WO2012119909A1 - Verfahren zur bestimmung des leerhubes eines piezoinjektors mit direkt betätigter düsennadel - Google Patents

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WO2012119909A1
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test pulse
nozzle needle
piezoelectric actuator
idle stroke
piezo
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PCT/EP2012/053461
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Michael Katzenberger
Manfred Kramel
Nicolas Nozeran
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Continental Automotive Gmbh
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M65/005—Measuring or detecting injection-valve lift, e.g. to determine injection timing
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/065—Large signal circuits, e.g. final stages
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    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • 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 determining the idle stroke of a Piezoin ector with directly operated nozzle needle.
  • Such a piezoin ector is used in connection with the fuel injection in motor vehicles, especially in motor vehicles having a common rail injection system.
  • Such a Piezoinj ector has a piezoelectric actuator and actuated by this nozzle needle.
  • the piezoelectric actuator which is constructed in the form of a piezo stack, represents a capacitive load and can be lengthened by being charged to an electrical voltage which is, for example, 150 V.
  • an electrical voltage which is, for example, 150 V.
  • the idle stroke therefore has a decisive influence on the time at which the nozzle needle lifts from its needle seat.
  • high demands must be placed on the components used in order to minimize the unavoidable component scattering. Irrespective of this, extensive influence analyzes and calibrations are also carried out, in which the respective concept behavior is determined and over the service life
  • In ektorregelilia en the ability to monitor the respective desired injection quantity based on a transmission of electrical feedback signals, which is possible due to the direct coupling of the nozzle needle with the piezoelectric actuator, and to compensate for changes in the idle stroke.
  • a disadvantage of the above-mentioned possibility is that, for example, in an engine thrust operation, in which no injection takes place, a change in the idle stroke which has occurred can not be observed, since in this case there is no feedback regarding the needle position. Consequently, when injections are restarted, a plurality of injection cycles are first required in order to be able to ensure a plausible detection of the needle position, which in turn is a prerequisite for compensating for any changes in the idle stroke that have occurred. In this case, a temperature model of the Piezoinj ector supportive effect. Even then, however, ensuring injection quantity accuracy is insufficiently ensured.
  • the object of the invention is to provide a method for determining the idle stroke of a Piezoinj ectors by means of whose idle stroke of Piezoin ector can be determined as accurately as possible.
  • a piezoelectric actuator to determine the idle stroke of a Piezoin ector, a piezoelectric actuator and a from the
  • Piezoaktor directly actuated nozzle needle has, to the
  • Piezoactor applied a test pulse, which causes a steady increase in the piezoelectric stroke, the time measured, which elapses between the start of the test pulse and the time of overcoming the idle stroke, and drawn from the measured period conclusions about the idle stroke of Piezoinj ector.
  • FIGS. 1 shows a sketch to explain the operation of a directly driven Piezoinj ectors
  • FIG. 3 is a diagram for illustrating the determination of the
  • Idle stroke using a test pulse and 4 shows a diagram for illustrating the influence of an adaptation of the manipulated variables for a subsequent injection process.
  • FIGS 1 and 2 show sketches to explain the operation of a directly driven Piezoin ector.
  • the Piezoin shown ector has a piezoelectric actuator 1, a pin or plunger 2, a bell 4, a lever 5, an intermediate disc 6, a nozzle needle spring 7, a nozzle needle 8 and a nozzle body 9, of which in the figure 1, the washer and the nozzle needle spring are not drawn.
  • the tip of the nozzle body 9 protrudes into a combustion chamber 10 of the motor vehicle.
  • the piezoactuator 1 consists of a multiplicity of individual thin layers which expand when a voltage is applied by means of a current source 11, ie. H. They translate an applied electrical voltage into mechanical work or
  • the achievable expansion of a piezoelectric actuator from ⁇ dependent from parameters including the number of its layers, the quality of the carried polarization and the ratio of its active area includes its nominal length to its total area. If a piezoactuator is charged, then it remains in its reached extent for the duration of the respective injection.
