DE102012204272A1

DE102012204272A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit Regelung des Einspritzventils zur Erhöhung der Mengengenauigkeit und Kraftstoffeinspritzsystem

Info

Publication number: DE102012204272A1
Application number: DE102012204272A
Authority: DE
Inventors: Hong Zhang; Detlev Schöppe
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-20
Also published as: US20150013647A1; DE102012204272B4; CN104302897B; CN104302897A; WO2013139725A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine beschrieben. Bei dem Verfahren wird ein Piezo-Aktuator verwendet, der zusätzlich zum aktiven, für die Betätigung des Servoventils verwendeten Piezobereich einen passiven Piezobereich als Kraftsensor aufweist. Mithilfe dieses Kraftsensors findet während der Einspritzphase oder in der Einspritzpause eine Kraftmessung statt, und aus der Abweichung zwischen dem Ist-Kraftverlauf sowie einem Soll-Verlauf wird eine Korrekturgröße für die Ansteuerung des Piezo-Aktuators ermittelt, um auf diese Weise den Einspritzvorgang zu regeln. Ferner wird ein Kraftstoffeinspritzsystem beschrieben, das für ein derartiges Verfahren eingerichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, das einen Druckspeicher (Rail), mindestens ein Einspritzventil, bei dem ein Piezo-Aktuator ein in einem Servoventilraum angeordnetes Servoventil gegen die Kraft einer Schließfeder betätigt, damit ein Verschlusselement eine über eine Kraftstoffleitung mit dem Druckspeicher in Verbindung stehende Einspritzöffnung öffnet, und eine Steuer- und Regeleinheit aufweist.
Kraftstoffeinspritzsysteme, mit denen die Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgenommen wird, sind seit langem bekannt. Derartige Einspritzsysteme umfassen mindestens ein Einspritzventil (Injektor) und mindestens eine mit dem Einspritzventil verbundene Steuer- und Regeleinheit zur Steuerung des Einspritzvorganges. Das Einspritzventil besitzt dabei einen Raum, aus welchem heraus Kraftstoff durch eine Einspritzöffnung in den Brennraum injizierbar ist. Das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung wird mittels eines Verschlusselementes (Düsennadel) vorgenommen, das von einem Aktuator betätigt (bewegt) werden kann. Der Raum wird über einen Hochdruckspeicher und eine Kraftstoffleitung mit Kraftstoff versorgt.
Bei dem Aktuator handelt es sich um ein Element zum Bewegen des Verschlusselementes. Damit wird ein Einspritzvorgang mithilfe des Aktuators gesteuert. Der Aktuator steht hierbei nicht in direkter Antriebsverbindung mit dem Verschlusselement, sondern betätigt ein Servoventil, um unter hohem Druck stehenden Kraftstoff aus einem Servoventilraum abzuführen und auf diese Weise eine Betätigung des Verschlusselementes zu bewirken und die zugehörige Einspritzöffnung zu öffnen.
Bei dem Aktuator handelt es sich um einen Piezo-Aktuator, der aufgrund des piezoelektrischen Effektes bei Beaufschlagung mit elektrischer Energie sich ausdehnt (seine Länge vergrößert) und auf diese Weise das Servoventil von seinem Sitz abhebt, um damit das Verschlusselement zu betätigen.
