WO2015078723A1 - Verfahren zum betreiben eines injektors eines einspritzsystems einer brennkraftmaschine - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an injector with piezo direct drive of an injection system of an internal combustion engine, in which the piezo actuator of the injector for charging the same is driven with a current profile for opening the nozzle needle of the injector.
  • piezo direct drive used here is intended to include a drive without servo valve, that is to say a purely mechanical drive, for example via a lever system, or a drive with hydraulic transmission.
  • the nozzle needle of the injector is greatly accelerated after opening, so that the mechanical stop of the nozzle needle (in a mechanical drive system) or the hydraulic equilibrium point (in a hyd ⁇ raulischen equilibrium system), the nozzle needle oscillates a few times and causes a characteristic ripple , This reduces the quantity accuracy in this area.
  • the present invention has for its object to provide a method of the type described above, with which the aforementioned characteristic waviness of Dü ⁇ sennadel prevented in a particularly accurate manner or at least reduced.
  • This object is achieved in a method of the type specified in that before or after the nozzle needle opening and before the mechanical needle stop or the hydraulic Equilibrium point of the needle, the current for charging the piezo actuator is first rapidly reduced so far that the sum force of the forces acting on the nozzle needle forces at a small needle lift (Partlift) to about zero, and then that charging with a small current constant or ramped is controlled until the desired energy is reached.
  • Partlift small needle lift
  • the forces acting on the nozzle needle are, in particular, the forces of the piezoactuator, a spring of the nozzle needle and hydraulic forces. At this point, therefore, there is no further acceleration, there is a constant speed.
  • the here addressed injection system of an internal combustion engine has a high-pressure accumulator (rail), from which the injector is supplied with fuel under high pressure.
  • the present invention is based on the idea of modifying the current profile for the charging of the piezoactuator in such a way that the aforementioned characteristic ripple is prevented.
  • the procedure ensures that the nozzle needle is opened very quickly at the beginning to achieve rapid de-throttling. This ensures that at a higher needle lift, for example, from 50 microns, the needle speed is lower and is reduced to a minimum before the attachment point or equilibrium point, which reduces or eliminates the corresponding needle surplus at the stop / equilibrium ⁇ point.
  • the adverse characteristic ripple or S-shape is largely eliminated.
  • the piezoactuator is first charged with a current of I_high and then rapidly reduced.
  • the current is set to a low value I_low after a delay time relative to the time needle opening until the needle has reached a specific needle lift (Partlift), in which the sum of the forces acting on the needle at this point corresponds to about zero .
  • Partlift needle lift
  • This particular needle lift (Partlift) is for example, about 50 microns, as mentioned.
  • the value for this lift is chosen so that on the one hand the needle seat is largely de-throttled, on the other side of the needle lift to the end position still has a sufficient distance for a needle lift control by electricity.
  • the current is set to a different value again.
  • the current after reaching the particular needle lift (Partliftes) is set so that the needle lift ramps up with a defined slope to the final position without this at the anchor point / equilibrium point here cause a ripple characteristic (the kinetic energy of the needle is doing to large Part reduced).
  • the control of the needle lift after seat throttling to the end position with a slow ramp causes a slow increase in the injection rate, which also benefits the combustion.
  • the current can also be controlled so that it remains constant until the
  • Both the setpoint value for the needle opening time and the current setting I_high are preferably realized as a function of the rail pressure.
  • the delay time is negative, the current is already reduced before the needle opening (from I_high to I_low).
  • the current is kept constant around the needle opening time. In this way, the Nadelötechnischs ⁇ time can be accurately determined.
  • the needle opening time is (additionally) detected from the piezo voltage signal.
  • the piezoactuator relieves pressure and causes a small voltage dip, which is superimposed on the rising voltage caused by the current. In this way, the needle opening time can be determined.
  • the detected needle opening timing is preferably used to control I_high to realize the same needle opening timing setpoint depending on the rail pressure and thereby increase the quantity accuracy.
  • the current I_high is increased accordingly to bring the opening timing back to the target value. If the opening time goes early, then I_high is reduced.
  • the current I_low and I_ramp can also be adjusted depending on the corrected current I_high.
  • the current I_low remains 0 until the estimated needle lift reaches the setpoint value L_soll_l of, for example, 50 at the time t_entdr (see FIG.
