EP4536952A1 - Verfahren zur ansteuerung eines injektors, steuergerät - Google Patents

Verfahren zur ansteuerung eines injektors, steuergerät

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Publication number
EP4536952A1
EP4536952A1 EP23730791.3A EP23730791A EP4536952A1 EP 4536952 A1 EP4536952 A1 EP 4536952A1 EP 23730791 A EP23730791 A EP 23730791A EP 4536952 A1 EP4536952 A1 EP 4536952A1
Authority
EP
European Patent Office
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injection rate
injector
nozzle needle
time
pressure sensor
Prior art date
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Pending
Application number
EP23730791.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian MOESENBICHLER
Thibault Jean Roger HENRION
Alexander Fuchs
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4536952A1 publication Critical patent/EP4536952A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F02D41/24—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means
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    • F02M57/005—Fuel-injectors combined or associated with other devices the devices being sensors
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    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
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    • F02D2200/0602—Fuel pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/24—Fuel-injection apparatus with sensors
    • F02M2200/247—Pressure sensors

Definitions

  • the movement of the nozzle needle can be recorded, for example, via the pressure curve in the control room.
  • DE 10 2015 207 307 A1 proposes a fuel injector with a servo-hydraulic controlled nozzle needle and a pressure sensor. With the help of the pressure sensor, pressure changes in the control room or in a pressure chamber hydraulically connected to the control chamber. By evaluating the pressure signals from the pressure sensor, the exact time at which the nozzle needle opens and closes can be determined. If necessary, the control signal for activating the control valve can be readjusted.
  • What is proposed is a method for controlling an injector, in particular a fuel injector, in which the stroke movement of a nozzle needle for opening and closing at least one injection opening is controlled via the pressure in a control chamber and the pressure in the control chamber is measured with the aid of a pressure sensor integrated into the injector.
  • Information characteristic of the stroke movement of the nozzle needle, in particular time and flow data, is derived from the sensor signals of the pressure sensor and used to correct an injection rate model that is based on previously measured time and flow data.
  • the proposed method uses a measured and therefore “real” injection rate curve instead of a simplified curve, for example in the form of a trapezoid, as a model for a correction function. This has the advantage that model errors are reduced to a minimum.
  • the measurement data from a nominal injector are preferably used to model the injection rate. These are preferably composed of time and flow data with a defined sampling frequency.
  • this information is preferably derived from the sensor signal of the pressure sensor in order to parameterize and correct the injection rate model.
  • the sensor signal amplitude is not used because - as already mentioned at the beginning - this changes over time due to aging and wear of the pressure sensor. The independence from the absolute sensor signal amplitude increases the accuracy of the model, especially in comparison to the prior art mentioned at the beginning.
  • the time data NOS, NOE, NCS and NCE can be derived from the sensor signal of the pressure sensor using a detection algorithm.
  • the detection algorithm can use derivatives and/or averages of the sensor signal.
  • the sensor signal can be preprocessed in advance, in particular filtered, for example using a low-pass filter.
  • the maximum injection rate Qmax is preferably determined from the time data NOS, NOE, NCS and NCE. In this way, changes in the maximum injection rate Qmax over time that are caused by aging/wear of the injector are recorded.
  • the corrected injection rate model is then preferably used to calculate the injection quantity, preferably by integrating the corrected curve of the maximum injection rate Qmax.
  • the calculated injection quantity can then be converted into a change in the electrical control duration.
  • the determined deviation of the actual injection quantity can be applied as a factor to the injection duration.
  • a control device which is set up to carry out the method according to the invention.
  • an injection rate model is preferably stored in the control unit, which is based on the measurement data of a nominal injector.
  • the control unit evaluates the sensor signal of the pressure sensor.
  • a detection algorithm can be stored in the control unit, with the help of which the relevant time and flow data can be derived from the sensor signal. If the evaluation reveals drift or wear, the injection rate model can be corrected accordingly with the help of the control unit
  • FIG. 6 graphical representation of the transformation of the time axis in the opening phase of the injector
  • FIG. 7 diagram showing the modeling of the injection rate in the closing phase of the injector during linear operation
  • Fig. 11 Diagram comparing a simplified injection rate model (dashed line) and a measured curve (solid line).
  • the method according to the invention is used to control an injector 1 with a servo-hydraulically controlled nozzle needle 2 and a pressure sensor 5 for measuring the control pressure applied to the nozzle needle 2.
  • an injector 1 is shown as an example in FIG. Figure 2a) shows the complete injector 1, Figure 2b) only shows the area of the nozzle and the control valve.
  • the injector 1 shown in FIG. 2 has a nozzle needle 2, which is accommodated in a nozzle body 6 for lifting movement, for opening and closing at least one injection opening 3.
  • the end of the nozzle needle 2 facing away from the injection opening 3 delimits a control chamber 4, which is hydraulically connected to a pressure chamber 8 via a channel 7.
