DE10143501C1 - Verfahren zum Ansteuern eines piezobetriebenen Kraftstoff-Einspritzventils - Google Patents

Verfahren zum Ansteuern eines piezobetriebenen Kraftstoff-Einspritzventils

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Abstract

Mittels des dem Piezoaktor zugeführten Stromes und der sich daraufhin an ihm aufbauenden Spannung unter Zuhilfenahme eines nichtlinearen Aktormodells wird der Verlauf der Längenänderung (s) und die vom Aktor ausgeübte Kraft (F) errechnet und aus diesen oder von ihnen abgeleiteten Größen (dF/dt) der Öffnungsbeginn (t¶A¶) eines Servoventils und die Einspritzdauer (D) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines pie­ zobetriebenen Kraftstoff-Einspritzventils gemäß den Merkmalen von Anspruch 1.
Der Kraftstoff-Einspritzvorgang in Dieselmotoren wird übli­ cherweise in mehreren Abschnitten durchgeführt, wobei zur Er­ zielung eines sanfteren Verbrennungsverlaufs jeder Hauptein­ spritzung eine oder mehrere Vor- oder Nacheinspritzungen zu­ geordnet sind, bei denen die eingespritzte Kraftstoffmenge klein gegenüber der Haupteinspritzmenge ist.
Für eine präzise Dosierung der Kraftstoffmengen, insbesondere der Kleinmengen und zur Optimierung der Einspritz-Zeitpunkte, sind schnell schaltende Ventile erforderlich, wozu zunehmend piezobetriebene Einspritzventile eingesetzt werden.
Wegen der geringen maximalen Längenänderung der eingesetzten Piezoelemente (stacks) betätigt der Piezoaktor ein hydrauli­ sches Servoventil, welches dann das Hauptventil bewegt. Mit­ tels einer Ansteuerelektronik wird die elektrische Ansteue­ rung des Piezoaktors so vorgenommen, dass die gewünschte Kraftstoffmenge eingespritzt wird.
Da es nicht möglich ist, Kraftstoffmengen oder mechanische Bewegungen im Einspritzventil zu erfassen, werden die elekt­ rischen Steuersignale bei der Einspritzung kleiner Kraft­ stoffmengen hinsichtlich Ansteuerdauer und Amplitude so aus­ gelegt, dass sicheres Einspritzen erfolgt. Wegen der Si­ cherheitsvorbehalte gegenüber Druckschwankungen in der Kraft­ stoffzuleitung, Parametertoleranzen des Systems und des wei­ ten Betriebstemperaturbereichs ist damit, insbesondere bei Vor- und Nacheinspritzungen, eine Kraftstoffmengen- Überdosierung verbunden. Dazu wurde bisher aus der in den Piezoaktor eingespeisten Ladung oder Energie auf die Piezo­ auslenkung geschlossen.
Aus DE 196 44 521 A1 ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines kapazitiven Stellgliedes eines Kraftstoffeinspritzventils be­ kannt, welchem zur Erzielung eines konstanten Hubs eine die­ sem Hub zugeordnete Energiemenge zugeführt wird.
Aus der Patentschrift DE 199 30 309 C2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Einspritzmenge bei einem Kraftstoffeinspritzventil mit Piezoelement-Aktor bekannt, bei dem bzw. bei der die Spannung am Piezoaktor erfaßt wird und aus dieser Spannung der Einspritzbeginn und/oder die Nadel­ öffnungszeit des Einspritzventils ermittelt wird.
Weiter ist aus der Offenlegungsschrift DE 199 60 971 A1 ein Piezoaktor bekannt, dem ein weiteres Piezoelement als Sensor in Serie geschaltet wird. Dieser Sensor erzeugt ein zur Hub­ bewegung proportionales Spannungssignal, das Seiner Regel­ elektronik zugeführt wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe überwacht werden kann, ob Kraftstoff-Vor-, Haupt- oder Nach-Einspritzungen stattfinden oder nicht, und welches eine genauere Festlegung der Menge jeder Kraftstoff- Vor-, Haupt- oder Nach-Einspritzung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer Erfassung und Auswertung der am Piezoaktor bei einem Ansteuervorgang wir­ kenden, aus den elektrischen Signalen (des dem Piezoaktor zu­ geführten Stromes und der sich an ihm aufbauenden Spannung) ermittelten Längenänderungen oder Kräfte des Piezoaktors, un­ ter Zuhilfenahme eines nichtlinearen Aktormodells und eines adaptiven Verfahrens zur Bewertung der Längenänderungen am Piezoaktor bzw. der an ihm auftretenden Kräfte.
