EP2102473A1 - Kraftstoffeinspritzsystem und verfahren zum ermitteln eines nadelhubanschlags in einem kraftstoffeinspritzventil - Google Patents

Kraftstoffeinspritzsystem und verfahren zum ermitteln eines nadelhubanschlags in einem kraftstoffeinspritzventil

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Publication number
EP2102473A1
EP2102473A1 EP07847292A EP07847292A EP2102473A1 EP 2102473 A1 EP2102473 A1 EP 2102473A1 EP 07847292 A EP07847292 A EP 07847292A EP 07847292 A EP07847292 A EP 07847292A EP 2102473 A1 EP2102473 A1 EP 2102473A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
determined
fuel injection
value
voltage signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07847292A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Rau
Oliver Becker
Erik Tonner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2102473A1 publication Critical patent/EP2102473A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2051—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit using voltage control

Definitions

  • the present invention relates to a fuel injection system according to the preamble of claim 1 and a method for determining a Nadelhubanschlags in a fuel injection valve according to the preamble of claim 13th
  • the mechanical and electrical parameters and relationships in the injector may change. For example, with increasing life, the actuator stroke may subside, causing the nozzle needle to open later and close sooner, resulting in less fuel being injected than desired. Disclosure of the invention
  • the present invention is based on the object, in fuel injection valves, which are actuated by means of piezoelectric actuators, to detect the achievement of a stroke stop and in particular to determine the time of reaching the stroke stop.
  • the present invention proposes according to claim 1, a fuel injection system in which the achievement of a stroke stop or the time of reaching the Hubanschlags in a particularly simple manner, that is particularly time and resource-saving, but still can be determined with high accuracy.
  • the invention proposes a method with the features of claim 11, which also has a particularly simple, that is particularly time and resource saving, but still highly accurate detection of reaching a Hubanschlags or determination of the time of reaching the Hubanschlags allowed.
  • the achievement of the stroke stop by evaluating the voltage curve of the voltage applied to the piezoelectric actuator during an energization break.
  • oscillations in the voltage curve should be evaluated and evaluated, which arise when the nozzle needle is not applied to a stroke stop.
  • the results of the determination (stroke stop is not reached, stroke stop is reached later than estimated, stroke stop is not reached) can be taken into account when controlling the amount of fuel to be injected.
  • the combustion of the fuel in the combustion chamber of the internal combustion engine can be positively influenced, and the combustion takes place particularly low consumption and low emissions and low.
  • a corresponding effect also occurs in the reverse direction, that is, when the injection valve is brought from the open position to the closed position.
  • the piezoelectric actuator In the open position of the valve, the piezoelectric actuator is discharged and there is a relatively low initial voltage.
  • the piezoelectric actuator is reactivated, that is, charged with a charging current, whereby the applied voltage increases (beginning of the charging process). Delayed at the beginning of the charging process, the nozzle needle lowers in the direction of the valve seat, which serves as a stroke stop. Before reaching the valve seat, the energization of the actuator can be stopped and the actuator is disconnected (end of the charging process). At this time, the voltage has reached its highest value.
  • the nozzle needle continues to run due to the inertia after the Bestromungsende, so that the pressure in the coupling space of the hydraulic coupler decreases. This causes due to the piezoelectric effect to a fall in Aktorklemmschreib (negative rise range). As soon as the nozzle needle rests firmly against the stroke stop, the pressure in the coupling space and thus also the actuator voltage remain almost constant (so-called plateau area). The stress kink between the sinking area and the
  • Fig. 1 is a schematic view of an inventive
  • a fuel injection system comprising a fuel injection valve with a piezoelectric actuator and a control device
  • Fig. 2 shows a voltage and current profile of a fuel injection valve for
  • Example of the fuel injection system of Figure 1 illustrating a first embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 3 shows a voltage and current profile of a fuel injection valve for
  • Example of the fuel injection system of Figure 1 illustrating the first embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 4 is a voltage and current waveform of a fuel injection valve, for example, the fuel injection system of Figure 1 for illustrating the first embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 5 is a voltage and a Nadelhubverlauf a fuel injection valve, for example, the fuel injection system of Figure 1 for illustrating a second embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 6 shows a section from the voltage curve and the needle lift profile from FIG. 5 for illustrating the second embodiment of the method according to the invention
  • 7 shows a voltage and current profile of a fuel injection valve for
  • Example of the fuel injection system of Figure 1 illustrating the second embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 8 shows two voltage and current profiles of different fuel injection valves to illustrate a third embodiment of the method according to the invention, wherein one of the fuels inspritzventi Ie reaches a stroke stop and the other not;
  • FIG. 1 shows a fuel injection valve 10 for an internal combustion engine, which is provided with a piezoelectric actuator 12.
  • the fuel injection valve 10 is also referred to as an injector and is used to inject fuel 11, such as gasoline or diesel, into a suction pipe and / or directly into a combustion chamber of
  • the piezoelectric actuator 12 is driven by a control device 20 as indicated in FIG. 1 by the arrow.
  • the fuel injection valve 10 has a nozzle element with a nozzle needle 13, which can sit on a valve seat 14 in the interior of the housing of the fuel injection valve 10.
  • the valve seat 14 surrounds a nozzle opening 15.
  • the injection valve 10 may also have more than the nozzle opening 15 shown.
  • the nozzle openings may also be formed on the side walls of the housing of the valve 10.
  • Valve needle 13 on the valve seat 14 the nozzle opening 15 is closed and there is no fuel 11 injected, the fuel injection valve 10 is thus closed.
  • the valve seat 14 forms a stroke stop for the nozzle needle 13.
  • a stroke stop for the nozzle needle 13 in the open state is indicated in FIG.
  • the transition from the closed to the open state is effected by means of the piezoelectric actuator 12.
  • a voltage referred to below as the drive voltage U is applied to the actuator 12, which causes a change in length of a arranged in the actuator 12 piezo stack, which in turn is used to open or close the fuel injection valve 10.
  • the piezoactuator 12 is electrically charged when the nozzle opening 15 is closed by the nozzle needle 13, that is to say the actuator 12 is stretched when the injector 10 is closed (so-called inversely operated injector 10).
  • By discharging the piezo stack in the actuator 12 reduces its longitudinal extent and the nozzle needle 13 lifts off from the valve seat 14.
  • the fuel injection valve 10 further includes a hydraulic coupling element. This includes within the fuel injection valve 10, a coupler housing 16 in which two pistons 17, 18 are guided. The piston 17 is connected to the actuator 12 and the piston 18 is connected to the nozzle needle 13. Between the two pistons 17, 18, a volume 19 is included, which accomplishes the transmission of the force exerted by the actuator 12 on the valve needle 13.
  • the piezoactuator 12 is arranged directly above the nozzle needle 13 and can be completely surrounded by pressurized fuel 11. A coating can protect the actuator 12 from the fuel 11 and electrical insulation to ensure.
  • the coupling element is surrounded by the fuel 11, and the volume 19 is also filled with fuel. Via the guide gaps between the two pistons 17, 18 and the coupler housing 16, the volume 19 can be adapted over a longer period of time to the respectively existing length of the actuator 12. For short-term changes in the length of the actuator 12, however, the volume 19 remains virtually unchanged and the change in the length of the actuator 12 is transmitted directly to the nozzle needle 13 and converted into a corresponding movement. A change in length of the piezoelectric actuator 12 thus acts via the coupling element directly in a movement of the nozzle needle 13.
  • the inventive method described below is carried out, which may be stored, for example in the form of a computer program on an electronic memory element (not shown) and provided in the control unit 20, by a computing unit of the controller 20 to be processed. But it is also conceivable that the computer program is simply kept on a server of a computer network, such as the Internet, for downloading. Interested parties can download the computer program and run it on a computing device of the control unit.
  • the computer program is used to execute all steps of the method according to the invention when it is executed on a computing device of the controller.
  • the fuel injection valve 10 shown in Figure 1 is part of a fuel injection system (common rail system), which may include a plurality of injection valves 10, can be injected via the fuel in the intake manifold or in the combustion chambers of an internal combustion engine. It can either be a control unit 20 for all injectors 10 or a separate control unit 20 for each of
  • Fuel injection valves 10 may be provided.
  • the fuel injection system may include other components, such as a fuel tank, in particular a common for all injectors 10 high pressure storage bar (common rail), which connected via a high-pressure fuel line to a connecting piece 22 of the fuel injection valve 10 is.
  • Figures 2 to 4 show schematically the timing of the drive voltage U, which adjusts the actuator 12 when it is acted upon by a discharge current I and a charging current I, to an opening and a subsequent closing of the fuel injection valve 10 and thus a fuel injection cause.
  • the course of the current I is also shown in FIGS. 2 to 4.
  • the sequence of a fuel injection will be explained in more detail with reference to FIG 2.
  • the actuator 12 is charged. At the actuator 12 is thus an initial voltage U a at the time t a . To trigger an injection, the piezoelectric actuator 12 is discharged. For this purpose, the actuator 12 is subjected to a negative discharge current I and the applied
  • Voltage U decreases (start of discharge process). Delayed at the beginning of the unloading process, the nozzle needle 13 lifts from the valve seat 14 and releases the at least one nozzle opening 15 at least partially. Shortly before reaching the stroke stop 21, the energization of the actuator 12 ends, and the actuator 12 is disconnected (end of the discharge process). At this point to to the voltage U has reached its lowest value U 0 . The actuator voltage U is thus lowered in the time interval t a to t of the voltage U a to U 0 by the voltage .DELTA.U. Since the nozzle needle 13 has not reached the stroke stop 21 at this time, it moves due to the inertia further in the previous direction, so that the pressure in the coupling chamber 19 of the hydraulic coupler increases again.
  • a corresponding effect also occurs in the reverse direction, that is, when the injection valve 10 is brought from the open position to the closed position.
  • the piezoelectric actuator 12 In the open position of the valve 10, the piezoelectric actuator 12 is discharged and there is a relatively low initial voltage U 4 .
  • the piezoelectric actuator 12 is reactivated, that is with a positive Charging current I applied, whereby the applied voltage U increases (beginning of the charging process at the time t ⁇ ). Delayed at the beginning of the charging process, the nozzle needle 13 lowers in the direction of the valve seat 14, which serves as a stroke stop. Before reaching the valve seat 14, the energization of the actuator 12 can be stopped, and the actuator 12 is disconnected (end of the charging process). To this
  • the voltage U has reached its highest value.
  • the nozzle needle 13 continues to run due to the inertia after the Bestromungsende so that the pressure in the coupling chamber 19 of the hydraulic coupler decreases. This causes due to the piezoelectric effect to a fall in the actuator terminal voltage U.
  • the pressure in the coupling chamber 19 and thus also the actuator voltage U remains almost constant.
  • the voltage kink or the voltage minima after reaching the highest value at the end of the charging process are therefore correlated in time with the reaching of the Nadelhubanschlags (the valve seat 14) and can be evaluated and evaluated accordingly.
  • the course of the actuator terminal voltage U can provide an indication of the achievement of a stroke stop 14, 21, in particular if the actuator 12 is not energized, that is to say the fuel injection valve 10 is left to itself, as appropriate ,
  • the actuator terminal voltage U can provide an indication of the achievement of a stroke stop 14, 21, in particular if the actuator 12 is not energized, that is to say the fuel injection valve 10 is left to itself, as appropriate .
