EP1394397A2 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems, sowie Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems - Google Patents

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EP1394397A2
EP1394397A2 EP03014503A EP03014503A EP1394397A2 EP 1394397 A2 EP1394397 A2 EP 1394397A2 EP 03014503 A EP03014503 A EP 03014503A EP 03014503 A EP03014503 A EP 03014503A EP 1394397 A2 EP1394397 A2 EP 1394397A2
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EP
European Patent Office
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voltage
actuator
coupler
injection
leakage
Prior art date
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Withdrawn
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EP03014503A
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English (en)
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Matthias Mrosik
Kai Sutter
Udo Schulz
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure

Definitions

  • the invention relates on the one hand to a method for Operating a fuel injection system with a number of injectors, each with a piezoelectric actuator a closure element over a hydraulic coupler drives.
  • Invention a computer program and a control and / or Control device for operating a fuel injection system and an internal combustion engine.
  • Fuel injection system As an integral part in a Internal combustion engine for introducing the fuel into the combustion chambers of the cylinders Fuel injection system are used. On such a fuel injection system usually comprises a number of injectors, individually or too in the manner of a so-called common rail system central supply system are fueled. In both embodiments, each injector is usually in an associated injector integrated, through which the fuel injection in one predeterminable way is adjustable.
  • the injectors can use an electrical Provide control with a piezoelectric actuator his.
  • Such an injector for the Fuel injection into the combustion chamber Internal combustion engine with a high pressure system or Common rail system is known from DE 197 38 802.
  • This The injection valve is designed in a double-switching manner and has a closure member that is in one of two alternative valve seats in one Is in the closed position and thereby closing the Injector causes. In a middle position between the however, the closure member takes one of the two valve seats Open position.
  • a piezoelectric actuator drivable.
  • the piezoelectric actuator is opened, for example a drive voltage charged by the pressure in the common rail system is dependent. Because of the control voltage the actuator expands in the longitudinal direction. This Linear expansion is based on a hydraulic coupler transferred the closure member, so that on the one hand the from Actuator-generated stroke is amplified and the other hand Closure member of a possible static Thermal expansion of the actuator is decoupled.
  • a Charging the piezoelectric actuator thus causes over the hydraulic coupler a transfer of the Closing member initially from the first closed position to the open position and then from the open position in the second closed position.
  • the result refilling after an injection depending on amount of fuel to be refilled and available Time interval may be different.
  • a check on possible incorrect or non-filling is not there intended.
  • An inadequate or insufficient Refilled coupler can therefore only indirectly via Errors due to faulty injections such as Speed fluctuations can be determined without a clear assignment to the cause of the error would be possible.
  • a method of the type mentioned at the outset is, for example, from EP 1 167 729 A1 known.
  • a Fuel injection system with a piezoelectric actuator described, after a charging process of the actuator whose terminal voltage is monitored and to form a Diagnostic statement for the respective injection valve is used.
  • This is said to be a special one reliable fuel injection can be guaranteed.
  • to direct and timely monitoring of the valve lift of the Injectors should be one after the injection cycle Diagnostic statement are made. This can be done as suitable parameter the terminal voltage of the respective Actuator are used.
  • piezo actuators work via a hydraulic one Coupler on a control valve, which via a hydraulic control circuit ultimately the nozzle needle actuated.
  • the hydraulic coupler is used on the one hand to increase the stroke and on the other hand to decouple of the control valve from the temperature expansion of the actuator. In order for the coupler to work safely, this one must have a certain amount of hydraulic fluid.
  • the coupler space is filled via the Valve chamber, a pressure divider pin and a piston.
  • the Pressure divider pin is from top to bottom flows through. There is pressure at the bottom, which reduces by a factor of 10 over the pin length becomes.
  • Hydraulic fluid is used through the leakage gaps from this pushed out.
  • the leakage is determined by the diameter of the pen and is independent of the quality of the coupler. I.e. even with a bad one
  • the coupler's pressure retention capacity remains the leak constant as long as the pin diameter remains constant.
