WO2010023041A1 - Verfahren zum betreiben einer kraftstoffeinspritzvorrichtung einer brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2010023041A1
WO2010023041A1 PCT/EP2009/059433 EP2009059433W WO2010023041A1 WO 2010023041 A1 WO2010023041 A1 WO 2010023041A1 EP 2009059433 W EP2009059433 W EP 2009059433W WO 2010023041 A1 WO2010023041 A1 WO 2010023041A1
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valve
piezoelectric element
voltage
injection device
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Hans-Peter Lehr
Erik Tonner
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Robert Bosch Gmbh
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    • F02D41/2464—Characteristics of actuators
    • F02D41/2467—Characteristics of actuators for injectors

Definitions

  • the invention is based on a method for operating a
  • Fuel injection device of an internal combustion engine in particular an internal combustion engine of a motor vehicle, according to the features of the preamble in claim 1.
  • the invention also relates to a corresponding computer program, an electrical memory and a control device.
  • the invention is based, even for injectors in which the nozzle needle is controlled by a valve, to provide a method which allows the monitoring of the state of the control valve, the task.
  • This object is achieved by a method for operating a fuel injection device, in particular a motor vehicle with an injection valve, wherein the injection valve comprises a piezoelectric element and a control valve with a valve member and a valve seat, achieved in that the piezoelectric element is charged, and that of the the second time derivative is formed on the piezoelectric element during the charging process and that the time at which the second time derivative of the voltage has a maximum is considered as corresponding to the time of impact of the valve member on the valve seat size.
  • the invention is based on the finding that a measure of the state of the injection device or of the control valve can be obtained from the evaluation of the voltage profile.
  • the state of the injector and with it also the switching time of the control valve is subject to aging and wear-related changes over the life of an internal combustion engine.
  • the inventive method determines the time at which a valve member of the control valve impinges on the valve seat. From this, the switching time of the control valve can be determined. Since this switching time for the optimal control or fuel metering in the combustion chamber of the internal combustion engine is of considerable importance, this switching time can be detected periodically using the inventive method over the entire life of the internal combustion engine and in the calculation of the driving time and the driving times of the piezoelectric element of the fuel injection device be considered accordingly.
  • a delay time constant which is between the impact of the valve member on the valve seat and the occurrence of the maximum of the second time derivative of the voltage applied to the piezoelectric element taken into account.
  • This delay time ⁇ T is essentially determined by the mechanical properties, in particular mass inertia and dimensions of the coupler, and therefore almost constant over the entire life of the fuel injector. Therefore, it is possible without significant effort to take into account this size in the calculation of the switching time of the control valve and thereby determine the switching even more accurate even more accurate.
  • the opening time of the nozzle needle changes. As a result, there may also be changes in the amount of fuel injected. These changes can be made by changing the injection durations during the performance of the invention
  • the method according to the invention is above all suitable for detecting the drift of the piezoelectric element, aging and wear phenomena of the fuel injection in general, but in particular of the control valve, and it is only these changes that take effect over many operating hours sufficient to perform the inventive method periodically, that is, for example, after a predetermined number of several hours of operation and by the obtained values for the switching time of the control valve or the time of impact of the valve member on the valve seat to use accordingly in the control of the internal combustion engine.
  • the aforementioned object is also achieved by a computer program, an electrical memory on which a computer program is stored, and a control device for an internal combustion engine, which is prepared for carrying out a method according to one of claims 1 to 8.
  • Figure 1 is a suitable for carrying out the method according to the invention fuel injection device
  • FIG. 2 shows the control of an injector in normal operation
  • Figures 3 and 4 are diagrams, based on which the inventive evaluation of the voltage of the piezoelectric element is shown and explained.
  • the injection valve 1 according to FIG. 1 has a piezoelectric element 2 which comprises a multiplicity of piezoelectrically active layers 4 connected in series.
  • the piezoelectric element 2 is driven via terminals 7 by a control unit, not shown.
  • the piezoelectric element 2 is connected on the one hand with a housing wall 6 and on the other hand with a control piston 8 frictionally.
  • the actuating piston 8 terminates with its element 2 facing away from the end face 9 from a hydraulic coupler 10.
  • the hydraulic coupler 10 in turn acts on a guided in a connecting channel 12 actuator piston 14, at its end facing away from the coupler 10 a control valve 15 shown a valve member 16 is arranged.
