Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betrieb einer Einspritzanlage
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Steuergerät zum Betrieb einer Ein- spritzanlage, insbesondere einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, mit piezoelektrisch angesteuerten Einspritzventilen, wobei die Einspritzventile im geschlossenen Zustand mit einer Basisspannung beaufschlagt werden und zum Öffnen mit einer Bottomspannung beaufschlagt werden.
Gattungsgemäße Einspritzanlagen werden als Common-Rail-Einspritzanlagen bezeichnet und sowohl bei Otto- als auch Dieselbrennkraftmaschinen verwendet. Die Einspritzanlage umfasst in der Regel ein piezoelektrisches Einspritzventil je Zylinder der Brennkraftmaschine.
Probleme des Standes der Technik
Insbesondere im Schichtbetrieb einer Otto-Brennkraftmaschine werden so genannte Kleinst- mengen im Bereich von etwa 1 mm3 je Einspritzung eingespritzt. Dabei hat sich gezeigt, dass die Streuung der Einspritzmenge zwischen den piezoelektrischen Einspritzventilen der Zylinder so groß ist, dass sich dies in einer Verringerung der Abgasqualität sowie einer Verringerung des Fahrkomforts durch größere Laufunruhe niederschlägt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie ein Steuergerät zur
Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, die die Streuung der Einspritzmengen zwischen verschiedenen piezoelektrischen Einspritzventilen verringern.
Vorteile der Erfindung
Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Einspritzanlage, insbesondere einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, mit piezoelektrisch angesteuerten Ein- spritzventilen, wobei die Einspritzventile im geschlossenen Zustand mit einer Basisspannung beaufschlagt werden und zum Öffnen mit einer Bottomspannung beaufschlagt werden, wobei die Bottomspannung für jedes Einspritzventil einzeln eingestellt wird. Die Bottomspannung ist ein gegenüber der Basisspannung niedrigerer Spannungswert, auf den die an einem Piezoele- ment des piezoelektrischen Einspritzventils zur Erzielung von Kleinstmengen bei der Einspritzung angelegte Spannung zeitweilig abgesenkt wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Bottomspannung für jedes Einspritzventil aus einem Mittelwert der Bottomspannung und einem für das Einspritzventil individuellen Korrekturwert ermittelt wird. Der Mittelwert der Bottomspannung (Mittelwert über mehrere piezoelektrische Einspritzventile einer Brennkraftmaschine) kann z. B. aus einer Soll-Einspritzmenge und einer in einem Steuergerät abgelegten zugehörigen mittleren Bottomspannung ermittelt werden. Die mittlere Bottomspannung kann dabei z. B. im Versuch über eine große Anzahl piezoelektrischer Einspritzventile ermittelt werden und als typspezifischer Wert im Steuergerät abgelegt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Korrekturwert einen Korrekturfaktor umfasst, wobei die
Bottomspannung für jedes Einspritzventil aus dem mit dem Korrekturfaktor multiplizierten Mittelwert der Bottomspannung ermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Korrekturwert ein Offset umfasst, wobei die Bottomspannung für jedes Einspritzventil aus dem mit dem Offset addierten Mittelwert der Bottomspannung ermittelt wird.
Der Korrekturwert kann betriebspunktspezifisch sein, es können also für unterschiedliche Mittelwerte der Bottomspannung (und damit unterschiedliche Soll-Einspritzmengen) unterschiedliche Korrekturwerte (Korrekturfaktor bzw. Offset) in dem Steuergerät abgelegt sein.
Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte nach einem erfmdungsgemäßen Verfahren, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird, sowie durch ein Steuergerät zum Betrieb einer Einspritzanlage, insbesondere einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, mit piezoelektrisch angesteuerten Einspritzventilen, wobei die Einspritzventile im geschlossenen Zu-
stand mit einer Basisspannung beaufschlagt werden und zum Öffnen mit einer Bottomspannung beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bottomspannung für jedes Ein- spritzventil einzeln eingestellt wird.
Zeichnungen
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Skizze eines Spannungsverlaufes über der Zeit an einem piezoelektrischen
Einspritzventil;
Figur 2 eine Skizze der Einspritzmenge über der Bottomspannung für mehrere piezoelektrische Einspritzventile;
Figur 3 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens.