  • Voltage signal U are a variety of possibilities conceivable.
  • One possibility is to evaluate the oscillations of the voltage signal U in the energizing pauses and to draw conclusions by suitable evaluation, whether the stroke stop 14, 21 has been reached or not.
  • Another possibility, which serves to determine the time of reaching the stroke stop is that the point of intersection of two compensation functions, in particular two compensation straight lines, which are set by the course of the voltage signal U, determined and used as a time for reaching the stroke stop.
  • a simplification can be taken into account, according to which the rising line always has the same slope dU, namely U 4 -U 0 and / or UrU 0 .
  • the voltage signal U between t unloading to start charging and t ⁇ and between end of charge t 5 and the start of unloading sampled.
  • a regression function preferably a regression line
  • a correlation value R of the regression function to the sampled values is determined.
  • the reaching of a needle stroke stop is detected (eg, from ti to t ⁇ in FIG. 2 or from t 2 to t ⁇ in FIG.
  • the regression line is also called a correlation line.
  • This method is also called a least squares method.
  • SS xy denotes the empirical variance of x ,.
  • This estimate is also called the least squares estimate (KQ) or ordinary least squares estimate (OLS).
  • the correlation value R or correlation coefficient is a dimensionless measure of the degree of linear relationship between two features. It can only take values between -1 and +1. At a value of +1 (or -1) there is a complete positive (or negative) linear relationship between the considered features. If the correlation value is 0, the two features do not depend linearly on each other. However, these may non-linearly depend on each other regardless.
  • the linear relationship between the sampled points of the voltage profile U and the regression function or regression line set by the sampled points is determined by means of the correlation value.
  • the empirical correlation coefficient is calculated according to the following formula:
  • a limit value for the correlation value R is determined as a function of the injection valve type used.
  • the limit value can be determined empirically, ie in experiments, by simulation or mathematically.
  • the limit value is chosen such that with a correlation coefficient greater than or equal to the limit value, the stroke stop 14, 21 has been achieved with high probability, or that with a correlation coefficient below the limit value the stroke stop 14, 21 has most likely not been reached.
  • the correlation value or the value of the correlation value determined for the current voltage profile U is selected. rend the runtime of the method compared with the previously determined in dependence on the injector type used limit value and detects a Nadelhubanschlag if the determined correlation value is greater than or equal to the limit.
  • Mean voltage value 40 is denoted by U, the sum k of the quadratic deviations from a mean voltage 40 results by the following equation:
  • a regression line 30 is shown, which has been laid by an interval of a plurality of scanned points of the voltage curve U between the discharge end to and the charge start t ⁇ .
  • the regression line 30 has been laid by sampled points of the voltage profile U between the times% and t ⁇ .
  • the voltage curve U from FIG. 3 belongs to a fuel injection valve 10 which reaches the stroke stop 21, and the voltage curve U from FIG. 4 belongs to a fuel injection valve 10 which does not reach the stroke stop 21. Since the regression line 30 in FIG. 3 covers the measurement much better than the regression line 30 in FIG. 4, the regression line 30 from FIG. 3 results in a larger correlation value R than for the straight line 30 from FIG.
  • the voltage profile U can be smoothed or filtered, for example by forming an average value over a specific number of sample values, for example over five sample values.
  • the fuel injection valve 10 is fully closed or opened.
  • the exact time of reaching the Huban- stroke 14, 21 is therefore for a regulation of the fuel quantity of great importance. If, for example, the stroke stop 14, 21 is reached too late or not at all, control can be intervened so that the predetermined amount of fuel is nevertheless injected within a predetermined period of time. In this way, mass drifts can be compensated for due to an aged or worn or a fuel injection valve 10 subject to manufacturing tolerances.
  • the derivative of the first order of the voltage waveform U is formed. This can be done on the basis of the analog voltage signal U or on the basis of discrete samples of the voltage signal U. The time ti in FIG.
  • a regression function 30, 31, preferably a regression line is placed through the sampled points of the voltage profile U.
  • the intersection of these two regression functions 30, 31 is used as time fe in FIG. 3 for an intact injector 10 and V in FIG. 4 for a non-intact injector 10), to which the nozzle needle 13 reaches the stroke stop 21.
  • the fact that V is greater than t 3 means that the needle 13 in FIG. 4 reaches the stroke stop 21 too late.
  • the correlation factor can also be used here.
  • the voltage U in the plateau region shows a flat profile when the needle 13 abuts against the stop 21, and the correlation factor thus has a relatively high value (see FIG. If the needle 13 does not reach the stop 21, the voltage U in the plateau region has a ripple, and the correlation factor has a substantially smaller value (compare FIG.
  • the voltage profile U prior to forming the first-order derivative or before determining the regression line or the correlation value, can be smoothed or filtered, for example, by averaging over a specific number of sample values, for example over five sample values. is formed.
  • FIGS. 5 and 6 a voltage curve U is plotted at the top and the corresponding stroke course h of the nozzle needle 13 is plotted over the time t at the bottom.
  • the voltage curve U shown in FIG. 5 qualitatively corresponds to the profile of the voltage U from FIGS. 2 to 4.
  • FIG. 6 shows a section VI of the voltage and the stroke profile from FIG. 5.
  • Reference numeral 32 in FIGS. 5 and 6 denotes the voltage curve U and reference numeral 33 denotes the stroke curve h of a new injector 10.
  • Reference numeral 32 'in FIGS. 5 and 6 denotes the voltage curve U and reference numeral 33' denotes the stroke course h of an aged injector 10 '(stroke stop 21 is reached later, if at all).
  • 5 and 6 designate the voltage curve U and the reference curve 33 "designate the stroke course h of an injector 10" with a worn nozzle element
  • the voltage kink or the voltage extrema (maxima or minima) at t 2 , t 2 ', t 2 are thus correlated in time with reaching the Nadelhubanschlags 21.
  • the estimated maximum voltage at time ti (see FIG. 2) or at time t 2 , t 2 ', t 2 "(see FIG to the minimum voltage after the end of charge at the time t 5 (see FIGS. 3 and 4), a first voltage value of the voltage signal U, as well as before the start of charging at time t I (see FIG. 6) and determines a further voltage value before the discharge process. If the measured first voltage is significantly greater than the measured shortly before the time t ⁇ further voltage, this suggests an unachieved stroke stop 21 out.
  • the time at which the stroke stop is reached can also be determined.
  • the idea is to use the dU described here to determine the time of reaching the stroke stop. If the difference between the first measured voltage value and the further voltage value is very large, it can be assumed be that the stroke stop was not reached or too late, if the difference is very small, it is assumed that the needle 13 drove too hard against the stroke stop.
  • Corresponding injector-type-specific limit values for the voltage values or the difference can be determined in advance and used during the running time of the method for determining a stroke stop or the time of a stroke stop.
  • the injected fuel quantity can be set very precisely.
  • the stroke h of the nozzle needle 13 can be increased, so that the stroke stop 14, 21 is achieved as a rule.
  • the actuator 12 of the closed injector 10 is discharged, the actuator 12 contracts and generates a negative pressure in the coupling space 19 above the needle 13, whereby the needle 13 is set in motion. If the needle 13 has first lifted out of its seat 14, the high-pressure fuel 11 can engage under the seat 14 and accelerate the needle 13 upwards. By this movement upward, the negative pressure in the coupling chamber 19 is first reduced and then generates an overpressure. This overpressure causes a force acting on the actuator 12, in which then due to the piezoelectric effect, a positive voltage U is induced. In the operating state in which the actuator 12 makes sufficient stroke h, the needle movement ends abruptly when the nozzle needle 13 reaches its stroke stop 21.
  • the drive voltage 12 remains substantially constant on a plateau.
  • This relationship is illustrated, for example, in FIG. 8, where the voltage curve U of an intact injector 10 and the voltage curve U 'of an injector 10' are shown, whose nozzle needle 13 'does not reach the valve seat 14. The currents I of these two injectors 10, 10 'are shown.
  • the actuator 12 If the actuator 12 is able to make enough stroke h to pull the needle 13 against its mechanical stop 21, then the time of reaching the stop by the voltage difference dU between the voltage minimum (at time to) and the first then set the local maximum (at the first zero crossing of the derivative of the voltage curve, at time ti or t 2 ).
  • the underlying simplifying assumption for this is that the slope m, with which the voltage U between these two points increases, is constant (see the above explanations). If the evaluation of one of the criteria described above (correlation value R or sum k) shows that the needle 13 has not reached its stroke stop 14, 21, the compensation method reacts by increasing the discharge time in order to increase the voltage swing (see FIG 11).
  • the outermost control circuit serves to control the sum k of the quadratic deviations of the voltage signal U from a mean voltage value 40 or the correlation coefficient R from the first example or another variable of another method for detecting the stroke stop.
  • the voltage U is detected, and after an evaluation in a function block 50 according to one or more of the methods described above, the actual value k, st (or R ⁇ st ) is obtained for the sum k (or the correlation coefficient R ).
  • desired value k so n (or R so n) as small as possible, for example, zero, given.
  • the difference dk (or dR) is fed as a control difference to a controller 52, for example a proportional controller with an amplification factor Kp3.
  • the signal magnitude of the regulator 52 of the sum k (or of the correlation coefficient R) is at the same time the reference variable (setpoint dU so n) of the subordinate control of the calculated difference dU.
  • the actual value dU lst for the difference dU is also determined in the context of the evaluation 50 according to one or more of the above-described methods.
  • the difference ddU from setpoint dU is formed so n and actual value dU, st .
  • the difference ddU is supplied as a control difference to a controller 54, for example a proportional controller with an amplification factor KpI.
  • the signal magnitude of the controller 54 of the sum k is at the same time the reference variable (SoII value UbX so ii) of the subordinate control of the voltage Ubx applied to the actuator 12, the voltage Ubx corresponding to the ⁇ U described above.
  • the voltage applied to the injector 10 actuator voltage Ubx is detected as the actual value Ubx, st .
  • the difference dUbx of setpoint Ubx is formed so n and actual value Ubx ⁇ st the voltage Ubx.
  • the difference dUbx of the voltages is supplied as a control difference to a controller 56, for example a proportional controller with an amplification factor Kp2.
  • the signal magnitude of the regulator 56 is the discharge current I, the course of which is plotted in the various diagrams and which is indicated in FIG. 10 by i D
  • the injector 10 or its piezoelectric actuator 12 is acted upon by this discharge current.
  • the difference dk of setpoint and actual value n k as k, k st to the sum of the quadratic see deviations from a mean voltage 40 is also a controller 57, for example.
  • the signal magnitude of the regulator 57 is the discharge time ti DlsCh , for which the injector 10 with the discharge current i D
  • FIG. 11 a the progression of the drive current I of the actuator 12 in the originally uncorrected state is shown at the top with a solid line.
  • the dashed line shows the course of the drive current I with a corrected discharge time.
  • Figure 11 a) is below in a corresponding manner with a solid line, the course of the uncorrected voltage applied to the actuator 12 actuator voltage U shown.
  • the dashed line shows the course of the voltage U with a changed discharge time.
