WO2009010374A1 - Verfahren und vorrichtung zur formung eines elektrischen steuersignals für einen einspritzimpuls - Google Patents

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Jörg BEILHARZ
Uwe Lingener
Andreas Pfeifer
Richard Pirkl
Harald Schmidt
Klaus Wenzlawski
Hans-Jörg Wiehoff
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    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/40—Controlling fuel injection of the high pressure type with means for controlling injection timing or duration
    • F02D41/401—Controlling injection timing
    • 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
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • 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 and a device for shaping an electrical control signal for an injection pulse of a position-controlled fuel injector of a common-rail or pump-nozzle injection system according to the genus of the independent claims 1 and 10.
  • the piezoelectric actuator has the property that on the one hand it can very quickly convert an electrical signal into a mechanical lifting movement. Furthermore, the piezoelectric actuator has the property that it emits an electrical signal during a mechanical pressure load, so that it can also be used as a sensor for detecting the prevailing pressure in the fuel injector or in the injection system.
  • a nozzle needle is controlled, can be opened with the spray holes within a nozzle unit more or less wide.
  • the nozzle needle can thus be regulated to a specific, predetermined position with a corresponding shaping of an electrical control signal.
  • Another problem is that the exact detection of the actually injected fuel quantity and the injection time point can only be solved unsatisfactorily so far.
  • problems arise in that the fuel injectors used are manufactured with an unavoidable manufacturing tolerance, so that the exact detection of the actually injected fuel quantity has so far been solved only unsatisfactorily.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus with which the Kraftstoffeinsprit- tion is improved in a cylinder of an internal combustion engine with a view to optimizing the combustion process.
  • the electrical control signal is first formed with an intermediate level with a lower amplitude, so that the nozzle needle of the
  • Fuel injector is moved when opening the spray holes in an intermediate position. As a result, a first subset of the predetermined amount of fuel can be injected.
  • the injection rate change is specified.
  • Another degree of freedom for the first partial injection is also seen in that the holding time for the maintenance of the intermediate position of the fuel injector is specified.
  • the injection rate change and / or the holding time for the intermediate position By varying the injection rate change and / or the holding time for the intermediate position, an almost arbitrary injection behavior can be generated and thereby the combustion of the fuel-air mixture in the cylinder of the internal combustion engine can be further optimized.
  • the electrical control signal is set to a higher level with higher amplitude.
  • the nozzle needle of the fuel injector is regulated to a second stop position, so that a second, higher level for the fuel injection is achieved.
  • a second holding time is predetermined for the opening duration of the nozzle needle.
  • Another aspect of the invention is that the number of intermediate levels, the holding period and / or the injection rate changes is arbitrary. This results in a very simple adaptation to any design of the injection process.
  • the nozzle needle can be selectively intercepted when placed on their valve seat. This results in an advantageous manner an improved reproducibility of the metering of the amount of fuel and a reduction in noise. Furthermore, in conjunction with a lower combustion noise and the ride comfort is improved.
  • FIGS. 1 A, B, C show three diagrams with the profile of the control current and the control voltage on the actuator and the temporal relationship with the injected fuel quantity
  • FIG. 2 shows by way of example a second diagram with two control signals according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic structure of a device according to the invention and FIG. 4 shows a block diagram of a device according to the invention.
  • FIG. 1A shows the current I as a function of time t, which can be measured directly on a piezoelectric actuator.
  • the piezoelectric actuator has a capacitive behavior, i. that a positive charging current flows into the actuator when the voltage is increased and a negative current flows when the voltage is lowered. If no voltage change, then the current flow goes back to 0.
  • the piezoelectric actuator also has sensory properties.
  • This vibration is caused, for example, by the impact of the nozzle needle on its valve seat.
  • the fluctuations in the fuel pressure which is determined by opening or closing the spray holes of the injection nozzle.
  • the vibration which is also referred to as Wegprellung be detected and controlled controlled.
  • both an injection rate change as a rising edge of the electrical control signal and an amplitude with an intermediate level and / or a hold time can be specified as a freely selectable parameter. From the integral over the injection rate change as well as the holding time results in the actually injected fuel amount, as will be explained in more detail later.
  • the voltage curve U at the piezoelectric actuator is recorded analogously to the current profile I.
  • the voltage rises at time t 0 with a predetermined edge to an intermediate value of about 50 volts. After that, a longer hold time is applied until the voltage for
  • the falling voltage edge corresponds in each case to a falling current at the piezoelectric actuator.
  • FIGS. 1A and 1B Analogous to the two diagrams of FIGS. 1A and 1B, FIG. 1A
  • the representation of the three diagrams takes place on a comparable time axis t in the range of 10 ⁇ 4 seconds.
