WO2012031898A1 - Verfahren zur ansteuerung eines piezoinjektors eines kraftstoffeinspritzsystems - Google Patents

Verfahren zur ansteuerung eines piezoinjektors eines kraftstoffeinspritzsystems Download PDF

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Steffen Lehner
Robert Hoffmann
Hans-Jörg Wiehoff
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Continental Automotive Gmbh
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    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means

Definitions

  • the invention relates to a method for driving a Piezoin ector of a fuel injection system.
  • the Piezoin has a piezoelectric actuator and a piezoelectric actuator movable nozzle needle.
  • piezoelectric actuator is powered by an electric
  • Activation signal activated. Due to this drive signal, the piezoelectric actuator is elongated such that a mechanical lifting movement is brought about.
  • Spray holes of a nozzle unit are opened more or less wide to a desired, from the mentioned
  • the nozzle needle can to its mechanically predetermined
  • opening time is understood below always the period that begins with the activation of the injector, ie the loading of the piezoelectric actuator for the purpose of opening the injection holes, and with the beginning of deactivating the In ektorantriebs, ie the unloading of the piezoelectric actuator for the purpose of closing the spray holes ends.
  • the piezo actuator is energized 0.34 ms, so that the nozzle needle does not bounce or very little at the stop and then closes.
  • the piezo actuator is energized for 0.35 ms, which leads to a strong bounce. This bouncing
  • the duration of the injection is just long enough to compensate for the needle rebounding due to the extended opening time.
  • Injection duration depends.
  • the above-mentioned ambiguity in the injection quantity / injection duration characteristic map is caused by the pulse of the nozzle needle, which throws the nozzle needle back slightly by striking the needle stroke limitation or the needle stop position.
  • This pulse is determined by the applied energy of the nozzle needle, which depends directly on current and charging time of the needle drive at a given drive power.
  • the charging time describes the time during which the drive, i. H. of the
  • Piezo actuator is energized.
  • Piezoin ector for a given current the nominal charging time tnom, loading the drive so that the needle safely reaches its stop position. It is a maximum of several 100 ⁇ and is independent of larger opening times. If smaller opening hours are required, the loading time will be set equal to the opening time.
  • the current form of the charging current is independent of the charging time. The charge current is cut off at the end of the charging time.
  • Needle stroke limitation reduced. Furthermore, part of the energy is applied only after reaching the Nadelhubbegrenzung. In such a procedure, the bouncing can be sufficiently reduced only for very small drive power and associated large drive times.
  • Piezoaktors are, in particular, the slow passage through the seat throttling and the late reaching the energy required to completely Entschrosseln or to achieve the
  • Needle stroke is necessary. Furthermore, in the case of such a reduction of the bounce, the expression of an important signal, namely the needle stop signal, is reduced. This makes it difficult to detect the stop of the needle at its stop position. Another disadvantage of such a slow energy supply is that by the long remaining of the needle in the throttling achievement of a required minimum quantity accuracy
  • the object of the invention is a method for driving a Piezoin ector of
  • Figure 2 shows a diagram in which the injection quantity is plotted as a function of the injection duration when using the method according to the invention.
  • the figure 3 shows a diagram in which the charging time is plotted as a function of the duration of injection.
  • FIG. 2 like FIG. 1, shows a diagram in which the injection period TI is plotted along the abscissa and the injection quantity Q is plotted along the ordinate. From this diagram it can be seen that in the presence of a
  • Pressure value p 1200 bar a required fuel quantity of 16 mm 3 is assigned to a single injection duration t4, which is 0.4 ms in the embodiment shown.
  • Needle pulse achieved by dynamically adjusting the charging time of the drive in response to the required opening time and the given pressure. From the equation used in prior art methods of charging time and
  • Opening time for all opening times smaller than the nominal charging time is omitted according to the present invention.
  • Injection quantity / injection duration characteristic field linearize, because especially in the transition range to the full stroke a more impulse has a significant increase in the opening time. Consequently, the reduced by the bouncing Nadelhub by a extended opening period compensated. This has the consequence that the injection quantity increases steadily with the opening duration. This will be a uniqueness in the
  • FIG. 3 shows a diagram in which the injection duration TI is plotted along the abscissa and the charging time tload is plotted along the ordinate.
