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-Aktor

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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.
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.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (30) ein Mikroprozessor ist.
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