DE102013223750B3

DE102013223750B3 - Verfahren zur Bestimmung des Ventilöffnungszeitpunktes bei piezoservobetriebenen Injektoren

Info

Publication number: DE102013223750B3
Application number: DE102013223750.2A
Authority: DE
Inventors: Vincent Dian
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2033-11-22
Also published as: US20160298562A1; CN105940207B; CN105940207A; US9856813B2; KR101832637B1; WO2015074794A1; KR20160070149A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung des Ventilöffnungszeitpunktes bei piezoservobetriebenen Injektoren beschrieben. Der Piezoaktuator wird hierbei als Sensorelement verwendet. Es werden die Spannung und Ladung am Ende eines Aufladevorganges des Piezoaktuators gemessen und hieraus wird ein vorläufiger Skalierungsfaktor ermittelt. Auf diese Weise wird ein Näherungswert des Ventilöffnungszeitpunktes gewonnen, bei dem erneut Spannung und Ladung gemessen werden. Durch eine entsprechende Rechenoperation wird ein neuer Skalierungsfaktor bestimmt. Schließlich wird mithilfe dieses neuen Skalierungsfaktors der Ventilöffnungszeitpunkt bestimmt. Der Zeitpunkt kann daher „Online” ermittelt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ventilöffnungszeitpunkts bei piezoservobetriebenen Injektoren, bei dem der Piezoaktuator als Sensorelement verwendet wird.
Der Stand der Technik kennt verschiedene Verfahren, bei denen der Piezoaktuator als Sensorelement verwendet wird, um den Ventilöffnungszeitpunkt eines piezoservobetriebenen Injektors zu ermitteln oder den Leerhub zu erfassen, der zur Durchführung einer genauen Steuerung der Einspritzmenge berücksichtigt werden muss.
So ist zum Beispiel aus der DE 10 2006 048 979 A1 ein Verfahren zum Einspritzen eines Kraftstoffs bekannt, wobei bei einer Düse, die durch ein Piezoelement betätigbar ist, ein Strompuls in das Piezoelement eingespeist wird. Beim Einspeisen des Strompulses wird die Kapazität des Piezoelements erfasst und ein tatsächlicher Verlauf des Einspritzens wird basierend auf der Kapazität erfasst.
Weiterhin zeigt die DE 10 301 822 B4 ein Verfahren zur Bestimmung der Längenausdehnung eines piezoelektrischen Aktors eines Kraftstoffeinspritzventils und der auf diesen während eines Einspritzvorgangs wirkenden Kraft, wobei in wenigstens einem Betriebspunkt des Aktors die auf den Aktor aufgebrachte Ladungsmenge und die am Aktor anliegende Spannung ermittelt wird und hieraus auf die Längenausdehnung des Aktors und die auf den Aktor wirkende Kraft geschlossen wird.
Auch die DE 101 43 501 C1 offenbart ein Verfahren bei dem mittels des dem Piezoaktor zugeführten Stromes und der sich daraufhin an ihm aufbauenden Spannung unter Zuhilfenahme eines nichtlinearen Aktormodells der Verlauf der Längenänderung und die vom Aktor ausgeübte Kraft errechnet wird und aus diesen oder von ihnen abgeleiteten Größen der Öffnungsbeginn eines Servoventils und die Einspritzdauer ermittelt wird.
Ebenso beschreibt die DE 10 2008 023 373 A1 ein Verfahren zum Steuern eines Einspritzventils. Dabei wird ein Spannungsverlauf einer an einem Piezo-Aktor des Einspritzventils anliegenden Spannung sowie eines zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Ladung, während einer Referenz-Einspritzung erfasst und ein Kraftverlauf einer durch den Piezo-Aktor auf ein bewegliches Schließelement des Einspritzventils ausgeübten Kraft rechnerisches ermittelt und die Lage eines Maximums des Kraftverlaufs bestimmt. Darauf basierend werden dann Ansteuerparameter für eine spätere Einspritzung festgelegt.
Üblicherweise wird hierbei auch die Kapazitätskurve des Piezoaktuators analysiert, wobei der Ventilöffnungszeitpunkt auf das Maximum der Kapazitätskurve bezogen wird. Diese Verfahren liefern jedoch nicht in allen Fällen unter allen Bedingungen präzise Ergebnisse.
Bei einem standardmäßigen piezoservobetriebenen Injektor wird ein Ventil gegen den herrschenden hydraulischen Druck betätigt. Aus Sicherheitsgründen ist der Piezoaktuator mit einem vorgegebenen Spiel montiert, das einen vorgegebenen Leerhub bewirkt. Dieser Leerhub ist von diversen Parametern abhängig, wie beispielsweise der Piezopolarisation, der Aktuatortemperatur, der Anzahl der Einspritzvorgänge, der Motordrehzahl, jedoch in jedem Fall auch vom Verschleiß der verschiedenen Ventilteile. Aufgrund dieser Parameter ist es schwierig, den Leerhub über sämtliche Betriebsbedingungen in einem kleinen Toleranzbereich zu halten. Da der Leerhub eine signifikante Bedeutung in Bezug auf die Injektorfunktion besitzt, ist es wichtig, ihn zu messen und seinen Effekt zu kompensieren. Hierzu ist die vorstehend beschriebene Messung des Ventilöffnungszeitpunktes von Bedeutung.
