WO2015090859A1 - Verfahren zum betreiben eines einspritzventils - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an injection valve whose nozzle needle is actuated by a piezoactuator.
  • nozzle needle position values can currently only be detected statically using piezoelectric effects (eg.
  • Disturbance influences that can only be suppressed to a limited extent.
  • complex plausibility procedures are used, which, however, u. Not all possible expressions can filter out or error cases and thus lead to verblei ⁇ be played, not permissible residual errors.
  • Interference on the feedback signal will include created by the actuation profile of the final stage, by the idle stroke in the power ⁇ transmission between the piezoelectric actuator and the nozzle needle, by means of friction effects in the area of the nozzle needle, and by the egg ⁇ gentliche stroke behavior of the piezo actuator.
  • the influences mentioned reduce the robustness of the derived controlled variables and thus also affect the quality of the control quality and ultimately the quality of the injection quantity.
  • the present invention has for its object to provide a method for operating an injection valve of the type reproduced above available, with which the nozzle needle lift can be determined particularly simple and accurate.
  • the physical quantities actuator current or actuator charge and / or actuator voltage are detected during the injection process, for example via an integrated measuring system on a control device. Furthermore, the dynamic Düsennadelhubverlauf an injection valve is reconstructed using a Mo ⁇ dell Quilt for a nozzle needle movement of an injection valve. The information obtained from the sensor model are used in the manner described above for correcting the real needle stroke and thus guarantee a precise actuation of the injection valve.
  • the dynamic nozzle lift is reconstructed via a simplified (reduced) model structure by introducing at least one discrete measurement of the individual injector into a basic model of nozzle needle movement. It is therefore assumed that a basic model that corresponds to a basic functionality of the needle movement of such injectors. This basic model is modified by introducing at least one discrete measured value of the individual injection valve. This results in an adaptation to the corresponding model of the injection valve. In this case, the opening and / or closing time of the nozzle needle is preferably used as the discrete measured value.
  • internal state variables for the actuator / needle stroke and / or the force acting on the actuator force can be determined in the inventive method on the model structure, the special ⁇ the actuator speed and / or the actuator travel. Out These state variables can then be determined from the needle stroke for the simplified model approach.
  • the minimization of the deviation between the desired and actual values may be performed, for example, via a suitable Optimierungsalgo ⁇ algorithm, such as a mini ⁇ optimization, the error surface between the measured variables or in weighted combination with derived values and the corresponding values in the model output.
  • the inventive method is preferably used for operating an injection valve having a piezoelectric actuator capable of directly driven ⁇ nozzle needle.
  • the method can also be used in principle for valves with indirect drive, for example in injectors with coil-actuators and servo Inj actuators.
  • FIG. 1 shows a diagram representing the piezo / needle stroke of an injection valve as a function of time
  • FIG. 2 is a flow chart of a method for operating an injection valve
  • FIG. 3 is a block diagram of that shown in FIG.
  • Figure 1 shows a diagram of the course of the piezo / needle stroke of an exemplary injector as a function of time.
  • the needle stroke reaches the operating points t 0 ppDo (idle stroke), t 0 ppo.i (needle module start
  • the embodiment described below relates to a method for operating an injection valve whose nozzle needle is driven by a piezoelectric actuator, wherein the dynamic Düsennadelhubverlauf is determined and regulated.
  • a first step 1 the actuator voltage of the piezoactuator is continuously detected during an injection process by measuring the actuator voltage with a measuring system integrated in a control device. The corresponding measured values are stored, for example.
  • step 2 the dynamic SI ⁇ sennadelhubverlauf an injection valve is reconstructed based on a Mo ⁇ dell structure for a nozzle needle of the injection valve movement. In doing so, the dynamic nozzle needle stroke progresses through a simplified (reduced) model structure
  • the actuator voltage is determined as the target size (step 2).
  • the corresponding values can also be stored in the control device.
  • the currently measured actuator voltage (ACTUAL value) is then compared with the stored actuator voltage derived from the model structure (SET-TO-ACT) (see step 3), and the deviation between the two variables becomes dynamic control in step 4 Minimized the nozzle needle stroke course.
  • ACTUAL value the stored actuator voltage derived from the model structure
  • SET-TO-ACT the stored actuator voltage derived from the model structure
  • FIG. 2 shows a block diagram of the method described above.
  • From the differential voltage corresponding internal state quantities, such as piezo and needle movement, mass forces, velocities, are determined, as shown at 9. These values are then input to an Opti ⁇ m istsstrategie subjected to (step 8), and the mini ⁇ optimization of the voltage deviation in the system.
