WO2016012234A1 - Verfahren zum betreiben eines einspritzventils mit direkt schaltendem piezoaktor - Google Patents
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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, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a computer program, a machine-readable data carrier for storing the computer program and an electronic control unit, by means of which the method according to the invention can be carried out.
- Injectors or "injectors” concerned here are used, for example, for injecting diesel or gasoline into a suction pipe or directly into a combustion chamber of a cylinder
- a fuel injection system with such injectors is disclosed in DE 10 2006 059 070 A1, which comprises a control unit for controlling the injection valves.
- the respective injection valve has a piezoelectric actuator and a nozzle element with at least one nozzle opening and at least one movable nozzle needle for selectively closing and opening the
- the injected fuel quantity in the respective combustion chamber of the internal combustion engine is interposed between such a piezoelectric actuator and the respective nozzle needle.
- a hydraulic coupling element is interposed, by means of which the piezoelectric actuator moves the nozzle needle.
- a so-called stroke stop is provided, against which the nozzle needle rests in its fully open and / or fully closed position.
- CRI-PDN Common Rail Injector - Piezo Direct Needle
- Robert Bosch GmbH thus the nozzle needle is set in motion by the piezoelectric actuator, ie the movement of the nozzle needle follows in a first approximation to the Aktorhub.
- the Aktorhub is again proportional to the drive voltage of the actuator at a constant actuator force in the first approximation.
- Injectors or injectors in which the nozzle needle is driven by a direct switching piezoelectric actuator, has the course of Aktorhubs
- the actuator also serves as a sensor.
- the time of said stroke stop can be determined in a conventional manner from the course of the electrical drive voltage of the actuator.
- Stroke stop can therefore be determined based on a corresponding minimum of the electrical actuator voltage, this minimum voltage occurs with a suitable choice of charging current and charging time shortly after the end of charging. At the same time, a characteristic voltage decrease occurs in relation to a voltage maximum which occurs at the time of the end of charging.
- Nozzle body with relatively shorter length expansion of the nozzle needle causes an increase in the maximum possible needle stroke.
- This stroke change is also dependent on the respective operating point of the internal combustion engine, e.g. the mentioned pressure and temperature values, and can be corrected only insufficiently by means of a corresponding model calculation.
- Stroke stop a nozzle needle of an injection valve or injector concerned here also changed the way that the nozzle needle must travel to reach the stroke stop. As a result, the amount of electric charge required for reaching the stroke stop or electric charge of the actuator changes.
- the amount of electrical charge of the actuator when opening the nozzle i. the applied when loading the actuator respectively
- Amount of charge to change only by adjusting the charging time is metered so that the injection duration and thus the injected fuel quantity at a full stroke of the nozzle needle are independent of the changing stroke stop.
- the height of the charging current itself remains unchanged to the
- Opening time of the nozzle and the speed of the nozzle needle when opening to leave as uninfluenced At the same time it will
- the closing operation of the nozzle according to the invention is carried out in such a way that the time of the discharge end of the corresponding controller intervention when opening the nozzle is unaffected.
- the discharge duration is changed in the same ratio as the charging time. In particular, this leaves the height of the
- Actuator with changing maximum distance of the nozzle needle adapted so that each of the charging start and the discharge remain unaffected, whereby the injection start and the end of injection remain unaffected and thus also the injection duration and the injection quantity.
- the method according to the invention can be implemented in such a way that actuation edges for discharging the actuator are shifted in time relative to one another with respect to corresponding actuation edges for the loading of the actuator.
- Such an activation of an actuator can be technically relatively simple and therefore cost-effective implement.
- a said adaptation to a variable stroke stop is only carried out as a function of a characteristic feature of the voltage curve of the actuator.
- Characteristic feature can be based on a substantially occurring with the end of the load lowering the voltage curve of the actuator used. Preferably, it can be decided by evaluating a reduction in the voltage curve mentioned whether an adjustment of the activation of the actuator due to a changed stroke stop is at all necessary or not. This effectively avoids unnecessary adjustments.
- the mentioned lowering of the voltage curve of the actuator is preferably a local voltage minimum.
- the method according to the invention can be implemented in a technically relatively simple and hence cost-effective manner in such a way that the adjustment of the actuation of the actuator due to a changed stroke stop is possible
- Charging time of the actuator is changed in such a way that the timing of the control of the charging end of the actuator is either moved to early or late, wherein the discharge duration in substantially the same ratio as the charging time is thereby shortened or extended, that the
- Discharge beginning of the change in the discharge time either according to later or according to earlier driven.
- the inventive method can be implemented with relatively minor modifications in the control of an injection valve affected here, in particular undesirable effects on the injection quantity and the injection rate can be minimized or avoided.
- the invention can be used to control the needle stroke in one
- Fuel injection system with the aforementioned piezo direct switches for use come.
- the method proposed according to the invention can also be used in other injection systems in which said injections of fluids are carried out by means of directly connected injection valves, for example in the field of selective catalytic reduction (SCR) for the reduction of nitrogen oxides in the exhaust gas of internal combustion engines or power plants, or at Injection of chemical substances in chemical engineering, be applied accordingly.
- SCR selective catalytic reduction
- the invention makes it possible to monitor injectors, for example to fulfill the requirements of emission legislation.
- the computer program according to the invention is set up to carry out each step of the method, in particular if it runs on a computing device or a control device. It allows the implementation of the
- the machine-readable data carrier is provided on which the computer program according to the invention is stored.
- Fig. 1 shows a schematic view of one of the prior art
- FIGS. 2a-d show exemplary time profiles of injector operating variables to explain the method according to the invention.