  • the pressure chamber 8 is formed in a throttle plate 9 and is delimited by a membrane 10 resting on the throttle plate 9, behind which a pressure sensor 5 is arranged, so that pressure changes occurring in the pressure chamber 8 can be detected with the aid of the pressure sensor 5.
  • the pressure sensor 5 is integrated into a valve plate 11, on which a valve body 12 of a control valve 13 rests.
  • Figure 3 shows an example of the relationships between the nozzle needle stroke (Figure 3b)) and the sensor signal of the pressure sensor 5 (Figure 3d)).
  • the sensor signal indicates both the start of the nozzle needle movement when opening (time NOS) and the end of the nozzle needle movement when opening (time NOE).
  • the start (NCS) and the end (NCE) of the nozzle needle movement when closing can be derived from the sensor signal.
  • the times NOS, NOE, NCS and NCE result in the injection rate curve shown in Figure 3c) with a maximum injection rate Qmax.
  • the current curve shown in FIG. 3a) has no direct relationship to the nozzle needle stroke, since there is a time delay between the control current and the movement of the nozzle needle 2.
  • the needle closing time tciosing NCE-NCS can be examined at two different system pressures in an operating range in which the nozzle needle opens up to an upper stop.
  • the experiment is preferably designed to measure relevant variations in needle stroke and nozzle flow.
  • the relationship for the two system pressures can then be determined using equation (1). The further apart the two system pressures are, the more precisely the nozzle needle stroke and the maximum injection rate Qmax can be determined. This is due to the fact that the coefficients a and b are also far apart when the system pressures are far apart and therefore the difference in slope of the two straight lines according to equation (1) is greater.
  • AQ ⁇ ” ⁇ TM i.e. the change in the maximum injection rate of the injector at nominal pressure
  • 0 ⁇ 77 ⁇ r ' is the maximum injection rate of the reference injector at nominal pressure.
  • the other input value, which indicates the maximum injection rate of the controlled injector, is calculated according to equation (2).
  • a difference between the time data NOE of the reference injector and the controlled injector is taken into account by preferably correcting the time axis by this value according to equation (6).
  • the scaled injection rate curve of the reference injector is preferably transformed during the closing phase in such a way that the continuity of the modeled rate curve is ensured. This is shown as an example in FIG. 9.
  • the modeled injection rate follows the opening edge calculated above until the closing phase is initiated.
  • the model parameters At and AQ are introduced and explained using Figure 10. Accordingly, At is defined such that at the time NCS At the maximum injection rate Qmax reaches the scaled reference rate. Thus, Qmax is calculated at point B at time NCS. AQ is defined such that at the time the injection rate Qmax AQ reaches point A, the modeled injection rate no longer follows the reference rate. Studies have shown that At and AQ can be defined with the time constants k3 and k4 given in equations (8) and (9), which lead to good model results.
  • step D the estimated injection quantity can then be converted into a change in the electrical control duration.
  • the determined deviation of the actual injection quantity is preferably applied as a factor to the injection duration.
  • a correspondingly adapted control current is passed from the control unit 14 to the injector 1 via a control line 16.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Injektors (1), insbesondere eines Kraftstoffinjektors, bei dem die Hubbewegung einer Düsennadel (2) zum Öffnen und Schließen mindestens einer Einspritzöffnung (3) über den Druck in einem Steuerraum (4) gesteuert wird und der Druck im Steuerraum (4) mit Hilfe eines in den Injektor (1) integrierten Drucksensors (5) gemessen wird, wobei aus den Sensorsignalen des Drucksensors (5) für die Hubbewegung der Düsennadel (3) charakteristische Informationen, insbesondere Zeit- und Durchflussdaten, abgeleitet und zur Korrektur eines Einspritzratenmodells verwendet werden, das auf vorab gemessenen Zeit- und Durchflussdaten basiert.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zur Ansteuerung eines Injektors, Steuergerät
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Injektors, insbesondere eines Kraftstoffinjektors zum Einspritzen von Kraftstoff unter hohem Druck in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Kraftstoffinjektoren mit einer in einem Druckraum längsverschiebbar angeordneten Düsennadel zum Öffnen und Schließen mindestens einer Einspritzöffnung bekannt, bei denen die Bewegungen der Düsennadel servo- hydraulisch gesteuert werden, das heißt über den Druck in einem Steuerraum, der auf die Düsennadel eine hydraulische Schließkraft ausübt. Die Steuerung des Drucks im Steuerraum erfolgt über ein Steuerventil, das elektromagnetisch oder mit Hilfe eines Piezoaktors den Druck im Steuerraum reguliert. Das Steuerventil kann durch ein Steuergerät sehr präzise angesteuert werden. Allerdings kommt es zu einem zeitlichen Verzug zwischen dem Steuerstrom und der tatsächlichen Bewegung der Düsennadel. Für eine präzise Ansteuerung ist es daher wichtig, den exakten Zeitpunkt zu kennen, zu dem sich die Düsennadel bewegt und die Einspritzung beginnt, um ggf. den Steuerstrom für die Ansteuerung des Steuerventils nachzuregeln.
