-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Kontrollieren des Betriebs einer Einspritzdüse.
-
Stand der Technik
-
Bei Kraftstoffinjektoren bzw. Einspritzdüsen für Kraftstoff, die durch Magnetventile gesteuert werden, hat die Öffnungsdauer der Düsennadel einen Einfluss auf die eingespritzte Kraftstoffmenge. Die Öffnungsdauer ergibt sich indirekt aus der Ansteuerdauer bzw. Bestromungsdauer einer Magnetventilspule einer Ankergruppe, über die die Düsennadel bewegt wird, und dem dynamischen Verhalten der Hochdruckhydraulik. Bei Common-Rail-Injektoren für die Diesel-Speichereinspritzung ist das Magnetventil typischerweise als Servoventil ausgebildet und steuert zunächst die nachgeschaltete Hochdruckhydraulik an, die dann wiederum die Öffnungs- und Schließbewegung der Düsennadel steuert.
-
Bei derartigen Einspritzdüsen bzw. Injektoren wird die Öffnungsdauer der Düsennadel zusätzlich durch das dynamische Verhalten des Servoventils beeinflusst. Die eingespritze Kraftstoffmenge ergibt sich dabei typischerweise aus der Öffnungsdauer der Düsennadel.
-
Innerhalb der Schaltkette von dem Magnetkreis über das Servoventil und die Hochdruckhydraulik bis zur Düsennadel kann es durch unvermeidliche Streuungen von Bauteileigenschaften sowie durch variable Randbedingungen zu Abweichungen kommen, wodurch sich der Öffnungs- und Schließzeitpunkt der Düsennadel verändern kann. So ist als eine mögliche Einflussgröße, z. B. der Verschleiß der Bauteile der Einspritzdüse, zu berücksichtigen, Fertigungstoleranzen sowie Druckwellen innerhalb des Einspritzsystems usw. können als weitere Einflussgrößen von Bedeutung sein. Für die Erkennung des Schließzeitpunkts von Magnetventilen, wie z. B. dem Servoventil, sind verschiedene Methoden bekannt.
-
So betrifft die Druckschrift
DE 36 09 599 A1 ein Verfahren zur Steuerung der Entregungszeit von elektromagnetischen Ventilen bei Brennkraftmaschinen. Hierbei wird der Erregungsstrom i = i(t) ausgehend von einem hohen Haltestromwert für eine bestimmte Zeitdauer nicht auf Null oder sogar einen negativen Wert, sondern auf einen im positiven Bereich unterhalb des Haltestroms liegenden Wert abgesenkt. Aufgrund der dadurch im Erregungskreis entstehenden charakteristischen Strom- und/oder Spannungswerte können ein Öffnungsanfang und ein Öffnungsende der Ventilnadel des elektromagnetischen Ventils besonders genau ermittelt und für eine optimale Beeinflussung der Arbeitsweise der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden.
-
Ein Verfahren zur Steuerung und Erfassung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans mit einer Erregerspule ist aus der Druckschrift
DE 38 43 138 A1 bekannt. Zur Bewegung des Ankers in eine betätigbare Stellung wird hier ein Strom oder eine Spannung an die Erregerwicklung gelegt. Der Strom oder die Spannung wird vor Beginn der Bewegung des Ankers über einen Wert angehoben, bei dem der Anker in der betätigten Stellung verbleibt. Vor Beendigung der Bewegung des Ankers wird der Strom oder die Spannung auf einen definierten Wert gesenkt, der ausreicht, den Anker in der betätigten Stellung zu halten. Schließlich wird die zeitliche Änderung des Stroms oder der Spannung nach Einstellung des definierten Werts zur Erkennung des Endes der Ankerbewegung erfasst. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann die Bewegung des Ankers, beispielsweise eines Magnetventils, für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine sehr genau überwacht werden, so dass der Einspritzzeitpunkt und die Einspritzdauer optimal einstellbar sind.
-
Ein Verfahren zum Ermitteln einer vorgegebenen Position eines Ankers in einem Magnetventil ist in der Druckschrift
DE 10 2007 031 552 A1 beschrieben. Dabei ist der Anker durch Reduzieren eines Stromes durch eine Magnetspule des Magnetventils mit einer Ausgangsstromstärke aus einer vorgegebenen Ausgangsposition in die vorgegebene Position überführbar.