  • Control signal, the injection quantity Q and the injection rate Q are controlled. Furthermore, the seat throttling of the nozzle needle and its stability with respect to the injection rate can be advantageously influenced by a corresponding curve.
  • Figure 2 shows a diagram with, for example, two inventive curves 1 and 2 for the formation of an electrical control signal.
  • This diagram shows all the parameters that can influence an injection process.
  • the injection rate (injection rate per unit of time) Q is plotted on the Y-axis in the diagram and the time t on the X-axis.
  • Curves 1 and 2 are shown as examples of different control signals or different injection curves. Since the curves 1 and 2 have the same course schematically, only the curve 1 will be explained in more detail below. The curve 2, however, differs only in smaller amplitudes of
  • Injection rate Q and lower injection rate changes Q.
  • the curve 1 first increases from the value 0 until a first injection rate Q 1 is reached within the time period ti.
  • the injection rate change has the value Q 1 . Subsequently, the injection rate Q 1 is kept constant during a holding time At 1 . Thereafter, within the period t2, the electrical control signal increases with an injection rate change Q 2 to the injection rate Q 2 . Thereafter, the injection rate Q 2 is kept constant during the period ⁇ t 2 . Subsequently, the curve 1 drops to the value 0 during the period ⁇ t 3 . For the falling edge, an injection rate change Q 3 is selected.
  • This basic course for an inventive electrical control signal can be varied, as shown by way of example by curve 2. For the curve 2. For the curve 2. For the curve 2.
  • An injection rate change Q j a time t i, an injection rate Q 1, a hold time At 1 .
  • the parameters according to the invention are freely selectable.
  • the electrical control signal is designed for further intermediate levels.
  • the first subset increases within the time period ti to the injection rate Q ⁇ .
  • the injection rate Q ⁇ is kept constant during the holding time At. 1
  • the injection rate Q 2 is reached within the time period t 2 with an injection rate change Q 2 .
  • the injection rate Q 2 remains constant during the dwell time ⁇ t 2 .
  • the control signal drops to the value 0 during the time period ⁇ t 3 and with the injection rate change Q 3 .
  • the total injection quantity can be calculated by integral formation over the entire curve.
  • Essential to the invention is that a variation of the additional parameters does not affect the target total amount for the given fuel injection. For this purpose, it is particularly necessary that a transformation of the desired injection rates and their injection rate profiles is performed. It should also be taken into term that the electrical control parameters exert a corresponding influence on the hydraulic variables in Aktoruite. Taking into account all factors, it is possible to determine the actually injected fuel quantity accurately and reproducibly, so that the combustion process of the fuel-air mixture can be optimally controlled.
  • the determination is dependent on the fuel injector type of a common rail or a pump-nozzle injection system.
  • the injection rate change Q 3 and determination of system-related limit values result as a solution of a non-linear optimization with corresponding boundary conditions.
  • Figures IA, IB which determine the loading, holding and unloading of an ideal nozzle needle driving path.
  • the specification of charging duration and charge change per unit time determines an energy setpoint for a subsequent energy control loop. For each cylinder, an adaptation and equality of different efficiencies in the drive is taken into account individually.
  • the pre-control value itself is tracked individually by suitable feedback signals from the injection system for each cylinder.
  • This may be, for example, a model-based or a phenomenological detection of the start of injection, the time of reaching the full opening of the nozzle needle or the achieved injection rate itself.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a device 10 with an algorithm with which a control function for an injection rate profile can be used to determine an electrical control signal.
  • a control function for an injection rate profile can be used to determine an electrical control signal.
  • Injection rate change a rate for a boat injection, and a hold time for the boat injection are inputted, latched, and prepared.
  • the first unit 11 determines from the data entered the course of the electrical control signal see, with which the fuel injector is driven in order to achieve the desired hydraulic injection duration.
  • the injection rate change, the boat injection rate, and the boat injection hold time are fed in parallel to a transformer 12 and converted accordingly.
  • the input of the transformer 12 is at the same time as the output gang of the first unit 11 connected. From the input data, the transformer 12 determines a charge change per unit time, charging times and an injection duration. These data are available on the output side and are linked to the output data of a first control computer (controller) 13.
  • the first control computer 13 is connected to a system feedback and provides corresponding specifications for the charge change per unit time and for the charging times.
  • the results are fed to a second control computer 14. From the values received, the final charge change per unit time is determined and is available at an output. Furthermore, the second computer is connected to an energetic feedback.
  • Figure 4 shows a schematic representation of an inventive device 10 for forming an electrical Steuersig- signal for an injection pulse of a position-controlled
  • the fuel injector 2 is arranged on a cylinder head of a cylinder 6 of an internal combustion engine.
