WO2005108771A1 - Verfahren zum steuern eines kraftstoffeinspritzventils - Google Patents

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Harald Thies
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    • F02M2200/244—Force sensors

Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling a fuel injection valve, comprising a piezo actuator as a valve member, which releases or closes a connection to a downstream space, an electrical actuating element for actuating the valve member and a biasing element, which biases the valve member in a biasing direction, and a sensor element , which is arranged on an axis with the valve member and which provides an output signal via the forces acting on the valve member to a control device.
  • the invention is based on the object of providing a method of the type mentioned at the outset which makes it possible to reliably control the fuel injection valve during the entire combustion process.
  • the piezo actuator and the sensor element preferably form a unit.
  • a biasing element for the piezo actuator and the sensor element preferably form a unit.
  • Piezo actuator which moves the valve member in a biasing direction preferably preloaded closing.
  • the sensor element is on one axis with the valve member.
  • the output signal then provides information about the forces acting on the valve member.
  • the force acting on the valve due to the combustion pressure in the combustion chamber is, with appropriate dimensioning, significantly lower than the force exerted by the prestressing element and the force acting on the piezo element due to the electrical excitation.
  • An essential feature of the invention is the course of the electrical energy with which the actuating element is acted upon.
  • the course which is at least approximately inverse to the output signal of the sensor element, is intended to ensure that the piezo actuator remains in an at least approximately unchangeable position during the entire opening time, apart from the opening and closing process.
  • a sensor element is preferably used which, like the piezo actuator, is constructed electrostrictively and is preferably arranged with it on a common axis with the valve member.
  • the effect described above can also be obtained if the sensor element is designed as a magnetostrictive element. This results in a particularly compact structure.
  • a magnetostrictive element can also be used
  • Element can be used. With magnetostrictive elements, the geometrical dimensions of a body change under the influence of one
  • Magnetic field The stretching of the body depends on the magnetic field strength. The greater the magnetic field strength, the greater the stretch of the body. The reversal of this effect is called the magnetoelastic or magnetomechanical effect.
  • This causes a change in the magnetic induction under the influence of a mechanical tension.
  • this can be used for the use of the magnetostrictive element both as an actuator and as a sensor, the forces being transmitted to the magnetostrictive element via the valve member and being determined on the basis of the occurring change in the magnetic induction, corresponding to the piezoelectric element , It is therefore also possible to work with a magnetostrictive element as an actuator and as a sensor.
  • control device in an initial operation phase, acts independently of one another on the actuating elements of a plurality of valve elements each provided with sensor elements with an electrical excitation inverse to the output signal of the respective sensor element.
  • actuating elements of a plurality of valve elements each provided with sensor elements with an electrical excitation inverse to the output signal of the respective sensor element.
  • a further improvement of the method according to the invention is obtained when the control device, in an operating phase following the operating start phase, applies an independent electrical excitation to the actuating elements of a plurality of valve elements and the amplitudes of the excitation corresponding to the output signal of a cylinder-selective lambda Sensor can be selected.
  • the single figure shows a schematic sectional view of a fuel injector with a piezo actuator and an integrated sensor element that is particularly suitable for the method according to the invention
  • the valve 1 comprises a piezoelectric actuator 2 and a separate piezoelectric sensor 3.
  • the actuator 2 and the sensor 3 are arranged directly adjacent to one another and positioned between the housing 1 ′ of the valve 1 and a plate-like element 4.
  • the element 4 is fixedly connected to a valve member 5, which releases or closes a valve seat 6 in order to establish a connection to a combustion chamber 7.
  • the actuator 2 presses on a spring 8 which holds the valve member in the valve seat 6 in the idle state.
  • the spring 8 resets both the piezoelectric actuator 2 and the valve member 5.
  • the mode of operation of the valve 1 shown in the figure is such that the piezoelectric actuator 2 increases its length in the direction of the spring 8 when it is actuated, so that the valve member 5 firmly connected to the piezo actuator 2 lifts off its valve seat 6 and a fuel injection in the combustion chamber 7 can take place.
  • the forces occurring are transmitted to the piezoelectric sensor 3 via the valve member 5.
  • the forces triggered when the piezo actuator 2 is excited and the thermal forces occurring at the piezo actuator are transmitted to the piezoelectric sensor 3.
  • the resultant of all the forces occurring there is forwarded as a signal to a control device (not shown).
  • the same line can be used, which is provided for controlling the piezo actuator 2.
  • the piezo actuator 2 is activated in an initial operation phase in such a way that the control device applies an electrical excitation to the piezo actuator 2, which excitation is at least approximately inverse to the output signal of the sensor 3.
