WO2009071392A1 - Verfahren zum betreiben eines einspritzventils - Google Patents

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WO2009071392A1
WO2009071392A1 PCT/EP2008/064640 EP2008064640W WO2009071392A1 WO 2009071392 A1 WO2009071392 A1 WO 2009071392A1 EP 2008064640 W EP2008064640 W EP 2008064640W WO 2009071392 A1 WO2009071392 A1 WO 2009071392A1
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WO
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actuator
injection valve
valve
operating
needle
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/064640
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English (en)
French (fr)
Inventor
Patrick Mattes
Kai Sutter
Violaine Chassagnoux
Holger Rapp
Marcus Schilling
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2051—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit using voltage control

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an injection valve, in particular a fuel injection valve of an internal combustion engine of a motor vehicle, wherein the injection valve has a piezoelectric actuator for driving a with the actuator, preferably hydraulically coupled valve needle.
  • the invention further relates to a control device for an injection valve and a computer program for a control unit.
  • an electrical operating variable of the actuator in particular an actuator voltage, preferably their amount or time course, is evaluated to close on an operating state of the injector.
  • This can advantageously precise information about a current operating state the injection valve are obtained, in particular, certain mechanical and / or hydraulic state transitions can be reliably detected.
  • This information can advantageously be used, for example, to control an operating variable of the injection valve, whereby an operation of the injection valve can be adapted to changing operating conditions, signs of wear, etc.
  • an actuator voltage is evaluated which, as a result of a
  • Structure-borne noise excitation in the injection valve results when the valve needle hits a needle hub limit limiting the stroke of the valve needle.
  • This structure-borne sound excitation is transmitted via other mechanical or hydraulic components of the injection valve, at least indirectly to the piezoelectric actuator whose actuator voltage changes as a function of the structure-borne sound excitation.
  • an actuator voltage is evaluated which results as a result of a pressure change in a valve chamber of the injection valve, when the injection valve changes a hydraulic operating state.
  • Such pressure changes may occur, for example, when the valve needle comes into contact with a throttle plate, which connects a plurality of hydraulic spaces of the injection valve together.
  • a similar pressure change may also occur, for example, when a servo valve or the like provided in the injection valve opens or closes.
  • the result of the described pressure change is, for example, a force jump on the walls surrounding the valve space, which can also be, for example, areas of a piston of a hydraulic coupler, via which the actuator is connected to the valve needle or servo valve.
  • the mechanical or hydraulic coupling between the location of the pressure change described above and the piezoelectric actuator allows the metrological detection of the pressure change or its effect by evaluating the actuator voltage.
  • a switching chain of mechanical elements serving to transmit structure-borne noise to the actuator can be made as stiff as possible in order to achieve low damping, etc.
  • a particularly precise evaluation of the electrical operating variable of the actuator, in particular the actuator voltage, is given in a further variant of the invention, in which the electrical operating variable of the actuator is subjected to a filtering.
  • This filtering can be advantageously used to isolate those signal components of the actuator voltage corresponding to the described structure-borne sound or pressure signals and are of importance for determining the operating state of the injection valve. For example, when the valve needle strikes a needle lifting stop, relatively large signal frequencies occur, which can be separated with the inventive filtering of, for example, less interesting low-frequency signals. An analysis by differentiation of the observed signals is also conceivable.
  • the filtering according to the invention can also be designed to carry out a filtering of the characteristic frequencies of a mass system of the injection valve containing the valve needle.
  • the separate sensor can be combined with the piezoelectric actuator such that the signal generated by the separate sensor is transmitted via an existing signal connection between the actuator and a controller controlling the actuator, whereby no additional construction effort for a separate signal connection of the separate sensor to the controller is required.
  • the separate sensor can be particularly advantageously integrated into the injection valve.
  • a piezoelectric film element which is structurally integrated into the piezoelectric actuator of the injection valve can be used as a separate structure-borne sound sensor.
  • the operating method according to the invention and the information obtained therewith about a current operating state of the injection valve can be used to particular advantage to regulate an operation of the injection valve.
  • the operating states of the injection valve or corresponding state transitions detected in the course of the operating method according to the invention can advantageously be used to control the injection valve or the actuator, for example, such that the state transitions in question, such as closing of the injection valve and the like, always occur after the same predetermined time. In this way, in particular, the precision in the fuel injection can be increased by the injection valve and the effects of wear and tear can be compensated.