  • Micromenter has reached. Thereafter, the current is set to I_ramp until the Soll_Ladeenergie for the realization of end-Nadellift is achieved.
  • This charging strategy is simple and robust. At the same time, the accuracy of the needle opening determination via voltage is increased, since the charging current-dependent voltage change around the needle opening point is omitted.
  • Yet another preferred embodiment of the method according ⁇ proper is as follows. In the case that after performing the method, there is still a mechanical needle stop or a needle vibration around the hydraulic equilibrium point, the magnitude of the impact or vibration is detected via the piezo voltage and the current I_ramp and the final energy are thus further reduced , until the Needle excess at the stop or at the equilibrium point is barely detectable.
  • FIG. 1 is a diagram in which the course of the charging current I, the
  • Figure 2 is a corresponding representation as Figure 1 in a second embodiment of the method.
  • the corresponding embodiments relate to methods for operating an injector with piezo direct drive of a high-pressure accumulator (rail) having injection system of an internal combustion engine, wherein the piezo actuator of the injector for charging the same is driven with a current profile for opening the nozzle needle of the injector.
  • the current profile is used for driving the piezo actuator is in this case so modi fied ⁇ that a nozzle needle surplus at the stop point / DC ⁇ equilibrium point, which leads to a Kennlinienwellmaschine, re- cuted.
  • stop point / point of equilibrium is the attachment point of the nozzle needle in a mechanical on ⁇ operating system or the balance point of the needle in a hydraulic drive system meant.
  • the piezo actuator is first charged with a high current I_high.
  • the current is adjusted to a low value I_low until the needle has reached about a 50 micron partlift at t_entdr and the sum force on the needle at this point is about zero (no more Acceleration, constant speed).
  • I_ramp is chosen so that the needle lift is in the shape of a ram with a defined incline up to the final position rises without causing characteristic waviness at the anchor point / balance point.
  • the delay time D_t is positive relative to the needle opening time.
  • the reduction of the current from I_high to I_low therefore takes place after the needle opening t_ö.
  • the delay time D_t is negative with respect to the needle opening time.
  • a reduction of the current from I_high to I_low takes place even before the needle opening t_ö.
  • the needle current is reduced from I_high to I_low to a value of zero.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Injektors mit Piezo-Direktantrieb eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine beschrieben. Der Piezo-Aktuator des Injektors wird zum Aufladen desselben mit einem Stromprofil zum Öffnen der Düsennadel des Injektors angesteuert, wobei der Strom zum Aufladen zuerst schnell so weit reduziert wird, dass die Summe der auf die Düsennadel einwirkenden Kräfte bei einem kleinen Nadellift etwa Null wird. Danach wird das Aufladen mit einem kleinen Strom konstant oder rampenförmig gesteuert, bis die Soll-Energie erreicht ist. Auf diese Weise gelingt es, einen Nadelüberschuss am Anschlagpunkt/Gleichgewichtspunkt zu reduzieren und auf diese Weise die Kennlinienwelligkeit zu verringern.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Injektors eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Injektors mit Piezo-Direktantrieb eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine, bei dem der Piezo-Aktuator des Injektors zum Aufladen desselben mit einem Stromprofil zum Öffnen der Düsennadel des Injektors angesteuert wird.
Der hier verwendete Begriff „Piezo-Direktantrieb" soll hierbei einen Antrieb ohne Servoventil umfassen, d. h. einen rein mechanischen Antrieb, beispielsweise über ein Hebelsystem, oder einen Antrieb mit hydraulischer Übersetzung.