- Fig. 3 shows an embodiment of the method according to the invention
- a fuel injection valve 10 is shown for a fuel injection system of an internal combustion engine, which is provided with a piezoelectric actuator 12.
- the fuel injection valve 10 is also referred to as an injector and is used to inject fuel 11, for example, gasoline or diesel, into a suction pipe and / or directly into a combustion chamber of the internal combustion engine.
- the piezoelectric actuator 12 is, as indicated in Fig. 1 by the arrow 25, driven by a control unit 20.
- the fuel injection valve 10 a nozzle member with a nozzle needle 13 which on a valve seat 14 and 21 in the interior of the
- Housing of the fuel injection valve 10 can sit.
- the valve seat 14 surrounds a nozzle opening 15. It goes without saying that the injection valve 10 can also have more than one nozzle opening 15 shown. In addition, the nozzle openings may also be formed on the side walls of the housing of the valve 10.
- Fuel injection valve 10 is thus closed.
- the valve seat 14 forms a stroke stop for the nozzle needle 13.
- a stroke stop for the nozzle needle 13 in the open state is indicated in FIG. 1 by the reference numeral 21.
- the transition from the closed to the open state is effected by means of the piezoelectric actuator 12.
- the piezoelectric actuator 12 For this purpose, a below also as
- Control voltage U indicated electrical voltage applied to the actuator 12, which arranged a change in length of a arranged in the actuator 12
- Piezostapels causes, which in turn is exploited to open or close the fuel injection valve 10.
- the piezoelectric actuator 12 is electrically charged at the nozzle opening 15 closed by the nozzle needle 13, i. the actuator 12 is stretched when the injector 10 is closed.
- the piezoelectric actuator 12 By discharging the piezo stack in the actuator 12 reduces its longitudinal extent and the nozzle needle 13 lifts off from the valve seat 14.
- the fuel injection valve 10 further includes a hydraulic coupling element. This includes within the fuel injection valve 10, 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 nozzle needle 13. Between the two pistons 17, 18, a volume 19 is included, which accomplishes the transmission of the force exerted by the actuator 12 on the valve needle 13.
- the piezoactuator 12 is arranged directly above the nozzle needle 13 and can be completely surrounded by pressurized fuel 11.
- Coating can protect the actuator 12 from the fuel 11 and ensure electrical insulation.
- the coupling element is surrounded by the fuel 11, and the volume 19 is also filled with fuel.
- 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 directly to the nozzle needle 13 and converted into a corresponding movement.
- the fuel injection valve 10 shown in Fig. 1 is part of a said fuel injection system (common rail system), which may include a plurality of injection valves 10, can be injected via the fuel in the intake manifold or in the combustion chambers of an internal combustion engine. Either a control unit 20 for all injection valves 10 or a separate control unit 20 for each of the fuel injection valves 10 may be provided.
- the fuel injection system may also comprise further components, for example a fuel reservoir, in particular a high pressure common rail for all injection valves 10, which via a high pressure fuel line to a connecting piece 22 of the fuel injection valve 10 is connected.
- Discharge phase usually follows directly to the loading phase.
- a full stroke of the nozzle needle of an injector is activated, however, there is a pause between the charging phase and the discharging phase.
- the nozzle needle 13 remains at the stroke stop 21 and the circuit for
- Control of the actuator is open.
- a characteristic break in the electrical voltage of this circuit can be measured.
- the course of the actuator voltage is determined by the force applied to the actuator and the path of the actuator as a result
- the Aktorhub is coupled via a rigid switching chain described above with the stroke of the nozzle needle (needle lift).
- the actuator can therefore be used in such injectors, so to speak, as a sensor to determine from the course of the actuator voltage, the striking of the nozzle needle 13 on the stroke stop 21.
- FIGS. 2 a to 2 d show an example of a course of the drive current i (t) (FIG. 2 a) and the drive voltage u (t) (FIG. 2 b) in the form of a description of an injector affected here Piezo direct switch trained piezoelectric actuator as well as from the
- Nozzle opening 15 is opened in the discharged state of the actuator 12, whereas the injector type described below is based on an operating principle in which the nozzle 15 is closed when the actuator 12 is unloaded, since the subsequently described, between actuator 12 and nozzle needle 13 arranged (in Fig. 1 not shown) coupling element reverses the effective direction of the actuator 12.
- the method according to the invention is of the named
- Needle lift curves x (t) are shown in Figures 2b and 2c by respective lines 200 ', 200 “, 205', 205" and 210 ', 210 ".These three different positions of the stroke stop correspond to the three shown in Figure 2c plateau-like lines 200 ", 205", 210 ".
- the actuator is charged by a positive electric current 215. Thereafter, the nozzle remains without further
- the control method proposed in accordance with the invention and illustrated in FIG. 3 is preferably applied to the drive current i (t) of a respective piezoactuator (FIG. 2 a).
- the piezoelectric actuator is initially charged with a substantially rectangular positive current pulse 215 shown in FIG. 2 a or driven 300.
- the mentioned stroke stop can be reliably reached by the nozzle needle with the minimum required amount of electric charge, whereby reaching the stroke stop in the
- the resulting and detected voltage curve u (t) of the piezoactuator (FIG. 2 b) can be recognized on the basis of characteristic features.
- Such a feature is preferably a local minimum 225 of the electrical
- Voltage minimum a substantially constant voltage value 230, which may optionally be superimposed by a high-frequency oscillation, not shown in FIG. 2b. Also typical is a subsequent decrease in the voltage u (t) from the maximum value 235 occurring at the time of the end of charging.