  • FIG. 11 b the course of the discharge current I of the actuator 12 in the original uncorrected state is again shown above by a solid line.
  • the dashed line shows the course of the discharge current I with corrected discharge time and corrected voltage difference dU.
  • the course of the uncorrected actuator voltage U applied to the actuator 12 is shown below in a corresponding manner with a solid line.
  • the dashed line shows the curve of the voltage U with a changed discharge time and a changed voltage difference dU (dU2 instead of dUl, where dU2 ⁇ dUl). It can be clearly seen that prolonging the discharge time from t 7 to t ⁇ produces an increased voltage swing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem umfassend mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil (10) und ein Steuergerät (20) zum Ansteuern des Einspritzventils (10). Jedes Einspritzventil (10) umfasst einen piezoelektrischen Aktor (12), ein Düsenelement mit mindestens einer Düsenöffnung (15) und mindestens einer bewegbaren Düsennadel (13) zum selektiven Verschließen und Öffnen der mindestens einen Düsenöffnung (15), ein hydraulisches Koppelelement, das zwischen dem Piezoaktor (12) und der Düsennadel (13) geschaltet ist, und mindestens einen Hubanschlag (14, 21), an dem die Düsennadel (13) in ihrer vollständig geöffneten und/oder ihrer vollständig geschlossenen Stellung anliegt. Um bei solchen Kraftstof f einspritzventilen (10) das Erreichen des Hubanschlags (14; 21), besser ermitteln zu können, wird vorgeschlagen, dass der Nadelhubanschlag (14, 21) während einer Bestromungspause des Piezoaktors (12) durch Auswerten eines an dem Piezoaktor (12) anliegenden Spannungssignals (U) ermittelt wird. Vorzugsweise werden Schwingungen des Spannungssignals (U) während der Bestromungspause ausgewertet. Dazu wird vorgeschlagen, dass Regressionsgeraden (30; 31) durch den Spannungsverlauf (U) gelegt werden, ein Korrelationskoeffizient der Regressionsgeraden (30; 31) zu dem Spannungsverlauf (U) ermittelt und ein Nadelhubanschlag anhand des Korrelationskoeffizient detektiert wird.

Description

Beschreibung
Titel
Kraftstoffeinspritzsystem und Verfahren zum Ermitteln eines Nadelhubanschlags in einem Kraftstoffeinspritzventil
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Ermitteln eines Nadelhubanschlags in einem Kraftstoffeinspritzventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Aus dem Stand der Technik sind Kraftstoffeinspritzventile zum Einspritzen von Diesel oder Benzin in das Saugrohr oder direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Einspritzventile können zur Erfüllung hoher dynamischer Anforderungen mittels Piezoaktoren betätigt werden. Als Temperaturausgleich und zur Übersetzung ist zwischen dem Piezoaktor und einer Düsennadel des Einspritzventils ein hydraulischer Koppler zwischengeschaltet. Bei den bekannten Einspritzventilen vom Typ CRI-PDN (Common Rail Injector - Piezo Direct Neadle) der Robert Bosch GmbH wird die Düsennadel quasi direkt von dem Piezoaktor in Bewegung gesetzt, das heißt die Bewegung der Düsennadel folgt in erster Näherung dem Aktorhub. Der Aktorhub ist bei konstanter Aktorkraft wiederum in erster Näherung proportional zur Ansteuerspannung.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen und Verschleiß über die gesamte Lebensdauer eines Kraftstoffeinspritzventils und aufgrund schwankender Betriebstemperaturen können sich die mechanischen und elektrischen Größen und Zusammenhänge im Einspritzventil verändern. So kann beispielsweise mit zunehmender Lebensdauer der Aktorhub nachlassen, so dass die Düsennadel später öffnet und früher schließt, was dazu führt, dass weniger Kraftstoff eingespritzt wird als gewünscht. Offenbarung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei Kraftstoffeinspritzventilen, die mittels Piezoaktoren betätigt werden, das Erreichen eines Hubanschlags zu detektieren und insbesondere den Zeitpunkt des Erreichens des Hubanschlags zu ermitteln.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 ein Kraftstoffeinspritzsystem vor, bei dem das Erreichen eines Hubanschlags bzw. der Zeitpunkt des Erreichens des Hubanschlags auf besonders einfaches Weise, das heißt besonders zeit- und ressourcenschonend, aber trotzdem hochgenau ermittelt werden kann. Als eine weitere Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 vor, welches ebenfalls eine besonders einfache, das heißt besonders zeit- und ressourcenschonende, aber trotzdem hochgenaue Detektion des Erreichens eines Hubanschlags bzw. Ermittlung des Zeitpunkts des Erreichens des Hubanschlags erlaubt.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das Erreichen des Hubanschlags durch Auswerten des Spannungsverlaufs der an dem Piezoaktor anliegenden Spannung während einer Bestromungspause zu ermitteln. Dabei sollen insbesondere Schwingungen im Spannungsverlauf bewertet und ausgewertet werden, die sich ergeben, wenn die Düsennadel nicht an einem Hubanschlag anliegt. Die Ergebnisse der Ermittlung (Hubanschlag wird nicht erreicht, Hubanschlag wird später als veranschlagt erreicht, Hubanschlag wird nicht erreicht) können bei einer Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge berücksichtigt werden. Dadurch kann die Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum der Brennkraftmaschine positiv beeinflusst werden, und die Verbrennung erfolgt besonders Verbrauchs- und abgasarm und leise.
Am Beispiel eines direktgekoppelten Einspritzventils, bei dem der Piezoaktor bei geschlossener Düsennadel aufgeladen ist (sog. invers angesteuerter Injektor), soll dieses Prinzip näher erläutert werden. Zu Beginn liegt an dem Piezoaktor eine Anfangsspannung größer Null an, und der Nadelhub beträgt 0 μm (Ventil geschlossen). Um eine Einspritzung auszulösen, wird der Piezoaktor entladen, das heißt mit einem Entladestrom beaufschlagt, wodurch die anliegende Spannung sinkt (Beginn des Entladevorgangs). Zeitlich verzögert zum Beginn des Entladevorgangs hebt sich die Düsennadel vom Ventilsitz und gibt die mindestens eine Düsenöffnung zumindest teilweise frei. Kurz vor Erreichen des Hubanschlags endet die Bestromung des Aktors und der Aktor wird abgeklemmt (Ende des Entladevorgangs). Zu diesem Zeitpunkt hat die Spannung ihren niedrigsten Wert erreicht. Da die Düsennadel den Hubanschlag zu diesem Zeitpunkt noch nicht erreicht hat, bewegt sie sich aufgrund der Massenträgheit weiter in der bisherigen Richtung, so dass der Druck in dem Koppelraum des hydraulischen Kopplers wieder steigt. Das sorgt aufgrund des piezoelektrischen Effekts für einen Anstieg der Aktorklemmspannung (sog. Anstiegsbereich). Sobald die Düsennadel den Hubanschlag erreicht, ändert sich der Druck in dem Koppelraum nicht mehr, so dass die Spannung nahezu konstant bleibt (sog. Plateaubereich). Der Spannungsknick zwischen Anstiegsbereich und Plateaubereich bzw. die Spannungsmaxima nach dem Erreichen des niedrigsten Werts am Ende des Entladevorgangs sind also zeitlich mit dem Erreichen des Nadelhubanschlags korreliert.
Ein entsprechender Effekt tritt auch in der umgekehrten Richtung auf, das heißt wenn das Einspritzventil aus der geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung gebracht wird. In der geöffneten Stellung des Ventils ist der Piezoaktor entladen und es liegt eine relativ niedrige Anfangsspannung an. Um eine Einspritzung zu beenden, wird der Piezoaktor wieder aktiviert, das heißt mit einem Ladestrom beaufschlagt, wodurch die anliegende Spannung steigt (Beginn des Ladevorgangs). Zeitlich verzögert zum Beginn des Ladevorgangs senkt sich die Düsennadel in Richtung des Ventilsitzes, der als Hubanschlag dient. Vor Erreichen des Ventilsitzes kann die Bestromung des Aktors beendet werden und der Aktor wird abgeklemmt (Ende des Ladevorgangs). Zu diesem Zeitpunkt hat die Spannung ihren höchsten Wert erreicht. Die Düsennadel läuft aufgrund der Massenträgheit nach dem Bestromungsende noch weiter, so dass der Druck in dem Koppelraum des hydraulischen Kopplers sinkt. Das sorgt aufgrund des piezoelektrischen Effekts zu einem Abfallen der Aktorklemmspannung (negativer Anstiegsbereich). Sobald die Düsennadel fest an dem Hubanschlag aufliegt, bleibt der Druck in dem Koppelraum und damit auch die Aktorspannung nahezu konstant (sog. Plateaubereich). Der Spannungsknick zwischen dem Absinkbereich und dem
Plateaubereich bzw. die Spannungsminima nach dem Erreichen des höchsten Werts am Ende des Ladevorgangs sind also zeitlich mit dem Erreichen des Nadelhubanschlags (des Ventilsitzes) korreliert. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand. Insbesondere erlauben sie selbst bei Messrauschen oder bei druckabhängigen dynamischen Effekten innerhalb des Einspritzventils, die bspw. zu einer starken Verrundung des Spannungsverlaufs führen können, eine genaue zeitliche Bestimmung des Knicks oder des Spannungsmaximums auf die vorgeschlagene Weise.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzsystems umfassend ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor und ein Steuergerät;
Fig. 2 einen Spannungs- und Stromverlauf eines Kraftstoffeinspritzventils zum
Beispiel des Kraftstoffeinspritzsystems nach Fig. 1 zur Veranschaulichung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3 einen Spannungs- und Stromverlauf eines Kraftstoffeinspritzventils zum
Beispiel des Kraftstoffeinspritzsystems nach Fig. 1 zur Veranschaulichung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 4 einen Spannungs- und Stromverlauf eines Kraftstoffeinspritzventils zum Beispiel des Kraftstoffeinspritzsystems nach Fig. 1 zur Veranschaulichung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 5 einen Spannungs- und einen Nadelhubverlauf eines Kraftstoffeinspritzventils zum Beispiel des Kraftstoffeinspritzsystems nach Fig. 1 zur Veranschaulichung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 6 einen Ausschnitt aus dem Spannungsverlauf und dem Nadelhubverlauf aus Fig. 5 zur Veranschaulichung der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 7 einen Spannungs- und Stromverlauf eines Kraftstoffeinspritzventils zum
Beispiel des Kraftstoffeinspritzsystems nach Fig. 1 zur Veranschaulichung der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 8 zwei Spannungs- und Stromverläufe von verschiedenen Kraftstoffeinspritzventilen zur Veranschaulichung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei eines der Kraftstoffe inspritzventi Ie einen Hubanschlag erreicht und das andere nicht;
Fig. 9 vier verschiedene Spannungs- und Stromverläufe zur Veranschaulichung der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 10 eine ergänzte Reglerstruktur mit einem Summenquadrat der Abweichungen einer Regressionsgeraden zu dem Verlauf der Aktorspannung als Kriterium zur Hubanschlagsdetektion; und
Fig. 11 die Wirkungsweise der Reaktion der Reglerstruktur aus Fig. 10 auf einen nicht erreichten Hubanschlag.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In Figur 1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil 10 für eine Brennkraftmaschine dargestellt, das mit einem piezoelektrischen Aktor 12 versehen ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 10 wird auch als Injektor bezeichnet und dient zur Einspritzung von Kraftstoff 11, beispielsweise Benzin oder Diesel, in ein Saugrohr und/oder direkt in einen Brennraum der
Brennkraftmaschine. Der piezoelektrische Aktor 12 wird wie in Figur 1 durch den Pfeil angedeutet von einem Steuergerät 20 angesteuert. Weiterhin weist das Kraftstoffeinspritzventil 10 ein Düsenelement mit einer Düsennadel 13 auf, die auf einem Ventilsitz 14 im Inneren des Gehäuses des Kraftstoffeinspritzventils 10 aufsitzen kann. Der Ventilsitz 14 umgibt eine Düsenöffnung 15. Selbstverständlich kann das Einspritzventil 10 auch mehr als die eine dargestellte Düsenöffnung 15 aufweisen. Außerdem können die Düsenöffnungen auch an den Seitenwänden des Gehäuses des Ventils 10 ausgebildet sein.