  • the nozzle needle stroke can be precisely controlled in this way.

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils, dessen Düsennadel von einem Piezo-Aktor angesteuert wird, beschrieben, bei dem der dynamische Düsennadelhubverlauf bestimmt und geregelt wird. Einerseits werden die Größen Aktorstrom oder Aktorladung und/oder Aktorspannung während eines Einspritzvorgangs kontinuierlich erfasst und andererseits wird der dynamische Düsennadelhubverlauf anhand einer Modellstruktur für eine Düsennadelbewegung eines Einspritzventils rekonstruiert, woraus die SOLL-Größen Aktorstrom oder Aktorladung und/oder Aktorspannung abgeleitet werden. Die SOLL-Größen werden mit den IST-Größen verglichen, und die Abweichung zwischen beiden Größen wird minimiert.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils, dessen Düsennadel von einem Piezo-Aktor angesteuert wird.
In Bezug auf derartige Einspritzventile von Verbrennungsmotoren gelten sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Robustheit der Einspritzmenge unter allen Betriebsbedingungen und über die gesamte Lebensdauer eines zugehörigen Kraftfahrzeuges. Um diese Ziele zu erreichen, hat man Regelungsverfahren für die Ein- spritzventile entwickelt. Heutige Regelungskonzepte benutzen teilweise Feedback-Signale aus dem Piezo-Aktor zur Identifi¬ kation einzelner statischer Punkte der Düsennadelposition während des eigentlichen Einspritzvorgangs. Hierbei funktio¬ niert der Piezo-Aktor als Sensor. Diese Informationen unterliegen jedoch hohen Störgrößeneinflüssen, weil der Piezo-Aktor zeitgleich als Aktor und als Sensor verwendet wird. Des weiteren lassen diese sogenannten signalbasierten Ansätze keine Aussage über das dynamische Verhalten der Düsennadel zu, d. h. es ist nicht möglich, Bewegungsverläufe des Nadelhubs zu charakte¬ risieren. Somit ist die Generierung von absoluten Positions- werten nicht möglich. Gerade bei Einspritzventilen, die keine mechanischen Anschlagpunkte aufweisen (z. B. Begrenzung des Düsennadelhubs durch mechanische Blockierung) , ist es zur genauen Betätigung des Einspritzventiles aber wichtig, die Absolutposition der Düsennadel zu kennen. Dies ist maßgeblich für eine präzise Umsetzung von angeforderten Einspritzmengen.
Düsennadelpositionswerte können daher derzeit nur statisch unter Nutzung piezo-elektrischer Effekte erfasst werden (z. B.
Kraftkopplung zwischen Düsennadel und Piezo-Antrieb beim Na- delschließen) . Diese Verfahren unterliegen jedoch hohen
Störgrößeneinflüssen, die sich nur bedingt unterdrücken lassen. Hierbei kommen aufwändige Plausibilisierungsverfahren zum Einsatz, welche jedoch u. U. nicht alle möglichen Ausprägungs- bzw. Fehlerfälle herausfiltern können und somit zu verblei¬ benden, nicht zulässigen Restfehlern führen.
Störgrößen auf das Feedback-Signal werden u. a. durch das Ansteuerprofil der Endstufe, durch den Leerhub in der Kraft¬ übertragung zwischen Piezo-Aktor und Düsennadel, durch Reibungseffekte im Bereich der Düsennadel sowie durch das ei¬ gentliche Hubverhalten des Piezo-Aktors erzeugt. Die genannten Einflüsse reduzieren die Robustheit der abgeleiteten Regelgrößen und wirken sich somit auch auf die Qualität der Regelgüte und letztendlich auf die Qualität der Einspritzmenge aus.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils der eingangs wiedergegebenen Art zur Verfügung zu stellen, mit dem der Düsennadelhubverlauf besonders einfach und genau ermittelt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren der angegebenen Art dadurch gelöst, dass der dynamische Düsenna¬ delhubverlauf mit den folgenden Schritten bestimmt und geregelt wird :
Kontinuierliches Erfassen der IST-Größen Aktorstrom oder Aktorladung und/oder Aktorspannung während eines Einspritzvorgangs ;
Rekonstruieren des dynamischen Düsennadelhubverlaufes eines Einspritzventils anhand einer Modellstruktur für eine Düsen- nadelbewegung eines Einspritzventils und Ermitteln der
SOLL-Größen Aktorstrom oder Aktorladung und/oder Aktorspannung hieraus, wobei der dynamische Düsennadelhubverlauf über eine vereinfachte (reduzierte) Modellstruktur durch Einführung von mindestens einem diskreten Messwert des individuellen Ein- spritzventils in ein Grundmodell der Düsennadelbewegung re¬ konstruiert wird; und Vergleichen der SOLL-Größen mit den IST-Größen und Minimieren der Abweichung zwischen beiden Größen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden im Gegensatz zum Stand der Technik bestimmte Größen des Piezo-Aktors kontinuierlich erfasst und mit den sich aus einer Modellstruktur für eine Düsennadelbewegung eines Einspritzventils ergebenden Größen verglichen. Die Abweichung zwischen beiden Größen wird ermittelt und minimiert, um den Düsennadelhubverlauf zu regeln.
