DE102010063667B4

DE102010063667B4 - Geräuschreduzierendes Ansteuerverfahren für einen Piezoaktor in einem Injektor

Info

Publication number: DE102010063667B4
Application number: DE102010063667.3A
Authority: DE
Inventors: Robert Kuchler
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: US20120174896A1; US8800535B2; FR2969213B1; FR2969213A1; DE102010063667A1

Abstract

Ansteuerverfahren für einen Piezoaktor in einem an einem Zylinderkopf montierten Injektor mit einem Einspritzventil, umfassend die Schritte:
- Auslösen einer Einspritzung durch
Anlegen eines Einspritz-Ladestrompulses (11) an den Piezoaktor zum Öffnen des Einspritzventils und Starten einer Einspritzung, und
Anlegen eines Einspritz-Entladestrompulses (12) an den Piezoaktor zum Schließen des Einspritzventils und Beenden der Einspritzung;
wobei der Einspritz-Ladestrompuls (11) und der Einspritz-Entladestrompuls (12) jeweils eine Längenänderung des Piezoaktors bewirken, welche ein den Injektor und den Zylinderkopf umfassendes Schwingungssystem zu einer Schwingung (6) anregen;
- Wiederholung der Schritte zur Auslösung einer Einspritzung nach einem Leerzeitintervall (t_L), in welchem keine Einspritzung stattfindet; gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
- Anlegen eines Dämpfungs-Ladestrompulses (13) an den Piezoaktor zu einem Zeitpunkt t₁ und eines Dämpfungs-Entladestrompulses (14) zu einem Zeitpunkt t₂ während des Leerzeitintervalls (t_L),
wobei die durch den Dämpfungs-Ladestrompuls (13) und den Dämpfungs-Entladestrompuls (14) erzeugten Längenänderungen des Piezoaktors zu gering sind um das Einspritzventil zu betätigen und eine Einspritzung auszulösen,
und wobei die Zeitpunkte t₁ und t₂ so gewählt sind, dass eine Anregung des Schwingungssystems durch den Dämpfungs--Ladestrompuls (13) und den Dämpfungs-Entladestrompuls (14) zu der durch den Einspritz-Ladestrompuls (11) und den Einspritz-Entladestrompuls (12) angeregten Schwingung (6) gegenphasig erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ansteuerverfahren für einen Piezoaktor in einem an einem Zylinderkopf montierten Injektor mit einem Einspritzventil. Das Verfahren umfasst die Auslösung einer Einspritzung durch Anlegen eines Einspritz-Ladestrompulses an den Piezoaktor zum Öffnen des Einspritzventils und Starten einer Einspritzung sowie das Anlegen eines Einspritz-Entladestrompulses an den Piezoaktor zum Schließen des Einspritzventils und Beenden der Einspritzung. Der Einspritz-Ladestrompuls und der Einspritz-Entladestrompuls bewirken jeweils eine Längenänderung des Piezoaktors, welche ein Schwingungssystem, umfassend den Injektor und den Zylinderkopf zu einer Schwingung anregt. Nach einem Leerzeitintervall, in welchem keine Einspritzung stattfindet, werden die Schritte zum Auslösen einer Einspritzung wiederholt.
Bei bekannten Injektoren, beispielsweise Diesel-Piezo-Common-Rail-Injektoren wird ein Einspritzventil zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinderkopfs durch einen Piezoaktor angesteuert. Durch Anlegen einer Spannung an den Piezoaktor bzw. durch Aufladen der Elektroden eines Piezoaktors mit einem Ladestrompuls erfährt der Piezoaktor eine Längenänderung. Diese Längenänderung wird als Betriebshub auf ein Ventilglied des Einspritzventils übertragen. Zum Schließen des Einspritzventils werden die Elektroden des Piezoaktors mit einem entsprechenden Entladestrompuls entladen. Die Längenänderung wird dadurch rückgängig gemacht, und die Bewegung des Piezoaktors auf das Ventilglied des Einspritzventils zum Schließen des Ventils übertragen. Diese Längenänderungen des Piezoaktors erfolgen hochdynamisch und erzeugen Beschleunigungskräfte und mechanische Schwingungen, welche im eingebauten Zustand an einem Zylinderkopf hörbar auf den Injektor und den Zylinderkopf übertragen werden. Dieses vom Piezoaktor verursachte Geräusch wird häufig als störend empfunden, insbesondere, wenn es im Leerlaufbetrieb des Motors gegenüber den Verbrennungsgeräuschen in den Vordergrund tritt.