  • FIG. 1 is a Piezoinj ector, in which the nozzle needle 8 is driven directly by the piezoelectric actuator 1.
  • the piezoelectric actuator 1 via the pin 2, the bell 4, the lever 5 and the washer 6, which are rigid, positively guided coupling elements, directly connected to the nozzle needle 8.
  • This direct connection of the nozzle needle with the piezoelectric actuator allows a retroactive force input from the needle movement to the piezoelectric actuator, which can be seen in the course of the capacitance.
  • Each force entry into the piezoelectric actuator manifests itself in a change in the measured capacitance.
  • the nozzle body 9 expands depending on the temperature.
  • the purpose of the nozzle needle spring 7 is to hold the nozzle needle 8 in its seat.
  • the axial compressive force of the piezoelectric actuator 1 is transmitted to the nozzle needle 8.
  • the nozzle needle is lifted from its seat as soon as the leverage is greater than the sum of the spring force and the hydraulic force and the elasticity of the nozzle body 9 no longer ensures a lagging of the needle seat with the nozzle needle.
  • the needle ⁇ stop hits the washer . It builds up a contact force, which acts back on the piezoelectric actuator 1.
  • the piezoactuator 1 acts via rigid coupling elements 2, 4, 5, 6 directly on the nozzle needle 8 and vice versa. This is a detection of the force effects on the nozzle needle 8 by a measurement of the electrical voltage at the piezoelectric actuator 1 possible.
  • a piezoactuator has the property of remaining in an extent achieved by electrical charging at least as long as it is necessary for the current injection process.
  • the nozzle body 9 is lengthened in the axial direction or in the direction of the combustion chamber 10,
  • the nozzle needle 8 follows the nozzle tip
  • FIG. 2 shows a sketch to illustrate such a change in the idle stroke.
  • the measurement of the idle stroke according to the invention is based on the generation of a test pulse, which does not lead to an injection, but nevertheless allows the idle stroke to be determined exactly.
  • the current source 11 which is a high-impedance current source
  • Constant current applied to the piezoelectric actuator 1 By means of this constant current, a steady voltage increase is generated, as a result of which a steady piezo stroke adjusts analogously to the voltage ramp.
  • the piezo unit operates in the region of the idle stroke only against the applied force, which acts on the piezoelectric actuator 1 via the pin 2. If no additional force is involved, the pending force remains constant and can be eliminated from the processing in a further, later process.
  • the idle stroke is overcome and the piezoelectric actuator 1 hits the bell 4 via the pin 2, the acting force increases. This leads to a speed change of the piezoelectric actuator. This is due to the stiffness of the piezo unit and means that the stroke remains almost constant and further an internal force is built up within the piezoelectric actuator, which is sufficient to lift the nozzle needle from its seat.
  • FIG. 3 shows a diagram for illustrating the determination of the idle stroke using a test pulse.
  • the needle stroke is plotted in the upper part of the diagram along the ordinate and the piezohub in the lower part along the ordinate.
  • the time t is plotted along the abscissa.
  • Stroke values h1, h2 and h3 are marked on the axis describing the piezohub, which are characteristic of different values of the idle stroke which are present in the non-activated state of the piezoactuator.
  • test pulses TPl, TP2 and TP3 are marked on the axis describing the piezohub, which are characteristic of different values of the idle stroke which are present in the non-activated state of the piezoactuator.
  • test pulses TPl, TP2 and TP3 are test pulses TPl, TP2 and TP3 and their effects on the Piezohub illustrated.
  • the test pulse TPl starts at a time tO starting from a Leerhubwert hl and causes a steady piezo stroke along a voltage ramp, which intersects a line 1 shown in Figure 3 at a time t3.
  • This line 1 is characteristic for the point in time at which the piezoactuator 1 hits the pin 2.
  • This time interval between to and t3 characterizes the idle stroke hl.
  • the test pulse TP2 also begins at the time tO, but starts from a Leerhubwert h2 and causes a steady piezo stroke along a voltage ramp, which intersects the line 1 shown in Figure 3 at a time t2.