  • the functionality of the control valve is therefore in Essentially depending on the gap geometry between the Piston and the housing. If this increases, it is Pressure retention worse, d. H. it will be higher Forces required to hold a closed position.
  • the sealing element here the piston, in an upper one closed seat or top voltage level must ensure that the declining coupler force due to the leak is always greater than the force that by the rail pressure on the sealing element in the upper closed seat is caused. If this is not the case, the sealing element detaches from the closed seat and it comes to the unwanted injection.
  • the current state of the art for double switching valves provides between the end event a pre-injection and the start event one Main injection in the upper closed position drive.
  • the distance between End Event and Begin event kept constant over time.
  • the setpoint for the coupler force that the coupler as a function of Rail pressure in the upper closed seat is designed to ensure that the Piston in the upper closed seat at maximum time interval between the two injections is guaranteed.
  • Coupler leakage through a voltage level controller be balanced. Due to a maximum possible However, the voltage of the DC / DC converter used for this is with increased coupler leakage due to aging or Errors in leakage compensation quickly set limits.
  • the invention is therefore based on the object Method of operating a fuel injection system with a number of injectors, each of which a piezoelectric actuator over a closure element drives a hydraulic coupler to specify in which reliable statements about the amount of leakage are made can.
  • the invention solves this problem by a method of type mentioned in which in at least one Closure position of the closure element at which one Actuator voltage of the actuator is> 0, the course of the Actuator voltage is monitored and from the course of the Actuator voltage, on their relationship with the Preload and thus the pressure change in the hydraulic Coupler for a leak in the area of the coupler is closed.
  • the coupler leakage that occurs is caused by the invention due to aging and other faults that cause one Geometry change of the gap between the piston and Housing is created, monitored. It can be done this way Conditions are recognized in which due to the existing Coupler leakage is not a safe operation of the injector more secure in one or possibly two locking positions is possible. An unwanted injection due to a Opening of the valve should be prevented.
  • the control curve of a control valve can then either on a safe mode of operation in the secure closing is guaranteed to be changed or the actuator in question can no longer be activated become, d. H. in the simplest case, it is unloaded.
  • the injector has a double switching valve a first upper locking position and a second lower closure position, the upper Closure position closer to the nozzle Fuel injection and at least one open Position between the two shutter positions lies and with the course of the actuator voltage in the upper Lock position is monitored. Basically you can also different open positions between the two Locking positions are provided which are approached can.
  • the Actuator voltage determined values for the leakage of the Coupler with limit values are compared, being for the Limit value acquisition, for example a triggered ADC (analog-digital converter) can be used.
  • ADC analog-digital converter
  • the threshold can be designed such that the the closure element remains securely in the closed position upper seat at maximum time between two Injections is guaranteed. Will this threshold of the amount of leakage is exceeded, a Switchover of operation in the manner described above. A another last (hard) threshold signals another inadmissible increase in the amount of coupler leakage or a the injector is no longer safe to operate. In this case the loaded actuator should discharge and no more can be controlled.
  • the actuator voltage should be between the end event of an injection and the start event of the next injection if possible be scanned continuously, but at least twice to filter out disturbances and / or vibrations. So can be provided, for example, that the actuator voltage at the end Event of a pre-injection and before the start event of the next injection, for example the main injection becomes. This is due to the wait for the transient process the actuator voltage after an event and in the Measuring events in close succession.
  • the Piezo actuator works in addition to its actuator function as a sensor.
  • the invention comprises a computer program for Carrying out a method described above, if it is running on a computer and in particular if it is on a memory, especially a flash memory, is saved.
  • a comparator and one Digital-Analog Converter can do the same be implemented in terms of hardware because the high-frequency Scanning the microcomputer charged.
  • the time is known to be unloaded because the computer does the Unloading actively controls.
  • the invention further includes a control and / or Control device for operating a fuel injection system with a number of injectors, being one Includes memory on which a previously described Computer program is stored.