Bei einem derartigen Antrieb wird die Düsennadel des Injektors nach dem Öffnen stark beschleunigt, so dass beim mechanischen Anschlag der Düsennadel (bei einem mechanischen Antriebssystem) oder beim hydraulischen Gleichgewichtspunkt (bei einem hyd¬ raulischen Gleichgewichtssystem) die Düsennadel ein paar Mal schwingt und eine Kennlinienwelligkeit verursacht. Hierdurch wird die Mengengenauigkeit in diesem Bereich reduziert. Um dieses Problem zu beheben hat man bei mechanischen Antriebssystemen versucht, den entsprechenden Anschlagpunkt zu detektieren und diesen Bereich für eine Einspritzzeitrealisierung zu vermeiden. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem die erwähnte Kennlinienwelligkeit der Dü¬ sennadel auf besonders genaue Weise verhindert oder zumindest reduziert werden kann. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der angegebenen Art dadurch gelöst, dass vor oder nach der Düsennadelöffnung und vor dem mechanischen Nadelanschlag oder dem hydraulischen Gleichgewichtspunkt der Nadel der Strom zum Aufladen des Piezo-Aktuators zuerst schnell soweit reduziert wird, dass die Summenkraft der auf die Düsennadel einwirkenden Kräfte bei einem kleinen Nadellift (Partlift) zu etwa Null wird, und dass danach das Aufladen mit einem kleinen Strom konstant oder rampenförmig gesteuert wird, bis die Soll-Energie erreicht ist.
Bei den auf die Düsennadel einwirkenden Kräften handelt es sich insbesondere um die Kräfte des Piezo-Aktuators, einer Feder der Düsennadel und hydraulische Kräfte. An diesem Punkt findet daher keine weitere Beschleunigung statt, es ist eine konstante Geschwindigkeit vorhanden.
Das hier angesprochene Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine besitzt einen Hochdruckspeicher (Rail) , aus dem der Injektor mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, das Stromprofil für die Aufladung des Piezo-Aktuators so zu mo- difizieren, dass die erwähnte Kennlinienwelligkeit verhindert wird. Mit dem Verfahren wird sichergestellt, dass die Düsennadel am Anfang sehr schnell geöffnet wird, um eine schnelle Ent- drosselung zu erreichen. Dabei wird sichergestellt, dass bei einem höheren Nadellift, beispielsweise ab 50 Mikrometer, die Nadelgeschwindigkeit geringer wird und vor dem Anschlagpunkt oder Gleichgewichtspunkt auf ein Minimum reduziert wird, was den entsprechenden Nadelüberschuss beim Anschlag/Gleichgewichts¬ punkt reduziert bzw. eliminiert. Somit wird die nachteilige Kennlinienwelligkeit bzw. S-shape weitgehend ausgeschaltet.
Insbesondere wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Piezo-Aktuator zuerst mit einem Strom von I_high aufgeladen und dann schnell reduziert. Speziell wird dabei der Strom nach einer Verzugszeit bezogen auf den Zeitpunkt Nadelöffnen so lange auf einen niedrigen Wert I_low eingestellt, bis die Nadel einen bestimmten Nadellift (Partlift) erreicht hat, bei dem die Summe der auf die Nadel an diesem Punkt einwirkenden Kräfte etwa Null entspricht. Dieser bestimmte Nadellift (Partlift) beträgt beispielsweise etwa 50 Mikrometer, wie erwähnt. Der Wert für diesen Lift wird so gewählt, dass auf der einen Seite der Nadelsitz zum großen Teil entdrosselt ist, auf der anderen Seite der Nadellift bis zur Endposition noch einen genügenden Abstand für eine Nadelliftsteuerung durch Strom hat.
Danach wird der Strom wieder auf einen anderen Wert eingestellt. Vorzugsweise wird der Strom nach dem Erreichen des bestimmten Nadelliftes (Partliftes) hierbei so eingestellt, dass der Nadellift rampenförmig mit einer definierten Steigung bis zur Endposition ansteigt, ohne am Anschlagpunkt/Gleichgewichtspunkt hierbei eine Kennlinienwelligkeit zu verursachen (die kinetische Energie der Nadel ist dabei zum großen Teil reduziert) . Die Steuerung des Nadellifts nach Sitzentdrosselung bis zur End- position mit einer langsamen Rampe verursacht darüber hinaus eine langsame Erhöhung der Einspritzrate, was auch der Verbrennung zugute kommt .
Anstelle einer rampenförmigen Steuerung kann der Strom dabei auch so gesteuert werden, dass er konstant bleibt, bis die
Soll-Energie erreicht ist.
Sowohl der Soll-Wert für den Nadelöffnungszeitpunkt als auch die Stromvorgabe I_high wird vorzugsweise abhängig vom Raildruck realisiert.
Erfindungsgemäß kann mit einer positiven oder negativen Verzugszeit bezogen auf den Zeitpunkt Nadelöffnen operiert werden. Bei einem negativen Wert der Verzugszeit wird der Strom bereits vor der Nadelöffnung reduziert (von I_high nach I_low) .