Bei bekannten Piezo-Diesel-Common-Rail-Systemen wurde versucht, dass für die Ansteuerung des Piezoaktors verwendete Stromprofil so anzupassen, dass die besonders störenden höheren Frequenzanteile des Geräusches reduziert werden. Dazu wurde beispielsweise die Ladezeit des Piezoaktors von 100 Mikrosekunden auf etwa 180 Mikrosekunden erhöht. Neben der gewünschten Reduzierung der störenden Frequenzanteile wurde dadurch jedoch auch die Genauigkeit der Einspritzmengen, insbesondere im Kleinstmengenbereich negativ beeinflusst. Als weitere Maßnahmen wurden Abschirmungen z.B. in Form einer Kunststoffabdeckung eingeführt, welche jedoch nur in die Richtung der Platzierung des entsprechenden Abschirmelementes wirken. Die Einleitung der Schwingungen in den Zylinderkopf bzw. Motor und somit die Geräuschentwicklung kann mit diesen Maßnahmen nicht eliminiert werden. Ein weiterer Nachteil dieser Abschirmungsmaßnahmen sind die damit verbundenen hohen Kosten.
Aus der EP 099 58 99 A2 ist ein piezoelektrischer Aktuator bekannt welcher durch einen Impuls anregbar ist. Durch diesen Impuls kann eine mechanische Schwingung im Resonanzbereich entstehen, welche sich entsprechend auch verstärken kann. Dieser Schwingung im Resonanzbereich soll durch einen überlagerten Impuls entgegengewirkt werden.
Aus der DE 10 2005 036 190 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine bekannt. Hierzu wird ein piezoelektrischer Aktor verwendet. Dabei wird eine die Aktorbetätigung bestimmende Ansteuerspannung in Abhängigkeit von einer Druckwellenbeeinflussung der Kraftstoffeinspritzung korrigiert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem sich die unerwünschte Geräuschentwicklung reduzieren lässt.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Ansteuerverfahren für einen Piezoaktor in einem an einem Zylinderkopf montierten Injektor mit einem Einspritzventil gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Ansteuerverfahren für einen Piezoaktor in einem an einem Zylinderkopf montierten Injektor mit einem Einspritzventil wird eine Einspritzung ausgelöst durch Anlegen eines Einspritz-Ladestrompulses an den Piezoaktor zum Öffnen des Einspritzventils und Starten einer Einspritzung. Durch Anlegen eines Einspritz-Entladestrompulses an den Piezoaktor wird das Einspritzventil geschlossen und die Einspritzung beendet. Der Einspritz-Ladestrompuls und der Einspritz-Entladestrompuls bewirken jeweils eine Längenänderung des Piezoaktors, welche ein Schwingungssystem umfassend den Injektor und den Zylinderkopf zu einer Schwingung anregen. Nach einem Leerzeitintervall, in welchem keine Einspritzung stattfindet, werden die Schritte zur Auslösung der Einspritzung wiederholt. Erfindungsgemäß werden während des Leerzeitintervalls zum Zeitpunkt t₁ und zum Zeitpunkt t₂ ein Dämpfungs-Ladestrompuls und ein Dämpfungs-Entladestrompuls an den Piezoaktor angelegt. Dämpfungs-Ladestrompuls und Dämpfungs-Entladestrompuls erzeugen ebenfalls Längenänderungen des Piezoaktors, welche jedoch zu gering sind um das Einspritzventil zu betätigen und eine Einspritzung auszulösen. Erfindungsgemäß sind die Zeitpunkte t₁ und t₂ während des Leerzeitintervalls so gewählt, dass eine Anregung des Schwingungssystems durch den Dämpfungs-Ladestrompuls und dem Dämpfungs-Entladestrompuls zu der durch den Einspritz-Ladestrompuls und den Einspritz-Entladestrompuls angeregten Schwingung gegenphasig erfolgt.
