EP1167729B1 - Piezoelektrischer Aktor eines Einspritzventils - Google Patents

Piezoelektrischer Aktor eines Einspritzventils Download PDF

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EP1167729B1
EP1167729B1 EP00113992A EP00113992A EP1167729B1 EP 1167729 B1 EP1167729 B1 EP 1167729B1 EP 00113992 A EP00113992 A EP 00113992A EP 00113992 A EP00113992 A EP 00113992A EP 1167729 B1 EP1167729 B1 EP 1167729B1
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EP
European Patent Office
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actuator
terminal voltage
voltage
coupler
fuel
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP00113992A
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English (en)
French (fr)
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EP1167729B2 (de
EP1167729A1 (de
Inventor
Jürgen BOSS
Johannes-Joerg Rueger
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to EP00113992A priority patent/EP1167729B2/de
Publication of EP1167729A1 publication Critical patent/EP1167729A1/de
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Publication of EP1167729B2 publication Critical patent/EP1167729B2/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/22—Safety or indicating devices for abnormal conditions
    • F02D41/221—Safety or indicating devices for abnormal conditions relating to the failure of actuators or electrically driven elements

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a Injector for fuel in which a piezoelectric actuator via a hydraulic coupler a Closing member drives. It continues to refer to one Fuel injection system with a number of such Injectors.
  • a fuel injection system As an essential ingredient can in one Internal combustion engine for introducing the fuel into the combustion chambers of the cylinder a fuel injection system be used.
  • a fuel injection system usually includes a number of injectors, the individually or in the manner of a so-called common-rail system (CR systems) via a central Supply system are fueled with fuel.
  • CR systems common-rail system
  • each injector is usually in a respective associated injection valve integrated over the fuel injection in a predetermined manner is adjustable.
  • the injection valves can be used for an electrical Control be provided with a piezoelectric actuator.
  • Such injection valve for the Fuel injection into the combustion chamber of a Internal combustion engine with a high pressure system or CR system is known from DE 197 328 02.
  • This injector is designed in a double-switching manner and has a Closure member, which is in one of two alternative Valve seats are each located in a closed position and thereby causing the injector to close. In a Middle position between the two valve seats takes that Closing member, however, an opening position.
  • the Closing member via a piezoelectric actuator drivable.
  • the piezoelectric Actuator charged to a drive voltage from the pressure in Common rail system is dependent. Due to the Drive voltage expands the actuator in the longitudinal direction. This length expansion is via a hydraulic coupler transferred to the closure member, so that on the one hand the amplified by the actuator hub is amplified and on the other hand the Closing member of a possible static Temperature expansion of the actuator is decoupled.
  • a charge of the piezoelectric actuator thus causes via the hydraulic coupler a transfer of Verschgresgliedes first from the first closed position in the Opening position and then from the opening position in the second closed position.
  • a discharge of the piezoelectric actuator due to the associated Contraction in the longitudinal direction via the hydraulic coupler a transfer of Verschnovgliedes first of the second closed position in the open position and then from the open position to the first closed position.
  • the invention is therefore based on the object, a method for operating a fuel injection system with a Number of injectors, each with a piezoelectric actuator via a hydraulic coupler a Closing member drives to specify with the one particular reliable fuel injection is guaranteed. moreover should be one for the implementation of the procedure especially appropriate fuel injection system can be specified.
  • this object is achieved according to the invention solved by after a charging process of an actuator whose Terminal voltage monitored and used to form a Diagnostic statement used for the respective injection valve is, with the diagnosis statement based on the temporal decline the terminal voltage after completion of the charging process is formed.
  • the invention is based on the consideration that the Fuel injection system in terms of Fuel injection operated particularly reliable can be done by providing direct and timely monitoring of the Valve lift the injectors is made. This will be promptly, that is, during or immediately after the current one Injection cycle, one for each injector Diagnosis statement made regarding its valve lift. Like yourself Surprisingly enough, this can be done as appropriate parameters on the basis of which Diagnosis statement is formed, the temporal evolution of the Terminal voltage of the respective actuator may be provided.
  • the loading phase namely, builds in the hydraulic Coupler a pressure on, which also after completion of the Recharging acts on the piezoelectric actuator and in this case with disconnected power supply one for the Pressure conditions in the coupler and consequently also for the Implementation of the drive voltage in valve lift characteristic piezo voltage generated.
  • the Terminal voltage on the piezoelectric actuator can thus without the requirement of a further sensor as a measurement parameter for the valve behavior with regard to the implementation of Control voltage can be used in Ventilhub.
  • the monitored terminal voltage for Formation of a diagnostic statement about the level of the Coupler of the respective injection valve used is unchanged held further external conditions - depending on the Coupler located medium; in particular results in a only partial filling of the coupler with fuel (effective medium: fuel-air mixture) in others Pressure conditions as a complete filling of the Coupler with fuel as a medium.
  • the for the Pressure conditions in the coupler characteristic Terminal voltage particularly favorable for the Fill level monitoring can be used.
  • a particularly reliable diagnostic statement is included achievable by these advantageously based on the temporal drop in terminal voltage after termination of the Charging process is formed.