Die Bewegung der Düsennadel kann beispielsweise über den Druckverlauf im Steuerraum erfasst werden. In der DE 10 2015 207 307 A1 wird hierzu ein Kraftstoffinjektor mit einer servo-hydraulisch gesteuerten Düsennadel und einem Drucksensor vorgeschlagen. Mit Hilfe des Drucksensors können Druckänderungen im Steuerraum bzw. in einer mit dem Steuerraum hydraulisch verbundenen Druckkammer erfasst werden. Durch Auswerten der Drucksignale des Drucksensors kann der genaue Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem die Düsennadel öffnet und schließt Bei Bedarf kann somit das Steuersignal zur Ansteuerung des Steuerventils nachgeregelt werden.
Der zeitliche Verlauf des Drucks im Steuerraum eines servo-hydraulischen Injektors liefert präzise Informationen über die Bewegung der Düsennadel. Durch den Einsatz von Algorithmen zur Signalanalyse können charakteristische Zeitpunkte der Einspritzung wie der Spritzbeginn, das Spritzende oder die Nadelöffnungszeit bestimmt werden. In diesen Algorithmen werden typischerweise Kombinationen aus digitaler Filterung, Schwellenwertverfahren und numerischer Ableitung angewendet.
Im Betrieb einer Brennkraftmaschine werden üblicherweise Einspritzratenmodelle dazu eingesetzt, die eingespritzte Kraftstoffmenge mit höherer Genauigkeit einzuregeln sowie die Parameter der Verbrennung zu optimieren. Aufgrund der geringeren Rechenleistung werden dabei OD-Modelle gegenüber beispielsweise auf Strömungssimulationen basierenden 1 D-Modellen bevorzugt. Die Modelle benutzen in der Regel eine stark vereinfachte Darstellung des Einspritzratenverlaufs, beispielsweise in Form eines Trapezes wie beispielhaft in der Figur 11 dargestellt. Der gemessene tatsächliche Verlauf (durchgezogene Linie) weist jedoch Abweichungen zum Modell (gestrichelte Linie) auf, so dass die Prognose der Einspritzmenge durch das Modell ungenau ist.
Zur Erhöhung der Genauigkeit wurde daher bereits vorgeschlagen, für die Abschätzung der Einspritzmenge den absoluten Druck bzw. Druckdifferenzen aus dem Sensorsignal eines in den Injektor integrierten Drucksensors zu benutzen. Durch Verschleißprozesse ändert sich jedoch die Sensorsignalamplitude des Drucksensors über die Lebensdauer des Injektors, so dass durch diese Änderung die Genauigkeit der Abschätzung beeinflusst wird. Erfolgt zudem die Berechnung der maximalen Einspritzrate mit Hilfe einer fixen linearen Korrelation zum Druckabfall, verändert sich aufgrund von Drift/Verschleiß des Drucksensors diese Korrelation über die Zeit, was zu einem systematischen Fehler der Einspritzmengenschätzung führt.
Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, die Genauigkeit der modellbasierten Einspritzmengenschätzung zu erhöhen. Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines Injektors, insbesondere eines Kraftstoffinjektors, bei dem die Hubbewegung einer Düsennadel zum Öffnen und Schließen mindestens einer Einspritzöffnung über den Druck in einem Steuerraum gesteuert wird und der Druck im Steuerraum mit Hilfe eines in den Injektor integrierten Drucksensors gemessen wird. Aus den Sensorsignalen des Drucksensors werden für die Hubbewegung der Düsennadel charakteristische Informationen, insbesondere Zeit- und Durchflussdaten, abgeleitet und zur Korrektur eines Einspritzratenmodells verwendet, das auf vorab gemessenen Zeit- und Durchflussdaten basiert.
Das vorgeschlagene Verfahren verwendet einen gemessenen und damit „echten“ Einspritzratenverlauf anstelle eines vereinfachten Verlaufs, beispielsweise in Form eines Trapezes, als Modell für eine Korrekturfunktion. Dies hat den Vorteil, dass Modellfehler auf ein Minimum reduziert werden. Für die Modellierung der Einspritzrate werden vorzugsweise die Messdaten eines nominalen Injektors herangezogen. Diese setzen sich bevorzugt aus Zeit- und Durchflussdaten mit einer definierten Abtastfrequenz zusammen.
Die Modellierung besteht hauptsächlich in der Variation bzw. Anpassung der Zeit- und Durchflussdaten mit Hilfe der Informationen, die aus dem Sensorsignal des Drucksensors abgeleitet werden. Diese werden dazu eingesetzt, das Einspritzratenmodell zu parametrieren und zu korrigieren.