-
Bei Common Rail-Injektoren, bei denen das Schaltventil als Servoventil mit nachgeschalteter Hochdruckhydraulik ausgeführt ist, ergibt sich noch eine Reihe weiterer Einflüsse, die in der Schaltkette zu berücksichtigen sind. Durch einen Düsensitzverschleiß werden u. a. der Öffnungszeitpunkt und die Öffnungsflugphase der Düsennadel bei unveränderter Funktion des Servoventils und der Hochdruckhydraulik geändert. Wenn z. B. die Düsennadel später und langsamer aus dem Sitz abhebt, wird sie zum Umkehrzeitpunkt, also wenn das Servoventil schließt, einen kleineren Hub ausgeführt haben und beim Schließen den Sitz folglich auch früher wieder erreichen. Somit ergibt sich aus einem verzögerten Öffnen der Nadel ein verfrühtes Schließen. Da sich die eingespritzte Kraftstoffmenge direkt aus der Öffnungsdauer der Nadel ergibt, kommt es demnach zu deutlichen Mengeneinflüssen. Der Einfluss von Druckwellen auf die eingespritzte Kraftstoffmenge resultiert zum erheblichen Teil aus einem geänderten Öffnungszeitpunkt der Düsennadel. Einen untergeordneten Einfluss hat demgegenüber der während der Einspritzung zur Verfügung stehende Einspritzdruck.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund werden eine Anordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
-
Mit der Erfindung kann ein Schließzeitpunkt einer Ventilnadel einer Einspritzdüse bzw. eines Injektors, die bzw. der ein Magnetventil aufweist, erkannt werden.
-
Weiterhin kann eine Genauigkeit der eingespritzten Kraftstoffmenge verbessert werden, da nicht nur die Ungenauigkeiten des Servoventils sondern der gesamten Schaltkette des Injektors korrigiert werden können. Mit der Erfindung können sowohl die Exemplarstreuungen gleichartiger Ventile, deren Drift über die Lebensdauer und der Einfluss geänderter Randbedingungen, die z. B. durch Druckschwingungen in der Leitung verursacht werden, ausgeglichen werden.
-
Die beschriebene Anordnung ist dazu ausgebildet, sämtliche Schritte des vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen Komponenten der Anordnung durchgeführt werden.
-
Weiterhin können Funktionen der Anordnung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Anordnung als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden. Außerdem ist es möglich, dass Schritte des Verfahrens als Funktionen einzelner Komponenten der Anordnung oder der gesamten Anordnung realisiert werden.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer Einspritzdüse sowie drei Diagramme zu Betriebsparametern der Einspritzdüse.
-
2 zeigt in schematischer Darstellung ein Detail einer Einspritzdüse in einer ersten Betriebssituation sowie in einer zweiten Betriebssituation.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
-
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
-
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer Einspritzdüse 2, wobei in der Beschreibung zu der 1 lediglich auf ein Ventil 4, einen Hochdruckbereich 6, einen Steuerraum 42 und eine Düsennadel 8 der Einspritzdüse 2 im Detail eingegangen wird. In einem ersten Diagramm 10 ist entlang einer vertikal orientierten Achse 12 ein Verlauf zu einer Bewegung des Ventils 4 über einer horizontal orientierten Zeitachse 14 aufgetragen. Dabei umfasst dieser Verlauf einen ersten Abschnitt 16, für eine Bewegung des Ventils 4, die sich aufgrund einer elektrischen Ansteuerung ergibt. Ein zweiter Abschnitt 18 der Bewegung des Ventils 4 ergibt sich aufgrund einer Durchbiegung (Deformation) eines Ventilstücks der Einspritzdüse 2.
-
In einem zweiten Diagramm 20 ist entlang einer vertikal orientierten Achse 28 ein Hub der Düsennadel 8 über einer Zeitachse 14 aufgetragen. Das Ende einer Bewegung der Düsennadel 8 während eines Einspritzvorgangs ereignet sich zu einem Zeitpunkt 30, bei dem ein Schließen der Ventilnadel 8 erfolgt (Schließzeitpunkt).
-
Ein drittes Diagramm 26 umfasst eine vertikal orientierte Achse 22 entlang der ein Verlauf des Drucks im Steuerraum 42 über einer vertikal orientierten Zeitachse 14 aufgetragen ist. Der Verlauf des Drucks im Steuerraum 42 umfasst einen Peak 24, der sich aufgrund eines steilen Druckgradienten ergibt, der durch das Schließen der Ventilnadel 8 ausgelöst wird.