  • the ratio of the two electrical signals is equal to a cylinder-specific gain factor, which is specified via a map. It is thereby achieved that the piezo actuator 2 remains in an at least approximately unchangeable position during the entire opening time, apart from the opening and closing process.
  • the piezo actuators provided for a plurality of cylinders and a plurality of valve members each provided with corresponding sensor elements are acted upon independently of one another with an electrical excitation inverse to the output signal of the respective sensor element in accordance with the method described above for a piezo actuator.
  • Stroke equalization is alternatively to be understood as meaning a stroke of the valves with the same measurement technology or a "same", ie not necessarily physically the same stroke of the injection valves aimed at the same fuel throughput.
  • the actuating elements of a plurality of valve elements are acted upon independently of one another by an electrical excitation inverse to the output signal of the respective sensor element by the control device in an operating phase following the initial operating phase.
  • the amplitudes of the excitation are selected in accordance with the output signal of a cylinder-selective lambda sensor.
  • lambda equalization i. H. an equalization of the fuel-air mixture that results across all cylinders.
  • the fuel throughput m * allocated to the respective cylinders can be measured during operation.
  • the amount of fuel injected into the respective cylinder must be determined using an active lambda sensor.
  • only one fuel injection valve is opened at a time and this operating mode is performed in a rolling manner for the cylinders assigned to the lambda sensor.
  • a cross-comparison of the individual fuel injection valves with one another is also carried out. This check takes place in a "lean overrun phase" of the internal combustion engine. This makes it possible to avoid unacceptable engine running.
  • individual lambda control can then be dispensed with An otherwise usual or necessary adjustment via the running (un) rest / turning (un) uniformity can then be omitted.
  • Another particular advantage of the invention results from the following consideration: A statement about the rigidity of the piezo actuator 2 can be obtained from the signal supplied by the sensor 3. As a rule, an inconsistent course of the signal occurs at the beginning of the injection process. This makes it possible to determine the zero-point energy, that is to say the energy which can be impressed on the piezo actuator 2 so that the valve member 5 does not yet lift out of the valve seat 6. This information is very important for quick control reactions or for determining the energy balance.
  • the discontinuity in the signal curve results from a discontinuity in the stiffness distribution of the piezo actuator 2. It is caused by a combustion chamber or. Changes in fuel pressure in valve member 5 at the start of the injection process and can be recognized by the noise of the sensor signal. The same happens at the end of the injection process when the valve member 5 returns to the valve seat 6.
  • a diagnosis of the injection valve can also be carried out by evaluating the sensor signal.
  • the combustion chamber pressure leads to a force application to the valve member and thus to a sensor signal noise when the valve member 5 is actually at rest.
  • a spring break within the injector can be the cause of the leak.
  • the spring preloads can also be compared with one another by comparing the sensor signal profiles of different fuel injection valves.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Steuern eines Kraftstoffeinspritzventils, umfassend einen Piezoaktor als Ventilglied, das eine Verbindung zu einem nachgeordneten Raum freigibt oder verschließt, ein elektrisches Betätigungselement zur Betätigung des Ventilglieds und ein Vorspannelement, welches das Ventilglied in eine Vorspannrichtung vorspannt, ferner ein Sensorelement, das auf einer Achse , mit dem Ventilglied angeordnet ist und das ein Ausgangssignal über die auf das Ventilglied wirkenden Kräfte an eine Regeleinrichtung liefert, beaufschlagt die Regeleinrichtung das Betätigungselement mit einer elektrischen Erregung, die zumindest annähernd einen zum Ausgangssignal des Sensorelements inversen Verlauf besitzt.

Description

Verfahren zum Steuern eines Kraftstoffeinspritzventils
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Kraftstoffeinspritzventils, umfassend einen Piezoaktor als Ventilglied, das eine Verbindung zu einem nachgeordneten Raum freigibt oder verschließt, ein elektrisches Betätigungselement zur Betätigung des Ventilglieds und ein Vorspannelement, welches das Ventilglied in eine Vorspannrichtung vorspannt, ferner ein Sensorelement, das auf einer Achse mit dem Ventilglied angeordnet ist und das ein Ausgangssignal über die auf das Ventilglied wirkenden Kräfte an eine Regeleinrichtung liefert.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 101 27 932 A bekannt. Das Sensorelement soll zur Bestimmung von Klopfen des Motors dienen. Die mechanischen Impulse werden dabei mittels des Sensorelements in elektrische Signale umgesetzt, welche von der Regeleinrichtung ausgewertet werden. Allerdings soll es dabei nur möglich sein, den Druck durch das Sensorelement nur in der inaktiven Phase des Ventils (vollständig geöffnetes Ventil oder vollständig geschlossenes Ventil) aufzunehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das es ermöglicht, das Kraftstoffeinspritzventil zuverlässig während des gesamten Verbrennungsvorgangs zu steuern.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln.
