EP1423593B1 - Verfahren zum ansteuern eines piezobetriebenen kraftstoff-einspritzventils - Google Patents

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EP1423593B1
EP1423593B1 EP02760150A EP02760150A EP1423593B1 EP 1423593 B1 EP1423593 B1 EP 1423593B1 EP 02760150 A EP02760150 A EP 02760150A EP 02760150 A EP02760150 A EP 02760150A EP 1423593 B1 EP1423593 B1 EP 1423593B1
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servo
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Wolfgang Lingl
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Definitions

  • the invention relates to a method for driving a piezo-operated fuel injection valve according to the features of claim 1.
  • the fuel injection process in diesel engines is usually carried out in several stages, with one or more pre- or post-injections being assigned to achieve a smoother combustion process of each main injection, in which the injected fuel quantity is small compared to the main injection quantity.
  • the piezo actuator actuates a hydraulic servo valve, which then moves the main valve.
  • the electrical control of the piezoelectric actuator is made so that the desired amount of fuel is injected.
  • the electrical control signals are designed in the injection of small amounts of fuel in terms of driving time and amplitude so that a safe injection takes place. Because of security concerns with respect to pressure fluctuations in the fuel supply line, parameter tolerances of the system and the wide operating temperature range is thus, especially in pre and post injections, a fuel quantity overdose connected. For this purpose, it has hitherto been concluded from the charge or energy fed into the piezoelectric actuator to the piezoelectric deflection.
  • the method according to the invention is based on a detection and evaluation of the length changes or forces of the piezoactuator which are determined from the electrical signals (of the current supplied to the piezoactuator and the voltage that builds up on it) on the piezoelectric actuator, with the aid of a nonlinear actuator model and an adaptive Method for evaluating the length changes on the piezoelectric actuator or the forces occurring on it.
  • the actuator model contains the non-linear relationships between charge or voltage and mechanical deflection, as well as operating point-dependent parameters. Furthermore, the actuator model takes into account the dielectric hysteresis of the piezoelectric actuator. Thus, this actuator model allows the conclusion of the electrical to the mechanical parameters and the simulation of the piezoelectric actuator in the range of pulse-shaped deflection.
  • FIG. 1 shows the basic course of the piezo stroke, ie, the change in length s of a piezoelectric actuator over time t during a driving process of a fuel injection valve.
  • This change in length s is calculated by means of the measured data of the current supplied to the piezoelectric actuator and the voltage which subsequently builds up on it with the aid of an actuator model which simulates the properties of a piezoactuator.
  • the curve s 1 shows the basic course of the beginning of the change in length s (expansion) of a piezoelectric actuator in a correct injection process.
  • the curve rises from the beginning 0 of the Control on, has a kink at a time t A and then increases faster, until it reaches a maximum and then drops again.
  • the kink is explained by the fact that the piezoactuator travels a free path before it penetrates against the force of the rail pressure in the servo valve and opens the servo valve.
  • the dashed curve s 0 shows the difference from the curve s 1, the basic course of the beginning of the change in length (expansion) of a piezoelectric actuator in an incorrect injection process.
  • the curve rises flat without having a kink, reaches a maximum and then falls off again, ie, the free travel is not completely measured.
  • the maximum of the curve of the linear expansion of a piezoelectric actuator depends inter alia on the energy that is supplied to the piezoelectric actuator: the greater the energy amount, the greater the longitudinal expansion s.
  • the beginning of the opening of the servo valve is thus approximately at the time t A of the curve s. 1
  • This opening of the servo valve is a mandatory requirement for a subsequent injection.
  • the actual injection is significantly delayed, since with the opening of the servo valve, the pressure in the valve chamber is slowly reduced and only then opens the actual injection valve.
  • the presence of the "bend" in the path is an indication that there is enough energy in the piezo for the servo valve to open.
  • the inventive method for determining this opening timing t A of the servo valve will be explained below.
  • the time t A for example, varies with the energy supplied to the piezoelectric actuator E and counteracting him Fuel rail pressure p and the actuator temperature T etc. He is so empirically known.
  • the times t1 to t4 which are stored in the maps and which determine the time windows W1 and W2 are also stored, that is, adapted, as a function of the time t A determined in the preceding previous injection process.
