EP1172541A1 - Piezoelektrischer Aktor eines Einspritzventils sowie Kraftstoffeinspritzsystem - Google Patents

Piezoelektrischer Aktor eines Einspritzventils sowie Kraftstoffeinspritzsystem Download PDF

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EP1172541A1
EP1172541A1 EP00113994A EP00113994A EP1172541A1 EP 1172541 A1 EP1172541 A1 EP 1172541A1 EP 00113994 A EP00113994 A EP 00113994A EP 00113994 A EP00113994 A EP 00113994A EP 1172541 A1 EP1172541 A1 EP 1172541A1
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EP
European Patent Office
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actuator
fuel injection
injection
injection system
injector
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EP00113994A
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Jürgen BOSS
Klaus Zimmermann
Johannes-Jörg Rüger
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • 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
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
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    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2055—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit with means for determining actual opening or closing time

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a Fuel injector, in which a piezoelectric actuator via a hydraulic coupler Closing member drives. It continues to refer to Fuel injection system with a number of such Injectors.
  • An essential component can be in a Internal combustion engine for introducing the fuel into the combustion chambers of the cylinders have a fuel injection system are used.
  • a fuel injection system typically includes a number of injectors that individually or in the manner of a so-called common rail system (CR-Systems) via a central Supply system can be fueled.
  • CR-Systems common rail system
  • each injector is typically in an associated injector integrated, via the fuel injection in a predeterminable manner is adjustable.
  • the injectors can be used for an electrical Control can be provided with a piezoelectric actuator.
  • Such an injector for the Fuel injection into the combustion chamber 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 Locking member on, which is in one of two alternatives Valve seats are each in a closed position and thereby closing the injection nozzle. In a This takes the middle position between the two valve seats Locking member, however, an open position.
  • a piezoelectric actuator drivable.
  • the piezoelectric Actuator charged to a control voltage by the pressure in the Common rail system is dependent. Due to the The control voltage expands in the longitudinal direction. This linear expansion is done using a hydraulic coupler transferred to the closure member, so that on the one hand the stroke generated by the actuator is amplified and on the other hand that Closure member of a possible static Thermal expansion of the actuator is decoupled.
  • a charge of the piezoelectric actuator thus causes the hydraulic coupler a transfer of the closing member first from the first closed position to the Open position and then from the open position to the second closed position.
  • discharging the piezoelectric actuator due to the associated Longitudinal contraction using the hydraulic coupler a transfer of the closure member initially from the second closed position in the open position and then from the open position to the first closed position.
  • the internal combustion engine is the injection for each cylinder the correct or required amount of fuel on the one hand at the right time, based on the Total injection cycle, otherwise required.
  • the Injection valve known from DE 197 328 02 can, however a so-called bouncing of the closure member occur at which the closure member after a transfer from the Opening position in one of the closing positions is not comes to rest immediately in the corresponding valve seat, but first again in the manner of springing back Releases the opening gap before it is finally in the Valve seat remains. It can with regard to Injection quantity of the fuel or in terms of Injection time related to the injection cycle overall a deviation from the specified target values occur so that not in all operating states proper fuel injection.
  • the invention is therefore based on the object Method for operating an injection valve for Fuel in which a piezoelectric actuator has a hydraulic coupler drives a closing member, specify with which also when bouncing the closure member a particularly reliable fuel injection is guaranteed.
  • a for the implementation of the Process particularly suitable fuel injection system can be specified.
  • this object is achieved according to the invention solved by its after a charging process of an actuator Terminal voltage monitored and for detection of reaching a closed position of the closure member becomes.
  • the invention is based on the consideration that for a particularly reliable fuel injection one possible Bouncing of the closure member in the formation of Control values for the actual injection process should be taken into account. With such bouncing the pressure build-up in the injection system is delayed, which only begin after the valve seat has been closed can. This results in those that are otherwise kept constant Parameters affect the opening time of the Injection valve and thus the injection quantity. Both Consequences are, however, by adapting for Injection relevant parameters, especially valve lift and duration of the actual injection, can be compensated. With in other words, reaching the closed position of the Locking member should be grasped based on this finding subsequently adjusted control values for the To be able to form injection with which also bouncing occurred compliance with the specified Injection quantity and the specified injection time is guaranteed.