  • the exemplary control valve 15 shown in Figure 1 is designed as a double-closing control valve. However, the invention is not limited to injection valves with double-closing control valves 15.
  • valve member 16 In the illustrated position, which corresponds to a rest position of the element 2, the valve member 16 closes a first valve seat 18 of a valve chamber 20. In a second closed position, which corresponds to a maximum actuation of the actuator 2, the valve member 16 closes a second valve seat 22 of the valve chamber 20th
  • valve chamber 20 Via an opening in the second valve seat 22, the valve chamber 20 is connected to a guide channel 24, which is connected on the input side via a connecting piece 26 to a pressure channel, not shown, of a common rail fuel supply system of a motor vehicle.
  • the injection valve 1 can also be part of a fuel supply system with individual pressure generation and supply of the injection nozzles.
  • a nozzle needle 28 is arranged, which releases or closes a fuel outlet 30 of a branched off from the connecting piece 26 fuel passage 32 depending on a voltage applied to the element 2 via the terminals 7 drive voltage.
  • the connecting piece 26 with an inlet throttle 34 and the guide channel 24 are provided with an outlet throttle 36.
  • the element 2 of the injection valve 1 expands in its longitudinal direction, so that the actuating piston 8 moves in the direction of the hydraulic coupler 10.
  • the actuating piston 14 with the valve member 16 arranged thereon also moves in the direction of the second valve seat 22.
  • a high pressure which may be for example between 200 and 1800 bar in a common rail system.
  • This pressure acts against the nozzle needle 28 and keeps it closed, so that no fuel can escape through the fuel outlet 30.
  • the valve member 16 is now moved from the first valve seat 18 to the second valve seat 22 or vice versa due to the voltage applied to the element 2, then the pressure in the high pressure region of the guide channel 24 decreases, so that the nozzle needle 28 in the direction of the valve chamber 20th recedes and releases the fuel outlet 30. In this case, fuel injection takes place in an associated cylinder.
  • the method described below for detecting the impingement of the valve member 16 on the second valve seat 22 is otherwise limited in any way to the injector 1 described above, but rather can also be used in alternatively designed injection valves.
  • the drive voltage U is plotted in volts over time t.
  • a first line 40 shows the time profile of the current I, which is used for loading and unloading the piezoelectric element 2 (see FIG. 1).
  • This charging time is indicated in FIG. 2 by LZ.
  • a second line 42 shows the course of the voltage applied to the piezoelectric element 2 electrical voltage U. It can be seen that during the loading process in the period ti to t ⁇ the voltage U increases sharply.
  • the voltage curve is also characterized during the loading process in that the slope of the voltage is continuously decreasing from a very high level. Kinks or other discontinuities can not be detected in the course of the tension during the loading process.
  • a third line 44 shows the stroke of the piezoelectric element 2 in FIG.
  • the stroke of the valve member 16 of the control valve 15 is represented by a fourth line 46.
  • a fifth line 48 indicates the pressure in the coupler compartment 10. With another line 50, the stroke of the nozzle needle 28 is plotted over time.
  • FIG. 4 shows a detail of FIG. 3 enlarged in order to better recognize the highly dynamic processes during the charging process.
  • the numbering of the different lines in Figures 2, 3 and 4 are the same.
  • the piezoelectric element 2 When the piezoelectric element 2 is charged, it performs a lifting movement (see the line 44). As a result, the valve member 16 of the double-closing control valve 15 also performs a stroke (see the line 46). It moves from its rest position and moves to the valve seat 22. The stroke of the valve member 16 is slightly delayed relative to the stroke of the piezoelectric element 2.
  • the pressure increase can be, for example, 150 bar.
  • This increased pressure in the coupler space 10 leads to a corresponding hydraulic force which acts on the piezoelectric element 2.
  • This force leads to a change in length of the piezoelectric element 2.
  • a first local maximum 52 in the line 44 is shown by way of example for such a pressure-induced change in length of the piezoelectric element 2. Due to the piezoelectric effect, the compression of the piezoelectric leads Element 2 also to a kink in the voltage curve at the piezoelectric element 2 (see reference numeral 54 in Figure 4).
  • Derivation of the voltage curve can also be easily determined internally by the control unit, can easily and accurately determine the time ⁇ in the manner just described invention.
