EP1530676B9 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine - Google Patents

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EP1530676B9
EP1530676B9 EP03792117A EP03792117A EP1530676B9 EP 1530676 B9 EP1530676 B9 EP 1530676B9 EP 03792117 A EP03792117 A EP 03792117A EP 03792117 A EP03792117 A EP 03792117A EP 1530676 B9 EP1530676 B9 EP 1530676B9
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drive signal
valve needle
valve
transition
closed position
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Marco Vorbach
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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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
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/3809—Common rail control systems

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1.
  • the present invention relates to a control device for an internal combustion engine.
  • the increased risk of contamination is due to the fact that the injection valve is in a state with a comparatively short stroke of the injection needle and thus a smaller opening of the injection valve over a relatively long period of time. In this state, the risk of particles getting trapped between the valve port and the valve needle and clogging the valve port is particularly high.
  • a higher edge steepness of the drive signal leads to a greater speed of the valve needle in the transition from the open to the closed position and vice versa, but upon impact of the valve needle on the valve seat arise due to the high speed of the valve needle so-called Needle beaters that cause the injector to open uncontrollably after reaching the closed position. Furthermore, overshoots of the valve needle can occur.
  • a method for driving a metering device in which the nozzle needle is braked by a suitable driving of the actuator before striking a stop and / or a sealing seat in their speed.
  • the described control requires a complex signal form.
  • the comparatively large slope of the drive signal for the piezoelectric actuator in the transition of the valve needle from the closed position to the intermediate position causes a rapid adjustment of the valve needle from the closed position to the intermediate position, so that the period in which the injection valve has a small needle stroke, is relatively short so that the likelihood of valve clogging by clogging of particles is reduced.
  • the drive signal during the transition of the valve needle from the open position to the closed position symmetrical to the drive signal during the transition of the valve needle from the closed position to the open position.
  • the waveform of the drive signal only for a transition of the valve needle ie either for the transition of the valve needle from the closed position to the open position or vice versa, must be stored.
  • the respective other drive signal can be formed, for example, by subtracting the stored signal values of the drive signal from a maximum signal value for the drive signal or the like. This is possible both with an analog and with a digital control of the piezoelectric actuator.
  • the drive signal at the transition of the valve needle from the open position to the intermediate position a greater edge steepness, as in the transition of the valve needle from the intermediate position to the closed position, which analogous to the opening operation of the injection valve, the same advantages in terms of the duration of the opening time the injection valve with a small needle stroke or the controlled reaching the closed position result through the valve needle.
  • valve needle does not bounce off the valve seat due to the comparatively low slope of the drive signal during the transition of the valve needle from the intermediate position to the closed position, so that no uncontrolled opening of the injection valve after reaching the closed position through the valve needle.
  • drive signal SA is used in an internal combustion engine (not shown) for driving a piezoelectric actuator, which moves a valve needle of an injection valve of the internal combustion engine from a closed position via an intermediate position to an open position and back again.
  • FIG. 1 t denotes the time axis and A denotes a value of the drive signal SA normalized to the maximum value of the drive signal SA.
  • the drive signal SA is an analog signal.
  • FIG. 1 marked several areas SZ, ZO, OZ, ZS of the drive signal SA, which will be described below.
  • the piezoelectric actuator (not shown) is controlled by a likewise not shown control unit of the internal combustion engine with the lying in the area SZ part of the drive signal SA, in which the drive signal SA has a comparatively large slope. This ensures that the valve needle of the injection valve is quickly adjusted from the closed position, which corresponds to a value zero of the drive signal SA, in the intermediate position, so that conditions low Nadelhubs and thus a risk of clogging by trapped particles are avoided.
  • the piezoelectric actuator is driven at the transition from the intermediate position to the opening position, which corresponds to a value one of the drive signal SA, with a drive signal SA comparatively low slope, whereby the range ZO of the drive signal SA is defined.
  • the low edge steepness of the drive signal SA in the region ZO causes the valve needle is not too fast when reaching the open position and moves out of the reached opening position by bouncing uncontrolled or uncontrollably opens by overshoot.
  • the drive signal SA is held at its maximum value of one for a while.
  • the drive signal SA initially passes through the area OZ during the closing operation, wherein the valve needle of the injection valve is moved from the open position to the intermediate position.
  • the slope of the drive signal SA is again relatively large in order to reduce the aforementioned risk of valve contamination.