Figur 1 zeigt die Ansteuerspannung UAΠ eines piezoelektrischen Einspritzventils über der Zeit t. Die Ansteuerspannung UAH ist in Volt angegeben, die Zeit t ist in Mikrosekunden μs aufgetra- gen. Die Ansteuerspannung UAH ist die Spannung, die an dem Piezoelement anliegt. Es wird hier von einem piezoelektrischen Einspritzventil (Piezoinjektor) mit direkter Nadel ausgegangen, also einem piezoelektrischen Einspritzventil, bei dem die Ventilnadel direkt von einem piezoelektrischen Aktor in Bewegung gesetzt wird. Bei der direkten Nadelsteuerung wird die Düsennadel aktiv durch ein direktes Stellelement angesteuert und bewegt. Das Stellglied ist ein piezoelektrischer Aktor, der über einen hydraulischen Koppler die Düsennadel direkt steuert.
In Figur 1 dargestellt ist die Ansteuerung eines derartigen piezoelektrischen Einspritzventiles zur Erzielung so genannter Kleinstmengen. Kleinstmengen werden beispielsweise bei der Vor- einspritzung eines Ottomotors im geschichteten Betrieb eingespritzt. Der Einspritzvorgang wird herbeigeführt indem eine konstante Basisspannung UBa von beispielsweise 190 Volt abgesenkt wird auf eine so genannte Bottomspannung UBo. Die Einspritzmenge hängt ab von der Differenz zwischen der Basisspannung UBa und der Bottomspannung UBo. Die Bottomspannung UBo wird für eine Haltezeit tH konstant gehalten und nach Ablauf der Haltezeit, die im vorliegenden
Beispiel der Figur 1 konstant 38 μs beträgt, wieder auf die Basisspannung UBa angehoben. In Figur 1 sind beispielhaft drei Spannungsverläufe dargestellt mit unterschiedlichen Bottomspannungen UB0 von 30 Volt, 50 Volt sowie 70 Volt. Der Spannungsgradient ΔU/Δt beim Absenken der Spannung von der Basisspannung UBa auf die Bottomspannung UBo (grad l) sowie der Spannungsgradient ΔU/Δt beim Anheben der Spannung von der Bottomspannung UBo auf die
Basisspannung UBa (grad_2) werden hauptsächlich durch die Kapazität der Piezoelemente und den Verschiebungsstrom einer Treiberstufe zur Ansteuerung der Piezoelemente bestimmt und können daher unterschiedliche Werte annehmen. Die Einspritzmenge zur Erzielung von Kleinstmengen wird somit allein über die Regelung der Bottomspannung UBo realisiert, d. h. dass die Basisspannung UBa konstant gehalten wird und die Menge nur durch Variieren der
Bottomspannung UBo eingestellt wird. Die Summe der fallenden Flanke von der Basisspannung UBa auf die Bottomspannung UBo sowie Haltezeit tHund steigende Flanke von der Bottomspannung UBo auf die Basisspannung UBa, wird hierbei minimal gehalten. Durch das Erhöhen der Bottomspannung UBo wird der Spannungsunterschied zwischen Basisspannung UBa und Bot- tomspannung UBo kleiner, wobei die gesamte Ansteuerdauer, d. h. der Zeitraum vom Beginn der Verringerung der Basisspannung UBa auf die Bottomspannung UBo und dem Wiedererreichen der Basisspannung UBa von der Bottomspannung UBo aus, reduziert wird, was zu einer Verminderung der Einspritzmenge führt. Die Bottomspannung UBo kann soweit erhöht werden, bis die Voreinspritzung gänzlich wegbleibt, die Einspritzmenge also gleich null wird. Die Ein- spritzmenge ist bei konstanter Basisspannung UBa, konstanter Haltezeit tH sowie konstanten
Spannungsgradienten beim Absenken der Spannung bzw. Erhöhen der Spannung somit einzig von der Bottomspannung UBo abhängig. Die Einspritzmenge für ein Einspritzventil kann also als abhängig von einer einzigen Variablen - der Bottomspannung UBo - dargestellt werden.