  • the curve K represents a drive according to the prior art, where applicable in the embodiment shown: tLaden 11 for TI - t n om, loading rt n om, loading 0.35 EIS; tLaden t n om, store for TI t n om, loading rt n om, loading 0.35 iTLS ⁇
  • the curves K2, K3 and K4 correspond to curves used in the use of a method according to the present invention.
  • the curve K4 corresponds to one
  • claimed methods given free controllability of the piezoelectric actuator supplied energy and thus the needle pulse by dynamically adjusting the charging time of the drive in particular depending on the required opening time and the given pressure. Especially in the transition region between the constantly increasing course of the respective curve and its constant course, d. H. in the transitional area to a

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines einen piezoelektrischen Aktor und eine vom piezoelektrischen Aktor zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung bewegbare Düsennadel aufweisenden Piezoinj ektors eines Kraftstoffeinsprit zsystems. Der piezoelektrische Aktor wird in Abhängigkeit von einer geforderten Kraftstoffmenge von einer Quelle für die Dauer einer Ladezeit mit Strom beaufschlagt, um die Düsennadel für eine von der geforderten Kraftstoffmenge abhängige Zeitdauer in ihre Öffnungsstellung zu bewegen. Die Ladezeit wird gemäß der folgenden Beziehungen gewählt. tLaden (p) = tnom,Laden (p) für TI > tEP,p und tLaden (P, T I ) < Tl für TI < tEP,p.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoin ektors eines
Kraftstoffeinspritzsystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoin ektors eines Kraftstoffeinspritzsystems .
Bei einem derartigen Kraftstoffeinspritzsystem weist der Piezoin ektor einen piezoelektrischen Aktor und eine vom piezoelektrischen Aktor bewegbare Düsennadel auf. Der
piezoelektrische Aktor wird mittels eines elektrischen
Ansteuersignais angesteuert. Aufgrund dieses Ansteuersignais wird der piezoelektrische Aktor gelängt derart, dass eine mechanische Hubbewegung herbeigeführt wird. Durch diese
Hubbewegung wird die Düsennadel bewegt, mittels welcher
Spritzlöcher einer Düseneinheit mehr oder weniger weit geöffnet werden, um eine gewünschte, vom genannten
elektrischen Ansteuersignal abhängige Kraftstoffmenge durch den Piezoinj ektor in einen Zylinder des jeweiligen
Kraftfahrzeugs einspritzen zu können. Bei ihrer Bewegung kann die Düsennadel an ihre mechanisch vorgegebene
Nadelhubbegrenzung, d. h. an ihre Nadelanschlagposition, gelangen .
Erfolgt die elektrische Ansteuerung des Piezoinj ektors derart, dass die Ladezeit bis zum Beginn des Entladens dauert, dann können bei einem vorgegebenen Druck verschiedene Öffnungszeiten in der zeitlichen Umgebung des Nadelanschlags ein und dieselbe Kraftstoffmenge liefern, so dass eine
Mehrdeutigkeit im Einspritzmenge/Einspritzdauer-Kennfeld vorliegt. Dabei kann die eingespritzte Kraftstoffmenge bei ansteigender Öffnungszeit auch fallen. Die Ursache hierfür liegt in einem vom Ansteuersignal abhängigen Prellen der Düsennadel am Anschlag und den damit verbundenen
unterschiedlichen Schließgeschwindigkeiten. Unter dem Begriff Öffnungszeit wird nachfolgend stets der Zeitraum verstanden, der mit dem Aktivieren des Injektorantriebs, d. h. dem Laden des Piezoaktors zum Zwecke einer Öffnung der Spritzlöcher, beginnt und mit dem Beginn des Deaktivierens des In ektorantriebs, d. h. dem Entladen des Piezoaktors zum Zwecke eines Schließens der Spritzlöcher, endet.