Ist die Düsennadel 13 von dem Ventilsitz 14 abgehoben, kann Kraftstoff 11 durch die Düsenöffnung 15 fließen, das Kraftstoffeinspritzventil 10 ist also geöffnet und es wird Kraftstoff 11 eingespritzt. Dieser Zustand ist in der Figur 1 dargestellt. Sitzt die
Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14 auf, ist die Düsenöffnung 15 verschlossen und es wird kein Kraftstoff 11 eingespritzt, das Kraftstoffeinspritzventil 10 ist also geschlossen. Im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 10 bildet der Ventilsitz 14 einen Hubanschlag für die Düsennadel 13. Ein Hubanschlag für die Düsennadel 13 im geöffneten Zustand ist in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet.
Der Übergang von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand wird mithilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt. Hierzu wird eine nachfolgend auch als Ansteuerspannung U bezeichnete elektrische Spannung an den Aktor 12 angelegt, die eine Längenänderung eines in dem Aktor 12 angeordneten Piezostapels hervorruft, welche ihrerseits zum Öffnen beziehungsweise Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 10 ausgenutzt wird. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Piezoaktor 12 bei durch die Düsennadel 13 verschlossener Düsenöffnung 15 elektrisch aufgeladen, das heißt der Aktor 12 ist gedehnt, wenn der Injektor 10 geschlossen ist (sog. invers betriebener Injektor 10). Durch Entladen des Piezostapels in dem Aktor 12 verringert sich dessen Längsausdehnung und die Düsennadel 13 hebt sich vom Ventilsitz 14 ab.
Das Kraftstoffeinspritzventil 10 weist ferner ein hydraulisches Koppelelement auf. Dieses umfasst innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10 ein Kopplergehäuse 16, in dem zwei Kolben 17, 18 geführt sind. Der Kolben 17 ist mit dem Aktor 12 und der Kolben 18 ist mit der Düsennadel 13 verbunden. Zwischen den beiden Kolben 17, 18 ist ein Volumen 19 eingeschlossen, das die Übertragung der von dem Aktor 12 ausgeübten Kraft auf die Ventilnadel 13 bewerkstelligt.
Der Piezoaktor 12 ist direkt oberhalb der Düsennadel 13 angeordnet und kann vollständig von unter Druck stehendem Kraftstoff 11 umgeben sein. Eine Beschichtung kann den Aktor 12 dabei vor dem Kraftstoff 11 schützen und eine elektrische Isolierung sicherstellen. Das Koppelelement ist von dem Kraftstoff 11 umgeben, und das Volumen 19 ist ebenfalls mit Kraftstoff gefüllt. Über die Führungsspalte zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 kann sich das Volumen 19 über einen längeren Zeitraum hinweg an die jeweils vorhandene Länge des Aktors 12 anpassen. Bei kurzzeitigen Änderungen der Länge des Aktors 12 bleibt das Volumen 19 jedoch nahezu unverändert und die Änderung der Länge des Aktors 12 wird direkt auf die Düsennadel 13 übertragen und in eine entsprechende Bewegung umgesetzt. Eine Längenänderung des Piezoaktors 12 wirkt sich über das Koppelelement also direkt in einer Bewegung der Düsennadel 13 aus.
Um Informationen über einen Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventils 10 zu erhalten, wird das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt, das beispielsweise in Form eines Computerprogramms auf einem elektronischen Speicherelement (nicht gezeigt) gespeichert und in dem Steuergerät 20 vorgesehen sein kann, um durch eine Recheineinheit des Steuergeräts 20 abgearbeitet zu werden. Es ist aber auch denkbar, dass das Computerprogramm einfach auf einem Server eines Computernetzwerks, beispielsweise des Internets, zum Herunterladen vorgehalten wird. Interessenten können das Computerprogramm herunterladen und es auf einem Rechengerät des Steuergeräts zum Ablauf bringen. Das Computerprogramm dient zur Ausführung sämtlicher Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn es auf einem Rechengerät des Steuergeräts ausgeführt wird.
Das in Figur 1 dargestellt Kraftstoffeinspritzventil 10 ist Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems (Common-Rail-System), das mehrere Einspritzventile 10 umfassen kann, über die Kraftstoff in das Saugrohr oder in die Brennräume einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Es kann entweder ein Steuergerät 20 für alle Einspritzventile 10 oder aber ein eigenes Steuergerät 20 für jedes der
Kraftstoffeinspritzventile 10 vorgesehen sein. Außer dem Einspritzventil 10 und dem Steuergerät 20 kann das Kraftstoffeinspritzsystem noch weitere Bauteile umfassen, beispielsweise einen Kraftstoffspeicher, insbesondere eine für alle Einspritzventile 10 gemeinsame Hochdruck-Speicherleiste (Common-Rail), welche über eine Hochdruck- Kraftstoffleitung an einen Anschlussstutzen 22 des Kraftstoffeinspritzventils 10 angeschlossen ist. Die Figuren 2 bis 4 zeigen schematisch den zeitlichen Verlauf der Ansteuerspannung U, welche sich am Aktor 12 einstellt, wenn dieser mit einem Entladestrom I bzw. einem Ladestrom I beaufschlagt wird, um ein Öffnen und ein nachfolgendes Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 10 und damit eine Kraftstoffeinspritzung zu bewirken. Der Verlauf des Stroms I ist in den Figuren 2 bis 4 ebenfalls dargestellt. Der Ablauf einer Kraftstoffeinspritzung wird nachfolgend anhand der Figur 2 näher erläutert.
Es wird von einem geschlossenen Einspritzventil 10 ausgegangen, dessen Aktor 12 aufgeladen ist. An dem Aktor 12 liegt also eine Anfangsspannung Ua zum Zeitpunkt ta an. Um eine Einspritzung auszulösen, wird der Piezoaktor 12 entladen. Dazu wird der Aktor 12 mit einem negativen Entladestrom I beaufschlagt und die anliegende
Spannung U sinkt (Beginn des Entladevorgangs). Zeitlich verzögert zum Beginn des Entladevorgangs hebt sich die Düsennadel 13 vom Ventilsitz 14 und gibt die mindestens eine Düsenöffnung 15 zumindest teilweise frei. Kurz vor Erreichen des Hubanschlags 21 endet die Bestromung des Aktors 12, und der Aktor 12 wird abgeklemmt (Ende des Entladevorgangs). Zu diesem Zeitpunkt to hat die Spannung U ihren niedrigsten Wert U0 erreicht. Die Aktorspannung U wird also im Zeitintervall ta bis to von der Spannung Ua bis U0 um die Spannung ΔU abgesenkt. Da die Düsennadel 13 den Hubanschlag 21 zu diesem Zeitpunkt noch nicht erreicht hat, bewegt sie sich aufgrund der Massenträgheit weiter in der bisherigen Richtung, so dass der Druck in dem Koppelraum 19 des hydraulischen Kopplers wieder steigt. Das führt aufgrund des piezoelektrischen Effekts zu einem Anstieg der Aktorklemmspannung U. Sobald die Düsennadel 13 den Hubanschlag 21 erreicht, ändert sich der Druck in dem Koppelraum 19 nicht mehr, so dass die Spannung U nahezu konstant auf dem Wert Ui bleibt. Der Spannungsknick bzw. die Spannungsmaxima nach dem Erreichen des niedrigsten Werts am Ende des Entladevorgangs, also nach dem Zeitpunkt to sind zeitlich mit dem Erreichen des Nadelhubanschlags 21 korreliert und können entsprechend bewertet und ausgewertet werden.
Ein entsprechender Effekt tritt auch in der umgekehrten Richtung auf, das heißt wenn das Einspritzventil 10 aus der geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung gebracht wird. In der geöffneten Stellung des Ventils 10 ist der Piezoaktor 12 entladen und es liegt eine relativ niedrige Anfangsspannung U4 an. Um eine Einspritzung zu beenden, wird der Piezoaktor 12 wieder aktiviert, das heißt mit einem positiven Ladestrom I beaufschlagt, wodurch die anliegende Spannung U steigt (Beginn des Ladevorgangs zum Zeitpunkt tι). Zeitlich verzögert zum Beginn des Ladevorgangs senkt sich die Düsennadel 13 in Richtung des Ventilsitzes 14, der als Hubanschlag dient. Vor Erreichen des Ventilsitzes 14 kann die Bestromung des Aktors 12 beendet werden, und der Aktor 12 wird abgeklemmt (Ende des Ladevorgangs). Zu diesem
Zeitpunkt t5 hat die Spannung U ihren höchsten Wert erreicht. Die Düsennadel 13 läuft aufgrund der Massenträgheit nach dem Bestromungsende noch weiter, so dass der Druck in dem Koppelraum 19 des hydraulischen Kopplers sinkt. Das sorgt aufgrund des piezoelektrischen Effekts zu einem Abfallen der Aktorklemmspannung U. Sobald die Düsennadel 13 fest an dem Hubanschlag 14 aufliegt, bleibt der Druck in dem Koppelraum 19 und damit auch die Aktorspannung U nahezu konstant. Der Spannungsknick bzw. die Spannungsminima nach dem Erreichen des höchsten Werts am Ende des Ladevorgangs sind also zeitlich mit dem Erreichen des Nadelhubanschlags (des Ventilsitzes 14) korreliert und können entsprechend bewertet und ausgewertet werden.
Erfindungsgemäß wurde also erkannt, dass der Verlauf der Aktorklemmspannung U durch geeignetes Bewerten und Auswerten einen Hinweis auf das Erreichen eines Hubanschlags 14, 21 geben kann, insbesondere dann, wenn der Aktor 12 nicht bestromt wird, das heißt das Kraftstoffeinspritzventil 10 sozusagen sich selbst überlassen wird. Zum Auswerten des an dem Piezoaktor anliegenden
Spannungssignals U sind eine Vielzahl von Möglichkeiten denkbar. Eine Möglichkeit besteht darin, die Schwingungen des Spannungssignals U in den Bestromungspausen zu bewerten und durch geeignete Auswertung Rückschlüsse zu ziehen, ob der Hubanschlags 14, 21 erreicht wurde oder nicht. Eine andere Möglichkeit, die zum Ermitteln des Zeitpunkts des Erreichens des Hubanschlags dient, besteht darin, dass der Schnittpunkt zweier Ausgleichsfunktionen, insbesondere zweier Ausgleichsgeraden, die durch den Verlauf des Spannungssignals U gelegt werden, ermittelt und als Zeitpunkt für das Erreichen des Hubanschlags herangezogen wird. Dabei kann eine Vereinfachung berücksichtigt werden, wonach die Anstiegsgerade immer die gleiche Steigung dU hat, nämlich U4-U0 und/oder UrU0.