Das Aktormodell beinhaltet die nichtlinearen Zusammenhänge zwischen Ladung bzw. Spannung und mechanischer Auslenkung, sowie Arbeitspunkt-abhängigen Parametern. Ferner berücksich­ tigt das Aktormodell die dielektrische Hysterese des Piezoak­ tors. Damit erlaubt dieses Aktormodell den Rückschluß von den elektrischen auf die mechanischen Größen und die Simulation des Piezoaktors im Bereich pulsförmiger Auslenkung.
Damit ist es möglich, eine fehlerhafte oder korrekte Ein­ spritzfunktion sowie die Einspritzdauer (-menge) des Ein­ spritzventils sicher festzustellen und die Ansteuersignale a­ daptiv so zu gestalten, dass die gewünschten minimalen Kraft­ stoffeinspritzungen ohne Überdosierung erfolgen.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 die Längenänderung s eines Piezoaktors bei einem An­ steuervorgang, und
Fig. 2 die an einem Piezoaktor bei einem Öffnungsvorgang des Ventils mit oder ohne Kraftstoffeinspritzung wirkende Kraft F und die daraus abgeleiteten Größen.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Verlauf des Piezohubs, d. h., der Längenänderung s eines Piezoaktors über der Zeit t bei einem Ansteuervorgang eines Kraftstoffeinspritzventils. Diese Längenänderung s wird mittels der gemessenen Daten des dem Piezoaktor zugeführten Stromes und der sich daraufhin an ihm aufbauenden Spannung mit Hilfe eines Aktormodells, welches die Eigenschaften eines Piezoaktors nachbildet, errechnet. Die Kurve s1 zeigt den prinzipiellen Verlauf des Beginns der Längenänderung s (Ausdehnung) eines Piezoaktors bei einem korrekten Einspritzvorgang. Die Kurve steigt vom Beginn 0 der Ansteuerung an, weist zu einem Zeitpunkt tA einen Knick auf und steigt danach schneller an, bis sie ein Maximum erreicht und dann wieder abfällt. Der Knick erklärt sich daraus, dass der Piezoaktor einen Leerweg zurücklegt, bevor er sich gegen die Kraft des Raildrucks im Servoventil durchsetzt und das Servoventil öffnet.
Die gestrichelt dargestellte Kurve so zeigt zum Unterschied von der Kurve s1 den prinzipiellen Verlauf des Beginns der Längenänderung (Ausdehnung) eines Piezoaktors bei einem nicht korrekten Einspritzvorgang. Die Kurve steigt flach an, ohne einen Knick aufzuweisen, erreicht ein Maximum und fällt dann wieder ab, d. h., der Leerweg wird nicht zur Gänze durchmes­ sen. Das Maximum der Kurve der Längenausdehnung eines Piezo­ aktors hängt u. a. von der Energie ab, die dem Piezoaktor zu­ geführt wird: je größer der Energiebetrag, desto größer die Längenausdehnung s.
Der Beginn der Öffnung des Servoventils liegt also etwa im Zeitpunkt tA der Kurve s1. Diese Öffnung des Servoventils ist zwingende Voraussetzung für eine anschließende Einspritzung. Die eigentliche Einspritzung erfolgt deutlich verzögert, da mit dem Öffnen des Servoventils der Druck in der Ventilkammer langsam abgebaut wird und dann erst das eigentliche Ein­ spritzventil öffnet. Das Vorhandensein des "Knicks" im Weg­ verlauf ist ein Indiz dafür, dass genügend Energie im Piezo vorhanden ist, damit das Servoventil öffnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung dieses Öff­ nungszeitpunkts tA des Servoventils wird nachstehend erklärt. Der Zeitpunkt tA variiert beispielsweise mit der dem Piezoak­ tor zugeführten Energie E und dem ihm entgegenwirkenden Kraftstoff-Raildruck p sowie der Aktortemperatur T etc.. Er ist also empirisch bekannt.