Zur Leerhubmessung gibt es ein indirektes Messkonzept. Hierbei wird der Piezoaktuator betätigt und die durch das Ventil erzeugte Leckage gemessen. Aufgrund der großen dynamischen Veränderung des Leerhubes ist es hierbei von entscheidender Bedeutung, den Leerhub so oft wie möglich zu messen. Diese führt jedoch zu einer unerwünschten Leckage.
Erfindungsgemäß soll ein Verfahren zur Bestimmung des Ventilöffnungszeitpunktes bei piezoservobetriebenen Injektoren geschaffen werden, das beispielsweise für die vorstehend beschriebenen Leerhubbestimmung und Leerhubsteuerung eingesetzt werden kann. Erfindungsgemäß soll ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung gestellt werden, das sich besonders einfach durchführen lässt und den Erhalt eines „Online”-Wertes ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der angegebenen Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
Messen der Spannung U und Ladung Q am Ende eines Aufladevorganges des Piezoaktuators;
Ermitteln eines vorläufigen Skalierungsfaktors C_VORL durch Berechnung von Q/U;
Bestimmen des Kurvenmaximums von C_VORL über die Zeit und Verwenden des Zeitpunktes, bei dem das Maximum auftritt, als Näherungswert des Ventilöffnungszeitpunktes;
Messen der Ladung Q und Spannung U zum Zeitpunkt des ermittelten Näherungswertes des Ventilöffnungszeitpunktes; Lösen der Gleichung 1,25 × F²/E × C = (U × C – Q)² (F = auf den Piezoaktuator einwirkende Kraft, E = elektrischer Parameter des Piezoaktuators)
und Ermitteln eines neuen Skalierungsfaktors C hieraus;
Berechnen der Differenz (U × C – Q) und Bestimmen eines Maximums dieses Wertes; und
Verwenden des Zeitpunktes, bei dem dieses Maximum auftritt, als Ventilöffnungszeitpunkt.
Erfindungsgemäß wird der Piezoaktuator als Sensor verwendet, und es wird hiermit detektiert, wann sich das Ventil öffnet. Dies wird nicht auf der Basis einer Piezokapazitätsanalyse durchgeführt, sondern auf Basis eines Linearmodells, das das Piezoverhalten genau beschreibt.
Erfindungsgemäß werden zwei Parameter gemessen, nämlich die Spannung U und die Ladung Q. Um diese beiden Parameter zu vergleichen, ist ein Skalierungsfaktor erforderlich. Dieser Skalierungsfaktor besitzt eine μF-Einheit und kann daher beispielsweise als theoretische Piezokapazität bezeichnet werden. Der Skalierungsfaktor ist normalerweise unbekannt und wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in zwei Schritten näherungsweise ermittelt.
In einem ersten Schritt werden die am Ende eines Aufladevorganges des Piezoaktuators gemessene Spannung U und Ladung Q dazu verwendet, um den Wert Q/U zu ermitteln, der als vorläufiger Skalierungsfaktor C_VORL genutzt wird. Es wird das Kurvenmaximum von C_VORL über die Zeit bestimmt, und der Zeitpunkt, bei dem das Maximum auftritt, wird als Näherungswert des Ventilöffnungszeitpunktes verwendet. Mit diesem ersten Schritt wird somit eine erste Schätzung des Ventilöffnungszeitpunktes durchgeführt.
In einem zweiten Schritt werden die Ladung Q und Spannung U zum Zeitpunkt des ermittelten Näherungswertes des Ventilöffnungszeitpunktes gemessen. Es wird dann die Gleichung (1,25 × F²/E × C = (U × C – Q)² gelöst, wobei hier die gemessenen Werte U und Q eingesetzt werden. Die Faktoren F (Kraft) und E (elektrischer Parameter) sind bekannt, so dass daher nur noch C unbekannt ist. Es kann daher ein aktualisierter Wert von C ermittelt werden. Dieser neue Wert von C wird zum Berechnen der Differenz (U × C – Q) verwendet, und es wird ein Maximum dieses Wertes bestimmt. Der Zeitpunkt, bei dem dieses Maximum auftritt, wird als Ventilöffnungszeitpunkt verwendet.
Der vorstehend erwähnte Faktor 1,25 × F²/E wird vorzugsweise aus der Raildruckmessung gewonnen. Falls der entsprechende Wert nicht bereits vorliegt, muss daher für das erfindungsgemäße Verfahren des Weiteren eine entsprechende Raildruckmessung durchgeführt werden.
