DE10239614A1

DE10239614A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems, Computerprogramm sowie Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10239614A1
Application number: DE2002139614
Authority: DE
Inventors: Matthias Mrosik; Kai Sutter; Udo Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-11
Also published as: EP1394397A3; JP2004138048A; EP1394397A2

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Anzahl von Einspritzventilen, bei denen jeweils ein piezoelektrischer Aktor ein Verschlusselement über einen hydraulischen Koppler treibt, bei dem in mindestens einer Verschlussposition des Verschlusselemtes, in der eine Aktorspannung > 0 ist, der Verlauf der Aktorspannung überwacht wird und aus dem Verlauf der Aktorspannung über deren Zusammenhang mit der Vorspannkraft und damit der Druckänderung im hydraulischen Koppler auf eine Leckage im Bereich des Kopplers geschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft zum einen ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Anzahl von Einspritzventilen, bei denen jeweils ein piezoelektrischer Aktor ein Verschlusselement über einen hydraulischen Koppler treibt. Zum anderen betrifft die Erfindung ein Computerprogramm sowie ein Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems und eine Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Als wesentlicher Bestandteil kann in einer Verbrennungskraftmaschine zur Einbringung des Kraftstoffs in die Brennräume der Zylinder ein Kraftstoffeinspritzsystem zum Einsatz kommen. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzsystem umfasst üblicherweise eine Anzahl von Einspritzdüsen, die individuell oder auch in der Art eines sog. Common-Rail-Systems über ein zentrales Versorgungssystem mit Kraftstoff gespeist sind. Bei beiden Ausführungsformen ist jede Einspritzdüse üblicherweise in ein jeweils zugeordnetes Einspritzventil integriert, über das die Kraftstoffeinspritzung in einer vorgebbaren Weise einstellbar ist.

Die Einspritzventile können dabei über eine elektrische Ansteuerung mit einem piezoelektrischen Aktor versehen sein. Ein derartiges Einspritzventil für die Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors mit einem Hochdrucksystem oder einem Common-Rail-System ist aus DE 197 38 802 bekannt. Dieses Einspritzventil ist in doppelt schaltender Weise ausgeführt und weist ein Verschließglied auf, das sich in einem von zwei alternativen Ventilsitzen jeweils in einer Schließposition befindet und dabei ein Verschließen der Einspritzdüse bewirkt. In einer Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen nimmt das Verschließglied hingegen eine Öffnungsposition ein.

Zur Überführung des Verschließgliedes von einer Schließposition in die Öffnungsposition oder von der Öffnungsposition in eine der Schließpositionen ist das Verschließglied über einen piezoelektrischen Aktor antreibbar. Dazu wird bspw. der piezoelektrische Aktor auf eine Ansteuerspannung aufgeladen, die vom Druck im Common-Rail-System abhängig ist. Aufgrund der Ansteuerspannung dehnt sich der Aktor in Längsrichtung aus. Diese Längenausdehnung wird über einen hydraulischen Koppler auf das Verschließglied übertragen, so dass einerseits der vom Aktor erzeugbare Hub verstärkt wird und andererseits das Verschließglied von einer möglichen statischen Temperaturausdehnung des Aktors entkoppelt ist. Eine Aufladung des piezoelektrischen Aktors bewirkt somit über den hydraulischen Koppler eine Überführung des Verschließgliedes zunächst von der ersten Schließposition in die Öffnungsposition und sodann von der Öffnungsposition in die zweite Schließposition. Hingegen bewirkt ein Entladen des piezoelektrischen Aktors infolge der damit verbundenen Kontraktion in Längsrichtung über den hydraulischen Koppler eine Überführung des Verschließgliedes zunächst von der zweiten Schließposition in die Öffnungsposition und sodann von der Öffnungsposition in die erste Schließposition.

Durch den Bewegungsablauf des Verschließgliedes von einer zur anderen Schließposition wird eine kurzzeitige Entlastung eines unter Hochdruck stehenden Ventilsteuerraumes bewirkt, über dessen Druckniveau die Steuerung einer Ventilnadel in eine Öffnungs- oder Schließstellung erfolgt. Befindet sich das Verschließglied somit in der Öffnungsposition zwischen den beiden Schließpositionen, so erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung in einen dem Einspritzventil nachgeschalteten Verbrennungsraum.

Bei einer Ansteuerung des Aktors und somit bei einer Betätigung des Einspritzventils wird infolge der im Hydraulikbereich herrschenden Druckverhältnisse ein Teil der im Koppler befindlichen Flüssigkeit, also des dort befindlichen Kraftstoffs, über eine Leckspalte aus dem Koppler herausgedrückt. Dieser Effekt ist besonders groß, wenn das Verschließglied in der dem Hochdruckbereich zugewandten Schließposition gehalten wird, da in diesem Fall die Gegenkraft durch den Druck im System besonders hoch ist.