Die Korrektur wird im Betrieb des Injektors vorgenommen, vorzugsweise über die gesamte Lebensdauer des Injektors. Auf diese Weise kann eine injektorindividuelle Ansteuerung realisiert werden, die den tatsächlichen Verschleißzustand des Injektors berücksichtigt. Bevorzugt werden die folgenden Informationen, insbesondere Zeit- und Durchflussdaten, aus dem Sensorsignal des Drucksensors abgeleitet und zur Korrektur des Einspritzratenmodells verwendet:
Beginn der Öffnungsbewegung der Düsennadel (NOS), Ende der Öffnungsbewegung der Düsennadel (NOE), Beginn der Schließbewegung der Düsennadel (NCS), Ende der Schließbewegung der Düsennadel (NCE) und maximale Einspritzrate (Qmax).
Ferner bevorzugt werden nur diese Informationen aus dem Sensorsignal des Drucksensors abgeleitet, um das Einspritzratenmodell zu parametrisieren und zu korrigieren. Insbesondere wird auf die Verwendung der Sensorsignalamplitude verzichtet, da sich diese - wie eingangs bereits erwähnt - aufgrund Alterung und Verschleiß des Drucksensors über die Zeit ändert Die Unabhängigkeit zur absoluten Sensorsignalamplitude steigert die Genauigkeit des Modells, insbesondere im Vergleich zum eingangs genannten Stand der Technik.
Die Zeitdaten NOS, NOE, NCS und NCE können mit Hilfe eines Detektionsalgorithmus aus dem Sensorsignal des Drucksensors abgeleitet werden. Der Detektionsalgorithmus kann dabei Ableitungen und/oder Mittelungen des Sensorsignals nutzen. Zudem kann im Vorfeld das Sensorsignal vorverarbeitet, insbesondere gefiltert werden, beispielsweise mittels Tiefpassfilter.
Die maximale Einspritzrate Qmax wird vorzugsweise aus den Zeitdaten NOS, NOE, NCS und NCE ermittelt. Auf diese Weise werden Änderungen der maximalen Einspritzrate Qmax über die Zeit erfasst, die durch Alterung/Verschleiß des Injektors bedingt sind.
Es wurde herausgefunden, dass Korrelationen zwischen den Zeitdaten NOS, NOE, NCS, NCE, der maximalen Einspritzrate Qmax und dem Düsennadelhub existieren. Diese können mit Hilfe konventioneller Methoden mit linearen Gleichungen oder durch den Einsatz künstlicher Intelligenz mit neuronalen Netzen identifiziert und zur Ermitt- lung von Qmax genutzt werden. Es wurde zudem wurde nachgewiesen, dass diese Korrelationen unabhängig von anderen Verschleißparametern, wie beispielsweise dem Verschleiß des Düsennadelsitzes und/oder Änderungen der Strömungsverhältnisse im Bereich einer den Steuerraum begrenzenden Drosselplatte, sind. Die Korrelationen werden bevorzugt im Vorfeld experimentell ermittelt und gespeichert, vorzugsweise in einem Steuergerät.
Die aus den Zeitdaten NOS, NOE, NCS, NCE ermittelte Größe Qmax wird dann ferner bevorzugt im Einspritzratenmodell als Eingangsgröße verwendet.
Des Weiteren bevorzugt wird dann durch mathematische Transformation der aus dem Sensorsignal des Drucksensors abgeleiteten Zeit- und Durchflussdaten ein korrigierter Verlauf der Einspritzrate berechnet. Dabei kann insbesondere eine lineare Transformation angewendet werden. Um die Genauigkeit weiter zu erhöhen, kann die Transformation mit unterschiedlichen mathematischen Modellen durchgeführt werden, beispielsweise polynomisch, exponentiell oder logarithmisch, und/oder nur über einen bestimmten Abschnitt der Öffnungs- bzw. Schließphase angewendet werden.
Bei der mathematischen Transformation der Zeitdaten werden vorzugsweise nur die aus dem Sensorsignal des Drucksensors abgeleiteten Zeitdaten NOS, NOE, NCS, NCE verwendet. Das heißt, dass ausschließlich diese Zeitdaten verwendet werden, um Fehler bzw. Ungenauigkeiten zu vermeiden.
