DE10351141A1 - Verfahren zur Kompensation von Injektorstreuungen bei Einspritzventilen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Kompensation von Injektorstreuungen bei Einspritzventilen (11 bis 14) mit piezoelektrischem Aktor (19) zur Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen vorgeschlagen, wobei in einem elektronischen Steuergerät (10) injektorindividuelle Korrekturen der Aktorladungen (Q1 bis Q4) für die einzelnen Aktoren (19) so durchgeführt werden, dass der Nadelhub der Injektornadel bzw. Ventilnadel (17) bei Vollhub jeweils einem vorgegebenen Normhub entspricht. Zusätzlich wird im Steuergerät (10) eine Codierungsfunktion implementiert, durch die injektorindividuell Korrekturen für die Ladezeit t¶on¶, die Einspritzzeit t¶i¶ und die Entladezeit t¶off¶ des Aktors (19) zur Angleichung an eine vorgegebene Normkennlinie oder Masterkennlinie durchgeführt werden. Hierdurch können individuelle Abweichungen der Einspritzventile untereinander nahezu vollständig kompensiert werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Injektorstreuungen bei Einspritzventilen mit piezoelektrischem Aktor zur Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen, wobei in einem elektronischen Steuergerät injektorindividuelle Korrekturen der Aktorladungen für die einzelnen Aktoren so durchgeführt werden, dass der Nadelhub der Injektornadel bei Vollhub jeweils einem vorgegebenen Normhub entspricht.
• Derartige Einspritzventile mit piezoelektrischem Aktor können mehrere Einspritzsequenzen pro Arbeitsspiel (z.B. Doppeleinspritzung) bewältigen, wobei eine hohe Zumessgenauigkeit erforderlich ist, um alle Vorteile optimal ausnutzen zu können. Um diese Zumessgenauigkeit zu erreichen, müssen mögliche system- und fertigungsbedingte Mengentoleranzen der Einspritzventile im Motorbetrieb bzw. Fahrzeugbetrieb zuverlässig kompensiert werden. Solche Toleranzen werden im Wesentlichen durch zwei Merkmale bestimmt, nämlich durch die Streuung des Aktor-Hubvermögens und die Streuung der Hubverluste im Injektor (Differenz zwischen Aktorhub und Nadelhub).
• Um die Streubreite der Injektoren zu reduzieren, werden diese in bekannter Weise nach der Fertigung vermessen, und es werden injektorspezifische Informationen als Codierung ermittelt. Die Funktionen im Steuergerät, bei dem es sich um das zentrale Motorsteuergerät handeln kann, reduzieren anhand dieser Informationen bzw. Codierungen die Varianz der eingespritzten Kraftstoffmengen. Dabei werden mittels einer Korrektor der Aktorladung der Nadelhub bei Vollhub auf den Wert eines Masters bzw. eines Masterventils eingestellt, also normiert.
• Bei unterschiedlichen Hubverlusten der Injektoren reicht diese Ladungskorrektur jedoch nicht aus, um insbesondere die Einspritzmengen zu korrigieren. Theoretische Untersuchungen haben gezeigt, dass Unterschiede im Hubverlust zu unterschiedlichen Ventilverzugszeiten und Nadelöffnungsgeschwindigkeiten führen, welche sich in der Mengenkennlinie bemerkbar machen. Im Vollhub zeigen sich auch nach der Ladungskorrektur noch einspritzzeitunabhängige Mengenfehler, während die Mengenfehler im Teilhub von der Einspritzzeit abhängig sind.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Wirkungen von Toleranzen der Einspritzventile noch weiter zu reduzieren, insbesondere im Hinblick auf die Einspritzmengen und Einspritzzeiten.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Durch die erfindungsgemäße Codierungsfunktion werden die Kennlinien der Injektoren an eine Masterkennlinie bzw. Normkennlinie angepasst, so dass dadurch die Ansteuerparameter Ladezeit, Einspritzzeit und Entladezeit ebenfalls dieser Normkennlinie entsprechen und die Abweichungen bezüglich Einspritzmenge und Dauer von einem Norminjektor minimiert werden.
• Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahren möglich. Die Codierungsfunktion wird bei einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens aus injektorindividuellen Codierdaten erzeugt, insbesondere aus der Ladung Q₀, bei der die Injektornadel gerade öffnet, so wie aus der Ladung Q_ref für den Referenznadelhub. Dabei wird bevorzugt aus diesen Größen der injektorindividuelle Hubverlust berechnet, der maßgeblich für die erforderliche Korrektur ist.
• Diese Berechnung des injektorindividuellen Hubverlusts erfolgt zweckmäßigerweise während einer Initialisierungsphase.
• Zur Korrektur werden im Steuergerät vorzugsweise ein Offset-Korrekturwert Q_to,ti für die Ladezeit t_on im Vollhub und für die Einspritzzeit t_i berechnet. Entsprechend wird auch ein Offset-Korrekturwert O_toff für die Entladezeit im Vollhub berechnet.
• Die korrigierte Ladezeit, die korrigierte Einspritzzeit und die korrigierte Entladezeit ergeben sich aus den entsprechenden unkorrigierten Werten addiert mit den berechneten Offset-Korrekturwerten in vorteilhafter Weise.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts zur Steuerung von vier Einspritzventilen mit piezoelektrischem Aktor sowie zur Kompensation von Injektorstreuungen und
• 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.
• Bei dem in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel steuert ein elektronisches Steuergerät 10, bei dem es sich um eine zentrale Motorelektronik eines Kraftfahrzeugs handeln kann, vier Einspritzventile 11 bis 14, wobei lediglich das erste Einspritzventil 11 detaillierter dargestellt ist. Die Zahl der Einspritzventile hängt vom jeweiligen Typ der Brennkraftmaschine ab und ist nahezu beliebig. Die Steuerung der Einspritzventile 11 bis 14 erfolgt in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit von Parametern P, wie die Drehzahl, die Temperatur, der Druck oder dergleichen.
• Bei den vier Einspritzventilen 11 bis 14 handelt es sich um solche mit piezoelektrischen Aktoren 15, auf die seitens des Steuergeräts 10 bestimmte Ladungen Q₁ bis Q₄ aufgebracht werden, indem entsprechende elektrische Ströme den piezoelektrischen Aktoren 15 zugeführt werden.
• Ein Ventilgehäuse 16 des Einspritzventils 11 bzw. Injektors, sowie selbstverständlich auch der übrigen Einspritzventile 12 bis 14, besitzt an einem Endbereich eine zentrale Längsbohrung zur Aufnahme und Führung einer Ventilnadel 17, durch deren endseitiges Ventilglied diese Längsbohrung verschlossen oder geöffnet werden kann. Im Inneren des Ventilgehäuses 16 liegt an der Ventilnadel 17 eine aus einem Zwischenstück 18, dem piezoelektrischen Aktor 19 und einem Kolben 15, 20 bestehende Reihenanordnung an. Der Kolben wird mittels einer an der ventilgliedfernen inneren Stirnseite anliegenden Vorspannfeder 21 gegen den Aktor 19 gedrückt. Der piezoelektrische Aktor 19 wird durch die beiderseitigen Vorspannfedern 21, 22 mit einer mechanischen Grundspannung beaufschlagt. Dabei hat der Kolben 15, 20 auf der linken Seite des Aktors 19 nicht nur die Funktion, die Kraft der Vorspannfeder 21 auf den Aktor 19 auszuüben, sondern er dient zusätzlich als Ausgleichselement für thermische Längenänderungen. Dehnt sich der Aktor 19 aufgrund einer aufgebrachten elektrischen Ladung aus, so stützt er sich am Kolben 15, 20 ab und drückt über das Zwischenstück 18 die Ventilnadel 17 in die Offenstellung.
• Wie bereits eingangs ausgeführt, treten in einem derartigen Einspritzventil 11 bis 14 Hubverluste auf, die als Differenz zwischen Aktorhub und Nadelhub definiert werden. Diese Hubverluste sind in den elastischen Eigenschaften der beteiligten Elemente und in konstruktiven Gegebenheiten begründet. Dies bedeutet, dass sich die Ventilnadel 17 erst einige Zeit verzögert nach dem Einsetzen der Bewegung des Aktors 19 in Bewegung setzt. Dies ist in 2 dargestellt. Die durchgezogene Linie gibt die Verhältnisse bei einem ersten Injektor mit großem Hubverlust H_inj1 wieder, während die strichpunktierte