Gemäß einem ersten vorgeschlagenen Verfahren wird das Spannungssignal U zwischen Entladeende to und Ladebeginn tι bzw. zwischen Ladeende t5 und Entladebeginn abgetastet. Durch ein Intervall der Abtastwerte des Spannungssignals U wird eine Regressionsfunktion, vorzugsweise eine Regressionsgerade, gelegt und ein Korrelationswert R der Regressionsfunktion zu den Abtastwerten ermittelt. Anhand der Größe des Korrelationswerts wird (z. B. von ti bis tι in Figur 2 oder von t2 bis tι in Figur 7) das Er- reichen eines Nadelhubanschlags erkannt. Die Regressionsgerade wird auch als Korrelationsgerade bezeichnet.
Zur Berechnung der Regressionsgeraden muss ein Optimierungsproblem gelöst werden dergestalt, dass die Lage einer zunächst beliebig durch die abgetasteten Punkte des Spannungsverlaufs U gelegte Gerade (y = a + b-x) optimiert werden muss, so dass die Abstände der Geraden zu den einzelnen Punkt möglichst klein werden (Minimieren der summierten Quadrate der Residuen). Diese Methode wird auch als Methode der kleinsten Quadrate bezeichnet.
RSS = SSKes = ∑e> = ∑(y, -(a + b - x, )) >min!
Durch partielles Differenzieren und Nullsetzen der Ableitungen erster Ordnung erhält man ein System von Normalgleichungen. Die gesuchten Regressionskoeffizienten sind die Lösungen
und
a = y — b - x
mit x als arithmetischem Mittel der x-Werte und y als arithmetischem Mittel der y-
Werte. SSxy bezeichnet die empirische Varianz der x,. Man nennt diese Schätzung auch Kleinste-Quadrate-Schätzung (KQ) oder Ordinary Least Squares Schätzung (OLS). Der Korrelationswert R oder Korrelationskoeffizient ist ein dimensionsloses Maß für den Grad des linearen Zusammenhangs zwischen zwei Merkmalen. Er kann lediglich Werte zwischen -1 und +1 annehmen. Bei einem Wert von +1 (bzw. -1) besteht ein vollständiger positiver (bzw. negativer) linearer Zusammenhang zwischen den betrach- teten Merkmalen. Wenn der Korrelationswert den Wert 0 aufweist, hängen die beiden Merkmale überhaupt nicht linear voneinander ab. Allerdings können diese ungeachtet dessen in nicht-linearer Weise voneinander abhängen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird mittels des Korrelationswerts der lineare Zusammenhang zwischen den abgetasteten Punkten des Spannungsverlaufs U und der durch die abgetasteten Punkte gelegten Regressionsfunktion bzw. Regressionsgeraden ermittelt. Wenn die abgetasteten Punkte des Spannungsverlaufs U mit xi, X2, ..., Xn und die diskreten Punkte der Regressionsfunktion mit yi, y2, ..., yn bezeichnet werden, so wird der empirische Korrelationskoeffizient nach folgender Formel berechnet:
Dabei sind
*=--∑*, und y =-∑y,
die empirischen Erwartungswerte X und Y anhand der Punktereihe.
Im Vorfeld der Detektion, ob die Düsennadel 13 einen Hubanschlag 14, 21 erreicht hat, wird in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ein Grenzwert für den Korrelationswert R ermittelt. Der Grenzwert kann empirisch, also in Versuchen, durch Simulation oder auf mathematischem Weg ermittelt werden. Der Grenzwert wird so gewählt, dass bei einem Korrelationskoeffizient größer oder gleich dem Grenzwert der Hubanschlag 14, 21 mit großer Wahrscheinlichkeit erreicht worden ist, bzw. dass bei einem Korrelationskoeffizient unterhalb des Grenzwerts der Hubanschlag 14, 21 mit großer Wahrscheinlichkeit nicht erreicht worden ist. Der für den aktuellen Spannungsverlauf U ermittelte Korrelationswert bzw. der Betrag des Korrelationswerts wird wäh- rend der Laufzeit des Verfahrens mit dem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittelten Grenzwert verglichen und ein Nadelhubanschlag erkannt, falls der ermittelte Korrelationswert größer oder gleich dem Grenzwert ist.
Falls der Aktor 12 aufgrund von Hubverlust über der Laufzeit oder aufgrund einer zu geringen Ansteuerspannung U einen zu geringen Hub h ausführt, um die Nadel 13 an ihren Hubanschlag 14, 21 zu ziehen, dann schwingt die Nadel 13 nach Beenden ihres Fluges um ihre spätere Ruhelage. Diese Schwingung um die Ruhelage erzeugt eine Schwingung in der Ansteuerspannung U mit einer über den gesamten Hochdruckbereich ähnlichen Frequenz. Wegen dieser festen Frequenz tritt ein charakteristisches Schwingungstal immer zu ähnlichen Zeiten innerhalb einer Ansteuerung auf. Zur Bewertung, ob der Nadelhubanschlag 14, 21 erreicht wurde, dient in dem Bereich des Schwingungstals die Summe k der quadratischen Abweichungen von einem Spannungsmittelwert 40 (vgl. Figur 9) in diesem Bereich. Somit ergibt diese Summe einen großen Wert, wenn der Anschlag 14, 21 nicht erreicht wurde, denn in diesem Fall zei- gen viele Punkte eine große Abweichung vom Mittelwert 40. Wird der Hubanschlag 14, 21 erreicht, dann ändert sich die Schwingungsfrequenz und in dem Bereich, in dem im Fall des nicht erreichten Hubanschlags 14, 21 noch ein Schwingungstal war, werden nun mehrere Schwingungsperioden mit kleiner Amplitude durchlaufen. In diesem Fall weichen wesentlich weniger Punkte auch um einen kleineren Wert von dem Mittelwert 40 ab. Die Summe k ändert dann ihren Wert, wobei die Änderung der Summe k zur Detektion des Erreichens eines Hubanschlags 14, 21 herangezogen werden kann.
Wenn die Abtastwerte des Spannungsverlaufs U mit U, bezeichnet werden und der
Spannungsmittelwert 40 mit U bezeichnet wird, ergibt sich die Summe k der quadratischen Abweichungen von einem Spannungsmittelwert 40 durch nachfolgende Glei- chung:
In Figur 9 ist dieses Ausführungsbeispiel dargestellt. In der Figur sind zum einen vier verschiedene Spannungsverläufe U dargestellt, wobei beim Spannungsverlauf Ui relativ viele Punkte relativ weit von dem Mittelwert 4Oi abweichen. Deshalb kann darauf geschlossen werden, dass die Nadel 13 den Hubanschlag 14, 21 nicht erreicht hat. Bei den Spannungsverläufen U2, U3, U4 weichen dagegen relativ wenige Punkte und/oder die Punkte um einen relativ kleinen Betrag von den Mittelwerten 4O2, 4O3, 4O4 ab. Deshalb kann darauf geschlossen werden, dass die Nadel 13 den Hubanschlag 14, 21 erreicht.
In den Figuren 3 und 4 ist eine Regressionsgerade 30 eingezeichnet, welche durch ein Intervall mehrerer abgetasteter Punkte des Spannungsverlaufs U zwischen dem Entladeende to und dem Ladebeginn tι gelegt wurde. In dem Beispiel aus Figur 3 wurde die Regressionsgerade 30 durch abgetastete Punkte des Spannungsverlaufs U zwischen den Zeitpunkten % und tι gelegt. Der Spannungsverlauf U aus Figur 3 gehört zu einem Kraftstoffeinspritzventil 10, das den Hubanschlag 21 erreicht, und der Spannungsverlauf U aus Figur 4 gehört zu einem Kraftstoffeinspritzventil 10, das den Hubanschlag 21 nicht erreicht. Da die Regressionsgerade 30 in Figur 3 wesentlich besser die Messung abdeckt als die Regressionsgerade 30 in Figur 4, ergibt sich für die Regressionsgerade 30 aus Figur 3 ein größerer Korrelationswert R als für die Gerade 30 aus Figur 4.
Durch die Wahl eines geeigneten Grenzwertes und Vergleich des Korrelationswerts R mit dem Grenzwert kann sicher und zuverlässig erkannt werden, ob der Hubanschlag 14, 21 erreicht wurde oder nicht.
Vor dem Ermitteln der Regressionsgeraden bzw. des Korrelationswerts kann der Span- nungsverlauf U geglättet bzw. gefiltert werden, indem beispielsweise ein Mittelwert über jeweils eine bestimmte Anzahl von Abtastwerten, bspw. über fünf Abtastwerte, gebildet wird.
Erst nach Erreichen des Hubanschlags 14, 21 ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 vollständig geschlossen bzw. geöffnet. Der genaue Zeitpunkt des Erreichens des Huban- schlags 14, 21 ist also für eine Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge von großer Bedeutung. Falls bspw. der Hubanschlag 14, 21 zu spät oder gar nicht erreicht wird, kann regelnd eingegriffen werden, damit dennoch innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer die vorgegebene Menge an Kraftstoff eingespritzt wird. Auf diese Weise können Mengendrifts aufgrund eines gealterten oder verschlissenen oder eines mit Fertigungstoleranzen behafteten Kraftstoffeinspritzventils 10 ausgeregelt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Ableitung erster Ordnung des Spannungsverlaufs U gebildet. Dies kann anhand des analogen Spannungssignals U oder anhand diskreter Abtastwerte des Spannungssignals U erfolgen. Der Zeitpunkt ti in Figur 2, zu dem die Ableitung zum ersten Mal den Wert 0 annimmt, wird zur Einteilung des Spannungsverlaufs U in zwei Bereiche herangezogen, einen Anstiegsbereich zwischen to und ti und einen Plateaubereich zwischen ti und tι. In diesen beiden Bereichen wird jeweils eine Regressionsfunktion 30, 31, vorzugsweise eine Regressionsgerade, durch die abgetasteten Punkte des Spannungsverlaufs U gelegt. Der Schnittpunkt dieser beiden Regressionsfunktionen 30, 31 wird als Zeitpunkt fe in Figur 3 für einen intak- ten Injektor 10 und V in Figur 4 für einen nicht intakten Injektor 10) herangezogen, zu dem die Düsennadel 13 den Hubanschlag 21 erreicht. Die Tatsache, dass V größer ist als t3, bedeutet, dass die Nadel 13 in Figur 4 den Hubanschlag 21 zu spät erreicht.