  • a determination of the injection duration is only made if a correct injection with a defined start of injection has previously been determined.
  • the fuel injection duration D is determined by means of the force F acting on the piezoactuator.
  • This force F is - as the change in length s - determined from the electrical signals (from the current supplied to the piezoelectric actuator and the voltage built up on it) with the aid of the aforementioned non-linear actuator model.
  • FIG. 2 a shows the basic profile of the force F 1 acting on a piezoelectric actuator during a fuel injection process or during a faulty injection (F 0 , dashed).
  • the force F increases from the beginning of the driving process and reaches its maximum at about time t A , then goes into an approximately horizontal course (in a faulty injection, it decreases slowly) and makes when switching off first a dip in the negative and then a jump into Positive, before it becomes zero again.
  • the first time derivative dF 1 / dt of the force F is used according to the invention.
  • the course of the first derivative dF 1 / dt of the force F (FIG. 2 a ) is shown schematically in FIG. 2 b.
  • this derivative dF 1 / dt reaches its maximum where the force F 1 rises steepest, then becomes negative when the force drops and reaches a plateau around the value zero where the force F 1 is horizontal. before it turns off at first negative and then positive and finally to zero.
  • a tolerance band for the value of the first derivative is applied in the area of the abovementioned plateau, with an upper value g1 (for dF / dt positive) and a lower value g2 (for dF / dt negative). Both values are shown in dashed lines in FIG. 2b.
  • These values like the windows W1 and W2 in FIG. 1, can also be determined via characteristic maps as a function of supplied energy, rail pressure and so on. be varied.

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Abstract

Mittels des dem Piezoaktor zugeführten Stromes und der sich daraufhin an ihm aufbauenden Spannung unter Zuhilfenahme eines nichtlinearen Aktormodells wird der Verlauf der Längenänderung (s) und die vom Aktor ausgeübte Kraft (F) errechnet und aus diesen oder von ihnen abgeleiteten Grössen (dF/dt) der Öffnungsbeginn (tA) eines Servoventils und die Einspritzdauer (D) ermittelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines piezobetriebenen Kraftstoff-Einspritzventils gemäß den Merkmalen von Anspruch 1.
  • Der Kraftstoff-Einspritzvorgang in Dieselmotoren wird üblicherweise in mehreren Abschnitten durchgeführt, wobei zur Erzielung eines sanfteren Verbrennungsverlaufs jeder Haupteinspritzung eine oder mehrere Vor- oder Nacheinspritzungen zugeordnet sind, bei denen die eingespritzte Kraftstoffmenge klein gegenüber der Haupteinspritzmenge ist.
  • Für eine präzise Dosierung der Kraftstoffmengen, insbesondere der Kleinmengen und zur Optimierung der Einspritz-Zeitpunkte, sind schnell schaltende Ventile erforderlich, wozu zunehmend piezobetriebene Einspritzventile eingesetzt werden.
  • Wegen der geringen maximalen Längenänderung der eingesetzten Piezoelemente (stacks) betätigt der Piezoaktor ein hydraulisches Servoventil, welches dann das Hauptventil bewegt. Mittels einer Ansteuerelektronik wird die elektrische Ansteuerung des Piezoaktors so vorgenommen, daß die gewünschte Kraftstoffmenge eingespritzt wird.
  • Da es nicht möglich ist, Kraftstoffmengen oder mechanische Bewegungen im Einspritzventil zu erfassen, werden die elektrischen Steuersignale bei der Einspritzung kleiner Kraftstoffmengen hinsichtlich Ansteuerdauer und Amplitude so ausgelegt, daß ein sicheres Einspritzen erfolgt. Wegen der Sicherheitsvorbehalte gegenüber Druckschwankungen in der Kraftstoffzuleitung, Parametertoleranzen des Systems und des weiten Betriebstemperaturbereichs ist damit, insbesondere bei Vor- und Nacheinspritzungen, eine Kraftstoffmengen-Überdosierung verbunden. Dazu wurde bisher aus der in den Piezoaktor eingespeisten Ladung oder Energie auf die Piezoauslenkung geschlossen.
