DE19930309A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Einspritzmenge bei einem Kraftstoffeinspritzventil mit Piezoelement-Aktor - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Einspritzmenge bei einem Kraftstoffeinspritzventil mit Piezoelement-AktorInfo
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Abstract
Es erfolgt eine Regelung der Einspritzmenge bei einem Krafteinspritzventil mit einem Piezoelement-Aktor (26) durch das Erfassen der Spannung (U) am Piezoelement-Aktor (26) nach dessen anfänglicher Aufladung, das Feststellen des Einspritzbeginns und der Nadelöffnungszeit des Einspritzventils aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung (U) am Piezoelement-Aktor und das Ermitteln der tatsächlichen Einspritzmenge aus dem Einspritzbeginn, der Nadelöffnungszeit und der Ansteuerdauer.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor
richtung zur Regelung der Einspritzmenge bei einem Kraft
stoffeinspritzventil mit Piezoelement-Aktor gemäß dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 5.
Für die Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren
werden zunehmend Speichereinspritzsysteme verwendet, bei de
nen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Solche
Einspritzsysteme sind als Common-Rail-Systeme (für Dieselmo
toren) und HPDI-Einspritzsysteme (für Ottomotoren) bekannt.
Diese Einspritzsysteme zeichnen sich dadurch aus, daß der
Kraftstoff mit einer Hochdruckpumpe in einen allen Zylindern
des Motors gemeinsamen Druckspeicher gefördert wird, von dem
aus die Einspritzventile an den einzelnen Zylindern versorgt
werden. Die Einspritzventile werden oft auch Injektoren ge
nannt. Das Öffnen und Schließen der Einspritzventile wird
dann elektrisch gesteuert, im vorliegenden Fall unter Zuhil
fenahme von Piezoelementen als Aktoren.
Bei diesen Einspritzventilen oder Injektoren ist in
der Regel zwischen den Düsenkörper mit der Düsennadel, die
die Einspritzlöcher im Einspritzventil öffnet und schließt,
und den piezoelektrischen Aktor ein Steuerventil geschaltet.
Das Steuerventil dient dazu, hydraulisch das Öffnen und
Schließen des eigentlichen Kraftstoffeinspritzventils zu be
wirken, das heißt insbesondere den Beginn und das Ende des
Einspritzvorganges zeitlich exakt festzulegen. Das Einspritz
ventil soll z. B. kontrolliert öffnen und am Ende des Ein
spritzvorganges schnell schließen. Auch soll die Einspritzung
kleinster Kraftstoffmengen zur Voreinspritzung (Pilotein
spritzung) vor der eigentlichen Einspritzung möglich sein,
mit der sich der Verbrennungsprozeß optimieren läßt.
Die unvermeidlichen Fertigungstoleranzen an den ein
zelnen Bauteilen der Injektoren und die ebenso unvermeidli
chen Streuungen in den elektrischen Eigenschaften der Ansteu
erschaltung für den piezoelektrischen Aktor haben jedoch ei
nen merklichen Einfluß auf die Einspritzmenge der Injektoren.
Diese Toleranzen und Streuungen führen dazu, daß die Ein
spritzmenge unerwünschterweise von Injektor zu Injektor un
terschiedlich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das ein
gangs genannte Verfahren und die eingangs genannte Vorrich
tung so auszugestalten, daß die Streuung der Injektoren im
Einspritzverhalten verringert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des
Verfahrens mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen
und hinsichtlich der Vorrichtung mit den im Patentanspruch 5
angegebenen Maßnahmen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
Die obige Aufgabe wird demnach erfindungsgemäß da
durch gelöst, daß bei einem Kraftstoffeinspritzventil mit ei
nem Piezoelement-Aktor die Spannung am Piezoelement-Aktor
nach dessen anfänglicher Aufladung erfaßt wird, der Ein
spritzbeginn und die Nadelöffnungszeit des Einspritzventils
aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung am Piezoelement-Aktor
festgestellt und die tatsächliche Einspritzmenge aus dem Ein
spritzbeginn, der Nadelöffnungszeit und der Ansteuerdauer er
mittelt wird. Gegebenenfalls wird die anfängliche Aufladung
des Piezoelement-Aktors und/oder die Ansteuerdauer zur Nach
führung der Einspritzmenge auf einen vorgegebenen Wert geän
dert.
