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EP1172541B1 - Piezoelektrischer Aktor eines Einspritzventils sowie Kraftstoffeinspritzsystem - Google Patents

Piezoelektrischer Aktor eines Einspritzventils sowie Kraftstoffeinspritzsystem Download PDF

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Publication number
EP1172541B1
EP1172541B1 EP20000113994 EP00113994A EP1172541B1 EP 1172541 B1 EP1172541 B1 EP 1172541B1 EP 20000113994 EP20000113994 EP 20000113994 EP 00113994 A EP00113994 A EP 00113994A EP 1172541 B1 EP1172541 B1 EP 1172541B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
actuator
terminal voltage
voltage
injection
injection system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP20000113994
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1172541A1 (de
Inventor
Jürgen BOSS
Klaus Zimmermann
Johannes-Jörg Rüger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to EP20000113994 priority Critical patent/EP1172541B1/de
Priority to DE50009868T priority patent/DE50009868D1/de
Publication of EP1172541A1 publication Critical patent/EP1172541A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1172541B1 publication Critical patent/EP1172541B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2055—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit with means for determining actual opening or closing time

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a Injector for fuel in which a piezoelectric actuator via a hydraulic coupler a Closing member drives. It continues to refer to one Fuel injection system with a number of such Injectors.
  • a fuel injection system As an essential ingredient can in one Internal combustion engine for introducing the fuel into the combustion chambers of the cylinder a fuel injection system be used.
  • a fuel injection system usually includes a number of injectors, the individually or in the manner of a so-called common-rail system (CR systems) via a central Supply system are fueled with fuel.
  • CR systems common-rail system
  • each injector is usually in a respective associated injection valve integrated over the fuel injection in a predetermined manner is adjustable.
  • the injection valves can be used for an electrical Control be provided with a piezoelectric actuator.
  • Such injection valve for the Fuel injection into the combustion chamber of a Combustion engine with a high pressure system or CR system is known from DE 197 328 02.
  • This injector is designed in a double-switching manner and has a Closure member, which is in one of two alternative Valve seats are each located in a closed position and thereby causing the injector to close. In a Middle position between the two valve seats takes that Closing member, however, an opening position.
  • the Closing member via a piezoelectric actuator drivable.
  • the piezoelectric Actuator charged to a drive voltage from the pressure in Common rail system is dependent. Due to the Drive voltage expands the actuator in the longitudinal direction. This length expansion is via a hydraulic coupler transferred to the closure member, so that on the one hand the amplified by the actuator hub is amplified and on the other hand the Closing member of a possible static Temperature expansion of the actuator is decoupled.
  • a charge of the piezoelectric actuator thus causes via the hydraulic coupler a transfer of Verschgresgliedes first from the first closed position in the Opening position and then from the opening position in the second closed position.
  • a discharge of the piezoelectric actuator due to the associated Contraction in the longitudinal direction via the hydraulic coupler a transfer of Verschnovgliedes first of the second closed position in the open position and then from the open position to the first closed position.
  • EP 0 816 670 A1 discloses a fuel injector for common rail systems described in which a hydraulic coupler is provided, which acts on a closure member and is driven by a piezoelectric element.
  • From DE 198 04 196 A1 is a method for the evaluation of Characteristics of piezo-mechanical systems known in which a Voltage across a piezoelectric element too Diagnostic purposes is used. This can in particular a wear or a jamming of a control pin or a Injector needle or a pressure drop can be detected.
  • EP 0 379 182 A further discloses a driving device for a piezoelectric element, at the beginning of a Control a higher voltage than the usual Control voltage is applied to a large operating force to achieve the piezoelectric element.
  • DE 197 33 560 A1 is a method and a Device for charging and discharging a piezoelectric Elements known to have a voltage above the piezoelectric element is measured and this voltage too Diagnostic purposes is used.
  • the invention is therefore based on the object, a method for operating an injector for fuel, wherein a piezoelectric actuator via a hydraulic coupler an interlocking member, with which also in the Bouncing the closure member a particularly reliable Fuel injection is guaranteed.
  • a for the implementation of the method particularly suitable Fuel injection system can be specified.
  • this object is achieved according to the invention solved by the timing of the terminal voltage on monitors the occurrence of a minimum in the course of the curve and / or by the time derivative of the terminal voltage is formed and monitored for a zero crossing.