  • Aus DE 196 44 521 A1 ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines kapazitiven Stellgliedes eines Kraftstoffeinspritzventils bekannt, welchem zur Erzielung eines konstanten Hubs eine diesem Hub zugeordnete Energiemenge zugeführt wird.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe überwacht werden kann, ob Kraftstoff-Vor-, Haupt- oder Nach-Einspritzungen stattfinden oder nicht, und welches eine genauere Festlegung der Menge jeder Kraftstoff-Vor-, Haupt- oder Nach-Einspritzung ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer Erfassung und Auswertung der am Piezoaktor bei einem Ansteuervorgang wirkenden, aus den elektrischen Signalen (des dem Piezoaktor zugeführten Stromes und der sich an ihm aufbauenden Spannung) ermittelten Längenänderungen oder Kräfte des Piezoaktors, unter Zuhilfenahme eines nichtlinearen Aktormodells und eines adaptiven Verfahrens zur Bewertung der Längenänderungen am Piezoaktor bzw. der an ihm auftretenden Kräfte.
  • Das Aktormodell beinhaltet die nichtlinearen Zusammenhänge zwischen Ladung bzw. Spannung und mechanischer Auslenkung, sowie Arbeitspunkt-abhängigen Parametern. Ferner berücksichtigt das Aktormodell die dielektrische Hysterese des Piezoaktors. Damit erlaubt dieses Aktormodell den Rückschluß von den elektrischen auf die mechanischen Größen und die Simulation des Piezoaktors im Bereich pulsförmiger Auslenkung.
  • Damit ist es möglich, eine fehlerhafte oder korrekte Einspritzfunktion sowie die Einspritzdauer (-menge) des Einspritzventils sicher festzustellen und die Ansteuersignale adaptiv so zu gestalten, daß die gewünschten minimalen Kraftstoffeinspritzungen ohne Überdosierung erfolgen.
  • Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
  • In der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1
    die Längenänderung s eines Piezoaktors bei einem Ansteuervorgang, und
    Figur 2
    die an einem Piezoaktor bei einem Öffnungsvorgang des Ventils mit oder ohne Kraftstoffeinspritzung wirkende Kraft F und die daraus abgeleiteten Größen.
  • Figur 1 zeigt den prinzipiellen Verlauf des Piezohubs, d.h., der Längenänderung s eines Piezoaktors über der Zeit t bei einem Ansteuervorgang eines Kraftstoffeinspritzventils. Diese Längenänderung s wird mittels der gemessenen Daten des dem Piezoaktor zugeführten Stromes und der sich daraufhin an ihm aufbauenden Spannung mit Hilfe eines Aktormodells, welches die Eigenschaften eines Piezoaktors nachbildet, errechnet. Die Kurve s1 zeigt den prinzipiellen Verlauf des Beginns der Längenänderung s (Ausdehnung) eines Piezoaktors bei einem korrekten Einspritzvorgang. Die Kurve steigt vom Beginn 0 der Ansteuerung an, weist zu einem Zeitpunkt tA einen Knick auf und steigt danach schneller an, bis sie ein Maximum erreicht und dann wieder abfällt. Der Knick erklärt sich daraus, dass der Piezoaktor einen Leerweg zurücklegt, bevor er sich gegen die Kraft des Raildrucks im Servoventil durchsetzt und das Servoventil öffnet.
  • Die gestrichelt dargestellte Kurve s0 zeigt zum Unterschied von der Kurve s1 den prinzipiellen Verlauf des Beginns der Längenänderung (Ausdehnung) eines Piezoaktors bei einem nicht korrekten Einspritzvorgang. Die Kurve steigt flach an, ohne einen Knick aufzuweisen, erreicht ein Maximum und fällt dann wieder ab, d.h., der Leerweg wird nicht zur Gänze durchmessen. Das Maximum der Kurve der Längenausdehnung eines Piezoaktors hängt u.a. von der Energie ab, die dem Piezoaktor zugeführt wird: je größer der Energiebetrag, desto größer die Längenausdehnung s.