-
2 zeigt ein Detail einer Ausführungsform einer Einspritzdüse 32 in einer ersten Betriebssituation (links) sowie in einer zweiten Betriebssituation (rechts). Die Einspritzdüse 32 umfasst eine Magnetgruppe 34 bzw. einen Magnetkern mit einer Spule 36, einen unterhalb der Magnetgruppe 34 angeordneten Anker 38 eines Ventils 40 und einen darunter angeordneten Steuerraum 42, in dem ein Ventilkolben 44 bewegbar angeordnet ist. Dieser Ventilkolben 44 ist mit einer hier nicht dargestellten Düsennadel verbunden. Demnach führt der Ventilkolben 44 dieselben Bewegungen wie die Düsennadel aus. Zwischen dem Anker 38 und dem Steuerraum 42 ist ein Ventilstück 43 angeordnet. Außerdem umfasst die Einspritzdüse 32 noch eine Ablaufdrossel 46 und eine Zulaufdrossel 48 die mit einem Hochdruckbereich 50 verbunden ist. Weiterhin ist eine Ventilspannschraube (nicht dargestellt) vorgesehen.
-
Weiterhin zeigt 2 Betriebsparameter, die sich bei einer Bewegung der Ventilnadel und bei einem Anhalten der Ventilnadel zum Zeitpunkt des Schließens der Ventilnadel (rechts) ergeben. Hierbei deutet links ein Vektor 52 die Geschwindigkeit der Ventilnadel und somit des Ventilkolbens während ihrer Bewegung an. Mit Pfeilen 54 wird ein Druck innerhalb des Steuerraums 42 angedeutet. Außerdem ist in 2 links eine Höhe 58 eines Restluftspalts 56 zwischen dem Anker 38 und der Magnetgruppe 34 bzw. dem Magnetkern während der Bewegung der Ventilnadel gezeigt. Zum Zeitpunkt des Schließens der Ventilnadel kommt es im Steuerraum zu einer Erhöhung des Drucks p + Δp. Daraus ergibt sich weiterhin eine Deformation und somit Durchbiegung des Ventilstücks 43. Dadurch wird weiterhin der Anker 38 in Richtung der Magnetgruppe 34 bzw. des Magnetkerns nach oben verschoben, wodurch sich wiederrum ein reduzierter Restluftspalt 56 mit der Höhe 58 h – Δh ergibt.
-
Zusätzlich ist in 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 60 schematisch dargestellt. Diese Anordnung umfasst eine elektrische Energiequelle 62, die dazu ausgebildet ist, der Spule 36 eine erste elektrische Größe, wobei es sich entweder um die Spannung oder den Strom handelt, einzuprägen. Eine Messeinrichtung 64 der Anordnung 60 ist dazu ausgebildet, eine zweite elektrische Größe der Spule 36, d. h. den durch die Spule 36 fließenden Strom oder die daran anliegende Spannung zu messen. Mit einer Auswerteeinrichtung 66 als weitere Komponente der Anordnung 60 wird ein Verlauf der gemessenen elektrischen Größe erfasst und analysiert.
-
Bei einem Betrieb der Einspritzdüse 32 kommt es im Moment des Schließens der Düsennadel zu einem steilen Druckaufbau innerhalb der Einspritzdüse 32 sowie im Steuerraum 42 oberhalb des Ventilkolbens 44. Ursächlich für den Druckaufbau in der Einspritzdüse 32 ist, dass der Kraftstoff in der Hochdruckbohrung der Einspritzdüse 32 sowie der Leitung vor dem Nadelschließen noch in Bewegung ist, jedoch mit dem Schließen der Düsennadel abgebremst wird. Dadurch ergibt sich als erster Effekt ein Druckaufbau, der sich von der Einspritzdüse bis in die Hochdruckbohrung und die Hochdruckleitung fortsetzt (siehe 1).
-
Als zweiter Effekt für einen steilen Druckaufbau im Steuerraum ist das plötzliche Abbremsen des Verbunds aus Düsennadel und Ventilkolben 44 bei Erreichen des Sitzes. Dadurch entfällt die Volumenzunahme des Steuerraums 42 durch die Schließbewegung der Düsennadel und den zunächst weiter durch die Zulauf-Drossel 48 nachfließende Volumenstrom. Dies führt nun zu einem steilen Anstieg des Drucks im Steuerraum 42. Beide Druckanstiege bewirken eine starke Erhöhung der Kraft, mit der das Ventilstück 43 nach oben gegen den Anker 38 gedrückt wird, und eine erhöhte Durchbiegung des Ventilstücks 43. Durch die Durchbiegung des Ventilstücks 43 reduziert sich direkt der Hub des Servoventils und somit der Restluftspalt 56 des Magnetventils. Diese Änderung des Restluftspalts 56 kann mit bekannten Methoden erkannt und ausgewertet werden. Dadurch wird der Schließzeitpunkt der Düsennadel zuzüglich von Laufzeiteffekten der Schallausbreitung in der Flüssigkeit detektiert.