Als Kriterium, ob die Nadel 13 den Anschlag 21 tatsächlich erreicht, kann auch hier der Korrelationsfaktor herangezogen werden. Wie bereits oben erläutert, zeigt die Span- nung U im Plateau bereich einen flachen Verlauf, wenn die Nadel 13 am Anschlag 21 anliegt, und der Korrelationsfaktor weist somit einen relativ hohen Wert auf (vgl. Figur 3). Erreicht die Nadel 13 den Anschlag 21 nicht, weist die Spannung U im Plateaubereich eine Welligkeit auf, und der Korrelationsfaktor hat einen wesentlich kleineren Wert (vgl. Figur 4).
Auch bei dieser Ausführungsform kann vor dem Bilden der Ableitung erster Ordnung bzw. vor dem Ermitteln der Regressionsgeraden bzw. des Korrelationswerts der Spannungsverlauf U geglättet bzw. gefiltert werden, indem beispielsweise ein Mittelwert über jeweils eine bestimmte Anzahl von Abtastwerten, bspw. über fünf Abtastwerte, gebildet wird.
In den Figuren 5 und 6 ist oben ein Spannungsverlauf U und unten der entsprechende Hubverlauf h der Düsennadel 13 über der Zeit t aufgetragen. Der in Figur 5 dargestellte Spannungsverlauf U entspricht qualitativ dem Verlauf der Spannung U aus den Figuren 2 bis 4. Figur 6 zeigt einen Ausschnitt VI des Spannungs- und des Hubverlaufs aus Figur 5. Der in den Figuren 5 und 6 dargestellte Spannungsverlauf U kommt folgen- dermaßen zu Stande: Ab t = 100 μs wird der Aktor 12 ausgehend von der Startspannung U = 170 V entladen. Der Aktor 12 zieht sich zusammen und senkt dadurch den Druck im Kopplerraum 19, was ein Öffnen der Düsennadel 13 nach sich zieht. Bei to (vgl. Figur 6 oben) endet die Bestromung und der Aktor 12 wird abgeklemmt, das heißt sich selbst überlassen. Da die Nadel 13 den Hubanschlag 21 noch nicht erreicht hat, läuft sie weiter (vgl. Figur 6 unten), so dass der Druck im Kopplerraum 19 wieder steigt. Das sorgt über den piezoelektrischen Effekt für einen Anstieg der Aktorklemmspannung U. Sobald die Nadel 13 den Hubanschlag 21 erreicht (Zeitpunkt X2 in Figur 6 für einen neuen Injektor), ändert sich der Druck im Kopplerraum 19 nicht mehr, so dass die Spannung U nahezu kon- stant bleibt.
Mit dem Bezugszeichen 32 ist in den Figuren 5 und 6 der Spannungsverlauf U und mit dem Bezugszeichen 33 der Hubverlauf h eines neuen Injektors 10 bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen 32' ist in den Figuren 5 und 6 der Spannungsverlauf U und mit dem Bezugszeichen 33' der Hubverlauf h eines gealterten Injektors 10' bezeichnet (Huban- schlag 21 wird - wenn überhaupt - später erreicht). Mit dem Bezugszeichen 32" ist in den Figuren 5 und 6 der Spannungsverlauf U und mit dem Bezugszeichen 33" der Hubverlauf h eines Injektors 10" mit verschlissenem Düsenelement bezeichnet. Der Spannungsknick bzw. die Spannungsextrema (Maxima bzw. Minima) bei t2, t2', t2" sind also zeitlich mit dem Erreichen des Nadelhubanschlags 21 korreliert.
Beim Schließen des Injektors 10 wirkt der gleiche physikalische Effekt: Die Nadel 13 läuft nach Bestromungsende noch weiter, so dass der Druck im Kopplerraum 19 steigt, was zu einer abfallenden Aktorklemmspannung U führt. Sobald die Nadel 13 auf dem Ventilsitz 14 ruht, bleibt der Druck im Koppelraum 19 und damit auch die Aktorspannung U im Wesentlichen konstant.
Um festzustellen, ob der Hubanschlag 21 bzw. 14 erreicht wurde, wird rund um das erwartete Spannungsmaximum zum Zeitpunkt ti (vgl. Figur 2) bzw. zum Zeitpunkt t2, t2', t2" (vgl. Figur 6) oder rund um das Spannungsminimum nach dem Ladeende zum Zeitpunkt t5 (vgl. Figuren 3 und 4) ein erster Spannungswert des Spannungssignals U sowie vor dem Ladebeginn zum Zeitpunkt tι (vgl. Figur 6) bzw. vor dem Entladebeginn ein weiterer Spannungswert ermittelt. Wenn die gemessene erste Spannung deutlich größer als die kurz vor dem Zeitpunkt tι gemessene weitere Spannung ist, deutet dies auf einen nicht erreichten Hubanschlag 21 hin. Wenn die gemessene erste Spannung deutlich kleiner als die vor dem Zeitpunkt tι gemessene weitere Spannung ist, deutet dies darauf hin, dass die Düsennadel 13 zu stark an den Nadelhubanschlag 21 gezogen wurde: ein großer Unterdruck im Koppelraum 19 sorgt dafür, dass durch Leckspal- te Kraftstoff 11 nachgezogen wird, der Druck und damit über den piezoelektrischen Effekt auch die Aktorspannung U steigen an. Auch hier müssen die jeweiligen Spannungsgrenzwerte injektortyp-spezifisch ermittelt werden.
Alternativ kann auch über die Ableitung des Spannungsverlaufs U und den Nulldurchgang der Ableitung der Übergang des Spannungsverlaufs von dem Anstiegsbereich in den Plateau bereich ermittelt werden. Zum Zeitpunkt to (vgl. Figur 6) am Ende des Entladevorgangs und zu Beginn der Bestromungspause wird ein erster Spannungswert und zum Zeitpunkt ti (vgl. Figur 2) bzw. zum Zeitpunkt t2, t2', t2" (vgl. Figur 6) des Nulldurchgangs der Ableitung des Spannungsverlaufs wird ein weiterer Spannungswert ermittelt. Anhand dieser beiden Spannungswerte und/ oder anhand der Differenz dU der beiden Spannungswerte kann ebenfalls der Zeitpunkt des Erreichens des Hubanschlags ermittelt werden. Der Regler kann sowohl auf dieses dU als auch auf das dU regeln, das in dem nächsten Abschnitt beschrieben wird. Die Idee ist es, das hier beschriebene dU für die Ermittlung des Zeitpunkts des Erreichens des Hubanschlags heranzuziehen. Falls die Differenz zwischen dem ersten gemessenen Spannungswert und dem weiteren Spannungswert sehr groß ist, kann davon ausgegangen werden, dass der Hubanschlag nicht oder zu spät erreicht wurde. Falls die Differenz sehr klein ist, wird davon ausgegangen, dass die Nadel 13 zu stark gegen den Hubanschlag gefahren ist. Entsprechende injektortyp-spezifische Grenzwerte für die Spannungswerte bzw. die Differenz können im Vorfeld ermittelt und während der Laufzeit des Verfahrens zur Ermittlung eines Hubanschlags bzw. des Zeitpunkts eines Hubanschlags herangezogen werden.
Um den genauen Zeitpunkt des Erreichens des Hubanschlags 14, 21 auf besonders einfache Weise bestimmen zu können, wird eine Vereinfachung ausgenutzt, dass nämlich die Steigung m in dem Anstiegsbereich der Spannung U über den gesamten An- stiegsbereich und für verschiedene Spannungsverläufe U über die Lebensdauer des Injektors 10 nahezu konstant ist (vgl. Figur 6 oben) und deshalb schnell und unkompliziert einmalig ermittelt und bei allen nachfolgenden Berechnungen des Zeitpunkts des Erreichens des Hubanschlags berücksichtigt werden kann. Der gesuchte Zeitpunkt des Nadelhubanschlags lässt sich dann berechnen, indem die Spannungsdifferenz dU zwischen Abschaltspannung (welche zeitlich genau bekannt ist; Zeitpunkt to) und der eingeschwungenen Endspannung im geöffneten Injektorzustand vor dem Zeitpunkt tι ermittelt und über die bekannte Steigung m die Zeitdifferenz zwischen Abschaltzeitpunkt to und Erreichen des Hubanschlags 21 berechnet wird. Dies ist wesentlich einfacher durchzuführen als die Suche nach einem Knick zwischen Anstiegs- und Plateaubereich im Verlauf der Spannung U. Der konstante Zusammenhang zwischen der Spannungsdifferenz dU und dem Zeitpunkt des Erreichens des Hubanschlags ab Bestromungsende zum Zeitpunkt to kann in einer Tabelle abgelegt werden, so dass während der Laufzeit des Verfahrens die Steigung nicht mehr berücksichtigt werden muss.
Hierzu soll folgendes Beispiel erläutert werden. Wenn sich als Steigung bspw. m = 300.000 V/s und im Spannungsverlauf U eines Injektors 10 eine Spannungsdifferenz dU = 2 V ergibt, kann der Zeitpunkt, zu dem der Hubanschlag 14, 21 erreicht wird, mit folgender Gleichung berechnet werden:
dU \s - 2V t = - = 6,667μs m 300.000F
Das bedeutet also, dass t = 6,667 μs nach dem Zeitpunkt to, zu dem der Strom abgeschaltet wird, der Hubanschlag 14, 21 erreicht ist. Dieser Zusammenhang kann für den betrachteten Injektortyp noch für viele andere Spannungsdifferenzen berechnet und in einer Tabelle abgelegt werden.
Sofern eine übergeordnete Regelung genutzt wird, um die Differenz dU (auf weiche Weise auch immer berechnet) auf einen gewünschten Wert zu regeln, führen geringfügige Änderungen der Steigung m, bspw. durch Änderung der Aktorkapazität, nur zu vernachlässigbar kleinen Fehlern in der ermittelten Anschlagzeit. Falls die Spannungsdifferenz dU zu groß gewählt wird, wird der Hubanschlag nicht erreicht. Falls die Differenz dU zu klein gewählt wird, schlägt die Nadel 13 zu stark an den Hubanschlag 14, 21 an. Falls die Differenz dU klein genug gewählt wird, ohne zu groß und zu klein zu sein, wird der Hubanschlag 14, 21 sicher und zuverlässig erreicht, ohne zu stark dagegen zu fahren.
Da bei dem vorgeschlagenen Verfahren sowohl die Einspritzdauer als auch die maximale Spritzrate (von Düsenverkokung abgesehen) bekannt ist, kann die eingespritzte Kraftstoffmenge sehr genau eingestellt werden. Durch Variation des Entladestroms I, der durch den Aktor 12 fließt, kann der Hub h der Düsennadel 13 vergrößert werden, so dass der Hubanschlag 14, 21 in aller Regel erreicht wird. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel kommt es also zur Detektion, ob der Hubanschlag 14, 21 erreicht wird, nicht auf die Steigung m des Anstiegsbereichs der Ansteuerspannung U des Aktors 12 an, sondern nur auf die Spannungsdifferenz dU.