  • Der Beginn der Öffnung des Servoventils liegt also etwa im Zeitpunkt tA der Kurve s1. Diese Öffnung des Servoventils ist zwingende Voraussetzung für eine anschließende Einspritzung. Die eigentliche Einspritzung erfolgt deutlich verzögert, da mit dem Öffnen des Servoventils der Druck in der Ventilkammer langsam abgebaut wird und dann erst das eigentliche Einspritzventil öffnet. Das Vorhandensein des "Knicks" im Wegverlauf ist ein Indiz dafür, dass genügend Energie im Piezo vorhanden ist, damit das Servoventil öffnet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung dieses Öffnungszeitpunkts tA des Servoventils wird nachstehend erklärt. Der Zeitpunkt tA variiert beispielsweise mit der dem Piezoaktor zugeführten Energie E und dem ihm entgegenwirkenden Kraftstoff-Raildruck p sowie der Aktortemperatur T etc.. Er ist also empirisch bekannt.
  • Über Kennfelder, die diesen Zusammenhang berücksichtigen, werden ein erstes Zeitfenster W1 (festgelegt durch Zeitpunkte t1 und t2) kurz vor dem Zeitpunkt tA [tA=f(E, p, T ...)] und ein zweites Zeitfenster W2 (festgelegt durch Zeitpunkte t3 und t4) kurz nach diesem Zeitpunkt tA, definiert.
  • Durch die Längenänderungen zu den Zeitpunkten t1 und t2 ist eine erste Gerade - Tangente T1 - bestimmt, und durch die Längenänderungen zu den Zeitpunkten t3 und t4 ist eine zweite Gerade - Tangente T1' - bestimmt. Diese beiden Tangenten, in Figur 1 fett hervorgehoben, schneiden sich in einem mittels einer einfachen trigonometrischen Rechnung ermittelbaren Zeitpunkt tA, der als Zeitpunkt der Öffnung des Servoventils gewertet wird. Für eine korrekte Einspritzung wird jedoch nur ein solcher Verlauf der Längenänderung s gewertet, bei dem die Tangente T1' einen definierbar steileren Winkel gegenüber der Abszisse aufweist als die Tangente T1. Andernfalls wird eine Fehleinspritzung angenommen (T0 - T0').
  • Aufgrund von Verschleißerscheinungen kann es langfristig vorkommen, dass sich die Lage des Zeitpunkts tA verschiebt. Deshalb ist vorgesehen, dass die in den Kennfeldern gespeicherten Zeitpunkte t1 bis t4, welche die Zeitfenster W1 und W2 bestimmen, auch von dem in dem jeweils vorhergehenden früheren Einspritzvorgang ermittelten Zeitpunkt tA abhängig gespeichert, d.h., adaptiert werden.
  • Eine Ermittlung der Einspritzdauer wird nur dann vorgenommen, wenn zuvor eine korrekte Einspritzung mit definiertem Einspritzbeginn festgestellt wurde.
  • Die Kraftstoff-Einspritzdauer D wird mittels der am Piezoaktor wirkenden Kraft F ermittelt. Diese Kraft F wird - wie die Längenänderung s -aus den elektrischen Signalen (aus dem dem Piezoaktor zugeführten Strom und der sich an ihm aufbauenden Spannung) unter Zuhilfenahme des bereits erwähnten, nichtlinearen Aktormodells ermittelt.
  • Figur 2a zeigt den prinzipiellen Verlauf der an einem Piezoaktor wirkenden Kraft F1 bei einem Kraftstoffeinspritzvorgang bzw. bei einer Fehleinspritzung (F0, strichliert).
  • Die Kraft F steigt vom Beginn des Ansteuervorgangs an und erreicht etwa im Zeitpunkt tA ihr Maximum, geht anschließend in einen etwa horizontalen Verlauf über (bei einer Fehleinspritzung nimmt sie langsam ab) und macht beim Abschalten zunächst einen Sprung ins Negative und anschließend einen Sprung ins Positive, bevor sie wieder zu Null wird.
  • Zur Ermittlung der Einspritzdauer D wird erfindungsgemäß die erste zeitliche Ableitung dF1/dt der Kraft F herangezogen. Der Verlauf der ersten Ableitung dF1/dt der Kraft F (Figur 2a) ist schematisch in Figur 2b dargestellt.
  • Bei einem korrekten Einspritzvorgang erreicht diese Ableitung dF1/dt ihr Maximum da, wo die Kraft F1 am steilsten ansteigt, wird dann negativ, wenn die Kraft abfällt und erreicht ein Plateau um den Wert Null da, wo die Kraft F1 horizontal verläuft, bevor sie beim Abschalten zunächst negativ und dann positiv und schließlich zu Null wird.