  • the subject of the invention is a Internal combustion engine, with a combustion chamber, with a number of injectors, each with a piezoelectric actuator a closure element over a hydraulic coupler drives, the internal combustion engine a control and / or regulating device described above includes.
  • Fig. 1 shows an internal combustion engine, the total with the Reference number 10 is provided.
  • the internal combustion engine 10 comprises a combustion chamber 12 into which fresh air is supplied via a Inlet valve 14 and an intake pipe 16 is introduced.
  • the exhaust gases resulting from the combustion are over a Exhaust valve 18 and an exhaust pipe 20 from the combustion chamber dissipated and fed to the exhaust gas treatment.
  • the fuel is fed into the combustion chamber 12 directly through a Injector 22 introduced so that mixing of the Fuel with fresh air only takes place in the combustion chamber 12.
  • the injector in this case comprises a piezo actuator 24 which is in Fig. 2 is described in more detail.
  • the control and regulation the fuel injection takes place via a control and Control device 26.
  • the injector By means of the injector, the fuel introduced into the combustion chamber 12 at high pressure.
  • the Fuel is transferred from a fuel reservoir 28 a fuel line 29 is fed into the injector 22.
  • VE 1 and VE 2 and HE injections are provided per work cycle, for example two pre-injections and one main injection, which will later be referred to as VE 1 and VE 2 and HE and which will be discussed in FIG. 6.
  • the Piezo actuator 24 includes one piezoelectric actuator 24 with a number of Piezo elements 24n connected in series.
  • the Piezo actuator 24 is connected to a housing on the one hand, with 32 the terminals for charging the Piezo actuator 24 are marked and it stands on the other side with an actuating piston 34 in connection.
  • the Actuating piston closes with its from the piezoelectric actuator 24 facing away from a coupler space 36 a hydraulic coupler.
  • a second actuating piston 38 in a connecting channel 39 between the coupler space 36 and a switching valve space 40 guided, the one on its side facing away from the coupler room 36 Side is connected to a sealing element. This Sealing element doubles as a closure element 42 closing control valve.
  • the double closing Control valve closes in its first Closure position 40a a first valve seat, which also as the upper closed position (voltage level) is referred to, this closure position one corresponds to the maximum control of the actuator.
  • this closure position one corresponds to the maximum control of the actuator.
  • the second closed position closes the Closure element 42 a lower closure position, wherein it in this case against a lower valve seat 40b that is located closer to the actuator.
  • Valve chamber 40 Via a passage in the first valve seat 40a Valve chamber 40 connected to a channel 44, which via a Connector 46 to a not shown Fuel supply system with one High pressure fuel supply for a motor vehicle connected.
  • a nozzle needle 48 is located in the channel 44 arranged that a fuel outlet 50 one of the Connection piece 46 branching fuel channel 52 dependent from one via the connecting terminals 32 to the electrical Actuator 24 applied control voltage releases or closes.
  • the injection valve 22 is thus shared with others Injectors 22 part of a fuel injection system.
  • the control unit 26 For fuel injection, the control unit 26 a control voltage to the in an injection cycle Terminals 32 of each injector 22 applied, the piezoelectric actuator 24 being dependent extends from this control voltage.
  • the actuating piston 34 By the expansion of the piezoelectric actuator 24, the actuating piston 34 in Moved towards the hydraulic coupler space 36.
  • About the fuel supply line 29 prevails in Connection piece 26 of an injection valve 22 a high one Pressure that is, for example, between 200 in a common rail system and can be 1,800 bar. This pressure works against the Nozzle needle 48 and keeps it closed, so that through the Fuel outlet 50 no fuel can leak.
  • the coupling space 36 is filled via the Valve space 40, which is connected to the coupler space via a channel 54 36 is in contact in the area of the connecting channel 39, wherein a pressure divider pin is disposed in the channel 54.
  • a pressure divider pin is disposed in the channel 54.