Linie die Verhältnisse bei einem Injektor mit wesentlich geringerem Huberlust H_inj2 zeigt. Die Ladungen für beide Injektoren sind gemäß dem Stand der Technik so optimiert, dass nach einer Ladezeit t_on der Vollhub H_v erreicht wird. Die Ventilnadel 17 des Injektors mit geringerem Hubverlust H_inj2 setzt sich bereits zum Zeitpunkt t2 in Bewegung, während dies beim Injektor mit größerem Hubverlust H_inj1 erst zum Zeitpunkt t3 der Fall ist. Zum Zeitpunkt t4 erreichen beide den Vollhub. Die Einspritzzeit t_i dauert bei beiden bis zum Zeitpunkt t5, ab dem sich die Ventilnadel 17 wieder schließt. Der Schließvorgang der Ventilnadel ist beim Injektor mit größerem Huberlust H_inj1 bereits zum Zeitpunkt t6 abgeschlossen, während dies beim anderen Injektor mit geringerem Hubverlust H_inj2 erst zum Zeitpunkt t7 der Fall ist. Zum Zeitpunkt t8 haben auch die piezoelektrischen Aktoren wieder ihren Grundzustand erreicht.
• Die Flächendifferenzen bei der Bewegung der Ventilnadeln sind schraffiert dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass trotz gleicher Zeiten t_on, t_i und t_off sowie gleichen Vollhub unter schiedliche Einspritzmengen für die Einspritzventile zugeführt werden. Dies soll durch das erfindungsgemäße Verfahren kompensiert werden.
• Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird im Steuergerät 10 eine Codierungsfunktion implementiert, die aus ventilspezifischen Codierdaten die Ansteuerparameter Ladezeit t_on, Einspritzzeit t_i und Entladezeit t_off zylinderindividuell bzw. injektorindividuell so korrigiert, dass die Abweichungen der Injektoren von einer Masterkennlinie oder Normkennlinie im Teilhub und im Vollhub hinsichtlich der eingespritzten Kraftstoffmenge reduziert werden. Gegebenenfalls können noch weitere damit zusammenhängende Ansteuerparameter korrigiert werden.
• Aus den injektorindividuell codierten Daten, nämlich der Ladung Q₀, bei der die Ventilnadel 17 gerade öffnet und der Ladung Q_ref für den Referenznadelhub werden Korrekturen für den Verlauf der Ladezeit t_on, der Einspritzzeit t_i und der Entladezeit t_off zusätzlich zur Korrektur der Aktorladung bestimmt, um eine möglichst exakte Mengengleichstellung der Injektoren durch Annäherung an die Masterkennlinie zu erreichen. Bei diesem Verfahren wird die vereinfachende Annahme getroffen, dass das Verhältnis zwischen der Fläche unter dem zeitlichen Nadelhubverlauf und der eingespritzten Kraftstoffmenge für alle Injektoren gleich und von der Einspritzzeit t_i, Ladezeit t_on, Entladezeit t_off und dem Nadelhub des Masters N_ref unabhängig ist. Weiterhin werden folgende Effekte vernachlässigt: Das mechanische Schwingen der Ventilnadel bzw. der Injektormechanik, die zeitabhängigen Nadelhubverluste durch Kopplungsglieder und die nichtlineare Abhängigkeit des Kraftstoffmassenstroms vom Nadelhub. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass alle Injektoren nach der Ladungskorrektur im Vollhub den Nadelhub N_ref des Masters erreichen, sowie das die Ladungen Q₀ und Q_ref hinreichend exakt bestimmt werden.
• Im Steuergerät wird zum Beispiel während der Initialisierungsphase der injektorindividuelle Hubverlust H_inj gemäß folgender Beziehung berechnet.
• 
• Der Referenznadelhub N_ref wird dabei bei der Referenzladung Q_ref erreicht. Unter den oben genannten Annahmen ist es möglich, die Fläche unter der zeitlichen Hubkurve der Injektorren zylinderindividuell durch eine Korrektur des Verlaufs der Ladezeit t_on, der Einspritzzeit t_i und der Entladezeit t_off im Vollhub und im Teilhub gleichzustellen. Die so entstehende Verschiebung der Einspritzlage muss ebenfalls noch zylinderindividuell korrigiert werden.
• Die Korrektur für die Ladezeit t_on, die Einspritzzeit t_i und die Einspritzlage ergibt sich aus den Hubverlusten des jeweiligen Einspritzventils bzw. Injektors und des Masters nach folgender Formel:

  
• Durch diese Formel wird ein Offset-Korrekturwert O_ton,ti für diese Korrektur berechnet. Die Korrektur bzw. der Offset-Korrekturwert für die Entladezeit t_off ergibt sich aus den Hubverlusten des jeweiligen Einspritzventils und des Masters nach folgender Formel:

  
• Mit dem berechneten Offset-Korrekturwerten ergibt sich die korrigierte Ladezeit zu: ton (Korr) = ton + Oton,ti weiterhin die korrigierte Einspritzzeit zu ti (Korr) = ti + Oton,ti und schließlich die korrigierte Entladezeit zu toff (Korr) = toff + Otoff
• Mit den berechneten Korrekturen verschiebt sich die Einspritzlage und passt sich die Hubkurve an die Masterkurve bzw. die Normhubkennlinie an. Das Steuergerät korrigiert somit zylinderindividuell bzw. injektorindividuell die jeweilige Hubkennlinie, so dass Toleranzen der Injektoren automatisch ausgeglichen werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Kompensation von Injektorstreuungen bei Einspritzventilen mit piezoelektrischem Aktor zur Kraftstoffeinspritzung in Brennkraftmaschinen, wobei in einem elektronischen Steuergerät (10) injektorindividuelle Korrekturen der Aktorladungen für die einzelnen Aktoren so durchgeführt werden, dass der Nadelhub der Injektornadel bei Vollhub jeweils einem vorgegebenen Normhub (Masterhub) entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich im Steuergerät (10) eine Codierungsfunktion implementiert wird, durch die injektorindividuelle Korrekturen für die Ladezeit ton, die Einspritzzeit t_i und die Entladezeit t_off des Aktors (19) zur Angleichung an eine vorgegebene Normkennlinie durchgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierungsfunktion aus injektorindividuellen Codierdaten erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die individuellen Codierdaten die Ladung Q₀ ist, bei der die Injektornadel (17) gerade öffnet sowie die Ladung Q_ref für den Referenznadelhub (Masterhub).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuergerät (10) der injektorindividuelle Hubverlust

   

   berechnet wird, wobei N_ref der Referenznadelhub bei der Referenzladung Q_ref ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des injektorindividuellen Hubverlustes H_inj während einer Initialisierungsphase erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuergerät (10) ein Offset-Korrekturwert O_ton,ti für die Ladezeit t_on im Vollhub und die Einspritzzeit ti gemäß folgender Formel berechnet wird:

   

   wobei H_M der Referenzhubverlust des Masters und N_M der Referenznadelhub bei Vollhub ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuergerät (10) ein Offset-Korrekturwert O_toff für die Entladezeit im Vollhub gemäß folgender Formel berechnet wird:

   
8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die korrigierte Ladezeit t_on (Korr), die korrigierte Einspritzzeit t_i (Korr) und die korrigierte Entladezeit t_off (Korr) aus den entsprechenden unkorrigierten Werten addiert mit den entsprechenden Offset-Korrekturwerten (O_ton,ti) bzw. (O_toff) ergibt.