  • the control unit 1 is connected via an electrical line 7 with a preferably piezoelectric actuator 3 of the fuel injector 2.
  • the actuator 3 Upon actuation of the actuator 3 by an electrical control signal of the control unit 1, the actuator 3 actuates a nozzle needle, which is arranged within an injection nozzle 4.
  • spray holes are rather opened or closed, which are located in the lower part of the injection nozzle 4.
  • the fuel injector 2 is supplied with fuel via a fuel line 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren beziehungsweise eine Vorrichtung zur Formung eines elektrischen Steuersignals für einen Einspritzimpuls eines positionsgeregelten Kraftstoffinjektors, insbesondere eines Common-Rail- oder Pumpe-Düse-Einspritzsystems. Der Verlauf des elektrischen Steuersignals ist frei wählbar bezüglich der Impulsflanken (Einspritzratenänderungen Q), der Haltedauer (?t) und der Einspritzrate (Q). Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Verbrennungsprozess im Hinblick auf geringere Emissionen, geringen Verbrauch und zur Erfüllung verschärfter gesetzlicher Vorschriften besser optimiert werden kann.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Formung eines elektrischen Steuersignals für einen Einspritzimpuls
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Formung eines elektrischen Steuersignals für einen Einspritzimpuls eines positionsgeregelten Kraftstoffinjektors eines Common-Rail- oder Pumpe-Düse-Einspritzsystems nach der Gat- tung der nebengeordneten Ansprüche 1 und 10.
Es sind schon Kraftstoffinjektoren bekannt, die beispielsweise mit einem piezoelektrischen Aktor ausgebildet sind. Der piezoelektrische Aktor hat die Eigenschaft, dass er einer- seits ein elektrisches Signal sehr schnell in eine mechanische Hubbewegung umsetzen kann. Des Weiteren hat der piezoelektrische Aktor die Eigenschaft, dass er bei einer mechanischen Druckbelastung ein elektrisches Signal abgibt, so dass er gleichzeitig als Sensor für die Erfassung des vorherr- sehenden Drucks im Kraftstoffinjektor bzw. im Einspritzsystem nutzbar ist.
Mit Hilfe der mechanischen Hubbewegung des Aktors wird eine Düsennadel gesteuert, mit der Spritzlöcher innerhalb einer Düseneinheit mehr oder weniger weit geöffnet werden können. Durch Erfassung des aktuellen Drucks bzw. der dynamischen Druckänderung im Kraftstoffinjektor kann auf die Hubbewegung der Düsennadel geschlossen werden. Die Düsennadel kann somit bei einer entsprechenden Formung eines elektrischen Steuer- signals auf eine bestimmte, vorgegebene Position geregelt werden .
Bekannte elektronische Managementsystemen zur Steuerung von Verbrennungsmotoren sind jedoch noch nicht in der Lage, mit Hilfe eines positionsgeregelten Kraftstoffinjektors in ausreichendem Maße einen emissions- und verbrauchsarmen Betrieb für die Brennkraftmaschine zu erzielen. Es ist des Weiteren bekannt, dass der Gemischbildungsprozess innerhalb eines Zylinders der Brennkraftmaschine im Wesentlichen durch den Gasaustausch sowie die Kraftstoffeinspritzmen- ge und durch den Verlauf der Einspritzrate beeinflusst werden kann. Bisher wurde dieses Problem dadurch gelöst, dass der verwendete Kraftstoffinjektor durch konstruktive Maßnahmen entsprechende hydraulisch-mechanische Eigenschaften erhält. Allerdings reichen diese Maßnahmen nicht aus, um alle Anfor- derungen von zukünftigen Verbrennungsverfahren, insbesondere auch im Hinblick auf geplante gesetzliche Vorschriften zu erfüllen .
Ein weiteres Problem besteht auch darin, dass die exakte Er- fassung der tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge sowie des Einspritzzeitpunktes bisher nur unbefriedigend gelöst werden kann. Insbesondere treten Probleme dadurch auf, dass die verwendeten Kraftstoffinjektoren mit einer unvermeidbaren Fertigungstoleranz gefertigt werden, so dass die exakte Er- fassung der tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge bisher nur unbefriedigend gelöst wurde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem die Kraftstoffeinsprit- zung in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine im Hinblick auf eine Optimierung des Verbrennungsvorgangs verbessert wird.