  • the drive signal SA again has a comparatively low slope in order to avoid too rapid impact of the valve needle on the valve seat of the injection valve and thus bouncing of the valve needle, which leads to uncontrolled Openings of the injection valve leads.
  • FIG. 2 shows a corresponding diagram in which the timing of the digital drive signal SD is specified.
  • the mode of operation is identical to the activation of the piezoelectric actuator with the analog drive signal SA.
  • the time for adjusting the valve needle from the open position to the closed position is determined approximately only by the kinematics of a system consisting of the valve needle and a valve needle mechanically biased spring, it is advantageous to the mechanical parameters of the system valve needle / spring at to consider the selection of the waveform of the drive signal SA and SD, respectively, in order to achieve an optimal division of the valve path with high / small edge steepness.
  • the method described above is implemented as a computer program that is executable on the control unit and stored in its memory.
  • the method according to the invention can be applied to metering systems with components driven by piezoelectric actuators.

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Description

    Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine.
  • Ein derartiges Betriebsverfahren sowie ein Steuergerät hierfür sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Nachteile ergeben sich bei den bekannten Systemen insbesondere aus einer ungünstigen Signalform des Ansteuersignals, die zum einen zu einer erhöhten Verschmutzungsgefahr des Einspritzventils führt und zum anderen ein kontrolliertes Schließen des Einspritzventils verhindert.
  • Die erhöhte Verschmutzungsgefahr ist darin begründet, dass sich das Einspritzventil über einen verhältnismäßig langen Zeitraum in einem Zustand mit vergleichsweise geringem Hub der Einspritznadel und damit geringer Öffnung des Einspritzventils befindet. In diesem Zustand ist die Gefahr, dass sich Partikel zwischen der Ventilöffnung und der Ventilnadel einklemmen und die Ventilöffnung verstopfen, besonders groß.
  • Eine höhere Flankensteilheit des Ansteuersignals führt zu einer größeren Geschwindigkeit der Ventilnadel beim Übergang von der Öffnungs- zur Schließposition und umgekehrt, aber beim Auftreffen der Ventilnadel auf den Ventilsitz ergeben sich aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Ventilnadel sogenannte Nadelpreller, die dazu führen, dass das Einspritzventil sich nach dem Erreichen der Schließposition unkontrolliert öffnet. Ferner können Überschwinger der Ventilnadel auftreten.
  • Aus der DE 100 39 418 A1 ist ein Verfahren zum Ansteuern einer Dosiervorrichtung bekannt, bei dem durch ein geeignetes Ansteuern des Aktors die Düsennadel vor dem Aufschlagen auf einen Anschlag und/oder einen Dichtsitz in ihrer Geschwindigkeit gebremst wird. Die beschriebene Ansteuerung erfordert eine komplexe Signalform.
  • Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren und ein Steuergerät der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Verschmutzungsgefahr des Einspritzventils verringert wird, und dass die Ventilnadel kontrolliert und in einfacher Weise in die Öffnungs- und Schließposition verstellt wird bzw. verstellbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Die vergleichsweise große Flankensteilheit des Ansteuersignals für das piezoelektrische Stellglied beim Übergang der Ventilnadel von der Schließposition zur Zwischenposition bewirkt eine schnelle Verstellung der Ventilnadel aus der Schließposition heraus in die Zwischenposition, so dass der Zeitraum, in dem das Einspritzventil einen geringen Nadelhub aufweist, relativ kurz ist, so dass sich die Wahrscheinlichkeit für Ventilverschmutzungen bzw. -verstopfungen durch Einklemmen von Partikeln verringert.
  • Dementsprechend führt die vergleichsweise geringe Flankensteilheit des Ansteuersignals für das piezoelektrische Stellglied beim Übergang der Ventilnadel von der Zwischenposition zur Öffnungsposition zu einem kontrollierten Erreichen der Öffnungsposition durch die Ventilnadel, bei dem die Ventilnadel insbesondere nicht prellt, so dass keine unkontrollierte Verstellung der Ventilnadel in der Öffnungsposition stattfindet.
  • Besonders vorteilhaft ist das Ansteuersignal beim Übergang der Ventilnadel von der Öffnungsposition zur Schließposition symmetrisch zu dem Ansteuersignal beim Übergang der Ventilnadel von der Schließposition zur Öffnungsposition.