  • the principle of the invention is applicable to all injectors, in the operation of which structure-borne sound signals or pressure changes occur, which are detectable and evaluable at least indirectly by the piezoelectric actuator.
  • the computer program may be stored, for example, on an electronic storage medium, wherein the storage medium in turn may be contained for example in the control unit.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of an embodiment of a
  • Figure 2 shows a time course of operating variables of the fuel injection valve
  • FIG. 1 shows an injection valve of an internal combustion engine of a motor vehicle designed as fuel injector 1, which is provided with a piezoelectric actuator 12.
  • the piezoelectric actuator 12 is driven by a control device 20 as indicated in FIG. 1 by the arrow.
  • the fuel injection valve 10 has a valve needle 13, which can sit on a valve seat 14 a in the interior of the housing of the fuel injection valve 10.
  • FIG. A fully open condition of the fuel injector 10 is characterized in that the valve needle 13 abuts against a needle stroke stop located in the region 14b and not shown in detail, which prevents further movement of the valve needle 13 away from its valve seat 14a, i. on the actuator 12, prevented.
  • the valve needle 13 is seated on the valve seat 14a, so the fuel is inspritzventi 1 10 closed. That is, the total, in the figure of Figure 1 vertically extending, stroke, the valve needle 13 can cover, is limited on the one hand by the valve seat 14a (closed position) and on the other hand by the Nadelhubanschlag in the area 14b (open position).
  • the transition from the closed to the open state is effected by means of the piezoelectric actuator 12.
  • a voltage referred to below as the actuator voltage U is applied to the actuator 12, which causes a change in length of a arranged in the actuator 12 piezo stack, which in turn is used to open or close the fuel injection valve 10.
  • the fuel injection valve 10 further includes a hydraulic coupler 15.
  • the hydraulic coupler 15 is disposed within the fuel injection valve 10 and has a coupler housing 16 in which two pistons 17, 18 are guided.
  • the piston 17 is connected to the actuator 12 and the piston 18 is connected to the valve needle 13.
  • a volume 19 is included, which accomplishes the transmission of the force exerted by the actuator 12 on the valve needle 13.
  • the coupler 15 is surrounded by pressurized fuel 11.
  • the volume 19 is also filled with fuel. Via the guide gaps between the two pistons 17, 18 and the coupler housing 16, the volume 19 can be adapted over a longer period of time to the respectively existing length of the actuator 12. For short-term changes in the length of the actuator 12, however, the volume 19 remains virtually unchanged and the change in the length of the actuator 12 is transmitted to the valve needle 13.
  • an electrical operating variable of the actuator in particular an actuator voltage U, is evaluated in order to conclude an operating state of the injection valve 10.
  • valve seat 14a and the needle stroke stop 14b which valve needle 13 can assume.
  • the impact of the valve needle 13 on the valve seat 14a or the Nadelhubanschlag 14b causes a structure-borne noise excitation in the injection valve 10, because a portion of the kinetic energy of the valve needle 13 is transmitted to the valve seat 14a or the Nadelhubanschlag 14b.
  • the resulting structure-borne sound signal is at least partially directed by the components of the injection valve 10 to the actuator 12, in which it causes metrologically detectable changes in the actuator voltage U.
  • These changes are evaluated according to the invention in order to be able to monitor the reaching of the valve seat 14a or the needle stroke stop 14b through the valve needle 13.
  • the time of reaching the valve seat 14a or the Nadelhubanschlags 14b are regulated by the valve needle 13 to ensure a precise operation of the injection valve 10 regardless of wear and other disturbances.
  • the performance of a new injection valve can be used.
  • a plurality of injection valves 10 of an internal combustion engine can be operated so that their operating behavior is equal to each other.
  • Figure 2 shows a time profile of the actuator voltage U, as it results when charging a piezoelectric actuator of a further injection valve (not shown).
  • the injection valve considered here with reference to FIG. 2 has no "direct" control of the injection valve
  • the injection valve considered here has a somewhat more complex mechanical-hydraulic switching chain between the valve needle 13 and the actuator 12. Nevertheless, even with such a configuration, the inventive method is applicable.
  • the actuator 12 is charged from a time t ⁇ to a target voltage Umax, which is set approximately at the time point tl.
  • the actuated by the actuator 12 servo valve acts accordingly on the valve needle 13, the stroke h also in Figure 2 is shown. Due to the interposition of the servo valve between the actuator 12 and the valve needle 13, the valve needle 13 reaches only at the time t2> tl corresponding to the target voltage Umax Maximalhub hmax, in which it rests against a component of the injection valve such as a throttle plate or the like.
