DE19930309C2 - 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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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 unvermeidlichen 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.
Aus DE 196 36 088 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der di­ rekten Einspritzung von Kraftstoff bekannt, bei der ein Spei­ chereinspritzsystem mit einem Einspritzventil Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einspritzt. Das Ein­ spritzventil weist eine Düsennadel auf, die über ein Steuer­ ventil durch einen beispielsweise piezo- oder magnetorestrik­ tiven, hubabhängig ansteuerbaren Aktor hydraulisch betätig wird. Das Steuerventil wird während eines Arbeitsspieles mehrmals mit unterschiedlichem Ventilhub zur Realisierung un­ terschiedlicher Steuerquerschnitte betätigt. Für eine hohe Flexibilität in der Festlegung des Einspritzmengenverlaufes wird vorgeschlagen, daß der Aktor des Steuerventils so ange­ steuert wird, daß der Steuerquerschnitt des Steuerventils bei zeitlich hintereinander folgenden Ventilstellungen zwischen dem Beginn und dem Ende des Einspritzvorganges stets über ei­ nem von der Schließstellung unterschiedlichem Minimalwert bleibt.
Aus DE 196 44 521 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes bekannt. Das ka­ pazitive Stellglied wird beispielsweise für ein Kraftstoff­ einspritzventil einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Um einen konstanten Hub des kapazitiven Stellgliedes in einem großen Temperaturbereich zu erzielen, wird das Stellglied mit einer vorgegebenen Energiemenge geladen. Dabei wird ein Kondensator definiert entladen. Die vorgegebene Energiemenge entspricht einem gewünschten Hub. Alternativ werden beim Ladevorgang der zugeführte Strom und die am Stellglied abfallenden Spannung ermittelt, das Produkt aus dem zugeführten Strom und der Spannung berechnet, das Produkt über die Zeit integriert und der Integralwert mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Der Ladevorgang wird abgebrochen, wenn der Integralwert den Sollwert erreicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das eingangs ge­ nannte Verfahren und die eingangs genannte Vorrichtung so auszugestalten, daß das Einspritzverhalten verbessert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfah­ rens mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen und hinsichtlich der Vorrichtung mit den im Patentanspruch 6 an­ gegebenen Maßnahmen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
Die obige Aufgabe wird demnach erfindungsgemäß dadurch ge­ löst, daß bei einem Kraftstoffeinspritzventil mit einem Pie­ zoelement-Aktor die Spannung am Piezoelement-Aktor nach des­ sen anfänglicher Aufladung erfaßt wird, der Einspritzbeginn und/oder die Nadelöffnungszeit des Einspritzventils aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung am Piezoelement-Aktor festge­ stellt wird. Vorzugsweise wird die tatsächliche Einspritzmen­ ge aus dem Einspritzbeginn, der Nadelöffnungszeit und der An­ steuerdauer ermittelt wird. Gegebenenfalls wird die anfängli­ che Aufladung des Piezoelement-Aktors und/oder die Ansteuer­ dauer zur Nachführung der Einspritzmenge auf einen vorgegebe­ nen Wert geändert.
Es erfolgt somit erfindungsgemäß eine genaue Erfassung des tatsächlichen Zeitpunkts für den Einspritzbeginn und eine Er­ fassung der tatsächlichen Nadelöffnungszeit der Düsennadel des Injektors. Der Einspritzbeginn sowie die Nadelöffnungs­ zeit werden dabei aus dem Verlauf der Spannung am Piezoele­ ment-Aktor bestimmt. Durch eine Änderung der Nadelöffnungs­ zeit und/oder der Ansteuerdauer über eine Regelung der Ladung des Piezo-Aktors kann während des Motorbetriebs Einfluß auf die verschiedenen Öffnungszeiten und damit auf die einge­ spritzte 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 Injek­ tors zur Kraftstoffeinspritzung;
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Spannung an einem Pie­ zoelement-Aktor und den damit korrelierten Düsennadelhub bei dem Injektor der Fig. 1; und
Fig. 3 das elektrische Blockschaltbild eines Regelkreises für die Regelung der Einspritzmenge.
Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt im Schnitt einen Teil eines Injektors zur Kraftstoffeinspritzung in einen Verbrennungs­ motor 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 Injek­ torkörper 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 öff­ net und schließt, die zum Brennraum des Verbrennungsmo­ tors führen. Ebenfalls über die Hochdruckbohrung 1 mit dem Hochdruckspeicher verbunden ist eine Düsenkammer, die im Injektorkörper 5 am vorderen Ende des Düsenkörpers 6 ausgebildet ist. Wenn sowohl in der Steuerkammer 4 als auch in der Düsenkammer der volle Systemdruck anliegt, wird der Düsenkörper 6 aufgrund der größeren Wirkfläche in der Steuerkammer 4 nach unten gedrückt, und die Ein­ spritzlöcher 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 be­ weglichen Düsenkörper 6 ausgeübt wird.
Bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform des In­ jektors ist das Steuerventil 7 unmittelbar angrenzend an die Steuerkammer 4 angeordnet. Dazu ist im Injektorkörper 5 eine Aussparung 10 ausgebildet, die sich gegenüber dem Düsenkörper 6 bzw. der für die Aufnahme des Düsenkörpers 6 bestimmten 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 die­ ser 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 Boh­ rung 12 bildet auch einen Teil des drucklosen Rücklaufs, durch den der Kraftstoff aus der Steuerkammer 4 bei geöff­ netem Steuerventil 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 Ventilkörper des Steuerventils 7 ist eine Ablaufbohrung 14 mit einer Ablaufdrossel 15 integriert.
Im Ausgangszustand, bei geschlossenem Einspritzventil, wird das Steuerventil 7 durch den Druck in der Steuerkam­ mer 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 Ver­ bindung 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 Steuerven­ til 7 ausgeübt, die das Steuerventil 7 von seinem Ventilsitz abhebt. Damit wird zwischen der Steuerkammer 4 und der Bohrung 12, die Teil des drucklosen Rücklaufs zum Kraft­ stofftank ist, eine Verbindung hergestellt, und es strömt Kraftstoff aus der Hochdruckbohrung 1 durch die Zulauf­ drossel 3, die Steuerkammer 4, die Ablaufbohrung 14 und die Ablaufdrossel 15 in die Bohrung 12. Der Durchfluß durch die Zulaufdrossel 3 ist geringer als der durch die Ab­ laufdrossel 15, so daß der Druck in der Steuerkammer 4 ab­ nimmt. 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 Steuerkammer 4 wieder in seinen Ventilsitz gedrückt. Damit wird die Verbindung zur Bohrung 12 und zum drucklosen Rücklauf unterbrochen, so daß sich in der Steuerkammer 4 wieder der volle Druck aufbauen kann. Der Druck in der Steuerkammer 4 führt am Düsenkörper 6 zu einer Kraft in Richtung zum Sitz der Düsennadel, die die Düsennadel wie­ der 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 Spannungsstoß aufgeladen. Dann wird die externe Span­ nungszufuhr vom Piezoelement-Aktor abgekoppelt.
Es läßt sich nun die am Piezoelement-Aktor herrschende Spannung messen. Die Spannung am Piezoelement-Aktor spiegelt den jeweiligen Druck in der Steuerkammer 4 wie­ der, der über das Steuerventil 7 und den Stößel 8 auf den Piezoelement-Aktor wirkt.