  • Pressure control valve for example, a "ball-spring valve” can be used.
  • the prevailing pressure in the coupler space 36 is uncontrolled a function of the pen length. The pen will from bottom to top, d. that is, from the valve space 40 to Flows through coupler space 36. This is at the bottom Rail pressure, which is about the factor over the pen length 10 is reduced.
  • the leak is about the diameter of the pressure divider pin 56 set and depends on its diameter.
  • the Leakage quantity is therefore independent of the quality of the Coupler. I.e. even with a bad one
  • the coupler's pressure retention capacity remains the leak constant as long as the pin diameter remains constant. However, it may be due to aging or otherwise Errors come to a change in the gap geometry that Functionality of the hydraulic coupler is however in Essentially depending on the gap geometry between the Piston 38 and the housing in the region of the channel 39. If this gap increases, it worsens Pressure stamina. Leakage losses are over a Leakage return 56 discharged.
  • the method according to the invention for a double-switching valve begins with a start block, with the piezo actuator 24 being loaded in block 59 after this block.
  • the time counter is set to zero.
  • the subsequent query checks whether the current point in time is the point in time at the end (end event) of an injection at which a top voltage level is present. (This can be both a pre-injection and a main injection, since some methods of injection control, for example, switch off the pre-injection at a speed of 3000 rpm.) If this is not the case, another time loop is run through and at a time t + 1 the Query started again. If this query is answered with "yes", a voltage U 1top is measured.
  • the voltage drop is also greater than the second Limit value, another error entry is made in the block 60 in the error memory and there will be another query carried out, namely whether the voltage drop is even smaller or is a third limit.
  • the Voltage drop less than or equal to the third limit, so the double-switching switching valve 22 is no longer driven in normal mode, but it will only the valve seat 40b approached, with a smaller one Actuator voltage is necessary and on the lower pressures Act.
  • These first two thresholds are also called referred to as soft thresholds.
  • the second limit is there designed so that the sealing element remains secure in the upper closed seat at a maximum time Distance between two injections in the Top voltage level can be guaranteed got to.
  • the voltage drop is also greater than a third Limit that represents another (hard) threshold, see above is due to the impermissible increase in Coupler leakage amount of safe operation of the injector 22 no longer guaranteed. Another is done Error entry in block 64 and the actuator that is still loaded discharged. This third hard threshold is applicative designed that the reproducible and accurate control the injector is still guaranteed.
  • the procedure is then finished and can be changed to a later one Time can be performed again. How often that Diagnostic procedures performed depend on the possible errors to be determined. Just the case the increase in the amount of coupler leakage due to aging then the top voltage level can only be recognized in certain time intervals, e.g. B. depending on Operating hours counter of the control unit 26 analyzed become.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment in which the voltage values between the end event of an injection at the top voltage level, for example after an injection VE 1 and before the start event at the top voltage level of a main injection, for example, are measured continuously.
  • t t end event in the top voltage level
  • the time counter is not only increased further, but a voltage value U 1Top is measured.
  • the query is made as to whether t t t Begin Event Top of the next injection and as long as this is the case, voltage values U 2 to U n are recorded.
  • the time counter is increased by 1 after each voltage measurement and the query is started again whether t ⁇ t Begin Event Top . Only when this question is answered with "no", that is to say the point in time has become greater than t Begin Event Top , is there a next query, namely whether the integral over the top voltages is less than a first limit value. The subsequent process then proceeds as described in FIG. 3.
  • FIG. 5a is the profile of the control voltage for the Piezo actuator 24 and the coupler force over the period of shown for approx. 4 ms.
  • the illustration in Fig. 5a shows the values for two different injectors. So can be seen that the effect of the decreasing coupler force in the Top voltage level in the injector according to FIG. 5a stronger occurs because the seal is shorter here.
  • the switch-off voltage In order to determine the voltage drop, the switch-off voltage must be known here, which is marked with * in FIG. 6a.