  • Durch die Symmetrie ergibt sich eine erhebliche Vereinfachung bei der Ansteuerung des piezoelektrischen Stellglieds, weil die Signalform des Ansteuersignals nur für einen Übergang der Ventilnadel, also entweder für den Übergang der Ventilnadel von der Schließposition in die Öffnungsposition oder umgekehrt, gespeichert werden muss. Das jeweils andere Ansteuersignal kann beispielsweise durch Subtraktion der gespeicherten Signalwerte des Ansteuersignals von einem maximalen Signalwert für das Ansteuersignal o. ä. gebildet werden. Dies ist sowohl bei einer analogen als auch bei einer digitalen Ansteuerung des piezoelektrischen Stellglieds möglich.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Ansteuersignal beim Übergang der Ventilnadel von der Öffnungsposition zur Zwischenposition eine größere Flankensteilheit auf, als beim Übergang der Ventilnadel von der Zwischenposition in die Schließposition, wodurch sich analog zum Öffnungsvorgang des Einspritzventils dieselben Vorteile hinsichtlich der Dauer der Öffnungszeit des Einspritzventils mit geringem Nadelhub bzw. des kontrollierten Erreichens der Schließposition durch die Ventilnadel ergeben.
  • Insbesondere prallt die Ventilnadel aufgrund der vergleichsweise geringen Flankensteilheit des Ansteuersignals beim Übergang der Ventilnadel von der Zwischenposition in die Schließposition nicht vom Ventilsitz ab, so dass kein unkontrolliertes Öffnen des Einspritzventils nach dem Erreichen der Schließposition durch die Ventilnadel erfolgt.
  • Als eine weitere Lösung der Aufgabe der Erfindung ist ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 3 angegeben.
  • Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
    • Figur 1
    zeigt den zeitlichen Verlauf eines erfindungsgemäßen Ansteuersignals, und
    Figur 2
    zeigt den zeitlichen Verlauf eines weiteren erfindungsgemäßen Ansteuersignals.
  • Das in Figur 1 dargestellte Ansteuersignal SA wird bei einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Stellglieds eingesetzt, das eine Ventilnadel eines Einspritzventils der Brennkraftmaschine von einer Schließposition über eine Zwischenposition in eine Öffnungsposition und wieder zurück verstellt.
  • Bei dem Diagramm aus Figur 1 bezeichnet t die Zeitachse und A einen auf den Maximalwert des Ansteuersignals SA normierten Wert des Ansteuersignals SA. Das Ansteuersignal SA ist ein Analogsignal.
  • Zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in dem Diagramm aus Figur 1 mehrere Bereiche SZ, ZO, OZ, ZS des Ansteuersignals SA markiert, die im folgenden beschrieben werden.
  • Zu Beginn einer Einspritzung wird das piezoelektrische Stellglied (nicht gezeigt) von einem ebenfalls nicht abgebildeten Steuergerät der Brennkraftmaschine mit dem im Bereich SZ liegenden Teil des Ansteuersignals SA angesteuert, in dem das Ansteuersignal SA eine vergleichsweise große Flankensteilheit aufweist. Dadurch ist gewährleistet, dass die Ventilnadel des Einspritzventils schnell von der Schließposition, die einem Wert Null des Ansteuersignals SA entspricht, in die Zwischenposition verstellt wird, so dass Zustände geringen Nadelhubs und damit eine Verstopfungsgefahr durch eingeklemmte Partikel vermieden werden.
  • Anschließend wird das piezoelektrische Stellglied beim Übergang von der Zwischenposition zur Öffnungsposition, die einem Wert Eins des Ansteuersignals SA entspricht, mit einem Ansteuersignal SA vergleichsweise geringer Flankensteilheit angesteuert, wodurch der Bereich ZO des Ansteuersignals SA definiert ist. Die geringe Flankensteilheit des Ansteuersignals SA in dem Bereich ZO bewirkt, dass die Ventilnadel beim Erreichen der Öffnungsposition nicht zu schnell ist und sich durch Prellen unkontrolliert wieder aus der erreichten Öffnungsposition herausbewegt bzw. durch Überschwingen unkontrolliert öffnet. Danach wird das Ansteuersignal SA für eine gewisse Zeit auf seinem Maximalwert von Eins gehalten.