  • this can be done as a suitable parameter on the basis of which the detection reaching the closing position or the seat recognition can be made, the temporal development of the Terminal voltage of the respective actuator can be used.
  • the loading phase it builds in the hydraulic Coupler a pressure on that even after the termination of the Charges back on the piezoelectric actuator and in this one with a separate power supply for the Pressure conditions in the coupler and therefore also for the Implementation of the control voltage in valve lift characteristic piezo voltage generated.
  • the Terminal voltage at the piezoelectric actuator can therefore be without the requirement of an additional sensor as a measurement parameter for the valve behavior can be used.
  • the temporal Course of the terminal voltage advantageously on the Occurrence of a minimum monitored in the course of the curve.
  • the Coupler pressure increases after charging the Actuator over time initially, since the actuator after The charging process is almost complete Stroke has reached, whereas the closing member is closed at this point still moved to the closed position and the coupler is thus relaxed.
  • the closing member has reached the closed position and due to the Bouncing back towards the open position, however, the one in the coupler is compressed Medium, resulting in an increase in terminal voltage noticeable.
  • the minimum occurring in the course of the voltage thus identifies the point in time when the Closing member its closed position or its valve seat has reached.
  • the determined time of reaching the closed position Correction value for a control parameter of the Fuel injection system derived. It can in particular a correction value for the control voltage of the Actuator and / or for the activation time and / or for the Duration of the charging process.
  • the Information obtained through seat recognition in Art an actual value in a particularly favorable manner the control of the subsequent injection cycles be taken into account.
  • the diagnostic unit is used to form a statement Seat detection of each injector based on the time Course of the terminal voltage signal determined for this intended.
  • the statements made during the prompt diagnosis are also correct for later applications, e.g. inspections or Overhaul measures to be maintained is the Diagnostic device in a further expedient embodiment connected to a data storage module.
  • the advantages achieved with the invention exist especially in that by monitoring the Terminal voltage in a simple way and without additional constructive effort a timely and reliable Seat detection for each individual injection valve enables is.
  • the fuel injection system can also bouncing of a closing member in particular operate reliably, after bouncing especially immediate corrective actions, for example with regard to tracking the control voltage for any actuator that can be made.
  • the injection valve 1 according to FIG. 1 has one piezoelectric actuator 2, which has a number of Piezo elements 4 connected in series comprises.
  • 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 control piston 8 non-positively connected.
  • the actuating piston 8 closes with its actuator 2 end face 9 facing away from a hydraulic coupler 10.
  • the hydraulic coupler 10 in turn acts on one in a connecting channel 12 guided adjusting piston 14 whose end facing away from the coupler 10 is a closing member 16 is arranged.
  • This is as a double closing Control valve designed. It closes in a first Closed position, which is a rest position of the actuator 2 corresponds to a first valve seat 18 of a valve chamber 20. In a second closed position, that of a maximum Activation of the actuator 2 corresponds to that closes Closing member 16, however, a second valve seat 22 of the Valve chamber 20.
  • the Valve chamber 20 connected to a guide channel 24, the not on the input side via a connector 26 to one shown pressure channel of a common rail fuel supply system a motor vehicle connected.
  • the injection valve 1 but also part of a fuel supply system individual feeding of the injection nozzles.
  • a nozzle needle 28 is arranged, the a fuel outlet 30 from the connector 26 branching fuel channel 32 depending on one over the Terminals 7 applied to the actuator 2 control voltage Releases or locks, among other things.
  • the connector 26 with a Inlet throttle 34 and the guide channel 24 with a Flow restrictor 36 are the connector 26 with a Inlet throttle 34 and the guide channel 24 with a Flow restrictor 36 provided.
  • 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 Figure 2 the For the sake of clarity, only four are shown, on the fuel side to a common supply line 42 connected. The number of for that Fuel injection system 40 provided injection valves 1 depends on the other requirements of the supplying internal combustion engine, in particular can Injector 1 for each cylinder to be fed be provided.