Diese Aufgabe wird verfahrensgemäß durch die Merkmale de An- spruch 1 und vorrichtungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Vorrichtung zur Formung eines elektrischen Steuersignals für einen Einspritz- impuls eines positionsgeregelten Kraftstoffinjektors mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 10 ergibt sich der Vorteil, dass die Formung des Einspritzim- pulses frei wählbar ist. Dadurch kann für eine vorgegebene Einspritzmenge das elektrische Steuersignal beliebig geformt werden. Dadurch kann die Kraftstoffeinspritzung beziehungsweise die Gemischbildung an ideale Vorgänge angepasst und op- timiert werden. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass der Systementwickler nun mehr Freiheitsgrade hat und insbesondere eine oder mehrere Impulsflanken und/oder wenigstens eine weitere Amplitude frei formen kann. Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht auch darin, dass die vorgesehene Gesamtmenge des Einspritzimpulses unabhängig von der Formung des elektrischen Steuersignals konstant gehalten wird. Dadurch werden unerwünschte energetische Auswirkungen auf das Drehmoment der Brennkraftmaschine vermieden.
Durch die in den nebengeordneten Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens gegeben. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass das elektrische Steuersignal zunächst mit einem Zwischenniveau mit einer niedrige- ren Amplitude ausgebildet ist, so dass die Düsennadel des
Kraftstoffinjektors beim Öffnen der Spritzlöcher in eine Zwischenposition bewegt wird. Dadurch kann eine erste Teilmenge der vorgegebenen Kraftstoffmenge eingespritzt werden.
Für die Formung des elektrischen Steuersignals für die erste Teilmenge ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Einspritzratenänderung vorgegeben wird.
Ein weiterer Freiheitsgrad für die erste Teileinspritzung wird auch darin gesehen, dass die Haltezeit für die Einhaltung der Zwischenposition des Kraftstoffinjektors vorgegeben wird. Durch Variation der Einspritzratenänderung und/oder auch der Haltezeit für die Zwischenposition kann ein nahezu beliebiges Einspritzverhalten erzeugt werden und dadurch die Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches im Zylinder der Brennkraftmaschine weiter optimiert werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einleitung zur Einspritzung eines zweiten Teils der vorgegebenen Einspritzmenge das elektrische Steuersignal auf ein höheres Niveau mit höheren Amplitude gesetzt wird. Dadurch wird die Düsennadel des Kraftstoffinjektors auf eine zweite Halteposition geregelt, so dass ein zweiter, höherer Pegel für die Kraftstoffeinspritzung erreicht wird.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass für die Öffnungs- dauer der Düsennadel eine zweite Haltezeit vorgegeben ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Anzahl der Zwischenniveaus, der Haltedauer und/oder der Einspritzratenänderungen beliebig wählbar ist. Dadurch ergibt sich eine sehr einfache Anpassung an jede beliebige Gestaltung des Einspritzvorgangs. Insbesondere kann die Düsennadel beim Aufsetzen auf ihren Ventilsitz gezielt abgefangen werden. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Dosierung der Kraftstoffmenge sowie eine Verringerung der Geräuschentwicklung. Des Weiteren wird in Verbindung mit einem geringeren Verbrennungsgeräusch auch der Fahrkomfort verbessert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .
Die Figuren 1 A, B, C zeigen drei Diagramme mit dem Verlauf des Steuerstromes und der Steuerspannung am Aktor sowie den zeitlichen Zusammenhang mit der eingespritzten Kraftstoffmenge,
Figur 2 zeigt beispielhaft ein zweites Diagramm mit zwei erfindungsgemäßen Steuersignalen,
Figur 3 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Figur 4 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden zunächst nachfolgend die in den Figuren 1 A, B, C dargestellten Diagramme näher erläutert. Die drei Diagramme zeigen den prinzipiellen Verlauf von dem Steuerstrom I, der Steuerspannung U für einen piezoelektrischen Aktor eines Kraftstoffinjektors sowie einen entsprechenden Verlauf einer eingespritzten Kraftstoffmenge in zeitlichem Zusammenhang.
In Figur IA ist der Strom I in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt, der direkt an einem piezoelektrischen Aktor ge- messen werden kann. Der piezoelektrische Aktor weist ein kapazitives Verhalten auf, d.h. dass ein positiver Ladestrom in den Aktor fließt, wenn die Spannung erhöht wird und ein negativer Strom fließt, wenn die Spannung erniedrigt wird. Erfolgt keine Spannungsänderung, dann geht der Stromfluss auf 0 zurück.