Es erfolgt somit erfindungsgemäß eine genaue Erfas
sung des tatsächlichen Zeitpunkts für den Einspritzbeginn und
eine Erfassung der tatsächlichen Nadelöffnungszeit der Düsen
nadel des Injektors. Der Einspritzbeginn sowie die Nadelöff
nungszeit werden dabei aus dem Verlauf der Spannung am Piezo
element-Aktor bestimmt. Durch eine Änderung der Nadelöff
nungszeit und/oder der Ansteuerdauer über eine Regelung der
Ladung des Piezo-Aktors kann während des Motorbetriebs Ein
fluß auf die verschiedenen Öffnungszeiten und damit auf die
eingespritzte Menge genommen werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgen
den anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Teil-Schnittansicht eines In
jektors zur Kraftstoffeinspritzung;
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Spannung an einem
Piezoelement-Aktor und den damit korrelierten Düsennadelhub
bei dem Injektor der Fig. 1; und
Fig. 3 das elektrische Blockschaltbild eines Regel
kreises für die Regelung der Einspritzmenge.
Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt im Schnitt einen Teil
eines Injektors zur Kraftstoffeinspritzung in einen Verbren
nungsmotor bei einem Common-Rail-System. Anhand der Fig. 1
wird auch die Arbeitsweise dieses Injektors oder Einspritz
ventils erläutert.
Bei einem Common-Rail-System wird der Kraftstoff mit
Systemdruck von einem Hochdruckspeicher (nicht gezeigt) über
eine Hochdruckbohrung 1 und eine Zulaufbohrung 2 mit einer
Zulaufdrossel 3 zu einer Steuerkammer 4 im Injektorkörper 5
geführt. In der Steuerkammer 4 wirkt der dort herrschende
Druck auf das hintere Ende eines beweglichen Düsenkörpers 6
mit einer Düsennadel am vorderen Ende, die Einspritzlöcher
(nicht gezeigt) im Injektorkörper 5 öffnet und schließt, die
zum Brennraum des Verbrennungsmotors führen. Ebenfalls über
die Hochdruckbohrung 1 mit dem Hochdruckspeicher verbunden
ist eine Düsenkammer, die im Injektorkörper 5 am vorderen En
de des Düsenkörpers 6 ausgebildet ist. Wenn sowohl in der
Steuerkammer 4 als auch in der Düsenkammer der volle System
druck anliegt, wird der Düsenkörper 6 aufgrund der größeren
Wirkfläche in der Steuerkammer 4 nach unten gedrückt, und die
Einspritzlöcher sind geschlossen.
Die Steuerkammer 4 steht hydraulisch mit einem in den
Injektorkörper 5 integrierten Steuerventil 7 in Verbindung.
Vom Steuerventil 7 geht ein druckloser Kraftstoff-Rücklauf
zum Kraftstofftank ab. Das Steuerventil 7 wird über einen
Stößel 8 von einem piezoelektrischen Aktor (in der Fig. 1
nicht gezeigt) angesteuert und betätigt. Das Steuerventil 7
steuert den Druck, der in der Steuerkammer 4 auf den bewegli
chen Düsenkörper 6 ausgeübt wird.
Bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform des
Injektors ist das Steuerventil 7 unmittelbar angrenzend an
die Steuerkammer 4 angeordnet. Dazu ist im Injektorkörper 5
eine Aussparung 10 ausgebildet, die sich gegenüber dem Düsen
körper 6 bzw. der für die Aufnahme des Düsenkörpers 6 be
stimmten Bohrung in Längsrichtung des Injektorkörpers 5 von
der Steuerkammer 4 weg erstreckt. In die Aussparung 10 ist
der Ventilkörper des Steuerventils 7 eingesetzt.
Die Aussparung 10 ist zur Steuerkammer 4 hin offen,
so daß das in die Aussparung 10 eingesetzte Steuerventil 7
mit seiner Bodenfläche in die Steuerkammer 4 ragt bzw. mit
dieser Fläche eine Seite der Steuerkammer 4 bildet.
Auf der von der Steuerkammer 4 abgewandten Seite der
Aussparung 10 ist eine Bohrung 12 vorgesehen, durch die der
Stößel 8 des piezoelektrischen Aktors verläuft. Die Bohrung
12 bildet auch einen Teil des drucklosen Rücklaufs, durch den
der Kraftstoff aus der Steuerkammer 4 bei geöffnetem Steuer
ventil 7 in den Kraftstofftank zurückfließt.
Der Übergang von der Bohrung 12 in die Aussparung 10
ist als Ventilsitz für das Steuerventil 7 ausgebildet, an dem
das Steuerventil 7 abdichtend zur Anlage kommt. In den Ven
tilkörper des Steuerventils 7 ist eine Ablaufbohrung 14 mit
einer Ablaufdrossel 15 integriert.