Die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte werden vorzugsweise nicht alle bei jedem Einspritzvorgang durchgeführt. Vielmehr wird insbesondere so vorgegangen, dass der vorläufige Skalierungsfaktor C_VORL in einem vorhergehenden Einspritzzyklus ermittelt und in einem nachfolgenden Einspritzzyklus zur Bestimmung des Ventilöffnungszeitpunktes verwendet wird. Für den Einspritzzyklus N + 1 wird daher vorzugsweise der im vorhergehenden Zyklus N näherungsweise ermittelte Skalierungsfaktor C_VORL verwendet.
Beispielsweise werden am Ende des Zyklus N die Spannungs- und Ladungsmessungen durchgeführt. Auf dieser Basis wird der Skalierungsfaktor C_VORL näherungsweise ermittelt. Mit dem im Zyklus N ermittelten Skalierungsfaktor C_VORL wird im nachfolgenden Zyklus N + 1 der Wert (U × C – Q) bestimmt und hieraus das Maximum ermittelt, das dem Ventilöffnungszeitpunkt entspricht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Ablaufdiagramm, mit dem die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt sind.
Das hier dargestellte Verfahren dient zur Bestimmung des Ventilöffnungszeitpunktes bei einem piezoservobetriebenen Injektor eines Kraftfahrzeuges, bei dem der Piezoaktuator als Sensorelement verwendet wird. Der gewonnene Ventilöffnungszeitpunkt kann beispielsweise zur Ermittlung und Steuerung des Leerhubes des Injektors verwendet werden.
Derartige piezoservobetriebene Injektoren sind bekannt und müssen daher an dieser Stelle nicht mehr im Einzelnen erläutert werden. Während des Aufladevorganges eines derartigen Piezoaktuators wird das erfindungsgemäße Verfahren als „Online”-Verfahren durchgeführt, wobei in einem ersten Einspritzzyklus N am Ende dieses Zyklus die Spannung U und Ladung Q gemessen werden. Dies ist in der 1 mit Schritt 1 gekennzeichnet.
In Schritt 2 wird aus den gemessenen Spannungs- und Ladungswerten ein vorläufiger Skalierungsfaktor C_VORL durch Berechnung von Q/U ermittelt. Im nachfolgenden Schritt 3 wird das Kurvenmaximum von C_VORL über die Zeit bestimmt. Der entsprechende Zeitpunkt, bei dem das Maximum auftritt, wird als Näherungswert des Ventilöffnungszeitpunktes verwendet.
In einem nachfolgenden Einspritzzyklus N + 1 werden dann wiederum die Spannung U und Ladung Q gemessen, und zwar jetzt zum Zeitpunkt des ermittelten Näherungswertes des Ventilöffnungszeitpunktes. Dies ist mit Schritt 4 gekennzeichnet. In Schritt 5 wird ein neuer Skalierungsfaktor C aus der Gleichung 1,25 × F²/E × C = (U × C – Q)² ermittelt. U und Q wurden gemessen. Der Faktor 1,25 × F²/E wird aus einer durchgeführten Raildruckmessung gewonnen und ist daher bekannt.
In Schritt 6 wird die Differenz (U × C – Q) berechnet, und es wird ein Maximum dieses Wertes bestimmt. Der Zeitpunkt, bei dem dieses Maximum auftritt, wird als Ventilöffnungszeitpunkt verwendet.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Ventilöffnungszeitpunktes bei piezoservobetriebenen Injektoren, bei dem der Piezoaktuator als Sensorelement verwendet wird, mit den folgenden Schritten: Messen der Spannung U und Ladung Q am Ende eines Aufladevorganges des Piezoaktuators; Ermitteln eines vorläufigen Skalierungsfaktors C_VORL durch Berechnung von Q/U; Bestimmen des Kurvenmaximums von C_VORL über die Zeit und Verwenden des Zeitpunktes, bei dem das Maximum auftritt, als Näherungswert des Ventilöffnungszeitpunktes; Messen der Ladung Q und Spannung U zum Zeitpunkt des ermittelten Näherungswertes des Ventilöffnungszeitpunktes; Lösen der Gleichung 1,25 × F²/E × C = (U × C – Q)², wobei F die auf den Piezoaktuator einwirkende Kraft und E der elektrischer Parameter des Piezoaktuators ist und Ermitteln eines neuen Skalierungsfaktors C hieraus; Berechnen der Differenz U × C – Q und Bestimmen eines Maximums dieses Wertes; und Verwenden des Zeitpunktes, bei dem dieses Maximum auftritt, als Ventilöffnungszeitpunkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor 1,25 × F²/E aus der Raildruckmessung gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorläufige Skalierungsfaktor C_VORL in einem vorhergehenden Einspritzzyklus N ermittelt und in einem nachfolgenden Einspritzzyklus N + 1 zur Bestimmung des Ventilöffnungszeitpunktes verwendet wird.