Um den Einspritzvorgang zu regeln, wird bei den Einspritzsystemen des Standes der Technik mit Piezo-Servoantrieb der Schließzeitpunkt des Verschlusselementes bestimmt und geregelt. Das setzt voraus, dass der Leerhub des Piezo-Aktuators bekannt ist. Daher wird gleichzeitig der Leerhub adaptiert (über einen Druckabfall oder über eine Frequenz/Amplituden-änderung des Piezo-Aktuators während der Ansteuerung). Dieses Adaptionsverfahren ist jedoch relativ langsam, und die Genauigkeit und Robustheit sind abhängig vom Design des Einspritzventils. Je nach Betriebsbedingungen kann es passieren, dass die Mengentoleranz groß ist.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Zielsetzung, bei einem Kraftstoffeinspritzsystem mit Piezo-Servoantrieb sowohl den Verlauf der Servoventilbewegung als auch den Verlauf der Bewegung des Verschlusselementes (Düsennadel) genau zu regeln, um die Mengendosiergenauigkeit zu erhöhen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem sich eine besonders genaue und schnelle Einspritzregelung auf einfache und robuste Art durchführen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art dadurch gelöst, dass ein Piezo-Aktuator verwendet wird, der zusätzlich zum aktiven, für die Betätigung des Servoventils verwendeten Piezobereich einen passiven Piezobereich als Kraftsensor aufweist;
mithilfe dieses Kraftsensors die auf den passiven Piezobereich einwirkende Kraft beim Öffnen des Servoventils ermittelt wird; und
die vom Kraftsensor ermittelte Kraft mit einem vom Druck im Druckspeicher (Raildruck) abhängigen Soll-Wert verglichen und die entsprechende Abweichung zur Korrektur der Ansteuerung des Piezo-Aktuators verwendet wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet ein Piezo-Aktuator Verwendung, der zusätzlich einen Kraftsensor aufweist, mit dem die auf den Kraftsensor ausgeübte Kraft gemessen wird. Das entsprechende Signal des Kraftsensors wird dann für die Einspritzregelung verwendet. Dabei wird die gemessene Kraft mit einem Soll-Wert verglichen, und durch Korrektur der Ansteuerung des Piezo-Aktuators folgt die entsprechende Regelung des Einspritzvorganges.
Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt mehrere Ausführungsformen. Bei einer ersten Ausführungsform findet eine Regelung des Servoventils während der Einspritzphase statt. Hierbei wird während der Einspritzphase der Verlauf des Kraftsignals vom Laden bis zum Entladen des Piezo-Aktuators mit dem Soll-Verlauf abhängig vom Druck im Druckspeicher (Raildruck) verglichen, und die Abweichung wird zur Korrektur der Ansteuerung des Piezo-Aktuators verwendet. Im Einzelnen wird hierbei zur Realisierung der Einspritzung der Piezo-Aktuator (aktive Bereich) mit einem Stromprofil angesteuert. Gleichzeitig erfolgt die Kraftmessung über den Kraftsensor, wobei die elektrische Spannung des Sensors und hieraus beispielsweise über eine Kennlinie die auf den Sensor ausgeübte Kraft F_s bestimmt werden kann.
Insbesondere werden während der Einspritzphase der Öffnungszeitpunkt und/oder Schließzeitpunkt des Servoventils durch die Kraftmessung detektiert und mit den entsprechenden Soll-Zeitpunkten verglichen. Die entsprechende Abweichung wird zur Korrektur der Ansteuerung des Piezo-Aktuators verwendet.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens findet eine Regelung des Servoventils während der Einspritzpause statt. Hierbei wird während der Einspritzpause der aktive Piezobereich mit einem langsamen Stromprofil angesteuert und die Kraft mit dem Kraftsensor gemessen, wobei das dem Öffnungszeitpunkt des Servoventils entsprechende Maximum des Kraftsignals F_s_max ermittelt und mit dem Soll-Wert abhängig vom Druck im Druckspeicher verglichen wird. Die Abweichung wird zur Korrektur der Ansteuerung des Piezo-Aktuators für die Einspritzung beim jeweiligen Raildruck verwendet.
Wenn der Piezo-Aktuator mit einem entsprechenden Stromprofil angesteuert wird, steigt das Kraftsignal zunächst, bis ein Maximum erreicht ist. Danach fällt das Kraftsignal wieder ab. Sobald das Kraftsignal abfällt, wird der Piezo-Aktuator wieder mit einem negativen Stromprofil entladen.
Bei noch einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während der Einspritzphase mit dem Kraftsensor ein dem Umkehrzeitpunkt des Verschlusselementes entsprechendes Maximum und ein dem Schließzeitpunkt des Verschlusselementes entsprechendes Minimum des Kraftsignals gemessen. Aus der Differenz beider Zeitpunkte wird die IST-Einspritzzeit ermittelt und mit der SOLL-Einspritzzeit verglichen. Die Abweichung wird zur Korrektur der Ansteuerung des Piezo-Aktuators verwendet.