Über Kennfelder, die diesen Zusammenhang berücksichtigen, werden ein erstes Zeitfenster W1 (festgelegt durch Zeitpunkte t1 und t2) kurz vor dem Zeitpunkt tA [tA = f(E, p, T. . .)] und ein zweites Zeitfenster W2 (festgelegt durch Zeitpunkte t3 und t4) kurz nach diesem Zeitpunkt tA, definiert.
Durch die Längenänderungen zu den Zeitpunkten t1 und t2 ist eine erste Gerade - Tangente T1 - bestimmt, und durch die Längenänderungen zu den Zeitpunkten t3 und t4 ist eine zweite Gerade - Tangente T1' - bestimmt. Diese beiden Tangenten, in Fig. 1 fett hervorgehoben, schneiden sich in einem mittels einer einfachen trigonometrischen Rechnung ermittelbaren Zeitpunkt tA, der als Zeitpunkt der Öffnung des Servoventils gewertet wird. Für eine korrekte Einspritzung wird jedoch nur ein solcher Verlauf der Längenänderung s gewertet, bei dem die Tangente T1' einen definierbar steileren Winkel gegenüber der Abszisse aufweist als die Tangente T1. Andernfalls wird eine Fehleinspritzung angenommen (T0 - T0').
Aufgrund von Verschleißerscheinungen kann es langfristig vor­ kommen, dass sich die Lage des Zeitpunkts tA verschiebt. Des­ halb ist vorgesehen, dass die in den Kennfeldern gespeicher­ ten Zeitpunkte t1 bis t4, welche die Zeitfenster W1 und W2 bestimmen, auch von dem in dem jeweils vorhergehenden frühe­ ren Einspritzvorgang ermittelten Zeitpunkt tA abhängig ge­ speichert, d. h., adaptiert werden.
Eine Ermittlung der Einspritzdauer wird nur dann vorgenommen, wenn zuvor eine korrekte Einspritzung mit definiertem Ein­ spritzbeginn festgestellt wurde.
Die Kraftstoff-Einspritzdauer D wird mittels der am Piezoak­ tor wirkenden Kraft F ermittelt. Diese Kraft F wird - wie die Längenänderung s - aus den elektrischen Signalen (aus dem dem Piezoaktor zugeführten Strom und der sich an ihm aufbauenden Spannung) unter Zuhilfenahme des bereits erwähnten, nichtli­ nearen Aktormodells ermittelt.
Fig. 2a zeigt den prinzipiellen Verlauf der an einem Piezo­ aktor wirkenden Kraft F1 bei einem Kraftstoffeinspritzvorgang bzw. bei einer Fehleinspritzung (F0, strichliert).
Die Kraft F steigt vom Beginn des Ansteuervorgangs an und er­ reicht etwa im Zeitpunkt tA ihr Maximum, geht anschließend in einen etwa horizontalen Verlauf über (bei einer Fehleinsprit­ zung nimmt sie langsam ab) und macht beim Abschalten zunächst einen Sprung ins Negative und anschließend einen Sprung ins Positive, bevor sie wieder zu Null wird.
Zur Ermittlung der Einspritzdauer D wird erfindungsgemäß die erste zeitliche Ableitung dF1/dt der Kraft F herangezogen. Der Verlauf der ersten Ableitung dF1/dt der Kraft F (Fig. 2a) ist schematisch in Fig. 2b dargestellt.
Bei einem korrekten Einspritzvorgang erreicht diese Ableitung dF1/dt ihr Maximum da, wo die Kraft F1 am steilsten ansteigt, wird dann negativ, wenn die Kraft abfällt und erreicht ein Plateau um den Wert Null da, wo die Kraft F1 horizontal ver­ läuft, bevor sie beim Abschalten zunächst negativ und dann positiv und schließlich zu Null wird.
Bei einer Fehleinspritzung würde die Ableitung dF0/dt (in Fig. 2b strichliert) ein geringeres Maximum erreichen und an­ schließend negativ werden, bevor sie beim Abschalten wieder zu Null würde.