In Figur 2 ist die Einspritzmenge Q in Kubikmillimeter pro Einspritzvorgang mm3/H (der Ein- spritzvorgang ist hier mit H wie Hub gekürzt) über der Bottomspannung UBo in Volt für mehrere Einspritzventile, die mit EVI bis EV4 bezeichnet sind, aufgetragen. Es dazu wurden vier i- dentische Injektoren des Typs PDN25B mit unterschiedlichen Bottomspannungen UBo bei einer konstanten Basisspannung von UBa gleich 190 Volt betrieben, wobei die jeweils erzielte Ein- spritzmenge Q in Kubikmillimeter pro Einspritzvorgang H gemessen wurde. Die Bottomspannung wurde in Zwei-Volt-mkrementen heraufgesetzt. Bei jedem Inkrement wurden fünfzig Einspritzmengen Q für jeden Einspritzvorgang gemessen. Daraus wurde zum einen eine Hub/Hub-Streuung für jedes piezoelektrische Einspritzventil (auch als Injektor bezeichnet) er-
mittelt, zum anderen wurden Streuungen Ex/Ex zwischen den einzelnen piezoelektrischen Ein- spritzventilen ermittelt. Die Kurven der Hub/Hub-Streuung sind im unteren Bereich der Figur 2 dargestellt und mit H/H bezeichnet, die Ex/Ex- Streuungen sind aus den darüber mit EVI bis EV4 bezeichneten Kurven ablesbar. Zum einen ist aus der Darstellung der Figur 2 zu erkennen, dass die Einspritzmenge mit zunehmender Bottomspannung UBo abnimmt, zum anderen ist eine relativ große Streuung zwischen den betrachteten Einspritzventilen zu erkennen. Die Hub/Hub- Streuungen sind relativ gering, so dass diese in ihren Auswirkungen vernachlässigt werden können. Die mit den Kurven EVI bis EV4 bezeichneten Kurven der Einspritzmenge Q über der Bottomspannung UBo der im Versuch benutzten piezoelektrischen Einspritzventile gleichen Typs sind dagegen erheblich höher. Im Beispiel der Figur 2 benötigt das piezoelektrische Ein- spritzventil 1 für eine Einspritzmenge von einem Kubikmillimeter pro Einspritzung eine Bottomspannung UB0 von 86 V, das piezoelektrische Einspritzventil 4 hingegen benötigt für die selbe Einspritzmenge eine Bottomspannung UBo von 97 V. Die beiden anderen piezoelektrischen Einspritzventile 2, 3 benötigen dafür eine Spannung von etwas 91 V. Der Spannungsbe- reich dU zur Erzielung gleicher Einspritzmengen der Injektoren beträgt hier also 11 V. Werden hier alle piezoelektrischen Einspritzventile 1 bis 4 in einer Brennkraftmaschine mit der gleichen gemittelten Bottomspannung UBo von 91 V betrieben, so ergibt dies hier eine Streuung der Einspritzmenge für die vier piezoelektrischen Einspritzventile von 0,8 mm3/H. Das piezoelektrische Einspritzventil 1 erzielt bei der Bottomspannung von 91 V eine Einspritzmenge von etwa 0,8 mm3/H, das piezoelektrische Einspritzventil 4 erzielt bei einer Bottomspannung UBo von 91
V eine Einspritzmenge von etwa 1, 6 mm3/H. Derartige Unterschiede in der Voreinspritzmenge in unterschiedlichen Zylinder führen zu einer Erhöhung der Emissionen. Um die piezoelektrischen Einspritzventile nun Steuergeräte-seitig für die Kleinstmengen gleichzustellen, werden die Bottomspannungen UBo der verschiedenen Injektoren injektorspezifisch korrigiert. Die Kor- rektur wird über einen Faktor KBo oder einen Offset CBo herbeigeführt. In dem als Beispiel herausgegriffenen Betriebspunkt mit einer Soll-Einspritzmenge (Wunsch-Einspritzmenge) Q von 1 mm3/H und einem Raildruck von 800 bar beträgt die über die vier piezoelektrischen Einspritzventile gemittelte Bottomspannung UBo M 91 V. Wie aus Figur 2 unmittelbar abzulesen ist, beträgt die Bottomspannung für das piezoelektrische Einspritzventil 1 bei einer SoIl- Einspritzmenge Q von einem Kubikmillimeter pro Einspritzvorgang 87 V, so dass der mittlere
Wert der Bottomspannung UBo M mit einem Faktor von 0,9451 beaufschlagt wird, um auf die erforderliche Bottomspannung UBo von 87 V zu kommen. Dies entspricht einem Offset CBo zur gemittelten Bottomspannung von -5 V. Im Beispiel der Figur 2 benötigt das piezoelektrische
Einspritzventil 4 zur Realisierung von 1 mm3/H eine höhere Bottomspannung UBo und muss daher mit einem Faktor > 1 beaufschlagt werden. Der Faktor errechnet sich allgemein zu
KBo = U_Bedarf/U_Mittel
U Bedarf ist die zur Erzielung der Soll-Einspritzmenge erforderliche Bottomspannung an jedem piezoelektrischen Einspritzventil. U Mittel ist die über alle piezoelektrischen Einspritz- ventile gemittelte zur Erzielung der Soll-Einspritzmenge erforderliche Bottomspannung. Im Beispiel der Figur 2 beträgt die für das piezoelektrische Einspritzventil benötigte Bottomspan- nung UB0 4 für eine Einspritzmenge von 1 mm3/H 97 V, U Bedarf = 97 V. Die gemittelte Bottomspannung U Mittel beträgt 91 V, woraus sich ein Korrekturfaktor KBo 4 von 1,066 für das piezoelektrische Einspritzventil 4 ergibt. Die Offsetspannung für das piezoelektrische Einspritzventil 4 beträgt 6 V. Wird diese injektorspezifϊsche Korrektur nun angewandt, so werden die Injektoren Steuergeräte-seitig gleichgestellt, was zu einer Herabsetzung der Ex/Ex- Streuung der Voreinspritzmenge führt.