  • the pressure builds in the hydraulic coupler due to outflowing medium again from; this pressure drop is about monitoring the Terminal voltage at the actuator in the form of a function of Time occurring voltage reduction detectable.
  • These Voltage reduction depends to a great extent from the degree of filling in the coupler: with a fully filled coupler is a comparatively pronounced voltage dip detectable.
  • this effect is only partial filled coupler significantly lower, since in this case when charging only air or an air-fuel mixture was compressed.
  • the diagnosis statement is based on a comparison of the difference from a first measured value for the terminal voltage immediately after the end of the Charging and a second reading for the Terminal voltage after expiry of a waiting time with a Limit formed.
  • the waiting time can be a solid Value of advantageously be given about 0.25 ms.
  • the waiting time but also depending on parameters characteristic of the injection cycle, such as For example, the driving time or the duration of a Splash break between two injections can be selected.
  • the waiting time can be chosen such that the second measured value immediately before a following Control intervention, such as an increase in Drive voltage, is determined.
  • the diagnosis statement is made directly for a correction intervention in the fuel injection system used. This is especially in finding a simple error based on the diagnostic statement a setpoint for the drive voltage of the respective actuator for a predetermined injection cycle, wherein the setpoint chosen so that, despite the noted not sufficient filling of the coupler after activation of the provided valve lift results.
  • the advantages achieved by the invention are in particular in that by evaluating the terminal voltage on simple way and without additional design effort a timely and reliable diagnosis and Function monitoring of each individual injection valve is possible.
  • the fuel injection system can thus especially reliable operated, with minor deviations corrective action immediately, for example with regard to a Tracking the drive voltage for each actuator, can be made.
  • the injection valve 1 of Figure 1 has a piezoelectric actuator 2, which has a number of comprises piezoelectric elements 4 connected in series.
  • the Actuator 2 is on the one hand with a housing wall 6 through which Terminals 7 of the actuator 2 are passed, and on the other hand with a servo piston 8 frictionally connected.
  • the actuating piston 8 closes with its from the actuator. 2 facing away from face 9 a hydraulic coupler 10 from.
  • the hydraulic coupler 10 in turn acts on a in a connecting channel 12 guided actuator piston 14, on whose end facing away from the coupler 10 end a closing member 16 is arranged.
  • This is as double-closing Control valve formed. It closes in a first Closed position, the rest position of the actuator. 2 corresponds to a first valve seat 18 of a valve chamber 20. In a second closed position, the maximum Actuation of the actuator 2 corresponds closes the Closing member 16, however, a second valve seat 22 of the Valve chamber 20.
  • Valve chamber 20 connected to a guide channel 24, the On the input side via a connecting piece 26 to a not illustrated pressure channel of a common rail fuel supply system of a motor vehicle connected.
  • a nozzle needle 28 arranged, which has a fuel spout 30 of the Connecting piece 26 branching fuel channel 32 dependent from one via the terminals 7 to the actuator. 2 applied drive voltage Ua releases or closes.
  • the injection valve 1 is, together with others Injectors 1, part of a fuel injection system 40, as shown schematically in Figure 2. there are the injection valves 1, of which in FIG For clarity, only four are shown, Fuel side to a common supply line 42nd connected.
  • the number of for the Fuel injection system 40 provided injectors depends on the further requirements of the supplying internal combustion engine, in particular, a Injector 1 for each cylinder to be fed be provided.
  • a central Control unit 44 For electrical control of the injectors 1 includes the fuel supply system 40 a central Control unit 44. This in turn has a control module 46th on, via lines 48 to the terminals 7 of the Injectors 1 is connected switched off. Farther the control unit 44 comprises a diagnostic unit 50 which a number of the injectors 1 respectively assigned and connected to their terminals 7 Voltage measuring 52 is connected. In addition, points the control unit 44 has a data storage module 54.
  • a high pressure which at a Common rail system, for example, between 200 and 1800 bar can amount. This pressure acts against the nozzle needle 28 and keeps it closed so that through the fuel spill 30 no fuel can escape. But if now as a result of applied to the actuator 2 control voltage Ua the Closing member 16 from the first valve seat 18 to the second Valve seat 22 or vice versa is moved, then the builds Pressure in the high pressure region of the guide channel 24 from, so that the nozzle needle 28 in the direction of the valve chamber 20th recedes and releases the fuel outlet 30. In In this case, a fuel injection takes place in the associated cylinder.
  • the determined difference of the terminal voltages Uk is less than the limit value, so as a diagnosis to a Inadequate refilling of the coupler 10 is closed.
  • another comparison of the difference of Terminal voltages Uk with a second limit or Minimum value made.
  • This comparison is still a distinction according to the effects of the error made: falls below the difference of Terminal voltages Uk also the second, even lower Limit value or minimum value, then a "fatal error" diagnosed, for example, an immediate shutdown of the internal combustion engine triggers. Is the difference of Although terminal voltages Uk below the first, but above the second limit, it becomes easier Error diagnosed, although the continued operation of the Internal combustion engine allowed, but for later Diagnostic purposes in the data storage module 54 is deposited.
