WO2004018859A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine - Google Patents

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    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/3809—Common rail control systems

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in which a valve needle of an injection valve is adjusted from a closed position via an intermediate position to an open position and back again by means of a piezoelectric actuator actuated by a control signal.
  • the present invention relates to a control device for an internal combustion engine in which a valve needle of an injection valve can be adjusted from a closed position via an intermediate position to an open position and back again by means of a piezoelectric actuator actuated by a control signal.
  • the increased risk of contamination is due to the fact that the injection valve is in a state with a comparatively short stroke of the injection needle and thus a small opening of the injection valve over a relatively long period of time. In this state, the risk of particles becoming trapped between the valve opening and the valve needle and clogging the valve opening is particularly great.
  • a higher edge steepness of the control signal leads to a higher speed of the valve needle during the transition from the open to the closed position and vice versa, but when the valve needle hits the valve seat, the high speed of the valve needle results in so-called needle bumpers, which lead to the injection valve becoming stuck opens uncontrolled after reaching the closed position. Overshoot of the valve needle can also occur.
  • control signal has a greater slope when the valve needle changes from the closed position to the intermediate position than when the valve needle changes from the intermediate position to the open position.
  • the comparatively large slope of the Control signal for the piezoelectric actuator during the transition of the valve needle from the closed position to the intermediate position causes a rapid adjustment of the valve needle from the closing position to the intermediate position, so that the period in which the has a low needle, is short, so that the likelihood of valve contamination or clogging due to the trapping of particles is reduced.
  • the comparatively low edge steepness of the control signal for the piezoelectric actuator during the transition of the valve needle from the intermediate position to the open position leads to a controlled reaching of the open position by the valve needle, in which the valve needle in particular does not bounce, so that there is no uncontrolled adjustment of the valve needle in the open position
  • control signal has a greater slope on the transition of the valve needle from the open position to the intermediate position than on the transition of the valve needle from the intermediate position to the closed position, which, like the opening process of the injection valve, has the same advantages with regard to the duration of the opening time of the injection valve with a small needle stroke or the controlled reaching of the closed position by the valve needle.
  • valve needle bounces due to the comparatively low slope. the control signal at the transition of the valve needle from the intermediate position into the closed position not from the valve seat, so that no uncontrolled opening of the injection valve after reaching the closed position through the valve needle.
  • Another advantageous embodiment of the present invention is characterized in that the control signal at the transition ⁇ er Ve r _ ⁇ lraocI.
  • the opening position to the closing position is symmetrical to the control signal when the valve needle changes from the closing position to the opening position.
  • the symmetry results in a considerable simplification in the control of the piezoelectric actuator, because the signal form of the control signal only has to be stored for a transition of the valve needle, i.e. either for the transition of the valve needle from the closed position to the open position or vice versa.
  • the respective other control signal can, for example, by subtracting the stored signal values of the
  • Control signal of a maximum signal value for the control signal or the like be formed. This is possible both with an analog and with a digital control of the piezoelectric actuator.
  • a computer program for a control device of an internal combustion engine in which a valve needle of an injection valve is adjusted from a closed position via an intermediate position to an open position and back again by means of a piezoelectric actuator acted upon by a control signal, wherein the computer program from the r uhru g of the inventive method is suitable.
  • FIG. 1 shows the time course of a control signal according to the invention
  • FIG. 2 shows the course over time of a further control signal according to the invention.
  • the control signal SA shown in FIG. 1 is used in an internal combustion engine (not shown) to control a piezoelectric actuator which adjusts a valve needle of an injection valve of the internal combustion engine from a closed position via an intermediate position to an open position and back again.
  • t denotes the time axis and A denotes a value of the control signal SA standardized to the maximum value of the control signal SA.
  • the control signal SA is an analog signal.
  • the piezoelectric actuator (not shown) is actuated by a control device of the internal combustion engine, likewise not shown, with the part of the actuation signal SA which is in the region SZ and in which the actuation signal SA has a comparatively large slope. This ensures that the valve needle of the
  • the piezoelectric actuator is driven during the transition from the intermediate position to the opening position, which corresponds to a value one of the drive signal SA, with a drive signal SA having a comparatively low slope, which defines the area ZO of the drive signal SA.