Für eine ordnungsgemäße Funktionsweise des Einspritzventils, insbesondere für eine bedarfsgerechte genaue Dosierung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge, ist eine präzise Positionierung des Verschließgliedes über die Ansteuerspannung erforderlich. Die Umsetzung der Ansteuerspannung in eine Positionierung des Verschließgliedes, also in einen entsprechenden Ventilhub, hängt dabei wesentlich vom Befüllungsgrad des hydraulischen Kopplers ab. Insbesondere ist eine möglichst vollständige (Wieder)befüllung des hydraulischen Kopplers vor jeder Einspritzung und somit ein Ausgleich der genannten Leckageverluste notwendig. Die Wiederbefüllung des hydraulischen Kopplers nach einer Einspritzung erfolgt beim Einspritzventil gemäß DE 197 32 802 infolge eines hierfür geeigneten Systemdrucks von etwa 15 bar ebenfalls über die Leckspalte. Hierfür steht allerdings nur ein kurzer Zeitraum zur Verfügung, in dem der piezoelektrische Aktor nicht angesteuert ist. Dementsprechend kann das Ergebnis der Wiederbefüllung nach einer Einspritzung je nach nachzufüllender Kraftstoffmenge und verfügbarem Zeitintervall unterschiedlich sein. Eine Überprüfung auf mögliche Falsch- oder Nichtbefüllung ist dort nicht vorgesehen. Ein nicht oder nicht ausreichend wiederbefüllter Koppler kann somit lediglich indirekt über Fehler infolge von fehlerhaften Einspritzungen wie bspw. Drehzahlschwankungen ermittelt werden, ohne dass eine eindeutige Zuordnung zur Fehlerursache möglich wäre.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist bspw. aus der EP 1 167 729 A1 bekannt. Dort wird ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem piezoelektrischen Aktor beschrieben, wobei nach einem Aufladevorgang des Aktors dessen Klemmenspannung überwacht und zur Bildung einer Diagnoseaussage für das jeweilige Einspritzventil herangezogen wird. Hierdurch soll eine besonders zuverlässige Kraftstoffeinspritzung gewährleistet sein. Zur direkten und zeitnahen Überwachung des Ventilhubs der Einspritzventile soll nach dem Einspritzzyklus eine Diagnoseaussage getroffen werden. Hierzu kann als geeigneter Parameter die Klemmenspannung des jeweiligen Aktors herangezogen werden.

Grundsätzlich wirken Piezoaktoren über einen hydraulischen Koppler auf ein Steuerventil, welches über einen hydraulischen Steuerkreis letztendlich die Düsennadel betätigt. Dabei dient der hydraulische Koppler zum einen zur Verstärkung des Hubes und zum anderen zur Entkopplung des Steuerventils von der Temperaturdehnung des Aktors. Damit der Koppler sicher funktioniert, muss dieser eine gewisse Füllmenge an hydraulischer Flüssigkeit aufweisen. Die Befüllung des Kopplerraums erfolgt dabei über den Ventilraum, einen Druckteilerstift und einen Kolben. Der Druckteilerstift wird dabei von oben nach unten durchströmt. Hierbei liegt am unteren Ende ein Druck an, welcher über die Stiftlänge um ca. den Faktor 10 reduziert wird. Bei jeder Ansteuerung des Aktors wird ein Teil des im Kopplerraum befindlichen Kraftstoffs, der hier als Hydraulikflüssigkeit dient, über die Leckspalte aus diesem herausgedrückt. Die Leckage wird dabei über den Durchmesser des Stiftes eingestellt und ist unabhängig von der Qualität des Kopplers. D. h. auch bei einem schlechten Druckhaltevermögen des Kopplers bleibt die Leckage konstant, so lange der Stiftdurchmesser konstant bleibt. Die Funktionalität des Steuerventils ist damit im Wesentlichen abhängig von der Spaltgeometrie zwischen dem Kolben und dem Gehäuse. Vergrößert sich diese, so ist das Druckhaltevermögen schlechter, d. h. es werden höhere Kräfte zum Halten einer Verschlussposition benötigt.

Insbesondere bei einem doppelschaltenden Steuerventil, bei dem zwischen dem Ende eines Einspritzvorganges (End Event) und dem Beginn eines weiteren Einspritzvorgangs (Begin Event) das Dichtelement, hier der Kolben, im einem oberen geschlossenen Sitz bzw. Topspannungsniveau bleibt, muss sichergestellt werden, dass die nachlassende Kopplerkraft aufgrund der Leckage immer größer ist als die Kraft, die durch den Raildruck auf das Dichtelement im oberen geschlossenen Sitz verursacht wird. Ist dies nicht gegeben, löst sich das Dichtelement vom geschlossenen Sitz und es kommt zur ungewollten Einspritzung.

Der derzeitig vorgesehene Stand der Technik für doppelschaltende Ventile sieht vor, zwischen dem End Event einer Voreinspritzung und dem Begin Event einer Haupteinspritzung in die obere Verschließposition zu fahren. Derzeit wird der Abstand zwischen End Event und Begin Event zeitlich konstant gehalten. Der Sollwert für die Kopplerkraft, die den Koppler als Funktion des Raildrucks im oberen geschlossenen Sitz hält, ist applikativ so ausgelegt, dass das sichere Verbleiben des Kolbens im oberen geschlossenen Sitz bei maximalem zeitlichen Abstand zwischen den beiden Einspritzungen gewährleistet ist.

Innerhalb gewisser Grenzen kann dabei eine erhöhte Kopplerleckage durch einen Spannungsniveauregler ausgeglichen werden. Bedingt durch eine maximal mögliche Spannung des hierfür verwendeten DC/DC-Wandlers sind jedoch bei erhöhter Kopplerleckage aufgrund von Alterung oder Fehlern dem Leckageausgleich schnell Grenzen gesetzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Anzahl von Einspritzventilen, bei denen jeweils ein piezoelektrischer Aktor ein Verschlusselement über einen hydraulischen Koppler treibt, anzugeben, bei dem sichere Aussagen über die Leckagemenge getroffen werden können.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem in mindestens einer Verschlussposition des Verschlusselementes, bei der eine Aktorspannung des Aktors > 0 ist, der Verlauf der Aktorspannung überwacht wird und aus dem Verlauf der Aktorspannung, über deren Zusammenhang mit der Vorspannkraft und damit der Druckänderung im hydraulischen Koppler auf eine Leckage im Bereich des Kopplers geschlossen wird.