  • the invention is based on the consideration that for a particularly reliable fuel injection a possible Bouncing of the closure member in the formation of control values be considered for the actual injection process should. Namely, such bouncing is delayed the pressure build-up in the injection system, which only start after closing the valve seat can. This results in otherwise constant Parameter an impairment of the opening time of Injection valve and thus the injection quantity. Both Consequences, however, are by adjusting the for the Injection relevant parameters, in particular valve lift and duration of the actual injection, compensatable. With other words, reaching the closed position of the Closing member should be recorded on the basis this setting subsequently adapted control values for the To be able to form injection with which also at occurred bouncing compliance with the specified Injection amount and the predetermined injection timing is guaranteed.
  • this can as a suitable parameter, on the basis of which detection of reaching the closed position or the seat recognition can be made, the temporal evolution of the Terminal voltage of the respective actuator can be used.
  • the loading phase namely, builds in the hydraulic Coupler a pressure on, which also after completion of the Recharging acts on the piezoelectric actuator and in this case with disconnected power supply one for the Pressure conditions in the coupler and consequently also for the Implementation of the drive voltage in valve lift characteristic piezo voltage generated.
  • the Terminal voltage on the piezoelectric actuator can thus without the requirement of a further sensor as a measurement parameter for the valve behavior are used.
  • a control parameter of the Derived fuel injection system is from the determined time of reaching the closed position Correction value for a control parameter of the Derived fuel injection system. It can in particular a correction value for the drive voltage of the actuator and / or for the tax time and / or for the duration of the Charging be provided.
  • said Problem solved by the actuator of each injector with an associated voltage measuring device is connected, which in turn is the output side to a diagnostic unit is connected, and whereby the temporal course of the Terminal voltage to the occurrence of a minimum in Can be monitored curve and / or the time division of the terminal voltage are formed can and is monitored for a zero crossing.
  • the diagnostic unit is to form a statement for Seat recognition of each injector based on the time Course of the determined for this terminal voltage signal intended.
  • the evaluation of the time course of the Terminal voltage signal based on the time derivative to be able to make is expediently the Voltage measuring each actor one Assigned differentiator.
  • the Diagnostic device in a further expedient embodiment connected to a data storage module.
  • the advantages achieved by the invention are in particular, that the monitoring of Terminal voltage in a simple way and without additional constructive effort a timely and reliable Seat recognition possible for each individual injection valve is.
  • the fuel injection system can thus also at occurring bouncing a Verschnovgliedes especially be operated reliably, with a bounce after especially immediate corrective action, for example with regard to a tracking of the drive voltage for every actor can be made.
  • the injection valve 1 of Figure 1 has a piezoelectric actuator 2, which has a number of comprises piezoelectric elements 4 connected in series.
  • the Actuator 2 is on the one hand with a housing wall 6 through which Terminals 7 of the actuator 2 are passed, and on the other hand with a servo piston 8 frictionally connected.
  • the actuating piston 8 closes with its from the actuator. 2 facing away from face 9 a hydraulic coupler 10 from.
  • the hydraulic coupler 10 in turn acts on a in a connecting channel 12 guided actuator piston 14, on whose end facing away from the coupler 10 end a closing member 16 is arranged.
  • This is as double-closing Control valve formed. It closes in a first Closed position, the rest position of the actuator. 2 corresponds to a first valve seat 18 of a valve chamber 20. In a second closed position, the maximum Actuation of the actuator 2 corresponds closes the Closing member 16, however, a second valve seat 22 of the Valve chamber 20.
  • Valve chamber 20 connected to a guide channel 24, the On the input side via a connecting piece 26 to a not illustrated pressure channel of a common rail fuel supply system of a motor vehicle connected.
  • injection valve 1 but also part of a fuel supply system with be individual feeding of the injectors.
  • a nozzle needle 28 is arranged, the a fuel outlet 30 one of the connector 26th branching fuel passage 32 depending on one of the Terminals 7 to the actuator 2 applied drive voltage Ua releases or closes.
  • the fitting 26 with a Inlet throttle 34 and the guide channel 24 with a Outflow throttle 36 provided.