Die genannte Mehrdeutigkeit im Einspritzmenge/Einspritzdauer- Kennfeld ist in der Figur 1 veranschaulicht. Diese zeigt ein Diagramm, in welchem längs der Abszisse die Einspritzdauer TI und längs der Ordinate die Einspritzmenge Q aufgetragen ist. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass beim Vorliegen eines Druckwertes p = 1200 bar eine geforderte Einspritzmenge von 16 mm3 mit drei verschiedenen Einspritzdauern tl, t2 und t3 realisiert werden kann, wobei beim gezeigten
Ausführungsbeispiel tl = 0,34 ms, t2 = 0,36 ms und t3 = 0,42 ms beträgt.
Bei TI = tl = 0,34 ms wird der Piezoaktor 0,34 ms bestromt, so dass die Düsennadel noch nicht oder nur sehr wenig am Anschlag prellt und dann schließt.
Bei TI = t2 = 0,36 ms wird der Piezoaktor 0,35 ms bestromt, was zu einem starken Prellen führt. Dieses Prellen
beschleunigt den Schließvorgang so stark, dass trotz längerer Öffnungszeit keine Mehrmenge an Kraftstoff eingespritzt wird.
Bei TI = t3 = 0,42 ms ist die Einspritzdauer gerade groß genug, um das Zurückprellen der Nadel durch eine verlängerte Öffnungszeit auszugleichen.
Bei diesem Beispiel, bei welchem der Druck p 1200 bar
beträgt, längt sich der Piezoaktor im Zeitintervall zwischen TI = 0,4 ms und TI = 0,6 ms so weit nach, dass der
Piezoin ektor ab TI = 0,6 ms wieder vollständig öffnet. Dies ist die Ursache für den hohen Gradienten ab dem Minimum. Ab etwa TI = 0,6 ms ist der Piezoin ektor endgültig vollständig entdrosselt, womit die Einspritzmenge nur noch von der
Einspritzdauer abhängt.
Aufgrund des Umstandes, dass es zwischen der Einspritzmenge Q und der Einspritzdauer TI keinen eindeutigen Zusammenhang gibt, lassen sich einer angeforderten Kraftstoffmenge mehrere Einspritzdauern zuordnen. Folglich ist eine Regelung der Einspritzmenge mit der Einspritzdauer als Stellgröße nicht möglich. Ein Regler würde in der Umgebung des Nadelanschlags nicht robust regeln, sondern zum Schwingen neigen.
Die genannte Mehrdeutigkeit im Einspritzmenge/Einspritzdauer- Kennfeld wird vom Impuls der Düsennadel verursacht, welcher die Düsennadel durch ein Anschlagen an der Nadelhubbegrenzung bzw. der Nadelanschlagposition etwas zurückwirft. Dieser Impuls ist durch die der Düsennadel applizierte Energie bestimmt, welche bei vorgegebener Ansteuerleistung direkt von Strom und Ladezeit des Nadelantriebs abhängt. Die Ladezeit beschreibt die Zeit, während der der Antrieb, d. h. der
Piezoaktor, bestromt wird.
Für den sogenannten Vollhubbetrieb ist zum Öffnen des
Piezoin ektors bei vorgegebenem Strom die nominelle Ladezeit tnom,Laden des Antriebs so bemessen, dass die Nadel sicher ihre Anschlagposition erreicht. Sie beträgt maximal einige 100 με und ist unabhängig von größeren Öffnungszeiten. Sind kleinere Öffnungszeiten gewünscht, dann wird die Ladezeit gleich der Öffnungszeit gesetzt. Die Stromform des Ladestroms ist unabhängig von der Ladezeit. Der Ladestrom wird am Ende der Ladezeit abgeschnitten.
Beim vorstehend beschriebenen bekannten Verfahren zur
Ansteuerung eines Piezoin ektors gelten die folgenden
Beziehungen : tLaden (p) = tnom. Laden (p) für TI -Ϊ tnom, Laden (Gl. 1) tLaden (p) = TI für TI < tnom,Laden (Gl. 2) . Es ist bereits bekannt, einem Prellen und der dadurch
verursachten Mehrdeutigkeit des
Einspritzmenge/Einspritzdauer-Kennfeldes durch lange
Ansteuerzeiten bei geringer Ansteuerleistung zu begegnen. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Düsennadel reduziert, was wiederum das Prellen der Düsennadel an der
Nadelhubbegrenzung reduziert. Des Weiteren wird ein Teil der Energie erst nach dem Erreichen der Nadelhubbegrenzung appliziert. Bei einem derartigen Vorgehen lässt sich das Prellen erst für sehr kleine Ansteuerleistungen und damit verbunden große Ansteuerzeiten ausreichend vermindern.