- the evaluation or evaluation of this voltage drop 240 according to the invention is preferably carried out by comparing 310 with the voltage value present at the time of said voltage minimum 225. The result of this comparison is that due to a changed stroke stop a drive correction is required or not. If not, the program jumps back to the beginning of the routine shown in FIG. 3. Otherwise, a correction described below is performed according to steps 315, 320 and, after the completion of the correction, returns to the beginning of the routine in order to execute steps 300 to 320 again.
- alternative can also be a comparison with the voltage value in the mentioned
- the charging time of the actuator is lengthened by means of a suitable regulation, that, according to the result of said comparison 310 according to FIG. 2 a, the time of activation of the charging end 200 of the actuator is shifted either early 205 or late 210 315, at the same time the
- Discharge duration in the same ratio as the charging time is shortened or extended, that according to FIG. 2a, the discharge start 201 of the change of
- Discharge duration according to the arrows 213, 212 is driven either according to later 21 1 or corresponding to early 206 320. At reduced
- the charging time and the discharge time are preferably reduced by means of a rule mentioned in the same ratio.
- Entladebeginn is thereby driven by the said change in the discharge time later accordingly or postponed.
- the charging time and the discharge duration are e.g. extended by 5%.
- the discharge duration lengthens, e.g. at 10 s, then the
- the times of charging start and discharge end are not affected by the said correction interventions.
- the opening and closing movement of the nozzle needle also remain the current flow and the
- Design of an injector affected here is designed so that even a set in operation minimal needle stroke is sufficient to the
- the method described can be implemented in the form of a control program for an electronic control unit for controlling an internal combustion engine or in the form of one or more corresponding electronic control units (ECUs).
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das Einspritzventil mittels eines Aktors betätigt wird, wobei das Einspritzventil ein eine Düsenöffnung aufweisendes Düsenelement mit einer bewegbaren Düsennadel zum selektiven Schließen und Öffnen der Düsenöffnung aufweist, wobei die Düsennadel von dem Aktors über ein zwischengeschaltetes Koppelelement bewegt wird, wobei ein veränderlicher Hubanschlag vorgesehen ist, an dem die Düsennadel in ihrer vollständig geöffneten und/oder in ihrer vollständig geschlossenen Stellung anliegt, und wobei insbesondere vorgesehen ist, dass eine Anpassung an den veränderlichen Hubanschlag dadurch erfolgt, dass die Höhe der beim Laden und Entladen des Aktors jeweils angewendeten elektrischen Ladungsmenge nur durch Anpassen der Ladedauer verändert wird (315, 320).
Description
Beschreibung Titel
Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils mit direkt schaltendem Piezoaktor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils, insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, einen maschinenlesbaren Datenträger zur Speicherung des Computerprogramms und ein elektronisches Steuergerät, mittels derer das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Stand der Technik
Hier betroffene Einspritzventile bzw.„Injektoren" dienen z.B. zum Einspritzen von Diesel oder Benzin in ein Saugrohr oder direkt in einen Brennraum einer
Brennkraftmaschine. Zur Erfüllung hoher dynamischer Anforderungen werden diese meist mittels Piezoaktoren betätigt.
Ein Kraftstoffeinspritzsystem mit solchen Einspritzventilen geht aus DE 10 2006 059 070 A1 hervor, welches ein Steuergerät zum Ansteuern der Einspritzventile umfasst. Das jeweilige Einspritzventil weist einen piezoelektrischen Aktor sowie ein Düsenelement mit mindestens einer Düsenöffnung und mindestens einer bewegbaren Düsennadel zum selektiven Schließen und Öffnen der
Düsenöffnung auf. Der sich ergebende Düsennadelhub bestimmt im
Wesentlichen die eingespritzte Kraftstoffmenge in den jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine. Zwischen einem solchen Piezoaktor und der jeweiligen Düsennadel ist ein hydraulisches Koppelelement zwischengeschaltet, mittels dessen der Piezoaktor die Düsennadel bewegt. Dabei ist ein sogenannter Hubanschlag vorgesehen, an dem die Düsennadel in ihrer vollständig geöffneten und/oder in ihrer vollständig geschlossenen Stellung anliegt.
Bei bekannten Einspritzventilen vom Typ CRI-PDN (Common Rail Injector - Piezo Direct Needle) der Robert Bosch GmbH wird somit die Düsennadel von dem Piezoaktor in Bewegung gesetzt, d.h. die Bewegung der Düsennadel folgt in erster Näherung dem Aktorhub. Der Aktorhub ist bei konstanter Aktorkraft wiederum in erster Näherung proportional zur Ansteuerspannung des Aktors.
Bei solchen nach dem Prinzip eines Piezo-Direktschalters arbeitenden
Einspritzventilen bzw. Injektoren, bei denen die Düsennadel von einem direkt schaltenden Piezoaktor getrieben wird, hat der Verlauf des Aktorhubs
unmittelbaren Einfluss auf den Hubverlauf der Düsennadel, insbesondere auf den Bewegungsgradienten und die Amplitude des Düsennadelhubs.
Herstellungs- oder alterungsbedingte Toleranzen des Einspritzventils bzw. seiner genannten Komponenten und/oder Toleranzen der Ansteuerung eines solchen Einspritzventils werden bekanntermaßen durch Auswertung charakteristischer
Merkmale der Ansteuersignale und durch Einregeln von Sollwerten kompensiert. Dabei dient der Aktor gleichzeitig als Sensor.