  • Delay time ⁇ T ⁇ t 3 - X 2 . Since this delay time .DELTA.T is a constant quantity, it is sufficient to detect this once in a pattern in series manufactured injector and deposit as a constant value in the control unit. Then it is possible, after the determination of the time t 3, also to calculate the time t 2 with the following equation:
  • the switching time of the control valve 15 is determined by the time difference t 2 - ti.
  • the knowledge of this switching time SZ is essential for the precise control of a fuel injection device, since only then the fuel metering can be done with the required precision.
  • the switching time SZ can change in the course of one of many thousands of operating hours due to wear, drift of the piezoelectric element 2 or other external influences, it is possible with the aid of the inventive method, the switching time SZ or the time t 2 periodically during the entire To record life of the internal combustion engine and store any changes occurring in the switching time or the time T2 in the control unit. These changed values can then be used as the basis for the subsequent calculations of the control or injection of the control of the fuel injection device, so that the quality of the control is independent of the drift and the wear within the fuel injection device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Einspritzventil (1), wobei das Einspritzventil (1) ein piezoelektrisches Element (2) und ein Steuerventil (151 mit einem Ventilglied (16) und mindestens einem Ventilsitz (22) umfasst, wobei während dem Laden des piezoelektrischen Elements (2) eine elektrische Spannung an dem piezoelektrischen Element (2) erfasst und ausgewertet wird. Dadurch ist es möglich, eine eventuell auftretende Drift des piezoelektrischen Elements (2) und/oder Verschleißerscheinungen am Steuerventil (15) periodisch während der gesamten Lebensdauer der Brennkraftmaschine zu erfassen und bei der Berechnung der Ansteuerzeiten der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1) entsprechend zu berücksichtigen.

Description

Titel
Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine
Beschreibung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer
Kraftstoffeinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, nach den Merkmalen des Oberbegriffs in Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein entsprechendes Computerprogramm, einen elektrischen Speicher sowie ein Steuergerät.
Aus der DE 10 2006 058 742 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das Schließen der Düsennadel durch eine entsprechende Überwachung ein piezoelektrischen Aktuators detektiert wird.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch für Injektoren, bei denen die Düsennadel über ein Ventil gesteuert wird, ein Verfahren bereitzustellen, welches die Überwachung des Zustands des Steuerventils ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit einem Einspritzventil, wobei das Einspritzventil ein piezoelektrisches Element und ein Steuerventil mit einem Ventilglied und einem Ventilsitz umfasst, dadurch gelöst, dass das piezoelektrische Element geladen wird, und dass von der an dem piezoelektrischen Element während des Ladevorgangs anliegenden Spannung die zweite zeitliche Ableitung gebildet wird und dass der Zeitpunkt zu dem die zweite zeitliche Ableitung der Spannung ein Maximum aufweist als einem mit dem Zeitpunkt des Auftreffens des Ventilglieds auf dem Ventilsitz korrespondierende Größe angesehen wird.
Durch die erfindungsgemäße Überwachung des Spannungsverlaufs am piezoelektrischen Element während des Ladevorgangs ist es möglich, den Zustand der Einspritzeinrichtung und insbesondere des Steuerventils kontinuierlich zu überwachen und Änderungen der Einspritzeinrichtung durch entsprechende Änderungen bei der Ansteuerung der Einspritzeinrichtung zu kompensieren.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich aus der Auswertung des Spannungsverlaufs ein Maß für den Zustand der Einspritzeinrichtung beziehungsweise des Steuerventils gewinnen lässt. Der Zustand der Einspritzeinrichtung und mit ihm auch die Schaltzeit des Steuerventils unterliegt im Laufe der Lebensdauer einer Brennkraftmaschine alterungs- und verschleißbedingten Änderungen. Das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt den Zeitpunkt an dem ein Ventilglied des Steuerventils auf dem Ventilsitz auftrifft. Daraus kann auch die Schaltzeit des Steuerventils ermittelt werden. Da diese Schaltzeit für die optimale Ansteuerung beziehungsweise Kraftstoffzumessung in den Brennraum der Brennkraftmaschine von erheblicher Bedeutung ist, kann diese Schaltzeit mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine periodisch erfasst werden und bei der Berechnung der Ansteuerdauer und der Ansteuerzeiten des piezoelektrischen Elements der Kraftstoffeinspritzeinrichtung entsprechend berücksichtigt werden. Dadurch ist es möglich, das Betriebsverhalten der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtung unabhängig von Alterungen, Drift und mechanischem Verschleiß, über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine auf nahezu konstantem Niveau zu halten. Infolgedessen bleiben auch Geräuschverhalten, Laufruhe und Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine auf konstant hohem Niveau.