  • the valve needle 13 When hitting the throttle plate, the valve needle 13 transmits a large part of its kinetic energy to the throttle plate or the other components of the injection valve, which in turn results in a structure-borne noise excitation in the injection valve 10.
  • the structure-borne sound propagates through the injection valve 10 and can be detected, for example, by means of the piezoelectric actuator 12, in particular by a corresponding evaluation of the actuator voltage U at the time t2.
  • the actuator voltage U has a local maximum M2 at the instant t2, which corresponds to the impact of the valve needle 13 on the throttle plate.
  • the time t3 can also be precisely detected using the method according to the invention by evaluating the corresponding local maximum M3, which is indicated in the drive voltage curve U by a dashed line.
  • This wear-related shift of the local maxima M2, M3 can be evaluated in the control unit 20 and used for example for a controlled control of the actuator.
  • the occurrence of the local maximum M2, which corresponds to the achievement of the throttle plate through the valve needle, according to the invention can be adjusted to a fixed predeterminable time t2 to allow a precise fuel metering.
  • the drive voltage U and / or a charge current and / or a drive start t ⁇ can be varied.
  • the inventively evaluated electrical operating variable of the actuator 12 for example, the actuator voltage U
  • a filtering to isolate those frequency components of the Aktornapssignals having information about the operating state or a change in the operating state of the injector 10.
  • high-pass and / or low-pass and / or bandpass filtering can be carried out here.
  • a sufficiently large sampling rate must be selected for a precise evaluation of the signals considered according to the invention.
  • a separate structure-borne sound and / or pressure sensor (not shown) is used, which is preferably integrated directly into the injection valve 10 and receives the signals of interest ,
  • a separate structure-borne noise sensor can be formed, for example, as a piezoelectric film element which, like the piezoelectric actuator 12, is arranged in an interior of the injection valve 10 and is accordingly suitable for detecting structure-borne sound signals or pressure changes.
  • the transmission of the signals detected by means of the separate sensor is advantageously carried out via the same signal lines which are provided for controlling the piezoelectric actuator 12 by the control unit 20.
  • the terminals of a piezoelectric film element for structure-borne sound detection can be directly connected to the terminals of the piezoelectric actuator 12, so that an addition of the signals supplied by the two piezoelectric elements results.
  • the piezoelectric actuator 12 in which no active control of the piezoelectric actuator 12 by the controller 20, accordingly, that of the piezoelectric
  • Foil element supplied sensor signal are evaluated in the control unit 20.
  • the principle according to the invention it is possible, in particular, to detect and compensate for quantity drifts in the fuel metering.
  • the evaluation and control according to the invention are dispensed with some elaborate measurements during the production of the injection valve, because a compensation of any occurring deviations during the later operation of the injection valve 10 is possible.
  • the legally prescribed emission limit values can be maintained with greater certainty than with conventional operating methods.
  • maintaining the performance of an internal combustion engine including the injectors 10 of the present invention is advantageously ensured.
  • a constant noise characteristic of an internal combustion engine containing the injection valve 10 can be achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils (10), insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das Einspritzventil (10) einen piezoelektrischen Aktor (12) zum Antrieb einer mit dem Aktor (12), vorzugsweise hydraulisch, gekoppelten Ventilnadel (13) aufweist. Erfindungsgemäß wird eine elektrische Betriebsgröße des Aktors (12), insbesondere eine Aktorspannung (U), ausgewertet, um auf einen Betriebszustand des Einspritzventils (10) zu schließen.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das Einspritzventil einen piezoelektrischen Aktor zum Antrieb einer mit dem Aktor, vorzugsweise hydraulisch, gekoppelten Ventilnadel aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät für ein Einspritzventil sowie ein Computerprogramm für ein Steuergerät.
Aufgrund von Verschleißerscheinungen des Einspritzventils insbesondere im Bereich der Ventilnadel, speziell einer Geometrie eines Ventilnadelsitzes, verändert sich über die Betriebsdauer herkömmlicher Einspritzventile - trotz gleichbleibender Ansteuerung - unter anderem die eingespritzte Kraftstoffmenge, wodurch u.a. das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine negativ beeinflusst wird.
Offenbarung der Erfindung
Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine präzise Zumessung von Kraftstoff auch über eine längere Betriebsdauer, insbesondere die gesamte Lebensdauer, des Einspritzventils hinweg sichergestellt ist.
