DE102011005285A1

DE102011005285A1 - Verfahren zur Bestimmung des Leerhubes eines Piezoinjektors mit direkt betätigter Düsennadel

Info

Publication number: DE102011005285A1
Application number: DE102011005285A
Authority: DE
Inventors: Michael Katzenberger; Manfred Kramel; Nicolas Nozeran
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: DE102011005285B4; US20140060488A1; KR101835572B1; WO2012119909A1; CN103403328B; KR20140017594A; CN103403328A; US9534983B2

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung des Leerhubs eines Piezoinjektors, der einen Piezoaktor und eine vom Piezoaktor direkt betatigte Düsennadel aufweist. An den Piezoaktor wird ein Testpuls angelegt, der eine stetige Zunahme des Piezohubes bewirkt. Es wird die Zeitspanne gemessen, die zwischen dem Start des Testpulses und dem Zeitpunkt des Überwindens des Leerhubs vergeht. Aus der gemessenen Zeitspanne wird der Leerhub des Piezoinjektors ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Leerhubes eines Piezoinjektors mit direkt betätigter Düsennadel.
Ein derartiger Piezoinjektor wird im Zusammenhang mit der Kraftstoffeinspritzung bei Kraftfahrzeugen verwendet, insbesondere in Kraftfahrzeugen, die ein Common-Rail-Einspritzsystem aufweisen.
Ein derartiger Piezoinjektor weist einen Piezoaktor und eine von diesem betätigte Düsennadel auf. Der Piezoaktor, der in Form eines Piezostacks aufgebaut ist, stellt eine kapazitive Last dar und lässt sich durch ein Aufladen auf eine elektrische Spannung, die beispielsweise 150 V betragt, längen. Uber diesen Piezoaktor kann beim Vorliegen eines direkt angetriebenen Kraftstoffeinspritzsystems die Piezobewegung bzw. die Piezokraft über eine Wirkrichtungsumkehr, beispielsweise unter Verwendung eines Hebels, auf die Düsennadel ubertragen werden.
Wahrend der Ladephase des Piezoaktors zwecks Öffnen der Dusennadel wird zunächst ein Leerhub überwunden und erst dann wird die Düsennadel geöffnet. Als Leerhub wird derjenige Weg bezeichnet, um den sich der Piezoaktor weitestgehend kraftfrei ausdehnen muss, bevor die Kraft auf die Düsennadel wirksam wird. Dabei muss die Antriebseinheit systemdruckabhängig eine definierte Kraft überwinden, um die Dusennadel aus ihrem Nadelsitz zu heben. Danach wird die Bewegung des Piezoaktors wieder auf die Bewegung der Düsennadel übertragen.
Der Leerhub hat folglich einen maßgebenden Einfluss für den Zeitpunkt, an dem die Düsennadel sich von ihrem Nadelsitz abhebt.
Bei bekannten Einspritzkonzepten mussen an die verwendeten Bauteile hohe Anforderungen gestellt werden, um die unvermeidbaren Bauteilstreuungen zu minimieren. Unabhängig davon werden des Weiteren umfangreiche Einflussanalysen und Kalibrierungen durchgeführt, in deren Rahmen das jeweilige Konzeptverhalten ermittelt wird und uber die Lebensdauer Exemplarunterschiede kompensiert werden.
Des Weiteren besteht bei bekannten Injektorregelkonzepten die Moglichkeit, die jeweils gewunschte Einspritzmenge anhand einer Ubertragung von elektrischen Rückmeldesignalen, die aufgrund der direkten Kopplung der Düsennadel mit dem Piezoaktor moglich ist, zu überwachen und bei Bedarf Veranderungen des Leerhubes zu kompensieren.
Ein Nachteil der vorstehend genannten Möglichkeit besteht darin, dass beispielsweise in einem Motorschubbetrieb, in welchem keine Einspritzung stattfindet, eine aufgetretene Veränderung des Leerhubes nicht beobachtet werden kann, da in diesem Falle keine Ruckmeldung bezüglich der Nadelposition vorhanden ist. Folglich werden beim Wiedereinsetzen der Einspritzungen zunächst mehrere Einspritzzyklen benötigt, um eine plausible Detektion der Nadelposition gewährleisten zu können, welche wiederum Voraussetzung für eine Kompensation von aufgetretenen Veranderungen des Leerhubes ist. Dabei kann ein Temperaturmodell des Piezoinjektors unterstutzend wirken. Selbst dann ist jedoch eine Sicherstellung der Einspritzmengengenauigkeit nur unzureichend gewahrleistet.