Um den Zeitpunkt des Auftreffens des Ventilglieds auf dem Ventilsitz noch genauer ermitteln zu können, wird eine Verzögerungszeitkonstante, die zwischen dem Auftreffen des Ventilglieds auf dem Ventilsitz und dem Auftreten des Maximums der zweiten zeitlichen Ableitung der am piezoelektrischen Element anliegenden Spannung liegt, berücksichtigt. Diese Verzögerungszeit ΔT ist im Wesentlichen durch die mechanischen Eigenschaften, insbesondere Massenträgheit und Abmessungen des Kopplers, bestimmt und daher nahezu konstant über die gesamte Lebensdauer der Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Daher ist es ohne nennenswerten Aufwand möglich, auch diese Größe bei der Berechnung der Schaltzeit des Steuerventils zu berücksichtigen und dadurch die Schaltzeit noch genauer noch genauer bestimmen. Um das erfindungsgemäße Verfahren auch in verschiedensten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, insbesondere Einspritzdruck und Ansteuerdauer, durchführen zu können, ist weiter vorgesehen, während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Ansteuerspannung zu erhöhen und zwar auf einen Wert, der so hoch liegt, dass das Ventilglied des Steuerventils noch während des Ladevorgangs den Ventilsitz erreicht. Üblicherweise werden piezoelektrische Elemente mit etwa 160V Ansteuerspannung beaufschlagt. Da es nicht in allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine möglich ist, mit dieser Ansteuerspannung zu erreichen, dass das Ventilglied schon während des Ladevorgangs auf dem Ventilsitz auftrifft, wird erfindungsgemäß vorgesehen, die Ansteuerspannung während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens um etwa 50% anzuheben. Dadurch ist gewährleistet, dass bei verschiedenen Einspritzdrücken und kleinen einzuspritzenden Kraftstoffmengen das Ventilglied auf dem Ventilsitz auftrifft. Selbstverständlich kann dieser Effekt auch dadurch gewährleistet werden, dass der Ladevorgang entsprechend verlängert wird. Auch eine Kombination von Erhöhung aus der Ansteuerspannung und Verlängerung des Ladevorgangs kann erfindungsgemäß vorgesehen sein.
Durch die Änderungen der Ansteuerspannung und/oder der Dauer des Ladevorgangs ändert sich der Öffnungszeitpunkt der Düsennadel. In Folge dessen kann es auch zu Änderungen der eingespritzten Kraftstoffmenge kommen. Diese Änderungen können durch Änderungen der Einspritzdauern während der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens voll kompensiert werden. Infolgedessen ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren auch während des Normalbetriebs der Brennkraftmaschine, das heißt wenn die Brennkraftmaschine Drehmoment abgibt, durchgeführt werden. Durch die erfindungsgemäß beanspruchte Kompensation ändern sich das von der Brennkraftmaschine abgegebene Drehmoment nicht, so dass der Fahrer eines Fahrzeugs, welches mit einer erfindungsgemäßen Steuerung der Brennkraftmaschine ausgerüstet ist, keine Komforteinbußen hinnehmen muss.
Um vergleichbare und reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, ist weiter vorgesehen, den Ladestrom während der Testansteuerung des piezoelektrischen Elements auf einen vorgegebenen Wert zu regeln. Auch dafür ist kein zusätzlicher Aufwand erforderlich, da ohnehin bei jeder Ansteuerung des piezoelektrischen Elements der Ladestrom geregelt werden muss.
