WO2016091520A1 - Verfahren zum betreiben eines kraftstoffinjektors - Google Patents

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Hanna Zimmer
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel injector according to the preamble of independent claim 1. Furthermore, the present invention relates to a computer program which is adapted to perform each step of the method according to the invention, as well as a machine-readable storage medium on which the computer program according to the invention is stored. Finally, the invention relates to an electronic control unit which is set up to carry out the method for operating a fuel injector.
  • a fuel injector having at least one injection port controlled by an injector needle and one having a high pressure side and a high pressure side
  • a dynamic pressure in the fuel injector is detected by means of the sensor, which is preferably a force and / or pressure sensor.
  • the sensor which is preferably a force and / or pressure sensor.
  • the pressure in the high-pressure bore is measured and recorded to detect an opening or closing operation of the needle.
  • the times for opening and / or closing the injector needle or the valve are determined. Now the time between the event of the opening / closing of the injector needle or the valve and its detection is dependent on the duration of a pressure wave from the event to the sensor. This wave travel time is in turn dependent on eg the temperature, the pressure of the fuel and the fuel grade. Small delay times of the detection of the opening / closing operation can make a regulation based on it inaccurate, which can adversely affect the operation of the internal combustion engine and in particular their emissions.
  • the method with the features of claim 1 has the advantage that the opening / closing time of the injector needle or the valve can be determined very precisely, since changes in pressure during opening and / or closing of the injector needle or the switching valve are determined. This happens with the help of a sound velocity characterizing size, with which the
  • Opening / closing timing of the injector needle or the switching valve is corrected by the shaft travel time from the injector needle or the switching valve to the sensor.
  • the speed of sound of the signal-conducting medium may change during operation depending on the type of fuel, by temperature effects and the like.
  • a variable characterizing the speed of sound thus also represents the influences of the type of fuel, the temperature and the like.
  • Needle or from the switching valve to the sensor is a more accurate
  • Embodiment that the sound velocity characterizing size, starting from the frequency of one by the needle opening / closing
  • Natural vibration is determined using a Fast Fourier Transform (FFT).
  • FFT Fast Fourier Transform
  • Another advantageous embodiment provides, the frequency of
  • Sound velocity characterizing size and the wave transit time from the injector needle or the switching valve to the sensor is stored in a map.
  • This map is advantageously determined empirically.
  • the map reflects the relationship between the speed of sound
  • Characterizing size is determined by detecting the pressure wave, which causes a needle opening / closing.
  • 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 storage medium is provided, on which the
  • Fig. 1 shows schematically a fuel injector, in which the inventive method is used and
  • Fig. 2 shows schematic frequency spectra as signals over the frequency to explain the pressure-dependent frequency shift.
  • FIG. 1 a fuel injector is shown very schematically and omits features which are not relevant to the present invention, as is apparent from the unpublished application DE 10 2014 204 746 A1 in detail, to which reference is made in the present case and which are included in the present application becomes.
  • an injector 11 is a
  • Nozzle needle also referred to below injector needle 25, arranged in the lowered position (as shown) injection ports 15 are closed and in their raised position, the injection ports 15 for injecting fuel into a combustion chamber of the internal combustion engine (not shown) are released.
  • the fuel is from a designated as a common rail high-pressure accumulator 58 via an inlet bore 37 a
  • the injector needle 25 is actuated by means of a piezoelectric actuator 50 via a coupler piston 35 in a manner known per se and described in the non-prepublished application DE 10 2014 204 746 A1.
  • the piezoelectric actuator 50 is controlled by a control unit 90. For this purpose, connecting lines 51, 52 are guided to the piezoelectric actuator 50.
  • Inlet bore 37 prevailing pressure of the fuel is detected by means of a sensor 60 which is arranged in the upper region of the housing 11 of the piezo fuel injector.
  • This sensor 60 may be, for example, a piezo sensor.
  • a sensor in the form of a DMS (DehnMessStAINs) is conceivable.
  • An event such as needle opening, now triggers a pressure wave.
  • This pressure wave passes along the high pressure bore 57 to the sensor 60. To detect the exact needle opening time, this wave travel time must be taken into account.
  • a fuel injector with at least one injection port 15 controlled by an injector needle 25 now makes it possible to ensure timely detection even when the shaft transit time, e.g. changed by pressure, temperature or fuel.
  • the speed of sound or a substitute variable, ie a variable characterizing the speed of sound is measured. This happens because the frequency of a
  • Natural vibration measured and from this the sound velocity is calculated.
  • the advantage of the method according to the invention is that the wave transit time can be compensated for different fuels, temperatures and pressures and thus the injection duration can be detected more accurately.
  • a by e.g. the needle opening triggered pressure wave runs the
  • the time the shaft is traveling depends on the length of the track and the speed of sound of the medium in the high pressure bore 37.