Das korrigierte Einspritzratenmodell wird dann ferner bevorzugt zur Berechnung der Einspritzmenge verwendet, vorzugsweise durch Integration des korrigierten Verlaufs der maximalen Einspritzrate Qmax. Die berechnete Einspritzmenge kann dann in eine Änderung der elektrischen Ansteuerdauer umgesetzt werden. Die ermittelte Abweichung der tatsächlichen Einspritzmenge kann dabei als Faktor auf die Spritzdauer angewendet werden.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Im Steuergerät ist hierzu bevorzugt ein Einspritzratenmodell gespeichert, das auf den Messdaten eines nominellen Injektors beruht. Zur Korrektur des Einspritzratenmodells wertet das Steuergerät das Sensorsignal des Drucksensors aus. Im Steuergerät kann hierzu ein Detektionsalgorithmus gespeichert sein, mit dessen Hilfe die relevanten Zeit- und Durchflussdaten aus dem Sensorsignal abgeleitet werden können. Lässt die Auswertung eine Drift bzw. einen Verschleiß erkennen, kann mit Hilfe des Steuergeräts das Einspritzratenmodell entsprechend korrigiert werden
Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Vorteile werden nachfolgend anhand eines Beispiels sowie anhand der beigefügten Zeichnungen im Detail erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Flussdiagramm zur Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 a) einen schematischen Längsschnitt durch einen Injektor, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ansteuerbar ist, und b) einen vergrößerten Ausschnitt des Injektors,
Fig. 3 verschiedene Diagramme zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs a) des Stromverlaufs, b) des Düsennadelhubs, c) der Einspritzrate und d) des Sensorsignals des Drucksensors,
Fig. 4 verschiedene Diagramme zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs a) der Einspritzrate eines Referenzinjektors, b) der mittels Qmax skalierten Einspritzrate und c) der mit Hilfe der Informationen aus dem Sensorsignal des Drucksensors angepassten Einspritzrate, bei linearem Betrieb des Injektors (mit Anschlag),
Fig. 5 verschiedene Diagramme zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs a) der Einspritzrate eines Referenzinjektors, b) der mittels Qmax skalierten Einspritzrate und c) der mit Hilfe der Informationen aus dem Sensorsignal des Drucksensors angepassten Einspritzrate, bei ballistischem Betrieb des Injektors (ohne Anschlag),
Fig. 6 graphische Darstellung der Transformation der Zeitachse in der Öffnungspha- se des Injektors, Fig. 7 Diagramm zur Darstellung der Modellierung der Einspritzrate in der Schließphase des Injektors bei linearem Betrieb,
Fig. 8 graphische Darstellung der Transformation der Zeitachse in der Schließphase des Injektors,
Fig. 9 Diagramm zur Darstellung der Modellierung der Einspritzrate in der Schließphase des Injektors bei ballistischem Betrieb unter Zuhilfenahme der EOI Schwelle,
Fig. 10 Diagramm zur Darstellung der Modellierung der Einspritzrate in der Schließphase des Injektors bei ballistischem Betrieb unter Zuhilfenahme ballistischer Punkte und
Fig. 11 Diagramm zur Gegenüberstellung eines vereinfachten Einspritzratenmodells (gestrichelte Linie) und eines gemessenen Verlaufs (durchgezogene Linie).
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Ansteuerung eines Injektors 1 mit servo- hydraulisch gesteuerter Düsennadel 2 und einem Drucksensor 5 zum Messen des an der Düsennadel 2 anliegenden Steuerdrucks. Ein solcher Injektor 1 ist beispielhaft in der Figur 2 dargestellt. Figur 2a) zeigt den kompletten Injektor 1 , Figur 2b) lediglich den Bereich der Düse und des Steuerventils.
Der in der Figur 2 dargestellte Injektor 1 weist eine in einem Düsenkörper 6 hubbeweglich aufgenommene Düsennadel 2 zum Öffnen und Schließen mindestens einer Einspritzöffnung 3 auf. Das der Einspritzöffnung 3 abgewandte Ende der Düsennadel 2 begrenzt einen Steuerraum 4, der über einen Kanal 7 mit einer Druckkammer 8 hydraulisch verbunden ist. Die Druckkammer 8 ist in einer Drosselplatte 9 ausgebildet und wird von einer an der Drosselplatte 9 anliegenden Membran 10 begrenzt, hinter der ein Drucksensor 5 angeordnet ist, so dass mit Hilfe des Drucksensors 5 in der Druckkammer 8 auftretende Druckänderungen erfasst werden können. Der Drucksensor 5 ist in eine Ventilplatte 11 integriert, an der wiederum ein Ventilkörper 12 eines Steuerventils 13 anliegt. Die Betätigung des Steuerventils 13 führt zu einer Änderung des Drucks im Steuerraum 4, der auf die Düsennadel 2 eine in Schließrichtung wirkende hydraulische Kraft ausübt. Der Druck im Steuerraum 4 steuert somit die Hubbewegung der Düsennadel 2. Aus dem Sensorsignal des Drucksensors 5 können demzufolge Informationen abgeleitet werden, die für die Hubbewegung der Düsennadel 2 charakteristisch sind.