Mit einer kurzen zeitlichen Verzögerung beginnt sich nach der Aufladung des Piezoelement-Aktors zum Zeit­ punkt t3 der Düsenkörper 6 mit der Düsennadel am vorderen Ende zu bewegen. Während der Nadelöffnungszeit vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 nimmt der Nadelhub h im wesentlichen kontinuierlich zu, bis er zum Zeitpunkt t4 sei­ nen Maximalwert erreicht hat und die Einspritzlöcher voll­ ständig 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 Steuerkam­ mer 4 bestimmt ist. Mit dem Erreichen des Maximalwertes von h zum Zeitpunkt t5 nimmt der Druck in der Steuerkam­ mer 4 etwas ab, da sich der Düsenkörper 6 nicht mehr in die Steuerkammer 4 hinein bewegt, und die Spannung am Pie­ zoelement-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 kontrolliert 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 Zeitpunkt t6 der Nadelhub h wieder ab, bis er bei t7 wieder Null ist. Zum Zeitpunkt t7 ist daher der Einspritzvorgang be­ endet. Die Zeitspanne von t3 bis t7, stellt die Gesamt-Ein­ spritzdauer 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 Nadel­ öffnungszeit zwischen t3 und t4. Diese wiederum läßt sich durch die anfängliche Aufladung des Piezoelement-Aktors bestimmen und beeinflussen. Durch eine Änderung der Na­ delöffnungszeit und eine Änderung der Ansteuerdauer, das heißt eine Festlegung des Zeitpunktes t5 relativ zu t1 oder t3, kann somit Einfluß auf die eingespritzte Kraftstoffmenge genommen werden.
Die Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild für einen Regelkreis zur Regelung der von einem Injektor eingespritzten Ein­ spritzmenge.
Der theoretisch einer gewünschten Einspritzmenge ent­ sprechende Regelungs-Sollwert wird über einen Addierer 20 an den Eingang eines Regler 22 geführt. Das Ausgangs­ signal des Reglers 22 wird einer Endstufe 24 eingegeben, die dem Piezoelement-Aktor 26 eines Injektors eine entspre­ chende Ladung zuführt, woraufhin der Injektor eine be­ stimmte Einspritzmenge abgibt.
Nach der anfänglichen Aufladung des Piezoelement-Ak­ tors 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 Detektions­ schaltung 28 erfaßt und einer Steuerschaltung 30 in der Form eines Mikroprozessors µC zugeleitet, die auch das Sollwertsignal vom Eingang des Regelkreises zugeführt er­ hält.
Aus dem beim Einspritzvorgang am Piezoelement-Aktor 26 von der Detektionsschaltung 28 abgenommenen Span­ nungsverlauf, 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 Steuerschaltung 30 ermittelt somit durch die Auswer­ tung des zeitlichen Verlaufs und der Höhe des Spannungssi­ gnals vom Piezoelement-Aktor 26, das heißt insbesondere durch die Feststellung der Zeitpunkte t3 und t4 anhand des Spannungsverlaufs am Piezoelement-Aktor 26 die tatsächli­ che Einspritzmenge und sorgt bei einer Abweichung vom vorgegebenen Wert für eine entsprechende Nachregelung durch eine Änderung der Aufladung und/oder eine Ände­ rung der Ansteuerdauer.

Claims (8)

1. Verfahren zur Regelung einer Einspritzung mit 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U) am Piezoelement-Aktor (26) nach dessen anfänglicher Aufladung erfaßt wird und daß aus der gemessenen Spannung der Einspritzbeginn und/oder die Nadelöffnungszeit des Einspritzventils ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tatsächliche Einspritzmenge aus dem Einspritzbeginn, der Nadelöffnungszeit und der Ansteuerdauer ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß durch eine Änderung der anfänglichen Aufladung des Piezoelement-Aktors und/oder der Ansteuerdauer die Einspritz­ menge auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachführung der Einspritzmenge auf den vorgegebenen Wert die anfängliche Aufladung des Piezoelement-Aktors (26) verän­ dert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Nachführung der Einspritzmenge auf den vorgege­ benen Wert die Ansteuerdauer des Piezoelement-Aktors (26) verändert wird.
6. 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 Spannung (U) am Piezoelement-Aktor (26) nach dessen anfänglicher Auf­ ladung,
eine Steuerschaltung (30) zum Feststellen des Einspritz­ beginns und/oder der Nadelöffnungszeit des Einspritzventils aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung (U) am Piezoelement- Aktor (26).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (30) die tatsächliche Einspritzmenge aus dem Einspritzbeginn, der Nadelöffnungszeit und der Ansteuer­ dauer bestimmt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (30) durch Änderung der anfänglichen Aufladung des Piezoelement-Aktors und/oder der Ansteuerdauer die Einspritzmenge auf einen vorgegebenen Wert nachführt.
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