Bei Vollhub der Düsennadel kann der Zeitpunkt des genannten Hubanschlags in an sich bekannter Weise aus dem Verlauf der elektrischen Ansteuerspannung des Aktors bestimmt werden. Die dabei zugrunde liegende Rückwirkung des Aktors auf die Ansteuersignale resultiert aus der Kraftänderung am Aktor, welche durch das Stoppen der Öffnungsbewegung der Düsennadel bei Erreichen des Hubanschlags verursacht wird. Das Anschlagen der Düsennadel am
Hubanschlag kann daher anhand eines entsprechenden Minimums der elektrischen Aktorspannung bestimmt werden, wobei dieses Spannungsminimum bei geeigneter Wahl von Ladestrom und Ladedauer kurz nach dem Ladeende auftritt. Gleichzeitig stellt sich gegenüber einem Spannungsmaximum, welches zum Zeitpunkt des Ladeendes auftritt, ein charakteristischer Spannungsrückgang ein.
Mit den genannten Merkmalen im Spannungsverlauf ist es möglich, die
Ladungsmenge so zu dosieren, dass der Nadelhubanschlag mit minimalem Energieaufwand gerade sicher erreicht wird. Bei nach dem Prinzip eines Piezo- Direktschalters arbeitenden Einspritzventilen ändert sich jedoch der maximal
mögliche Hub der Düsennadel im Laufe ihrer gesamten Betriebslaufzeit aufgrund mehrerer Einflussgrößen, z.B. aufgrund von Fertigungstoleranzen oder den im Einsatz vorliegenden Druck- und Temperaturwerten. Eine besondere Rolle spielt dabei die Erhitzung des Düsenkörpers in einem Brennraum der
Brennkraftmaschine, bei gleichzeitiger Kühlung der Düsennadel durch den sie umfließenden Kraftstoff. Die thermisch bedingte Längenänderung des
Düsenkörpers bei relativ geringerer Längenausdehnung der Düsennadel bewirkt eine Erhöhung des maximal möglichen Nadelhubs. Diese Hubänderung ist zudem abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, z.B. die genannten Druck- und Temperaturwerte, und kann anhand einer entsprechenden Modellrechnung nur unzureichend korrigiert werden.
Mit bekannten Verfahren zur Regelung des Zeitpunktes des Hubanschlags kann auch bei sich änderndem Hubanschlag durch Anpassung von Ladestrom und/oder Ladedauer erreicht werden, dass die Düsennadel den Anschlag mit minimalem Energieaufwand gerade sicher erreicht. Dabei ist jedoch nicht sicher gestellt, dass die Einspritzdauer und damit die eingespritzte Kraftstoffmenge einer jeweiligen Sollvorgabe entsprechen.
Aus DE 10 2007 059 1 17 A1 geht ferner ein Verfahren zum Betreiben eines hier betroffenen Einspritzventils hervor, bei dem das Erreichen eines genannten Nadelhubanschlags durch Auswertung einer Änderung der Aktorspannung erkannt wird, die sich infolge einer Körperschallanregung in dem Einspritzventil ergibt, wenn die Ventilnadel auf einen genannten Nadelhubanschlag trifft. Diese Körperschallanregung wird auf den piezoelektrischen Aktor übertragen, dessen Aktorspannung sich in Abhängigkeit von der Stärke der Körperschallanregung ändert. Die Erkennung des Nadelhubanschlags wird dazu verwendet, durch Regelung einer Betriebsgröße des Einspritzventils den Betrieb des
Einspritzventils an sich ändernde Betriebsbedingungen bzw. genannte
Verschleißbedingungen, welche die eingespritzte Kraftstoffmenge und damit das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine negativ beeinflussen, anzupassen.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass bei sich änderndem
Hubanschlag einer Düsennadel eines hier betroffenen Einspritzventils bzw. Injektors auch der Weg verändert, den die Düsennadel bis zum Erreichen des Hubanschlags zurücklegen muss. Als Folge ändert sich die für das Erreichen des Hubanschlags erforderliche elektrische Ladungsmenge bzw. elektrische Ladung des Aktors.
Um die genannte Änderung des Hubanschlags auszugleichen, wird
erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Höhe der elektrischen Ladung des Aktors beim Öffnen der Düse, d.h. die beim Laden des Aktors jeweils angewendete
Ladungsmenge, nur durch Anpassen der Ladedauer zu verändern. Dabei wird die Ladungsmenge beim Laden und Entladen des Aktors so dosiert, dass die Einspritzdauer und damit auch die eingespritzte Kraftstoffmenge bei einem Vollhub der Düsennadel unabhängig vom sich ändernden Hubanschlag sind. Insbesondere bleibt die Höhe des Ladestroms selbst unverändert, um den
Öffnungszeitpunkt der Düse und die Geschwindigkeit der Düsennadel beim Öffnen möglichst unbeeinflusst zu lassen. Gleichzeitig wird dadurch
sichergestellt, dass der Hubanschlag bei Vollhub der Düsennadel stets mit minimalem Energie- bzw. Kraftaufwand sicher erreicht wird.
Der Schließvorgang der Düse erfolgt erfindungsgemäß in der Weise, dass der Zeitpunkt des Entladeendes vom entsprechenden Reglereingriff beim Öffnen der Düse unbeeinflusst bleibt. Dazu wird die Entladedauer im gleichen Verhältnis verändert wie die Ladedauer. Insbesondere bleibt dadurch die Höhe des
Entladestroms unverändert. Der Schließzeitpunkt der Düse wird abhängig vom
Zeitpunkt des Entladeendes eingestellt. Um auch das Entladeende unbeeinflusst zu lassen, wird der Entladebeginn um die Zeitdauer der Änderung der
Entladedauer ebenfalls nach früh oder ggf. nach spät verschoben. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demnach der maximale Hub des
Aktors bei sich ändernder maximaler Wegstrecke der Düsennadel so angepasst, dass jeweils der Ladebeginn und das Entladeende unbeeinflusst bleiben, wodurch auch der Einspritzbeginn und das Einspritzende unbeeinflusst bleiben und damit auch die Einspritzdauer und die Einspritzmenge.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in der Weise implementiert werden, dass Ansteuerflanken für das Entladen des Aktors gegenüber entsprechenden Ansteuerflanken für das Laden des Aktors zeitlich invers gegeneinander verschoben werden. Eine solche Ansteuerung eines Aktors lässt sich technisch relativ einfach und daher auch kostengünstig realisieren.