  • a central Control unit 44 For electrical control of the injection valves 1 includes the fuel supply system 40 a central Control unit 44. This in turn has a control module 46 on that via lines 48 to the terminals 7 of the Injector 1 is connected to be switched off.
  • the control unit 44 includes a diagnostic unit 50 which is on a number assigned to each of the injection valves 1 and connected to their terminals 7 Voltage measuring devices 52 is connected.
  • everyone Voltage measuring device 52 is a differentiating element 53 assigned that in the exemplary embodiment as digital Differentiator and trained in the diagnostic unit is integrated. Alternatively, an analog one can also be used Differentiator may be provided.
  • the Control unit 44 has a data storage module 54.
  • the Control unit 44 When operating the fuel supply system 40, the Control unit 44 in an injection cycle over the Control module 46 a control voltage Ua to the Terminals 7 of each injector 1. In Depending on this control voltage Ua, the Actuator 2 of the controlled injection valve 1 in its Longitudinal direction, so that the adjusting piston 8 in the direction of the hydraulic coupler 10 moves. As a result of this caused pressure increase in the coupler 10 also moves Adjusting piston 14 with the closure member 16 arranged thereon towards the second valve seat 22.
  • each injector 26 has a high pressure at one Common rail system, for example, between 200 and 1800 bar can be. This pressure acts against the nozzle needle 28 and keeps it closed so that through the fuel spout 30 no fuel can leak. But if now as a result of the control voltage Ua applied to the actuator 2 Closing member 16 from the first valve seat 18 to the second Valve seat 22 or vice versa, then builds Pressure in the high pressure area of the guide channel 24, so that the nozzle needle 28 in the direction of the valve chamber 20 backs away and releases the fuel outlet 30. In in this case, fuel is injected into the assigned cylinder.
  • Closure member 16 In fuel injection, a bounce of the Closure member 16 occur. Here it comes Closure member 16 after a transfer from the Opening position in one of the closing positions is not directly in the corresponding valve seat 18 or 22 Rest, but gives first in the manner of a spring back again an opening gap of the valve chamber 20 free before it finally remains in the valve seat 18 or 22. It can with respect to the amount of fuel injected or also with respect to the injection timing related to the overall injection cycle is a deviation from the predetermined setpoints occur.
  • the seat is recognized after the actuator has been charged 2 of the respective injection valve 1, the control module 46 of the terminals 7 of the actuator 2 separately. Instead of Control module 46 is for the duration of a predetermined Measuring window to the terminals 7 of the actuator 2 Associated voltage measuring device 52 connected Measurement data output to the connected diagnostic unit 50 become.
  • the measurement data can be directly, for example as analog voltage signal, transmitted to the diagnostic unit become.
  • a direct one takes place in this phase Monitoring of the terminal voltage Uk of the actuator 2 as a function the passing time.
  • the formation of the time derivative of the Terminal voltage Uk of the respective actuator 2 is provided. To the voltage signals are that of the voltage measuring device 52 assigned differentiator 53 supplied. These The differentiated signals formed are then sent to the Diagnostic unit 50 transmitted. In both alternatives from the time behavior of the terminal voltage Uk in the Diagnostic unit 50 on reaching the respective Closed position of the closure member 16 closed.
  • the time is used to identify the seat of the closing member 16 Course of the terminal voltage Uk on the occurrence of a At least monitored in the course of the curve.
  • the pressure in the hydraulic Coupler 10 first, since the actuator 2 after completion of the The loading process has almost reached its full stroke has, whereas the closure member 16 to this Point in time to the closed position and the Coupler 10 is thus relaxed. This pressure drop is over the monitoring of the terminal voltage Uk on the actuator 2 in the Form of a reduction that occurs as a function of time of the terminal voltage Uk detectable.
  • This time course of the terminal voltage Uk is exemplary of an injection process in FIG. 3 shown.
  • a control voltage Ua is applied to the Terminal 7 of the actuator 2 created.