Mit dem Kraftsensor kann der Servoventilschließzeitpunkt erkannt werden. Das Wiederaufladen des Piezo-Aktuators findet erst nach dem Schließzeitpunkt statt. Die Ladung wird dabei so eingestellt, dass die Kraft auf den Kraftsensor unterhalb der Schließkraft des Servoventils bleibt. Die Schließkraft F_schliess des Servoventils wird wie folgt berechnet: F_schliess = A_st·P_v + F_fed wobei bedeuten

F_schliess: = Schließkraft des Servoventils
A_st: = Fläche des Servoventilsitzes
P_v: = Servoventilraumdruck
F_fed: = Servoventilfederkraft

Somit kann sichergestellt werden, dass ein Kraftanschluss sicher vorhanden ist und das Servoventil geschlossen bleibt. Mit dem Kraftsignal am Sensor kann der Servoventilraumdruck bzw. Steuerraumdruck für das Verschlusselement beobachtet werden. Beim Umkehrpunkt der Bewegung des Verschlusselementes entsteht ein Maximum des Kraftsignals. Dieser Zeitpunkt wird als Düsennadelumkehrzeitpunkt t_nad_umk identifiziert. Zum Zeitpunkt der Düsennadelschließung entsteht ein Minimum im Kraftsignalverlauf. Dieser Zeitpunkt wird als Schließzeitpunkt t_nad_sch identifiziert.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens können gleichzeitig miteinander oder getrennt voneinander eingesetzt werden. Es können beliebige Kombinationen mehrerer Verfahren Verwendung finden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann sichergestellt werden, dass bei gleicher Einspritzmengenanforderung injektorindividuell und über die Lebensdauer des Einspritzventils die Zeit vom Öffnen bis zum Schließen des Verschlusselementes durch die vorgenommene Regelung eingehalten werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, das einen Druckspeicher (Rail), mindestens ein Einspritzventil, bei dem ein Piezo-Aktuator ein in einem Servoventilraum angeordnetes Servoventil gegen die Kraft einer Schließfeder betätigt, damit ein Verschlusselement eine über eine Kraftstoffleitung mit dem Druckspeicher in Verbindung stehende Einspritzöffnung öffnet, und eine Steuer- und Regeleinheit aufweist. Dieses Kraftstoffeinspritzsystem ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines Verfahrens der vorstehend beschriebenen Art eingerichtet ist.
Der passive Piezobereich, der als Kraftsensor wirkt, wird insbesondere durch eine zusätzliche seriell angeordnete passive Piezoschicht gebildet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Einspritzventil mit vergrößerter Darstellung des im Kreis angeordneten Bereiches;
2 einen schematischen Teillängsschnitt durch einen Piezo-Aktuator mit Kraftsensor;
3 das Prinzip einer Ausführungsform zur Einspritzregelung;
4 ein Diagramm, das den Verlauf der vom Kraftsensor gemessenen Kraft und des Steuerraumdrucks zeigt; und
5 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Regelverfahrens.
1 zeigt auf schematische Weise ein Einspritzventil, das beispielsweise in einem Dieselmotor eines Pkws zum Einsatz kommt. Es dient dazu, Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Es besitzt einen Raum, der über eine Kraftstoffleitung (Hochdruckleitung) 2 mit einem Druckspeicher (Hochdruckspeicher) (Rail) verbunden ist. Bei dem hier dargestellten Einspritzventil handelt es sich um eines einer Vielzahl von Einspritzventilen, die in einem Common-Rail-System jeweils über Kraftstoffleitungen mit dem selben Druckspeicher verbunden sind. Am unteren Ende des Einspritzventils weist dieses eine Einspritzöffnung auf, durch welche Kraftstoff aus dem Raum in den Brennraum eingespritzt werden kann. Im Raum ist eine als Verschlusselement dienende Düsennadel 7 angeordnet, mittels welcher die Einspritzöffnung geöffnet und geschlossen werden kann. Befindet sich die Düsennadel 7 in einer geöffneten Position, in welcher sie die Einspritzöffnung freigibt, wird unter Hochdruck stehender Kraftstoff aus dem Raum in die Brennkammer eingespritzt. In einer geschlossenen Position der Düsennadel 7, in welcher die Düsennadel die Einspritzöffnung verschließt, wird das Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer unterbunden.