Voraussetzung der Erfindung ist die besondere Konstruktion des
Kraftstoffeinspritzventils. Der Piezoaktor und das Sensorelement bilden vorzugsweise eine Einheit. Zusätzlich ist ein Vorspannelement für den
Piezoaktor vorgesehen, welches das Ventilglied in eine Vorspannrichtung vorzugsweise schließend vorspannt. Das Sensorelement ist auf einer Achse mit dem Ventilglied. Das Ausgangssignal liefert dann eine Aussage über die auf das Ventilglied wirkenden Kräfte.
Diese Kräfte setzen sich zusammen aus der durch das Vorspannelement ausgeübten Kraft, die durch die elektrische Erregung auf das Piezoelement wirkende Kraft, die durch den Brenndruck in der Brennkammer auf das Ventil wirkende Kraft sowie evtl. thermische Einflüsse. Dabei ist die durch den Brenndruck in der Brennkammer auf das Ventil wirkende Kraft bei entsprechender Dimensionierung deutlich geringer als die durch das Vorspannelement ausgeübte und die durch die elektrische Erregung auf das Piezoelement wirkende Kraft.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist der Verlauf der elektrischen Energie, mit der das Betätigungselement beaufschlagt wird. Durch den zumindest annähernd zum Ausgangssignal des Sensorelements inversen Verlauf soll erreicht werden, dass der Piezoaktor während der gesamten Öffnungszeit, von dem Öffnungs- und Schließvorgang abgesehen, in einer zumindest annähernd unveränderlichen Stellung bleibt.
Im Rahmen der Erfindung wird vorzugsweise ein Sensorelement verwendet, das wie der Piezoaktor elektrostriktiv aufgebaut und vorzugsweise mit diesem auf einer gemeinsamen Achse mit dem Ventilglied angeordnet ist. Der oben beschriebene Effekt kann auch erhalten werden, wenn das Sensorelement als magnetostriktives Element ausgebildet ist. Dadurch wird ein besonders kompakter Aufbau erreicht.
Anstelle eines elektrostriktiven Elements kann auch ein magnetostriktives
Element verwendet werden. Bei magnetostriktiven Elementen ändern sich die geometrischen Abmessungen eines Körpers unter Einfluss eines
Magnetfeldes. Die Dehnung des Körpers erfolgt dabei in Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke. Dabei ist die Dehnung des Körpers um so größer je größer die magnetische Feldstärke ist. Die Umkehrung dieses Effekts wird als magnetoelastischer oder magnetomechanischer Effekt bezeichnet. Dabei wird eine Änderung der magnetischen Induktion unter dem Einfluss einer mechanischen Spannung hervorgerufen. Dies kann bei der vorliegenden Erfindung zur Verwendung des magnetostriktiven Elements sowohl als Aktor als auch als Sensor verwendet werden, wobei die Kräfte über das Ventilglied auf das magnetostriktive Element übertragen werden und da, entsprechend dem piezoelektrischen Element, aufgrund der auftretenden Änderung der magnetischen Induktion bestimmt werden. Somit kann auch mit einem magnetostriktiven Element als Aktor und als Sensor gearbeitet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden durch die Regeleinrichtung in einer Betriebs-Anfangsphase die Betätigungselemente mehrerer jeweils mit Sensorelementen versehene Ventilglieder unabhängig voneinander mit einer zum Ausgangssignal des jeweiligen Sensorelements inversen elektrischen Erregung beaufschlagt. Dadurch werden mehrere Kraftstoffeinspritzventile in mehreren Zylindern unabhängig voneinander und in einer untereinander gleichen Art und Weise gesteuert.
Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich dann, wenn die Regeleinrichtung in einer an die Betriebs-Anfangsphase anschließenden Betriebsphase die Betätigungselemente mehrerer Ventilglieder unabhängig voneinander mit einer zum Ausgangssignal des jeweiligen Sensorelements inversen elektrischen Erregung beaufschlagt und die Amplituden der Erregung entsprechend dem Ausgangssignal eines zylinderselektiven Lambda-Sensors gewählt werden. Dadurch ergibt sich eine Regelung der Kraftstoffeinspritzventile in Anhängigkeit vom Ausgangssignal der Lambda-Sonde(n) mit der Möglichkeit, die Kraftstoffeinspritzventile im Sinne einer Optimierung des Abgasverhaltens noch besser zu steuern. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Schnittansicht eines für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeigneten Kraftstoffeinspritzventils mit Piezoaktor und integriertem Sensorelement
Wie in der Figur gezeigt, umfasst das Ventil 1 einen piezoelektrischen Aktor 2 sowie einen separaten piezoelektrischen Sensor 3. Der Aktor 2 und der Sensor 3 sind dabei unmittelbar benachbart zueinander angeordnet und zwischen dem Gehäuse 1' des Ventils 1 und einem plattenartigen Element 4 positioniert. Das Element 4 ist fest mit einem Ventilglied 5 verbunden, welches einen Ventilsitz 6 freigibt bzw. verschließt, um eine Verbindung zu einem Brennraum 7 herzustellen. Dabei drückt der Aktor 2 auf eine Feder 8, die das Ventilglied im Ruhezustand im Ventilsitz 6 hält. Die Feder 8 stellt dabei sowohl den piezoelektrischen Aktor 2 als auch das Ventilglied 5 zurück.
Über eine Kraftstoffzuleitung 11 wird unter Druck stehender Kraftstoff in einen vorderen Bereich des Ventilgliedes 5 zugeführt (punktiert dargestellt).
Die Funktionsweise des in der Figur gezeigten Ventils 1 ist dabei derart, dass der piezoelektrische Aktor 2 bei seiner Ansteuerung seine Länge in Richtung der Feder 8 vergrößert, so dass das mit dem Piezoaktor 2 fest verbundene Ventilglied 5 von seinem Ventilsitz 6 abhebt und eine Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum 7 erfolgen kann.
Die auftretenden Kräfte, beispielsweise hervorgerufen durch Druckänderungen im Brennraum 7 beispielsweise durch Klopfen, werden über das Ventilglied 5 auf den piezoelektrischen Sensor 3 übertragen. Ebenso werden die bei der Erregung des Piezoaktors 2 ausgelösten Kräfte sowie die am Piezoaktor auftretenden thermischen Kräfte auf den piezoelektrischen Sensor 3 übertragen. Die Resultierende aller dort auftretenden Kräfte wird als Signal an eine Regeleinrichtung (nicht dargestellt) weitergeleitet. Dabei kann die gleiche Leitung verwendet werden, welche zur Ansteuerung des Piezoaktors 2 vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß erfolgt die Ansteuerung des Piezoaktors 2 in einer Betriebs-Anfangsphase derart, dass die Regeleinrichtung den Piezoaktor 2 mit einer elektrischen Erregung beaufschlagt, die zumindest annähernd einen zum Ausgangssignal des Sensors 3 inversen Verlauf besitzt. Das Verhältnis der beiden elektrischen Signale ist gleich einem zylinderindividuellem Verstärkungsfaktor, der über ein Kennfeld vorgegeben wird. Dadurch wird erreicht, dass der Piezoaktor 2 während der gesamten Öffnungszeit, von dem Offnungs- und Schließvorgang abgesehen, in einer zumindest annähernd unveränderlichen Stellung bleibt.
In dieser Betriebs-Anfangsphase werden die für mehrere Zylinder vorgesehenen Piezoaktoren mehrerer jeweils mit entsprechenden Sensorelementen versehene Ventilglieder entsprechend dem oben für einen Piezoaktor beschriebenen Verfahren unabhängig voneinander mit einer zum Ausgangssignal des jeweiligen Sensorelements inversen elektrischen Erregung beaufschlagt.
Dadurch ergibt sich eine Hubgleichstellung der Einspritzventile mehrerer Zylinder und damit eine Vergleichmäßigung der Kraftstoffzufuhr zu den Zylindern. Unter Hubgleichstellung ist dabei alternativ ein messtechnisch gleicher Hub der Ventile oder ein auf gleichen Kraftstoffdurchsatz abzielender „gleicher", d. h. nicht notwendigerweise physikalisch gleicher Hub der Einspritzventile zu verstehen. Schließlich werden durch die Regeleinrichtung in einer an die Betriebs- Anfangsphase anschließenden Betriebsphase die Betätigungselemente mehrerer Ventilglieder unabhängig voneinander mit einer zum Ausgangssignal des jeweiligen Sensorelements inversen elektrischen Erregung beaufschlagt. Die Amplituden der Erregung werden entsprechend dem Ausgangssignal eines zylinderselektiven Lambda-Sensors gewählt.
Dadurch ergibt sich eine Lambdagleichstellung, d. h. eine sich über sämtliche Zylinder ergebende Vergleichmäßigung des Kraftstoff-Luftgemischs.