  • the low edge steepness of the control signal SA in the area ⁇ J means that the valve needle is not too fast when it reaches the opening position and moves out of the opening position reached in an uncontrolled manner by bouncing or opens in an uncontrolled manner due to overshoot.
  • the drive signal SA is kept at its maximum value of one for a certain time.
  • control signal SA first passes through the area OZ during the closing process, the valve needle of the injection valve being moved from the open position to the intermediate position.
  • the slope of the control signal S ⁇ is again relatively large to avoid the already mentioned risk of Reduce valve wear.
  • FIG. 2 shows a corresponding diagram in which the time profile of the digital control signal SD is specified.
  • the mode of operation is identical to the control of the piezoelectric actuator with the analog control signal SA
  • Opening position the closing position is determined approximately only by the kinematics of a system consisting of the valve needle and a spring that mechanically applies a preload to the valve needle, it is advantageous to determine the mechanical parameters of the valve needle / spring system when selecting the signal form of the control signal SA or SD to be considered in order to achieve an optimal distribution of the valve eg with large / small slope.
  • Control unit and to form the respective other waveform from the stored waveform.
  • the method described above is implemented as a computer program that can run on the control device and is stored in its memory.
  • the method according to the invention can be used in metering systems with components driven by piezoelectric actuators.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem eine Ventilnadel eines Einspritzventils von einer Schliessposition über eine Zwischenposition zur einer Öffnungsposition und wieder zurück verstellt wird. Die Verstellung erfolgt mittels eines von einem Ansteuersignal (SA) beaufschlagten piezoelektrischen Stellglieds. Um die Verschmutzungsgefahr des Einspritzventils zu vermindern und den Verschleiss der Ventilnadel gering zu halten, weist das Ansteuersignal (SA) zur Ansteuerung des piezoelektrischen Stellglieds beim Übergang der Ventilnadel von der Schliessposition zur Zwischenposition eine grössere Flankensteilheit auf, als beim Übergang der Ventilnadel von der Zwischenposition in die Öffnungsposition.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem eine Ventilnadel eines Einspritzventils mittels eines von einem Ansteuersignal beaufschlagten piezoelektrischen Stellglieds von einer Schließposition über eine Zwischenposition zu einer Öffnungsposition und wieder zurück verstellt wird.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung -ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, bei der eine Ventilnadel eines Einspritzventils mittels eines von einem Ansteuersignal beaufschlagten piezoelektrischen Stellglieds von einer Schließposition über eine Zwischenposition zu einer Öffnungsposition und wieder zurück verstellbar ist.
Ein derartiges Betriebsverfahren sowie ein S eue n*? rä'" hierfür sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Nachteile ergeben sich bei den bekannten Systemen insbesondere aus einer ungünstigen Signalform des Ansteuersignais, die zum einen zu einer erhöhten Verschmutzungsgefahr des Einspritzventils führt und zurr anderen ein kontrolliertes Schließen des Einspritzventils verhindert .
Die erhöhte Verschmutzungsgefahr ist darin begründet, class sich das Einspritzventil über einen verhältnismäßig langen Zeitraum in einem Zustand mit vergleichsweise geringem Hub der Einspritznadel und damit geringer Öffnung des Einspritzventils befindet. In diesem Zustand ist die Gefahr, dass sich Partikel zwischen der Ventilöffnung und der Ventilnadel einklemmen und die Ventilöffnung verstopfen, besonders groß.
Eine höhere Flankensteilheit des Ansteuersignais führt zu einer größeren Geschwindigkeit der Ventilnadel beim Übergang von der Öffnungs- zur Schließposition und umgekehrt, aber beim Auftreffen der Ventilnadel auf den Ventilsitz ergeben sich aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Ventilnadel sogenannte Nadelpreller , die dazu führen, dass das Einspritzventil sich nach dem Erreichen der Schließposition unkontrolliert öffnet. Ferner können Überschwinger der Ventilnadel auftreten.