Diese Aufgabe wird bei dem Betriebsverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine elektrische Betriebsgröße des Aktors, insbesondere eine Aktorspannung, bevorzugt ihr Betrag bzw. zeitlichen Verlauf, ausgewertet wird, um auf einen Betriebszustand des Einspritzventils zu schließen. Hierdurch können vorteilhaft präzise Informationen über einen aktuellen Betriebszustand des Einspritzventils gewonnen werden, insbesondere können auch bestimmte mechanische und/oder hydraulische Zustandsübergänge sicher erkannt werden. Diese Informationen können vorteilhaft beispielsweise für eine Regelung einer Betriebsgröße des Einspritzventils verwendet werden, wodurch ein Betrieb des Einspritzventils an sich ändernde Betriebsbedingungen, Verschleißerscheinungen usw. angepasst werden kann.
Dadurch ist es insbesondere möglich, die eingangs beschriebenen Verschleißerscheinungen beziehungsweise deren Wirkung auf die Präzision bei der Kraftstoffeinspritzung zu kompensieren.
Einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens entsprechend wird eine Aktorspannung ausgewertet, die sich infolge einer
Körperschallanregung in dem Einspritzventil ergibt, wenn die Ventilnadel auf einen den Hubweg der Ventilnadel begrenzenden Nadelhubanschlag trifft. Bei dem Auftreffen der Ventilnadel auf den Nadelhubanschlag wird ein Teil der kinetischen Energie der Ventilnadel an den Nadelhubanschlag bzw. damit verbundene Komponenten weitergegeben, so dass eine entsprechende Körperschallanregung in dem erfindungsgemäßen Einspritzventil stattfindet. Diese Körperschallanregung wird über weitere mechanische oder auch hydraulische Komponenten des Einspritzventils zumindest mittelbar auf den piezoelektrischen Aktor übertragen, dessen Aktorspannung sich in Abhängigkeit der Körperschallanregung ändert. Damit ist das Erreichen des Nadelhubanschlags durch die Ventilnadel in Form einer entsprechenden Änderung der Aktorspannung erkennbar.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist vorgesehen, dass eine Aktorspannung ausgewertet wird, die sich infolge einer Druckänderung in einem Ventilraum des Einspritzventils ergibt, wenn das Einspritzventil einen hydraulischen Betriebszustand wechselt. Derartige Druckänderungen können sich beispielsweise dann ergeben, wenn die Ventilnadel in Kontakt mit einer Drosselplatte gelangt, welche mehrere hydraulische Räume des Einspritzventils miteinander verbindet. Eine ähnliche Druckänderung kann sich beispielsweise auch dann ergeben, wenn ein in dem Einspritzventil vorgesehenes Servoventil oder dergleichen sich öffnet oder schließt. Insgesamt ergibt sich über die beschriebene Druckänderung z.B. ein Kraftsprung auf die den Ventilraum umgebenden Wände, bei denen es sich beispielsweise auch um Bereiche eines Kolbens eines hydraulischen Kopplers handeln kann, über den der Aktor mit der Ventilnadel bzw. dem Servoventil verbunden ist. Auch in dieser Konfiguration ermöglicht die mechanische beziehungsweise hydraulische Kopplung zwischen dem Ort der vorstehend beschriebenen Druckänderung und dem piezoelektrischen Aktor das messtechnische Erfassen der Druckänderung beziehungsweise ihrer Wirkung durch Auswerten der Aktorspannung.
Die vorstehend beschriebene Erzeugung, Einkopplung und Weiterleitung von Körperschall und Druckänderungen können durch geeignete konstruktive Auslegung des Einspritzventils verstärkt werden. Beispielsweise kann eine zur Übertragung des Körperschalls auf den Aktor dienende Schaltkette aus mechanischen Elementen möglichst steif ausgebildet sein, um eine geringe Dämpfung zu erzielen, usw.
Eine ganz besonders präzise Auswertung der elektrischen Betriebsgröße des Aktors, insbesondere der Aktorspannung, ist bei einer weiteren Erfindungsvariante gegeben, bei der die elektrische Betriebsgröße des Aktors einer Filterung unterzogen wird. Diese Filterung kann vorteilhaft dazu eingesetzt werden, diejenigen Signalanteile der Aktorspannung zu isolieren, die den beschriebenen Körperschall- beziehungsweise Drucksignalen entsprechen und von Bedeutung sind für die Ermittlung des Betriebszustands des Einspritzventils. Beispielsweise treten bei dem Auftreffen der Ventilnadel auf einen Nadelhubanschlag verhältnismäßig große Signalfrequenzen auf, die mit der erfindungsgemäßen Filterung von beispielsweise weniger interessierenden niederfrequenten Signalen getrennt werden können. Eine Analyse durch Differenzierung der betrachteten Signale ist ebenfalls denkbar.