Im Ausgangszustand, bei geschlossenem Einspritzven
til, wird das Steuerventil 7 durch den Druck in der Steuer
kammer 4, der praktisch dem Systemdruck entspricht, gegen den
Ventilsitz gedrückt, so daß zwischen der Steuerkammer 4 und
der Bohrung 12 keine Verbindung besteht.
Der Systemdruck liegt in der Steuerkammer 4 auch am
Düsenkörper 6 an, so daß die Düsennadel am vorderen Ende des
Düsenkörpers 6 in ihren Sitz gedrückt wird und die Verbindung
zu den Einspritzlöchern unterbrochen ist. Folglich wird kein
Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt.
Bei einer elektrischen Ansteuerung des Piezoelement-
Aktors wird über den Stößel 8 eine Kraft auf das Steuerventil
7 ausgeübt, die das Steuerventil 7 von seinem Ventilsitz ab
hebt. Damit wird zwischen der Steuerkammer 4 und der Bohrung
12, die Teil des drucklosen Rücklaufs zum Kraftstofftank ist,
eine Verbindung hergestellt, und es strömt Kraftstoff aus der
Hochdruckbohrung 1 durch die Zulaufdrossel 3, die Steuerkam
mer 4, die Ablaufbohrung 14 und die Ablaufdrossel 15 in die
Bohrung 12. Der Durchfluß durch die Zulaufdrossel 3 ist ge
ringer als der durch die Ablaufdrossel 15, so daß der Druck
in der Steuerkammer 4 abnimmt. Der Düsenkörper 6 wird somit
entlastet, und der in der Düsenkammer am vorderen Ende des
Düsenkörpers 6 anstehende Systemdruck hebt die Düsennadel von
ihrem Sitz ab und gibt die Verbindung zu den Einspritzlöchern
frei. Damit beginnt der Einspritzvorgang.
Nach Beendigung der Ansteuerung des Aktors wird der
Ventilkörper des Steuerventils 7 durch den Druck in der Steu
erkammer 4 wieder in seinen Ventilsitz gedrückt. Damit wird
die Verbindung zur Bohrung 12 und zum drucklosen Rücklauf un
terbrochen, so daß sich in der Steuerkammer 4 wieder der vol
le Druck aufbauen kann. Der Druck in der Steuerkammer 4 führt
am Düsenkörper 6 zu einer Kraft in Richtung zum Sitz der Dü
sennadel, die die Düsennadel wieder in ihren Sitz drückt und
den Einspritzvorgang beendet.
Die Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung
U(t) an den Piezoelementen des Aktors und in Korrelation dazu
den zeitlichen Verlauf des Nadelhubes h(t) der Düsennadel im
Injektor.
Der Piezoelement-Aktor wird durch einen zum Zeitpunkt
t1 beginnenden und zum Zeitpunkt t2 endenden kurzen Span
nungsstoß aufgeladen. Dann wird die externe Spannungszufuhr
vom Piezoelement-Aktor abgekoppelt.
Es läßt sich nun die am Piezoelement-Aktor herrschen
de Spannung messen. Die Spannung am Piezoelement-Aktor spie
gelt den jeweiligen Druck in der Steuerkammer 4 wieder, der
über das Steuerventil 7 und den Stößel 8 auf den Piezoele
ment-Aktor wirkt.
Mit einer kurzen zeitlichen Verzögerung beginnt sich
nach der Aufladung des Piezoelement-Aktors zum Zeitpunkt t3
der Düsenkörper 6 mit der Düsennadel am vorderen Ende zu be
wegen. Während der Nadelöffnungszeit vom Zeitpunkt t3 bis zum
Zeitpunkt t4 nimmt der Nadelhub h im wesentlichen kontinuier
lich zu, bis er zum Zeitpunkt t4 seinen Maximalwert erreicht
hat und die Einspritzlöcher vollständig offen sind.
Während der Nadelöffnungszeit von t3 bis t4 nimmt die
Spannung am Piezoelement-Aktor einen bestimmten Wert Ua an,
der wie erwähnt durch den Druck in der Steuerkammer 4 be
stimmt ist. Mit dem Erreichen des Maximalwertes von h zum
Zeitpunkt t4 nimmt der Druck in der Steuerkammer 4 etwas ab,
da sich der Düsenkörper 6 nicht mehr in die Steuerkammer 4
hinein bewegt, und die Spannung am Piezoelement-Aktor fällt
entsprechend auf einen Wert Ub mit Ub < Ua ab.