  • the Control voltage Ua is initially raised to 0V from the initial value an intermediate level of about 75 V, for example.
  • This charging process is at time t1 ended by reaching the target voltage.
  • the actuator 2 is disconnected from the control module 46 and the terminal voltage Uk from the voltage measuring device 52 recorded.
  • the injector 1 behaves with regard to the injection quantity actually delivered and the injection timing in a predictable manner.
  • the basis for the detection of the time t2 can thus by suitable adjustment of the control parameters for the Injector 1 a predetermined injection quantity and a predetermined injection time even when bouncing Closure member are observed.

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Abstract

Ein 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, soll auch beim Prellen des Verschließglieds (16) eine besonders zuverlässige Kraftstoffeinspritzung sicherstellen. Dazu wird erfindungsgemäß nach einem Aufladevorgang eines Aktors (2) dessen Klemmenspannung (Uk) überwacht und zur Erkennung des Erreichens einer Schließposition des Verschließgliedes (16) herangezogen. Bei einem für die Durchführung des Verfahrens besonders geeigneten Kraftstoffeinspritzsystem (40) ist der Aktor (2) jedes Einspritzventils (1) mit einer zugeordneten Spannungsmeßeinrichtung (52) verbunden, die ihrerseits ausgangsseitig an eine Diagnoseeinheit (50) angeschlossen ist. <IMAGE>

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 Verbrennnungsmotors 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.
Für eine ordnungsgemäße Funktionsweise des Verbrennungsmotors ist für jeden Zylinder die Einspritzung der richtigen oder geforderten Menge an Kraftstoff einerseits zum richtigen Zeitpunkt, bezogen auf den Einspritzzyklus insgesamt, andererseits erforderlich. Beim aus der DE 197 328 02 bekannten Einspritzventil kann jedoch ein sogenanntes Prellen des Verschließgliedes auftreten, bei dem das Verschließglied nach einer Überführung von der Öffnungsposition in eine der Schließpositionen nicht unmittelbar im entsprechenden Ventilsitz zur Ruhe kommt, sondern zunächst in der Art eines Zurückfederns erneut einen Öffnungsspalt freigibt, bevor es schließlich endgültig im Ventilsitz verbleibt. Dabei kann hinsichtlich der Einspritzmenge des Kraftstoffs oder auch hinsichtlich des Einspritzzeitpunkts bezogen auf den Einspritzzyklus insgesamt eine Abweichung von den vorgegebenen Sollwerten auftreten, so daß nicht in allen Betriebszuständen eine ordnungsgemäße Kraftstoffeinsprizung erfolgt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils für Kraftstoff, bei dem ein piezoelektrischer Aktor über einen hydraulischen Koppler ein Verschließglied antreibt, anzugeben, mit dem auch beim Prellen des Verschließglieds 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 Erkennung des Erreichens einer Schließposition des Verschließgliedes herangezogen 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 für eine besonders zuverlässige Kraftstoffeinspritzung ein mögliches Prellen des Verschließgliedes bei der Bildung von Stellwerten für den eigentlichen Einspritzvorgang berücksichtigt werden sollte. Bei einem derartigen Prellen verzögert sich nämlich der Druckaufbau im Einspritzsystem, der erst nach dem Verschließen des Ventilsitzes beginnen kann. Daraus resultiert bei ansonsten konstant gehaltenen Parametern eine Beeinträchtigung der Öffnungszeit des Einspritzventils und somit der Einspritzmenge. Beide Konsequenzen sind jedoch durch Anpassung der für die Einspritzung relevanten Parameter, insbesondere Ventilhub und Dauer der eigentlichen Einspritzung, kompensierbar. Mit anderen Worten: das Erreichen der Schließposition des Verschließgliedes sollte erfaßt werden, um auf der Grundlage dieser Feststellung nachfolgend angepaßte Stellwerte für die Einspritzung bilden zu können, mit denen auch bei aufgetretenem Prellen die Einhaltung der vorgegebenen Einspritzmenge und des vorgegebenen Einspritzzeitpunkts gewährleistet ist.
Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, kann dazu als geeigneter Parameter, auf dessen Grundlage die Erkennung des Erreichens der Schließposition oder die Sitzerkennung vorgenommen werden kann, die zeitliche Entwicklung der Klemmenspannung des jeweiligen Aktors herangezogen werden.
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 herangezogen werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Sitzerkennung des Verschließglieds wird der zeitliche Verlauf der Klemmenspannung vorteilhafterweise auf das Auftreten eines Minimums im Kurvenverlauf hin überwacht. Der Kopplerdruck nimmt nämlich nach erfolgter Aufladung des Aktors im zeitlichen Verlauf zunächst ab, da der Aktor nach Beendigung des Ladevorgangs annähernd seinen vollständigen Hub erreicht hat, wohingegen das Verschließglied sich zu diesem Zeitpunkt noch auf die Schließposition zubewegt und der Koppler somit entspannt wird. Sobald das Verschließglied die Schließposition erreicht hat und sich aufgrund des Prellens in Richtung auf die Öffnungsposition zurückbewegt, erfolgt jedoch eine Kompression des im Koppler befindlichen Mediums, die sich in einem Anstieg der Klemmenspannung bemerkbar macht. Das im Spannungsverlauf auftretende Minimum identifiziert somit den Zeitpunkt, in dem das Verschließglied seine Schließposition oder seinen Ventilsitz erreicht hat.
In alternativer vorteilhafter Weiterbildung wird die zeitliche Ableitung der Klemmenspannung gebildet und auf einen Nulldurchgang hin überwacht. Der Nulldurchgang des zeitlich abgeleiteten Spannungssignals identifiziert dabei ebenfalls das Minimum im zeitlichen Verlauf der Klemmenspannung und somit das Erreichen des Ventilsitzes.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird aus dem ermittelten Zeitpunkt des Erreichens der Schließposition ein Korrekturwert für einen Steuerparameter des Kraftstoffeinspritzsystems abgeleitet. Dabei kann insbesondere ein Korrekturwert für die Ansteuerspannung des Aktors und/oder für den Ansteuerzeitpunkt und/oder für die Dauer des Ladevorgangs bereitgestellt werden. Somit kann die durch die Sitzerkennung gewonnene Information in der Art eines Ist-Werts in besonders günstiger Weise unmittelbar bei der Steuerung der nachfolgenden Einspritzzyklen berücksichtigt werden.
Bezüglich des Kraftstoffeinspritzsystems wird die genannte Aufgabe gelöst, indem der Aktor jedes Einspritzventils mit einer zugeordneten Spannungsmeßeinrichtung verbunden ist, die ihrerseits ausgangsseitig an eine Diagnoseeinheit angeschlossen ist.
Die Diagnoseeinheit ist dabei zur Bildung einer Aussage zur Sitzerkennung jedes Einspritzventil anhand des zeitlichen Verlaufs des für dieses ermittelten Klemmenspannungssignals vorgesehen.
Um dabei die Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Klemmenspannungssignals anhand der zeitlichen Ableitung vornehmen zu können, ist zweckmäßigerweise der Spannungsmeßeinrichtung jedes Aktors jeweils ein Differenzierglied zugeordnet.
Um die bei der zeitnahen Diagnose ermittelten Aussagen auch für spätere Anwendungen, beispielsweise Inspektionen oder Überholungsmaßnahmen, vorzuhalten, ist die Diagnoseeinrichtung in weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung mit einem Datenspeichermodul verbunden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Überwachung der Klemmenspannung auf einfache Weise und ohne zusätzlichen konstruktiven Aufwand eine zeitnahe und zuverlässige Sitzerkennung für jedes einzelne Einspritzventil ermöglicht ist. Das Kraftstoffeinspritzsystem kann somit auch bei auftretendem Prellen eines Verschließgliedes besonders zuverlässig betrieben werden, wobei nach einem Prellen insbesondere 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
Figur 3
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. Alternativ kann das Einspritzventil 1 aber auch Teil eines Kraftstoffversorgungssystems mit individueller Bespeisung der Einspritzdüsen sein. 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 1 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. Jeder Spannungsmeßeinrichtung 52 ist ein Differenzierglied 53 zugeordnet, das im Ausführungsbeispiel als digitales Differenzierglied ausgebildet und in die Diagnoseeinheit integriert ist. Alternativ kann aber auch ein analoges Differenzierglied vorgesehen sein. 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.