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren und ein Steuergerät der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Verschmutzungsgefahr des Einspritzventils verringert wird, und dass die Ventilnadel kontrolliert in die Öffnungs- und Schließposition verstellt wird bzw. verstellbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Ansteuersignal beim Übergang der Ventilnadel von der Schließposition zur Zwischenposition eine größere Flankensteilheit aufweist als beim Übergang der Ventilnadel von der Zwischenposition in die Öffnungsposition.
Die vergleichsweise große Flankensteilheit des Ansteuersignals für das piezoelektische Stellglied beim Übergang der Ventilnadel von der Schließposition zur Zwischenposition bewirkt eine schnelle Verstellung der Ventilnadel aus der Schlιeßpos_tιon heraus m cie Zwischenposition, so dass der Zeitraum, m dem das
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einen geringen Nadelhuo aufweist,
Figure imgf000005_0001
kurz ist, so dass sich die Wahrscheinlichkeit für Ventilverschmutzungen bzw. -Verstopfungen durch Einklemmen von Partikeln verringert.
Dementsprechend fuhrt die vergleichsweise geringe Flankensteilheit des Ansteuersignals für das piezoelektrische Stellglied beim Übergang der Ventilnadel von der Zwischenposition zur Offnungsposition zu einem kontrollierten Erreichen der Offnungsposition durch die Ventilnadel, bei dem die Ventilnadel insbesondere nicht prellt, so dass keine unkontrollierte Verstellung der Ventilnadel m der Offnungsposition stattfindet
Gemäß einer vorteilhaften Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung weist das Ansteuersignal beim Übergang der Ventilnadel von der Offnungsposition zur Zwischenposition eine größere Flankensteilheit auf, als beim Übergang der Ventilnadel von der Zwischenposition in die Schließposition, wodurch sich analog zum Ofrnungsvorgang des Emspritzventils dieselben Vorteile hinsichtlich der Dauer der Öffnungszeit des Emspritzventils mit geringem Nadelhub bzw. des kontrollierten Erreichens der Schließposition durch die Ventilnadel ergeben.
Insoesondere prallt die Ventilnadel aufgrund der vergleichsweise geringen Flankensteilheit. des Ansteuersignals beim Übergang der Ventilnadel von der Zwischenposition in die Schließposition nicht vom Ventilsitz ab, so dass kein unkontrolliertes Offnen des Emspritzventils nach dem Erreichen der Schließposition durcn die Ventilnadel erfolgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausfuhrungsfoπr der vorlieαerden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal beim Übergang αer Ver _ιlraocI . 'c- Offnungsposition zur Schließposition symmetrisch ist zu dem Ansteuersignal beim Übergang der Ventilnadel von der Schließposition zur Offnungsposition.
Durch die Symmetrie ergibt sich eine erhebliche Vereinfachung bei der Ansteuerung des piezoelektrischen Stellglieds, weil die Signalform des Ansteuersignals nur f r einen Übergang der Ventilnadel, also entweder für den Übergang der Ventilnadel von der Schließposition in die Offnungsposition oder umgekehrt, gespeichert werden muss. Das jeweils andere Ansteuersignal kann beispielsweise durch Subtraktion der gespeicherten Signalwerte des
Ansteuersignals von einem maximalen Signalwert für das Ansteuersignal o.a. gebildet werden. Dies ist sowohl bei einer analogen als auch bei einer digitalen Ansteuerung des piezoelektrischen Stellglieds möglich.
Als eine weitere Losung der Aufgabe der Erfindung ist ein Computerprogramm für ein Steuergerat einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei der eine Ventilnadel eines Emspritzventils mittels eines von einem Ansteuersignal beaufschlagten piezoelektrischen Stellglieds von einer Schließposition über eine Zwischenposition zu einer Offnungsposition und wieder zurück verstellt wird, wobei aas Computerprogramm zur Aus uhrurg des erfmdungsgemaßen Verfahrens geeignet ist.
Ganz besonders vorteilhaft ist weitere eine Variante der vorliegenden Erfindung, bei der das Computerprogramm auf einem elektrischen Speichermedium, insbesondere auf einem Flash-Memory oder einem Read-Only-Me ory abgesp-ic ~ ι r i -,t- Noch eine weitere Losung der Aufgabe der vorliegenden Erfmαurg ist durch ein Steuergerat für eine Brennkraf maschine gemäß einem der Ansprucne 6 oder 7 angegeben .