  • This line 1 is characteristic for the time at which the piezoactuator 1 encounters the pin 2.
  • the time interval between to and t2 identifies the idle stroke h2.
  • the test pulse TP3 in turn starts at time tO, but starts from a Leerhubwert h3 and causes a steady piezohub along a voltage ramp, which intersects the line 1 shown in Figure 3 at a time tl.
  • the time interval between to and tl identifies the idle stroke h3.
  • the time t4 shown in FIG. 3 indicates the end of the respective test pulse.
  • the duration of the test pulses is selected such that in no case is a needle lift caused by the test pulse.
  • the time interval between the beginning of the test pulse and the time at which the test pulse intersects the line 1 is characteristic of the respective idle stroke.
  • FIG. 4 shows a diagram for illustrating the influence of an adaptation of the manipulated variables for a subsequent injection process.
  • the curve K1 is assigned to the test pulse TP1 shown in FIG. 3, the curve K2 to the test pulse TP2 shown in FIG. 3, and the curve K3 to the test pulse TP3 shown in FIG. From Figure 4 it can be seen what influence a Leerhubverschiebung represents a possible injection event. Shown is a short electrical control analogous to a possible pilot injection and a longer control with increased needle stroke analogous to a main injection.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung des Leerhubs eines Piezoinjektors, der einen Piezoaktor und eine vom Piezoaktor direkt betätigte Düsennadel aufweist. An den Piezoaktor wird ein Testpuls angelegt, der eine stetige Zunahme des Piezohubes bewirkt. Es wird die Zeitspanne gemessen, die zwischen dem Start des Testpulses und dem Zeitpunkt des Überwindens des Leerhubs vergeht. Aus der gemessenen Zeitspanne wird der Leerhub des Piezoinjektors ermittelt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Bestimmung des Leerhubes eines Piezoin ektors mit direkt betätigter Düsennadel
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Leerhubes eines Piezoin ektors mit direkt betätigter Düsennadel.
Ein derartiger Piezoin ektor wird im Zusammenhang mit der Kraftstoffeinspritzung bei Kraftfahrzeugen verwendet, insbesondere in Kraftfahrzeugen, die ein Common-Rail-Einspritzsystem aufweisen .
Ein derartiger Piezoinj ektor weist einen Piezoaktor und eine von diesem betätigte Düsennadel auf. Der Piezoaktor, der in Form eines Piezostacks aufgebaut ist, stellt eine kapazitive Last dar und lässt sich durch ein Aufladen auf eine elektrische Spannung, die beispielsweise 150 V beträgt, längen. Uber diesen Piezoaktor kann beim Vorliegen eines direkt angetriebenen Kraftstoffeinspritzsystems die Piezobewegung bzw. die Piezokraft über eine Wirkrichtungsumkehr, beispielsweise unter Verwendung eines Hebels, auf die Düsennadel übertragen werden.
Während der Ladephase des Piezoaktors zwecks Öffnen der Dü¬ sennadel wird zunächst ein Leerhub überwunden und erst dann wird die Düsennadel geöffnet. Als Leerhub wird derjenige Weg be¬ zeichnet, um den sich der Piezoaktor weitestgehend kraftfrei ausdehnen muss, bevor die Kraft auf die Düsennadel wirksam wird. Dabei muss die Antriebseinheit systemdruckabhängig eine de¬ finierte Kraft überwinden, um die Düsennadel aus ihrem Nadelsitz zu heben. Danach wird die Bewegung des Piezoaktors wieder auf die Bewegung der Düsennadel übertragen.
Der Leerhub hat folglich einen maßgebenden Einfluss für den Zeitpunkt, an dem die Düsennadel sich von ihrem Nadelsitz abhebt. Bei bekannten Einspritzkonzepten müssen an die verwendeten Bauteile hohe Anforderungen gestellt werden, um die unvermeidbaren Bauteilstreuungen zu minimieren. Unabhängig davon werden des Weiteren umfangreiche Einflussanalysen und Kali- brierungen durchgeführt, in deren Rahmen das jeweilige Konzeptverhalten ermittelt wird und über die Lebensdauer
Exemplarunterschiede kompensiert werden.
