WO2008022951A1 - Verfahren zur leerhubsteuerung einer kraftstoffeinspritzvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur leerhubsteuerung einer kraftstoffeinspritzvorrichtung Download PDF

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actual
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Friedrich Graf
Rainer Hirn
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Continental Automotive Gmbh
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    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means

Definitions

  • the invention relates to a method for Leerhub horrung a fuel injection device according to the features of the preamble of the main claim. 1
  • Fuel injectors for operating an internal combustion engine have generally been known for many years.
  • fuel supply into the respective combustion chamber of the internal combustion engine is effected by injectors, in particular by piezoinjectors.
  • the object underlying the invention of the present be ⁇ is to provide a method which allows a more precise dosage of the injection quantity.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that a device is supplied to a dependent of the respective operating requirements amount of energy to achieve in this way a defined elongation of the piezoelectric actuator.
  • the supply of the amount of energy in the piezoelectric actuator can advantageously be done by an electrically heated ele ⁇ ment.
  • An advantageous embodiment of the invention results from the fact that one of the correction values arriving in the calculation of the energy amount is determined in a precontrol analytically and / or heuristically and / or from a characteristic field.
  • This correction value is intended to determine the influence of external parameters. ter, such as the effects of aging and creep, tempera ⁇ ture at certain points of the injector, hours of operation, assembly forces and settling, modeled on the return stroke of the In ⁇ jektors. It is also conceivable that corrosion rekturwert even more not listed above outside Pa ⁇ parameters that have an influence on the return stroke, model ⁇ lines. So that the model can be adapted even better to the reality, the model is additionally supplied with the value of the measured actual idle stroke in addition to the values of the external parameters. The improved fit of the model to the Re ⁇ ality precise injection rates are achieved.
  • FIG. 1 shows a flowchart for calculating the amount of energy supplied to the device.
  • step S1 of the actual idle stroke occurring in the injector the determined value being sent to the precontrol in step S21.
  • the Bestim ⁇ tion of the actual idle stroke can be carried out by various methods.
  • This provision of the actual return stroke is timed seen before adjusting the idle stroke desired by the fed ⁇ input energy amount.
  • the actual Leerhubbetician serves as a starting point for the calculation of the amount of energy that is supplied to the device to get over a defined Deh ⁇ tion of the piezoelectric actuator a defined idle stroke.
  • the following methods for actual Leerhubbeées be mentioned: a) Capacitive Leerhubbeées, b) the determination of the idle stroke is carried out by the fact that the piezoelectric actuator is controlled stepwise when the engine is stopped, (c) the determination of the idle stroke takes place by means of a strain gauge; d) the determination of the idle stroke is carried out by determining the course of the idle stroke electrical quantities is measured via the injection process. Hydraulic and / or mechanical reactions have an influence on the course of the electrical variables (such as capacitance) of the piezoactuator. By considering the course of these electrical variables can be concluded that the idle stroke. e) the idle stroke is determined that the Zeitdiffe ⁇ ence between impingement energy of the piezoelectric actuator with and lifting of the injector needle is determined (see also the detailed description of FIG 3).
  • step S10 the measured idle stroke actual value is compared with a stored idle stroke nominal value. Based on this difference, a controller output is determined ⁇ size for this difference in step S20.
  • step S21 the correction value is determined analytically and / or heuristically and / or from a characteristic map in the precontrol. This correction value models the influence of external parameters on the idle stroke. Using the supplied from step S idle stroke actual value makes it possible to better adapt the be ⁇ calculated values to reality.
  • step S30 the calculation of the amount of energy with which the injector is controlled via the device takes place.
  • the calculation takes place with the values determined in steps S20 and S21, wherein each mathematical method is conceivable for the calculation of the energy amount. It has proved to be advantageous that the two values are added.
  • step S40 a fault diagnosis is still performed. This diagnosis is based on a comparison logic in which a model is checked to see if the measured idle stroke matches the modeled idle stroke. If the deviation is greater than a predetermined threshold, then an error condition is ge ⁇ reports.
  • FIG. 2 shows a block diagram for determining the amount of energy supplied to the device.
  • this is by way of example an electrically heated element.
  • a determined actual Leerhubwert Al is subtracted from a stored target Leerhub A2 in a difference circuit A3.
  • the determination of the actual idle stroke can take place with all the methods mentioned in the description of FIG.
  • the output signal of the difference circuit A3 serves as input for a regulator AlO.
  • the output variable of the controller AlO is one of the two values supplied to the apparatus for calculating the amount of energy required to ⁇ .
  • a correction value is determined analytically and / or heuristically and / or from a characteristic map in the pre-control A30.
  • the actual Leerhubwert Al also serves to better the model to the reality ⁇ fit.