Vorteile der Erfindung

Durch die Erfindung wird die auftretende Kopplerleckage aufgrund von Alterung und sonstigen Fehlern, durch die eine Geometrieveränderung des Spaltes zwischen Kolben und Gehäuse entsteht, überwacht. Es können auf diese Weise Zustände erkannt werden, in denen aufgrund der bestehenden Kopplerleckage ein sicherer Betrieb des Injektors nicht mehr sicher in einer oder ggf. beiden Verschlussposition/en möglich ist. Ein ungewolltes Einspritzen aufgrund eines Öffnen des Ventils soll verhindert werden. Dabei ergibt sich die Feststellung der Kopplerleckage auf einfache Weise über die Wirkungskette "Druckänderung Vorspannkraftänderung → Aktorspannungsänderung". Tritt eine größere Spannungsänderung der Aktorspannung auf, kann auf eine größere Kopplerleckage geschlossen werden. Auf diese Weise kann frühzeitig eine unzulässig hohe Kopplerleckage erkannt werden. Der Ansteuerverlauf eines Steuerventils kann dann entweder auf eine sichere Betriebsweise, in der ein sicheres Schließen gewährleistet ist, umgestellt werden oder der betreffende Aktor kann nicht mehr angesteuert werden, d. h. er wird im einfachsten Fall entladen.

In einer ersten Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Einspritzventil ein doppelt schaltendes Ventil mit einer ersten oberen Verschlussposition und einer zweiten unteren Verschlussposition ist, wobei die obere Verschlussposition näher an der Düse zur Kraftstoffeinspritzung liegt sowie mindestens einer offenen Position, die zwischen den beiden Verschlusspositionen liegt und wobei der Verlauf der Aktorspannung in der oberen Verschlussposition überwacht wird. Grundsätzlich können auch verschiedene offene Positionen zwischen den beiden Verschlusspositionen vorgesehen sein, die angefahren werden können.

Befindet sich z. B. das Steuerventil in der oberen geschlossenen Position beim Topspannungsniveau, so verringert sich infolge der Leckspalte der Druck von ca. 400 bar im Kopplerraum. Auf diese Weise lässt die mechanische Aktorvorspannung nach und die Spannung am Aktor verringert sich. Je nach Länge, mit der der Dichtschaft ausgeführt ist, ist dieser Effekt stärker oder schwächer ausgeprägt. In der offenen Position ist der Effekt nicht so gut messbar, da hier der Druck im Kopplerraum bei ca. 200 bar liegt und damit die Kopplerkraft und der messbare Abfall geringer sind als insbesondere in der oberen geschlossenen Position. Bei derartig doppelt schaltenden Ventilen muss sichergestellt werden, dass trotz der nachlassenden Kopplerkraft aufgrund der Leckage das Dichtelement, hier der Kolben, immer sicher in der oberen Verschlussposition gehalten wird, indem die Kopplerkraft stets größer bleibt als die Kraft, die durch den Raildruck auf das Dichtelement oder Verschlusselement wirkt.

Anhand der überwachten Aktorspannung kann eine Diagnoseaussage über den Füllstand des Kopplers des Einspritzventils gebildet werden, indem über die Aktorspannung Werte bezüglich der Leckagemenge erfasst werden können.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die aus der Aktorspannung ermittelten Werte für die Leckage des Kopplers mit Grenzwerten verglichen werden, wobei für die Grenzwerterfassung bspw. ein getriggerter ADC-(Analog-Digital-Converter) eingesetzt werden kann.

Es kann dabei vorgesehen sein, dass bei Überschreiten eines Grenzwertes der Leckage der Raildruck abgesenkt oder die Aktorspannung zunächst erhöht wird. Hierdurch wird die Kraft auf das Dichtelement des Steuerventils in der überwachten Verschlussposition so weit reduziert, dass die Kopplerkraft ausreicht, um das Dichtelement im geschlossenen Sitz zu halten.