  • Upon detection of a simple error in the Diagnostic unit 50 is also a setpoint for the Drive voltage Ua of the respective actuator 2 for a predetermined injection cycle, wherein the setpoint chosen so that, despite the noted not sufficient filling of the coupler 10 after a Activation of the proposed valve results.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils für Kraftstoff, bei dem ein piezoelektrischer Aktor über einen hydraulischen Koppler ein Verschließglied antreibt. Sie bezieht sich weiter auf ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Anzahl von derartigen Einspritzventilen.
Als wesentlicher Bestandteil kann in einer Verbrennungskraftmaschine zur Einbringung des Kraftstoffs in die Brennräume der Zylinder ein Kraftstoffeinspritzsystem zum Einsatz kommen. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzsystem umfaßt üblicherweise eine Anzahl von Einspritzdüsen, die individuell oder auch in der Art eines sogenannten Common-Rail-Systems (CR-Systems) über ein zentrales Versorgungssystem mit Kraftstoff bespeisbar sind. Bei beiden Ausführungsformen ist jede Einspritzdüse üblicherweise in ein jeweils zugeordnetes Einspritzventil integriert, über das die Kraftstoffeinspritzung in einer vorgebbaren Weise einstellbar ist.
Die Einspritzventile können dabei für eine elektrische Ansteuerung mit einem piezoelektrischen Aktor versehen sein. Ein derartiges Einspritzventil für die Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors mit einem Hochdrucksystem oder CR-System ist aus der DE 197 328 02 bekannt. Dieses Einspritzventil ist in doppelschaltender Weise ausgeführt und weist ein Verschließglied auf, das sich in einem von zwei alternativen Ventilsitzen jeweils in einer Schließposition befindet und dabei ein Verschließen der Einspritzdüse bewirkt. In einer Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen nimmt das Verschließglied hingegen eine Öffnungsposition ein.
Zur Überführung des Verschließglieds von einer Schließposition in die Öffnungsposition oder von der Öffnungsposition in eine der Schließpositionen ist das Verschließglied über einen piezoelektrischen Aktor antreibbar. Dazu wird beispielsweise der piezoelektrische Aktor auf eine Ansteuerspannung aufgeladen, die vom Druck im Common-Rail-System abhängig ist. Aufgrund der Ansteuerspannung dehnt sich der Aktor in Längsrichtung aus. Diese Längenausdehnung wird über einen hydraulischen Koppler auf das Verschließglied übertragen, so daß einerseits der vom Aktor erzeugbare Hub verstärkt wird und andererseits das Verschließglied von einer möglichen statischen Temperaturdehnung des Aktors entkoppelt ist. Eine Aufladung des piezoelektrischen Aktors bewirkt somit über den hydraulischen Koppler eine Überführung des Verschließgliedes zunächst von der ersten Schließposition in die Öffnungsposition und sodann von der Öffnungsposition in die zweite Schließposition. Hingegen bewirkt ein Entladen des piezoelektrischen Aktors infolge der damit verbundenen Kontraktion in Längsrichtung über den hydraulischen Koppler eine Überführung des Verschließgliedes zunächst von der zweiten Schließposition in die Öffnungsposition und sodann von der Öffnungsposition in die erste Schließposition.
Durch den Bewegungsablauf des Verschließgliedes von einer zur anderen Schließposition wird eine kurzzeitige Entlastung eines unter Hochdruck stehenden Ventilsteuerraumes bewirkt, über dessen Druckniveau die Steuerung einer Ventilnadel in eine Öffnungs- oder Schließstellung erfolgt. Befindet sich das Verschließglied somit in der Öffnungsposition zwischen den beiden Schließpositionen, so erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung in einen dem Einspritzventil nachgeschalteten Verbrennungsraum.
Bei einer Ansteuerung des Aktors und somit bei einer Betätigung des Einspritzventils wird infolge der im Hydraulikbereich herrschenden Druckverhältnisse ein Teil der im Koppler befindlichen Flüssigkeit, also des dort befindlichen Kraftstoffs, über eine Leckspalte aus dem Koppler herausgedrückt. Dieser Effekt ist besonders groß, wenn das Verschließglied in der dem Hochdruckbereich zugewandten Schließposition gehalten wird, da in diesem Fall die Gegenkraft durch den Druck im CR-System besonders hoch ist.
Für eine ordnungsgemäße Funktionsweise des Einspritzventils, insbesondere für eine bedarfsgerechte genaue Dosierung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge, ist eine präzise Positionierung des Verschließgliedes über die Ansteuerspannung erforderlich. Die Umsetzung der Ansteuerspannung in eine Positionierung des Verschließgliedes, also in einen entsprechenden Ventilhub, hängt dabei wesentlich vom Befüllungszustand des hydraulischen Kopplers ab. Insbesondere ist eine möglichst vollständige (Wieder-) Befüllung des hydraulischen Kopplers vor jeder Einspritzung und somit ein Ausgleich der genannten Leckageverluste notwendig. Die Wiederbefüllung des hydraulischen Kopplers nach einer Einspritzung erfolgt beim Einspritzventil gemäß der DE 197 328 02 infolge eines hierfür geeigneten Systemdrucks von etwa 15 bar ebenfalls über die Leckspalte, allerdings nur in der Zeit, in der der piezoelektrische Aktor nicht angesteuert ist. Dementsprechend kann das Ergebnis der Wiederbefüllung nach einer Einspritzung, je nach nachzufüllender Kraftstoffmenge und verfügbarem Zeitintervall, unterschiedlich sein.
