Beschreibung
Verfahren zur Ermittlung der Kraftverhältnisse an der Düsennadel eines direkt getriebenen Piezoin ektors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Kraftverhältnisse an der Düsennadel eines direkt getriebenen Piezoin ek¬ tors .
Kraftstoffeinspritzsysteme der neuen Generation arbeiten meist nach dem Common-Rail-Prinzip und enthalten oftmals piezoelektrisch betriebene Injektoren. Dabei sind an jeder Brennkammer des jeweiligen Verbrennungsmotors einer oder mehrere derartige Piezoinj ektoren vorgesehen, welche gezielt geöffnet und ge¬ schlossen werden können. Bei geöffneten Injektoren gelangt Kraftstoff in das Innere der Brennkammer und verbrennt dort. Sowohl aus verbrennungstechnischer Sicht als auch aus abgastechnischer Sicht als auch aus Komfortgründen bedarf es einer möglichst genauen Bestimmung der jeweils eingespritzten
Kraftstoffmenge .
Aus der WO 2009/010374 AI sind bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Formung eines elektrischen Steuersignals für einen Einspritzimpuls eines Kraftstoffinj ektors bekannt. Dieses elektrische Steuersignal betätigt einen piezoelektrischen Aktor, um eine vorgegebene Kraftstoffmenge in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Mit Hilfe des Kur¬ venverlaufes des elektrischen Steuersignals wird eine Ein¬ spritzrate des Kraftstoffinj ektors in Abhängigkeit insbesondere vom Raildruck, vom Hubweg und/oder der Öffnungsdauer des Kraftstoffinj ektors geregelt. Für wenigstens eine einzu¬ spritzende Kraftstoffteilmenge ist der Verlauf des elektrischen Steuersignals bezüglich wenigstens einer Impulsflanke und/oder einer Amplitude frei formbar. Die Formung des Einspritzimpulses ist derart ausgebildet, dass die vorgegebene einzuspritzende
Kraftstoffmenge unabhängig vom Verlauf des elektrischen
Steuersignals konstant gehalten wird.
Bei einer Ratenverlaufsformung des Kraftstoffes ist es wichtig, die von der Brennkraftmaschine zur Gemischbildung geforderten Einspritzmengen mit engen Toleranzen einzuhalten, um die Schadstoffemissionen und den Kraftstoffverbrauch des jeweiligen Kraftfahrzeugs in gewünschter Weise zu beeinflussen.
Ein wesentlicher Aspekt bei der Ratenverlaufsformung ist der sogenannte Teilhubbetrieb. Dabei wird die Düsennadel in einer Mittelposition zwischen dem Düsensitz (Einspritzventil geschlossen) und der Endhubposition (Einspritzventil maximal geöffnet) der Düsennadel gehalten, um den Kraftstoffdurchfluss durch die Düse und damit die Gemischbildung zu beeinflussen.
In der Praxis besteht ein Problem darin, den genannten Teilhub exakt einzustellen und zu erreichen, dass die von der Brennkraftmaschine geforderte Einspritzmenge als Integral des einspritzdüsennadelhubabhängigen Kraftstoffdurchflusses durch die Düse gewährleistet werden kann. Dieses Problem basiert darauf, dass sich im Teilhubbetrieb Bauteiltoleranzen des Injektors sowie unterschiedliche Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur) beim Betrieb des Injektors in einer Brennkraft¬ maschine aufgrund der Steilheit der Durchflusskennlinie der Düse, aufgetragen über den Nadelhub, tendenziell stärker auswirken als dies bei einem Vollhubbetrieb des Injektors der Fall ist.
In Brennkraftmaschinen werden die Vorteile einer Ratenverlaufsformung und deren Einflüsse auf die Abgasemissionen überwiegend an Brennkraftmaschinen untersucht, in welchen mittels externer Sensoren der Zylinderdruck, verschiedene Temperaturen und zum Teil auch der Nadelhub überwacht werden. Eine Verwendung derartiger Sensoren ist kostenaufwendig und soll deshalb in Kraftfahrzeugen aus Kostengründen nicht erfolgen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Ermittlung der auf die Düsennadel eines direkt getriebenen Piezoin ektors wirkenden Kraft anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben . Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung der auf die Düsennadel eines direkt getriebenen Piezoin ektors wirkenden Kraft zur Verfügung gestellt, bei welchem während des Öff¬ nungsvorganges und in einem Teilhubbetrieb mittels eines La¬ devorganges eine elektrische Spannung an dem die Düsennadel treibenden Piezoaktor aufgebaut wird und bei welchem nach dem Ende des Ladevorganges eine wiederholte Messung der am Piezoaktor anliegenden Spannung erfolgt, aus aufeinanderfolgenden Spannungsmesswerten ein Spannungsgradient ermittelt wird und aus dem Spannungsgradienten Rückschlüsse auf die auf die Düsennadel wirkende Kraft gezogen werden.