Die Düsennadel 7 wird mittels eines Piezo-Aktuators 1 gesteuert. Abhängig von einer Ansteuerung kann der Piezo-Aktuator 1 seine Länge verändern und über einen Verstärkungshebel 17 eine Kraft auf einen Steuerkolben 9 ausüben, der ein Servoventil 4 kontaktiert, welches über eine Schließfeder gegen einen Ventilsitz gepresst wird. Das Servoventil 4 ist in einem Ventilraum 16 angeordnet, der über eine Drossel mit einem Steuerraum 8 für das Verschlusselement in Verbindung steht. Der Steuerraum 8 nimmt einen Kolben 5 auf, der die Düsennadel 7 betätigt.
Wenn der Piezo-Aktuator 1 mit elektrischer Energie beaufschlagt wird (aufgeladen wird), vergrößert er seine Länge und bewirkt hierdurch, dass der Steuerkolben 9 das Servoventil 4 von seinem Sitz abhebt, so dass der im Servoventilraum 16 anstehende Druck abgebaut wird. Durch diesen Druckabbau bewegen sich der Nadelkolben 5 und die Düsennadel 7 in der Figur nach oben und geben dabei die Einspritzöffnung zur Durchführung eines Einspritzvorganges frei.
Des Weiteren zeigt 1 noch einen Kraftstoffrücklauf 3 sowie eine Schließfeder 6 für die Düsennadel 7.
Der in 1 nur schematisch dargestellte Piezo-Aktuator 1 weist zusätzlich zum aktiven, für die Betätigung der Düsennadel 7 verwendeten Piezobereich 12 einen passiven Piezobereich 13 als Kraftsensor auf. Mithilfe dieses Kraftsensors wird die über den Steuerkolben 9 und den Verstärkungshebel 17 auf den Piezo-Aktuator einwirkende Kraft ermittelt.
2 zeigt schematisch den Aufbau des Piezo-Aktuators 1, der eine Baueinheit bildet, welche den aktiven Piezobereich 12 zur Betätigung der Düsennadel 7 und den passiven Piezobereich 13, der als Kraftsensor dient, aufweist. Der aktive Piezobereich 12 setzt sich aus einer Vielzahl von aktiven übereinander angeordneten Piezoschichten zusammen, die jeweils links und rechts eine entsprechende Anschlusselektrode 10 aufweisen. Auf der obersten aktiven Piezoschicht ist durch eine geeignete Isolierung 14 getrennt eine passive Piezoschicht angeordnet, die den als Kraftsensor wirkenden Piezobereich 13 bildet. Beidseitig ist die passive Piezoschicht mit entsprechenden Anschlusselektroden 15 versehen.
3 zeigt in einem Blockdiagramm das Prinzip einer Ausführungsform der Einspritzregelung. Hierbei werden mithilfe des Kraftsensors während der Einspritzphase der Öffnungszeitpunkt und der Schließzeitpunkt des Servoventils detektiert und mit entsprechenden Soll-Zeitpunkten abhängig vom Rail-druck verglichen. Die entsprechende Abweichung wird zur Regelung des Stromprofils bei der Ansteuerung des Piezo-Aktuators und damit zur Regelung des Einspritzvorganges verwendet.
4 zeigt in einem Diagramm den Verlauf des vom Kraftsensor gemessenen Kraftsignals (untere Kurve) sowie den Verlauf des Drucks im Steuerraum für die Düsennadel (obere Kurve). Die entsprechenden Servoventilöffnungs- und -schließzeit-punkte sowie Nadelumkehr- und Nadelschließpunkte sind kenntlich gemacht. Diese Punkte können aus den Kurvenverläufen detektiert und mit entsprechenden Soll-Werten verglichen werden, wie vorstehend erörtert. Die entsprechenden Abweichungen können zur Einspritzregelung verwendet werden.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm für eine Variante des Regelverfahrens. In Schritt 30 wird der Piezo-Aktuator (aktive Piezobereich) mit einem Stromprofil angesteuert. In Schritt 31 werden mit dem vorgesehenen Kraftsensor die Sensorspannung und über eine Kennlinie die zugehörige Kraft ermittelt. In Schritt 32 wird der Verlauf des Kraftsignals mit einem Soll-Verlauf verglichen, und in Schritt 33 wird die entsprechende Abweichung zur Korrektur des Ladeverlaufes bei der Ansteuerung des Piezo-Aktuators und somit zur Regelung des Einspritzvorganges verwendet.
