EP1680587A1 - Verfahren zur kompensation von injektorstreuungen bei einspritzventilen - Google Patents

Verfahren zur kompensation von injektorstreuungen bei einspritzventilen

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EP1680587A1
EP1680587A1 EP04790530A EP04790530A EP1680587A1 EP 1680587 A1 EP1680587 A1 EP 1680587A1 EP 04790530 A EP04790530 A EP 04790530A EP 04790530 A EP04790530 A EP 04790530A EP 1680587 A1 EP1680587 A1 EP 1680587A1
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EP
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stroke
injector
needle
time
injection
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Withdrawn
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EP04790530A
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Markus Amler
Tobias FLÄMIG-VETTER
Klaus Joos
Walter MÄURER
Dirk Mehlfeldt
Jürgen PANTRING
Guido Porten
Uwe Schaupp
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Robert Bosch GmbH
Mercedes Benz Group AG
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DaimlerChrysler AG
Robert Bosch GmbH
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    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D41/2425—Particular ways of programming the data
    • F02D41/2429—Methods of calibrating or learning
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Definitions

  • the invention relates to a method for compensating for injector scatter in injection valves with a piezoelectric actuator for fuel injection in internal combustion engines, with injector-specific corrections of the actuator charges for the individual actuators being carried out in an electronic control unit in such a way that the needle stroke of the injector needle at full stroke corresponds to a predetermined standard stroke.
  • Such injection valves with a piezoelectric actuator can handle several injection sequences per work cycle (e.g. double injection), a high metering accuracy being required in order to be able to optimally utilize all the advantages.
  • possible system and production-related quantity tolerances of the injection valves in engine operation or vehicle operation must be reliably compensated for.
  • Such tolerances are essentially determined by two features, namely by the dispersion of the actuator lifting capacity and the dispersion of the stroke losses in the injector (difference between the actuator stroke and the needle stroke).
  • injector-specific information is determined as coding.
  • the functions in the control unit which can be the central engine control unit, reduce the variance of the injected fuel quantities on the basis of this information or coding.
  • the needle stroke at full stroke is set to the value of a master or a master valve, that is to say standardized.
  • An object of the present invention is to further reduce the effects of tolerances of the injection valves, in particular with regard to the injection quantities and injection times.
  • the characteristic curves of the injectors are adapted to a master characteristic curve or standard characteristic curve, so that the control parameters charging time, injection time and discharge time also correspond to this standard characteristic curve and the deviations in terms of injection quantity and duration are minimized by a standard injector.
  • the measures listed in the subclaims allow advantageous developments and improvements of the method specified in claim 1.
  • the coding function is generated from injector-specific coding data, in particular from the charge Qo at which the injector needle is just opening, as well as from the charge Q r ⁇ f for the reference needle stroke .
  • the injector-specific stroke loss which is decisive for the required correction, is preferably calculated from these variables.
  • This calculation of the injector-specific stroke loss is expediently carried out during an initialization phase.
  • an offset correction value Qto, ti for the charging time t on in the full stroke and for the injection time ti are preferably calculated in the control unit.
  • an offset correction value 0 tO ff is also calculated for the discharge time in the full stroke.
  • the corrected loading time, the corrected injection time and the corrected unloading time result from the corresponding uncorrected values added with the calculated offset correction values in an advantageous manner.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a control device for controlling four injection valves with a piezoelectric actuator and for compensating for injector scatter and Fig. 2 is a signal diagram to explain the operation.
  • an electronic control unit 10 which can be central engine electronics of a motor vehicle, controls four injection valves 11 to 14, only the first injection valve 11 being shown in more detail.
  • the number of injectors depends on the type of internal combustion engine and is almost unlimited.
  • the injection valves 11 to 14 are controlled in a manner known per se as a function of parameters P, such as the rotational speed, the temperature, the pressure or the like.
  • the four injection valves 11 to 14 are those with piezoelectric actuators 15, to which charges Qi to Q 4, which are determined by the control unit 10, are applied by supplying corresponding electrical currents to the piezoelectric actuators 15.
  • a valve housing 16 of the injection valve 11 or injector, and of course also the other injection valves 12 to 14, has at one end region a central longitudinal bore for receiving and guiding a valve needle 17, through the end-side valve member of which this longitudinal bore can be closed or opened.
  • a row arrangement consisting of an intermediate piece 18, the piezoelectric actuator 19 and a piston 15, 20 bears against the valve needle 17.
  • the piston is pressed against the actuator 19 by means of a biasing spring 21 which bears against the inner end face remote from the valve member.
  • the piezoelectric actuator 19 is supported by the bias springs 21, 22 applied with a basic mechanical tension.