Weitere Nachteile einer derartigen langsamen
Energiezuführung, d. h. einer langen Ladezeit des
Piezoaktors, sind insbesondere das langsame Durchlaufen der Sitzdrosselung sowie das späte Erreichen der Energie, die zum vollständigen Entdrosseln bzw. zum Erreichen des
Nadelanschlags notwendig ist. Des Weiteren wird im Falle einer derartigen Reduzierung des Prellens die Ausprägung eines wichtigen Signals, nämlich des Nadelanschlagsignals, verringert. Dies erschwert eine Detektion des Anschlags der Nadel an ihrer Anschlagposition. Ein weiterer Nachteil einer derartigen langsamen Energiezuführung besteht darin, dass durch das lange Verbleiben der Nadel in der Drosselung ein Erreichen einer geforderten Kleinstmengengenauigkeit
erschwert ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoin ektors eines
Kraftstoffeinspritzsystems anzugeben, bei welchem die
vorstehend beschriebenen Nachteile reduziert sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Vorteile der Erfindung ergeben sich aus deren
nachfolgender Erläuterung anhand der Figuren 2 und 3. Die Figur 2 zeigt ein Diagramm, in welchem die Einspritzmenge in Abhängigkeit von der Einspritzdauer bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgetragen ist. Die Figur 3 zeigt ein Diagramm, in welchem die Ladezeit in Abhängigkeit von der Einspritzdauer aufgetragen ist.
Die Figur 2 zeigt ebenso wie die Figur 1 ein Diagramm, in welchem längs der Abszisse die Einspritzdauer TI und längs der Ordinate die Einspritzmenge Q aufgetragen ist. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass beim Vorliegen eines
Druckwertes p = 1200 bar eine geforderte Kraftstoffmenge von 16 mm3 einer einzigen Einspritzdauer t4 zugeordnet ist, die im gezeigten Ausführungsbeispiel 0,4 ms beträgt. Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass für die Ladezeit die folgenden Beziehungen verwendet werden: tLaden (p) = tnom, Laden (p) für TI > tEnde Prelleinfluss (p) (Gl. 3) tLaden (ρ,ΤΙ) ^ TI für TI < tEnde Prelleinfluss (p) (Gl. 4) .
Durch eine Verwendung dieser Beziehungen wird eine freie Steuerbarkeit der zugeführten Energie und somit des
Nadelimpulses durch ein dynamisches Anpassen der Ladezeit des Antriebs in Abhängigkeit von der geforderten Öffnungszeit und dem jeweils gegebenen Druck erreicht. Von der bei bekannten Verfahren verwendeten Gleichsetzung von Ladezeit und
Öffnungszeit für alle Öffnungszeiten, die kleiner sind als die nominelle Ladezeit, wird gemäß der vorliegenden Erfindung Abstand genommen.
Bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Beziehungen ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Ladezeit erst für sehr große Öffnungszeiten auf ihr Maximum, nämlich die nominelle Ladezeit, einzustellen.
Des Weiteren lässt sich bei einer Verwendung der
erfindungsgemäßen Beziehungen das
Einspritzmenge/Einspritzdauer-Kennfeld linearisieren, weil speziell im Übergangsbereich zum Vollhub einem Mehr an Impuls ein erhebliches Mehr an Öffnungsdauer zukommt. Folglich wird der durch das Prellen reduzierte Nadelhub durch eine verlängerte Öffnungsdauer ausgeglichen. Dies hat zur Folge, dass die Einspritzmenge mit der Öffnungsdauer stetig steigt. Dadurch wird eine Eindeutigkeit im
Einspritzmenge/Einspritzdauer-Kennfeld herbeigeführt .
Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die
Ansteuerleistung des Piezoaktors reduziert wird. Ferner wird auch dessen mechanische Belastung im jeweiligen Betriebspunkt reduziert, was das Erreichen einer höheren Lebensdauer begünstigt.