  • the voltage increase results from the sensory properties of the piezo actuator and the "spring-mass" system, since the piezo ceramic is pretensioned with a spring.
  • 6b shows the voltage curve for a simple switching valve with no top voltage level is approached.
  • Fig. 7 shows a continuous measurement of the Voltage via an ADC trigger on the bottom line indicated by the vertical arrows and with the solid line a normal voltage drop due to the normal leakage of the coupler and with the Dashed line the voltage drop as he occurs with an impermissibly high coupler leakage.

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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 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. Figur 2

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 hardwäremäßig 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:
Figur 1
eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Injektor, welcher einen Piezoaktor umfasst,
Figur 2
ein Einspritzventil eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einem Piezoaktor,
Figur 3
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems,
Figur 4
eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens,
Figuren 5a, 5b
Zeitdiagramme für die Ansteuerungsspannung sowie die Kopplerkraft,
Figuren 6a, 6b
Zeitdiagramme der Ansteuerspannung sowie der Einspritzung für ein doppelt schaltendes und ein einfach schaltendes Ventil,
Figur 7
ein Zeitdiagramm für eine Ansteuerspannung.
Fig. 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 Fig. 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 Fig. 6 eingegangen wird.
Das Einspritzventil gemäß Fig. 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 Fig. 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 U1top gemessen.
Im nachfolgenden Schritt erfolgt die Abfrage, ob der Zeitzähler den Zeitpunkt tBeginEventTop, 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 = tBeginEventTop erreicht ist. Wird diese Abfrage mit "ja" beantwortet, so wird eine Spannung U2Top gemessen.
Es erfolgt nun eine Abfrage, ob die Differenz zwischen U1Top und U2Top 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.
Fig. 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 = tEnd Event im Topspannungsniveau wird, wird der Zeitzähler nicht lediglich nur weiter erhöht, sondern es wird ein Spannungswert U1Top gemessen. Es wird dann zu einem nächsten Zeitpunkt die Abfrage gestellt, ob t ≤ tBegin Event Top der nächsten Einspritzung ist und so lange dies der Fall ist, werden Spannungswerte U2 bis Un aufgenommen. Der Zeitzähler wird nach jeder Spannungsmessung um 1 erhöht und es wird erneut die Abfrage gestartet, ob t ≤ tBegin Event Top ist. Erst wenn diese Frage mit "nein" beantwortet wird, also der Zeitpunkt größer geworden ist als tBegin Event Top, erfolgt eine nächste Abfrage, nämlich ob das Integral über die Topspannungen kleiner als ein erster Grenzwert sind. Das anschließende Verfahren läuft dann wie in Fig. 3 beschrieben ab.
In Fig. 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 Fig. 5a die Werte für zwei verschiedene Injektoren. So kann gesehen werden, dass der Effekt der nachlassenden Kopplerkraft im Topspannungsniveau beim Injektor gemäß Fig. 5a stärker auftritt, da hier der Dichtschaft kürzer ausgeführt ist.
Fig. 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 Figur 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.
Fig. 6b zeigt den Spannungsverlauf für ein einfach schaltendes Ventil, bei dem kein Topspannungsniveau angefahren wird.
Schließlich zeigt Fig. 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 Fig. 4 gezeigt ist, können in diesem Fall Diagnoseaussagen getroffen werden.

Claims (14)

  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.
  2. 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.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem anhand der überwachten Aktorspannung eine Diagnoseaussage über den Füllstand des Kopplers des Einspritzventils gebildet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die aus der Aktorspannung ermittelte Leckage des Kopplers mit Grenzwerten verglichen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem bei Überschreiten eines Grenzwertes der Leckage der Raildruck abgesenkt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem bei Überschreiten eines Grenzwertes der Leckage die Aktorspannung erhöht wird.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. Computerprogramm, das zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird.
  12. Computerprogramm nach Anspruch 11, das auf einem Speicher, insbesondere einem Flash-Memory abgespeichert ist.
  13. 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.
  14. 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.
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