Soll mit einem invers betriebenen Kraftstoffinjektor 10 eine Einspritzung erfolgen, wird der Aktor 12 des geschlossenen Injektors 10 entladen, der Aktor 12 zieht sich zusammen und erzeugt einen Unterdruck im Koppelraum 19 über der Nadel 13, wodurch die Nadel 13 in Bewegung versetzt wird. Hat die Nadel 13 sich erst aus ihrem Sitz 14 gehoben, kann der unter Hochdruck stehende Kraftstoff 11 unter dem Sitz 14 angreifen und die Nadel 13 nach oben beschleunigen. Durch diese Bewegung nach oben wird zunächst der Unterdruck im Koppelraum 19 abgebaut und anschließend ein Überdruck erzeugt. Dieser Überdruck bewirkt eine auf den Aktor 12 wirkende Kraft, in dem dann aufgrund des piezoelektrischen Effekts eine positive Spannung U induziert wird. Im Betriebszustand, in dem der Aktor 12 ausreichend Hub h macht, endet die Nadelbewe- gung abrupt, wenn die Düsennadel 13 ihren Hubanschlag 21 erreicht. Dadurch, dass dann keine Kraft mehr auf den Aktor 12 wirkt, bleibt die Ansteuerspannung 12 im Wesentlichen konstant auf einem Plateau. Dieser Zusammenhang ist beispielsweise in Figur 8 dargestellt, wo der Spannungsverlauf U eines intakten Injektors 10 sowie der Spannungsverlauf U' eines Injektors 10' dargestellt ist, dessen Düsennadel 13' den Ventilsitz 14 nicht erreicht. Auch die Ströme I dieser beiden Injektoren 10, 10' sind dargestellt.
Ist der Aktor 12 in der Lage, ausreichend Hub h zu machen, um die Nadel 13 an ihren mechanischen Anschlag 21 zu ziehen, so lässt sich der Zeitpunkt des Erreichens des Anschlags durch die Spannungsdifferenz dU zwischen dem Spannungsminimum (zum Zeitpunkt to) und dem ersten danach auftretenden lokalen Maximum (beim ersten Nulldurchgang der Ableitung des Spannungsverlaufs, zum Zeitpunkt ti bzw. t2) einstellen. Die zugrundeliegende vereinfachende Annahme hierfür ist, dass die Steigung m, mit der die Spannung U zwischen diesen beiden Punkten ansteigt, konstant ist (vgl. obige Ausführungen). Wenn die Auswertung eines der zuvor beschriebenen Kriterien (Korrelationswert R oder Summe k) ergibt, dass die Nadel 13 ihren Hubanschlag 14, 21 nicht erreicht hat, reagiert das Kompensationsverfahren damit, dass die Entladezeit vergrößert wird, um den Spannungshub zu vergrößern (vgl. Figur 11). Würde nun der Sollwert des dU-Reglers konstant gehalten, dann würde die Nadel 13 ihren Hubanschlag 14, 21 zu spät erreichen. Aus diesem Grund muss mit der Verlängerung der Entladezeit eine Veränderung, vorzugsweise eine Verringerung, des Sollwerts des dU-Reglers einher- gehen. Dieser Sachverhalt und die Wirkungsweise sind in Figur 11 dargestellt.
Ist ein sicherer Hubanschlag 14, 21 über mehrere Ansteuerungen erfolgt, dann wird der Regler versuchen den Spannungshub wieder zu verringern. Dies ist nötig, damit der Regler nicht nur in eine Richtung korrigieren darf, und so bei Fehlmessungen die Fehler nicht mehr korrigieren kann. Zur Reduzierung des Spannungshubs wird genau das Gegenteil des oben beschriebenen Vorgangs gemacht. Es wird also die Entladezeit verkürzt und dU vergrößert.
Eine beispielhafte Regelungsstruktur wird nachfolgend anhand der Figur 10 näher erläutert. Hierbei sind mehrere Regelkreise kaskadenförmig ineinander geschachtelt. Der äußerste Regelkreis dient der Regelung der Summe k der quadratischen Abweichun- gen des Spannungssignals U von einem Spannungsmittelwert 40 oder des Korrelationskoeffizient R aus dem ersten Beispiel oder einer anderen Größe eines anderen Verfahrens zur Detektion des Hubanschlags. Am Injektor 10 wird die Spannung U er- fasst, und nach einer Auswertung in einem Funktionsblock 50 nach einem oder mehreren der oben beschriebenen Verfahren erhält man den Istwert k,st (bzw. Rιst) für die Summe k (bzw. den Korrelationskoeffizient R). Als Sollwert kson (bzw. Rson) wird ein möglichst kleiner Wert, bspw. Null, vorgegeben. In einem Subtraktionsblock 51 wird die Differenz dk (bzw. dR) von Sollwert kson (bzw. Rson) und Istwert kιst (bzw. Rιst) der Summe k der quadratischen Abweichungen von einem Spannungsmittelwert 40 (bzw. des Korrelationskoeffizient R) gebildet. Die Differenz dk (bzw. dR) wird als Regeldifferenz einem Regler 52, bspw. einem Proportionalregler mit einem Verstärkungsfaktor Kp3, zugeführt. Die Signalgröße des Reglers 52 der Summe k (bzw. des Korrelationskoeffizient R) ist gleichzeitig die Führungsgröße (Sollwert dUson) der unterlagerten Regelung der wie auch immer berechneten Differenz dU. Aus der am Injektor 10 anliegenden Aktorspannung U wird im Rahmen der Auswertung 50 nach einem oder mehreren der oben be- schriebenen Verfahren auch der Istwert dUlst für die Differenz dU ermittelt. In einem Subtraktionsblock 53 wird die Differenz ddU von Sollwert dUson und Istwert dU,st gebildet. Die Differenz ddU wird als Regeldifferenz einem Regler 54, bspw. einem Proportionalregler mit einem Verstärkungsfaktor KpI, zugeführt.
Die Signalgröße des Reglers 54 der Summe k ist gleichzeitig die Führungsgröße (SoII- wert UbXsoii) der unterlagerten Regelung der am Aktor 12 anliegenden Spannung Ubx, dabei entspricht die Spannung Ubx dem oben beschriebenen ΔU. Die am Injektor 10 anliegende Aktorspannung Ubx wird als Istwert Ubx,st erfasst. In einem Subtraktionsblock 55 wird die Differenz dUbx von Sollwert Ubxson und Istwert Ubxιst der Spannung Ubx gebildet. Die Differenz dUbx der Spannungen wird als Regeldifferenz einem Regler 56, bspw. einem Proportionalregler mit einem Verstärkungsfaktor Kp2, zugeführt.
Die Signalgröße des Reglers 56 ist der Entladestrom I, dessen Verlauf in den verschiedenen Diagrammen eingezeichnet ist und der in Figur 10 mit iD|SCh (Discharge) bezeichnet ist. Der Injektor 10 bzw. dessen Piezoaktor 12 wird mit diesem Entladestrom beaufschlagt. Die Differenz dk von Sollwert kson und Istwert k,st der Summe k der quadrati- sehen Abweichungen von einem Spannungsmittelwert 40 wird außerdem einem Regler 57, bspw. einem Proportionalregler mit einem Verstärkungsfaktor Kp4, zugeführt. Die Signalgröße des Reglers 57 ist die Entladezeitdauer tiDlsCh, für die der Injektor 10 mit dem Entladestrom iD|SCh beaufschlagt wird, damit die gewünschte Kraftstoffmenge eingespritzt wird.
Anhand der Figur 11 wird näher erläutert, wie die Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils 10 korrigiert werden muss, damit einerseits die Düsennadel 13 den Hubanschlag 14, 21 sicher erreicht und andererseits die Düsennadel 13 den Hubanschlag 14, 21 auch innerhalb einer gewünschten Zeitdauer erreicht. In Figur 11 a) ist oben mit einer durchgezogenen Linie der Verlauf des Ansteuerstroms I des Aktors 12 im ur- sprünglichen unkorrigierten Zustand dargestellt. Mit der gestrichelten Linie ist der Verlauf des Ansteuerstroms I mit korrigierter Entladezeit dargestellt. In Figur 11 a) ist unten in entsprechender Weise mit einer durchgezogenen Linie der Verlauf der unkorrigierten an dem Aktor 12 anliegenden Aktorspannung U dargestellt. Mit der gestrichelten Linie ist der Verlauf der Spannung U mit geänderter Entladezeit dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass eine Verlängerung der Entladezeit von einem Entladeende bei t7 auf ein Entladeende erst bei tβ zwar einen vergrößerten Spannungshub erzeugt, allerdings auch zu einem späteren Erreichen des Nadelhubanschlags 14, 21 führt. Der Anschlag 14, 21 wird nämlich erst zum Zeitpunkt ti0 statt zum Zeitpunkt t9 erreicht.
In Figur 11 b) ist oben wiederum mit einer durchgezogenen Linie der Verlauf des Entladestroms I des Aktors 12 im ursprünglichen unkorrigierten Zustand dargestellt. Mit der gestrichelten Linie ist der Verlauf des Entladestroms I mit korrigierter Entladezeit und korrigierter Spannungsdifferenz dU dargestellt. In Figur 11 b) ist unten in entsprechender Weise mit durchgezogenen Linie der Verlauf der unkorrigierten an dem Aktor 12 anliegenden Aktorspannung U dargestellt. Mit der gestrichelten Linie ist der Verlauf der Spannung U mit geänderter Entladezeit und geänderter Spannungsdifferenz dU (dU2 statt dUl, wobei dU2 < dUl) dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass ein Verlängern der Entladezeit von t7 auf tβ einen vergrößerten Spannungshub erzeugt. Das spätere Erreichen des Nadelhubanschlags 14, 21 von Figur 11 a) unten wird in Figur 11 b) jedoch dadurch kompensiert, dass ein kleinerer Wert für die Spannungsdifferenz dU als Sollwert vorgegeben wird. Das hat zur Folge, dass der Anschlag 14, 21 bereits zu ei- nem Zeitpunkt ti0 erreicht wird, der genau dem ursprünglichen Zeitpunkt t9 entspricht. Falls der Spannungshub reduziert werden soll, gilt selbstverständlich dU2 < dUl, so dass trotz einer verkürzten Entladezeit, der Hubanschlag 14, 21 nicht zu früh erreicht wird.

Claims

Ansprüche
1. Kraftstoffeinspritzsystem umfassend mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil (10) und ein Steuergerät (20) zum Ansteuern des Einspritzventils (10), wobei jedes Einspritzventil (10) umfasst
- einen piezoelektrischen Aktor (12),
ein Düsenelement mit mindestens einer Düsenöffnung (15) und mindestens einer bewegbaren Düsennadel (13) zum selektiven Verschließen und Öffnen der mindestens einen Düsenöffnung (15),
ein hydraulisches Koppelelement, das zwischen dem Piezoaktor (12) und der Düsennadel (13) geschaltet ist, und
mindestens einen Hubanschlag (14, 21), an dem die Düsennadel (13) in ihrer vollständig geöffneten und/oder ihrer vollständig geschlossenen Stellung anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (20) Detektionsmittel zum Erkennen eines Anschlags der Düsennadel (13) an dem mindestens einen Huban- schlag (14, 21) aufweist, wobei die Mittel derart ausgebildet sind, dass sie den
Nadelhubanschlag während einer Bestromungspause des Piezoaktors (12) anhand des Verlaufs eines an dem Piezoaktor (12) anliegenden Spannungssignals (U) erkennen.