Sowohl der Einspritz-Ladestrompuls als auch der Einspritz-Entladestrompuls bewirken eine Längenänderung des Piezoaktors, die einen Impuls auf das Schwingungssystem mit Injektor und Zylinderkopf ausübt. Bereits durch den Einspritz-Ladestrompuls wird das System zu Eigenschwingung mit einer systemtypischen Frequenz angeregt. Nach einem Zeitintervall t_i (Injection time) nach Beginn des Einspritz-Ladestrompulses wird der Einspritz-Entladestrompuls an den Piezoaktor angelegt und die Einspritzung dadurch beendet. Auch durch diesen Einspritz-Entladestrompuls wird eine erneute Anregung des Schwingungssystems bewirkt. Je nach Dauer des Intervalls t_i verändert sich die Amplitude der Eigenschwingung, je nachdem, ob die Anregung gegenphasig oder gleichphasig mit der bereits vorhandenen Schwingung erfolgt. Eine Reduzierung der Schwingungsamplitude ließe sich somit prinzipiell durch eine Anpassung der Einspritzdauer t_i erreichen. Die Einspritzdauer, über welche auch die Menge des eingespritzten Kraftstoffs gesteuert wird, sollte aber vorzugsweise frei wählbar sein.
Zur Reduzierung der Schwingungsamplitude der angeregten Eigenschwingungen werden daher erfindungsgemäß zwischen zwei Einspritzungen ein zusätzlicher Dämpfungs-Ladestrompuls und ein Dämpfungs-Entladestrompuls an den Piezoaktor angelegt. Die Amplitude bzw. Dauer des Dämpfungs-Ladestrompulses und des Dämpfungs-Entladestrompulses ist dabei geringer als die der Einspritz-Ladestrompulse und ein Einspritz-Entladestrompulse, so dass die dadurch bewirkte Längenänderung des Piezoaktors nicht ausreicht um das Einspritzventil zu betätigen. Damit soll verhindert werden, dass eine zusätzliche Einspritzung zwischen den eigentlich vorgesehenen Einspritzungen stattfindet. Üblicherweise weist der Piezoaktor in einem Injektor einen gewissen Leerhub auf, welcher überwunden werden muss, bevor durch die Aktorbewegung eine Bewegung des Ventilglieds ausgelöst wird. Der Dämpfungs-Ladestrompuls und der Dämpfungs-Entladestrompuls sind daher klein genug, dass die dadurch bewirkte Längenänderung des Aktors innerhalb der Grenzen des Leerhubs erfolgt.
Dennoch bewirkt die Längenänderung des Piezoaktors durch die Dämpfung-Ladestrompulses und Dämpfungs-Entladestrompulse eine Anregung des Schwingungssystems mit Injektor und Zylinderkopf. Die Zeitpunkte des Dämpfungs-Ladestrompulses und des Dämpfungs-Entladestrompulses werden so gewählt, dass die Anregung des Schwingungssystems gegenphasig zu der durch die Einspritz-Ladestrompulse und Einspritz-Entladestrompulse angeregten Schwingung erfolgen. Durch die gegenphasige Ansteuerung des Schwingungssystems, wird die Schwingung gedämpft, und die Amplitude reduziert. Dies führt zu einer deutlichen Reduzierung des hörbaren Geräusches.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, erfolgen der Dämpfungs-Ladestrompuls und der Dämpfungs-Entladestrompuls relativ kurz nach dem Ende der Einspritzung nach dem Einspritz-Entladestrompuls. Damit kann erreicht werden, dass die störende Eigenschwingung schon nach kurzer Zeit in ihrer Amplitude reduziert ist, so dass das Geräusch frühzeitiger reduziert werden kann. Vorzugsweise liegen die Zeitpunkte t1 und t2 des Dämpfungs-Ladestrompuls und des Dämpfungs-Entladestrompulses im ersten Drittel des Leerzeitintervalls t_L. Das Leerzeitintervall t_L beginnt mit dem Ende eines Einspritz-Entladestrompulses und endet mit dem Beginn eines darauffolgenden Einspritz-Ladestrompulses.
Die Ansteuerung des Piezoaktors mit dem Dämpfungs-Ladestrompuls dem Dämpfungs-Entladestrompuls kann vorzugsweise durch die bereits vorhandene Ansteuerelektronik im Fahrzeug ausgeführt werden, so dass die Steuerung des Dämpfungs-Ladestrompulses und des Dämpfungs-Entladestrompulses durch eine Steuereinheit geregelt wird, welche auch die Ansteuerung des Einspritz-Ladestrompulses und des Einspritz-Entladestrompulses ausführt.
Im Gegensatz zu klassischen Ansätzen, wie dem Einsatz von Schwingungs und Schallisolierenden Elementen werden somit erfindungsgemäß die physikalischen Schwingungsgesetze vorteilhaft zur Schallreduzierung ausgenutzt und hierzu die bereits vorhandene Ansteuerelektronik im Fahrzeug verwendet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen schematisch:

1: Die Piezobestromung (Ladestrom des Piezoaktors) in Abhängigkeit von der Zeit; und
2: die vom Piezoaktor verursachten Reaktionskräfte und Schwingungen am Injektor an der Schnittstelle zum Zylinderkopf.

1 zeigt die Strombeaufschlagung des Piezoaktors gegenüber der Zeit mit zwei aufeinanderfolgenden Einspritzvorgängen, die jeweils mit einem Einspritz-Ladestrompuls 11 beginnen. Nach einem Zeitintervall t_i erfolgt ein Einspritz-Entladestrompuls 12, welcher ein Schließen des Einspritzventils bewirkt und die Einspritzung beendet. Auf den Einspritz-Entladestrompuls 12 folgt ein Leerzeitintervall t_L, in welchem keine Einspritzung stattfindet, bevor mit einem erneuten Einspritz-Ladestrompuls 11 eine erneute Einspritzung begonnen wird. Im Leerzeitintervall t_L werden zum Zeitpunkt t₁ ein Dämpfungs-Ladestrompuls 13 und zum Zeitpunkt t₂ ein Dämpfungs-Entladestrompuls 14 an den Piezoaktor angelegt. Die durch den Dämpfungs-Ladestrompuls 13 und den Dämpfungs-Entladestrompuls 14 bewegten Ladungsmengen sind nicht groß genug, um den Piezoaktor soweit in seiner Länge zu verändern, dass das Einspritzventil betätigt wird. Die Längenänderung des Piezoaktors durch die beiden Dämpfungspulse 13 und 14 sind geringer als der vorgesehene Leerhub im Injektor. Die Zeitpunkte t₁ und t₂ der beiden Dämpfungspulse 13 und 14 sind so gewählt, dass die dadurch angeregte Schwingung an dem Schwingungssystem umfassend den Injektor und den Zylinderkopf gegenphasig zu der durch die Einspritzpulse 11 und 12 angeregten Schwingung ist.
2 zeigt die an der Schnittstelle zwischen Injektor und Zylinderkopf wirkenden Beschleunigungskräfte. Die durch die Schwingungsanregung der Einspritzpulse 11 und 12 angeregte Schwingung 6 hat zunächst eine hohe Amplitude welche aufgrund einer Dämpfung Beispielsweise aufgrund von Reibung mit der Zeit bis zur nächsten Einspritzung langsam abnimmt. Mit Einsetzen des Dämpfungspulses 13 zum Zeitpunkt t₁ und dem Dämpfungs-Entladepuls 14 zum Zeitpunkt t₂ wird die Amplitude der Schwingung deutlich reduziert, wie in der 2 an der durchgezogenen Linie zu erkennen ist. Der herkömmliche Verlauf der Schwingungen ohne die erfindungsgemäßen Dämpfungspulse 13 und 14 ist in 2 gestrichelt dargestellt.

Claims

Ansteuerverfahren für einen Piezoaktor in einem an einem Zylinderkopf montierten Injektor mit einem Einspritzventil, umfassend die Schritte: - Auslösen einer Einspritzung durch Anlegen eines Einspritz-Ladestrompulses (11) an den Piezoaktor zum Öffnen des Einspritzventils und Starten einer Einspritzung, und Anlegen eines Einspritz-Entladestrompulses (12) an den Piezoaktor zum Schließen des Einspritzventils und Beenden der Einspritzung; wobei der Einspritz-Ladestrompuls (11) und der Einspritz-Entladestrompuls (12) jeweils eine Längenänderung des Piezoaktors bewirken, welche ein den Injektor und den Zylinderkopf umfassendes Schwingungssystem zu einer Schwingung (6) anregen; - Wiederholung der Schritte zur Auslösung einer Einspritzung nach einem Leerzeitintervall (t_L), in welchem keine Einspritzung stattfindet; gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: - Anlegen eines Dämpfungs-Ladestrompulses (13) an den Piezoaktor zu einem Zeitpunkt t₁ und eines Dämpfungs-Entladestrompulses (14) zu einem Zeitpunkt t₂ während des Leerzeitintervalls (t_L), wobei die durch den Dämpfungs-Ladestrompuls (13) und den Dämpfungs-Entladestrompuls (14) erzeugten Längenänderungen des Piezoaktors zu gering sind um das Einspritzventil zu betätigen und eine Einspritzung auszulösen, und wobei die Zeitpunkte t₁ und t₂ so gewählt sind, dass eine Anregung des Schwingungssystems durch den Dämpfungs--Ladestrompuls (13) und den Dämpfungs-Entladestrompuls (14) zu der durch den Einspritz-Ladestrompuls (11) und den Einspritz-Entladestrompuls (12) angeregten Schwingung (6) gegenphasig erfolgt.
Ansteuerverfahren für einen Piezoaktor gemäß Anspruch 1, wobei das Leerzeitintervall (t_L) durch das Ende eines Einspritz-Entladestrompulses (12) und den Beginn des darauffolgenden Einspritz-Ladestrompulses (11) festgelegt ist und der Zeitpunkt t₁ im ersten Drittel des Leerzeitintervalls (t_L) liegt.
Ansteuerverfahren für einen Piezoaktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung des Dämpfungs-Ladepulses (13) und des Dämpfungs-Entladestrompulses (14) durch eine Steuereinheit geregelt wird, welche auch die Ansteuerung des Einspritz-Ladestrompulses (11) und des Einspritz-Entladestrompulses (12) ausführt.