Bei Inline-Injektoren ändern sich die Positionen der Bauteile Antriebseinheit und Dusennadel insbesondere durch eine thermische Ausdehnung sehr stark. Dies macht eine stetige Korrektur der Kraftstoffeinspritzmenge notwendig. Diese stetige Korrektur setzt eine exakte Bestimmung des Leerhubes des Piezoinjektors voraus.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung des Leerhubes eines Piezoinjektors anzugeben, mittels dessen der Leerhub des Piezoinjektors möglichst genau ermittelt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens sind Gegenstand der abhangigen Ansprüche.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Bestimmung des Leerhubs eines Piezoinjektors, der einen Piezoaktor und eine vom Piezoaktor direkt betätigte Düsennadel aufweist, an den Piezoaktor ein Testpuls angelegt, der eine stetige Zunahme des Piezohubes bewirkt, diejenige Zeitspanne gemessen, die zwischen dem Start des Testpulses und dem Zeitpunkt des Überwindens des Leerhubs vergeht, und aus der gemessenen Zeitspanne Ruckschlüsse auf den Leerhub des Piezoinjektors gezogen.
Die Vorteile eines derartigen Verfahrens bestehen insbesondere darin, dass in allen Betriebszuständen des Einspritzsystems eine Veränderung bzw. Verschiebung des Leerhubes beobachtet werden kann. Dieser Vorteil wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass ein Testpuls generiert wird, welcher zwar nicht zu einer Einspritzung führt, es aber dennoch erlaubt, den Leerhub exakt zu ermitteln.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erlauterung anhand der Figuren. Es zeigt
1 eine Skizze zur Erlauterung der Funktionsweise eines direkt angetriebenen Piezoinjektors,
2 eine Skizze zur Veranschaulichung einer Leerhubveränderung bei einem direkt angetriebenen Piezoinjektor,
3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ermittlung des Leerhubes unter Verwendung eines Testpulses und
4 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Einflusses einer Anpassung der Stellgroßen fur einen nachfolgenden Einspritzvorgang.
Die 1 und 2 zeigen Skizzen zur Erläuterung der Funktionsweise eines direkt angetriebenen Piezoinjektors. Der dargestellte Piezoinjektor weist einen Piezoaktor 1, einen Pin bzw. Stößel 2, eine Glocke 4, einen Hebel 5, eine Zwischenscheibe 6, eine Dusennadelfeder 7, eine Dusennadel 8 und einen Düsenkörper 9 auf, von denen in der 1 die Zwischenscheibe und die Dusennadelfeder nicht gezeichnet sind. Die Spitze des Düsenkorpers 9 ragt in einen Brennraum 10 des Kraftfahrzeugs.
Der Piezoaktor 1 besteht aus einer Vielzahl einzelner dünner Schichten, die sich bei einem Anlegen einer elektrischen Spannung mittels einer Stromquelle 11 ausdehnen, d. h. sie übersetzen eine angelegte elektrische Spannung in mechanische Arbeit bzw. Energie. Umgekehrt rufen mechanische Beeinflussungen des Piezoaktors elektrische Signale hervor, die gemessen werden können. Die erreichbare Ausdehnung eines Piezoaktors ist abhangig von Parametern, zu denen seine nominelle Lange, die Anzahl seiner Schichten, die Güte der erfolgten Polarisierung und das Verhältnis seiner aktiven Fläche zu seiner Gesamtfläche gehören. Ist ein Piezoaktor aufgeladen, dann verharrt er für die Dauer der jeweiligen Einspritzung in seiner erreichten Ausdehnung.
Bei dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Piezoinjektor, bei dem die Düsennadel 8 durch den Piezoaktor 1 direkt angetrieben wird. Zu diesem Zweck ist der Piezoaktor 1 über den Pin 2, die Glocke 4, den Hebel 5 und die Zwischenscheibe 6, bei denen es sich um steife, formschlüssig geführte Koppelelemente handelt, unmittelbar mit der Düsennadel 8 verbunden. Durch diese unmittelbare Verbindung der Düsennadel mit dem Piezoaktor wird ein ruckwirkender Krafteintrag von der Nadelbewegung auf den Piezoaktor ermöglicht, der im Kapazitätsverlauf erkennbar ist. Jeder Krafteintrag in den Piezoaktor äußert sich in einer Änderung der gemessenen Kapazität.
Der Düsenkorper 9 dehnt sich temperaturabhängig aus. Der Zweck der Dusennadelfeder 7 besteht darin, die Düsennadel 8 in ihrem Sitz zu halten. Die genannte Ausdehnung des Düsenkorpers 9 in Richtung seiner Langsachse, die sogenannte Dusenlängung, beeinflusst den maximalen Nadelhub. Auch der im nicht gezeichneten Rail herrschende Raildruck bewirkt eine Langung des Düsenkörpers und eine Stauchung der Düsennadel.