Ferner kann vorgesehen sein, dass eine genannte Anpassung an einen veränderlichen Hubanschlag nur in Abhängigkeit von einem charakteristischen Merkmal des Spannungsverlaufs des Aktors durchgeführt wird. Als
charakteristisches Merkmal kann eine im Wesentlichen mit dem Ladeende auftretende Absenkung des Spannungsverlaufs des Aktors zugrunde gelegt werden. Bevorzugt kann durch Auswerten einer genannten Absenkung des Spannungsverlaufs entschieden werden, ob eine Anpassung der Ansteuerung des Aktors aufgrund eines geänderten Hubanschlags überhaupt erforderlich ist oder nicht. Dadurch lassen sich unnötige Anpassungen wirksam vermeiden. Bei der genannten Absenkung des Spannungsverlaufs des Aktors handelt es sich bevorzugt um ein lokales Spannungsminimum.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann schließlich in der Weise technisch relativ einfach und damit kostengünstig implementiert werden, dass zur Anpassung der Ansteuerung des Aktors aufgrund eines geänderten Hubanschlags die
Ladedauer des Aktors in der Weise verändert wird, dass der Zeitpunkt der Ansteuerung des Ladeendes des Aktors entweder nach früh oder nach spät verschoben wird, wobei die Entladedauer im im Wesentlichen gleichen Verhältnis wie die Ladedauer dadurch verkürzt oder verlängert wird, dass der
Entladebeginn der Änderung der Entladedauer entweder entsprechend später oder entsprechend früher angesteuert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit relativ geringfügigen Modifikationen bei der Ansteuerung eines hier betroffenen Einspritzventils implementiert werden, wobei insbesondere unerwünschte Rückwirkungen auf die Einspritzmenge und die Einspritzrate minimiert bzw. vermieden werden können.
Die Erfindung kann insbesondere zur Regelung des Nadelhubs in einem
Kraftstoffeinspritzsystem mit genannten Piezo-Direktschaltern zur Anwendung
kommen. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren auch bei anderen Einspritzsystemen, bei denen genannte Einspritzungen von fluiden Stoffen mittels direkt geschalteter Einspritzventile durchgeführt werden, z.B. im Bereich der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas von Brennkraftmaschinen oder von Kraftwerken, oder bei der Einspritzung von chemischen Stoffen in der chemischen Verfahrenstechnik, entsprechend angewendet werden. Die Erfindung ermöglicht zudem eine Überwachung von Injektoren, z.B. zur Erfüllung von Vorgaben der Emissions- Gesetzgebung.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung des
erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät, ohne an diesem bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist der maschinenlesbare Datenträger vorgesehen, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf ein elektronisches Steuergerät wird das
erfindungsgemäße elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um ein hier betroffenes Einspritzventil mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens anzusteuern.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines aus dem Stand der Technik
bekannten Kraftstoffeinspritzsystems, umfassend ein
Kraftstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor und ein Steuergerät.
Fig. 2a-d zeigen exemplarische zeitliche Verläufe von Injektor- Betriebsgrößen, zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand eines Ablaufdiagramms.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In Fig. 1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil 10 für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine dargestellt, das mit einem piezoelektrischen Aktor 12 versehen ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 10 wird auch als Injektor bezeichnet und dient zur Einspritzung von Kraftstoff 11, beispielsweise Benzin oder Diesel, in ein Saugrohr und/oder direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine. Der piezoelektrische Aktor 12 wird, wie in Fig. 1 durch den Pfeil 25 angedeutet, von einem Steuergerät 20 angesteuert.
Weiterhin weist das Kraftstoffeinspritzventil 10 ein Düsenelement mit einer Düsennadel 13 auf, die auf einem Ventilsitz 14 bzw. 21 im Inneren des
Gehäuses des Kraftstoffeinspritzventils 10 aufsitzen kann. Der Ventilsitz 14 umgibt eine Düsenöffnung 15. Es versteht sich, dass das Einspritzventil 10 auch mehr als die eine dargestellte Düsenöffnung 15 aufweisen kann. Außerdem können die Düsenöffnungen auch an den Seitenwänden des Gehäuses des Ventils 10 ausgebildet sein.
Ist die Düsennadel 13 von dem Ventilsitz 14 abgehoben, kann Kraftstoff 11 durch die Düsenöffnung 15 fließen, das Kraftstoffeinspritzventil 10 ist also geöffnet und es wird Kraftstoff 11 eingespritzt. Dieser Zustand ist in der Fig. 1 dargestellt. Sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14 auf, ist die Düsenöffnung 15
verschlossen und es wird kein Kraftstoff 11 eingespritzt, das
Kraftstoffeinspritzventil 10 ist also geschlossen. Im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 10 bildet der Ventilsitz 14 einen Hubanschlag für die Düsennadel
13. Ein Hubanschlag für die Düsennadel 13 im geöffneten Zustand ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet.
Der Übergang von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand wird mithilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt. Hierzu wird eine nachfolgend auch als
Ansteuerspannung U bezeichnete elektrische Spannung an den Aktor 12 angelegt, die eine Längenänderung eines in dem Aktor 12 angeordneten
Piezostapels hervorruft, welche ihrerseits zum Öffnen bzw. Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 10 ausgenutzt wird. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Piezoaktor 12 bei durch die Düsennadel 13 verschlossener Düsenöffnung 15 elektrisch aufgeladen, d.h. der Aktor 12 ist gedehnt, wenn der Injektor 10 geschlossen ist. Durch Entladen des Piezostapels in dem Aktor 12 verringert sich dessen Längsausdehnung und die Düsennadel 13 hebt sich vom Ventilsitz 14 ab.