Des Weiteren besteht bei bekannten In ektorregelkonzepten die Möglichkeit, die jeweils gewünschte Einspritzmenge anhand einer Übertragung von elektrischen Rückmeldesignalen, die aufgrund der direkten Kopplung der Düsennadel mit dem Piezoaktor möglich ist, zu überwachen und bei Bedarf Veränderungen des Leerhubes zu kompensieren .
Ein Nachteil der vorstehend genannten Möglichkeit besteht darin, dass beispielsweise in einem Motorschubbetrieb, in welchem keine Einspritzung stattfindet, eine aufgetretene Veränderung des Leerhubes nicht beobachtet werden kann, da in diesem Falle keine Rückmeldung bezüglich der Nadelposition vorhanden ist. Folglich werden beim Wiedereinsetzen der Einspritzungen zunächst mehrere Einspritzzyklen benötigt, um eine plausible Detektion der Nadelposition gewährleisten zu können, welche wiederum Voraussetzung für eine Kompensation von aufgetretenen Verände- rungen des Leerhubes ist. Dabei kann ein Temperaturmodell des Piezoinj ektors unterstützend wirken. Selbst dann ist jedoch eine Sicherstellung der Einspritzmengengenauigkeit nur unzureichend gewährleistet . Bei Inline-Inj ektoren ändern sich die Positionen der Bauteile Antriebseinheit und Düsennadel insbesondere durch eine ther¬ mische Ausdehnung sehr stark. Dies macht eine stetige Korrektur der Kraftstoffeinspritzmenge notwendig. Diese stetige Korrektur setzt eine exakte Bestimmung des Leerhubes des Piezoinj ektors voraus.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung des Leerhubes eines Piezoinj ektors anzugeben, mittels dessen der Leerhub des Piezoin ektors möglichst genau ermittelt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Bestimmung des Leerhubs eines Piezoin ektors , der einen Piezoaktor und eine vom
Piezoaktor direkt betätigte Düsennadel aufweist, an den
Piezoaktor ein Testpuls angelegt, der eine stetige Zunahme des Piezohubes bewirkt, diejenige Zeitspanne gemessen, die zwischen dem Start des Testpulses und dem Zeitpunkt des Überwindens des Leerhubs vergeht, und aus der gemessenen Zeitspanne Rückschlüsse auf den Leerhub des Piezoinj ektors gezogen.
Die Vorteile eines derartigen Verfahrens bestehen insbesondere darin, dass in allen Betriebszuständen des Einspritzsystems eine Veränderung bzw. Verschiebung des Leerhubes beobachtet werden kann. Dieser Vorteil wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass ein Testpuls generiert wird, welcher zwar nicht zu einer Einspritzung führt, es aber dennoch erlaubt, den Leerhub exakt zu ermitteln.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt Figur 1 eine Skizze zur Erläuterung der Funktionsweise eines direkt angetriebenen Piezoinj ektors ,
Figur 2 eine Skizze zur Veranschaulichung einer Leerhubveränderung bei einem direkt angetriebenen Piezoinj ektor,
Figur 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ermittlung des
Leerhubes unter Verwendung eines Testpulses und Figur 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Einflusses einer Anpassung der Stellgrößen für einen nachfolgenden Einspritzvorgang .
Die Figuren 1 und 2 zeigen Skizzen zur Erläuterung der Funktionsweise eines direkt angetriebenen Piezoin ektors . Der dargestellte Piezoin ektor weist einen Piezoaktor 1, einen Pin bzw. Stößel 2, eine Glocke 4, einen Hebel 5, eine Zwischenscheibe 6, eine Düsennadelfeder 7, eine Düsennadel 8 und einen Düsenkörper 9 auf, von denen in der Figur 1 die Zwischenscheibe und die Düsennadelfeder nicht gezeichnet sind. Die Spitze des Düsenkörpers 9 ragt in einen Brennraum 10 des Kraftfahrzeugs.