Bei einem Nadelöffnungsvorgang erfolgt zunächst ein Aufladen des Piezoaktors 1 durch ein Bestromen desselben. Nach einem Überwinden eines Leerhubes 3 wird die Ausdehnung des Piezoaktors 1 über den Pin 2 auf die Glocke 4 übertragen. Die Glocke 4 drückt beidseits symmetrisch auf den Hebel 5, der ein Hebelpaar bildet. Diese Hebel rollen auf der Zwischenscheibe 6 nach Art einer Wippe. Der jeweilige Angriffspunkt der beiden Hebel liegt in einer Einkerbung der Düsennadel 8.
Durch die vorstehend beschriebene Mechanik wird die axiale Druckkraft des Piezoaktors 1 auf die Düsennadel 8 übertragen. Die Düsennadel wird aus ihrem Sitz gehoben, sobald die Hebelkraft größer ist als die Summe aus der Federkraft und der hydraulischen Kraft und die Elastizität des Düsenkörpers 9 nicht mehr fur ein Nacheilen des Nadelsitzes mit der Düsennadel sorgt.
Nach einem definierten Weg von beispielsweise 100 μm, der bei einem Druck von 200 MPa zurückgelegt wird, trifft der Nadelanschlag auf die Zwischenscheibe. Es baut sich eine Kontaktkraft auf, die auf den Piezoaktor 1 zurückwirkt.
Mit derartigen Piezoaktoren 1 ist es möglich, die Düsennadel 8 nur teilweise aus ihrem Sitz zu heben und im sogenannten Teilhub zu halten. Der freigegebene Durchflussquerschnitt zwischen der Dusennadel und dem Düsenkörper ist dabei kleiner als die Summe der Querschnitte aller Dusenlöcher.
Wie vorstehend erläutert wurde, wirkt bei dem in der 1 gezeigten Piezoinjektor der Piezoaktor 1 über steife Koppelelemente 2, 4, 5, 6 direkt auf die Düsennadel 8 und umgekehrt. Dadurch ist eine Erfassung der Kraftwirkungen auf die Dusennadel 8 durch eine Messung der elektrischen Spannung am Piezoaktor 1 moglich. Ein Piezoaktor hat die Eigenschaft, in einer durch elektrische Aufladung erreichten Ausdehnung zumindest solange zu verharren, wie es fur den gegenwartigen Einspritzvorgang notwendig ist.
Des Weiteren wurde oben ausgefuhrt, dass es bei einem direkt angetriebenen Piezoinjektor möglich ist, diesen in einem Teilhubbetrieb zu betreiben, in welchem die Düsennadel nur einen Teil des maximal moglichen Weges aus dem Nadelsitz gehoben wird und dort verharrt.
Im Betrieb des vorstehend beschriebenen Piezoinjektors kommt es im Falle von starken Temperaturveränderungen zu einer Veranderung bzw. einer Verschiebung des Leerhubes 3. Beispielsweise tritt im Brennraum 10 eine derartige starke Temperaturanderung auf. Der Übergang der Brennraumtemperatur auf den Piezoinjektor erfolgt über dessen Düsenspitze, die teilweise in den Brennraum hineinragt. Dabei tritt folgende Wirkungskette auf:

– der Düsenkorper 9 längt sich in axialer Richtung bzw. in Richtung zum Brennraum 10,
– die Dusennadel 8 folgt der Düsenspitze,
– der Hebel 5 ubersetzt die Bewegung nach oben auf die Glocke 4,
– die Glocke 4 wird in Richtung des Piezoaktors 1 bewegt,
– aufgrund einer Bewegung der Glocke 4 wird auch der Pin 2 in Richtung des Piezoaktors 1 bewegt,
– dadurch wird der Leerhub 3 kleiner.

Die 2 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung einer derartigen Veranderung des Leerhubes.
Dabei ist durch die Bezeichnung ΔT und die im Düsenkörper 9 dargestellten, nach unten gerichteten Pfeile veranschaulicht, dass sich der Dusenkörper 9 im Falle einer Erhitzung längt. Durch die ebenfalls nach unten gerichteten Pfeile in der Düsennadel 8 ist veranschaulicht, dass die Düsennadel 8 im nichtbetätigten Zustand der Düsenspitze folgt. Durch den Pfeil F ist veranschaulicht, dass durch die Übersetzung der Kraft seitens des Hebels 5 die Glocke 4 nach oben in Richtung des Piezoaktors 1 bewegt wird, so dass der Leerhub 3 reduziert wird. Diese Reduzierung des Leerhubes ist in der 2 mit der Bezeichnung ΔLH angedeutet. Der resultierende Leerhub ist nach alledem abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Düsennadel 8 und dem Dusenkörper 9.