Das Kraftstoffeinspritzventil 10 weist ferner ein hydraulisches Koppelelement auf. Dieses umfasst innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10 ein Kopplergehäuse 16, in dem zwei Kolben 17, 18 geführt sind. Der Kolben 17 ist mit dem Aktor 12 und der Kolben 18 ist mit der Düsennadel 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 Piezoaktor 12 ist direkt oberhalb der Düsennadel 13 angeordnet und kann vollständig von unter Druck stehendem Kraftstoff 11 umgeben sein. Eine
Beschichtung kann den Aktor 12 dabei vor dem Kraftstoff 11 schützen und eine elektrische Isolierung sicherstellen. Das Koppelelement ist von dem Kraftstoff 11 umgeben, und 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 direkt auf die Düsennadel 13 übertragen und in eine entsprechende Bewegung umgesetzt. Eine
Längenänderung des Piezoaktors 12 wirkt sich über das Koppelelement also direkt in einer Bewegung der Düsennadel 13 aus.
Das in Fig. 1 dargestellte Kraftstoffeinspritzventil 10 ist Teil eines genannten Kraftstoffeinspritzsystems (Common-Rail-System), das mehrere Einspritzventile 10 umfassen kann, über die Kraftstoff in das Saugrohr oder in die Brennräume einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Es kann entweder ein Steuergerät 20 für alle Einspritzventile 10 oder aber ein eigenes Steuergerät 20 für jedes der Kraftstoffeinspritzventile 10 vorgesehen sein. Zusätzlich zu dem Einspritzventil 10 und dem Steuergerät 20 kann das Kraftstoffe inspritzsystem noch weitere Bauteile umfassen, beispielsweise einen Kraftstoffspeicher, insbesondere eine für alle Einspritzventile 10 gemeinsame Hochdruck- Speicherleiste (Common-Rail), welche über eine Hochdruck- Kraftstoffleitung an einen Anschlussstutzen 22 des Kraftstoffeinspritzventils 10 angeschlossen ist.
Bei der Ansteuerung eines hier betroffenen Piezoaktors 12 ergeben sich eine Ladephase und eine Entladephase. Bei einer Ansteuerung eines Teilhubs der Düsennadel eines Injektors wird nicht der volle Aktorhub erreicht. Die
Entladephase schließt sich in der Regel direkt an die Ladephase an. Bei einer Ansteuerung eines Vollhubs der Düsennadel eines Injektors ergibt sich jedoch zwischen Ladephase und Entladephase eine Pause. Während der Pause verharrt die Düsennadel 13 am Hubanschlag 21 und der Stromkreis zur
Steuerung des Aktors ist geöffnet. Bei geöffnetem Stromkreis kann ein charakteristischer Einbruch der elektrischen Spannung dieses Stromkreises gemessen werden. Der Verlauf der Aktorspannung wird dabei durch die an dem Aktor anliegende Kraft und den Weg der als Folge der Aktorkraft
hervorgerufenen Aktorbewegung während der Ansteuerpause bestimmt.
Bei Injektoren, die nach dem Prinzip eines Piezo-Direktschalters arbeiten, ist der Aktorhub über eine oben beschriebene steife Schaltkette mit dem Hub der Düsennadel (Nadelhub) gekoppelt. Der Aktor kann daher bei solchen Injektoren sozusagen als Sensor genutzt werden, um aus dem Verlauf der Aktorspannung das Anschlagen der Düsennadel 13 am Hubanschlag 21 zu bestimmen.
Die Figuren 2a bis 2d zeigen bei einer Einspritzung eines hier betroffenen Injektors sich beispielhaft ergebende Verläufe des Ansteuerstroms i(t) (Fig. 2a) und der Ansteuerspannung u(t) (Fig. 2b) eines in Form eines beschriebenen
Piezo-Direktschalters ausgebildeten Piezoaktors sowie des aus der
entsprechenden Ansteuerung des Piezoaktors resultierenden Nadelhubs x(t) der Düsennadel (Fig. 2c) sowie der Einspritzrate dm/dt (t) (Fig. 2d). Es ist hervorzuheben, dass bei dem in Fig. 1 gezeigten Injektortyp die Düse bzw.
Düsenöffnung 15 im entladenen Zustand des Aktors 12 geöffnet ist, wohingegen der nachfolgend beschriebene Injektortyp auf einem Wirkprinzip beruht, bei dem die Düse 15 bei entladenem Aktor 12 geschlossen ist, da das nachfolgend beschriebene, zwischen Aktor 12 und Düsennadel 13 angeordnete (in Fig. 1 nicht gezeigte) Koppelelement die Wirkrichtung des Aktors 12 umkehrt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch von den genannten
Injektoreigenschaften unabhängig und daher auch auf den in Fig. 1 gezeigten Injektortyp anwendbar.