Erfindungsgemäß wird im Bereich des oben genannten Plateaus ein Toleranzband für den Wert der ersten Ableitung gelegt, mit einem oberen Wert g1 (für dF/dt positiv) und einem unte­ ren Wert g2 (für dF/dt negativ). Beide Werte sind in Fig. 2b strichliert dargestellt. Auch diese Werte können, wie die Fenster W1 und W2 in Fig. 1, über Kennfelder in Abhängigkeit von zugeführter Energie, Raildruck u. s. w. variiert werden.
Solange sich nun die erste Ableitung dF1/dt - nach dem Zeit­ punkt tA - innerhalb dieses Toleranzbandes befindet, was zwi­ schen den Zeitpunkten t5 und t6 in Fig. 2b festgestellt wird, wird angenommen, dass die Kraftstoffeinspritzung, die allerdings erst zeitversetzt dazu erfolgt, eine Dauer D (D = t6 - t5) aufweist.
Auf die beschriebene Weise kann für jede Ansteuerung eines Piezoaktors für eine Vor-, Haupt- oder Nacheinspritzung fest­ gestellt werden, ob eine korrekte oder eine Fehl-Einspritzung stattfindet, wann die Einspritzung beginnt und wie lange sie dauert.

Claims (6)

1. Verfahren zum Ansteuern eines piezobetriebenen Kraftstoff- Einspritzventils bei einer Vor-, Haupt- oder Nacheinsprit­ zung mittels eines Piezoaktors und eines von ihm betätigten Servoventils zur Erkennung einer Öffnung des Servoventils und der Bestimmung der Einspritzdauer (D), dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ansteuervorgang aus dem dem Piezoaktor zuge­ führten Strom und der sich daraufhin an ihm aufbauenden Span­ nung unter Zuhilfenahme eines nichtlinearen Aktormodells der Verlauf der Längenänderung (s) und die vom Aktor ausgeübte Kraft (F) errechnet werden und aus diesen oder von ihnen ab­ geleiteten Größen (dE/dt) ein Öffnungsvorgang des Servoven­ tils (tA) ermittelt und die Einspritzdauer (D) bestimmt wer­ den.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erstes (W1) und zweites Zeitfenster (W2) vorgesehen sind,
dass die Längenänderungen am Beginn (t1) und am Ende (t2) des ersten Zeitfensters (W1) eine erste Tangente (T1), und die Längenänderungen am Beginn (t3) und am Ende (t4) des zwei­ ten Zeitfensters (W2) eine zweite Tangente (T1') bestimmen,
und
dass sich die beiden Tangenten (T1, T1') in einem Zeitpunkt (tA) schneiden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt (tA) als Öffnungszeitpunkt des Servoventils ge­ wertet wird, wenn die Tangente (T1') einen definierbar stei­ leren Winkel gegenüber der Abszisse aufweist als die Tangente (T1), andernfalls (T0, T0') eine Fehleinspritzung detektiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem als Öffnungszeitpunkt des Servoventils gewer­ teten Zeitpunkt (tA) für die erste zeitliche Ableitung (dF1/dt) der Kraft (F) ein Toleranzband zwischen einem obe­ ren Grenzwert (g1) und einem unteren Grenzwert (g2) festge­ legt wird, und
dass die Zeit (t5 bis t6), in der sich der Wert der ersten Ableitung (dF1/dt) nach dem Zeitpunkt (tA) innerhalb dieses Toleranzbandes bewegt, als Einspritzdauer (D) gewertet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die beiden Zeitfenster (W1, W2) definierenden Zeit­ punkte (t1 bis t4) oder die Grenzwerte (g1, g2) des Toleranz­ bandes als wenigstens der dem Piezoaktor zugeführten Energie, dem Kraftstoff-Raildruck oder der Aktortemperatur zugeordnete Zeitpunkte in Kennfeldern gespeichert sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Kennfeldern gespeicherten Zeitpunkte (t1 bis t4), welche die Zeitfenster (W1, W2) bestimmen, auch von dem in dem jeweils vorhergehenden früheren Einspritzvorgang ermit­ telten Zeitpunkt (tA) abhängig adaptiert werden.
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