Die erfindungsgemäße Filterung kann insbesondere auch dazu ausgelegt sein, eine Filterung der charakteristischen Frequenzen eines die Ventilnadel enthaltenden Massensystems des Einspritzventils durchzuführen.
Eine weitere Steigerung der Präzision des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist einer anderen vorteilhaften Ausführungsform zufolge dann gegeben, wenn ein separater Körperschall- und/oder Drucksensor verwendet wird. Ganz besonders vorteilhaft kann der separate Sensor derart mit dem piezoelektrischen Aktor kombiniert werden, dass das von dem separaten Sensor erzeugte Signal über eine bestehende Signalverbindung zwischen dem Aktor und einem den Aktor steuernden Steuergerät übertragen wird, wodurch kein zusätzlicher baulicher Aufwand für eine separate Signalverbindung von dem separaten Sensor zu dem Steuergerät erforderlich ist.
Der separate Sensor kann ganz besonders vorteilhaft in das Einspritzventil integriert sein. Beispielsweise kann als separater Körperschallsensor ein piezoelektrisches Folienelement verwendet werden, das baulich integriert ist in den piezoelektrischen Aktor des Einspritzventils. Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren und die hiermit gewonnenen Informationen über einen aktuellen Betriebszustand des Einspritzventils können ganz besonders vorteilhaft dazu verwendet werden, einen Betrieb des Einspritzventils zu regeln. Die im Wege des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens erkannten Betriebszustände des Einspritzventils beziehungsweise entsprechende Zustandsübergänge können vorteilhaft dazu verwendet werden, um das Einspritzventil beziehungsweise den Aktor beispielsweise derart zu regeln, dass die betreffenden Zustandsübergänge wie beispielsweise ein Schließen des Einspritzventils und dergleichen immer nach derselben vorgegebenen Zeit erfolgen. Auf diese Weise kann insbesondere auch die Präzision bei der Kraftstoffeinspritzung durch das Einspritzventil gesteigert und die Effekte von Verschleißerscheinungen kompensiert werden.
Das erfindungsgemäße Prinzip ist auf alle Einspritzventile anwendbar, bei deren Betrieb Körperschallsignale oder Druckänderungen entstehen, die zumindest mittelbar durch den piezoelektrischen Aktor erfassbar und auswertbar sind.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms, das auf einem Computer beziehungsweise einer Recheneinheit eines Steuergeräts ablauffähig und zur Ausführung des Verfahrens geeignet ist. Das Computerprogramm kann beispielsweise auf einem elektronischen Speichermedium abgespeichert sein, wobei das Speichermedium seinerseits zum Beispiel in dem Steuergerät enthalten sein kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Kraftstoffeinspritzventils zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
Figur 2 einen zeitlichen Verlauf von Betriebsgrößen des Kraftstoffeinspritzventils aus
Figur 1. In der Figur 1 ist ein als Kraftstoffe inspritzventi 1 10 ausgebildetes Einspritzventil einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt, das mit einem piezoelektrischen Aktor 12 versehen ist. Der piezoelektrische Aktor 12 wird wie in Figur 1 durch den Pfeil angedeutet von einem Steuergerät 20 angesteuert. Weiterhin weist das Kraftstoffeinspritzventil 10 eine Ventilnadel 13 auf, die auf einem Ventilsitz 14a im Inneren des Gehäuses des Kraftstoffeinspritzventils 10 aufsitzen kann.
Ist die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz 14a abgehoben, so ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 geöffnet und es wird Kraftstoff eingespritzt. Dieser Zustand ist in der Figur 1 dargestellt. Ein vollständig geöffneter Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 10 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel 13 an einem in dem Bereich 14b angeordneten und nicht näher dargestellten Nadelhubanschlag anliegt, der eine weitere Bewegung der Ventilnadel 13 weg von ihrem Ventilsitz 14a, d.h. auf den Aktor 12 zu, verhindert. Sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14a auf, so ist das Kraftstoffe inspritzventi 1 10 geschlossen. D.h., der gesamte, bei der Abbildung nach Figur 1 vertikal verlaufende, Hubweg, den die Ventilnadel 13 zurücklegen kann, ist einerseits durch den Ventilsitz 14a (Schließposition) und andererseits durch den Nadelhubanschlag in dem Bereich 14b (Öffnungsposition) begrenzt.