  • the injection valve 1 is, together with others Injectors 1, part of a fuel injection system 40, as shown schematically in Figure 2. there are the injection valves 1, of which in FIG For clarity, only four are shown, Fuel side to a common supply line 42nd connected.
  • the number of for the Fuel injection system 40 provided injectors. 1 depends on the further requirements of the supplying internal combustion engine, in particular, a Injector 1 for each cylinder to be fed be provided.
  • a central Control unit 44 For electrical control of the injectors 1 includes the fuel supply system 40 a central Control unit 44. This in turn has a control module 46th on, via lines 48 to the terminals 7 of the Injectors 1 is connected switched off.
  • the control unit 44 comprises a diagnostic unit 50 which a number of the injectors 1 respectively assigned and connected to their terminals 7 Voltage measuring 52 is connected.
  • everyone Voltage measuring device 52 is a differentiating element 53 assigned in the embodiment as a digital Differentiator formed and in the diagnostic unit is integrated. Alternatively, however, an analogous Differentiating be provided.
  • the Control unit 44 a data storage module 54.
  • a high pressure which at a Common rail system, for example, between 200 and 1800 bar can amount. This pressure acts against the nozzle needle 28 and keeps it closed so that through the fuel spill 30 no fuel can escape. But if now as a result of applied to the actuator 2 control voltage Ua the Closing member 16 from the first valve seat 18 to the second Valve seat 22 or vice versa is moved, then the builds Pressure in the high pressure region of the guide channel 24 from, so that the nozzle needle 28 in the direction of the valve chamber 20th recedes and releases the fuel outlet 30. In In this case, a fuel injection takes place in the associated cylinder.
  • the following described method for seat recognition is otherwise in no way on the detailed structure of the present Injector 1 limited, but can also used in alternatively designed injection valves come.
  • control module 46 of the terminals 7 of the actuator 2 separately. Instead of Control module 46 is for the duration of a predefinable Measuring window to the terminals 7 of the actuator 2 the associated voltage measuring device 52 connected, whose Measurement data output to the connected diagnostic unit 50 become.
  • the measured data can be directly, for example as analog voltage signal transmitted to the diagnostic unit become.
  • a direct occurs in this phase Monitoring the terminal voltage Uk of the actuator 2 as a function the passing time.
  • the formation of the time derivative of Terminal voltage Uk of the respective actuator 2 is provided. To the voltage signals become the voltage measuring device 52 assigned differentiating member 53 is supplied. These formed differentiated signals are then to the Diagnostic unit 50 transmitted. In both alternatives will from the temporal behavior of the terminal voltage Uk in the Diagnostic unit 50 to the achievement of the respective Closed position of the closing member 16 closed.
  • This time course of the terminal voltage Uk is by way of example for an injection process in FIG. 3 shown.
  • a drive voltage Ua to the Terminals 7 of the actuator 2 applied.
  • the Drive voltage Ua is initially on the output value 0V an intermediate level of, for example, about 75V increased.
  • the drive voltage Ua then to the actual setpoint of, for example, about 200 V brought.
  • this charging process terminated by reaching the target voltage.
  • the actuator 2 is disconnected from the control module 46 and the terminal voltage Uk from the voltage measuring device 52 detected.
  • the injection valve 1 behaves in terms of actually delivered injection quantity and the injection timing in a predictable manner.
  • On the Basis of the detection of the time t2 can thus by suitable adaptation of the control parameters for the Injector 1, a predetermined injection amount and a given injection time even when bouncing the Closing member are met.
  • the determined behavior of the injectors 1 and the Corrective interventions will continue for later Diagnostic purposes stored in the data storage module 54.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils für Kraftstoff, bei dem ein piezoelektrischer Aktor über einen hydraulischen Koppler ein Verschließglied antreibt. Sie bezieht sich weiter auf ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Anzahl von derartigen Einspritzventilen.
Als wesentlicher Bestandteil kann in einer Verbrennungskraftmaschine zur Einbringung des Kraftstoffs in die Brennräume der Zylinder ein Kraftstoffeinspritzsystem zum Einsatz kommen. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzsystem umfaßt üblicherweise eine Anzahl von Einspritzdüsen, die individuell oder auch in der Art eines sogenannten Common-Rail-Systems (CR-Systems) über ein zentrales Versorgungssystem mit Kraftstoff bespeisbar sind. Bei beiden Ausführungsformen ist jede Einspritzdüse üblicherweise in ein jeweils zugeordnetes Einspritzventil integriert, über das die Kraftstoffeinspritzung in einer vorgebbaren Weise einstellbar ist.