Speziell werden dabei die physikalischen Größen Aktorstrom oder Aktorladung und/oder Aktorspannung während des Einspritzvorgangs beispielsweise über ein integriertes Messsystem auf einer Steuereinrichtung erfasst. Des weiteren wird der dynamische Düsennadelhubverlauf eines Einspritzventils anhand einer Mo¬ dellstruktur für eine Düsennadelbewegung eines Einspritzventils rekonstruiert. Die aus dem Sensormodell gewonnenen Informationen werden dabei in der vorstehend beschriebenen Weise zur Korrektor des realen Nadelhubs verwendet und garantieren somit eine präzise Betätigung des Einspritzventils.
Der dynamische Düsennadelhubverlauf wird über eine vereinfachte (reduzierte) Modellstruktur durch Einführung von mindestens einem diskreten Messwert des individuellen Einspritzventils in ein Grundmodell der Düsennadelbewegung rekonstruiert. Es wird daher von einem Grundmodell ausgegangen, das einer Grundfunktionalität der Nadelbewegung von derartigen Einspritzventilen entspricht. Dieses Grundmodell wird durch Einführung von mindestens einem diskreten Messwert des individuellen Einspritzventils modifiziert. Hierdurch erfolgt eine Anpassung an das entsprechende Modell des Einspritzventils. Als diskreter Messwert wird hierbei vorzugsweise der Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkt der Düsennadel verwendet. Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren über die Modellstruktur interne Zustandsgrößen für den Aktor/Nadelhub und/oder die auf den Aktor einwirkende Kraft ermittelt, ins¬ besondere die Aktorgeschwindigkeit und/oder der Aktorweg. Aus diesen Zustandsgrößen kann dann der Nadelhub für den vereinfachten Modellansatz ermittelt werden.
Die Minimierung der Abweichung zwischen den SOLL- und IST-Größen kann beispielsweise über einen geeigneten Optimierungsalgo¬ rithmus durchgeführt werden, beispielsweise über eine Mini¬ mierung der Fehlerfläche zwischen den Messgrößen oder in gewichteter Kombination mit abgeleiteten Größen und den entsprechenden Größen am Modellausgang.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zum Betreiben eines Einspritzventils mit einer vom Piezo-Aktor direkt an¬ getriebenen Düsennadel geeignet. Das Verfahren lässt sich aber prinzipiell auch bei Ventilen mit indirektem Antrieb anwenden, beispielsweise bei Einspritzventilen mit spulenbetätigter Aktuatorik sowie Servo-Inj ektoren .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Diagramm, das den Piezo/Nadel-Hub eines Ein- spritzventils in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt; Figur 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Einspritzventils; und
Figur 3 ein Blockdiagramm des in Figur 2 dargestellten
Verfahrens .
Figur 1 zeigt in einem Diagramm den Verlauf des Piezo/Nadel-Hubes eines beispielhaften Einspritzventils in Abhängigkeit von der Zeit. Mit Beginn der Bestromung erreicht der Nadelhub die Betriebspunkte t0ppDo (Leerhub) , t0ppo.i (Nadelmodulbeginn
(Elastizität) ) und t0ppi (Öffnen der Nadel) . Bei t0pp2 ist der maximale Nadelhub erreicht. Bei t0pp3 beginnt der Schließvorgang der Nadel, die dann bei t0pp4 vollständig geschlossen ist. Bei topp4.i ist der Leerhub überwunden. Der Verlauf des Piezo-Hubes entspricht dem des Nadelhubes bis zum dargestellten Pfeil, der den Beginn des Entladens markiert. Ab diesem Punkt weicht der Verlauf des Piezo-Hubes von dem des Nadelhubes ab. Beide Verläufe treffen sich am Punkt topp4 wieder .
Die hier dargestellten Punkte t0ppi (Nadelöffnungspunkt) und t0pp4 (Nadel vollständig geschlossen) werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren detektiert und als diskrete Messwerte in ein
Grundmodell der Düsennadelbewegung eingeführt.
Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils, dessen Düsennadel von einem Piezo-Aktor angesteuert wird, wobei der dynamische Düsennadelhubverlauf bestimmt und geregelt wird. In einem ersten Schritt 1 wird die Aktorspannung des Piezo-Aktors während eines Einspritzvorgangs kontinuierlich erfasst, indem die Aktorspannung mit einem in eine Steuereinrichtung integrierten Messsystem gemessen wird. Die entsprechenden Messwerte werden beispielsweise gespeichert.
In einem anderen Schritt (Schritt 2) wird der dynamische Dü¬ sennadelhubverlauf eines Einspritzventils anhand einer Mo¬ dellstruktur für eine Düsennadelbewegung des Einspritzventils rekonstruiert. Dabei wird der dynamische Düsennadelhubverlauf über eine vereinfachte (reduzierte) Modellstruktur durch
Einführung des für das aktuelle Einspritzventil detektierten Öffnungs- und Schließzeitpunktes der Düsennadel in ein
Grundmodell der Düsennadelbewegung rekonstruiert. Hieraus wird als SOLL-Größe die Aktorspannung ermittelt (Schritt 2) . Die entsprechenden Werte können ebenfalls in der Steuereinrichtung gespeichert werden.
Die aktuell gemessene Aktorspannung (IST-Wert) wird dann mit der gespeicherten, von der Modellstruktur abgeleiteten Aktor- Spannung verglichen (SOLL-IST-Vergleich) (s. Schritt 3) , und die Abweichung zwischen beiden Größen wird in Schritt 4 zur dynamischen Regelung des Düsennadelhubverlaufes minimiert. Die Nutzung des o. a. Verfahrens trägt erheblich zur robusten Darstellung von Einspritzvorgängen und zur Erhöhung der Ein- spritzmengenqualität bei. Durch die präzise Bestimmung der Nadelbewegung gelingt es, erweiterte Regelstrukturen aufzubauen und die Qualität der Regelgüte signifikant zu steigern.
Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Mit Hilfe der bei 6 angedeuteten vereinfachten Modellstruktur und der am bei 5 angedeuteten Einspritzventil gemessenen Aktorspannung werden eine modellierte Piezo-Aktor- Spannung "y(t)und eine gemessene Piezo-Aktor-Spannung y(t) erhalten. Beide Spannungen werden bei 7 miteinander verglichen, und es wird die Spannungsdifferenz Ay = y - "y berechnet. Aus der Differenzspannung werden entsprechende interne Zustandgrößen, wie Piezo- und Nadel-Bewegung, Massenkräfte, Geschwindigkeiten, ermittelt, wie bei 9 gezeigt. Diese Werte werden einer Opti¬ mierungsstrategie unterzogen (Schritt 8) und dann zur Mini¬ mierung der Spannungsabweichung in das System eingegeben. Der Düsennadelhubverlauf lässt sich auf diese Weise präzise regeln.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils, dessen Düsennadel von einem Piezo-Aktor angesteuert wird, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der dynamische
Düsennadelhubverlauf mit den folgenden Schritten bestimmt und geregelt wird:
Kontinuierliches Erfassen der IST-Größen Aktorstrom oder Aktorladung und/oder Aktorspannung während eines Ein- spritzVorgangs ;
Rekonstruieren des dynamischen Düsennadelhubverlaufes eines Einspritzventils anhand einer Modellstruktur für eine Düsennadelbewegung eines Einspritzventils und Ermitteln der SOLL-Größen Aktorstrom oder Aktorladung und/oder Aktorspannung hieraus, wobei der dynamische Düsennadel- verlauf über eine vereinfachte (reduzierte) Modellstruktur durch Einführung von mindestens einem diskreten Messwert des individuellen Einspritzventils in ein Grundmodell der
Düsennadelbewegung rekonstruiert wird; und
Vergleichen der SOLL-Größen mit den IST-Größen und Minimieren der Abweichung zwischen beiden Größen.
2. 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 als diskreter Messwert der Öffnungs¬ und/oder Schließzeitpunkt der Düsennadel verwendet wird.
3. 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 über die Modellstruktur interne Zustandsgrößen für den
Aktor/Nadelhub und/oder die auf den Aktor einwirkende Kraft ermittelt werden. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als interne Zustandsgrößen die Aktorgeschwindigkeit und/oder der Aktorweg ermittelt werden .
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 die Minimierung der Abweichung zwischen den SOLL- und IST-Größen über einen Optimierungsalgorithmus durchgeführt 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 es zum Betreiben eines Einspritzventils mit einer vom Piezo-Aktor direkt angetriebenen Düsennadel eingesetzt wird.
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