Der Übergang von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand wird mithilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt. Hierzu wird eine nachfolgend auch als Aktorspannung U bezeichnete elektrische Spannung an den Aktor 12 angelegt, die eine Längenänderung eines in dem Aktor 12 angeordneten Piezostapels hervorruft, welche ihrerseits zum Öffnen beziehungsweise Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 10 ausgenutzt wird.
Das Kraftstoffeinspritzventil 10 weist ferner einen hydraulischen Koppler 15 auf. Der hydraulische Koppler 15 ist innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10 angeordnet und weist ein Kopplergehäuse 16 auf, in dem zwei Kolben 17, 18 geführt sind. Der Kolben 17 ist mit dem Aktor 12 und der Kolben 18 ist mit der Ventilnadel 13 verbunden. Zwischen den beiden Kolben 17, 18 ist ein Volumen 19 eingeschlossen, das die Übertragung der von dem Aktor 12 ausgeübten Kraft auf die Ventilnadel 13 bewerkstelligt.
Der Koppler 15 ist von unter Druck stehendem Kraftstoff 11 umgeben. Das Volumen 19 ist ebenfalls mit Kraftstoff gefüllt. Über die Führungsspalte zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 kann sich das Volumen 19 über einen längeren Zeitraum hinweg an die jeweils vorhandene Länge des Aktors 12 anpassen. Bei kurzzeitigen Änderungen der Länge des Aktors 12 bleibt das Volumen 19 jedoch nahezu unverändert und die Änderung der Länge des Aktors 12 wird auf die Ventilnadel 13 übertragen. Erfindungsgemäß wird eine elektrische Betriebsgröße des Aktors 12, insbesondere eine Aktorspannung U ausgewertet, um auf einen Betriebszustand des Einspritzventils 10 zu schließen.
Bei dem in Figur 1 abgebildeten Einspritzventil 10 sind wie bereits beschrieben durch den Ventilsitz 14a und den Nadelhubanschlag 14b zwei besondere Betriebszustände definiert, die die Ventilnadel 13 einnehmen kann. Das Auftreffen der Ventilnadel 13 auf den Ventilsitz 14a oder den Nadelhubanschlag 14b bewirkt eine Körperschallanregung in dem Einspritzventil 10, weil ein Teil der kinetischen Energie der Ventilnadel 13 auf den Ventilsitz 14a oder den Nadelhubanschlag 14b übertragen wird. Das entstehende Körperschallsignal wird durch die Komponenten des Einspritzventils 10 zumindest teilweise zu dem Aktor 12 geleitet, bei dem es messtechnisch erfassbare Änderungen der Aktorspannung U verursacht. Diese Änderungen werden erfindungsgemäß ausgewertet, um das Erreichen des Ventilsitzes 14a oder des Nadelhubanschlags 14b durch die Ventilnadel 13 überwachen zu können. Erfindungsgemäß kann z.B. der Zeitpunkt des Erreichens des Ventilsitzes 14a oder des Nadelhubanschlags 14b durch die Ventilnadel 13 eingeregelt werden, um unabhängig von Verschleißerscheinungen und sonstigen Störgrößen einen präzisen Betrieb des Einspritzventils 10 sicherzustellen.
Als Referenzwert für derartige Regelungen kann das Betriebsverhalten eines neuwertigen Einspritzventils herangezogen werden. Alternativ können auch mehrere Einspritzventile 10 einer Brennkraftmaschine so betrieben werden, dass sich ihr Betriebsverhalten aneinander angleicht.
Figur 2 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Aktorspannung U, wie er sich beim Aufladen eines piezoelektrischen Aktors eines weiteren Einspritzventils (nicht abgebildet) ergibt. Im Unterschied zu dem Einspritzventil 10 gemäß Figur 1 weist das vorliegend unter Bezugnahme auf Figur 2 betrachtete Einspritzventil keine „direkte" Steuerung der
Ventilnadel 13 durch den Aktor 12 auf, sondern es ist ein Servoventil vorgesehen, das von dem Aktor 12 betätigt wird, und das seinerseits auf die Ventilnadel 13 wirkt. D.h., im Unterschied zu dem Einspritzventil 10 aus Figur 1 weist das vorliegend betrachtete Einspritzventil eine etwas komplexere mechanisch-hydraulische Schaltkette zwischen der Ventilnadel 13 und dem Aktor 12 auf. Dennoch ist auch bei einer derartigen Konfiguration das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar.