-
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einem Zeitintervall, in dem das Schließen der Düsennadel erwartet wird, als elektrische Größe entweder der Verlauf der Spannung für die Spule 36 oder der Verlauf des Stroms für die Spule 36 eingeprägt wird, bspw. eine konstante Spannung oder ein konstanter Strom. Es ist möglich, in dem genannten Zeitintervall die Spannung 0 einzuprägen, indem die Steuergeräte-Endstufe einfach kurzgeschlossen bzw. in den Freilauf geschaltet wird, oder alternativ den Strom 0 einzuprägen, indem das Magnetventil elektrisch von der Endstufe abgetrennt und so ein Stromfluss unterbunden wird. In dem Zeitintervall wird der Stromverlauf als zweite elektrische Größe, bei eingeprägter Spannung als erste elektrische Größe, oder der Spannungsverlauf als zweite elektrische Größe, bei eingeprägtem Strom als erste elektrische Größe, gemessen.
-
Die für den Zeitpunkt der Schließung der Düsennadel typische Reduktion des Restluftspalts 56 hat entweder einen signifikanten Knick im Stromverlauf, aufgrund eines Rückgangs des Stroms, oder eine kurzzeitige Erhöhung der Spannung bzw. einen Knick im Verlauf der Spannung, bei einem Anstieg des Spannungsgradienten, zur Folge. Für eine solche Detektion muss im Moment des Düsenschließens noch ein ausreichendes Magnetfeld im Magnetkreis des Servoventils vorhanden sein. Der Magnetkreis umfasst dabei die Spule 36, den Anker 38 und den Restluftspalt 56. Um dies auch bei großen Abständen des zu erfassenden Zeitpunkts des Schließens vom Ansteuerende des Magnetkreises zu gewährleisten, wird in Weiterbildung des Verfahrens kurz vor dem erwarteten Schließen der Düsennadel das vorhandene Restmagnetfeld im Magnetkreis nochmals aktiv erhöht. Dazu wird in diesem Fall die Spule 36 ein weiteres Mal kurz aktiv bestromt. Anschließend wird entweder bei Messung des Stroms in den Freilauf geschaltet oder aber der Strom bei Messung der Spannung wieder gelöscht. Der bei dieser kurzen Ansteuerung auftretende Strom muss so klein sein, dass sich das Ventil 40 hierdurch nicht öffnet. Neben der Messung und Auswertung des Spannungsverlaufs bei eingeprägtem Strom oder des Stromverlaufs bei eingeprägter Spannung besteht üblicherweise auch die Möglichkeit, keine der beiden Größen einzuprägen und statt dessen Abweichungen des dynamischen Zusammenhangs zwischen diesen beiden Größen von jenem Zusammenhang zu detektieren, der bei unbewegtem Anker gilt. Typischerweise kann hierzu ein Streckenbeobachter mit einem dynamischen Modell des Magnetkreises verwendet werden. Diese Lösung ist jedoch mit zusätzlichem Aufwand verbunden.
-
Die Diagramme 10, 20, 26 aus 1 zeigen insgesamt einen ersten Effekt, der von der durch Schließen des Düsensitzes ausgelöste Druckerhöhung im Steuerraum aufgrund eines Stoppens des Ventilkolbens ergibt.
-
Die durch Stoppen der Düsennadel erzeugte Druckanhebung im Steuerraum 44 aufgrund fehlender Volumenzunahme des Steuerraums 42 ist auch anhand der 2 dargestellt. Ein zweiter Effekt, der zu einer erhöhten Durchbiegung des Ventilstücks führt, ist die durch das Schließen des Düsensitzes ausgelöste Druckerhöhung im Hochdruckbereich 6, die durch das Stoppen der Fluidbewegung im Hochdruckbereich 6 bei Einspritzende verursacht wird.
-
Beide genannten Mechanismen, der erste Effekt und der zweite Effekt, sorgen für einen steilen Druckaufbau und führen damit zu einer Durchbiegung des Ventilstücks 43. Diese ergibt eine Reduzierung des Restluftspalts 56, die detektiert werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 3609599 A1 [0005]
- DE 3843138 A1 [0006]
- DE 102007031552 A1 [0007]