Insbesondere bei der Verwendung eines doppelt schaltenden Ventils erfolgt bei Überschreiten der Leckage des Kopplers eines Grenzwertes ein Betrieb des doppelt schaltenden Ventils derart, dass das doppelt schaltende Ventil in einen sicheren Ansteuerverlauf umgeschaltet wird, wobei insbesondere die überwachte erste obere Verschlussposition nicht mehr angefahren wird, sondern lediglich noch die zweite untere Verschlussposition. Insbesondere kann dieser Grenzwert ebenso wie der Grenzwert, der zur Absenkung des Raildrucks führt, als erster Grenzwert in einem zwei- oder mehrstufigen Verfahren vorgesehen sein, wobei eine Überprüfung auf zwei oder mehr Spannungsänderungsschwellen vorgenommen werden. Diese weichen Schwellen signalisieren damit eine noch zulässige Erhöhung der Kopplerleckagemenge bzw. noch einen sicheren Betrieb des Injektors bspw. dadurch, dass der Raildruck abgesenkt wird oder der Injektor im einfach schaltenden Betrieb gefahren wird oder die Aktorspannung erhöht wird. In jedem Fall sollte jedoch hier bereits ein Eintrag in einen Fehlerspeicher eines Bordcomputers erfolgen und der Fahrer aufgefordert werden, eine Servicewerkstatt aufzusuchen, bspw. indem er über eine Diagnoselampe auf den Fehler aufmerksam gemacht wird. Diese Schwelle kann applikativ so ausgelegt sein, dass das sichere Verbleiben des Verschlusselements im geschlossenen oberen Sitz bei maximalem zeitlichen Abstand zwischen zwei Einspritzungen gewährleistet ist. Wird diese Schwelle von der Leckagemenge überschritten, erfolgt eine Betriebsumschaltung in der zuvor beschriebenen Weise. Eine weitere letzte (harte) Schwelle signalisiert eine weitere unzulässige Erhöhung der Kopplerleckagemenge bzw. einen nicht mehr sicheren Betrieb des Injektors. In diesem Fall sollte der geladene Aktor entladen und nicht mehr angesteuert werden. Es wird wiederum ein Eintrag in den Fehlerspeicher eines Steuergeräts vorgenommen und der Fahrer wird bspw. über eine Diagnoselampe aufgefordert, eine Servicewerkstatt aufzusuchen. Diese harte Schwelle ist applikativ so auszulegen, dass ein reproduzierbares und genaues Ansteuern des Injektors noch gewährleistet ist.

Um nun eine unzulässige Erhöhung der Kopplerleckagemenge bspw. infolge von Alterung zu erkennen, wird das Spannungsniveau in der zu überprüfenden Verschlussposition in gewissen Zeitabständen, bspw. in Abhängigkeit von einem Betriebsstundenzähler eines Steuergeräts für die Motorsteuerung gemessen und analysiert. Die Aktorspannung sollte hierbei zwischen dem End Event einer Einspritzung und dem Begin Event der nächsten Einspritzung möglichst kontinuierlich abgetastet werden, jedoch mindestens zweimal, um Störungen und/oder Schwingungen zu filtern. So kann bspw. vorgesehen sein, dass die Aktorspannung am End Event einer Voreinspritzung sowie vor dem Begin Event der nächsten Einspritzung bspw. der Haupteinspritzung gemessen wird. Dies ist durch das Abwarten des Einschwingvorgangs der Aktorspannung nach einem Event begründet sowie in dem Messen zeitlich eng aufeinander folgender Events. Der Piezoaktor wirkt neben seiner Aktorfunktion gleichzeitig als Sensor.

Besonders vorteilhaft ist, wenn mehrere Messungen, insbesondere eine kontinuierliche Messung zwischen zwei Einspritzungen, durchgeführt werden.

Schließlich umfasst die Erfindung ein Computerprogramm zur Durchführung eines vorstehend beschriebenen Verfahrens, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird und insbesondere wenn es auf einem Speicher, insbesondere einem Flash-Memory, abgespeichert ist. Bei einem Vergleicher und einem Digital-Analog Converter kann das Verfahren auch hardwaremäßig realisiert sein, weil das hochfrequente Abtasten den Mikrocomputer belastet. Beim Trigger vor Entladen ist der Zeitpunkt bekannt, da der Rechner das Entladen aktiv steuert.

Die Erfindung umfasst weiterhin ein Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Anzahl von Einspritzventilen, wobei es einen Speicher umfasst, auf dem ein vorstehend beschriebenes Computerprogramm abgespeichert ist.

Schließlich ist Gegenstand der Erfindung eine Brennkraftmaschine, mit einem Brennraum, mit einer Anzahl von Einspritzventilen, bei denen jeweils ein piezoelektrischer Aktor ein Verschlusselement über einen hydraulischen Koppler treibt, wobei die Brennkraftmaschine ein vorstehend beschriebenes Steuer- und/oder Regelgerät umfasst.

Weitere Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, wobei die Merkmale sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Erfindung wesentlich sind.