Weitere Merkmale, An endungsmoglicbkeiter und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung Ausfuhrungsbeispielen der Erfindung, die n den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sicn oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung den
Patentansprüchen oder deren Ruckbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung m der B chu tt. -, bzw. n der Zeichnung.
Figur 1 zeigt den zeitlichen Verlauf eines erfmdungsgemaßen Ansteuersignals, und
Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf eines weiteren erfmdungsgemaßen Ansteuersignals .
Das Figur 1 dargestellte Ansteuersignal SA w rd bei einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Stellglieds eingesetzt, das eine Ventilnadel eines Emspritzventils der Brennkraftmaschine von einer Schließposition über eine Zwischenposition eine Offnungsposition und wieder zurück verstellt.
Bei dem Diagramm aus Figur 1 bezeichnet t die Zeitachse und A einen auf den Maximalwert des Ansteuersignals SA normierten Wert des Ansteuersignals SA. Das Ansteuersignal SA ist ein Analogsignal.
Zur weiteren Erläuterung des er mdungsgemaßen Verfahrens sind m dem Diagramm aus Figur 1 mehrere Bereiche ΞZ, ZO, 02, ZS des Ansteuersignals SA markiert, die im folgenden beschrieben werden.
Zu Beginn einer Einspritzung w rd das piezoelektrische Stellglied (nicht gezeigt) von einem ebenfalls nicnt abgebildeten Steuergerat der Brennkraftmaschine mit dem im Bereich SZ liegenden Teil des Ansteuersignals SA angesteuert, in dem das Ansteuersignal SA eine vergleichsweise große Flankensteilheit aufweist. Dadurch ist gewährleistet, dass die Ventilnadel des
Emspritzventils schnell von der Schließposition, die einem Wert Null des Ansteuersignals SA entspricht, n die
Zwischenposition verstellt wird, so dass Zustande geringen Nadelhubs und damit eine Verstopfungsgef hr durch eingeklemmte Partikel vermieden werden.
Anschließend wird das piezoelektrische Stellglied beim Übergang von der Zwischenposition zur Offnungsposition, die einem Wert Eins des Ansteuersignals SA entspricht, mit einem Ansteuersignal SA vergleichsweise geringer Flankensteilheit angesteuert, wodurch der Bereich ZO des Ansteuersignals SA definiert ist. Die geringe Flankensteilheit des Ansteuersignals SA in dem Bereicn ΦJ bewirkt, dass die Ventilnadel beim Erreichen der Offnungsposition nicht zu schnell ist und sich durch Prellen unkontrolliert wieder aus der erreichten Offnungsposition herausbewegt bzw. durch Uberschwingen unkontrolliert öffnet. Danach wird das Ansteuersignal SA für eine gewisse Zeit auf seinem Maximalwert von Eins gehalten.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, durchlauft das Ansteuersignal SA beim Schließvorgang zunächst den Bereich OZ, wobei die Ventilnadel des Emspritzventils von der Offnungsposition in die Zwischenposition verstellt wixd. Hierbei ist die Flankensteilheit des Ansteuersignals S^ erneut verhältnismäßig groß, um die bereits erwähnte Gefahr der Ventilversch ut zung zu verringern.
Zum Ende der E spπtzpnase, das mit dem Bεreιc° ZS ces Ansteuersignals SA korrespondiert, weist das Ansteuersignal SA erneut eine vergleichsweise geringe Flankensteilheit auf, um em zu schnelles Auftreffen der Ventilradei auf dem Ventilsitz des Emspritzventils und damit em Prellen der Ventilnadel zu vermeiden, das zu unkontrollierten Öffnungen des Emspritzventils fuhrt.
Auf diese Weise ist es möglich, das Risiko der Ventilverschmutzung zu verringern und gleichzeitig ein kontrolliertes Offnen bzw. Schließen des E spritzventils zu erreichen.