  • Wie aus Figur 1 ersichtlich, durchläuft das Ansteuersignal SA beim Schließvorgang zunächst den Bereich OZ, wobei die Ventilnadel des Einspritzventils von der Öffnungsposition in die Zwischenposition verstellt wird. Hierbei ist die Flankensteilheit des Ansteuersignals SA erneut verhältnismäßig groß, um die bereits erwähnte Gefahr der Ventilverschmutzung zu verringern.
  • Zum Ende der Einspritzphase, das mit dem Bereich ZS des Ansteuersignals SA korrespondiert, weist das Ansteuersignal SA erneut eine vergleichsweise geringe Flankensteilheit auf, um ein zu schnelles Auftreffen der Ventilnadel auf dem Ventilsitz des Einspritzventils und damit ein Prellen der Ventilnadel zu vermeiden, das zu unkontrollierten Öffnungen des Einspritzventils führt.
  • Auf diese Weise ist es möglich, das Risiko der Ventilverschmutzung zu verringern und gleichzeitig ein kontrolliertes Öffnen bzw. Schließen des Einspritzventils zu erreichen.
  • Es ist auch möglich, die Ansteuerung des piezoelektrischen Stellglieds mit einem Digitalsignal vorzunehmen. Hierzu zeigt Figur 2 ein entsprechendes Diagramm, in dem der zeitliche Verlauf des digitalen Ansteuersignals SD angegeben ist. Die Funktionsweise ist identisch zu der Ansteuerung des piezoelektrischen Stellglieds mit dem analogen Ansteuersignal SA.
  • Da die Zeit zum Verstellen der Ventilnadel von der Öffnungsposition in die Schließposition näherungsweise nur von der Kinematik eines Systems bestehend aus der Ventilnadel und einer die Ventilnadel mechanisch mit einer Vorspannung beaufschlagenden Feder bestimmt wird, ist es vorteilhaft, die mechanischen Parameter des Systems Ventilnadel/Feder bei der Auswahl der Signalform des Ansteuersignals SA bzw. SD zu berücksichtigen, um eine optimale Aufteilung des Ventilwegs mit großer/kleiner Flankensteilheit zu erzielen.
  • Besonders vorteilhaft ist auch eine Symmetrie zwischen der Signalform des Ansteuersignals SA, SD, die beim Verstellen der Ventilnadel von der Schließposition in die Öffnungsposition verwendet wird, und der Signalform des Ansteuersignals SA, SD, die beim Verstellen der Ventilnadel von der Öffnungsposition in die Schließposition verwendet wird. In diesem Fall ist es möglich, nur eine Signalform zu speichern, beispielsweise in einem Speicher des Steuergeräts, und die jeweils andere Signalform aus der gespeicherten Signalform zu bilden.
  • Das vorstehend beschriebene Verfahren ist als Computerprogramm realisiert, das auf dem Steuergerät ablauffähig und in dessen Speicher abgelegt ist.
  • Ganz allgemein kann das erfindungsgemäße Verfahren bei Zumesssystemen mit durch piezoelektrische Stellglieder angetriebenen Komponenten angewendet werden.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem eine Ventilnadel eines Einspritzventils mittels eines von einem Ansteuersignal (SA) beaufschlagten piezoelektrischen Stellglieds von einer Schließposition über eine Zwischenposition zu einer Öffnungsposition und wieder zurück verstellt wird, und wobei das Ansteuersignal (SA) beim Übergang der Ventilnadel von der Schließposition zur Zwischenposition eine größere Flankensteilheit aufweist, als beim Übergang der Ventilnadel von der Zwischenposition in die Öffnungsposition, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal (SA) beim Übergang der Ventilnadel von der Öffnungsposition zur Schließposition durch Subtraktion der gespeicherten Werte des Ansteuersignals (SA) beim Übergang der Ventilnadel von der Schließposition zur Öffnungsposition von einem maximalen Signalwert für das Ansteuersignal gebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal (SA) beim Übergang der Ventilnadel von der Öffnungsposition zur Zwischenposition eine größere Flankensteilheit aufweist, als beim Übergang der Ventilnadel von der Zwischenposition in die Schließposition.
  3. Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, bei der eine Ventilnadel eines Einspritzventils mittels eines von einem Ansteuersignal (SA) beaufschlagten piezoelektrischen Stellglieds von einer Schließposition über eine Zwischenposition zu einer Öffnungsposition und wieder zurück verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 2 ausgebildet ist.
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