Zeichnung
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Injektor, welcher einen Piezoaktor umfasst,
2 ein Einspritzventil eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem Piezoaktor,
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems,
4 eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens,
5a, 5b Zeitdiagramme für die Ansteuerungsspannung sowie die Kopplerkraft,
6a, 6b Zeitdiagramme der Ansteuerspannung sowie der Einspritzung für ein doppelt schaltendes und ein einfach schaltendes Ventil,
7 ein Zeitdiagramm für eine Ansteuerspannung.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst einen Brennraum 12, in den Frischluft über ein Einlassventil 14 und ein Ansaugrohr 16 eingebracht wird.
Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase werden über ein Auslassventil 18 und eine Abgasleitung 20 aus dem Brennraum abgeführt und der Abgasaufbereitung zugeleitet.
Der Kraftstoff wird in den Brennraum 12 direkt durch einen Injektor 22 eingebracht, so dass eine Vermischung des Kraftstoffs mit Frischluft erst im Brennraum 12 erfolgt. Der Injektor umfasst hierbei einen Piezoaktor 24, der in 2 näher beschrieben ist. Die Steuerung und Regelung der Kraftstoffeinspritzung erfolgt über ein Steuer- und Regelgerät 26. Mittels des Injektors wird der Kraftstoff mit hohem Druck in den Brennraum 12 eingebracht. Der Brennstoff wird dabei von einem Kraftstoffreservoir 28 über eine Kraftstoffleitung 29 in den Injektor 22 geleitet.
Das im Brennraum 12 nach einer Einspritzung vorhandene Kraftstoff-/Luftgemisch wird entzündet.
Dabei kann vorgesehen sein, dass pro Arbeitstakt mehrere Einspritzungen vorgesehen sind, bspw. zwei Voreinspritzungen und eine Haupteinspritzung, die im Späteren mit VE₁ und VE₂ sowie HE bezeichnet werden und auf die in 6 eingegangen wird.
Das Einspritzventil gemäß 2 umfasst einen piezoelektrischen Aktor 24 mit einer Anzahl von hintereinander geschalteten Piezoelementen 24n. Der Piezoaktor 24 ist einerseits mit einem Gehäuse verbunden, wobei mit 32 die Anschlussklemmen zum Aufladen des Piezoaktors 24 gekennzeichnet sind und er steht auf der anderen Seite mit einem Stellkolben 34 in Verbindung. Der Stellkolben schließt mit seiner vom piezoelektrischen Aktor 24 abgewandten Stirnseite einen Kopplerraum 36 eines hydraulischen Kopplers ab. In dem hydraulischen Kopplerraum 36 ist ein zweiter Stellkolben 38 in einem Verbindungskanal 39 zwischen dem Kopplerraum 36 und einem Schaltventilraum 40 geführt, der auf seiner vom Kopplerraum 36 abgewandten Seite mit einem Dichtelement verbunden ist. Dieses Dichtelement dient als Verschlusselement 42 eines doppelt schließenden Steuerventils. Das doppelt schließende Steuerventil verschließt in seiner ersten Verschlussposition 40a einen ersten Ventilsitz, der auch als obere geschlossene Position (Spannungsniveau) bezeichnet wird, wobei diese Verschlussposition einer maximalen Ansteuerung des Aktors entspricht. In einer zweiten Verschlussposition verschließt das Verschlusselement 42 eine untere Verschlussposition, wobei es in diesem Fall gegen einen unteren Ventilsitz 40b, der näher am Aktor angeordnet ist, anliegt.
Über einen Durchlass im ersten Ventilsitz 40a ist der Ventilraum 40 mit einem Kanal 44 verbunden, der über ein Anschlussstück 46 an ein nicht dargestelltes Kraftstoffversorgungssystem mit einer Hochdruckkraftstoffversorgung eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Im Kanal 44 ist eine Düsennadel 48 angeordnet, die einen Kraftstoffauslauf 50 eines von dem Anschlussstück 46 abzweigenden Kraftstoffkanals 52 abhängig von einer über die Anschlussklemmen 32 an den elektrischen Aktor 24 angelegten Ansteuerspannung freigibt oder verschließt.
Das Einspritzventil 22 ist damit gemeinsam mit weiteren Einspritzventilen 22 Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems.
Zur Kraftstoffeinspritzung wird über die Steuereinheit 26 in einem Einspritzzyklus eine Ansteuerspannung an die Anschlussklemmen 32 jedes Einspritzventils 22 angelegt, wobei sich der piezoelektrische Aktor 24 in Abhängigkeit von dieser Ansteuerspannung ausdehnt. Durch die Ausdehnung des piezoelektrischen Aktors 24 wird der Stellkolben 34 in Richtung des hydraulischen Kopplerraums 36 bewegt. Infolge der hieraus resultierenden Druckerhöhung des hyraulischen Kopplers 36 wird der Kolben 38 mit dem daran angeordneten Verschlusselement 42 in Richtung auf den ersten Ventilsitz 40a zubewegt. Über die Kraftstoffzuleitung 29 herrscht im Anschlussstück 26 eines Einspritzventils 22 ein hoher Druck, der bei einem Common-Rail-System bspw. zwischen 200 und 1.800 bar betragen kann. Dieser Druck wirkt gegen die Düsennadel 48 und hält sie geschlossen, so dass durch den Kraftstoffauslauf 50 kein Kraftstoff austreten kann. Wenn aber nun infolge der an dem Aktor 24 angelegten Spannung das Verschlusselement 42 vom zweiten Ventilsitz 40b zum ersten Ventilsitz 40a oder umgekehrt bewegt wird, baut sich der Druck im Hochdruckbereich des Kanals 44 ab, so dass die Düsennadel 48 in Richtung auf den Ventilraum 40 zurückweicht und den Kraftstoffauslauf 50 freigibt. In diesem Fall erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung in den zugeordneten Zylinder.