Wie bereits erwähnt wurde, weist der piezoelektrische Aktor auch sensorische Eigenschaften auf. Insbesondere erkennt man, dass nach der ansteigenden Stromflanke bzw. der abfallenden Stromflanke eine mehr oder weniger ausgeprägte Schwingung des Stromverlaufs entsteht. Diese Schwingung entsteht beispielsweise durch das Auftreffen der Düsennadel, auf ihren Ventilsitz. Sie entsteht aber auch durch die Schwankungen des Kraftstoffdrucks, der durch Öffnen bzw. Schließen der Spritz- löcher der Einspritzdüse bestimmt wird. Durch eine entsprechend ausgebildete Formung des elektrischen Steuersignals kann somit die Schwingung, die auch als Sitzprellung bezeichnet wird, erfasst und kontrolliert gesteuert werden. Aus diesem Grunde ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei einem Einspritzimpuls von der vorgesehenen Einspritzmenge zunächst wenigstens eine oder mehrere Teilmengen und anschließend die restliche Kraftstoffmenge bei einer weiter geöffneten Stel- lung der Düsennadel eingespritzt wird. Dabei kann als frei wählbarer Parameter sowohl eine Einspritzratenänderung als ansteigende Flanke des elektrischen Steuersignals als auch eine Amplitude mit einem Zwischenniveau und/oder eine Halte- zeit vorgegeben werden. Aus dem Integral über der Einspritzratenänderung als auch der Haltezeit ergibt sich die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge, wie später noch näher erläutert wird.
Bezüglich Figur IA erkennt man im linken Teil des Diagramms zum Zeitpunkt t = 0 einen ersten Stromimpuls. Danach fällt der Strom auf den Wert 0 ab. Bei t = 5,7 erfolgt der zweite Stromimpuls, der jedoch breiter als der erste Stromimpuls ist. Zum Zeitpunkt t = 10 erfolgt ein dritter negativer Stromimpuls und zum Zeitpunkt t = 12 erfolgt ein vierter negativer Stromimpuls.
Auf die Flanken der einzelnen Stromimpulse wird noch näher eingegangen .
Bei dem Diagramm der Figur IB ist analog zum Stromverlauf I der Spannungsverlauf U am piezoelektrischen Aktor aufgezeichnet. Die Spannung steigt zum Zeitpunkt t = 0 mit einer vorgegebene Flanke auf einen Zwischenwert von ca. 50 Volt an. Da- nach erfolgt eine längere Haltezeit, bis die Spannung zum
Zeitpunkt t = 5,7 parallel zum zweiten Stromimpuls der Figur IA auf etwa 140 Volt ansteigt. Die Spannung bleibt in etwa in diesem Bereich, bis bei t = 10 die Spannung mit einer vorgegebenen Flanke auf ein weiteres Zwischenniveau, beispielswei- se 50 Volt, abfällt. Nach einer weiteren kurzen Haltezeit fällt dann die Spannung auf den Wert 0 wieder ab.
Die abfallende Spannungsflanke entspricht jeweils einem abfallenden Strom am piezoelektrischen Aktor.
Analog zu den beiden Diagrammen der Figuren IA und IB ist in
Figur Ic die resultierende Einspritzmenge Q aufgetragen. Durch mechanische und hydraulische Verzögerungen beginnt die tatsächliche Einspritzung etwa bei t = 1 mit einem Spitzenwert von etwa Q = 2,5. Danach fällt die Einspritzmenge Q mit einer vorgegebenen Flanke ab und steigt dann schließlich bei etwa t = 6,5 auf einen vorgegebenen Wert von etwa Q = 7 bei t = 8,5 an. In diesem Bereich erfolgt die Einspritzung einer größeren Teilmenge, bis zum Zeitpunkt t = 12 der Einspritzimpuls mit einer weiteren vorgegebenen Einspritzratenänderung Q bis auf etwa 0 abfällt. Die Darstellung der drei Diagramme erfolgt auf einer vergleichbaren Zeitachse t im Bereich von 10~4 Sekunden.
Wie den drei Diagramme der Figuren 1 A, B, C entnehmbar ist, kann erfindungsgemäß auf sehr einfache Weise durch Vorgabe eines entsprechenden Spannungsverlaufs für das elektrische
Steuersignal die Einspritzmenge Q beziehungsweise die Einspritzrate Q gesteuert werden. Des Weiteren kann durch einen entsprechenden Kurvenverlauf die Sitzdrosselung der Düsennadel sowie ihre Stabilität bezüglich der Einspritzrate vor- teilhaft beeinflusst werden.