Da das erfindungsgemäße Verfahren vor allem geeignet ist um die Drift des piezoelektrischen Elements, Alterungs- und Verschleißerscheinungen der Kraftstoffeinspritzung allgemein, insbesondere aber des Steuerventils, zu erkennen und diese Änderungen über viele Betriebsstunden hinweg erst wirksam werden, ist es ausreichend, das erfindungsgemäße Verfahren periodisch, das heißt beispielsweise nach einer vorgegebenen Zahl von etlichen Betriebsstunden durchzuführen und durch die dabei gewonnenen Werte für die Schaltzeit des Steuerventils beziehungsweise den Zeitpunkt des Auftreffens des Ventilglieds auf dem Ventilsitz, entsprechend bei der Ansteuerung der Brennkraftmaschine zu verwenden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch ein Computerprogramm, einen elektrischen Speicher, auf dem ein Computerprogramm abgespeichert ist, und ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine gelöst, die zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergerichtet ist.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den im Folgenden beschriebenen Figuren dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
Zeichnung
Es zeigen:
Figur 1 eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Kraftstoffeinspritzeinrichtung;
Figur 2 die Ansteuerung eines Injektors im Normalbetrieb; und
Figuren 3 und 4 Diagramme, anhand derer sich die erfindungsgemäße Auswertung der Spannung des piezoelektrischen Elements darstellt und erläutert wird.
Das Einspritzventil 1 nach Figur 1 weist ein piezoelektrisches Element 2 auf, das eine Vielzahl von hintereinandergeschalteten piezoelektrisch aktiven Lagen 4 umfasst. Das piezoelektrische Element 2 wird über Anschlussklemmen 7 von einem nicht dargestellten Steuergerät angesteuert.
Das piezoelektrische Element 2 ist einerseits mit einer Gehäusewand 6 und andererseits mit einem Stellkolben 8 kraftschlüssig verbunden. Der Stellkolben 8 schließt mit seiner dem Element 2 abgewandten Stirnfläche 9 einen hydraulischen Koppler 10 ab. Der hydraulische Koppler 10 wirkt seinerseits auf einen in einem Verbindungskanal 12 geführten Stellkolben 14, an dessen vom Koppler 10 abgewandtem Ende ein dargestellte Steuerventil 15 mit einem Ventilglied 16 angeordnet ist. Das in Figur 1 exemplarisch dargestellte Steuerventil 15 ist als doppelt schließendes Steuerventil ausgebildet. Allerdings ist die Erfindung nicht auf Einspritzventile mit doppelt schließenden Steuerventilen 15 beschränkt.
Das Ventilglied 16 verschließt in der dargestellten Position, die einer Ruheposition des Elements 2 entspricht, einen ersten Ventilsitz 18 eines Ventilraumes 20. In einer zweiten Schließposition, die einer maximalen Ansteuerung des Aktors 2 entspricht, verschließt das Ventilglied 16 hingegen einen zweiten Ventilsitz 22 des Ventilraums 20.
Über einen Durchlass im zweiten Ventilsitz 22 ist der Ventilraum 20 mit einem Führungskanal 24 verbunden, der eingangsseitig über ein Anschlussstück 26 an einen nicht dargestellten Druckkanal eines Common-Rail- Kraftstoffversorgungssystems eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Alternativ kann das Einspritzventil 1 aber auch Teil eines Kraftstoffversorgungssystems mit individueller Druckerzeugung und -Versorgung der Einspritzdüsen sein.
Im Führungskanal 24 ist eine Düsennadel 28 angeordnet, die einen Kraftstoffauslauf 30 eines vom Anschlussstück 26 abzweigenden Kraftstoffkanals 32 abhängig von einer über die Anschlussklemmen 7 an dem Element 2 angelegten Ansteuerspannung freigibt oder verschließt. Zur Einstellung funktionsgerechter Druckverhältnisse beim Betrieb des Einspritzventils 1 sind das Anschlussstück 26 mit einer Zulaufdrossel 34 und der Führungskanal 24 mit einer Ablaufdrossel 36 versehen.
In Abhängigkeit von der an dem Element 2 anliegenden Ansteuerspannung dehnt sich das Element 2 des Einspritzventils 1 in seiner Längsrichtung aus, so dass sich der Stellkolben 8 in Richtung des hydraulischen Kopplers 10 bewegt. Infolge der dadurch bewirkten Druckerhöhung im Koppler 10 bewegt sich auch der Stellkolben 14 mit dem daran angeordneten Ventilglied 16 in Richtung auf den zweiten Ventilsitz 22 zu.