Der maximal mögliche Nadelhub wird durch einen in Fig. 1 gezeigten
mechanischen Hubanschlag begrenzt und ist in den Figuren 2a bis 2c für drei unterschiedliche Lagen des Hubanschlags dargestellt, und zwar einen durch die durchgezogene Linie 200 angedeuteten Nominalzustand, einen durch die gestrichelte Linie 205 angedeuteten, gegenüber dem Nominalzustand verringerten Maximalhub sowie einen durch die strichpunktierte Linie 210 angedeuteten, gegenüber dem Nominalzustand vergrößerten Maximalhub. Die sich in den drei Fällen ergebenden Spannungsverläufe u(t) und
Nadelhubverläufe x(t) sind in den Figuren 2b und 2c durch entsprechende Linien 200', 200", 205', 205" sowie 210', 210" dargestellt. Die genannten drei unterschiedlichen Lagen des Hubanschlags entsprechen den in der Fig. 2c gezeigten drei plateauartigen Linien 200", 205", 210".
Zum Öffnen der Düsenöffnung bzw. Düse wird der Aktor durch einen positiven elektrischen Strom 215 geladen. Danach bleibt die Düse ohne weitere
Stromzufuhr geöffnet. Zum Schließen der Düse wird der Aktor durch
Beaufschlagung mit einem negativen Strom 220 entladen. Die entsprechenden Ansteuerflanken 206, 21 1 des negativen Stroms 220 sind, wie durch die beiden Pfeile 212, 213 angedeutet, gegenüber der nominalen Ansteuerflanke 201 erfindungsgemäß zeitlich invers bzw. zeitlich gegeneinander vertauscht verschoben.
Mögliche Ursachen für den gezeigten unterschiedlichen maximalen Nadelhub sind äußere Einflüsse wie z.B. eingangs beschriebene, temperaturbedingte und/oder druckbedingte unterschiedliche Längenänderungen von Düsenkörper und Düsennadel.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene, in Fig. 3 illustrierte Regelverfahren wird bevorzugt auf den Ansteuerstrom i(t) eines betreffenden Piezoaktors (Fig. 2a) angewandt. Dabei wird der Piezoaktor zunächst mit einem in Fig. 2a gezeigten, im Wesentlichen rechteckförmigen positiven Strompuls 215 beaufschlagt bzw. angesteuert 300. Der genannte Hubanschlag kann dabei von der Düsennadel jeweils mit der minimal erforderlichen elektrischen Ladungsmenge sicher erreicht werden, wobei ein Erreichen des Hubanschlags im sich ergebenden und erfassten 305 Spannungsverlauf u(t) des Piezoaktors (Fig. 2b) anhand von charakteristischen Merkmalen erkennbar ist. Bei einem solchen Merkmal handelt es sich bevorzugt um ein lokales Minimum 225 des elektrischen
Spannungsverlaufs u(t), welches sich infolge der genannten
Spannungsabsenkung kurz nach dem Ladeende einstellt und welches insbesondere zum Zeitpunkt des Anschlagens der Düsennadel an dem
Hubanschlag auftritt. Typischerweise ergibt sich im Anschluss an dieses
Spannungsminimum ein im Wesentlichen konstanter Spannungswert 230, der gegebenenfalls durch eine in der Fig. 2b nicht dargestellte hochfrequente Schwingung überlagert sein kann. Auch typisch ist eine nachfolgende Verringerung der Spannung u(t) gegenüber dem Maximalwert 235, welche zum Zeitpunkt des Ladeendes auftritt. Die erfindungsgemäße Auswertung bzw. Bewertung dieses Spannungsrückgangs 240 erfolgt bevorzugt durch ein Vergleichen 310 mit dem zum Zeitpunkt des genannten Spannungsminimums 225 vorliegenden Spannungswert. Das Ergebnis dieses Vergleichs ist, dass aufgrund eines geänderten Hubanschlags eine Ansteuerkorrektur erforderlich ist oder nicht. Falls nicht, wird wieder an den Anfang der in Fig. 3 gezeigten Routine gesprungen. Andernfalls wird eine nachfolgend beschriebene Korrektur gemäß den Schritten 315, 320 durchgeführt und nach dem Abschluss der Korrektur wieder an den Anfang der Routine zurückgesprungen, um die Schritte 300 bis 320 erneut auszuführen. Alternativ
kann auch ein Vergleich mit dem Spannungswert in der genannten
Konstantphase nach dem Spannungsminimum erfolgen.
Zur erfindungsgemäßen Korrektur eines vergrößerten maximalen Nadelhubs wird die Ladedauer des Aktors mittels einer geeigneten Regelung dadurch verlängert, dass entsprechend dem Ergebnis des genannten Vergleichs 310 gemäß Fig. 2a der Zeitpunkt der Ansteuerung des Ladeendes 200 des Aktors entweder nach früh 205 oder nach spät 210 verschoben wird 315, wobei gleichzeitig die
Entladedauer im gleichen Verhältnis wie die Ladedauer dadurch verkürzt oder verlängert wird, dass gemäß Fig. 2a der Entladebeginn 201 der Änderung der
Entladedauer gemäß den Pfeilen 213, 212 entweder entsprechend später 21 1 oder entsprechend früher 206 angesteuert wird 320. Bei verringertem
maximalem Nadelhub werden die Ladedauer und die Entladedauer bevorzugt mittels einer genannten Regelung im gleichen Verhältnis verringert. Der
Entladebeginn wird dabei um die genannte Änderung der Entladedauer entsprechend später angesteuert bzw. nach spät verschoben.
Ein Zahlenbeispiel soll dies verdeutlichen. Vergrößert sich der maximale
Nadelhub, werden die Ladedauer und die Entladedauer z.B. um 5% verlängert. Verlängert sich dabei die Entladedauer z.B. um 10 s, dann wird der
Entladebeginn entsprechend um 10 s nach früh verschoben.