Alternativ zu den beiden oben genannten Betriebsmodi kann eine Vermessung der den jeweiligen Zylindern zugemessenen Kraftstoffdurchsätze m* im Betrieb erfolgen. In diesem Fall muss mittels einer aktiven Lambdasonde die in die jeweiligen Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge bestimmt werden. Hierfür wird nur jeweils ein Kraftstoffeinspritzventil geöffnet und diese Betriebsweise roulierend für die der Lambdasonde zugeordneten Zylinder durchgeführt. Ferner wird ein Quervergleich der einzelnen Kraftstoffeinspritzventile untereinander durchgeführt. Diese Überprüfung erfolgt in einer „mageren Schubphase" der Brennkraftmaschine. Dadurch lässt sich ein inakzeptabler Motorlauf vermeiden. Mit Hilfe dieser Prüfmethode kann dann auf eine Einzellambdaregelung verzichtet werden. Nach einer roulierenden Vermessung der Durchsätze und einem Quervergleich von mehreren Kraftstoffeinspritzventilen kann eine Gleichstellung der Kraftstoffdurchsätze m* erfolgen. Ein ansonsten üblicher bzw. erforderlicher Abgleich über die Lauf(un)ruhe / Dreh(un)gleichförmigkeit kann dann entfallen.
Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich aus nachfolgender Überlegung: Aus dem vom Sensor 3 gelieferten Signal lässt sich eine Aussage über die Steifigkeit des Piezoaktors 2 gewinnen. In der Regel tritt zu Beginn des Einspritzvorganges ein unstetiger Verlauf des Signals auf. Dadurch ist die Bestimmung der Nullpunktenergie möglich, d. h. die Energie, welche dem Piezoaktor 2 aufgeprägt werden kann, damit das Ventilglied 5 gerade noch nicht aus dem Ventilsitz 6 abhebt. Diese Information ist sehr wichtig für schnelle Regel-Reaktionen bzw. für die Bestimmung der Energiebilanzen.
Die Unstetigkeit im Signalverlauf ergibt sich aus einer Unstetigkeit im Steifigkeitsveriauf des Piezoaktors 2. Sie entsteht durch einen Brennraumbzw. Kraftstoffdruckänderungen im Ventilglied 5 bei Beginn des Einspritzvorganges und ist am Rauschen des Sensorsignals erkennbar. Dasselbe geschieht am Ende des Einspritzvorgangs, wenn das Ventilglied 5 in den Ventilsitz 6 zurückkehrt.
Entsprechend kann über die Auswertung des Sensorsignals auch eine Diagnose des Einspritzventils durchgeführt werden. Bei einem undichten Einspritzventil führt der Brennraumdruck zu einer Kraft-Beaufschlagung des Ventilglieds und damit zu einem Sensor-Signalrauschen bei eigentlich ruhendem Ventilglied 5. Ursache für die Undichtigkeit kann ein Federbruch innerhalb des Injektors sein.
Zusätzlich können durch einen Vergleich der Sensorsignalverläufe unterschiedlicher Kraftstoffeinspritzventile auch die Federvorspannungen untereinander verglichen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Steuern eines Kraftstoffeinspritzventils, umfassend einen Piezoaktor als Ventilglied, das eine Verbindung zu einem nachgeordneten Raum freigibt oder verschließt, ein elektrisches Betätigungselement zur Betätigung des Ventilglieds und ein Vorspannelement, welches das Ventilglied in eine Vorspannrichtung vorspannt, ferner ein Sensorelement, das auf einer Achse mit dem Ventilglied angeordnet ist und das ein Ausgangssignal über die auf das Ventilglied wirkenden Kräfte an eine Regeleinrichtung liefert, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung das Betätigungselement mit einer elektrischen Erregung beaufschlagt, die zumindest annähernd einen zum Ausgangssignal des Sensorelements inversen Verlauf besitzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung in einer Betriebs-Anfangsphase die Betätigungselemente mehrerer jeweils mit Sensorelementen versehene Ventilglieder unabhängig voneinander mit einer zum Ausgangssignal des jeweiligen Sensorelements inversen elektrischen Erregung beaufschlagt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung in einer an die Betriebs-Anfangsphase anschließenden Betriebsphase die Betätigungselemente mehrerer Ventilglieder unabhängig voneinander mit einer zum Ausgangssignal des jeweiligen Sensorelements inversen elektrischen Erregung beaufschlagt und die Amplituden der Erregung entsprechend dem Ausgangssignal eines zylinderselektiven Lambda-Sensors gewählt werden.
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