Das Ende der Ansteuerung des Injektors wird dadurch
eingeleitet, daß zum Zeitpunkt t5 der Piezoelement-Aktor kon
trolliert entladen wird. Die Spannung U am Aktor fällt dann
schnell auf Null ab, und der Aktor wirkt nicht mehr über den
Stößel 8 auf das Steuerventil 7 ein. Die Zeitspanne zwischen
t1 und t5 ist die Ansteuerdauer.
Mit einer gewissen Verzögerung beginnt sich daraufhin
die Einspritzdüse wieder zu schließen. So nimmt ab dem Zeit
punkt t6 der Nadelhub h wieder ab, bis er bei t7 wieder Null
ist. Zum Zeitpunkt t7 ist daher der Einspritzvorgang been
det. Die Zeitspanne von t3 bis t7, stellt die Gesamt-
Einspritzdauer dar. Die Einspritzmenge wird dabei nicht nur
von der Länge der Zeitspanne zwischen t3 und t7, bestimmt,
sondern zum Beispiel auch von der Geschwindigkeit, mit der
sich das Einspritzventil öffnet, das heißt von der Nadelöff
nungszeit zwischen t3 und t4. Diese wiederum läßt sich durch
die anfängliche Aufladung des Piezoelement-Aktors bestimmen
und beeinflussen. Durch eine Änderung der Nadelöffnungszeit
und eine Änderung der Ansteuerdauer, das heißt eine Festle
gung des Zeitpunktes t5 relativ zu t1 oder t3, kann somit Ein
fluß auf die eingespritzte Kraftstoffmenge genommen werden.
Die Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild für einen Re
gelkreis zur Regelung der von einem Injektor eingespritzten
Einspritzmenge.
Der theoretisch einer gewünschten Einspritzmenge ent
sprechende Regelungs-Sollwert wird über einen Addierer 20 an
den Eingang eines Regler 22 geführt. Das Ausgangssignal des
Reglers 22 wird einer Endstufe 24 eingegeben, die dem Piezo
element-Aktor 26 eines Injektors eine entsprechende Ladung
zuführt, woraufhin der Injektor eine bestimmte Einspritzmenge
abgibt.
Nach der anfänglichen Aufladung des Piezoelement-
Aktors 26 wird dieser von der Spannungszufuhr durch die End
stufe 24 abgekoppelt. Die in der Folge am Piezoelement-Aktor
26 herrschende Spannung wird in einer Detektionsschaltung 28
erfaßt und einer Steuerschaltung 30 in der Form eines Mikro
prozessors µC zugeleitet, die auch das Sollwertsignal vom
Eingang des Regelkreises zugeführt erhält.
Aus dem beim Einspritzvorgang am Piezoelement-Aktor
26 von der Detektionsschaltung 28 abgenommenen Spannungsver
lauf, der im wesentlichen die in der Fig. 2 gezeigte Form
hat, leitet die Steuerschaltung 30 den Einspritzbeginn und
die Nadelöffnungszeit ab und nimmt erforderlichenfalls durch
eine Änderung des Vorgabewertes am Addierer 20 Einfluß auf
die Nadelöffnungszeit und die Ansteuerdauer. Die Steuerschal
tung 30 ermittelt somit durch die Auswertung des zeitlichen
Verlaufs und der Höhe des Spannungssignals vom Piezoelement-
Aktor 26, das heißt insbesondere durch die Feststellung der
Zeitpunkte t3 und t4 anhand des Spannungsverlaufs am Piezo
element-Aktor 26 die tatsächliche Einspritzmenge und sorgt
bei einer Abweichung vom vorgegebenen Wert für eine entspre
chende Nachregelung durch eine Änderung der Aufladung
und/oder eine Änderung der Ansteuerdauer.