In dem Anschlussstück 26 des Einspritzventils 1 herrscht ein hoher Druck, der bei einem Common-Rail-System beispielsweise zwischen 200 und 1800 bar betragen kann. Dieser Druck wirkt gegen die Düsennadel 28 und hält sie geschlossen, so dass durch den Kraftstoffauslauf 30 kein Kraftstoff austreten kann. Wenn aber nun infolge der an dem Element 2 anliegenden Ansteuerspannung das Ventilglied 16 vom ersten Ventilsitz 18 zum zweiten Ventilsitz 22 oder umgekehrt bewegt wird, dann baut sich der Druck im Hochdruckbereich des Führungskanals 24 ab, so dass die Düsennadel 28 in Richtung auf den Ventilraum 20 zurückweicht und den Kraftstoffauslauf 30 freigibt. In diesem Fall erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung in einen zugeordneten Zylinder. Das im Folgenden beschriebene Verfahren zur Erfassung des Auftreffens des Ventilglieds 16 auf dem zweiten Ventilsitz 22 ist im übrigen in keiner Weise auf das vorstehend beschriebene Einspritzventil 1 beschränkt, sondern kann vielmehr auch bei alternativ ausgebildeten Einspritzventilen zum Einsatz kommen.
In Figur 2 ist die Ansteuerspannung U in Volt über der Zeit t aufgetragen. Eine erste Linie 40 zeigt den zeitlichen Verlauf des Strom I, welcher zum Beladen und Entladen des piezoelektrischen Elements 2 (siehe Figur 1) eingesetzt wird. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist vor allem der Beladevorgang von Bedeutung. Bei dem in Figur 2 dargestellten Betriebspunkt beginnt die Beladung des piezoelektrischen Elements 2 zum Zeitpunkt ti = 0,2 ms (ms = Millisekunde) und endet etwa bei tι entsprechend etwa t = 0,3 ms. Dies bedeutet, dass der gesamte Ladevorgang etwa 0,1 ms gedauert hat. Diese Ladezeit ist in Figur 2 mit LZ bezeichnet.
Eine zweite Linie 42 zeigt den Verlauf der an dem piezoelektrischen Element 2 anliegenden elektrischen Spannung U. Daraus wird ersichtlich, dass während des Beladungsvorgangs im Zeitraum ti bis tι die Spannung U stark ansteigt. Der Spannungsverlauf ist während des Beladevorgangs auch dadurch charakterisiert, dass die Steigung der Spannung ausgehend von einem sehr hohen Niveau kontinuierlich geringer wird. Knicke oder sonstige Unstetigkeiten sind im Spannungsverlauf während des Beladungsvorgangs nicht feststellbar.
Sobald der Piezoaktor beladen ist, bleibt der Ladezustand während des gesamten
Einspritzvorgangs erhalten. Zu einer Zeit t = 1 s wird der Einspritzvorgang beendet, indem das piezoelektrische Element 2 entladen wird. Dieser Entladevorgang ist dadurch zu erkennen, dass der Strom (siehe die Linie 40) negative Werte annimmt. Zum Zeitpunkt t = etwa 1,075 ms ist das piezoelektrische Element 2 wieder vollständig entladen und die Spannung auf den Wert U = O Volt abgesunken. Dieser Ansteuervorgang des piezoelektrischen Elements 2 entspricht dem Stand der Technik und wird im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt.
Um nun die Schaltzeit des doppelt schließenden Steuerventils 15 (siehe Figur 1), eine eventuelle Alterung des piezoelektrischen Elements 2 und mechanischen Verschleiß beziehungsweise Funktionsstörungen des doppelt schließenden Steuerventils 15 erkennen und entsprechend bei der Ansteuerung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 berücksichtigen zu können, wird in periodischen Abständen das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Figur 3 durchgeführt. Auch hier beginnt der Beladevorgang bei einer Zeit ti = etwa 0,1 sec (siehe die Linie 40 in Figur 3). Abgeschlossen ist der Ladevorgang zum Zeitpunkt t = tι, wobei tι = 0,25 s. In anderen Worten, bei der erfindungsgemäßen Ansteuerung dauert der Ladevorgang etwa 0,15 s.