Die Befüllung des Kopplerraums 36 erfolgt dabei über den Ventilraum 40, der über einen Kanal 54 mit dem Kopplerraum 36 im Bereich des Verbindungskanals 39 in Kontakt steht, wobei ein Druckteilerstift in dem Kanal 54 angeordnet ist. Anstelle des Druckteilerstiftes ist auch ein anderes Druckregelventil bspw. ein "Kugel-Feder-Ventil" einsetzbar. Der vorherrschende Druck im Kopplerraum 36 ist unangesteuert eine Funktion der Stiftlänge. Der Stift wird dabei von unten nach oben, d. h., vom Ventilraum 40 zum Kopplerraum 36 durchströmt. Am unteren Ende liegt hierbei Raildruck an, welcher über die Stiftlänge um ca. den Faktor 10 reduziert wird. Bei einer Bewegung des Kolbens 38 tritt nun ein Teil des im hydraulischen Kopplerraum 36 befindlichen Kraftstoffs über Leckspalte aus. Die Leckage wird dabei über den Durchmesser des Druckteilerstiftes 56 eingestellt und hängt von dessen Durchmesser ab. Die Leckagemenge ist damit unabhängig von der Qualität des Kopplers. D. h. auch bei einem schlechten Druckhaltevermögen des Kopplers bleibt die Leckage konstant, so lange der Stiftdurchmesser konstant bleibt. Allerdings kann es aufgrund von Alterung oder sonstigen Fehlern zu einer Veränderung der Spaltgeometrie kommen, die Funktionalität des hydraulischen Kopplers ist jedoch im Wesentlichen abhängig von der Spaltgeometrie zwischen dem Kolben 38 und dem Gehäuse im Bereich des Kanals 39. Vergrößert sich dieser Spalt, so verschlechtert sich das Druckhaltevermögen. Leckageverluste werden über einen Leckagerücklauf 56 abgeführt.
In der ersten Verschlussposition auf dem ersten Ventilsitz 40a wirkt dabei ein Druck von ca. 400 bar auf das Verschlusselement 42, wobei sichergestellt werden muss, dass aufgrund der Spannung im Piezoaktor 24 das Dichtelement 42 stets sicher auf dem Ventilsitz 40a gehalten wird. Aufgrund der Leckage, die bei jeder Ansteuerung des Aktors 24 über Leckspalte aus dem System herausgedrückt werden, wirkt der hydraulische Druck im Kopplerraum 36 auf den Aktor 24 zurück. Tritt aufgrund der Leckageverluste zwischen Kolben 38 und Kanal 39 vermehrt Kraftstoff in das Leckagesystem und wird über den Leckagerücklauf 58 abgeführt, so verringert sich der Druck im Kopplerraum, wodurch sich die Vorspannkraft verändert und damit auch die Aktorspannung. Es werden in diesem Fall höhere Spannungen notwendig, um das Verschlusselement 42 auf dem Ventilsitz 40a zu halten. Wie bereits ausgeführt verstärkt sich dieser Effekt durch Alterung und/oder Defekt im Bereich des Kopplers. Der Effekt der Spannungsänderung ist in der geöffneten Position zwischen den beiden Ventilsitzen 40a und 40b sowie des dazugehörigen Spannungsniveaus nicht so gut messbar, da hier der Druck im Kopplerraum bei ca. 200 bar liegt und damit die Kopplerkraft und der messbare Effekt geringer sind als in der oberen geschlossenen Position.
Anhand von 3 soll nun das Verfahren gemäß der Erfindung für ein doppelt schaltendes Ventil näher erläutert werden. Das Verfahren beginnt mit einem Startblock, wobei nach diesem Block im Block 59 der Piezoaktor 24 geladen wird. Der Zeitzähler wird hierbei auf Null gesetzt. Die anschließende Abfrage prüft, ob der momentane Zeitpunkt der Zeitpunkt am Ende (End Event) einer Einspritzung ist, bei der ein Topspannungsniveau vorliegt. (Dies kann sowohl eine Voreinspritzung sein, als auch eine Haupteinspritzung, da einige Verfahren zur Einspritzungsregelung z.B. die Voreinspritzung bei einer Drehzahl von 3000u/min abschalten.) Ist dies nicht der Fall, wird eine weitere Zeitschleife durchlaufen und zu einem Zeitpunkt t + 1 die Abfrage erneut gestartet. Wird diese Anfrage mit "ja" beantwortet, wird eine Spannung U₁ _top gemessen.
Im nachfolgenden Schritt erfolgt die Abfrage, ob der Zeitzähler den Zeitpunkt t_{BeginEventTop}, also den Beginnzeitpunkt bzw. einen definierten Zeitpunkt kurz vor dem Beginn einer Einspritzung ebenfalls im Topspannungsniveau erreicht hat. Ist dies nicht der Fall, wird der Zeitzähler wiederum in iterativen Schritten erhöht, bis der Zeitpunkt t = t_{BeginEventTop} erreicht ist. Wird diese Abfrage mit "ja" beantwortet, so wird eine Spannung U₂ _Top gemessen.
Es erfolgt nun eine Abfrage, ob die Differenz zwischen U_1Top und U₂ _Top größer oder gleich einem Grenzwert ist. Sofern dies bejaht wird, kann davon ausgegangen werden, dass die Kopplerleckage unter einem kritischen Schwellwert liegt, d. h. sich im zulässigen Bereich bewegt. Das Verfahren ist dann beendet. Liegt der Spannungsabfall über einem Grenzwert, so erfolgt im Block 60 ein Fehlereintrag in den Fehlerspeicher des Bordcomputers und der Fahrer wird über eine Signaleinrichtung aufgefordert, eine Servicewerkstatt aufzusuchen. Es erfolgt sodann die Abfrage, ob der Spannungsabfall kleiner oder gleich einem zweiten Grenzwert ist. Wird diese Frage mit "ja" beantwortet, so wird zum Ausgleich des Spannungsabfalls, der kleiner als ein erster Grenzwert ist, zunächst eine Nachricht im Block 62 an das Steuer- und Regelgerät gegeben, wodurch der Raildruck abgesenkt wird, um einen sicheren Sitz des Dichtelementes 42 auf dem Ventilsitz 40a zu gewährleisten.
Ist der Spannungsabfall jedoch auch größer als der zweite Grenzwert, so erfolgt ein weiterer Fehlereintrag im Block 60 in den Fehlerspeicher und es wird eine weitere Abfrage durchgeführt, nämlich ob der Spannungsabfall noch kleiner oder gleich einem dritten Grenzwert ist. Ist der Spannungsabfall kleiner oder gleich dem dritten Grenzwert, so wird das doppelt schaltende Schaltventil 22 nicht mehr im normalen Modus gefahren, sondern es wird lediglich noch der Ventilsitz 40b angefahren, bei dem eine geringere Aktorspannung notwendig ist und auf den geringere Drücke wirken. Diese ersten beiden Schwellen werden auch als weiche Schwellen bezeichnet. Der zweite Grenzwert ist dabei so ausgelegt, dass das sichere Verbleiben des Dichtelements im oberen geschlossenen Sitz bei einem zeitlich maximalen Abstand zwischen zwei Einspritzungen, die im Topspannungsniveau durchgeführt werden, gewährleistet sein muss.