Gemäß Figur 2 wird der Aktor 12 ab einem Zeitpunkt tθ auf eine Sollspannung Umax aufgeladen, die sich etwa zu dem Zeitpunk tl einstellt. Das durch den Aktor 12 betätigte Servoventil wirkt dementsprechend auf die Ventilnadel 13, deren Hub h ebenfalls in Figur 2 abgebildet ist. Aufgrund der Zwischenschaltung des Servoventils zwischen dem Aktor 12 und der Ventilnadel 13 erreicht die Ventilnadel 13 erst zu dem Zeitpunkt t2 > tl ihren mit der Sollspannung Umax korrespondierenden Maximalhub hmax, bei dem Sie an einer Komponente des Einspritzventils wie z.B. einer Drosselplatte oder dergleichen anliegt.
Bei dem Auftreffen auf die Drosselplatte überträgt die Ventilnadel 13 einen Großteil ihrer kinetischen Energie auf die Drosselplatte bzw. die weiteren Komponenten des Einspritzventils, wodurch sich wiederum eine Körperschallanregung in dem Einspritzventil 10 ergibt. Der Körperschall pflanzt sich durch das Einspritzventil 10 fort und kann beispielsweise mittels des piezoelektrischen Aktors 12 erfasst werden, insbesondere durch eine entsprechende Auswertung der Aktorspannung U zu dem Zeitpunkt t2.
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, weist die Aktorspannung U zu dem Zeitpunkt t2 ein lokales Maximum M2 auf, das mit dem Auftreffen der Ventilnadel 13 auf der Drosselplatte korrespondiert.
Sofern beispielsweise aufgrund von Alterungseffekten eine Geometrie des Einspritzventils bzw. der Drosselplatte usw. sich gegenüber einem Normalzustand verändert hat, kann es während eines ansonsten unveränderten Aufladevorgangs beispielsweise dazu kommen, dass die Ventilnadel nicht bereits zu dem Zeitpunkt t2, sondern erst zu dem Zeitpunkt t3, auf die Drosselplatte trifft. Auch der Zeitpunkt t3 ist unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens präzise detektierbar, indem das entsprechende lokale Maximum M3 ausgewertet wird, das in dem Ansteuerspannungsverlauf U durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.
Diese verschleißbedingte Verschiebung der lokalen Maxima M2, M3 kann in dem Steuergerät 20 ausgewertet und beispielsweise für eine geregelte Ansteuerung des Aktors verwendet werden. Beispielsweise kann das Auftreten des lokalen Maximums M2, das mit dem Erreichen der Drosselplatte durch die Ventilnadel korrespondiert, erfindungsgemäß auf einen festen vorgebbaren Zeitpunkt t2 eingeregelt werden, um eine präzise Kraftstoffzumessung zu erlauben. Hierzu kann insbesondere die Ansteuerspannung U und/oder ein Ladestrom und/oder ein Ansteuerbeginn tθ variiert werden.
Neben der Auswertung von mittels Körperschallanregung erzeugten Signalen durch den Aktor 12 ist es auch möglich, eine Veränderung der Aktorspannung U auszuwerten, die sich infolge einer Druckänderung in einem Ventilraum des Einspritzventils 10 ergibt, beispielsweise wenn das Servoventil einen hydraulischen Betriebszustand wechselt. Die Interaktion der Ventilnadel oder einer weiteren Komponente des Systems mit einem hydraulischen Volumen kann in entsprechenden Betriebszuständen beziehungsweise Zustandswechseln die erfindungsgemäß betrachteten Druckänderungen hervorrufen, die sich in Form entsprechender Kräfte auf den Ventilraum bzw. allgemein das betrachtete Volumen begrenzende Wände zeigen. Diese Kräfte breiten sich ebenfalls in dem Einspritzventil 10 aus und sind somit zumindest mittelbar durch den Aktor 12 in Form einer zeitlichen Änderung der Aktorspannung U erfassbar.