  • the speed of sound is dependent e.g. temperature, pressure and fuel properties such as the modulus of compression and the density of the fuel.
  • the transit time must be compensated. In dynamic operating states, which occur almost exclusively in the vehicle, a determination of the current local speed of sound over models is very difficult and accordingly inaccurate. That's why one will
  • the frequency of a natural vibration e.g. after this
  • Needle closing occurs, evaluated. This is preferably done by means of a Fast Fourier Transform (FFT). Instead of a Fourier transformation can the frequency of the natural vibration are also determined from the wavelength of the pressure wave. In other words, it is from the frequency of a natural vibration of the pressure wave, which is detected by means of the sensor 60, to a characterizing the speed of sound and from this in turn to the wave travel time of the Injektornadel 25 or of the
  • Fig. 2 is a frequency spectrum at a pressure of 1200 bar, marked A, and a frequency spectrum at a pressure of 2000 bar, indicated by B, schematically shown.
  • the signal S versus the frequency f shows that the frequency spectrum is shifted by a difference ⁇ f at a higher pressure than the frequency spectrum at a lower pressure. This frequency of self-oscillation resulting from the needle closure representing the maxima in FIG. 2 is evaluated.
  • a map can be used to determine an At by which the needle opening / closing time is corrected. The corrected
  • Needle opening / closing time is compared with the target opening / closing time. In case of deviations, the control is corrected accordingly, whereby here also advantageously a map is used.

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit zumindest einer von einer Injektornadel gesteuerten Einspritzöffnung, wobei mittels eines Sensors Druckänderungen beim Öffnen und/oder Schließen der Injektornadel ermittelt werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Öffnungs- /Schließzeit der Injektornadel eine die Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe durch das Öffnen und/oder Schließen einer Druckwelle gemessen wird, und daraus auf die Wellenlaufzeit geschlossen wird, mit der der Nadel oder Ventil Öffnungs-/Schließzeitpunkt korrigiert wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das erfindungsgemäße Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, das Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors auszuführen.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2012 206 586 AI ist ein Verfahren zum Betreiben eines
Kraftstoffinjektors mit zumindest einer von einer Injektornadel gesteuerten Einspritzöffnung und mit einem mit einer Hochdruckseite und einer
Niederdruckseite des Kraftstoffinjektors kommunizierenden Steuerraum für die Injektornadel, wobei in den Steuerraum mittels einer Steuerventilanordnung ein Schließdruck, bei dem die Injektornadel in eine die Einspritzöffnung absperrende Schließlage gestellt ist, und ein Öffnungsdruck einstellbar ist, bei dem die Injektornadel in eine die Einspritzöffnung freigebende Offenlage übergeht, und wobei mittels eines Sensors Druckänderungen beim Öffnen und/oder Schließen der Injektornadel ermittelt werden.
Um mit geringem Aufwand eine präzise Einspritzmengensteuerung eines solchen Kraftstoffinjektors zu ermöglichen, wird mittels des Sensors, der bevorzugt ein Kraft- und/oder Drucksensor ist, ein dynamischer Druck in dem Kraftstoffinjektor erfasst. Über einen solchen Drucksensor, der gewöhnlich als Piezosensor oder DMS ausgebildet ist, wird zur Erkennung eines Öffnungs- oder Schließvorgangs der Nadel der Druck in der Hochdruckbohrung gemessen und aufgezeichnet. Aus dem Signalverlauf werden die Zeitpunkte für das Öffnen und/oder Schließen der Injektornadel oder des Ventils ermittelt. Nun ist die Zeit zwischen dem Ereignis des Öffnens-/Schließens der Injektornadel oder des Ventils und dessen Detektion abhängig von der Laufzeit einer Druckwelle vom Ereignis zum Sensor. Diese Wellenlaufzeit ist wiederum abhängig von z.B. der Temperatur, dem Druck des Kraftstoffs und der Kraftstoffsorte. Kleine Verzugszeiten der Detektion des Öffnungs-/Schließvorgangs können eine darauf aufsetzende Regelung ungenau machen, was sich nachteilig auf den Betrieb der Brennkraftmaschine und insbesondere auf deren Emissionen auswirken kann.