Von Schritt 31 ausgehend kann auch mithilfe des ermittelten Kraftverlaufes der Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkt des Servoventils detektiert werden, wie in Schritt 34 angedeutet. Die ermittelten Zeitpunkte können mit entsprechenden Soll-Zeitpunkten verglichen werden (Schritt 35), und die Abweichungen können ebenfalls zur Korrektur des Ladeverlaufes des Piezo-Aktuators (Schritt 36) und damit zur Regelung des Einspritzvorganges verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, das einen Druckspeicher (Rail), mindestens ein Einspritzventil, bei dem ein Piezo-Aktuator ein in einem Servoventilraum angeordnetes Servoventil gegen die Kraft einer Schließfeder betätigt, damit ein Verschlusselement eine über eine Kraftstoffleitung mit dem Druckspeicher in Verbindung stehende Einspritzöffnung öffnet, und eine Steuer- und Regeleinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Piezo-Aktuator verwendet wird, der zusätzlich zum aktiven, für die Betätigung des Servoventils verwendeten Piezobereich einen passiven Piezobereich als Kraftsensor aufweist; mithilfe dieses Kraftsensors die auf den passiven Piezobereich einwirkende Kraft beim Öffnen des Servoventils ermittelt wird; und die vom Kraftsensor ermittelte Kraft mit einem vom Druck im Druckspeicher (Raildruck) abhängigen Sollwert verglichen und die entsprechende Abweichung zur Korrektur der Ansteuerung des Piezo-Aktuators verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Einspritzphase der Verlauf des Kraftsignals vom Laden bis zum Entladen des Piezo-Aktuators mit dem Soll-Verlauf abhängig vom Druck im Druckspeicher (Raildruck) verglichen und die Abweichung zur Korrektur der Ansteuerung des Piezo-Aktuators verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Einspritzphase der Öffnungszeitpunkt und/oder Schließzeitpunkt des Servoventils durch die Kraftmessung detektiert und mit den entsprechenden Sollzeitpunkten verglichen werden und dass die Abweichung zur Korrektur der Ansteuerung des Piezo-Aktua-tors verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Einspritzpause der aktive Piezobereich mit einem langsamen Stromprofil angesteuert und die Kraft mit dem Kraftsensor gemessen wird, wobei das dem Öffnungszeitpunkt des Servoventils entsprechende Maximum des Kraftsignals ermittelt und mit dem Soll-Wert abhängig vom Druck im Druckspeicher verglichen und die Abweichung zur Korrektur der Ansteuerung des Piezo-Aktuators für die Einspritzung beim jeweiligen Druckspeicherdruck verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Einspritzphase mit dem Kraftsensor ein dem Umkehrzeitpunkt des Verschlusselementes entsprechendes Maximum und ein dem Schließzeitpunkt des Verschlusselementes entsprechendes Minimum des Kraftsignals gemessen und aus der Differenz beider Zeitpunkte die IST-Einspritzzeit ermittelt und mit der SOLL-Einspritzzeit verglichen wird, wobei die Abweichung zur Korrektur der Ansteuerung des Piezo-Aktuators verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladung beim Wiederladen des Aktuators so eingestellt wird, dass die Kraft auf den Kraftsensor unterhalb der Schließkraft des Servoventils bleibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließkraft des Servoventils wie folgt berechnet wird: F_schliess = A_st·P_v + F_fed wobei bedeuten F_schliess = Schließkraft des Servoventils A_st = Fläche des Servoventilsitzes P_v = Servoventilraumdruck F_fed = Servoventilfederkraft
Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, das einen Druckspeicher (Rail), mindestens ein Einspritzventil, bei dem ein Piezo-Aktuator ein in einem Servoventilraum angeordnetes Servoventil gegen die Kraft einer Schließfeder betätigt, damit ein Verschlusselement eine über eine Kraftstoffleitung mit dem Druckspeicher in Verbindung stehende Einspritzöffnung öffnet, und eine Steuer- und Regeleinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Piezobereich (13) durch eine zusätzliche seriell angeordnete passive Piezoschicht gebildet ist.