Insbesondere werden die Zeitpunkte des Ladebeginns und des Entladeendes durch die genannten Korrektureingriffe nicht beeinflusst. Während der Öffnungs- und Schließbewegung der Düsennadel bleiben zudem der Stromverlauf und der
Spannungsverlauf unverändert. Daher bleibt während dieser Betriebsphase auch der Nadelhubverlauf x(t) (Fig. 2c) unverändert bzw. unbeeinflusst von der Änderung des maximalen Nadelhubs sowie der beschriebenen, dadurch erforderlichen Korrektureingriffe.
Da somit das Öffnen und das Schließen der Düse von der Änderung des maximalen Nadelhubs sowie den Korrektureingriffen ebenfalls unbeeinflusst bleiben, ergibt sich auch eine unveränderte Einspritzrate. Sind nun sowohl die Einspritzdauer als auch die Einspritzrate bei geöffneter Düse unabhängig von den genannten ungewollten Änderungen des maximalen Nadelhubs, wird
insbesondere die gewünschte Kraftstoff menge in den jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Die genannte Unabhängigkeit der Einspritzrate dm/dt von der in Fig. 2c gezeigten Änderung des maximalen Nadelhubs 200", 205", 210" ergibt sich aus der in Fig. 2d gezeigten einzigen Linie 245. Das beschriebene Verfahren eignet sich somit zum Regeln der erforderlichen
Ladungsmenge ohne den genannten unerwünschten Einfluss auf die
Einspritzmenge.
Es ist anzumerken, dass die Anwendung des beschriebenen Verfahrens besonders effizient erfolgen kann, wenn der Nadelhub bereits bei der
Konstruktion eines hier betroffenen Injektors so ausgelegt wird, dass auch ein sich im Betrieb einstellender minimaler Nadelhub ausreicht, um die
Kraftstoffzufuhr zu den Spritzlöchern der Düse nahezu vollständig zu entdrosseln bzw. zu maximieren. Denn unter dieser Voraussetzung wird die Größe der Einspritzrate bei geöffneter Düse von einem sich ändernden maximalen
Nadelhub besonders wenig beeinflusst.
Das beschriebene Verfahren kann in Form eines Steuerprogramms für ein elektronisches Steuergerät zur Steuerung einer Brennkraftmaschine oder in Form einer oder mehrerer entsprechender elektronischer Steuereinheiten (ECUs) realisiert werden.
Claims
1 . Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils (10), insbesondere eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das Einspritzventil mittels eines Aktors (12) betätigt wird, wobei das Einspritzventil (10) ein eine Düsenöffnung (15) aufweisendes Düsenelement mit einer bewegbaren Düsennadel (13) zum selektiven Schließen und Öffnen der Düsenöffnung (15) aufweist, wobei die Düsennadel (13) von dem Aktor (12) über ein zwischengeschaltetes Koppelelement (16, 17, 18, 19) bewegt wird, und wobei ein veränderlicher Hubanschlag (14, 21) vorgesehen ist, an dem die Düsennadel (13) in ihrer vollständig geöffneten und/oder in ihrer vollständig geschlossenen Stellung anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassung der Ansteuerung des Aktors (12) an den
veränderlichen Hubanschlag (14, 21) dadurch erfolgt, dass die Höhe der beim Laden und Entladen des Aktors (12) jeweils angewendeten
elektrischen Ladungsmenge nur durch Anpassen der Ladedauer verändert wird (315, 320).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Entladedauer des Aktors (12) im Wesentlichen im gleichen Verhältnis wie die Ladedauer verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Entladebeginn um die Zeitdauer der Änderung der Entladedauer
entsprechend verschoben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass Ansteuerflanken (206, 21 1 ) für das Entladen des Aktors (12) gegenüber entsprechenden Ansteuerflanken (205, 210) für das Laden des Aktors (12) zeitlich invers gegeneinander verschoben werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Anpassung an den veränderlichen Hubanschlag (14, 21) abhängig von einem charakteristischen Merkmal des
Spannungsverlaufs des Aktors (12) durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
charakteristische Merkmal eine im Wesentlichen mit dem Ladeende auftretende Absenkung des Spannungsverlaufs des Aktors (12) darstellt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im
Wesentlichen mit dem Ladeende auftretende Absenkung des
Spannungsverlaufs des Aktors (12) ein lokales Minimum (225) darstellt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswerten der genannten Absenkung des Spannungsverlaufs entschieden wird, ob eine Anpassung der Ansteuerung des Aktors (12) aufgrund eines geänderten Hubanschlags (14, 21 ) erforderlich ist oder nicht.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass zur Anpassung der Ansteuerung des Aktors (12) aufgrund eines geänderten Hubanschlags (14, 21 ) die Ladedauer des Aktors (12) in der Weise verändert wird, dass der Zeitpunkt der Ansteuerung des Ladeendes (200) des Aktors (12) entweder nach früh (205) oder nach spät (210) verschoben wird (315), wobei die Entladedauer im im Wesentlichen gleichen Verhältnis wie die Ladedauer dadurch verkürzt oder verlängert wird, dass der Entladebeginn (201 ) der Änderung der Entladedauer entweder entsprechend später (21 1 ) oder entsprechend früher (206) angesteuert wird (320).
10. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
1 1 . Maschinenlesbarer Datenträger, auf welchem ein Computerprogramm
gemäß Anspruch 10 gespeichert ist.
12. Elektronisches Steuergerät (20), welches eingerichtet ist, ein Einspritzventil, insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs, mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zu steuern.
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
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