Die erfindungsgemaße Messung des Leerhubes basiert auf der Generierung eines Testpulses, welcher zwar nicht zu einer Einspritzung führt, es aber dennoch erlaubt, den Leerhub exakt zu ermitteln.
Zu diesem Zweck wird mittels der Stromquelle 11, bei der es sich um eine hochohmige Stromquelle handelt, ein niedriger Konstantstrom an den Piezoaktor 1 angelegt. Mittels dieses Konstantstroms wird ein stetiger Spannungsanstieg generiert, infolge dessen sich ein stetiger Piezohub analog der Spannungsrampe einstellt. Die Piezoeinheit arbeitet im Bereich des Leerhubes nur gegen die anstehende Kraft, welche über den Pin 2 auf den Piezoaktor 1 wirkt. Sofern keine zusätzliche Kraft mit einwirkt, bleibt die anstehende Kraft konstant und kann in einem weiteren, späteren Prozess aus der Bearbeitung herausgerechnet werden. Sobald der Leerhub überwunden ist und der Piezoaktor 1 über den Pin 2 auf die Glocke 4 trifft, steigt die einwirkende Kraft an. Dies fuhrt zu einer Geschwindigkeitsanderung des Piezoaktors. Dies beruht auf der Steifigkeit der Piezoeinheit und bedeutet, dass der Hub nahezu konstant bleibt und im Weiteren ein interne Kraft innerhalb des Piezoaktors aufgebaut wird, die dazu ausreicht, die Düsennadel aus ihrem Sitz zu heben.
Die 3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ermittlung des Leerhubes unter Verwendung eines Testpulses. Dabei ist im oberen Teil des Diagrammes längs der Ordinate der Nadelhub und im unteren Teil längs der Ordinate der Piezohub aufgetragen. Längs der Abszisse ist jeweils die Zeit t aufgetragen. Dabei sind auf der den Piezohub beschreibenden Achse Hubwerte h1, h2 und h3 markiert, die charakteristisch sind für verschiedene Werte des Leerhubs, die im nicht angesteuerten Zustand des Piezoaktors vorliegen. Auf der rechten Seite des unteren Teils des Diagrammes sind Testpulse TP1, TP2 und TP3 und deren Auswirkungen auf den Piezohub veranschaulicht.
Der Testpuls TP1 beginnt zu einem Zeitpunkt t0 ausgehend von einem Leerhubwert h1 und bewirkt einen stetigen Piezohub entlang einer Spannungsrampe, die eine in der 3 dargestellte Linie l zu einem Zeitpunkt t3 schneidet. Diese Linie l ist charakteristisch für denjenigen Zeitpunkt, an welchem der Piezoaktor 1 auf den Pin 2 trifft. Dieses Zeitintervall zwischen t0 und t3 kennzeichnet den Leerhub h1.
Der Testpuls TP2 beginnt ebenfalls zum Zeitpunkt t0, geht aber von einem Leerhubwert h2 aus und bewirkt einen stetigen Piezohub entlang einer Spannungsrampe, die die in der 3 dargestellte Linie l zu einem Zeitpunkt t2 schneidet. Diese Linie l ist charakteristisch für den Zeitpunkt, an welchem der Piezoaktor 1 auf den Pin 2 trifft. Das Zeitintervall zwischen t0 und t2 kennzeichnet den Leerhub h2.
Der Testpuls TP3 beginnt wiederum zum Zeitpunkt t0, geht aber von einem Leerhubwert h3 aus und bewirkt einen stetigen Piezohub entlang einer Spannungsrampe, die die in der 3 dargestellte Linie l zu einem Zeitpunkt t1 schneidet. Diese Linie l charakterisiert denjenigen Zeitpunkt, an welchem der Piezoaktor 1 auf den Pin 2 trifft. Das Zeitintervall zwischen t0 und t1 kennzeichnet den Leerhub h3.
Der in der 3 gezeigte Zeitpunkt t4 kennzeichnet das Ende des jeweiligen Testpulses. Wie aus der 3 ersichtlich ist, ist die Dauer der Testpulse derart gewählt, dass in keinem Fall durch den Testpuls ein Nadelhub hervorgerufen wird.