Es ist auch möglich, die Ansteuerung des piezoelekt ischen Stellglieds mit einem Digitalsignal vorzunehmen. Hierzu zeigt Figur 2 e n entsprechendes Diagramm, in dem der zeitliche Verlauf des digitalen Ansteuersignals SD angegeben ist. Die Funktionsweise ist identisch zu der Ansteuerung des piezoelektrischen Stellglieds mit dem analogen Ansteuersignal SA
Da die Zeit zum Verstellen der Ventilnadel von der
Offnungsposition die Schließposition naherungsweise nur von der Kinematik eines Systems bestehend aus der Ventilnadel und einer die Ventilnadel mechanisch mit einer Vorspannung beaufschlagenden Feder bestimmt wird, ist es vorteilhaft, die mecnanischen Parameter des Systems Ventilnadel/Feder bei der Auswahl der Signalform des Ansteuersignals SA bzw. SD zu berücksichtigen, um eine optimale Aufteilung des Ventil egs mit großer/kleiner Flankensteilheit zu erzielen.
Besonders vorteilhaft ist auch eine Symmetrie zwischen der Signalform des Ansteuersignals SA, SD, die beim Verstellen der Ventilnaoel von der Schließposition in die Offnungsposition verwendet wird, und der Signalform des Ansteuersignals SA, SD, die beim Verstellen der
Figure imgf000010_0001
. von der O fnungsposition in die Schließposition verwendet wird. In diesem Fall ist es möglich, nur eine Signal c- z1 speichern, beispielsweise m einem Speicher des
Steuergeräts, und die jeweils andere Signalform aus der gespeicherten Signalform zu bilden.
Das vorstehend beschriebene Verfahren ist als Computerprogramm realisiert, das auf dem Steuergerat ablauffähig und in dessen Speicher abgelegt ist.
Ganz allgemein kann das erfindungsgemaße Verfahren bei Zumesssystemen mit durch piezoelektrische Stellglieder angetriebenen Komponenten angewendet werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem eine Ventilnadel eines Emspritzventils mittels eines von einem Ansteuersignal (SA) beaufschlagten piezoelektrischen Stellglieds von einer Schließposition über eine Zwischenposition zu einer Offnungsposition und wieder zurück verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal (SA) beim Übergang der Ventilnadel von der Schließposition zur Zwischenposition eine größere Flankensteilheit aufweist, als beim Übergang der Ventilnadel von der Zwischenposition m die Offnungsposition .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal (SA) beim Übergang der Ventilnadel von der Offnungsposition zur Zwischenposition eine größere Flankensteilheit aufweist, als beim Übergang der Ventilnadel von der Zwischenposition in die Schließposition.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurcn gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal- (SAλ be.ri' Übergang der Ventilnadel von der Orfnungsposition zur
Scnließposition symmetrisch ist zu dem Ansteuersignal ( 2 ) beim Übergang der Ventilnadel von der Schließposition zui Offnungsposition .
4. Computerprogramm für em Steuergerat einer Brennkra tmaschine, bei der eine Ventilnadel eines Emspritzventils mittels eines von einem Ansteuersignal (SA) beaufschlagten piezoelektrischen Stellglieds von einer Schließposition über eine Zwischenposition zu einer
Offnungsposition und wieder zurück verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm zur Ausfuhrung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 geeignet ist.
5. Computerprogramm nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm auf einem elektrischen Speichermedium, insbesondere auf einem Flash- Memory oder einem Read-Only-Memory abgespeichert ist.
6. Steuergerat für eine Brennkraftmaschine, bei der eine Ventilnadel eines Emspritzventils mittels eines von einem Ansteuersignal (SA) beaufschlagten piezoelektrischen Stellglieds von einer Schließposition ber eine Zwischenposition zu einer Offnungsposition und wieder zurück verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Stellglied beim Übergang der Ventilnadtl von der Schließposition zur Zwischenposition mit einem Ansteuersignal (SA) größerer Flankensteilheit ansteuerbar ist, als beim Übergang der Ventilnadel von der Zwischenposition in die Offnungsposition.
7. Steuergerat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Stellglied beim Übergang der Ventilnadel von der Offnungsposition zur Zwischenposition mit einem Ansteuersignal (SA) größerer Flankensteilheit ansteuerbar ist, als beim Übergang der Ventilnadel von der Zwischenposition in die Schließposition . R.303090
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