max) am Piezoaktor; Erzeugen eines zweiten Feedbacksignals entsprechend einem Spannungsabfall (ΔU) am Piezoaktor; Umwandeln der beiden Feedbacksignale in Drucksignale (p_Fmax,pΔ_U); und Ermitteln des Raildrucks aus den erhaltenen Drucksignalen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Feedbacksignale über kalibrierbare Tabellen in Drucksignale umgewandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit den erhaltenen Drucksignalen eine betriebspunktabhängige Plausibilisierung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Raildruck für Diagnosezwecke eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Bestimmung eines Raildrucksensorersatzwertes verwendet wird.
Kraftstoffeinspritzsystem mit einem Rail und einem Piezoservoinjektor, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Raildrucksensor aufweist.