Beim aus der DE 197 328 02 bekannten Einspritzventil wird jedoch in jedem Fall eine ordnungsgemäße Wiederbefüllung des Kopplers zwischen zwei Einspritzungen vorausgesetzt, ohne daß dort eine Erfassung einer möglichen Falsch- oder Nichtbefüllung vorgesehen wäre. Mit anderen Worten: ohne weitere Überprüfung wird von einem in Abhängigkeit von der Ansteuerspannung genau vorhersagbaren Ventilhub ausgegangen. Ein nicht oder nicht ausreichend wiederbefüllter Koppler kann somit lediglich indirekt über Fehler infolge von fehlerhaften Einspritzungen, wie beispielsweise Drehzahlschwankungen, ermittelt werden, ohne daß dabei eine eindeutige Zuordnung zur Fehlerursache möglich wäre. Ein gezielter Korrektureingriff ist somit bei diesem Einspritzventil nicht möglich, so daß nicht in allen Betriebszuständen eine zuverlässige Kraftstoffeinsprizung erfolgt.
Aus der WO 99/67527 ist ein Verfahren und eine Anordnung zum Steuern eines kapazitiven Aktors bekannt, bei dem Energie auf den Aktor aufgebracht wird und ein Rückschluss auf ein Funktionieren des Aktors oder eines Einspritzventils auf der Basis der auf den Aktor aufgebrachten Energie und einem Vergleich zwischen einer Spannung des Aktors und Referenzwerten gezogen wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Anzahl von Einspritzventilen, bei denen jeweils ein piezoelektrischer Aktor über einen hydraulischen Koppler ein Verschließglied antreibt, anzugeben, mit dem eine besonders zuverlässige Kraftstoffeinspritzung gewährleistet ist. Zudem soll ein für die Durchführung des Verfahrens besonders geeignetes Kraftstoffeinspritzsystem angegeben werden.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem nach einem Aufladevorgang eines Aktors dessen Klemmenspannung überwacht und zur Bildung einer Diagnoseaussage für das jeweilige Einspritzventil herangezogen wird, wobei die Diagnoseaussage anhand des zeitlichen Abfalls der Klemmenspannung nach Beendigung des Aufladevorgangs gebildet wird.
Zur Überwachung der Klemmenspannung wird nach Beendigung des Ladevorgangs des piezoelektrischen Aktors dessen Spannungsversorgung abgekoppelt und stattdessen eine Spannungsmesseinrichtung mit seinen Anschlussklemmen verbunden.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass das Kraftstoffeinspritzsystem hinsichtlich der Kraftstoffeinspritzung besonders zuverlässig betrieben werden kann, indem eine direkte und zeitnahe Überwachung des Ventilhubs der Einspritzventile vorgenommen wird. Dazu wird zeitnah, also noch während oder unmittelbar nach dem aktuellen Einspritzzyklus, für jedes Einspritzventil eine Diagnoseaussage bezüglich seines Ventilhubs gebildet. Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, kann dazu als geeigneter Parameter, auf dessen Grundlage die Diagnoseaussage gebildet wird, die zeitliche Entwicklung der Klemmenspannung des jeweiligen Aktors vorgesehen sein. Während der Ladephase baut sich nämlich im hydraulischen Koppler ein Druck auf, der auch nach Beendigung des Ladevorgangs auf den piezoelektrischen Aktor zurückwirkt und in diesem bei abgetrennter Spannungsversorgung eine für die Druckverhältnisse im Koppler und demzufolge auch für die Umsetzung der Ansteuerspannung in Ventilhub charakteristische Piezo-Spannung erzeugt. Die Klemmenspannung am piezoelektrischen Aktor kann somit ohne das Erfordernis eines weiteren Sensors als Meßparameter für das Ventilverhalten hinsichtlich der Umsetzung der Ansteuerspannung in Ventilhub herangezogen werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteilhafterweise wird die überwachte Klemmenspannung zur Bildung einer Diagnoseaussage über den Füllstand des Kopplers des jeweiligen Einspritzventils herangezogen. Der Kopplerdruck seinerseits ist nämlich - bei unverändert gehaltenen weiteren äußeren Bedingungen - abhängig vom im Koppler befindlichen Medium; insbesondere resultiert eine nur teilweise Befüllung des Kopplers mit Kraftstoff (effektives Medium: Kraftstoff-Luft-Gemisch) in anderen Druckverhältnissen als eine vollständige Befüllung des Kopplers mit Kraftstoff als Medium. Somit ist die für die Druckverhältnisse im Koppler charakteristische Klemmenspannung besonders günstig für die Füllstandsüberwachung heranziehbar.