Bei der Kraftstoffeinspritzung kann ein Prellen des Verschließgliedes 16 auftreten. Dabei kommt das Verschließglied 16 nach einer Überführung von der Öffnungsposition in eine der Schließpositionen nicht unmittelbar im entsprechenden Ventilsitz 18 bzw. 22 zur Ruhe, sondern gibt zunächst in der Art eines Zurückfederns erneut einen Öffnungsspalt des Ventilraums 20 frei, bevor es schließlich endgültig im Ventilsitz 18 bzw. 22 verbleibt. Dabei kann hinsichtlich der Einspritzmenge des Kraftstoffs oder auch hinsichtlich des Einspritzzeitpunkts bezogen auf den Einspritzzyklus insgesamt eine Abweichung von den vorgegebenen Sollwerten auftreten.
Um den damit verbundenen nachteiligen Konsequenzen beispielsweise durch eine situationsabhängige Nachführung von Sollwerten zu begegnen, ist das Kraftstoffeinspritzsystem 40 für eine zeitnahe Sitzerkennung für jedes Einspritzventil 1 ausgelegt. Dabei wird während des Betriebs ermittelt, zu welchem Zeitpunkt das Verschließglied 16 des jeweiligen Einspritzventils 1 seine Schließposition tatsächlich erreicht hat. Das folgend beschriebene Verfahren zur Sitzerkennung ist im übrigen in keiner Weise auf dem detaillierten Aufbau des vorliegenden Einspritzventils 1 beschränkt, sondern kann vielmehr auch bei alternativ ausgebildeten Einspritzventilen zum Einsatz kommen.
Zur Sitzerkennung 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 für die Zeitdauer eines vorgebbaren Meßfensters an die Anschlußklemmen 7 des Aktors 2 die zugehörige Spannungsmeßeinrichtung 52 angeschlossen, deren Meßdaten an die angeschlossene Diagnoseeinheit 50 ausgegeben werden. Die Meßdaten können dabei direkt, beispielsweise als analoges Spannungssignal, an die Diagnoseeinheit übermittelt werden. Somit erfolgt in dieser Phase eine direkte Überwachung der Klemmenspannung Uk des Aktors 2 als Funktion der verstreichenden Zeit. Im Ausführungsbeispiel ist jedoch zunächst die Bildung der zeitlichen Ableitung der Klemmenspannung Uk des jeweiligen Aktors 2 vorgesehen. Dazu werden die Spannungssignale dem der Spannungsmeßeinrichtung 52 zugeordneten Differenzierglied 53 zugeführt. Die dort gebildeten differenzierten Signale werden sodann an die Diagnoseeinheit 50 übermittelt. In beiden Alternativen wird aus dem zeitlichen Verhalten der Klemmenspannung Uk in der Diagnoseeinheit 50 auf das Erreichen der jeweiligen Schließposition des Verschließglieds 16 geschlossen.
Zur Sitzerkennung des Verschließglieds 16 wird der zeitliche Verlauf der Klemmenspannung Uk auf das Auftreten eines Minimums im Kurvenverlauf hin überwacht. Bei der Auswertung der zeitlichen Ableitung der Klemmenspannung Uk mittels des jeweiligen Differenzierglieds 53 wird dementsprechend das Auftreten eines Nulldurchgangs überprüft. Wie sich nämlich herausgestellt hat, baut sich nach Beendigung der Ladephase für den piezoelektrischen Aktor 2 der Druck im hydraulischen Koppler 10 zunächst ab, da der Aktor 2 nach Beendigung des Ladevorgangs annähernd seinen vollständigen Hub erreicht hat, wohingegen das Verschließglied 16 sich zu diesem Zeitpunkt noch auf die Schließposition zubewegt und der Koppler 10 somit entspannt wird. 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.