  • the piston 15, 20 has on the left side of the actuator
  • the actuator 19 not only the function of exerting the force of the biasing spring 21 on the actuator 19, but it also serves as a compensating element for thermal changes in length. If the actuator 19 expands due to an applied electrical charge, it is supported on the piston 15,
  • valve needle 17 of the injector with a lower stroke loss Hi NJ2 is already at the time t2 in motion, whereas n the injector with a larger stroke loss Hi ji only is the case at the time t3.
  • the injection time ti lasts until time t5, from which the valve needle 17 closes again.
  • the closing process of the valve needle is already completed at time t ⁇ in the injector with a greater Huberlust Hi n ji, while this is in the case of other injector with lower stroke loss H in j 2 is only the case at time t7.
  • the piezoelectric actuators also returned to their basic state.
  • a coding function is implemented in the control unit 10, which uses valve-specific coding data to correct the control parameters charging time t on , injection time t x and discharge time t 0 f f individually for the cylinder or injector in such a way that the deviations of the injectors from a master characteristic or standard characteristic in the partial stroke and be reduced in full stroke with regard to the amount of fuel injected. If necessary, other related control parameters can be corrected.
  • the injector-individually coded data namely the charge Q 0 at which the valve needle 17 is just opening and the charge Q ref for the reference needle stroke, are used to correct the course of the charging time t on r, the injection time ti and the discharge time t 0 ff in addition to correcting the Actuator charge determined in order to achieve the most exact possible quantity equalization of the injectors by approaching the master characteristic.
  • the simplifying assumption is made that the ratio between the area under the time course of the needle stroke and the injected fuel quantity for all injectors Ren is the same and is independent of the injection time ti, charging time t on , discharge time t 0ff and the needle stroke of the master N r ⁇ f.
  • the injector-specific stroke loss Hi nj is calculated according to the following relationship during the initialization phase.
  • the reference needle stroke N re f is achieved with the reference charge Q ref .
  • the resulting shift in the injection position must also be corrected individually for each cylinder.
  • This formula calculates an offset correction value 0 tO n, ti for this correction.
  • the correction or the offset correction value for the discharge time t 0ff results from the excess losses of the respective injection valve and the master according to the following formula:
  • the injection position shifts and the stroke curve adjusts to the master curve or the standard stroke characteristic.
  • the control unit thus corrects the respective stroke characteristic individually for the cylinder or injector, so that tolerances of the injectors are automatically compensated for.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Kompensation von Injektorstreuungen bei Einspritzventilen (11 bis 14) mit piezoelektrischem Aktor (19) zur Kraftstoffeinspritzung in Brenn kraftmaschinen vorgeschlagen, wobei in einem elektronischen Steuergerät (10) injektorindividuelle Korrekturen der Aktorladungen (QI bis Q4) für die einzelnen Aktoren (19) so durchgeführt werden, dass der Nadelhub der Injektornadel bzw. Ventilnadel (17) bei Vollhub jeweils einem vorgegebenen Normhub entspricht. Zusätzliche wird im Steuergerät (10) eine Codierungsfunktion implementiert, durch die injektorindividuell Korrekturen für die Ladezeit ton die Einspritzzeit t1 und die Entladezeit toff des Aktors (19) zur Angleichung an eine vorgegebene Normkennlinie oder Masterkennlinie durchgeführt werden. Hierdurch können individuelle Abweichungen der Einspritzventile untereinander nahezu vollständig kompensiert werden.

Description

Verfahren zur Kompensation von Injektorstreuungen bei Einspritzventilen '
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Injektorstreuungen bei Einspritzventilen mit piezoelektrischem Aktor zur Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen, wobei in einem elektronischen Steuergerät injektorindividuelle Korrekturen der Aktorladungen für die einzelnen Aktoren so durchgeführt werden, dass der Nadelhub der Injektornadel bei Vollhub jeweils einem vorgegebenen Normhub entspricht.
Derartige Einspritzventile mit piezoelektrischem Aktor können mehrere Einspritzsequenzen pro Arbeitsspiel (z.B. Doppeleinspritzung) bewältigen, wobei eine hohe Zumessgenauigkeit erforderlich ist, um alle Vorteile optimal ausnutzen zu können. Um diese Zumessgenauigkeit zu erreichen, müssen mögliche System- und fertigungsbedingte Mengentoleranzen der Einspritzventile im Motorbetrieb bzw. Fahrzeugbetrieb zuverlässig kompensiert werden. Solche Toleranzen werden im Wesentlichen durch zwei Merkmale bestimmt, nämlich durch die Streuung des Aktor-Hubvermögens und die Streuung der Hubverluste im Injektor (Differenz zwischen Aktorhub und Nadelhub) .