Der Piezoaktor 1 besteht aus einer Vielzahl einzelner dünner Schichten, die sich bei einem Anlegen einer elektrischen Spannung mittels einer Stromquelle 11 ausdehnen, d. h. sie übersetzen eine angelegte elektrische Spannung in mechanische Arbeit bzw.
Energie. Umgekehrt rufen mechanische Beeinflussungen des Piezoaktors elektrische Signale hervor, die gemessen werden können. Die erreichbare Ausdehnung eines Piezoaktors ist ab¬ hängig von Parametern, zu denen seine nominelle Länge, die Anzahl seiner Schichten, die Güte der erfolgten Polarisierung und das Verhältnis seiner aktiven Fläche zu seiner Gesamtfläche gehören. Ist ein Piezoaktor aufgeladen, dann verharrt er für die Dauer der jeweiligen Einspritzung in seiner erreichten Ausdehnung.
Bei dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Piezoinj ektor, bei dem die Düsennadel 8 durch den Piezoaktor 1 direkt angetrieben wird. Zu diesem Zweck ist der Piezoaktor 1 über den Pin 2, die Glocke 4, den Hebel 5 und die Zwischenscheibe 6, bei denen es sich um steife, formschlüssig geführte Koppelelemente handelt, unmittelbar mit der Düsennadel 8 verbunden. Durch diese unmittelbare Verbindung der Düsennadel mit dem Piezoaktor wird ein rückwirkender Krafteintrag von der Nadelbewegung auf den Piezoaktor ermöglicht, der im Kapazitätsverlauf erkennbar ist. Jeder Krafteintrag in den Piezoaktor äußert sich in einer Änderung der gemessenen Kapazität. Der Düsenkörper 9 dehnt sich temperaturabhängig aus. Der Zweck der Düsennadelfeder 7 besteht darin, die Düsennadel 8 in ihrem Sitz zu halten. Die genannte Ausdehnung des Düsenkörpers 9 in Richtung seiner Längsachse, die sogenannte Düsenlängung, be- einflusst den maximalen Nadelhub. Auch der im nicht gezeichneten Rail herrschende Raildruck bewirkt eine Längung des Düsenkörpers und eine Stauchung der Düsennadel.
Bei einem Nadelöffnungsvorgang erfolgt zunächst ein Aufladen des Piezoaktors 1 durch ein Bestromen desselben. Nach einem
Überwinden eines Leerhubes 3 wird die Ausdehnung des Piezoaktors 1 über den Pin 2 auf die Glocke 4 übertragen. Die Glocke 4 drückt beidseits symmetrisch auf den Hebel 5, der ein Hebelpaar bildet. Diese Hebel rollen auf der Zwischenscheibe 6 nach Art einer Wippe. Der jeweilige Angriffspunkt der beiden Hebel liegt in einer Einkerbung der Düsennadel 8.
Durch die vorstehend beschriebene Mechanik wird die axiale Druckkraft des Piezoaktors 1 auf die Düsennadel 8 übertragen. Die Düsennadel wird aus ihrem Sitz gehoben, sobald die Hebelkraft größer ist als die Summe aus der Federkraft und der hydraulischen Kraft und die Elastizität des Düsenkörpers 9 nicht mehr für ein Nacheilen des Nadelsitzes mit der Düsennadel sorgt. Nach einem definierten Weg von beispielsweise 100 μπι, der bei einem Druck von 200 MPa zurückgelegt wird, trifft der Nadel¬ anschlag auf die Zwischenscheibe. Es baut sich eine Kontaktkraft auf, die auf den Piezoaktor 1 zurückwirkt. Mit derartigen Piezoaktoren 1 ist es möglich, die Düsennadel 8 nur teilweise aus ihrem Sitz zu heben und im sogenannten Teilhub zu halten. Der freigegebene Durchflussquerschnitt zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper ist dabei kleiner als die Summe der Querschnitte aller Düsenlöcher.