Der Figur 3 sind beispielhaft die Zusammenhänge zwischen Düsennadelhub (Figur 3b)) und Sensorsignal des Drucksensors 5 (Figur 3d)) zu entnehmen. Das Sensorsignal lässt sowohl den Beginn der Düsennadelbewegung beim Öffnen (Zeitpunkt NOS) als auch das Ende der Düsennadelbewegung beim Öffnen (Zeitpunkt NOE) erkennen. Analog können der Beginn (NCS) und das Ende (NCE) der Düsennadelbewegung beim Schließen aus dem Sensorsignal abgeleitet werden. Die Zeitpunkte NOS, NOE, NCS und NCE ergeben den in der Figur 3c) dargestellten Einspritzratenverlauf mit einer maximalen Einspritzrate Qmax. Keinen direkten Bezug zum Düsennadelhub weist dagegen der in der Figur 3a) dargestellte Stromverlauf auf, da es zu einem zeitlichen Verzug zwischen Steuerstrom und der Bewegung der Düsennadel 2 kommt.
Aus dem Sensorsignal des Drucksensors 5 können somit Zeit- und Durchflussdaten abgeleitet werden, die eine Korrektur eines Einspritzratenmodells an die aktuellen Gegebenheiten sowie eine entsprechende Anpassung des Steuerstroms ermöglichen. Auf diese Weise können auch Alterung/Verschleiß des Injektors 1 bei der Ansteuerung berücksichtigt werden.
In der Figur 1 sind die wesentlichen Schritte einer solchen Korrekturfunktion dargestellt. Sie umfasst vorliegend die vier Hauptschritte A-D, die mit Hilfe eines Steuergeräts 14 ausgeführt werden. Dem Steuergerät 14 wird hierzu über eine Signalleitung 15 das Sensorsignal des in den Injektor 1 integrierten Drucksensors 5 zur Verfügung gestellt.
Schritt A dient der Merkmalerkennung. Das Sensorsignal wird zunächst mit einem Tiefpassfilter 17 verarbeitet. Anschließend werden mit Hilfe eines im Steuergerät 14 gespeicherten Detektionsalgorithmus 18 die Zeitdaten NOS, NOE, NCS, NCE aus dem Signal abgeleitet. Schritt B dient der Drifterkennung. Zur Erkennung einer Änderung des Einspritzverhaltens des Injektors 1 über die Laufzeit, auch Drift genannt, werden die in Schritt A aus dem Sensorsignal abgeleiteten Zeitdaten NOS, NOE, NCS, NCE gespeichert, und zwar bei verschiedenen Systemdrücken und/oder Bestromungsdauern, um die Änderung der maximalen Einspritzrate Qmax berechnen zu können. Für die Berechnung werden Korrelationen zwischen den Zeitdaten NOS, NOE, NCS, NCE, der maximalen Einspritzrate Qmax und dem Düsennadelhub genutzt. Diese Korrelationen werden vorab experimentell ermittelt.
Hierzu kann die Nadelschließzeit tciosing = NCE-NCS bei zwei verschiedenen Systemdrücken in einem Betriebsbereich untersucht werden, in dem die Düsennadel bis zu einem oberen Anschlag aufgeht. Das Experiment ist vorzugsweise so konzipiert, dass relevante Variationen an Nadelhub und Düsendurchfluss gemessen werden. Nach Gleichung (1) kann dann die Beziehung für die beiden Systemdrücke bestimmt werden. Je weiter die beiden Systemdrücke auseinanderliegen, desto genauer können der Düsennadelhub und die maximale Einspritzrate Qmax bestimmt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Koeffizienten a und b bei weit auseinanderliegenden Systemdrücken ebenfalls weit auseinanderliegen und somit der Steigungsunterschied der zwei Geraden nach der Gleichung (1) größer ist.
In der Gleichung (1) sind a, b und c bei einem Systemdruck psys experimentell bestimmte spezifische Konstante. Die Änderung des Injektordurchflusses AQf"“"n kann nach der Gleichung (2) bestimmt werden. Für die Bestimmung werden vorzugsweise im Steuergerät gespeicherte Zeitdaten bei 0-km mit den aktuell gemessenen Zeitdaten laut der Gleichung (3) verwendet.
O? ist” die maximale Einspritzrate des geregelten Injektors bei Nominaldruck pnom. wird mit der 0-km Messung des geregelten Injektors berechnet.
Mit diesen Korrelationen kann AQ^”^™, das heißt die Änderung der maximalen Einspritzrate des Injektors bei nominalem Druck bestimmt werden. Das Ergebnis kann dann in Schritt C (siehe Figur 1) als Eingabewert für das Einspritzratenmodell verwendet werden.
Wie bereits erwähnt basiert das Einspritzratenmodell - im Unterschied zum Stand der Technik - auf einem gemessenen Einspritzratenverlauf. Bevorzugt wird der Einspritzratenverlauf eines nominalen Injektors bei verschiedenen Systemdrücken und langer Bestromungsdauer gemessen und im Steuergerät als Referenz gespeichert. Die Rateninformation besteht dabei aus Zeitdaten „t“ und zugehörigen Durchflussdaten „Q“.