Eine besonders zuverlässige Diagnoseaussage ist dabei erzielbar, indem diese vorteilhafterweise anhand des zeitlichen Abfalls der Klemmenspannung nach Beendigung des Aufladevorgangs gebildet wird. Nach Beendigung der Ladephase für den piezoelektrischen Aktor baut sich nämlich der Druck im hydraulischen Koppler infolge abströmenden Mediums wieder ab; dieser Druckabfall ist über die Überwachung der Klemmenspannung am Aktor in der Form einer als Funktion der Zeit eintretenden Spannungsreduzierung nachweisbar. Diese Spannungsreduzierung hängt in besonders ausgeprägtem Maße vom Befüllungsgrad im Koppler ab: bei voll befülltem Koppler ist ein vergleichsweise ausgeprägter Spannungseinbruch nachweisbar. Dagegen ist dieser Effekt bei nur teilweise befülltem Koppler deutlich geringer, da in diesem Fall bereits bei der Aufladung nur Luft oder ein Luft-Kraftstoff-Gemisch komprimiert wurde.
Zweckmäßigerweise wird die Diagnoseaussage dabei anhand eines Vergleichs der Differenz aus einem ersten Meßwert für die Klemmenspannung unmittelbar nach Beendigung des Aufladevorgangs und einem zweiten Meßwert für die Klemmenspannung nach Ablauf einer Wartezeit mit einem Grenzwert gebildet. Für die Wartezeit kann dabei ein fester Wert von vorteilhafterweise etwa 0,25 ms vorgegeben sein. Alternativ kann die Wartezeit aber auch in Abhängigkeit von für den Einspritzzyklus charakteristischen Parametern wie beispielsweise der Ansteuerdauer oder der Dauer einer Spritzpause zwischen zwei Einspritzungen gewählt werden. Insbesondere kann die Wartezeit derart gewählt werden, daß der zweite Meßwert unmittelbar vor einem folgenden Steuereingriff, beispielsweise einer Erhöhung der Ansteuerspannung, ermittelt wird.
Wird eine Klemmenspannungsdifferenz oberhalb des Grenzwertes festgestellt, so wird daraus auf einen voll befüllten und somit funktionstüchtigen Koppler geschlossen. Ist die Klemmenspannungsdifferenz hingegen kleiner als der Grenzwert, so wird ein Fehler des jeweiligen Kopplers festgestellt. In besonders günstiger Weise wird dabei der Grenzwert aufgrund von charakteristischen Betriebseigenschaften des jeweiligen Kopplers geeignet gewählt, wobei insbesondere als Grenzwert ein Spannungswert von etwa 25 bis 30 V vorgegeben werden kann. Alternativ kann der Grenzwert auch von einer zentralen Steuereinheit betriebspunktabhängig vorgegeben werden, wobei vorteilhafterweise ein aus einer vorangegangenen Eichmessung gewonnenes Kennfeld zugrunde gelegt wird.
Bei Feststellung eines Fehlers ist durch Vergleich mit einem weiteren Grenzwert noch eine Unterscheidung nach Auswirkungen des Fehlers möglich: unterschreitet die Klemmenspannungsdifferenz auch einen zweiten, noch geringeren Grenzwert oder Minimalwert, so wird ein "fataler Fehler" diagnostiziert, der beispielsweise eine sofortige Stillegung des Verbrennungsmotors auslösen kann. Liegt die Klemmenspannungsdifferenz hingegen zwar unterhalb des ersten, aber oberhalb des zweiten Grenzwertes, so wird ein einfacher Fehler diagnostiziert, der zwar einen Weiterbetrieb des Verbrennungsmotors erlaubt, der aber für spätere Diagnosezwecke in einem Bordspeicher hinterlegt wird.
Vorteilhafterweise wird die Diagnoseaussage unmittelbar für einen Korrektureingriff in das Kraftstoffeinspritzsystem genutzt. Dabei wird insbesondere bei Feststellung eines einfachen Fehlers anhand der Diagnoseaussage ein Sollwert für die Ansteuerspannung des jeweiligen Aktors für einen nachfolgenden Einspritzzyklus vorgegeben, wobei der Sollwert derart gewählt wird, dass sich trotz der festgestellten nicht ausreichenden Befüllung des Kopplers nach Ansteuerung der vorgesehene Ventilhub ergibt.
Bezüglich des Kraftstoffeinspritzsystems wird die genannte Aufgabe gelöst, mit den Merkmalen gemäß Anspruch 8.
Um die bei der zeitnahen Diagnose ermittelten Aussagen auch für spätere Anwendungen, beispielsweise Inspektionen oder Überholungsmaßnahmen, vorzuhalten, ist die Diagnoseeinrichtung zweckmäßigerweise mit einem Datenspeichermodul verbunden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Auswertung der Klemmenspannung auf einfache Weise und ohne zusätzlichen konstruktiven Aufwand eine zeitnahe und zuverlässige Diagnose und Funktionsüberwachung jedes einzelnen Einspritzventils ermöglicht ist. Das Kraftstoffeinspritzsystem kann somit besonders zuverlässig betrieben werden, wobei bei geringfügigeren Abweichungen sofort Korrekturmaßnahmen, beispielsweise hinsichtlich einer Nachführung der Ansteuerspannung für jeden Aktor, vorgenommen werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Figur 1
ein Einspritzventil eines Kraftstoffeinspritzsystems,
Figur 2
schematisch ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Anzahl von Einspritzventilen nach Figur 1, und
Figuren 3a und 3b
jeweils ein Zeitdiagramm für eine Klemmenspannung.