Mit einer dritten Linie 44 ist der Hub des piezoelektrischen Elements 2 in Figur 3 dargestellt. Der Hub des Ventilglieds 16 des Steuerventils 15 ist durch eine vierte Linie 46 dargestellt. Eine fünfte Linie 48 zeigt den Druck im Kopplerraum 10 an. Mit einer weiteren Linie 50 ist der Hub der Düsennadel 28 über der Zeit aufgetragen.
Anhand der Figur 3 ist gut zu erkennen, dass die Ansteuerspannung am Ende des Ladevorgangs auf etwa 230 V angehoben wurde, wogegen im Normalbetrieb (siehe Figur 2) die Spannung am piezoelektrischen Element nur etwa 160 V beträgt.
In Figur 4 ist ein Ausschnitt aus der Figur 3 vergrößert dargestellt, um die hochdynamischen Vorgänge während des Ladevorgangs besser erkennen zu können. Die Nummerierung der verschiedenen Linien in den Figuren 2, 3 und 4 sind gleich gewählt.
Wenn das piezoelektrische Element 2 geladen wird, führt es eine Hubbewegung aus (siehe die Linie 44). Infolgedessen führt auch das Ventilglied 16 des doppelt schließenden Steuerventils 15 ebenfalls einen Hub aus (siehe die Linie 46). Dabei bewegt es sich aus seiner Ruheposition und bewegt sich bis zum Ventilsitz 22. Der Hub des Ventilglieds 16 ist gegenüber dem Hub des piezoelektrischen Elements 2 leicht verzögert.
Zum Zeitpunkt t2 ist dieser Zustand erreicht und das Ventilglied 16 des Steuerventils 15 liegt auf dem Ventilsitz 22 auf. Dies kommt auch in den Figuren 3 und 4 durch einen waagerechten Verlauf der Linie 46 für Zeiten t > t2 zum Ausdruck.
Mit einer geringen zeitlichen Verzögerung führt die Begrenzung des Hubs des Ventilglieds 16 zu einem Blockieren des piezoelektrischen Elements 2, da die Bewegungen des Ventilglieds 16 und des piezoelektrischen Elements 2 über den hydraulischen Koppler miteinander gekoppelt sind.
Gleichzeitig findet auch ein starker Anstieg des Drucks im Kopplerraum 10 statt. Der Druckanstieg kann beispielsweise 150 bar betragen. Dieser erhöhte Druck im Kopplerraum 10 führt zu einer entsprechenden hydraulischen Kraft, die auf das piezoelektrische Element 2 wirkt. Diese Kraft führt zu einer Längenänderung des piezoelektrischen Elements 2. In Figur 4 ist exemplarisch für eine solche druckinduzierte Längenänderung des piezoelektrischen Elements 2 ein erstes lokales Maximum 52 in der Linie 44 dargestellt. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts führt das Zusammendrücken des piezoelektrischen Elements 2 auch zu einem Knick im Spannungsverlauf am piezoelektrischen Element 2 (siehe Bezugszeichen 54 in Figur 4).
Dieser Knick 54 (t = 1^) im Spannungsverlauf des piezoelektrischen Elements 2 wirkt sich in Form eines Maximums der zweiten zeitlichen Ableitung des Spannungsverlaufs aus. Da die Spannung des piezoelektrischen Elements 2 sehr einfach und ohne zusätzlichen apparativen Aufwand von einem Steuergerät der Brennkraftmaschine erfasst und ausgewertet werden kann, ist es ohne zusätzlichen Hardwareaufwand und mit geringem Rechenzeitbedarf möglich, die zweite zeitliche Ableitung des Spannungsverlaufs im Steuergerät zu ermitteln und auszuwerten.
Der Knick 54 findet zum Zeitpunkt t = ^t3 statt. Da ein Maximum der zweiten zeitlichen
Ableitung des Spannungsverlaufs auch von dem Steuergerät intern leicht ermittelt werden kann, lässt sich auf die soeben beschriebene erfindungsgemäße Weise der Zeitpunkt ^ leicht und genau bestimmen.
Da der Knick 54 in dem Verlauf der Spannung des piezoelektrischen Elements 2 in unmittelbarem Zusammenhang mit dem Aufsitzen des Ventilglieds 16 auf dem Ventilsitz 22 zusammenhängt, ist es möglich, aus dem Zeitpunkt t = t3 eine Aussage über den Zeitpunkt des Auftreffens des Ventilglieds 16 auf dem Ventilsitz 22 zu machen.