Wie vorstehend erläutert wurde, wirkt bei dem in der Figur 1 gezeigten Piezoin ektor der Piezoaktor 1 über steife Koppelelemente 2, 4, 5, 6 direkt auf die Düsennadel 8 und umgekehrt. Dadurch ist eine Erfassung der Kraftwirkungen auf die Düsennadel 8 durch eine Messung der elektrischen Spannung am Piezoaktor 1 möglich. Ein Piezoaktor hat die Eigenschaft, in einer durch elektrische Aufladung erreichten Ausdehnung zumindest solange zu verharren, wie es für den gegenwärtigen Einspritzvorgang notwendig ist.
Des Weiteren wurde oben ausgeführt, dass es bei einem direkt angetriebenen Piezoin ektor möglich ist, diesen in einem Teilhubbetrieb zu betreiben, in welchem die Düsennadel nur einen Teil des maximal möglichen Weges aus dem Nadelsitz gehoben wird und dort verharrt.
Im Betrieb des vorstehend beschriebenen Piezoin ektors kommt es im Falle von starken Temperaturveränderungen zu einer Verän- derung bzw. einer Verschiebung des Leerhubes 3. Beispielsweise tritt im Brennraum 10 eine derartige starke Temperaturänderung auf. Der Übergang der Brennraumtemperatur auf den Piezoin ektor erfolgt über dessen Düsenspitze, die teilweise in den Brennraum hineinragt. Dabei tritt folgende Wirkungskette auf:
- der Düsenkörper 9 längt sich in axialer Richtung bzw. in Richtung zum Brennraum 10,
- die Düsennadel 8 folgt der Düsenspitze,
- der Hebel 5 übersetzt die Bewegung nach oben auf die Glocke 4,
- die Glocke 4 wird in Richtung des Piezoaktors 1 bewegt, - aufgrund einer Bewegung der Glocke 4 wird auch der Pin 2 in Richtung des Piezoaktors 1 bewegt,
- dadurch wird der Leerhub 3 kleiner.
Die Figur 2 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung einer derartigen Veränderung des Leerhubes.
Dabei ist durch die Bezeichnung ΔΤ und die im Düsenkörper 9 dargestellten, nach unten gerichteten Pfeile veranschaulicht, dass sich der Düsenkörper 9 im Falle einer Erhitzung längt. Durch die ebenfalls nach unten gerichteten Pfeile in der Düsennadel 8 ist veranschaulicht, dass die Düsennadel 8 im nichtbetätigten Zustand der Düsenspitze folgt. Durch den Pfeil F ist veran¬ schaulicht, dass durch die Übersetzung der Kraft seitens des Hebels 5 die Glocke 4 nach oben in Richtung des Piezoaktors 1 bewegt wird, so dass der Leerhub 3 reduziert wird. Diese Re¬ duzierung des Leerhubes ist in der Figur 2 mit der Bezeichnung ALH angedeutet. Der resultierende Leerhub ist nach alledem abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Düsennadel 8 und dem Düsenkörper 9.
Die erfindungsgemäße Messung des Leerhubes basiert auf der Generierung eines Testpulses, welcher zwar nicht zu einer Einspritzung führt, es aber dennoch erlaubt, den Leerhub exakt zu ermitteln.
Zu diesem Zweck wird mittels der Stromquelle 11, bei der es sich um eine hochohmige Stromquelle handelt, ein niedriger
Konstantstrom an den Piezoaktor 1 angelegt. Mittels dieses Konstantstroms wird ein stetiger Spannungsanstieg generiert, infolge dessen sich ein stetiger Piezohub analog der Spannungsrampe einstellt. Die Piezoeinheit arbeitet im Bereich des Leerhubes nur gegen die anstehende Kraft, welche über den Pin 2 auf den Piezoaktor 1 wirkt. Sofern keine zusätzliche Kraft mit einwirkt, bleibt die anstehende Kraft konstant und kann in einem weiteren, späteren Prozess aus der Bearbeitung herausgerechnet werden. Sobald der Leerhub überwunden ist und der Piezoaktor 1 über den Pin 2 auf die Glocke 4 trifft, steigt die einwirkende Kraft an. Dies führt zu einer Geschwindigkeitsänderung des Piezoaktors. Dies beruht auf der Steifigkeit der Piezoeinheit und bedeutet, dass der Hub nahezu konstant bleibt und im Weiteren ein interne Kraft innerhalb des Piezoaktors aufgebaut wird, die dazu ausreicht, die Düsennadel aus ihrem Sitz zu heben.