Das Einspritzventil 1 nach Figur 1 weist einen piezoelektrischen Aktor 2 auf, der eine Anzahl von hintereinandergeschalteten Piezoelementen 4 umfaßt. Der Aktor 2 ist einerseits mit einer Gehäusewand 6, durch die Anschlußklemmen 7 des Aktors 2 hindurchgeführt sind, und andererseits mit einem Stellkolben 8 kraftschlüssig verbunden. Der Stellkolben 8 schließt mit seiner vom Aktor 2 abgewandten Stirnfläche 9 einen hydraulischen Koppler 10 ab. Der hydraulische Koppler 10 wirkt seinerseits auf einen in einem Verbindungskanal 12 geführten Stellkolben 14, an dessen vom Koppler 10 abgewandtem Ende ein Verschließglied 16 angeordnet ist. Dieses ist als doppelt schließendes Steuerventil ausgebildet. Es verschließt in einer ersten Schließposition, die einer Ruheposition des Aktors 2 entspricht, einen ersten Ventilsitz 18 eines Ventilraumes 20. In einer zweiten Schließposition, die einer maximalen Ansteuerung des Aktors 2 entspricht, verschließt das Verschließglied 16 hingegen einen zweiten Ventilsitz 22 des Ventilraums 20.
Über einen Durchlaß im zweiten Ventilsitz 22 ist der Ventilraum 20 mit einem Führungskanal 24 verbunden, der eingangsseitig über ein Anschlußstück 26 an einen nicht dargestellten Druckkanal eines Common-Rail-Kraftstoffversorgungssystems eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Im Führungskanal 24 ist eine Düsennadel 28 angeordnet, die einen Kraftstoffauslauf 30 eines vom Anschlußstück 26 abzweigenden Kraftstoffkanals 32 abhängig von einer über die Anschlußklemmen 7 an den Aktor 2 angelegten Ansteuerspannung Ua freigibt oder verschließt. Zur Einstellung funktionsgerechter Druckverhältnisse beim Betrieb des Einspritzventils 1 sind das Anschlußstück 26 mit einer Zulaufdrossel 34 und der Führungskanal 24 mit einer Ablaufdrossel 36 versehen.
Das Einspritzventil 1 ist, gemeinsam mit weiteren Einspritzventilen 1, Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems 40, wie es schematisch in Figur 2 dargestellt ist. Dabei sind die Einspritzventile 1, von denen in Figur 2 der Übersichtlichkeit halber nur vier dargestellt sind, kraftstoffseitig an eine gemeinsame Versorgungsleitung 42 angeschlossen. Die Anzahl der für das Kraftstoffeinspritzsystem 40 vorgesehenen Einspritzventile ist dabei abhängig von den weiteren Erfordernissen der zu versorgenden Brennkraftmaschine, insbesondere kann ein Einspritzventil 1 für jeden zu bespeisenden Zylinder vorgesehen sein.
Zur elektrischen Ansteuerung der Einspritzventile 1 umfaßt das Kraftstoffversorgungssystem 40 eine zentrale Steuereinheit 44. Diese wiederum weist ein Ansteuermodul 46 auf, das über Leitungen 48 mit den Anschlußklemmen 7 der Einspritzventile 1 abschaltbar verbunden ist. Weiterhin umfaßt die Steuereinheit 44 eine Diagnoseeinheit 50, die an eine Anzahl von den Einspritzventilen 1 jeweils zugeordneten und mit deren Anschlußklemmen 7 verbundenen Spannungsmeßeinrichtungen 52 angeschlossen ist. Zudem weist die Steuereinheit 44 ein Datenspeichermodul 54 auf.
Beim Betrieb des Kraftstoffversorgungssystems 40 legt die Steuereinheit 44 in einem Einspritzzyklus über das Ansteuermodul 46 eine Ansteuerspannung Ua an die Anschlußklemmen 7 jedes Einspritzventils 1 an. In Abhängigkeit von dieser Ansteuerspannung Ua dehnt sich der Aktor 2 des angesteuerten Einspritzventils 1 in seiner Längsrichtung aus, so daß sich der Stellkolben 8 in Richtung des hydraulischen Kopplers 10 bewegt. Infolge der dadurch bewirkten Druckerhöhung im Koppler 10 bewegt sich auch der Stellkolben 14 mit dem daran angeordneten Verschließglied 16 in Richtung auf den zweiten Ventilsitz 22 zu.