Figur 2 zeigt ein Diagramm mit beispielsweise zwei erfindungsgemäßen Kurven 1 und 2 für die Formung eines elektrischen Steuersignals. In diesem Diagramm sind alle Parameter dargestellt, durch die ein Einspritzverlauf beeinflusst werden kann. Zu diesem Zweck sind im Diagramm auf der Y-Achse die Einspritzrate (Einsspritzmenge pro Zeiteinheit) Q und auf der X-Achse die Zeit t aufgetragen. Dargestellt sind die Kurven 1 und 2 als Beispiele für unterschiedliche Steuersig- nale beziehungsweise unterschiedliche Einspritzverläufe. Da die Kurven 1 und 2 schematisch den gleichen Verlauf haben, wird im Folgenden nur die Kurve 1 näher erläutert. Die Kurve 2 unterscheidet sich dagegen nur in kleineren Amplituden der
Einspritzrate Q und niedrigeren Einspritzratenänderungen Q . Die Kurve 1 steigt zunächst vom Wert 0 bis zum Erreichen einer ersten Einspritzrate Q1 innerhalb der Zeitdauer ti an.
Die Einspritzratenänderung hat den Wert Q1. Anschließend wird während einer Haltezeit At1 die Einspritzrate Q1 kon- stant gehalten. Danach steigt innerhalb der Zeitdauer t2 das elektrische Steuersignal mit einer Einspritzratenänderung Q2 bis zur Einspritzrate Q2. Danach wird die Einspritzrate Q2 während der Zeitdauer Δt2 konstant gehalten. Anschließend fällt die Kurve 1 während der Zeitdauer Δt3 auf den Wert 0 ab. Für die abfallende Flanke wird eine Einspritzratenänderung Q3 gewählt. Dieser prinzipielle Verlauf für ein erfindungsgemäßes elektrisches Steuersignal lässt sich variieren, wie beispielhaft durch die Kurve 2 gezeigt ist. Für die Kurve
2 werden niedrigere Einspritzratenänderungen Q1,Q2,Q3 9e~ wählt. Die Einspritzzeiten tl, t2 und t3 sind identisch zu denen der Kurve 1. Lediglich die maximalen Einspritzraten
Q1,Q2 sind reduziert. Dadurch ergibt sich eine verringerte gesamte Einspritzmenge, die durch Integralbildung sehr einfach berechnet werden kann, wie nachfolgend gezeigt wird.
Für die Festlegung eines elektrischen Steuersignals zur Ansteuerung eines positionsgesteuerten Kraftstoffinjektors wurden bisher lediglich folgende Parameter verwendet:
Eine Einspritzratenänderung Q2 , eine Einspritzdauer t2, eine Einspritzrate Q2 , eine Haltezeit Δt2 und eine Einspritzratenänderung Q3
Die genannten Parameter sind für zukünftige Einspritzverfahren bei piezoelektrisch betriebenen Einspritzsystemen nicht mehr ausreichend. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, dass die bekannten Parameter um folgende Parameter erweitert werden :
Eine Einspritzratenänderung Qj , eine Zeitdauer ti, eine Einspritzrate Q^ , eine Haltezeit At1.
Die erfindungsgemäßen Parameter sind frei wählbar. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Steuersignal für weitere Zwischenniveaus ausgebildet ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel wurde aus Vereinfachungsgründen nur eine einzige Teilmenge dargestellt. Diese Teilmenge ist durch die erfindungsgemäßen, neuen Parameter festgelegt:
Mit einer Einspritzratenänderung Qj steigt die erste Teilmenge innerhalb der Zeitdauer ti auf die Einspritzrate Q^ an. Die Einspritzrate Q^ wird während der Haltezeit At1 konstant gehalten. Anschließend wird innerhalb der Zeitdauer t2 mit einer Einspritzratenänderung Q2 die Einspritzrate Q2 erreicht. Die Einspritzrate Q2 bleibt während der Haltezeit Δt2 konstant. Anschließend fällt die das Steuersignal während der Zeitdauer Δt3 und mit der Einspritzratenänderung Q3 auf den Wert 0.
Die gesamte Einspritzmenge lässt sich durch Integralbildung über der gesamten Kurve berechnen.
Erfindungswesentlich ist, dass eine Variation der zusätzli- chen Parameter keine Beeinflussung der angestrebten Gesamtmenge für die vorgegebene Kraftstoffeinspritzung nach sich zieht. Hierzu ist es insbesondere notwendig, dass eine Transformation der gewünschten Einspritzraten und ihrer Einspritzratenverläufe vorgenommen wird. Dabei ist auch zu berücksich- tigen, dass die elektrischen Ansteuerparameter auch auf die hydraulischen Größen in der Aktorstrecke einen entsprechenden Einfluss ausüben. Bei Berücksichtigung aller Faktoren gelingt es, die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge exakt und reproduzierbar zu bestimmen, so dass der Verbrennungsablauf des Kraftstoff-Luftgemisches optimal geregelt werden kann.