Um die Streubreite der Injektoren zu reduzieren, werden diese in bekannter Weise nach der Fertigung vermessen, und es werden injektorspezifische Informationen als Codierung ermittelt. Die Funktionen im Steuergerät, bei dem es sich um das zentrale Motorsteuergerät handeln kann, reduzieren anhand dieser Informationen bzw. Codierungen die Varianz der eingespritzten Kraftstoffmengen. Dabei werden mittels einer Korrektor der Aktorladung der Nadelhub bei Vollhub auf den Wert eines Masters bzw. eines Masterventils eingestellt, also normiert.
Bei unterschiedlichen Hubverlusten der Injektoren reicht diese Ladungskorrektur jedoch nicht aus, um insbesondere die Einspritzmengen zu korrigieren. Theoretische Untersuchungen haben gezeigt, dass Unterschiede im Hubverlust zu unterschiedlichen Ventilverzugszeiten und Nadelöffnungsgeschwindigkeiten führen, welche sich in der Mengenkennlinie bemerkbar machen. Im Vollhub zeigen sich auch nach der Ladungskorrektur noch einspritzzeitunabhängige Mengenfehler, während die Mengenfehler im Teilhub von der Einspritzzeit abhängig sind.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Wirkungen von Toleranzen der Einspritzventile noch weiter zu reduzieren, insbesondere im Hinblick auf die Einspritzmengen und Einspritzzeiten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Codierungsfunktion werden die Kennlinien der Injektoren an eine Masterkennlinie bzw. Normkennlinie angepasst, so dass dadurch die Ansteuerparameter Ladezeit, Einspritzzeit und Entladezeit ebenfalls dieser Normkennlinie entsprechen und die Abweichungen bezüglich Einspritzmenge und Dauer von einem Norminjektor minimiert werden. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahren möglich. Die Codierungsfunktion wird bei einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens aus injektorindividuellen Codierdaten erzeugt, insbesondere aus der Ladung Qo, bei der die Injektornadel gerade öffnet, so wie aus der Ladung Qrβf für den Referenznadelhub. Dabei wird bevorzugt aus diesen Größen der injektorindividuelle Hubverlust berechnet, der maßgeblich für die erforderliche Korrektur ist.
Diese Berechnung des injektorindividuellen Hubverlusts erfolgt zweckmäßigerweise während einer Initialisierungsphase .
Zur Korrektur werden im Steuergerät vorzugsweise ein Offset-Korrekturwert Qto,ti für die Ladezeit ton im Vollhub und für die Einspritzzeit ti berechnet. Entsprechend wird auch ein Offset-Korrekturwert 0tOff für die Entladezeit im Vollhub berechnet.
Die korrigierte Ladezeit, die korrigierte Einspritzzeit und die korrigierte Entladezeit ergeben sich aus den entsprechenden unkorrigierten Werten addiert mit den berechneten Offset-Korrekturwerten in vorteilhafter Weise.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts zur Steuerung von vier Einspritzventilen mit piezoelektrischem Aktor sowie zur Kompensation von Injektorstreuungen und Fig. 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise .
Bei dem in Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungs- beispiel steuert ein elektronisches Steuergerät 10, bei dem es sich um eine zentrale Motorelektronik eines Kraftfahrzeugs handeln kann, vier Einspritzventile 11 bis 14, wobei lediglich das erste Einspritzventil 11 detaillierter dargestellt ist. Die Zahl der Einspritzventile hängt vom jeweiligen Typ der Brennkraftmaschine ab und ist nahezu beliebig. Die Steuerung der Einspritzventile 11 bis 14 erfolgt in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit von Parametern P, wie die Drehzahl, die Temperatur, der Druck oder dergleichen.
Bei den vier Einspritzventilen 11 bis 14 handelt es sich um solche mit piezoelektrischen Aktoren 15, auf die seitens des Steuergeräts 10 bestimmte Ladungen Qi bis Q4 aufgebracht werden, indem entsprechende elektrische Ströme den piezoelektrischen Aktoren 15 zugeführt werden.