Über die Versorgungsleitung 42 herrscht im Anschlußstück 26 jedes Einspritzventils 26 ein hoher Druck, der bei einem Common-Rail-System beispielsweise zwischen 200 und 1800 bar betragen kann. Dieser Druck wirkt gegen die Düsennadel 28 und hält sie geschlossen, so daß durch den Kraftstoffauslauf 30 kein Kraftstoff austreten kann. Wenn aber nun infolge der an den Aktor 2 angelegten Steuerspannung Ua das Verschließglied 16 vom ersten Ventilsitz 18 zum zweiten Ventilsitz 22 oder umgekehrt bewegt wird, dann baut sich der Druck im Hochdruckbereich des Führungskanals 24 ab, so daß die Düsennadel 28 in Richtung auf den Ventilraum 20 zurückweicht und den Kraftstoffauslauf 30 freigibt. In diesem Fall erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung in den zugeordneten Zylinder.
Über Leckspalte wird bei der Bewegung des Stellkolbens 14 ein Teil des im hydraulischen Koppler 10 befindlichen Mediums oder Kraftstoffs herausgedrückt. Für einen bestimmungsgemäßen Zusammenhang zwischen Ansteuerspannung Ua und eingespritzter Kraftstoffmenge ist jedoch eine ordnungsgemäße Befüllung des hydraulischen Kopplers 10 erforderlich. Daher ist zwischen zwei Einspritzungen eine Wiederbefüllung des jeweiligen Kopplers 10 über einen nicht dargestellten Kanal vorgesehen.
Zur Überprüfung, ob die Koppler 10 der Einspritzventile 1 auch tatsächlich ordnungsgemäß wiederbefüllt wurden, ist das Kraftstoffeinspritzsystem 40 derart ausgelegt, daß eine direkte und zeitnahe Überwachung aller Koppler 10 der Einspritzventile 1 vorgenommen wird. Dazu wird zeitnah, also noch während oder unmittelbar nach dem aktuellen Einspritzzyklus, für jedes Einspritzventil 1 eine Diagnoseaussage bezüglich des jeweiligen hydraulischen Kopplers 10 gebildet.
Zur Bildung dieser Diagnoseaussage wird nach erfolgtem Ladevorgang des Aktors 2 des jeweiligen Einspritzventils 1 das Ansteuermodul 46 von den Anschlußklemmen 7 des Aktors 2 getrennt. Statt des Ansteuermoduls 46 wird an die Anschlußklemmen 7 des Aktors 2 die zugehörige Spannungsmeßeinrichtung 52 angeschlossen, deren Meßdaten an die angeschlossene Diagnoseeinheit 50 ausgegeben werden. Somit erfolgt in dieser Phase eine Überwachung der Klemmenspannung Uk des Aktors 2 als Funktion der verstreichenden Zeit. Aus dem zeitlichen Verhalten der Klemmenspannung Uk wird dabei in der Diagnoseeinheit 50 eine Diagnoseaussage über den Befüllungsgrad des Kopplers 10 des jeweiligen Einspritzventils 1 gebildet.
Wie sich nämlich herausgestellt hat, baut sich nach Beendigung der Ladephase für den piezoelektrischen Aktor 2 der Druck im hydraulischen Koppler 10 infolge abströmenden Mediums wieder ab; dieser Druckabfall ist über die Überwachung der Klemmenspannung Uk am Aktor 2 in der Form einer als Funktion der Zeit eintretenden Reduzierung der Klemmenspannung Uk nachweisbar. Das Ausmaß dieses zeitlichen Abfalls der Klemmenspannung Uk ist dabei auch abhängig vom sogenannten Übersetzungsverhältnis im Koppler 10, also dem Verhältnis aus dem erzeugbaren Hub des Verschließgliedes 16 zu der auf den Koppler 10 einwirkenden Längenänderung des Aktors 2. Wie aus den Figuren 3a (zeitlicher Abfall der Klemmenspannung Uk bei voll befülltem Koppler 10) und 3b (zeitlicher Abfall der Klemmenspannung Uk bei nicht ausreichend befülltem Koppler 10) ersichtlich ist, hängt die Reduzierung der Klemmenspannung Uk zudem in besonders ausgeprägtem Maße vom Befüllungsgrad im Koppler 10 ab: bei voll befülltem Koppler 10 ist ein vergleichsweise ausgeprägter Spannungseinbruch von gemäß Figur 3a etwa 50 V nachweisbar. Dagegen ist dieser Effekt bei nur teilweise befülltem Koppler 10 deutlich geringer und beträgt gemäß Figur 3b nur etwa 15 V.
Aus der Überwachung der Klemmenspannung Uk am Aktor 2 wird somit in der Diagnoseeinheit 50 für das jeweilige Einspritzventil 1 auf folgende Weise eine Diagnoseaussage gebildet: nach erfolgter Ladephase des Aktors 2 wird die Klemmenspannung Uk gemessen. Nach einer Wartezeit von beispielsweise etwa 0,25 ms wird die Klemmenspannung Uk erneut gemessen. Sodann wird die Differenz beider Meßwerte gebildet und mit einem Grenzwert verglichen. Im Ausführungsbeispiel ist dafür ein fester Grenzwert von etwa 30 V vorgegeben; alternativ kann aber auch ein betriebspunktabhängiger Grenzwert aus einem durch vorherige Eichung gewonnenen, im Datenspeichermodul 54 hinterlegten Kennfeld zugrundegelegt werden. Die Wartezeit ist dabei derart gewählt, daß die Messung der Klemmenspannung Uk unmittelbar vor einem darauffolgenden Steuereingriff, nämlich vor einer weiteren Anhebung der Klemmspannung Uk, erfolgt.