Die am Beispiel einer Soll-Einspritzmenge Q von einem Kubikmillimeter je Einspritzvorgang erläuterte Ermittlung von Korrekturfaktoren KBo bzw. Spannungsoffsets CBo muss für jeden einzelnen Betriebspunkt gesondert erfolgen. Dazu könnten beispielsweise die Betriebspunkte in einem Bereich an Einspritzmengen je Einspritzung, der für Kleinstmengen genutzt wird und daher für eine Gleichstellung in Frage kommt jeweils schrittweise betrachtet werden. Beispielsweise könnte in einem Bereich der Soll-Einspritzmenge zwischen 0,4 Kubikmillimeter pro Einspritzvorgang und 3 Kubikmillimeter pro Einspritzvorgang mit Schritten von 0,1 Kubikmillimeter pro Einspritzvorgang Korrekturwerte für die einzelnen Injektoren ermittelt wer- den. Die Korrekturwerte werden dann beispielsweise als Tabelle eines Kennfeldes in einem
Steuergerät abgelegt.
Alternativ ist es möglich, einen konstanten Korrekturwert über den gesamten Bereich zu ermitteln. Dazu kann ein mittlerer Korrekturwert, der aus Korrekturwerten über einen Bereich wie zuvor geschildert ermittelt wird, bestimmt werden oder ein Korrekturwert an einem einzigen
Arbeitspunkt, beispielsweise wie anhand der Figur 2 erläutert, für den gesamten Bereich verwendet werden. In diesem Fall kann statt einer Tabelle mit mehreren betriebspunktspezifischen Werten ein einzelner Wert für jedes piezoelektrische Einspritzventil verwendet werden.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines zugehörigen Arbeitsverfahrens. Zunächst wird in einem Schritt 101 eine Soll-Einspritzmenge Qs0Ii je Einspritzvorgang ermittelt. Dieser Wert kann beispielsweise betriebspunktspezifisch von einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine bereitgestellt werden. Daraufhin wird in einem Schritt 102 der Mittelwert UBo_M für die mittlere Bot- tomspannung aller piezoelektrischen Einspritzventile ermittelt. Der Mittelwert kann für eine
Baureihe eines piezoelektrischen Einspritzventiles als mittlerer Sollwert, der den Mittelwert über eine große Anzahl baugleicher piezoelektrischer Einspritzventile repräsentiert, abgelegt sein. Ein individueller Korrekturfaktor KBo für jedes piezoelektrische Einspritzventil wird daraufhin in Schritt 103 ermittelt. Der Index (n) soll hier verdeutlichen, dass dieser Wert jeweils individuell für jedes einzelne piezoelektrische Einspritzventil ermittelt wird. Die Werte können beispielsweise einer Tabelle, die in einem Speicher abgelegt ist, entnommen werden. In Schritt 104 wird daraufhin der Wert der Bottomspannung für jedes piezoelektrische Einspritzventil n als Produkt aus dem Einspritzventil-spezifϊschen Faktor KBo (n) und der mittleren Bottomspannung UB0 M ermittelt. Statt der Faktoren KBo jn) können hier auch sinngemäß Offsets CBo ermit- telt werden.