Ferner wird bei einem Applizieren kleiner Kraftstoffmengen die Systemempfindlichkeit verringert. Darüber hinaus wird die Schuss-zu-Schuss-Streuung wegen des Erhöhens der Entdrosselzeit verringert.
Schließlich wird auch die In ektor-zu-In ektor-Streuung wegen des Erhöhens des Entdrosselzeit verringert.
Die Figur 3 zeigt ein Diagramm, in welchem längs der Abszisse die Einspritzdauer TI und längs der Ordinate die Ladezeit tLaden aufgetragen ist. Die Kurve Kl entspricht einer Ansteuerung gemäß dem Stand der Technik, wobei beim gezeigten Ausführungsbeispiel gilt: tLaden 11 für TI — tnom, Laden r tnom, Laden 0,35 EIS ; tLaden tnom, Laden für TI tnom, Laden r tnom, Laden 0,35 ItlS ·
Die Kurven K2, K3 und K4 entsprechen Kurvenverläufen, wie sie bei der Verwendung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen.
Die Kurve K2 entspricht einem Kurvenverlauf bei einem Druck p = 20 MPa. Die Kurve K3 entspricht einem Kurvenverlauf bei einem Druck p = 100 MPa. Die Kurve K4 entspricht einem
Kurvenverlauf bei einem Druck p = 200 MPa.
Aus den Verläufen der Kurven K2, K3 und K4 ist ersichtlich, dass im Übergangsbereich zwischen einem linearen Ansteigen der Kurve, in welchem tLaden (ρ,ΤΙ) = TI ist, und einem konstanten Verlauf der Kurve, in welchem tLaden konstant bei 0,35 ms liegt, ein Übergangsbereich existiert, in welchem die Kurven K2, K3 und K4 einen unterschiedlichen, vom Druck p abhängigen Verlauf haben. Diese Kurvenverläufe werden vom Hersteller des Piezoin ektors anhand von Untersuchungen eines Referenz-Piezoin ektors auf einem Systemprüfstand derart ermittelt, dass durch eine Lineasierung des Kurvenverlaufes die in der Figur 1 gezeigte Mehrdeutigkeit des
Einspritzmenge/Einspritzdauer-Kennfeldes beseitigt ist.
Die Kurven K2, K3 und K4 veranschaulichen die beim
beanspruchten Verfahren gegebene freie Steuerbarkeit der dem Piezoaktor zugeführten Energie und somit des Nadelimpulses durch ein dynamisches Anpassen der Ladezeit vom Antrieb insbesondere abhängig der geforderten Öffnungszeit und vom gegebenen Druck. Speziell im Übergangsbereich zwischen dem konstant ansteigenden Verlauf der jeweiligen Kurve und deren konstanten Verlauf, d. h. im Übergangsbereich zu einem
Vollhubbetrieb, kommt dem Mehr an Impuls ein erhebliches Mehr an Einspritzdauer bzw. Öffnungsdauer zu.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ansteuerung eines einen piezoelektrischen Aktor und eine vom piezoelektrischen Aktor zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung bewegbare
Düsennadel aufweisenden Piezoin ektors eines
Kraftstoffeinsprit zsystems , bei welchem der piezoelektrische Aktor in Abhängigkeit von einer geforderten Kraftstoffmenge von einer Quelle für die Dauer einer Ladezeit mit Strom beaufschlagt wird, um die Düsennadel für eine von der
geforderten Kraftstoffmenge abhängige Zeitdauer in ihre
Öffnungsstellung zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladezeit gemäß der folgenden Beziehungen gewählt wird: tLaden (p) = tnom,Laden (p) für TI > tEP,p
und
tLaden (P , T I ) < Tl für TI < tEP,p, wobei tnom,Laden (p) die nominelle Ladezeit bei einem Druck p, TI die Öffnungszeit des Piezoin ektors und tEp,P der
Endzeitpunkt des Prelleinflusses beim Druck p ist.
PCT/EP2011/064575 2010-09-07 2011-08-24 Verfahren zur ansteuerung eines piezoinjektors eines kraftstoffeinspritzsystems WO2012031898A1 (de)

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