Die Figur 3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ermittlung des Leerhubes unter Verwendung eines Testpulses. Dabei ist im oberen Teil des Diagrammes längs der Ordinate der Nadelhub und im unteren Teil längs der Ordinate der Piezohub aufgetragen. Längs der Abszisse ist jeweils die Zeit t aufgetragen. Dabei sind auf der den Piezohub beschreibenden Achse Hubwerte hl, h2 und h3 markiert, die charakteristisch sind für verschiedene Werte des Leerhubs, die im nicht angesteuerten Zustand des Piezoaktors vorliegen. Auf der rechten Seite des unteren Teils des Diagrammes sind Testpulse TPl, TP2 und TP3 und deren Auswirkungen auf den Piezohub veranschaulicht.
Der Testpuls TPl beginnt zu einem Zeitpunkt tO ausgehend von einem Leerhubwert hl und bewirkt einen stetigen Piezohub entlang einer Spannungsrampe, die eine in der Figur 3 dargestellte Linie 1 zu einem Zeitpunkt t3 schneidet. Diese Linie 1 ist charakteristisch für denjenigen Zeitpunkt, an welchem der Piezoaktor 1 auf den Pin 2 trifft. Dieses Zeitintervall zwischen tO und t3 kennzeichnet den Leerhub hl.
Der Testpuls TP2 beginnt ebenfalls zum Zeitpunkt tO, geht aber von einem Leerhubwert h2 aus und bewirkt einen stetigen Piezohub entlang einer Spannungsrampe, die die in der Figur 3 dargestellte Linie 1 zu einem Zeitpunkt t2 schneidet. Diese Linie 1 ist charakteristisch für den Zeitpunkt, an welchem der Piezoaktor 1 auf den Pin 2 trifft. Das Zeitintervall zwischen tO und t2 kennzeichnet den Leerhub h2. Der Testpuls TP3 beginnt wiederum zum Zeitpunkt tO, geht aber von einem Leerhubwert h3 aus und bewirkt einen stetigen Piezohub entlang einer Spannungsrampe, die die in der Figur 3 dargestellte Linie 1 zu einem Zeitpunkt tl schneidet. Diese Linie 1 cha¬ rakterisiert denjenigen Zeitpunkt, an welchem der Piezoaktor 1 auf den Pin 2 trifft. Das Zeitintervall zwischen tO und tl kennzeichnet den Leerhub h3.
Der in der Figur 3 gezeigte Zeitpunkt t4 kennzeichnet das Ende des jeweiligen Testpulses. Wie aus der Figur 3 ersichtlich ist, ist die Dauer der Testpulse derart gewählt, dass in keinem Fall durch den Testpuls ein Nadelhub hervorgerufen wird.
Das Zeitintervall zwischen dem Beginn des Testpulses und dem Zeitpunkt, an welchem der Testpuls die Linie 1 schneidet, ist charakteristisch für den jeweils vorliegenden Leerhub. Je größer der jeweilige Leerhub ist, desto länger dauert es, bis nach dem Beginn des Testpulses die Schnittlinie 1 erreicht wird. Aus dieser Zeitdauer, die der Testpuls bis zum Erreichen der Schnittlinie 1 benötigt, können folglich Rückschlüsse darauf gezogen werden, wie groß der Leerhub ist.
In Abhängigkeit von der jeweils ermittelten Zeitdauer und damit in Abhängigkeit vom jeweiligen Leerhub werden unter Verwendung einer im Voraus erstellten und im Kraftfahrzeug hinterlegten Datenbank, in welcher der Systemdruck zusätzlich berücksichtigt ist, Spannungswerte ausgelesen, mittels welcher eine nach¬ folgende Ansteuerung des Piezoaktors und damit ein nachfolgender Einspritzvorgang vorgenommen wird.