Ist die ermittelte Differenz der Klemmenspannungen Uk größer als der Grenzwert, so wird als Diagnose auf eine ordnungsgemäße Wiederbefüllung des Kopplers 10 geschlossen; keine weitere Maßnahme wird eingeleitet.
Ist die ermittelte Differenz der Klemmenspannungen Uk jedoch kleiner als der Grenzwert, so wird als Diagnose auf eine mangelhafte Wiederbefüllung des Kopplers 10 geschlossen. In diesem Fall wird ein weiterer Vergleich der Differenz der Klemmenspannungen Uk mit einem zweiten Grenzwert oder Minimalwert vorgenommen. Durch diesen Vergleich wird noch eine Unterscheidung nach Auswirkungen des Fehlers vorgenommen: unterschreitet die Differenz der Klemmenspannungen Uk auch den zweiten, noch geringeren Grenzwert oder Minimalwert, so wird ein "fataler Fehler" diagnostiziert, der beispielsweise eine sofortige Stillegung des Verbrennungsmotors auslöst. Liegt die Differenz der Klemmenspannungen Uk hingegen zwar unterhalb des ersten, aber oberhalb des zweiten Grenzwertes, so wird ein einfacher Fehler diagnostiziert, der zwar einen Weiterbetrieb des Verbrennungsmotors erlaubt, der aber für spätere Diagnosezwecke in dem Datenspeichermodul 54 hinterlegt wird.
Bei Feststellung eines einfachen Fehlers in der Diagnoseeinheit 50 wird zudem ein Sollwert für die Ansteuerspannung Ua des jeweiligen Aktors 2 für einen nachfolgenden Einspritzzyklus vorgegeben, wobei der Sollwert derart gewählt wird, daß sich trotz der festgestellten nicht ausreichenden Befüllung des Kopplers 10 nach einer Ansteuerung der vorgesehene Ventilhub ergibt.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems (40) mit einer Anzahl von Einspritzventilen (1), bei denen jeweils ein piezoelektrischer Aktor (2) über einen hydraulischen Koppler (10) ein Verschließglied (16) treibt, wobei nach einem Aufladevorgang eines Aktors (2) dessen Klemmenspannung (Uk) überwacht und zur Bildung einer Diagnoseaussage für das jeweilige Einspritzventil (1) herangezogen wird, und wobei die Diagnoseaussage anhand des zeitlichen Abfalls der Klemmenspannung (Uk) nach Beendigung des Aufladevorgangs gebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem anhand der überwachten Klemmenspannung (Uk) eine Diagnoseaussage über den Füllstand des Kopplers (10) des jeweiligen Einspritzventils (1) gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Differenz zwischen der unmittelbar nach Beendigung des Aufladevorgangs gemessenen Klemmenspannung (Uk) und der nach Ablauf einer vorgebbaren Wartezeit gemessenen Klemmenspannung (Uk) mit einem Grenzwert verglichen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der unmittelbar nach Beendigung des Aufladevorgangs gemessenen Klemmenspannung (Uk) und der nach Ablauf einer vorgebbaren Wartezeit gemessenen Klemmenspannung (Uk) ein Sollwert für die Ansteuerspannung (Ua) des jeweiligen Aktors (2) für einen nachfolgenden Einspritzzyklus vorgegeben wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem als Wartezeit eine Zeit von etwa 0,25 ms, gerechnet von der Beendigung des Aufladevorgangs an, gewählt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem als Grenzwert ein fester Spannungswert von etwa 25 bis 30 V vorgegeben wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem als Grenzwert ein betriebspunktabhängiger Spannungswert vorgegeben wird, der aus einem anhand einer vorherigen Eichung ermittelten Kennfeld abgeleitet wird.
  8. Kraftstoffeinspritzsystem (40) mit einer Anzahl von Einspritzventilen (1), bei denen jeweils ein piezoelektrischer Aktor (2) über einen hydraulischen Koppler (10) ein Verschließglied (16) treibt, wobei der Aktor (2) jedes Einspritzventils (1) mit einer zugeordneten Spannungsmesseinrichtung (52) verbunden ist, die ihrerseits ausgangsseitig an eine Diagnoseeinheit (50) angeschlossen ist und wobei Mittel vorgesehen sind, die eine Diagnoseaussage für das jeweilige Einspritzventil (1) anhand eines zeitlichen Abfalls einer Klemmenspannung (Uk) des Aktors (2) nach Beendigung eines Aufladevorgangs des Aktors (2) bilden.
  9. Kraftstoffeinspritzsystem (40) nach Anspruch 8, dessen Diagnoseeinheit (50) mit einem Datenspeichermodul (54) verbunden ist.
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