Im Folgenden wird ein Algorithmus angegeben, mit dem eine gewünschte Einspritzmenge Q allgemein nach folgenden Formeln berechnet werden kann:
Q = jQ(t)dt = f(p,[t1,t2,t3]) mit P = [Q15Q25Q35At15At2] und Q = dQ(t)/dt = const sowie Q = Q*t
Für einen gewünschten Verbrennungsverlauf werden die nachfolgend aufgeführten Parameter des elektrischen Steuersignals
- gewünschte einzuspritzende Kraftstoffmenge Q, - die Einspritzratenänderung Q1 ,
- die Einspritzrate Q1 sowie
- die Haltezeit At1
beispielsweise an einem entsprechend ausgerüsteten Prüfmotor oder in einem Fahrzeug experimentell bestimmt und in einer Tabelle gespeichert, wobei die Bestimmung abhängig ist von dem Kraftstoffinj ektortyp eines Common-Rail oder eines Pumpe- Düse-Einspritzsystems. Nach geeigneter Wahl der Einspritzratenänderung Q3 und Festlegung von systembedingten Grenzwer- ten ergeben sich die restlichen Parameter als Lösung einer nicht linearen Optimierung mit entsprechenden Randbedingungen .
Nachdem die Lösung gefunden wurde, erfolgt anschließend eine Transformation auf die elektrischen Ansteuergrößen entspre- chend den Figuren IA, IB, die den Lade-, Halte- und Entladevorgang einer idealen Düsennadelantriebsstrecke bestimmen. Die Vorgabe von Ladedauer und Ladungsänderung pro Zeiteinheit bestimmt einen Energiesollwert für einen nachfolgenden Ener- gieregelkreis . Dabei wird für jeden Zylinder individuell eine Adaption und Gleichstellung unterschiedlicher Wirkungsgrade im Antrieb berücksichtigt.
Alternativ ist vorgesehen, dass der Vorsteuerwert selbst durch geeignete Rückmeldesignale aus dem Einspritzsystem für jeden Zylinder individuell nachgeführt wird. Dieses können zum Beispiel eine modellbasierte oder eine phänomenologische Detektion des Einspritzbeginns, des Zeitpunkts des Erreichens der vollständigen Öffnung der Düsennadel oder die erzielte Einspritzrate selbst sein. Hierdurch lassen sich fertigungs- und betriebspunktbedingte Toleranzen der Kraftstoffinjektoren minimieren .
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Modellierung ist in Figur 3 dargestellt. Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung 10 mit einem Algorithmus, mit dem eine Regelungsfunktion für einen Einspritzratenverlauf ein elektrisches Steuersignal festgelegt werden kann. Zunächst werden in eine ersten Einheit 11 diverse Systemparame- ter, insbesondere eine Mengenvorgabe, der Raildruck, eine
Einspritzratenänderung, eine Rate für eine Booteinspritzung und eine Haltezeit für die Booteinspritzung eingegeben, zwischengespeichert und aufbereitet. Die erste Einheit 11 bestimmt aus den eingegebenen Daten den Verlauf des elektri- sehen Steuersignals, mit dem der Kraftstoffinjektor angesteuert wird, um die gewünschte hydraulische Einspritzdauer zu erreichen .
Die Einspritzratenänderung, die Rate für die Booteinspritzung und die Haltezeit für die Booteinspritzung werden parallel einem Transformer 12 zugeführt und entsprechend umgeformt. Der Eingang des Transformers 12 ist gleichzeitig mit dem Aus- gang der ersten Einheit 11 verbunden. Aus den eingegebenen Daten ermittelt der Transformator 12 eine Ladungsänderung pro Zeiteinheit, Ladezeiten und eine Einspritzdauer. Diese Daten stehen ausgangsseitig zur Verfügung und werden mit den Aus- gangsdaten eines ersten Steuerrechners (Controller) 13 verknüpft. Der erste Steuerrechner 13 ist mit einer Systemrückkopplung verbunden und liefert entsprechende Vorgaben für die Ladungsänderung pro Zeiteinheit und für die Ladezeiten. Die Ergebnisse werden einem zweiten Steuerrechner 14 zugeführt. Aus den eingegangenen Werten wird die endgültige Ladungsänderung pro Zeiteinheit ermittelt und steht an einem Ausgang zur Verfügung. Des Weiteren ist der zweite Rechner mit einer energetischen Rückkopplung verbunden.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren bzw. Algorithmus ist es möglich, auf Basis eines langzeitstabilen Einspritzsystems mit einer Gleichstellungsfunktion bzw. mit einer Adaption für den Einspritzbeginn und die erforderliche Einspritzmenge eine freie Formung des Einspritzratenverlaufs zu bestimmen. Gleichzeitig ist eine einfache Parametrierbarkeit darstellbar .
Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Formung eines elektrischen Steuersig- nals für einen Einspritzimpuls eines positionsgeregelten
Kraftstoffinj ektors 2, insbesondere eines Common-Rail- oder Pumpe-Düse-Einspritzsystems 10. Der Kraftstoffinjektor 2 ist an einem Zylinderkopf eines Zylinders 6 einer Brennkraftmaschine angeordnet. Das Steuergerät 1 ist über eine elektri- sehe Leitung 7 mit einem vorzugsweise piezoelektrischen Aktor 3 des Kraftstoffinjektors 2 verbunden. Bei Ansteuerung des Aktors 3 durch ein elektrisches Steuersignal des Steuergerätes 1 betätigt der Aktor 3 eine Düsennadel, die innerhalb einer Einspritzdüse 4 angeordnet ist. Dadurch werden Spritzlö- eher geöffnet oder verschlossen, die sich im unteren Teil der Einspritzdüse 4 befinden. Der Kraftstoffinjektor 2 wird über eine Kraftstoffleitung 5 mit Kraftstoff versorgt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Formung eines elektrischen Steuersignals für einen Einspritzimpuls eines Kraftstoffinjektors (2), insbesondere eines Common-Rail- oder Pumpe-Düse- Einspritzsystems (10), wobei das elektrische Steuersignal vorzugsweise einen piezoelektrischen Aktor (3) des Kraftstoffinjektors (2) betätigt, um eine vorgegebene Kraftstoffmenge in einen Zylinder (6) einer Brennkraftma- schine einzuspritzen und wobei mit Hilfe des Kurvenverlaufs des elektrischen Steuersignals eine Einspritzrate
(Q) des Kraftstoffinj ektor (2) in Abhängigkeit insbesondere vom Raildruck, vom Hubweg und/oder der Öffnungsdauer des Kraftstoffinjektors (2) geregelt wird, dadurch ge- kennzeichnet,
- dass für wenigstens eine einzuspritzende Teilmenge der Verlauf des elektrischen Steuersignals bezüglich wenigstens einer Impulsflanke und/oder einer Amplitude frei formbar ist, - wobei die Formung des Einspritzimpulses derart ausgebildet ist, dass die vorgegebene einzuspritzende Kraft- stoffmenge (Q) unabhängig vom Verlauf des elektrischen Steuersignals konstant gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzimpuls für die Einspritzung einer Teilmenge zunächst mit einem Zwischenniveau (Qi) mit einer ersten Amplitude ausgebildet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Formung des Einspritzimpulses eine Einspritzratenänderung (Qi) vorgegeben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Zwischenniveau (Qj ) eine Haltezeit (At1) vorgegeben wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzimpuls ausgehend vom Zwischenniveau (Qj ) mit einer zweiten Einspritzratenänderung ( Q2 ) auf ein höheres Niveau mit einer zweiten Amplitude ( Q2 ) gesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die zweite Amplitude ( Q2 ) eine vorgegebene zweite Haltezeit ( Δt2 ) vorgegeben wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der zweiten Amplitude
( Q2 ) eine Abregelung mit einer dritten Einspritzratenänderung ( Q3 ) vorgegeben wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Zwischenniveaus
(Q), der Haltedauer (Δt) und/oder der Einspritzratenänderungen (Q) beliebig wählbar ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend dem Kurvenverlauf eine tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge bestimmt wird und dass die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge mit einer vorgegebenen Kraftstoffmenge verglichen wird.
10. Vorrichtung zur Formung eines elektrischen Steuersignals für einen Einspritzimpuls eines Kraftstoffinjektors (2), insbesondere eines Common-Rail- oder Pumpe-Düse- Einspritzsystems (10), mit einem Steuergerät (1), mit dem ein vorzugsweise piezoelektrischer Aktor (3) des Kraftstoffinjektors (2) steuerbar ist, um eine vorgegebene Kraftstoffmenge in einen Zylinder (6) einer Brenn- kraftmaschine einzuspritzen und wobei mit Hilfe des Kurvenverlaufs des elektrischen Signals eine Einspritzrate
(Q) des Kraftstoffinjektor (2) in Abhängigkeit insbesondere vom Raildruck, vom Hubweg und/oder der Öffnungsdauer des Kraftstoffinjektors (2) regelbar ist, dadurch gekenn- zeichnet,
- dass das Steuergerät (1) ausgebildet ist, den Kurvenverlauf des elektrischen Signals bezüglich wenigstens einer Impulsflanke und/oder einer Amplitude frei zu formen,
- wobei die Formung des elektrischen Signals derart aus- gebildet ist, dass die vorgegebene einzuspritzende Kraftstoffmenge (Q) unabhängig vom Verlauf des elektrischen Steuersignals konstant gehalten wird.
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