Claims (6)
1. Verfahren zur Regelung der Einspritzmenge bei einem
Kraftstoffeinspritzventil mit einer Steuerkammer (4), die mit
einem Hochdruckspeicher und mit einem Steuerventil (7) in
Verbindung steht, wobei der in der Steuerkammer (4) herr
schende Druck auf einen beweglichen Düsenkörper (6) mit einer
Düsennadel zum Öffnen und Schließen von Einspritzlöchern
wirkt und wobei zum Öffnen des Einspritzventils das Steuer
ventil (7) von einem Piezoelement-Aktor betätigt wird,
gekennzeichnet durch
das Erfassen der Spannung (U) am Piezoelement-Aktor (26) nach dessen anfänglicher Aufladung,
das Feststellen des Einspritzbeginns und der Na delöffnungszeit des Einspritzventils aus dem zeitlichen Ver lauf der Spannung (U) am Piezoelement-Aktor (26),
das Ermitteln der tatsächlichen Einspritzmenge aus dem Einspritzbeginn, der Nadelöffnungszeit und der Ansteuer dauer, und gegebenenfalls
eine Änderung der anfänglichen Aufladung des Piezo element-Aktors und/oder der Ansteuerdauer zur Nachführung der Einspritzmenge auf einen vorgegebenen Wert.
das Erfassen der Spannung (U) am Piezoelement-Aktor (26) nach dessen anfänglicher Aufladung,
das Feststellen des Einspritzbeginns und der Na delöffnungszeit des Einspritzventils aus dem zeitlichen Ver lauf der Spannung (U) am Piezoelement-Aktor (26),
das Ermitteln der tatsächlichen Einspritzmenge aus dem Einspritzbeginn, der Nadelöffnungszeit und der Ansteuer dauer, und gegebenenfalls
eine Änderung der anfänglichen Aufladung des Piezo element-Aktors und/oder der Ansteuerdauer zur Nachführung der Einspritzmenge auf einen vorgegebenen Wert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Nachführung der Einspritzmenge auf den vorgegebenen
Wert nur die anfängliche Aufladung des Piezoelement-Aktors
(26) verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Nachführung der Einspritzmenge auf den vorgegebenen
Wert nur die Ansteuerdauer des Piezoelement-Aktors (26) ver
ändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Nachführung der Einspritzmenge auf den vorgegebenen
Wert sowohl die anfängliche Aufladung als auch die Ansteuer
dauer des Piezoelement-Aktors (26) verändert wird.
5. Vorrichtung zur Regelung der Einspritzmenge bei einem
Kraftstoffeinspritzventil mit einer Steuerkammer (4), die mit
einem Hochdruckspeicher und mit einem Steuerventil (7) in
Verbindung steht, wobei der in der Steuerkammer (4) herr
schende Druck auf einen beweglichen Düsenkörper (6) mit einer
Düsennadel zum Öffnen und Schließen von Einspritzlöchern
wirkt und wobei zum Öffnen des Einspritzventils das Steuer
ventil (7) von einem Piezoelement-Aktor (26) betätigt wird,
der über einen Regler (22) und eine Endstufe (24) angesteuert
wird,
gekennzeichnet durch
eine Detektionsschaltung (28) zum Erfassen der Span nung (U) am Piezoelement-Aktor (26) nach dessen anfänglicher Aufladung,
einer Steuerschaltung (30) zum Feststellen des Ein spritzbeginns und der Nadelöffnungszeit des Einspritzventils aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung (U) am Piezoelement- Aktor (26), dem Ermitteln der tatsächlichen Einspritzmenge aus dem Einspritzbeginn, der Nadelöffnungszeit und der An steuerdauer und gegebenenfalls zur Änderung der anfänglichen Aufladung des Piezoelement-Aktors und/oder der Ansteuerdauer zur Nachführung der Einspritzmenge auf einen vorgegebenen Wert.
eine Detektionsschaltung (28) zum Erfassen der Span nung (U) am Piezoelement-Aktor (26) nach dessen anfänglicher Aufladung,
einer Steuerschaltung (30) zum Feststellen des Ein spritzbeginns und der Nadelöffnungszeit des Einspritzventils aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung (U) am Piezoelement- Aktor (26), dem Ermitteln der tatsächlichen Einspritzmenge aus dem Einspritzbeginn, der Nadelöffnungszeit und der An steuerdauer und gegebenenfalls zur Änderung der anfänglichen Aufladung des Piezoelement-Aktors und/oder der Ansteuerdauer zur Nachführung der Einspritzmenge auf einen vorgegebenen Wert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuerschaltung (30) ein Mikroprozessor ist.
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DE19930309A DE19930309C2 (de) | 1999-07-01 | 1999-07-01 | Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Einspritzmenge bei einem Kraftstoffeinspritzventil mit Piezoelement-Aktor |
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DE19930309A DE19930309C2 (de) | 1999-07-01 | 1999-07-01 | Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Einspritzmenge bei einem Kraftstoffeinspritzventil mit Piezoelement-Aktor |
Publications (2)
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ID=7913275
Family Applications (1)
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DE (1) | DE19930309C2 (de) |
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