Es besteht daher der Wunsch, eine zeitrichtige Detektion auch dann
sicherzustellen, wenn sich die Wellenlaufzeit z.B. durch den Druck, die
Temperatur oder die Kraftstoffsorte verändert.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass die Öffnungs-/Schließzeit der Injektornadel oder des Ventils sehr präzise bestimmt werden kann, da Druckänderungen beim Öffnen und/oder Schließen der Injektornadel oder des Schaltventils ermittelt werden. Dies geschieht mithilfe einer die Schallgeschwindigkeit charakterisierenden Größe, mit der der
Öffnungs-/Schließzeitpunkt der Injektornadel oder des Schaltventils um die Wellenlaufzeit von der Injektornadel oder dem Schaltventil zum Sensor korrigiert wird. Die Schallgeschwindigkeit des signalleitenden Mediums kann sich während des Betriebs abhängig von der Kraftstoffsorte, durch Temperatureinflüsse und dergleichen ändern. Eine die Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe repräsentiert damit auch die Einflüsse der Kraftstoffsorte, der Temperatur und dergleichen. Durch die Berücksichtigung der Wellenlaufzeit von der
Injektionsnadel oder von dem Schaltventil zum Sensor ist eine genauere
Bestimmung der Öffnungs-/Schließzeit der Injektornadel oder des Schaltventils möglich. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in dem unabhängigen Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich. So sieht eine vorteilhafte
Ausgestaltung vor, dass die die Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe ausgehend von der Frequenz einer durch das Nadelöffnen/-schließen
hervorgerufenen Eigenschwingung berechnet wird.
Dabei sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass die Frequenz der
Eigenschwingung mit Hilfe einer Fast- Fourier-Transformation (FFT) ermittelt wird.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, die Frequenz der
Eigenschwingung aus der Wellenlänge zu ermitteln.
Bevorzug ist vorgesehen, dass der Zusammenhang zwischen der die
Schallgeschwindigkeit charakterisierenden Größe und der Wellenlaufzeit von der Injektornadel oder dem Schaltventil zu dem Sensor in einem Kennfeld hinterlegt ist. Dieses Kennfeld wird vorteilhafterweise empirisch bestimmt. Das Kennfeld spiegelt den Zusammenhang zwischen der die Schallgeschwindigkeit
charakterisierenden Größe und der Wellenlaufzeit von der Injektornadel oder dem Schaltventil zum Sensor wider. Die die Schallgeschwindigkeit
charakterisierende Größe wird dabei durch Erfassen der Druckwelle, welche ein Nadelöffnen-/schließen hervorruft, bestimmt.
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 das maschinenlesbare Speichermedium 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 das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Kraftstoffinjektor, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt und
Fig. 2 schematische Frequenzspektren als Signale über der Frequenz zur Erläuterung der druckabhängigen Frequenzverschiebung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
In Figur 1 ist höchst schematisch und unter Weglassung für die vorliegende Erfindung nicht relevanter Merkmale ein Kraftstoffinjektor dargestellt, wie er im Detail aus der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2014 204 746 AI hervorgeht, auf die vorliegend Bezug genommen wird und die insoweit in vorliegende Anmeldung einbezogen wird. In einem Injektorgehäuse 11 ist eine
Düsennadel, nachfolgend auch Injektornadel 25 genannt, angeordnet, in deren abgesenkter Stellung (wie dargestellt) Einspritzöffnungen 15 verschlossen sind und in deren angehobener Position die Einspritzöffnungen 15 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) freigegeben sind. Der Kraftstoff wird von einem auch als Common-Rail bezeichneten Hochdruckspeicher 58 über eine Zulaufbohrung 37 einem
Hochdruckraum 17 zugeführt. Die Injektornadel 25 wird mittels eines Piezoaktors 50 über einen Kopplerkolben 35 auf an sich bekannte und in der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2014 204 746 AI beschriebenen Weise betätigt. Der Piezoaktor 50 wird von einem Steuergerät 90 angesteuert. Hierzu sind Anschlussleitungen 51, 52 zum Piezoaktor 50 geführt. Der in der
Zulaufbohrung 37 herrschende Druck des Kraftstoffs wird mittels eines Sensors 60 erfasst, der im oberen Bereich des Gehäuses 11 des Piezokraftstoffinjektors angeordnet ist. Dieser Sensor 60 kann beispielsweise ein Piezo-Sensor sein. Darüber hinaus ist auch ein Sensor in Form eines DMS (DehnMessStreifens) denkbar.
Ein Ereignis, wie zum Beispiel das Nadelöffnen löst nun eine Druckwelle aus. Diese Druckwelle läuft die Hochdruckbohrung 57 entlang zum Sensor 60. Um den genauen Nadelöffnungszeitpunkt zu detektieren, muss diese Wellenlaufzeit berücksichtigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines solchen
Kraftstoffinjektors mit zumindest einer von einer Injektornadel 25 gesteuerten Einspritzöffnung 15 ermöglicht es nun, eine zeitrichtige Detektion auch dann sicherzustellen, wenn sich die Wellenlaufzeit z.B. durch Druck, Temperatur oder Kraftstoff verändert. Hierzu ist vorgesehen, dass die Schallgeschwindigkeit oder eine Ersatzgröße, also eine die Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe, gemessen wird. Dies geschieht dadurch, dass die Frequenz einer
Eigenschwingung gemessen und hieraus die Schallgeschwindigkeit berechnet wird. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Wellenlaufzeit bei unterschiedlichen Kraftstoffen, Temperaturen und Drücken kompensiert werden kann und somit die Einspritzdauer genauer detektiert werden kann.