In einem ersten Berechnungsschritt des Einspritzratenmodells erfolgt vorzugsweise eine Skalierung der nominalen Durchflussdaten entsprechend dem vorhandenen Systemdruck pist mit dem Koeffizient k1 , der durch die Gleichung (4) definiert ist.
0^77^ r 'st die maximale Einspritzrate des Referenzinjektors bei Nominaldruck. Der andere Eingabewert, der die maximale Einspritzrate des geregelten Injektors angibt, wird nach der Gleichung (2) berechnet. Diese Schritte sind jeweils graphisch in den Figuren 4a)-c) für den linearen Betrieb und in den Figuren 5a)-c) für den ballistischen Betrieb dargestellt.
In Betriebspunkten, in denen die öffnende Düsennadel einen Anschlag erreicht (linearer Betrieb), wird der skalierte Einspritzratenverlauf mit Hilfe der Zeitdaten NOS, NOE, NCS, NCE angepasst (siehe Figur 4c)). Zugleich wird die Zeitachse des Referenzratenverlaufs mit Hilfe des Ist-Timings angepasst. Ein Unterschied zwischen den Zeitdaten NOS des Referenzinjektors und des geregelten Injektors wird berücksichtigt, indem vorzugsweise die Zeitachse um diesen Wert gemäß der Gleichung (5) korrigiert wird, in der ptst der aktuelle Systemdruck ist.
Die Modellierung der Öffnungsphase erfolgt vorzugsweise durch eine Transformation der Zeitachse von der nominalen Öffnungszeit (NOE-NOS) in die Öffnungszeit des geregelten Injektors. Dabei kann insbesondere eine lineare Transformation, wie beispielhaft in der Figur 6 dargestellt, angewendet werden. Die Transformation kann unterschiedliche mathematische Modelle einsetzen, beispielsweise polynomisch, exponentiell oder logarithmisch, und/oder nur über einen bestimmten Abschnitt der Öffnungsphase stattfinden.
Ein Unterschied zwischen den Zeitdaten NOE des Referenzinjektors und des geregelten Injektors wird berücksichtigt, indem vorzugsweise die Zeitachse um diesen Wert gemäß der Gleichung (6) korrigiert wird.
Mit Beginn des Nadelschließens des geregelten Injektors wird der Einspritzratenverlauf modifiziert und das Schließen modelliert. Hierfür wird der Schließvorgang der Referenzmessung verwendet. Somit können mit der Referenzeinspritzrate einer langen Einspritzung alle linearen Punkte berechnet werden (siehe Figur 7).
Falls NOE des geregelten Injektors größer als NOE des Referenzinjektors ist, kann der Einspritzratenverlauf in diesem Bereich mittels linearer Extrapolation angenähert werden. Vorzugsweise wird jedoch als Referenz eine Messung mit der maximal möglichen Bestromungsdauer herangezogen, um diesen zusätzlichen Rechenschritt zu vermeiden.
Bevorzugt wird zur Modellierung des Schließens ein zusätzlicher Zeitpunkt definiert, und zwar der Zeitpunkt EOI Schwelle, ab dem der modellierte Schließvorgang gleich dem der Referenz ist. Zwischen NCS und EOI Schwelle wird eine ähnliche Transformation der Zeitachse wie zuvor in der Öffnungsphase angewendet. Die EOI Schwelle wird gemäß der Gleichung (7) als Bruchteil des Durchflusses zum Zeitpunkt NCS definiert, wobei der Modellparameter k2 G ]0; 1 [.
Die gesamte Modellierung der Zeitachse beim Schließen ist beispielhaft in der Figur 8 dargestellt.
Weiterhin vorzugsweise wird der skalierte Einspritzratenverlauf des Referenzinjektors während der Schließphase so transformiert, dass die Kontinuität des modellierten Ratenverlaufs gegeben ist. Dies ist beispielhaft in der Figur 9 dargestellt.
Durch die beschriebenen Transformationsvorgänge wird eine modellierte Einspritzrate erzeugt, durch deren Integration die Einspritzmenge berechnet werden kann (siehe Figur 4c)). Die Steigung der Anstiegs- und der Abstiegsflanken können ebenfalls durch gezielte Mittelung der Ableitung als Kennwerte für die Beschreibung des Zustands der Injektorfunktion herangezogen werden.