Dies ist insbesondere bei einem Wiedereinsetzen der Einspritzung nach Beendigung einer Schubphase des Motors von Vorteil, da es durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht wird, bereits ab der ersten Einspritzung nach einer Schubphase des Motors exakt die gewünschte Kraftstoffmenge einzuspritzen.
Dies wird anhand der Figur 4 erläutert, die ein Diagramm zur Veranschaulichung des Einflusses einer Anpassung der Stellgrößen für einen nachfolgenden Einspritzvorgang zeigt. Dabei ist die Kurve Kl dem in der Figur 3 gezeigten Testpuls TP1 zugeordnet, die Kurve K2 dem in der Figur 3 gezeigten Testpuls TP2 und die Kurve K3 dem in der Figur 3 gezeigten Testpuls TP3. Aus der Figur 4 ist ersichtlich, welchen Einfluss eine Leerhubverschiebung auf ein mögliches Einspritzevent darstellt. Gezeigt ist eine kurze elektrische Ansteuerung analog einer möglichen Voreinspritzung und eine längere Ansteuerung mit erhöhtem Nadelhub analog einer Haupteinspritzung.
Infolge einer Verschiebung vom Leerhublevel hl in Richtung Leerhublevel h3 werden die eingespritzten Mengen größer.
Ursache hierfür ist, dass mit einer Reduzierung des Leerhublevels der hydraulische Einspritzbeginn zeitlich bezogen früher startet. Sofern dies bei der elektrischen Ansteuerung des Piezos nicht berücksichtigt wird, öffnet die Düsennadel im ballis¬ tischen Betrieb (Voreinspritzung) weiter und wird dementsprechend später wieder geschlossen. Im Falle einer nichtballistischen Einspritzung (Haupteinspritzung) mit voll ge- öffneter Nadel zeichnet sich dieser Effekt ebenfalls ab, es sei denn, der maximale Nadelhub wird durch eine Begrenzung limitiert . Unter Annahme einer Leerhubdetektion, wie beschrieben, besteht die Möglichkeit, anhand der gemessenen Zeitabstände von tO bis tl oder t2 oder t3 die eweiligen Unterschiede in der Ansteuerung zu berücksichtigen, wie dies in der Figur 4 gezeigt ist. Mögliche Varianten zur Einspritzmengengleichstellung sind Korrekturen der Ansteuerdauer für die jeweiligen Einspritzungen, Korrekturen der Einspritzlage, Korrekturen über den Piezohub und Korrekturen über den Einspritzdruck oder Kombinationen mehrerer dieser Varianten .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung des Leerhubs eines Piezoin ektors, der einen Piezoaktor und eine vom Piezoaktor direkt betätigte Düsennadel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
- an den Piezoaktor ein Testpuls angelegt wird, der eine stetige Zunahme des Piezohubes bewirkt,
- die Zeitspanne gemessen wird, die zwischen dem Start des
Testpulses und dem Zeitpunkt des Überwindens des Leerhubs vergeht, und
- aus der gemessenen Zeitspanne der Leerhub des Piezoin ektors ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Testpuls derart bemessen ist, dass er innerhalb einer vorge¬ gebenen Testpulsdauer zu keinem Nadelhub führt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Testpuls von einer hochohmigen Stromquelle bereitgestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hochohmige Stromquelle in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung einer Datenbank aus der gemessenen Zeitspanne Spannungswerte ermittelt werden, die bei einem nachfolgenden Einspritzvorgang zur Ansteuerung des
Piezoaktors verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenbank im Rahmen der Fertigung eines Kraftfahrzeugs in einem Speicher nichtflüchtig hinterlegt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erstellung der Datenbank für vorgegebene Systemdruckwerte jeweils eine Vielzahl von Zeitspannen und ein jeweils zugehöriger Spannungswert abgespeichert werden.
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