  • the determined correction value is added in an adder ⁇ circuit A40 with the output value of the controller AlO.
  • the calculated amount of energy is applied to the piezo actuator e.g. supplied via an electrically heated element A60.
  • the calculated idle stroke at the output of the adder circuit A40 is further compared in the fault diagnosis A50 with the output value of the differential circuit A3. In the event that the calculated idle stroke exceeds a defined threshold, an error condition is reported.
  • FIG. 3 shows a method for determining the actual idle stroke value.
  • the characteristic 1 shows the time course of the piezoelectric actuator via a device supplied amount of energy.
  • the curve 2 corresponds to the corresponding seat contact signal.
  • the device is started to supply an energy amount corresponding to the characteristic curve 1.
  • the seat contact signal 2 is triggered due to the idle stroke only at a time tl.
  • the time interval t.sub.0 to t.sub.1 corresponds to the time duration required by an injector needle to lift off and therefore represents a measure for the idle stroke.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leerhubsteuerung einer Kraftstoff einspritzvorrichtung, insbesondere eines Piezoinjektors. Dabei wird der Piezoaktor gezielt über eine Vorrichtung mit einem berechneten Energiebetrag angesteuert, um jeweils einen definierten Leerhub einzustellen.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Leerhubsteuerung einer Kraftstoffeinspritzvor- richtung.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leerhubsteuerung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs 1.
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen zum Betrieb einer Brennkraftmaschine sind generell seit vielen Jahren bekannt. Bei einem so genannten Common-Rail Einspritzsystem erfolgt die KraftstoffZuführung in den jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine durch Injektoren, insbesondere durch Piezoin- jektoren.
Für verschiedene Fahrzustände werden unterschiedliche Eigen¬ schaften von diesen Systemen gefordert, um Schadstoffemissi- onsgrenzen, Kraftstoffverbrauchsminimierung und auch Langle- bigkeit des Systems und damit auch des Fahrzeugs zu gewähr¬ leisten. Um diese Forderungen erfüllen zu können, muss die in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge möglichst genau dosiert werden. Dazu ist es erforderlich, dass der gesamte Hub des Piezoaktors für die mechanische Bewegung des Stell- elements genutzt wird. Daraus folgt, dass das Spiel zwischen dem Piezoaktor und dem Stellelement, das auch als Leerhub be¬ zeichnet wird, möglichst klein sein soll. Andererseits muss aber stets ein Mindestspiel zwischen Piezoaktor und Stellele¬ ment gewährleistet sein, um Fehlfunktionen im Betrieb zu ver- meiden.
Aus der Druckschrift DE 19905340 Al ist ein Verfahren be¬ kannt, bei dem der gewünschte Leerhub so eingestellt wird, dass dem Piezoaktor eine Gleichspannung kontinuierlich zuge- führt wird. Diese zugeführte Spannung kann gegebenenfalls ei¬ ner gepulsten Ansteuerspannung überlagert werden. Die Gleichspannung bewirkt dabei eine von der Ansteuerspannung unabhängige Längenänderung des Piezoaktors. Dieses Verfahren ermöglicht keine direkte Leerhub¬ beeinflussung, da ein dem Piezoaktor zusätzlicher Energiebetrag zugeführt wird, um damit den Einfluss des Leerhubs zu kompensieren. Dies führt im Betrieb zu ungenauen Einspritzmengen .
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be¬ steht darin, ein Verfahren bereitzustellen, das eine genauere Dosierung der Einspritzmenge ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er¬ findung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass einer Vorrichtung ein von den jeweiligen Betriebsanforderungen abhängiger Energiebetrag zugeführt wird, um auf diese Weise eine definierte Dehnung des Piezoaktors zu erreichen. Die Zuführung des Energiebetrags in den Piezoaktor kann vorteilhafterweise durch ein elektrisch beheiztes Ele¬ ment erfolgen.
Durch die definierte Zuführung von Energie und die daraus re- sultierende Dehnung wird es ermöglicht, dass der Leerhub zwi¬ schen Piezoaktor und Stellelement aktiv eingestellt wird, und damit genauere Einspritzmengen ermöglicht werden. Ein hydrau¬ lischer Leerhubausgleich und/oder andere Elemente zum Temperaturausgleich können somit entfallen. Auch ergeben sich neue Möglichkeiten der Fehlerdiagnose. Außerdem können Bauelemente mit einem größeren Toleranzbereich, die in der Fertigung günstiger sind, verwendet werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich da- durch, dass einer der in die Berechnung des Energiebetrags eingehenden Korrekturwerte in einer Vorsteuerung analytisch und/oder heuristisch und/oder aus einem Kennfeld bestimmt wird. Dieser Korrekturwert soll den Einfluss äußerer Parame- ter, wie z.B. Alterungseffekte und Kriechverhalten, Tempera¬ tur an bestimmten Stellen des Injektors, Betriebsstunden, Montagekräfte und Setzerscheinungen, auf den Leerhub des In¬ jektors modellieren. Weiterhin ist es denkbar, dass der Kor- rekturwert auch noch weitere, oben nicht genannte äußere Pa¬ rameter, die einen Einfluss auf den Leerhub haben, model¬ liert. Damit das Modell an die Realität noch besser angepasst werden kann, wird dem Modell noch zusätzlich zu den Werten der äußeren Parameter der Wert des gemessenen Ist-Leerhubs zugeführt. Durch die bessere Anpassung des Modells an die Re¬ alität werden genauere Einspritzmengen erreicht.
Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Figur 1: ein Flussdiagramm zur Berechnung des der Vorrichtung zugeführten Energiebetrags.
Figur 2: ein Blockschaltbild zur Berechnung des der Vorrich¬ tung zugeführten Energiebetrags Figur 3: ein Verfahren zur Bestimmung des Ist-Leerhubwertes
Gemäß Figur 1 erfolgt im Schritt Sl eine Ermittlung des im Injektor auftretenden Ist-Leerhubs, wobei der ermittelte Wert an die Vorsteuerung im Schritt S21 gesendet wird. Die Bestim¬ mung des Ist-Leerhubs kann dabei mit verschiedenen Verfahren durchgeführt werden.
Diese Bestimmung des Ist-Leerhubs erfolgt zeitlich gesehen vor der Einstellung des gewünschten Leerhubs durch den zuge¬ führten Energiebetrag. Die Ist-Leerhubbestimmung dient dabei als Ausgangspunkt für die Berechnung des Energiebetrags, der der Vorrichtung zugeführt wird, um über eine definierte Deh¬ nung des Piezoaktors einen definierten Leerhub zu bekommen.
Beispielhaft sind folgende Verfahren zur Ist- Leerhubbestimmung zu nennen: a) kapazitative Leerhubbestimmung, b) die Bestimmung des Leerhubs erfolgt dadurch, dass bei Motorstillstand der Piezoaktor schrittweise angesteuert wird, bis ein Druckverlust auftritt, wobei die Energiemenge, die bis zu diesem Druckverlust nötig war, ein Maß für den Leerhub ist, c) die Bestimmung des Leerhubs erfolgt über einen Dehnmess- steifen, d) die Bestimmung des Leerhubs dadurch erfolgt, dass der Verlauf der elektrischen Größen über den Einspritzvorgang gemessen wird. Hydraulische und/oder mechanische Rückwirkungen haben Einfluss auf den Verlauf der elektrischen Größen (wie z.B. Kapazität) des Piezoaktors. Durch eine Betrachtung des Verlaufs dieser elektrischen Größen kann auf den Leerhub geschlossen werden. e) der Leerhub wird dadurch bestimmt, dass die Zeitdiffe¬ renz zwischen Beaufschlagung des Piezoaktors mit Energie und Abheben der Injektornadel ermittelt wird (siehe hierzu auch die ausführlichere Beschreibung zu Figur 3) .
Im Schritt SlO erfolgt ein Vergleich des gemessenen Leerhub- Istwertes mit einem hinterlegten Leerhub-Sollwert. Basierend auf dieser Differenz wird im Schritt S20 eine Reglerausgangs¬ größe für diese Differenz ermittelt.
Im Schritt S21 wird in der Vorsteuerung der Korrekturwert a- nalytisch und/oder heuristisch und/oder aus einem Kennfeld bestimmt. Dieser Korrekturwert modelliert den Einfluss von äußeren Parametern auf den Leerhub. Mit Hilfe des aus Schritt SlO gelieferten Leerhub-Istwertes wird es ermöglicht, die be¬ rechneten Werte besser an die Realität anzupassen.
Im Schritt S30 erfolgt die Berechnung des Energiebetrags, mit dem der Injektor über die Vorrichtung angesteuert wird. Die Berechnung erfolgt mit den in den Schritten S20 und S21 ermittelten Werten, wobei für die Berechnung des Energiebetrags jedes mathematische Verfahren denkbar ist. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, dass die beiden Werte addiert werden.
Im Schritt S40 wird noch eine Fehlerdiagnose durchgeführt. Diese Diagnose basiert auf einer Vergleichslogik, in der über ein Modell überprüft wird, ob der gemessene Leerhub mit dem modellierten Leerhub übereinstimmt. Ist die Abweichung größer als eine vorgegebene Schwelle, so wird ein Fehlerzustand ge¬ meldet .
Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild zur Bestimmung des der Vor¬ richtung zugeführten Energiebetrags. Bei der Vorrichtung han¬ delt es sich dabei beispielhaft um ein elektrisch beheiztes Element. Ein ermittelter Ist-Leerhubwert Al wird von einem gespeicherten Soll-Leerhub A2 in einer Differenzschaltung A3 subtrahiert. Die Ermittlung des Ist-Leerhubs kann dabei mit allen in der Beschreibung zur Figur 1 erwähnten Verfahren erfolgen. Das Ausgangssignal der Differenzschaltung A3 dient als Eingangsgröße für einen Regler AlO. Die Outputgröße des Reglers AlO ist eine der beiden Werte, die für die Berechnung des der Vorrichtung zugeführten Energiebetrags benötigt wer¬ den .
Basierend auf den äußeren Parametern A20 wird in der Vorsteu- erung A30 ein Korrekturwert analytisch und/oder heuristisch und/oder aus einem Kennfeld bestimmt. Der Ist-Leerhubwert Al dient außerdem dazu, das Modell an die Realität besser anzu¬ passen. Der ermittelte Korrekturwert wird in einer Addier¬ schaltung A40 mit dem Ausgangswert des Reglers AlO addiert.
Der berechnete Energiebetrag wird dem Piezoaktor z.B. über ein elektrisch beheiztes Element A60 zugeführt.
Der berechnete Leerhub am Ausgang der Addierschaltung A40 wird ferner in der Fehlerdiagnose A50 mit dem Ausgangswert der Differenzschaltung A3 verglichen. Für den Fall, dass der berechnete Leerhub eine definierte Schwelle überschreitet, wird ein Fehlerzustand gemeldet.
Figur 3 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung des Ist- Leerhubwertes . Dabei zeigt die Kennlinie 1 den zeitlichen Verlauf des dem Piezoaktor über eine Vorrichtung zugeführten Energiebetrags. Die Kurve 2 entspricht dem entsprechenden Sitzkontaktsignal.
Ab dem Zeitpunkt tθ wird begonnen, der Vorrichtung einen der Kennlinie 1 entsprechenden Energiebetrag zuzuführen. Das Sitzkontaktsignal 2 wird aufgrund des Leerhubs erst zu einem Zeitpunkt tl ausgelöst. Die Zeitspanne tθ bis tl entspricht dabei der Zeitdauer, die eine Injektornadel zum Abheben benö- tigt und stellt daher ein Maß für den Leerhub dar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Leerhubsteuerung von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, insbesondere von Piezo-injektoren, einer Brennkraftmaschine, die jeweils mindestens einen Piezo- aktor aufweisen, unter Verwendung einer Vorrichtung zur Zuführung eines Energiebetrags an mindestens einen Piezoaktor, dadurch gekennzeichnet, dass der Leerhub durch eine variabel einstellbare Dehnung des Piezoaktors, verursacht durch einen dem Piezoaktor jeweils durch die Vorrichtung zugeführten variablen Energiebetrag, gesteuert wird, wobei ein jeweils er¬ mittelter Ist-Leerhub als Ausgangswert für die Steuerung des Leerhubs dient .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Piezoaktor durch die Vorrichtung zugeführte Energiebetrag mittels einer mathematischen Operation mit mindestens zwei zu ermittelnden Werten berechnet wird, wobei einer der Werte in einer Vorsteuerung analytisch und/oder heuristisch und/oder aus einem Kennfeld bestimmt wird und damit den Ein- fluss der den Leerhub beeinflussenden Parameter beschreibt und der andere Wert aus der Differenz eines hinterlegten Soll-Leerhubwertes und eines ermittelten Ist-Leerhubwertes gebildet wird.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Leerhub durch eine kapazitive Leerhubmessung bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Leerhub aus dem Verlauf gemessener elektrischer Piezoaktorgrößen des Einspritzvorgangs ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Leerhub über einen Dehnmessstrei¬ fen gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Leerhub dadurch bestimmt wird, dass im Motorstillstand die Ansteuerung des Piezoaktors schrittweise erhöht wird, bis ein Druckverlust eintritt, der über einen Drucksensor bestimmt werden kann, wobei die für diesen Druckverlust zugeführte Energiemenge ein Maß für den Leerhub darstellt.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Ist-Leerhub dadurch bestimmt wird, dass die Zeitdifferenz zwischen Beaufschlagung des Piezoaktors mit Energie und Abheben der Injektornadel bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Ist-Leerhub dadurch bestimmt wird, dass bei Motorstillstand der Piezoaktor mit Energie beauf¬ schlagt wird bis ein Druckverlust auftritt, wobei die dafür benötigte Energiemenge ein Maß für den Leerhub ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Ist-Leerhubwert für die Anpassung des in der Vorsteuerung ermittelten Wertes herangezogen wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Energie an den Piezo¬ aktor über ein elektrisch beheiztes Element erfolgt.
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