Ein Ventilgehäuse 16 des Einspritzventils 11 bzw. Injektors, sowie selbstverständlich auch der übrigen Einspritzventile 12 bis 14, besitzt an einem Endbereich eine zentrale Längsbohrung zur Aufnahme und Führung einer Ventilnadel 17, durch deren endseitiges Ventilglied diese Längsbohrung verschlossen oder geöffnet werden kann. Im Inneren des Ventilgehäuses 16 liegt an der Ventilnadel 17 eine aus einem Zwischenstück 18, dem piezoelektrischen Aktor 19 und einem Kolben 15, 20 bestehende Reihenanordnung an. Der Kolben wird mittels einer an der ventil- gliedfernen inneren Stirnseite anliegenden Vorspannfeder 21 gegen den Aktor 19 gedrückt. Der piezoelektrische Aktor 19 wird durch die beiderseitigen Vorspannfedern 21, 22 mit einer mechanischen Grundspannung beaufschlagt. Dabei hat der Kolben 15, 20 auf der linken Seite des Aktors
19 nicht nur die Funktion, die Kraft der Vorspannfeder 21 auf den Aktor 19 auszuüben, sondern er dient zusätzlich als Ausgleichselement für thermische Längenänderungen. Dehnt sich der Aktor 19 aufgrund einer aufgebrachten e- lektrischen Ladung aus, so stützt er sich am Kolben 15,
20 ab und drückt über das Zwischenstück 18 die Ventilnadel 17 in die Offenstellung.
Wie bereits eingangs ausgeführt, treten in einem derartigen Einspritzventil 11 bis 14 Hubverluste auf, die als Differenz zwischen Aktorhub und Nadelhub definiert werden. Diese Hubverluste sind in den elastischen Eigenschaften der beteiligten Elemente und in konstruktiven Gegebenheiten begründet. Dies bedeutet, dass sich die Ventilnadel 17 erst einige Zeit verzögert nach dem Einsetzen der Bewegung des Aktors 19 in Bewegung setzt. Dies ist in Figur 2 dargestellt. Die durchgezogene Linie gibt die Verhältnisse bei einem ersten Injektor mit großem Hubverlust Hιnji wieder, während die strichpunktierte Linie die Verhältnisse bei einem Injektor mit wesentlich geringerem Huberlust Hιnj2 zeigt. Die Ladungen für beide Injektoren sind gemäß dem Stand der Technik so optimiert, dass nach einer Ladezeit ton der Vollhub Hv erreicht wird. Die Ventilnadel 17 des Injektors mit geringerem Hubverlust Hinj2 setzt sich bereits zum Zeitpunkt t2 in Bewegung, während dies beim Injektor mit größerem Hubverlust Hinji erst zum Zeitpunkt t3 der Fall ist. Zum Zeitpunkt t4 erreichen beide den Vollhub. Die Einspritzzeit ti dauert bei beiden bis zum Zeitpunkt t5, ab dem sich die Ventilnadel 17 wieder schließt. Der Schließvorgang der Ventilnadel ist beim Injektor mit größerem Huberlust Hinji bereits zum Zeitpunkt tβ abgeschlossen, während dies beim anderen Injektor mit geringerem Hubverlust Hinj2 erst zum Zeitpunkt t7 der Fall ist. Zum Zeitpunkt t8 haben auch die piezoelektrischen Aktoren wieder ihren Grundzustand erreicht .
Die Flächendifferenzen bei der Bewegung der Ventilnadeln sind schraffiert dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass trotz gleicher Zeiten ton, ti und toff sowie gleichen Vollhub unterschiedliche Einspritzmengen für die Einspritzventile zugeführt werden. Dies soll durch das erfindungsgemäße Verfahren kompensiert werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird im Steuergerät 10 eine Codierungsfunktion implementiert, die aus ventilspezifischen Codierdaten die Ansteuerparameter Ladezeit ton, Einspritzzeit tx und Entladezeit t0ff zylinderindividuell bzw. injektorindividuell so korrigiert, dass die Abweichungen der Injektoren von einer Masterkennlinie oder Normkennlinie im Teilhub und im Vollhub hinsichtlich der eingespritzten Kraftstoffmenge reduziert werden. Gegebenenfalls können noch weitere damit zusammenhängende Ansteuerparameter korrigiert werden.
Aus den injektorindividuell codierten Daten, nämlich der Ladung Q0, bei der die Ventilnadel 17 gerade öffnet und der Ladung Qref für den Referenznadelhub werden Korrekturen für den Verlauf der Ladezeit ton r der Einspritzzeit ti und der Entladezeit t0ff zusätzlich zur Korrektur der Aktorladung bestimmt, um eine möglichst exakte Mengengleichstellung der Injektoren durch Annäherung an die Masterkennlinie zu erreichen. Bei diesem Verfahren wird die vereinfachende Annahme getroffen, dass das Verhältnis zwischen der Fläche unter dem zeitlichen Nadelhubverlauf und der eingespritzten Kraftstoffmenge für alle Injekto- ren gleich und von der Einspritzzeit ti, Ladezeit ton, Entladezeit t0ff und dem Nadelhub des Masters Nrβf unabhängig ist. Weiterhin werden folgende Effekte vernachlässigt: Das mechanische Schwingen der Ventilnadel bzw. der Injektormechanik, die zeitabhängigen Nadelhubverluste durch Kopplungsglieder und die nichtlineare Abhängigkeit des Kraftstoffmassenstroms vom Nadelhub. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass alle Injektoren nach der Ladungskorrektur im Vollhub den Nadelhub Nref des Masters erreichen, sowie das die Ladungen Qo und Qref hinreichend exakt bestimmt werden.