Die ermittelte Information über die auf die Düsennadel wirkende Kraft kann in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, Rückschlüsse auf den Hub der Düsennadel zu ziehen. Eine Kenntnis des Hubes der Düsennadel wiederum erlaubt es, den Kraft¬ stoffdurchfluss durch den Piezoin ektor zu ermitteln. Aus dem Kraftstoffdurchfluss kann schließlich die eingespritzte
Kraftstoffmenge durch eine Integralbildung ermittelt werden. Dies wiederum erlaubt eine exakte Einstellung eines Teilhub- betriebes, um am Ende des Arbeitsspiels die von der Brenn¬ kraftmaschine geforderte Einspritzmenge als Integral des einspritzdüsennadelhubabhängigen Kraftstoffflusses durch die Düse zu gewährleisten, obwohl sich bei dieser Betriebsart die Bauteiltoleranzen im Injektor sowie unterschiedliche Umge- bungsbedingungen beim Betrieb des Injektors in der Brennkraftmaschine durch die Steilheit der über den Nadelhub auf¬ getragenen Durchflusskennlinie der Düse tendenziell stärker auswirken als bei einem Vollhubbetrieb.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
Figur 1 eine Skizze zur Erläuterung des Aufbaus eines
Piezoin ektors , bei welchem ein Verfahren gemäß der Erfindung verwendet werden kann, und
Figur 2 Diagramme zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen der am Piezoaktor anliegenden Spannung, der am Piezoaktor anliegenden Kraft, dem resultierenden Nadelhub und der daraus resultierenden Einspritzrate.
Die Figur 1 zeigt eine Skizze zur Erläuterung des Aufbaus eines Piezoin ektors , bei welchem ein Verfahren gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Der dargestellte Piezoin ektor weist einen Piezoaktor 1, einen Pin 2, ein Hebelgehäuse 3, eine Glocke 4, einen Hebel 5, eine Zwischenscheibe 6, eine Düsennadelfeder 7, eine Düsennadel 8 und einen Düsenkörper 9 auf.
Der Piezoaktor 1 besteht aus einer Vielzahl einzelner dünner Schichten, die sich bei einem Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnen, d. h. sie übersetzen eine angelegte
elektrische Spannung in mechanische Arbeit bzw. Energie. Um¬ gekehrt rufen mechanische Beeinflussungen des Piezoaktors elektrische Signale hervor, die gemessen werden können. Die erreichbare Ausdehnung eines Piezoaktors ist abhängig von Parametern, zu denen seine nominelle Länge, die Anzahl seiner Schichten, die Güte der erfolgten Polarisierung und das Verhältnis seiner aktiven Fläche zu seiner Gesamtfläche gehören. Ist ein Piezoaktor aufgeladen, dann verharrt er für die Dauer der jeweiligen Einspritzung in seiner erreichten Ausdehnung.
Bei dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Piezoinj ektor, bei dem die Düsennadel 8 durch den Piezoaktor 1 direkt angetrieben wird. Zu diesem Zweck ist der Piezoaktor 1 über den Pin 2, die Glocke 4 und den Hebel 5, bei denen es sich um steife, formsch Lüssig geführte Koppelelemente
handelt, unmittelbar mit der Düsennadel 8 verbunden. Durch diese unmittelbare Verbindung der Düsennadel mit dem Piezoaktor wird ein rückwirkender Krafteintrag von der Nadelbewegung auf den Piezoaktor ermöglicht, der im Kapazitätsverlauf erkennbar ist. Jeder Krafteintrag in den Piezoaktor äußert sich in einer Änderung der gemessenen Kapazität.
Der Düsenkörper 9 dehnt sich temperaturabhängig aus. Der Zweck der Düsennadelfeder 7 besteht darin, die Düsennadel 8 in ihrem Sitz zu halten. Die genannte Ausdehnung des Düsenkörpers 9 in Richtung seiner Längsachse, die sogenannte Düsenlängung, be- einflusst den maximalen Nadelhub. Auch der im nicht gezeichneten Rail herrschende Raildruck bewirkt eine Längung des Düsenkörpers und eine Stauchung der Düsennadel.