Eine durch z.B. das Nadelöffnen ausgelöste Druckwelle läuft die
Hochdruckbohrung 37 entlang zum Sensor 60. Die Zeit, welche die Welle unterwegs ist, hängt von der Länge der Strecke und der Schallgeschwindigkeit des Mediums in der Hochdruckbohrung 37 ab. Die Schallgeschwindigkeit ist abhängig z.B. von der Temperatur, dem Druck und den Kraftstoffeigenschaften wie Kompressionsmodul und Dichte des Kraftstoffs. Für eine genaue Detektion z.B. des Nadelöffnens muss die Laufzeit kompensiert werden. In dynamischen Betriebszuständen, wie sie im Fahrzeug fast ausschließlich vorkommen, ist eine Bestimmung der aktuellen, lokalen Schallgeschwindigkeit über Modelle sehr schwierig und entsprechend ungenau. Deshalb wird eine die
Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe bestimmt. Es wird
beispielsweise die Frequenz einer Eigenschwingung, die z.B. nach dem
Nadelschließen entsteht, ausgewertet. Dies geschieht vorzugsweise mit Hilfe einer Fast- Fourier-Transformation (FFT). Statt einer Fourier-Transformation kann die Frequenz der Eigenschwingung auch aus der Wellenlänge der Druckwelle ermittelt werden. Es wird also mit anderen Worten aus der Frequenz einer Eigenschwingung der Druckwelle, die mithilfe des Sensors 60 erfasst wird, auf eine die Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe und aus dieser wiederum auf die Wellenlaufzeit von der Injektornadel 25 oder von dem
Schaltventil zu dem Sensor 60 geschlossen. Der Zusammenhang zwischen der die Schallgeschwindigkeit charakterisierenden Größe und der Wellenlaufzeit von der Düsennadel 25 zu dem Sensor 60 ist vorteilhafterweise in einem Kennfeld hinterlegt, das beispielsweise empirisch ermittelt werden kann.
In Fig. 2 ist schematisch ein Frequenzspektrum bei einem Druck von 1200 bar, gekennzeichnet mit A, und ein Frequenzspektrum bei einem Druck von 2000 bar, gekennzeichnet mit B, dargestellt. Das Signal S über der Frequenz f zeigt, dass das Frequenzspektrum bei höherem Druck gegenüber dem Frequenzspektrum bei niedrigerem Druck, um eine Differenz Af verschoben ist. Diese Frequenz der Eigenschwingung, die durch das Nadelschließen entsteht, welche die Maxima in Figur 2 repräsentieren, wird ausgewertet.
Mit Hilfe eines Kennfelds kann aus Af ein At bestimmt werden, um den der Nadelöffnungs-/ Nadelschließzeitpunkt korrigiert wird. Die korrigierte
Nadelöffnungs-/Schließzeit wird mit der Soll-Öffnungs-/Schließzeit verglichen. Bei Abweichungen wird die Ansteuerung entsprechend korrigiert, wobei auch hier vorteilhafterweise ein Kennfeld herangezogen wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors mit zumindest einer von einer Injektornadel (25) gesteuerten Einspritzöffnung, wobei mittels eines Sensors (60) Druckänderungen beim Öffnen und/oder Schließen der Injektornadel (25) oder eines Schaltventils ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Öffnungs-/Schließzeit der Injektornadel (25) eine die Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe einer durch das Öffnen und/oder Schließen hervorgerufene Druckwelle gemessen und ausgewertet wird, mit der der Öffnungs-/ Schließzeitpunkt der Injektornadel (25) oder des Schaltventils um die Wellenlaufzeit von der Injektornadel (25) oder von dem Schaltventil zum Sensor (60) korrigiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die
Schallgeschwindigkeit charakterisierende Größe ausgehend von der Frequenz einer durch das Nadelöffnen/-schließen hervorgerufene Eigenschwingung berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Eigenschwingung mit Hilfe einer Fast- Fourier-Transformation (FFT) ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Eigenschwingung aus der Wellenlänge der Druckwelle ermittelt wird.
5. Verfahren der nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang zwischen der die
Schallgeschwindigkeit charakterisierenden Größe und der Wellenlaufzeit von der Injektornadel (25) oder dem Schaltventil zum Sensor (60) in einem Kennfeld hinterlegt ist. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des
Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein
Computerprogramm nach Anspruch 6 gespeichert ist.
Elektronisches Steuerungsgerät (90), welches eingerichtet ist, um einen Kraftstoffinjektor mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zu betreiben.
PCT/EP2015/076332 2014-12-11 2015-11-11 Verfahren zum betreiben eines kraftstoffinjektors WO2016091520A1 (de)

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