In Betriebspunkten, in denen die öffnende Düsennadel ihren Anschlag nicht erreicht (ballistischer Betrieb), existiert kein Zeitpunkt NOE. Die Transformation in der Öffnungsphase kann dennoch analog zur Transformation im linearen Betrieb angewendet werden. Da NOE nicht verfügbar ist, wird diese Information aus Ist- Lernwerten des linearen Betriebs übernommen. Prinzipiell folgt die modellierte Einspritzrate der oben errechneten Öffnungsflanke, bis die Schließphase eingeleitet wird. Zusätzlich werden die Modellparameter At und AQ eingeführt und anhand der Figur 10 erläutert. Demnach ist At so definiert, dass zum Zeitpunkt NCS At die maximale Einspritzrate Qmax auf der skalierten Referenzrate erreicht. Somit wird Qmax am Punkt B zum Zeitpunkt NCS berechnet. AQ ist so definiert, dass zum Zeitpunkt, an dem die Einspritzrate Qmax AQ den Punkt A erreicht, die modellierte Einspritzrate der Referenzrate nicht mehr folgt. Untersuchungen haben gezeigt, dass At und AQ mit den in den Gleichungen (8) und (9) angegebenen Zeitkonstanten k3 und k4 definiert werden können, die zu guten Modellergebnissen führen.
In den Gleichungen (8) und (9) sind
^ope-ninq die Nadelöffnungszeit des modellierten Verlaufs NCS-NOS und to™ 5die Nadelöffnungszeit des geregelten Injektors für lineare Betriebspunkte bzw. ein Lern para meter.
Der Kurvenverlauf zwischen den Punkten A und B wird vorzugsweise mit einer Parabel modelliert.
Zwischen den Punkten B und C wird dann die gleiche Transformation wie für den linearen Betriebsbereich vorgenommen (siehe rechte Seite des Diagramms der Figur 10).
In Schritt D (siehe Figur 1) kann dann die geschätzte Einspritzmenge in eine Änderung der elektrischen Ansteuerdauer umgesetzt werden. Die ermittelte Abweichung der tatsächlichen Einspritzmenge wird vorzugsweise als Faktor auf die Spritzdauer angewendet. Ein entsprechend angepasster Steuerstrom wird über eine Steuerleitung 16 vom Steuergerät 14 an den Injektor 1 geleitet.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Ansteuerung eines Injektors (1), insbesondere eines Kraftstoffinjektors, bei dem die Hubbewegung einer Düsennadel (2) zum Öffnen und Schließen mindestens einer Einspritzöffnung (3) über den Druck in einem Steuerraum (4) gesteuert wird und der Druck im Steuerraum (4) mit Hilfe eines in den Injektor (1) integrierten Drucksensors (5) gemessen wird, wobei aus den Sensorsignalen des Drucksensors (5) für die Hubbewegung der Düsennadel (3) charakteristische Informationen, insbesondere Zeit- und Durchflussdaten, abgeleitet und zur Korrektur eines Einspritzratenmodells verwendet werden, das auf vorab gemessenen Zeit- und Durchflussdaten basiert
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Informationen, insbesondere Zeit- und Durchflussdaten, aus dem Sensorsignal des Drucksensors (5) abgeleitet und zur Korrektur des Einspritzratenmodells verwendet werden:
Beginn der Öffnungsbewegung der Düsennadel (NOS), Ende der Öffnungsbewegung der Düsennadel (NOE), Beginn der Schließbewegung der Düsennadel (NCS), Ende der Schließbewegung der Düsennadel (NCE) und maximale Einspritzrate (Qmax).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdaten (NOS, NOE, NCS, NCE) mit Hilfe eines Detektionsalgorithmus aus dem Sensorsignal des Drucksensors (5) abgeleitet werden, der Ableitungen und/oder Mittelungen des Sensorsignals nutzt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Einspritzrate (Qmax) aus den Zeitdaten (NOS, NOE, NCS, NCE) ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der maximalen Einspritzrate (Qmax) im Vorfeld experimentell ermittelte und gespeicherte Korrelationen verwendet werden, die zwischen den Zeitdaten (NOS, NOE, NCS, NCE), der maximalen Einspritzrate (Qmax) und dem Hub der Düsennadel (2) bestehen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch mathematische Transformation der aus dem Sensorsignal des Drucksensors (5) abgeleiteten Informationen, insbesondere der Zeit- und Durchflussdaten, ein korrigierter Verlauf der maximalen Einspritzrate (Qmax) berechnet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der mathematischen Transformation der Zeitdaten nur die aus dem Sensorsignal des Drucksensors (5) abgeleiteten Zeitdaten (NOS, NOE, NCS, NCE) verwendet werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das korrigierte Einspritzratenmodell zur Berechnung der Einspritzmenge verwendet wird, vorzugsweise durch Integration des korrigierten Verlaufs der maximalen Einspritzrate (Qmax).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die berechnete Einspritzmenge in eine Änderung der elektrischen Ansteuerdauer umgesetzt werden, wobei vorzugsweise die ermittelte Abweichung der tatsächlichen Einspritzmenge als Faktor auf die Spritzdauer angewendet wird.
10. Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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