Bei einem Nadelöffnungsvorgang erfolgt zunächst ein Aufladen des Piezoaktors 1 durch ein Bestromen desselben. Nach einem
Überwinden des Leerhubes wird die Ausdehnung des Piezoaktors 1 über den Pin 2 auf die Glocke 4 übertragen, wobei der Pin 2 im Hebelgehäuse 3 geführt wird. Die Glocke 4 drückt beidseits symmetrisch auf den Hebel 5, der ein Hebelpaar bildet. Diese Hebel rollen auf der Zwischenscheibe 6 nach Art einer Wippe. Der jeweilige Angriffspunkt der beiden Hebel liegt in einer Ein¬ kerbung der Düsennadel 8.
Durch die vorstehend beschriebene Mechanik wird die axiale Druckkraft des Piezoaktors 1 auf die Düsennadel 8 übertragen. Die Düsennadel wird aus ihrem Sitz gehoben, sobald die Hebelkraft größer ist als die Summe aus der Federkraft und der hydraulischen Kraft und die Elastizität des Düsenkörpers 9 nicht mehr für ein Nacheilen des Nadelsitzes mit der Düsennadel sorgt.
Nach einem definierten Weg trifft der Nadelanschlag auf die Zwischenscheibe. Es baut sich eine Kontaktkraft auf, die auf den Piezoaktor 1 zurückwirkt.
Mit derartigen Piezoaktoren 1 ist es möglich, die Düsennadel 8 nur teilweise aus ihrem Sitz zu heben und im sogenannten Teilhub
zu halten. Der freigegebene Durchflussquerschnitt zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper ist dabei kleiner als die Summe der Querschnitte aller Düsenlöcher.
Die Figur 2 zeigt Diagramme zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen der am Piezoaktor anliegenden Spannung, der am
Piezoaktor anliegenden Kraft, dem resultierenden Nadelhub und der daraus resultierenden Einspritzrate. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, dass in dem Rail, aus welchem die Kraftstoffversorgung des Piezoin ektors erfolgt, ein Druck von 1000 bar herrscht, und das Piezoin ektor in einem Teilhubbetrieb arbeitet.
In der Figur 2a ist der Verlauf der am Piezoinj ektor anliegenden Spannung U während des Teilhubbetriebes in Abhängigkeit von der Zeit t gezeigt, und zwar für mehrere verschiedene, am
Piezoinj ektor anliegende Spannungen. Die nachfolgenden Betrachtungen beziehen sich auf die in der Figur 2a gezeigten Spannungen Ul und U2.
Aus der Figur 2a ist ersichtlich, dass das Laden des
Piezoinj ektors zu einem Zeitpunkt tO = 0 beginnt. Im Rahmen des Ladevorganges steigt die am Piezoaktor anliegende Spannung Ul bis auf einen Maximalwert Ml an. An diesem Zeitpunkt endet der Ladevorgang. Nach dem Erreichen des Maximums Ml sinkt der Spannungswert Ul wieder ab, erreicht einen konstanten Span¬ nungswert und verbleibt bis zum Zeitpunkt t2 auf diesem. Ab dem Zeitpunkt t2 erfolgt ein aktives Entladen des Piezoaktors. Folglich sinkt die am Piezoaktor anliegende Spannung wieder auf 0 V ab.
Liegt im Rahmen des Ladevorganges am Piezoaktor eine Spannung U2 an, dann erfolgt ab dem Zeitpunkt tO = 0 ein Spannungsanstieg am Piezoaktor bis zu einem Maximalwert M2, welcher kleiner ist als der Maximalwert Ml . Nach dem Erreichen des Maximums M2 verbleibt der Spannungswert der Spannung U2 auf ein und demselben
Spannungswert, der dem Maximalwert M2 entspricht.
Bei der vorliegenden Erfindung werden die m der Figur 2a gezeigten Verläufe der am Piezoaktor anliegenden Spannung verwendet, um Rückschlüsse auf die am Piezoaktor anliegende Kra zu ziehen.
Zu diesem Zweck erfolgt nach dem Ende des Ladevorganges, d. h. beim Erreichen des Maximalwertes Ml bzw. M2 eine Spannungs¬ messung. Aus den gemessenen darauf folgenden Spannungswerten wird ein Spannungsgradient ermittelt (siehe Gl und G2 in Figur 2a) . Aus diesem Spannungsgradienten werden Rückschlüsse auf die auf der Düsennadel wirkende Kraft gezogen. Dazu wird mittels des genannten Spannungsgradienten eine im voraus abgespeicherte Datenbank adressiert, in welcher für den gegebenen Kraftstoffdruck einer Vielzahl von Spannungsgradienten jeweils ein Kraftwert zugeordnet ist.