Ist der Spannungsabfall jedoch auch größer als ein dritter Grenzwert, der eine weitere (harte) Schwelle darstellt, so ist aufgrund der unzulässigen Erhöhung der Kopplerleckagemenge der sichere Betrieb des Injektors 22 nicht länger gewährleistet. Es erfolgt ein weiterer Fehlereintrag im Block 64 und der noch geladene Aktor wird entladen. Diese dritte harte Schwelle ist applikativ so ausgelegt, dass das reproduzierbare und genaue Ansteuern des Injektors noch gewährleistet ist.
Das Verfahren ist dann beendet und kann zu einem späteren Zeitpunkt erneut durchgeführt werden. Wie oft das Diagnoseverfahren durchgeführt wird, hängt von den festzustellenden Fehlermöglichkeiten ab. Soll nur der Fall der Erhöhung der Kopplerleckagemengen infolge Alterung erkannt werden, dann kann das Topspannungsniveau nur in gewissen Zeitabständen, z. B. in Abhängigkeit vom Betriebsstundenzähler des Steuergerätes 26 analysiert werden.
Die Vorsehung einer Abfrage nach einem ersten Grenzwert, bei dem in dem Fall, dass der Spannungsabfall größer als der Grenzwert ist, der Raildruck verringert wird, kann erfindungsgemäß auch entfallen. Darüber hinaus kann als mögliche Maßnahme im Block 62 alternativ oder zusätzlich auch vorgesehen sein, die Topspannung bis zu einem maximal zulässigen bzw. möglichen Niveau zu erhöhen.
4 zeigt eine alternative Ausgestaltung, bei der die Spannungswerte zwischen dem End Event einer Einspritzung im Topspannungsniveau, bspw. nach einer Einspritzung VE₁ und vor dem Begin Event auf dem Topspannungsniveau einer bspw. Haupteinspritzung kontinuierlich gemessen werden. Auch hier beginnt das Verfahren mit dem Startblock, wobei dann im nächsten Block der Piezoaktor 24 geladen wird und der Zeitpunkt auf t = 1 gesetzt wird. Sobald t = t_End _Event im Topspannungsniveau wird, wird der Zeitzähler nicht lediglich nur weiter erhöht, sondern es wird ein Spannungswert U_1T _op gemessen. Es wird dann zu einem nächsten Zeitpunkt die Abfrage gestellt, ob t ≤ t_Begin _Event _Top der nächsten Einspritzung ist und so lange dies der Fall ist, werden Spannungswerte U₂ bis U_n aufgenommen. Der Zeitzähler wird nach jeder Spannungsmessung um 1 erhöht und es wird erneut die Abfrage gestartet, ob t ≤ t_Begin _Event _Top ist. Erst wenn diese Frage mit "nein" beantwortet wird, also der Zeitpunkt größer geworden ist als t_Begin _Event _T _o _p erfolgt eine nächste Abfrage, nämlich ob das Integral über die Topspannungen kleiner als ein erster Grenzwert sind. Das anschließende Verfahren läuft dann wie in 3 beschrieben ab.
In 5a ist der Verlauf der Ansteuerspannung für den Piezoaktor 24 sowie die Kopplerkraft über den Zeitraum von ca. 4 ms gezeigt. Dabei zeigt die Darstellung in 5a die Werte für zwei verschiedene Injektoren. So kann gesehen werden, dass der Effekt der nachlassenden Kopplerkraft im Topspannungsniveau beim Injektor gemäß 5a stärker auftritt, da hier der Dichtschaft kürzer ausgeführt ist.
6 zeigt nun in einer schematischen Darstellung über die Zeitachse aufgetragen eine Kraftstoffeinspritzung mit drei separaten Einspritzungen während eines Arbeitstaktes, nämlich VE₂, VE₁ und HE, wobei VE₂ die frühere und VE₁ die spätere Voreinspritzung ist. Es handelt sich hierbei um zwei Voreinspritzungen sowie eine Haupteinspritzung. Es kann hierbei erkannt werden, dass die erste Voreinspritzung VE₂ zustande kommt, wobei ausgehend vom niedrigen Spannungsniveau, bei dem sich das Verschlusselement in der unteren Verschlussposition befindet, durch Spannungserhöhung (up), es zu einer Öffnung des Einspritzventils kommt und dann nach erfolgter Einspritzung VE₂ das Verschlusselement 42 wieder auf dem Ventilsitz 40b bei einem niedrigen Spannungsniveau (bottom) aufliegt. Zur Einspritzung VE₁ wird zunächst wie bei der Einspritzung VE₂ eine Öffnung des Injektors erfolgen, indem die Spannung am Aktor 24 auf ein Niveau (up) erhöht wird. Zum Schließen des Einspritzventils erfolgt dann eine weitere Spannungserhöhung bis auf das Topspannungsniveau (top), wodurch das Verschlusselement 42 auf dem oberen Ventilsitz 40a aufsitzt und das Ventil verschließt. Während der Haupteinspritzung erfolgt dann eine Absenkung der Spannung (down), wodurch die gleiche Zwischenstellung zwischen den beiden Ventilsitzen wie bei der up-Spannung erreicht wird, wobei jedoch die Aktorspannung in diesem Down-Niveau geringer ist als im Öffnungsniveau (up) für die beiden Voreinspritzungen. Die unterschiedlichen Spannungen ergeben sich aus dem Hystereseverhalten der Aktorspannung. Es erfolgt dann zum Verschließen des Injektors eine weitere Absenkung der Aktorspannung (bottom), so dass das Verschlusselement 42 wiederum auf dem Ventilsitz 40b zu liegen kommt. Es kann darüber hinaus erkannt werden, zu welchen Zeitpunkten eine Messung der Spannung erfolgt. Wichtig ist hierbei, dass die Messung im Bereich des End Events erfolgen kann, also noch während des hohen Niveaus, jedoch stets vor dem Begin Event durchgeführt werden muss, um Einschwingvorgänge zu filtern, die im Bereich der Veränderung einer Aktorspannung eintreten. Um den Spannungsabfall zu bestimmen, muss hier die Abschaltspannung bekannt sein, die in 6a mit gekennzeichnet ist. Die Spannungsüberhöhung ergibt sich aus den sensorischen Eigenschaften des Pieozoaktors und dem "Feder-Masse" System, da die Piezokeramik mit einer Feder vorgespannt ist.
6b zeigt den Spannungsverlauf für ein einfach schaltendes Ventil, bei dem kein Topspannungsniveau angefahren wird.
Schließlich zeigt 7 eine kontinuierliche Messung der Spannung über einen ADC-Trigger auf der unteren Linie angedeutet durch die senkrecht stehenden Pfeile und mit der durchgezogenen Linie einen normalen Spannungsabfall aufgrund der normalen Leckage des Kopplers und mit der gestrichelt dargestellten Linie den Spannungsabfall, wie er bei einer unzulässig hohen Kopplerleckage auftritt. Über das Verfahren, wie es in 4 gezeigt ist, können in diesem Fall Diagnoseaussagen getroffen werden.