Sobald das Verschließglied 16 die Schließposition erreicht hat und sich aufgrund des Prellens in Richtung auf die Öffnungsposition zurückbewegt, erfolgt jedoch eine Kompression des im Koppler 10 befindlichen Mediums, die sich analog in einem Anstieg der Klemmenspannung Uk bemerkbar macht. Das im Spannungsverlauf auftretende Minimum identifiziert somit den Zeitpunkt, in dem das Verschließglied 16 seine Schließposition im jeweiligen Ventilsitz 18 bzw. 22 erreicht hat.
Dieser zeitliche Verlauf der Klemmenspannung Uk ist beispielhaft für einen Einspritzvorgang in Figur 3 dargestellt. Zunächst wird eine Ansteuerspannung Ua an die Anschlußklemmen 7 des Aktors 2 angelegt. Die Ansteuerspannung Ua wird zunächst vom Ausgangswert 0V auf ein Zwischenniveau von beispielsweise etwa 75 V erhöht. In einem zweiten Erhöhungsschritt wird die Ansteuerspannung Ua sodann auf den eigentlichen Sollwert von beispielsweise etwa 200 V gebracht. Zum Zeitpunkt t1 ist dieser Aufladevorgang durch Erreichen der Sollspannung beendet. Von diesem Zeitpunkt an wird der Aktor 2 vom Ansteuermodul 46 getrennt und die Klemmenspannung Uk von der Spannungsmeßeinrichtung 52 erfaßt.
Nach Beendigung der Ladephase für den piezoelektrischen Aktor 2 nimmt die Klemmenspannung Uk aufgrund der genannten Entwicklung der Druckverhältnisse zunächst ab, bis sie zum Zeitpunkt t2 ein Minimum M durchläuft und sodann wieder ansteigt. Dieses Minimum M korrespondiert zum Erreichen der Schließposition, in der das Verschließglied 16 den jeweiligen Ventilsitz 18 bzw. 22 erreicht hat. Der Zeitpunkt t2 wird somit von der Diagnoseeinheit 50 als Zeitpunkt des Erreichens der Schließposition des Verschließglieds 16 erkannt.
Von diesem Zeitpunkt an verhält sich das Einspritzventil 1 hinsichtlich der tatsächlich gelieferten Einspritzmenge und des Einspritzzeitpunktes in vorhersagbarer Weise. Auf der Grundlage der Erkennung des Zeitpunktes t2 können somit durch geeignete Anpassung der Ansteuerparameter für das Einspritzventil 1 eine vorgegebene Einspritzmenge und eine vorgegebene Einspritzzeit auch bei Prellen des Verschließgliedes eingehalten werden.
Das ermittelte Verhalten der Einspritzventile 1 sowie der vorgenommenen Korrektureingriffe wird weiterhin für spätere Diagnosezwecke in dem Datenspeichermodul 54 hinterlegt.

Claims (7)

  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 Erkennung des Erreichens einer Schließposition des Verschließgliedes (16) herangezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zeitliche Verlauf der Klemmenspannung (Uk) auf das Auftreten eines Minimums im Kurvenverlauf hin überwacht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zeitliche Ableitung der Klemmenspannung (Uk) gebildet und auf einen Nulldurchgang hin überwacht wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem aus dem ermittelten Zeitpunkt des Erreichens der Schließposition des Verschließgliedes (16) ein Korrekturwert für einen Steuerparameter des Kraftstoffeinspritzsystems (40) abgeleitet wird.
  5. 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.
  6. Kraftstoffeinspritzsystem (40) nach Anspruch 5, bei dem der Spannungsmeßeinrichtung (52) jedes Aktors (2) jeweils ein Differenzierglied (53) zugeordnet ist.
  7. Kraftstoffeinspritzsystem (40) nach Anspruch 5 oder 6, dessen Diagnoseeinheit (50) mit einem Datenspeichermodul (54) verbunden ist.
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