In der Figur 2b ist der Verlauf der auf den Piezoaktor wirkenden Kraft während des Teilhubbetriebes über der Zeit t aufgetragen, und zwar wiederum für die mehreren verschiedenen, am
Piezoin ektor anliegenden Spannungen. Der in der Figur 2b gezeigte Kraftverlauf Kl ist dem in der Figur 2a gezeigten Spannungsverlauf Ul zugeordnet. Der in der Figur 2b gezeigte Kraftverlauf K2 ist dem in der Figur 2a gezeigten Spannungs¬ verlauf U2 zugeordnet. Es ist ersichtlich, dass der Kraftverlauf Kl den Spannungsverlauf Ul wiederspiegelt und dass der
Kraftverlauf K2 den Spannungsverlauf U2 wiederspiegelt. So tritt sowohl bei Ul als auch bei Kl nach dem Erreichen des jeweiligen Maximums jeweils ein deutlicher Rückgang des Amplitudenwertes auf, so dass der aus aufeinanderfolgenden Spannungs- bzw. Kraftwerten abgeleitete Gradient vergleichsweise groß ist. Bei U2 und auch bei K2 hingegen weichen die aufeinanderfolgenden Werte der Spannung bzw. der Kraft allenfalls geringfügig voneinander ab, so dass der Gradient etwa den Wert 1 hat.
In einer im voraus abgespeicherten Datenbank sind nunmehr Datensätze abgespeichert, die für einen vorgegebenen Druckwert einer Vielzahl von Spannungsgradienten jeweils einen Kraftwert zuordnen. Mittels eines ermittelten Spannungsgradienten kann
folglich diese Datenbank adressiert werden, um einen jeweils zugehörigen Kraftwert zu ermitteln.
Die ermittelten Kraftwerte werden vorzugsweise ihrerseits dazu verwendet, eine weitere im voraus abgespeicherte Datenbank zu adressieren. In dieser weiteren Datenbank sind wiederum für einen vorgegeben Raildruckwert einer Vielzahl von Kraftwerten jeweils ein Wert für den Nadelhub zugeordnet. Dies wird anhand der Figur 2c veranschaulicht, in welcher der Hub der Düsennadel über der Zeit t aufgetragen ist. Der der Kraft Kl entsprechende Verlauf des Hubes ist mit Hl bezeichnet, der der Kraft K2 entsprechende Verlauf des Hubes ist mit H2 bezeichnet. Aus einem Vergleich der Figuren 2b und 2c ist erkennbar, dass ein größerer Kraftgradient, wie er in der Kurve Kl auftritt, zu einem größeren Hub führt, während ein kleiner Kraftgradient, wie er in der Kurve K2 auftritt, nur zu einem kleinen oder gar keinem Nadelhub führt, wie es in der Figur 2c durch die Kurve H2 veranschaulicht ist.
Auch bezüglich des Paares Kraft-Nadelhub ist eine Datenbank vorgesehen, in welcher für einen vorgegebenen Wert des
Raildruckes einer Vielzahl von Kraftwerten jeweils ein Hubwert zugeordnet ist. Diese Datenbank kann folglich mittels eines Kraftwertes adressiert werden, um einen zugehörigen Hubwert zu ermitteln .
Aus diesem Hubwert wiederum können Rückschlüsse auf einen zugehörigen Kraftstoffdurchfluss bzw. eine zugehörige Kraft- stoffdurchflussrate gezogen werden. So sind in der Figur 2d mehrere Kraftstoffdurchflussratenverläufe gezeigt, von denen einer mit dem Bezugszeichen Rl und ein anderer mit dem Bezugszeichen R2 bezeichnet ist. Der Verlauf Rl ist dem in der Figur 2c gezeigten Verlauf Hl zugeordnet, der Verlauf R2 dem in der Figur 2c gezeigten Verlauf H2. Es ist ersichtlich, dass ein großer Nadelhub auch zu einer großen Durchflussrate führt.
Diese Zuordnung zwischen Nadelhub und Durchflussrate ist wiederum in einer im voraus abgespeicherten Datenbank getroffen, in welcher für einen vorgegebenen Wert des Raildruckes eine Vielzahl von Hubwerten und ein jeweils zugehöriger Durch- flussratenwert hinterlegt sind. Mittels eines Raildruckwertes kann die genannte Datenbank adressiert werden, um einen jeweils zugehörigen Durchflussratenwert zu ermitteln.
Aus dem Durchflussratenwert können schließlich durch eine Integralbildung Rückschlüsse auf die jeweils eingespritzte Kraftstoffmenge gezogen werden. Anhand dieser Werte für die eingespritzte Kraftstoffmenge kann dann eine Regelung des Teilhubbetriebes vorgenommen werden, durch welche sicherge¬ stellt ist, dass stets die jeweils gewünschte Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Dies wiederum hat den Vorteil, dass die genannte Teilhubansteuerung mit ihren emissionstechnischen Vorteilen im kompletten Last/Drehzahlbereich verwendet werden kann .