Das Zeitintervall zwischen dem Beginn des Testpulses und dem Zeitpunkt, an welchem der Testpuls die Linie l schneidet, ist charakteristisch für den jeweils vorliegenden Leerhub. Je größer der jeweilige Leerhub ist, desto länger dauert es, bis nach dem Beginn des Testpulses die Schnittlinie l erreicht wird. Aus dieser Zeitdauer, die der Testpuls bis zum Erreichen der Schnittlinie l benötigt, können folglich Rückschlüsse darauf gezogen werden, wie groß der Leerhub ist.
In Abhangigkeit von der jeweils ermittelten Zeitdauer und damit in Abhängigkeit vom jeweiligen Leerhub werden unter Verwendung einer im Voraus erstellten und im Kraftfahrzeug hinterlegten Datenbank, in welcher der Systemdruck zusätzlich berücksichtigt ist, Spannungswerte ausgelesen, mittels welcher eine nachfolgende Ansteuerung des Piezoaktors und damit ein nachfolgender Einspritzvorgang vorgenommen wird.
Dies ist insbesondere bei einem Wiedereinsetzen der Einspritzung nach Beendigung einer Schubphase des Motors von Vorteil, da es durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht wird, bereits ab der ersten Einspritzung nach einer Schubphase des Motors exakt die gewünschte Kraftstoffmenge einzuspritzen.
Dies wird anhand der 4 erläutert, die ein Diagramm zur Veranschaulichung des Einflusses einer Anpassung der Stellgrößen für einen nachfolgenden Einspritzvorgang zeigt. Dabei ist die Kurve K1 dem in der 3 gezeigten Testpuls TP1 zugeordnet, die Kurve K2 dem in der 3 gezeigten Testpuls TP2 und die Kurve K3 dem in der 3 gezeigten Testpuls TP3.
Aus der 4 ist ersichtlich, welchen Einfluss eine Leerhubverschiebung auf ein mögliches Einspritzevent darstellt. Gezeigt ist eine kurze elektrische Ansteuerung analog einer moglichen Voreinspritzung und eine längere Ansteuerung mit erhöhtem Nadelhub analog einer Haupteinspritzung.
Infolge einer Verschiebung vom Leerhublevel h1 in Richtung Leerhublevel h3 werden die eingespritzten Mengen großer. Ursache hierfür ist, dass mit einer Reduzierung des Leerhublevels der hydraulische Einspritzbeginn zeitlich bezogen früher startet. Sofern dies bei der elektrischen Ansteuerung des Piezos nicht berücksichtigt wird, öffnet die Düsennadel im ballistischen Betrieb (Voreinspritzung) weiter und wird dementsprechend später wieder geschlossen. Im Falle einer nichtballistischen Einspritzung (Haupteinspritzung) mit voll geöffneter Nadel zeichnet sich dieser Effekt ebenfalls ab, es sei denn, der maximale Nadelhub wird durch eine Begrenzung limitiert. Unter Annahme einer Leerhubdetektion, wie beschrieben, besteht die Möglichkeit, anhand der gemessenen Zeitabstände von t0 bis t1 oder t2 oder t3 die jeweiligen Unterschiede in der Ansteuerung zu berucksichtigen, wie dies in der 4 gezeigt ist. Mögliche Varianten zur Einspritzmengengleichstellung sind Korrekturen der Ansteuerdauer fur die jeweiligen Einspritzungen, Korrekturen der Einspritzlage, Korrekturen über den Piezohub und Korrekturen über den Einspritzdruck oder Kombinationen mehrerer dieser Varianten.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Leerhubs eines Piezoinjektors, der einen Piezoaktor und eine vom Piezoaktor direkt betätigte Düsennadel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – an den Piezoaktor ein Testpuls angelegt wird, der eine stetige Zunahme des Piezohubes bewirkt, – die Zeitspanne gemessen wird, die zwischen dem Start des Testpulses und dem Zeitpunkt des Uberwindens des Leerhubs vergeht, und – aus der gemessenen Zeitspanne der Leerhub des Piezoinjektors ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Testpuls derart bemessen ist, dass er innerhalb einer vorgegebenen Testpulsdauer zu keinem Nadelhub führt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Testpuls von einer hochohmigen Stromquelle bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hochohmige Stromquelle in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung einer Datenbank aus der gemessenen Zeitspanne Spannungswerte ermittelt werden, die bei einem nachfolgenden Einspritzvorgang zur Ansteuerung des Piezoaktors verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenbank im Rahmen der Fertigung eines Kraftfahrzeugs in einem Speicher nichtfluchtig hinterlegt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erstellung der Datenbank fur vorgegebene Systemdruckwerte jeweils eine Vielzahl von Zeitspannen und ein jeweils zugehöriger Spannungswert abgespeichert werden.