Im Steuergerät wird zum Beispiel während der Initialisierungsphase der injektorindividuelle Hubverlust Hinj gemäß folgender Beziehung berechnet.
Der Referenznadelhub Nref wird dabei bei der Referenzladung Qref erreicht. Unter den oben genannten Annahmen ist es möglich, die Fläche unter der zeitlichen Hubkurve der Injektorren zylinderindividuell durch eine Korrektur des Verlaufs der Ladezeit ton, der Einspritzzeit ti und der Entladezeit t0ff im Vollhub und im Teilhub gleichzustellen. Die so entstehende Verschiebung der Einspritzlage muss ebenfalls noch zylinderindividuell korrigiert werden.
Die Korrektur für die Ladezeit ton, die Einspritzzeit ti und die Einspritzlage ergibt sich aus den Hubverlusten des jeweiligen Einspritzventils bzw. Injektors und des Masters nach folgender Formel:
Durch diese Formel wird ein Offset-Korrekturwert 0tOn,ti für diese Korrektur berechnet. Die Korrektur bzw. der Offset-Korrekturwert für die Entladezeit t0ff ergibt sich aus den Ηubverlusten des jeweiligen Einspritzventils und des Masters nach folgender Formel:
= Hinj - H toϊf NM + HM ^
Mit dem berechneten Offset-Korrekturwerten ergibt sich die korrigierte Ladezeit zu: ton (Korr) = ton + 0ton,ti
weiterhin die korrigierte Einspritzzeit zu
und schließlich die korrigierte Entladezeit zu toff (Korr) = toff + Otoff
Mit den berechneten Korrekturen verschiebt sich die Einspritzlage und passt sich die Ηubkurve an die Masterkurve bzw. die Normhubkennlinie an. Das Steuergerät korrigiert somit zylinderindividuell bzw. injektorindividuell die jeweilige Hubkennlinie, so dass Toleranzen der Injektoren automatisch ausgeglichen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Kompensation von Injektorstreuungen bei Einspritzventilen mit piezoelektrischem Aktor zur Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen, wobei in einem elektronischen Steuergerät (10) injektorindividuelle Korrekturen der Aktorladungen für die einzelnen Aktoren so durchgeführt werden, dass der Nadelhub der Injektornadel bei Vollhub jeweils einem vorgegebenen Normhub (Masterhub) entspricht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zusätzlich im Steuergerät (10) eine Codierungsfunktion implementiert wird, durch die injektorindividuelle Korrekturen für die Ladezeit ton, die Einspritzzeit ti und die Entladezeit t0ff des Aktors (19) zur Angleichung an eine vorgegebene Normkennlinie durchgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierungsfunktion aus injektorindividuellen Codierdaten erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die individuellen Codierdaten die Ladung Qo ist, bei der die Injektornadel (17) gerade öffnet sowie die Ladung Qref für den Referenznadelhub (Masterhub) .
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass im Steuergerät (10) der injektorindividuelle Hubverlust berechnet wird, wobei Nref der Referenznadelhub bei der Referenzladung Qrβf ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des injektorindividuellen Hubverlustes Hinj während einer Initialisierungsphase erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuergerät (10) ein Offset-Korrekturwert 0- ton,ti für die Ladezeit ton im Vollhub und die Einspritzzeit ti gemäß folgender Formel berechnet wird:
wobei HM der Referenzhubverlust des Masters und NM der Referenznadelhub bei Vollhub ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuergerät - (10) ein -Offset—Korrekturwert 0- toff für die Entladezeit im Vollhub gemäß folgender Formel berechnet wird: ^ HMJ - H υ'°ff N MU + H L M '«
Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die korrigierte Ladezeit ton (Korr) , die korrigierte Einspritzzeit tx (Korr) und die korrigierte Entladezeit t0ff (Korr) aus den entsprechenden unkorrigierten Werten addiert mit den entsprechenden Offset-Korrekturwerten (0tOn,tι) bzw. (0tOff) ergibt.
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