Claims

1 Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Anzahl von Einspritzventilen, bei denen jeweils ein piezoelektrischer Aktor ein Verschlusselement über einen hydraulischen Koppler treibt, bei dem in mindestens einer Verschlussposition des Verschlusselementes, in der eine Aktorspannung > 0 ist, der Verlauf der Aktorspannung überwacht wird und aus dem Verlauf der Aktorspannung über deren Zusammenhang mit der Vorspannkraft und damit der Druckänderung im hydraulischen Koppler auf eine Leckage im Bereich des Kopplers geschlossen wird.

Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Einspritzventil ein doppelschaltendes Ventil mit einer ersten oberen, näher an einer Düse zur Kraftstoffeinspritzung liegenden Verschlussposition und einer zweiten unteren, weiter von der Düse entfernt liegenden Verschlussposition ist sowie mindestens einer offenen Position, die zwischen den beiden Verschlusspositionen liegt und wobei der Verlauf der Aktorspannung in der oberen Verschlussposition überwacht wird.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem anhand der überwachten Aktorspannung eine Diagnoseaussage über den Füllstand des Kopplers des Einspritzventils gebildet wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die aus der Aktorspannung ermittelte Leckage des Kopplers mit Grenzwerten verglichen wird.

Verfahren nach Anspruch 4, bei dem bei Überschreiten eines Grenzwertes der Leckage der Raildruck abgesenkt wird.

Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem bei Überschreiten eines Grenzwertes der Leckage die Aktorspannung erhöht wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem bei Überschreiten eines Grenzwertes der Leckage des Kopplers ein Betrieb des doppelt schaltenden Ventils derart umgeschaltet wird, dass die überwachte erste obere Verschlussposition nicht mehr angefahren wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem bei Überschreiten eines Grenzwertes der Leckage das Einspritzventil abgeschaltet und der Piezo-Aktor entladen wird.

Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Spannungsverlauf des Piezo-Aktors zwischen dem Ende einer ersten Einspritzung und dem Beginn einer zweiten Einspritzung in bestimmten diskreten Abständen, mindestens jedoch zwei mal abgetastet wird.

Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Spannungsverlauf des Piezo-Aktors zwischen dem Ende einer ersten Einspritzung und dem Beginn einer zweiten Einspritzung kontinuierlich abgetastet wird.

Computerprogramm, das zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird.

Computerprogramm nach Anspruch 11, das auf einem Speicher, insbesondere einem Flash-Memory abgespeichert ist.

Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Anzahl von Einspritzventilen (22), wobei es einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm nach einem der Ansprüche 11 oder 12 abgespeichert ist.

Brennkraftmaschine, mit einem Brennraum (12), mit einer Anzahl von Einspritzventilen (22), bei denen jeweils ein piezoelektrischer Aktor (24) ein Verschlusselement (42) über einen hydraulischen Koppler (36) treibt, die ein Steuer- und/oder Regelgerät (26) nach Anspruch 13 umfasst.