Dies kann auf einfache Weise dadurch geschehen, dass von dem Zeitpunkt t = t3 eine Verzögerungszeit ΔT abgezogen wird, um den Zeitpunkt zu berechnen, an dem das Ventilglied 16 auf dem Ventilsitz 22 aufsitzt. Im vorliegenden Fall ist der Betrag des
Verzögerungszeit ΔT = ^t3 - X2. Da diese Verzögerungszeit ΔT eine konstante Größe ist, ist es ausreichend, diese einmal an einem Muster in Serie gefertigten Injektors zu erfassen und als konstanten Wert im Steuergerät zu hinterlegen. Dann ist es möglich, nach der Ermittlung des Zeitpunkts t3 auch den Zeitpunkt t2 mit folgender Gleichung zu errechnen:
t2 = t3 - ΔT
Die Schaltzeit des Steuerventils 15 wird durch die Zeitdifferenz t2 - ti bestimmt. Die Kenntnis dieser Schaltzeit SZ ist für die präzise Ansteuerung einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung unerlässlich, da nur dann die Kraftstoffzumessung mit der erforderlichen Präzision erfolgen kann. Da sich jedoch die Schaltzeit SZ im Laufe einer von vielen tausend Betriebsstunden aufgrund von Verschleiß, Drift des piezoelektrischen Elements 2 oder anderen äußeren Einflüssen ändern kann, ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, die Schaltzeit SZ beziehungsweise den Zeitpunkt t2 periodisch während der gesamten Lebensdauer der Brennkraftmaschine zu erfassen und eventuell auftretende Änderungen der Schaltzeit beziehungsweise des Zeitpunkts T2 im Steuergerät abzuspeichern. Diese geänderten Werte können dann für die darauffolgenden Berechnungen der Ansteuerung beziehungsweise Einspritzung der Ansteuerung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zugrunde gelegt werden, so dass die Qualität der Ansteuerung unabhängig vom Drift und von dem Verschleiß innerhalb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist.
Da das erfindungsgemäße Verfahren keine zusätzliche Hardware benötigt, ist es auch sehr kostengünstig durchführbar.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit einem Einspritzventil (1), wobei das Einspritzventil (1) ein piezoelektrisches Element (2) und ein Steuerventil (15) mit einem Ventilglied (16) und mindestens einem Ventilsitz (22) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (2) geladen wird, um das Einspritzventil (1) zu öffnen, dass der zeitliche Verlauf der elektrischen Spannung (U) an dem piezoelektrischen Element (2) während eines Ladevorgangs (t2 < t < tθ des piezoelektrischen Elements (2) erfasst, und dass aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung (U (t)) auf den Zeitpunkt des Auftreffens des Ventilglieds (16) auf dem Ventilsitz (22) und/oder die Schaltzeit (SZ) des Steuerventils (15) geschlossen wird.
2. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der an dem piezoelektrischen Element (2) während des
Ladevorgangs anliegende Spannung (U) die zweite zeitliche Ableitung gebildet wird, und dass der Zeitpunkt (t = ^) zu dem die zweite zeitliche Ableitung der Spannung (U) ein Maximum aufweist als mit dem Auftreffen des Ventilglieds (16) auf dem Ventilsitz (22) korrespondierende Größe angesehen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Auftreffen des Ventilglieds (16) auf dem Ventilsitz (22) aus dem Zeitpunkt (t = ^) an die zweite zeitliche Ableitung der Spannung (U) ein Maximum aufweist abzüglich einer Verzögerungszeitkonstante (ΔT) ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrens die elektrische Spannung (UAnsteuer) mit der das piezoelektrische Element (2) geladen wird gegenüber dem Normalbetrieb erhöht wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (I) während des Ladevorgangs geregelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen der eingespritzten Kraftstoffmenge, die durch die Durchführung des
Verfahrens verursacht werden, durch Änderungen der Öffnungszeit der Kraftstoffeinspritzvorrichtung kompensiert werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzeit (SZ) des Steuerventils (15) periodisch ermittelt wird und bei der Ansteuerung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung berücksichtigt wird.
8. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 programmiert ist.
9. Elektrischer Speicher auf dem ein Computerprogramm abgespeichert ist, das zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 programmiert ist.
10. Steuergerät insbesondere für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergerichtet ist.
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