2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie eine Schwingungsamplitude des
Spannungssignals (U) zwischen Entladeende und Ladebeginn bzw. zwischen Ladeende und Entladebeginn bewerten.
3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie das Spannungssignal (U) zwi- sehen Entladeende und Ladebeginn bzw. zwischen Ladeende und Entladebeginn abtasten, durch ein Intervall der Abtastwerte des Spannungssignals (U) eine Regressionsfunktion (30), vorzugsweise eine Regressionsgerade, legen und einen Korrelationswert zu den Abtastwerten ermitteln, wobei sie anhand der Größe des Korrelationswerts erkennen, ob ein Nadelhubanschlag vorliegt oder nicht.
4. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie die ermittelten Korrelationswerte mit einem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittelten Grenzwert vergleichen und einen Nadelhubanschlag erkennen, falls der ermittelte Korrelationswert größer oder gleich dem Grenzwert ist.
5. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie am Anfang der Bestromungspause einen ersten Spannungswert des Spannungssignals (U) sowie zu einem späteren Zeitpunkt während der Bestromungspause einen weiteren Spannungswert des Spannungssignals (U) ermitteln, wobei sie anhand der Differenz (dU) zwischen dem ersten Spannungswert und dem weiteren Spannungswert erkennen, ob ein Nadelhubanschlag vorliegt oder nicht.
6. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt am Anfang der Bestromungspause, zu dem der erste Spannungswert ermittelt wird, bei oder nach dem Entladeende (to) bzw. bei oder nach dem La- deende (t5) liegt.
7. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt am Anfang der Bestromungspause, zu dem der erste Spannungswert ermittelt wird, bei einem Zeitpunkt (tu X2; h) liegt, zu dem eine Ableitung des Spannungsverlaufs (U) einen ersten Nulldurchgang aufweist.
8. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der spätere Zeitpunkt, zu dem der weitere Spannungswert ermittelt wird, kurz vor dem Ladebeginn (tι) bzw. kurz vor dem Entladebeginn liegt.
9. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der spätere Zeitpunkt, zu dem der weitere Spannungswert ermittelt wird, bei einem Zeitpunkt (tu X2; h) liegt, zu dem eine Ableitung des Spannungsverlaufs (U) einen ersten Nulldurchgang aufweist.
10. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie die ermittelte Spannungsdif- ferenz (dU) mit einem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittelten Grenzwert vergleichen und das Nichterreichen eines Nadelhubanschlags erkennen, falls der erste Spannungswert zu Beginn (tu X2; Xz) der Bestromungspause größer als der weitere Spannungswert zu dem späteren Zeitpunkt (tι) und der Betrag der ermittelten Spannungsdifferenz (dU) größer oder gleich dem Grenzwert ist.
11. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie die ermittelte Spannungsdifferenz (dU) mit einem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittelten Grenzwert vergleichen und erkennen, dass die Düsennadel (13) zu stark an einen Hubanschlag (14, 21) gezogen wurde, falls der erste
Spannungswert zu Beginn (tu X2; X?) der Bestromungspause kleiner als der weitere Spannungswert zu einem späteren Zeitpunkt (tι) und der Betrag der ermittelten Spannungsdifferenz (dU) größer oder gleich dem Grenzwert ist.
12. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie das Spannungssignal (U) während der Bestromungspause betrachten, den Verlauf des Spannungssignals (U) in dem betrachteten Bereich in einen Anstiegsbereich und einen daran anschließenden Plateaubereich unterteilen, durch den Plateau bereich einen Spannungsmittelwert (40) bilden und eine Summe (k) der quadratischen Abweichungen des Spannungssignals (U) von dem Spannungsmittelwert (40) in dem Plateau bereich ermitteln, wobei sie anhand der Größe der ermittelten Summe (k) erkennen, ob ein Nadelhubanschlag vorliegt oder nicht.
13. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie die ermittelte Summe (k) mit ei- nem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittel- ten Grenzwert vergleichen und einen Nadelhubanschlag erkennen, falls die ermittelte Summe kleiner oder gleich dem Grenzwert ist.
14. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie während der Bestromungspause die erste Ableitung über das Spannungssignal (U) bilden, den
Zeitpunkt, zu dem die Ableitung das erste Mal einen Nulldurchgang aufweist, zur Unterteilung des Verlaufs des Spannungssignals (U) in einen Anstiegsbereich und einen Plateaubereich heranziehen, durch das Spannungssignal (U) im Anstiegsbereich und im Plateaubereich jeweils eine Regressionsfunktion (30; 31), vorzugsweise eine Regressionsgerade, legen und den Schnittpunkt der beiden
Regressionsfunktionen (30; 31) als den Zeitpunkt fe) heranziehen, zu dem ein Nadelhubanschlag vorliegt.
15. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie den Zeit- punkt fe) des Nadelhubanschlags erst bestimmen, wenn zuvor ermittelt wurde, dass überhaupt ein Nadelhubanschlag vorliegt.
16. Verfahren zum Ermitteln eines Nadelhubanschlags in einem Kraftstoffeinspritzventil (10), das umfasst
einen Piezoaktor (12),
- ein Düsenelement mit mindestens einer Düsenöffnung (15) und mindestens einer bewegbaren Düsennadel (13) zum selektiven Verschließen und Öffnen der mindestens einen Düsenöffnung (15),
ein hydraulisches Koppelelement (16, 17, 18, 19), das zwischen dem Piezoaktor (12) und der Düsennadel (13) geschaltet ist, und
- mindestens einen Hubanschlag (14, 21), an dem die Düsennadel (13) in ihrer vollständig geöffneten und/oder ihrer vollständig geschlossenen Stellung anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Nadelhubanschlag (14, 21) während einer Bestromungspause des Piezoaktors (12) durch Auswerten des Verlaufs eines an dem Piezoaktor (12) anliegenden Spannungssignals (U) ermit- telt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwingungs- amplitude des Spannungssignals (U) zwischen Entladeende und Ladebeginn bzw. zwischen Ladeende und Entladebeginn bewertet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch das an dem Piezoaktor (12) anliegende Spannungssignal (U) während der Bestromungspause mindestens eine Regressionsfunktion (30; 31), vorzugsweise eine Regressionsgerade, gelegt wird und der mindestens eine Nadelhubanschlag (14, 21) durch Auswerten des Verlaufs der mindestens einen Regressionsfunktion (30; 31) ermittelt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ableitung des Spannungssignals (U) während der Bestromungspause gebildet, der Zeitpunkt, zu dem die Ableitung den ersten Nulldurchgang aufweist, zur Unterteilung des Verlaufs des Spannungssignals (U) in einen Anstiegsbereich und einen Plateaubereich herangezogen, durch das Spannungssignal in dem Anstiegsbereich und in dem Plateau bereich jeweils eine Regressionsfunktion (30; 31), vorzugsweise eine Regressionsgerade, gelegt und der Schnittpunkt der beiden Regressionsfunktionen (30; 31) als der Zeitpunkt fe) des Nadelhubanschlags (14, 21) herangezogen wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Intervall des Spannungssignals (U) während der Bestromungspause eine Regressionsfunktion (30; 31), vorzugsweise eine Regressionsgerade, gelegt und ein Korrelationswert zu dem Spannungssignal (U) ermittelt wird, wobei der Nadelhubanschlag (14, 21) anhand der Größe des Korrelationswerts erkannt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Span- nungssignal (U) vor der Bildung der Ableitung bzw. vor der Ermittlung der Regressionsfunktion (30; 31) abgetastet wird und die weitere Verarbeitung des Spannungssignals (U) anhand der Abtastwerte erfolgt.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Korrelationswerte mit einem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Ein- spritzventiltyp ermittelten Grenzwert verglichen werden und ein Nadelhuban- schlag erkannt wird, falls der ermittelte Korrelationswert größer oder gleich dem Grenzwert ist.
23. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungssignal (U) während der Bestromungspause betrachtet, der Verlauf des Spannungs- Signals (U) in dem betrachteten Bereich in einen Anstiegsbereich und einen daran anschließenden Plateau bereich unterteilt, in dem Plateaubereich ein Spannungsmittelwert (40) gebildet, eine Summe (k) der Beträge der gewichteten Abweichungen des Spannungssignals (U) von dem Spannungsmittelwert (40) in dem Plateaubereich ermittelt und anhand der Größe der ermittelten Summe (k) ein Nadelhubanschlag (14, 21) erkannt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe (k) der quadratischen Abweichungen des Spannungssignals (U) von dem Spannungsmittelwert (40) in dem Plateaubereich ermittelt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittel- te Summe (k) mit einem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittelten Grenzwert verglichen und ein Nadelhubanschlag (14, 21) erkannt wird, falls die ermittelte Summe (k) kleiner oder gleich dem Grenzwert ist.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass am Anfang der Bestromungspause ein erster Spannungswert des Spannungssignals (U) sowie zu einem späteren Zeitpunkt während der Bestromungspause ein weiterer Spannungswert des Spannungssignals (U) ermittelt wird, wobei anhand der Differenz (dU) zwischen dem ersten Spannungswert und dem weiteren Spannungswert erkannt wird, ob ein Nadelhubanschlag vorliegt oder nicht.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt am Anfang der Bestromungspause, zu dem der erste Spannungswert ermittelt wird, bei oder nach dem Entladeende (to) bzw. bei oder nach dem Ladeende (t5) liegt.
28. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt am Anfang der Bestromungspause, zu dem der erste Spannungswert ermittelt wird, bei einem Zeitpunkt (tu t2; t) liegt, zu dem eine Ableitung des Spannungsverlaufs (U) einen ersten Nulldurchgang aufweist.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der spätere Zeitpunkt, zu dem der weitere Spannungswert ermittelt wird, kurz vor dem Ladebeginn (tι) bzw. kurz vor dem Entladebeginn liegt.
30. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der spätere Zeitpunkt, zu dem der weitere Spannungswert ermittelt wird, bei einem Zeitpunkt (tu h; t) liegt, zu dem eine Ableitung des Spannungsverlaufs (U) einen ersten Nulldurchgang aufweist.
31. Verfahren nach Anspruch 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Spannungsdifferenz (dU) mit einem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittelten Grenzwert verglichen und das Nichterreichen eines Nadelhubanschlags erkannt wird, falls der erste Spannungswert zu Beginn (tu h; t) der Bestromungspause größer als der weitere Spannungswert zu dem späteren Zeitpunkt (tι) und der Betrag der ermittelten Spannungsdifferenz (dU) größer oder gleich dem Grenzwert ist.
32. Verfahren nach Anspruch 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Spannungsdifferenz (dU) mit einem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten E ins p ritz ventiltyp ermittelten Grenzwert verglichen und erkannt wird, dass die Düsennadel (13) zu stark an einen Hubanschlag (14, 21) gezogen wurde, falls der erste Spannungswert zu Beginn (tu t2; h) der Bestromungspause kleiner als der weitere Spannungswert zu einem späteren Zeitpunkt (tθ und der Betrag der ermittelten Spannungsdifferenz (dU) größer oder gleich dem Grenzwert ist.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren als ein Computerprogramm realisiert ist, das auf einem Steuergerät (20) zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils (10) mit einem piezoelektrischen Aktor (12) ablauffähig ist.
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