Vorzugsweise wird der Strom um den Nadelöffnungszeitpunkt herum konstant gehalten. Auf diese Weise kann der Nadelöffnungs¬ zeitpunkt genau bestimmt werden.
Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Nadelöffnungszeitpunkt (zusätzlich) aus dem Piezo-Spannungssignal detektiert. Beim Nadelöffnen wird der Piezo-Aktuator durch die Sitzentdrosselung entlastet und verursacht einen kleinen Spannungseinbruch, der der durch den Strom verursachten steigenden Spannung überlagert ist. Auf diese Weise kann der Nadelöffnungszeitpunkt ermittelt werden.
Der detektierte Nadelöffnungszeitpunkt wird vorzugsweise zur Regelung von I_high verwendet, um den gleichen Nadelöffnungszeitpunkt-Sollwert abhängig vom Raildruck zu realisieren und hierdurch die Mengengenauigkeit zu erhöhen. Mit anderen Worten, wenn der Öffnungszeitpunkt später als der Sollwert auftritt, wird der Strom I_high entsprechend erhöht, um den Öffnungszeitpunkt wieder auf den Sollwert zu bringen. Wenn der Öffnungszeitpunkt nach früh geht, wird dann I_high reduziert. Der Strom I_low und I_ramp kann auch abhängig vom korrigierten Strom I_high eingestellt werden. Vorzugsweise wird die Soll-Lade¬ energie für die Erreichung eines ersten Sollwertes des Na¬ delliftes L_Soll_l abhängig vom Raildruck berechnet. Daraus wird der Ladestrom I_high so eingestellt, dass vor der Nadelöffnung die Soll-Ladeenergie bereits realisiert ist und der Strom auf I_low = 0 reduziert worden ist. Der Strom I_low bleibt so lange 0, bis beim Zeitpunkt t_entdr (s. Figur 2) der abgeschätzte Nadellift den Sollwert L_soll_l von beispielsweise 50
Mikromenter erreicht hat. Danach wird der Strom auf I_ramp eingestellt, bis die Soll_Ladeenergie für die Realisierung von Ende-Nadellift erreicht wird.
Diese Ladestrategie ist einfach und robust. Gleichzeitig wird die Genauigkeit der Nadelöffnungsbestimmung über Spannung erhöht, da die ladestromabhängige Spannungsänderung um den Nadelöff- nungspunkt herum entfällt.
Noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens läuft folgendermaßen ab. In dem Fall, dass nach Durchführung des Verfahrens immer noch ein mechanischer Nadelanschlag oder eine Nadelschwingung um den hydraulischen Gleichgewichtspunkt vorhanden ist, wird die Stärke des Anschlags bzw. der Schwingung über die Piezo-Spannung detektiert und werden der Strom I_ramp und die Endenergie so weiter reduziert, bis der Nadel-Überschuss am Anschlag bzw. am Gleichgewichtspunkt kaum noch detektierbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen :
Figur 1 ein Diagramm, in dem der Verlauf des Ladestroms I, der
Piezo-Spannung U, des Nadellifts und der Einspritzrate über die Zeit bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt sind; und
Figur 2 eine entsprechende Darstellung wie Figur 1 bei einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens.
Die entsprechenden Ausführungsbeispiele betreffen Verfahren zum Betreiben eines Injektors mit Piezo-Direktantrieb eines einen Hochdruckspeicher (Rail) aufweisenden Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine, wobei der Piezo-Aktuator des Injektors zum Aufladen desselben mit einem Stromprofil zum Öffnen der Düsennadel des Injektors angesteuert wird. Das zum Ansteuern des Piezo-Aktuators verwendete Stromprofil wird hierbei so modi¬ fiziert, dass ein Düsennadelüberschuss am Anschlagpunkt/Gleich¬ gewichtspunkt , der zu einer Kennlinienwelligkeit führt, re- duziert wird. Mit Anschlagpunkt/Gleichgewichtspunkt ist hierbei der Anschlagpunkt der Düsennadel bei einem mechanischen An¬ triebssystem oder der Gleichgewichtspunkt der Nadel bei einem hydraulischen Antriebssystem gemeint. Konkret wird bei dem modifizierten Stromprofil der Piezo-Aktuator zuerst mit einem hohen Strom I_high aufgeladen. Nach einer Verzugszeit D_t bezogen auf den Zeitpunkt Nadelöffnen t_ö wird der Strom auf einen niedrigen Wert I_low so lange eingestellt, bis die Nadel etwa einen Partlift von 50 Mikrometern bei t_entdr erreicht hat und die Summenkraft auf die Nadel an diesem Punkt etwa Null entspricht (keine weitere Beschleunigung, konstante Geschwindigkeit) . Danach wird der Strom wieder auf einen anderen Wert I_ramp eingestellt. I_ramp ist so gewählt, dass der Nadellift ram- penförmig mit einer definierten Steigung bis zu Endposition ansteigt, ohne am Anschlagpunkt/Gleichgewichtspunkt eine Kennlinienwelligkeit zu verursachen.
Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens gemäß Figur 1 ist die Verzugszeit D_t bezogen auf den Nadelöffnungszeitpunkt positiv. Die Reduktion des Stromes von I_high nach I_low findet daher nach der Nadelöffnung t_ö statt.
Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist die Verzugszeit D_t bezogen auf den Nadelöffnungszeitpunkt negativ. Hierbei findet eine Reduktion des Stroms von I_high nach I_low bereits vor der Nadelöffnung t_ö statt. Darüber hinaus erfolgt eine Reduktion des Nadelstroms von I_high auf I_low auf einen Wert von Null.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Injektors mit Piezo-Direkt- antrieb eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine, wobei der Piezo-Aktuator des Injektors zum Aufladen desselben mit einem Stromprofil zum Öffnen der Düsennadel des Injektors angesteuert wird, d a d u r c h g e k e n¬ nzeichnet , das s vor oder nach der Düsennadelöffnung und vor dem mechanischen Nadelanschlag oder dem hydraulischen Gleichgewichtspunkt der Nadel der Strom zum Aufladen des Piezo-Aktuators zuerst schnell so weit re¬ duziert wird, dass die Summe der auf die Düsennadel einwirkenden Kräfte bei einem kleinen Nadellift (Partlift) zu etwa Null wird, und dass danach das Aufladen mit einem kleinen Strom konstant oder rampenförmig gesteuert wird, bis die Soll-Energie erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Piezo-Aktuator zuerst mit einem hohen Strom I_high aufgeladen und dann schnell reduziert wird .
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e ke nn z e i chne t, dass der Strom nach einer Verzugszeit bezogen auf den Zeitpunkt Nadelöffnen so lange auf einen niedrigen Wert I_low eingestellt wird, bis die Nadel einen bestimmten Nadellift (Partlift) erreicht hat, bei dem die Summe der auf die Nadel an diesem Punkt einwirkenden Kräfte etwa Null entspricht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Strom nach dem Erreichen des bestimmten Nadelliftes (Partliftes) so eingestellt wird, dass der Nadellift rampenförmig mit einer definierten Steigung bis zur Endposition ansteigt. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e ke nn z e i chne t, dass mit einer positiven oder negativen Bezugszeit bezogen auf den Zeitpunkt Nadelöffnen operiert wird .
Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i chn e t, dass bei einem negativen Wert der Verzugszeit der Strom bereits vor der Nadelöffnung reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Strom um den Nadelöffnungszeitpunkt herum konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Na¬ delöffnungszeitpunkt aus dem Piezo-Spannungssignal de- tektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e - k e n n- z e i c h n e t, dass der detektierte Nadelöffnungszeitpunkt zur Regelung von I_high verwendet wird, um den gleichen Nadelöffnungszeitpunkt-Sollwert abhängig vom Raildruck zu realisieren .
Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Strom I_low und I_ramp abhängig vom korrigierten I_high eingestellt wird.
Verfahren nach einen der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in dem Fall, dass nach Durchführung des Verfahrens immer noch ein mechanischer Nadelanschlag oder eine Nadelschwingung um den hydraulischen Gleichgewichtspunkt vorhanden ist, die Stärke des Anschlags bzw. der Schwingung über die
Piezo-Spannung detektiert und der Strom I_ramp und die Endenergie so weit reduziert werden, bis der Nadelüber- schuss am Anschlag bzw. am Gleichgewichtspunkt kaum noch detektierbar ist.
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