  • Bei einer Fehleinspritzung würde die Ableitung dF0/dt (in Figur 2b strichliert) ein geringeres Maximum erreichen und anschließend negativ werden, bevor sie beim Abschalten wieder zu Null würde.
  • Erfindungsgemäß wird im Bereich des oben genannten Plateaus ein Toleranzband für den Wert der ersten Ableitung gelegt, mit einem oberen Wert g1 (für dF/dt positiv) und einem unteren Wert g2 (für dF/dt negativ). Beide Werte sind in Figur 2b strichliert dargestellt. Auch diese Werte können, wie die Fenster W1 und W2 in Figur 1, über Kennfelder in Abhängigkeit von zugeführter Energie, Raildruck u.s.w. variiert werden.
  • Solange sich nun die erste Ableitung dF1/dt - nach dem Zeitpunkt tA - innerhalb dieses Toleranzbandes befindet, was zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 in Figur 2b festgestellt wird, wird angenommen, dass die Kraftstoffeinspritzung, die allerdings erst zeitversetzt dazu erfolgt, eine Dauer D (D=t6-t5) aufweist.
  • Auf die beschriebene Weise kann für jede Ansteuerung eines Piezoaktors für eine Vor-, Haupt- oder Nacheinspritzung festgestellt werden, ob eine korrekte oder eine Fehl-Einspritzung stattfindet, wann die Einspritzung beginnt und wie lange sie dauert.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Ansteuern eines piezobetriebenen Kraftstoff-Einspritzventils bei einer Vor-, Haupt- oder Nacheinspritzung, mittels eines Piezoaktors und eines von ihm betätigten Servoventils zur Erkennung einer Öffnung des Servoventils und der Bestimmung der Einspritzdauer (D),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass bei einem Ansteuervorgang aus dem dem Piezoaktor zugeführten Strom und der sich daraufhin an ihm aufbauenden Spannung unter Zuhilfenahme eines nichtlinearen Aktormodells der Verlauf der Längenänderung (s) und die vom Aktor ausgeübte Kraft (F) errechnet werden und aus diesen oder von ihnen abgeleiteten Größen (dF/dt) ein Öffnungsvorgang des Servoventils (tA) ermittelt und die Einspritzdauer (D) bestimmt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß ein erstes (W1) und zweites Zeitfenster (W2) vorgesehen sind,
    dass die Längenänderungen am Beginn (t1) und am Ende (t2) des ersten Zeitfensters (W1) eine erste Tangente (T1), und die Längenänderungen am Beginn (t3) und am Ende (t4) des zweiten Zeitfensters (W2) eine zweite Tangente (T1') bestimmen, und
    dass sich die beiden Tangenten (T1, T1') in einem Zeitpunkt (tA) schneiden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt (tA) als Öffnungszeitpunkt des Servoventils gewertet wird, wenn die Tangente (T1') einen definierbar steileren Winkel gegenüber der Abszisse aufweist als die Tangente (T1), andernfalls (T0, T0') eine Fehleinspritzung detektiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    dass bei einem als Öffnungszeitpunkt des Servoventils gewerteten Zeitpunkt (tA) für die erste zeitliche Ableitung (dF1/dt) der Kraft (F) ein Toleranzband zwischen einem oberen Grenzwert (g1) und einem unteren Grenzwert (g2) festgelegt wird, und
    dass die Zeit (t5 bis t6), in der sich der Wert der ersten Ableitung (dF1/dt) nach dem Zeitpunkt (tA) innerhalb dieses Toleranzbandes bewegt, als Einspritzdauer (D) gewertet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die beiden Zeitfenster (W1, W2) definierenden Zeitpunkte (t1 bis t4) oder die Grenzwerte (g1, g2) des Toleranzbandes als von wenigstens der dem Piezoaktor zugeführten Energie, dem Kraftstoff-Raildruck oder der Aktortemperatur zugeordnete Zeitpunkte in Kennfeldern gespeichert sind.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Kennfeldern gespeicherten Zeitpunkte (t1 bis t4), welche die Zeitfenster (W1, W2) bestimmen, auch von dem in dem jeweils vorhergehenden früheren Einspritzvorgang ermittelten Zeitpunkt (tA) abhängig adaptiert werden.
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