Ganz besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäß ausgewertete elektrische Betriebsgröße des Aktors 12, beispielsweise die Aktorspannung U, einer Filterung unterzogen werden, um diejenigen Frequenzanteile des Aktorspannungssignals zu isolieren, welche Informationen über den Betriebszustand beziehungsweise einen Wechsel des Betriebszustands des Einspritzventils 10 aufweisen. Insbesondere können hierbei Hochpass- und/oder Tiefpass- und/oder Bandpassfilterungen vorgenommen werden. Generell ist für eine präzise Auswertung der erfindungsgemäß betrachteten Signale eine hinreichend große Abtastrate zu wählen.
Eine gesteigerte Präzision beziehungsweise die Möglichkeit zur Plausibilisierung erfasster Signale ist erfindungsgemäß dann gegeben, wenn zusätzlich zu dem Aktor 12 ein separater Körperschall- und/oder Drucksensor (nicht gezeigt) verwendet wird, der bevorzugt direkt in das Einspritzventil 10 integriert ist und die interessierenden Signale aufnimmt.
Besonders vorteilhaft kann ein separater Körperschallsensor beispielsweise als piezoelektrisches Folienelement ausgebildet sein, das ebenso wie der piezoelektrische Aktor 12 in einem Inneren des Einspritzventils 10 angeordnet und dementsprechend zur Erfassung von Körperschallsignalen beziehungsweise Druckänderungen geeignet ist.
Die Übertragung der mittels des separaten Sensors erfassten Signale erfolgt vorteilhaft über dieselben Signalleitungen, die zur Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 durch das Steuergerät 20 vorgesehen sind. Beispielsweise können die Anschlussklemmen eines piezoelektrischen Folienelements zur Körperschalldetektion direkt verbunden sein mit den Anschlüssen des piezoelektrischen Aktors 12, so dass sich eine Addition der von beiden piezoelektrischen Elementen gelieferten Signale ergibt. Insbesondere in solchen Zeiträumen, in denen keine aktive Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 12 durch das Steuergerät 20 erfolgt, kann dementsprechend das von dem piezoelektrischen
Folienelement gelieferte Sensorsignal in dem Steuergerät 20 ausgewertet werden.
Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips können insbesondere Mengendrifte bei der Kraftstoffzumessung erkannt und kompensiert werden. Ebenso kann durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Auswertung und Ansteuerung auf einige aufwändige Messungen während der Fertigung des Einspritzventils verzichtet werden, weil eine Kompensation von gegebenenfalls auftretenden Abweichungen auch während des späteren Betriebs des Einspritzventils 10 möglich ist. Ganz besonders vorteilhaft können durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips die gesetzlich vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte mit größerer Sicherheit als bei herkömmlichen Betriebsverfahren eingehalten werden. Darüberhinaus ist der Erhalt der Leistungsfähigkeit einer die erfindungsgemäßen Einspritzventile 10 enthaltenen Brennkraftmaschine vorteilhaft gewährleistet. Ferner kann durch eine Regelung des Einspritzventils 10 basierend auf dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren eine konstante Geräuschcharakteristik einer das Einspritzventil 10 enthaltenden Brennkraftmaschine erzielt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils (10), insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das
Einspritzventil (10) einen piezoelektrischen Aktor (12) zum Antrieb einer mit dem Aktor (12), vorzugsweise hydraulisch, gekoppelten Ventilnadel (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Betriebsgröße des Aktors (12), insbesondere eine Aktorspannung (U), ausgewertet wird, um auf einen Betriebszustand des Einspritzventils (10) zu schließen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktorspannung (U) ausgewertet wird, die sich infolge einer Körperschallanregung in dem Einspritzventil (10) ergibt, wenn die Ventilnadel (13) auf einen den Hubweg der Ventilnadel (13) begrenzenden Nadelhubanschlag trifft.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktorspannung (U) ausgewertet wird, die sich infolge einer Druckänderung in einem Ventilraum des Einspritzventils (10) ergibt, wenn das Einspritzventil (10) einen hydraulischen Betriebszustand wechselt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Betriebsgröße des Aktors (12), insbesondere eine Aktorspannung (U), einer
Filterung unterzogen wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein separater Körperschall- und/oder Drucksensor verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem separaten Körperschall- und/oder Drucksensor erzeugtes Signal über eine bestehende
Signalverbindung zwischen dem Aktor (12) und einem den Aktor (12) steuernden Steuergerät (20) übertragen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als separater Körperschallsensor ein piezoelektrisches Folienelement verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betriebsgröße des Aktors (12) geregelt wird.
9. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 programmiert ist.
10. Steuergerät (20) für ein Einspritzventil (10), insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
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