Die Einspritzventile können dabei für eine elektrische Ansteuerung mit einem piezoelektrischen Aktor versehen sein. Ein derartiges Einspritzventil für die Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsraum eines Verbrennnungsmotors mit einem Hochdrucksystem oder CR-System ist aus der DE 197 328 02 bekannt. Dieses Einspritzventil ist in doppelschaltender Weise ausgeführt und weist ein Verschließglied auf, das sich in einem von zwei alternativen Ventilsitzen jeweils in einer Schließposition befindet und dabei ein Verschließen der Einspritzdüse bewirkt. In einer Mittelstellung zwischen den beiden Ventilsitzen nimmt das Verschließglied hingegen eine Öffnungsposition ein.
Zur Überführung des Verschließglieds von einer Schließposition in die Öffnungsposition oder von der Öffnungsposition in eine der Schließpositionen ist das Verschließglied über einen piezoelektrischen Aktor antreibbar. Dazu wird beispielsweise der piezoelektrische Aktor auf eine Ansteuerspannung aufgeladen, die vom Druck im Common-Rail-System abhängig ist. Aufgrund der Ansteuerspannung dehnt sich der Aktor in Längsrichtung aus. Diese Längenausdehnung wird über einen hydraulischen Koppler auf das Verschließglied übertragen, so daß einerseits der vom Aktor erzeugbare Hub verstärkt wird und andererseits das Verschließglied von einer möglichen statischen Temperaturdehnung des Aktors entkoppelt ist. Eine Aufladung des piezoelektrischen Aktors bewirkt somit über den hydraulischen Koppler eine Überführung des Verschließgliedes zunächst von der ersten Schließposition in die Öffnungsposition und sodann von der Öffnungsposition in die zweite Schließposition. Hingegen bewirkt ein Entladen des piezoelektrischen Aktors infolge der damit verbundenen Kontraktion in Längsrichtung über den hydraulischen Koppler eine Überführung des Verschließgliedes zunächst von der zweiten Schließposition in die Öffnungsposition und sodann von der Öffnungsposition in die erste Schließposition.
Durch den Bewegungsablauf des Verschließgliedes von einer zur anderen Schließposition wird eine kurzzeitige Entlastung eines unter Hochdruck stehenden Ventilsteuerraumes bewirkt, über dessen Druckniveau die Steuerung einer Ventilnadel in eine Öffnungs- oder Schließstellung erfolgt. Befindet sich das Verschließglied somit in der Öffnungsposition zwischen den beiden Schließpositionen, so erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung in einen dem Einspritzventil nachgeschalteten Verbrennungsraum.
Für eine ordnungsgemäße Funktionsweise des Verbrennungsmotors ist für jeden Zylinder die Einspritzung der richtigen oder geforderten Menge an Kraftstoff einerseits zum richtigen Zeitpunkt, bezogen auf den Einspritzzyklus insgesamt, andererseits erforderlich. Beim aus der DE 197 328 02 bekannten Einspritzventil kann jedoch ein sogenanntes Prellen des Verschließgliedes auftreten, bei dem das Verschließglied nach einer Überführung von der Öffnungsposition in eine der Schließpositionen nicht unmittelbar im entsprechenden Ventilsitz zur Ruhe kommt, sondern zunächst in der Art eines Zurückfederns erneut einen Öffnungsspalt freigibt, bevor es schließlich endgültig im Ventilsitz verbleibt. Dabei kann hinsichtlich der Einspritzmenge des Kraftstoffs oder auch hinsichtlich des Einspritzzeitpunkts bezogen auf den Einspritzzyklus insgesamt eine Abweichung von den vorgegebenen Sollwerten auftreten, so dass nicht in allen Betriebszuständen eine ordnungsgemäße Kraftstoffeinspritzung erfolgt.
Aus der WO 99/67527 ist ein Verfahren und eine Anordnung zum Steuern eines kapazitiven Aktors bekannt, bei dem eine an dem Aktor anliegende Spannung gemessen wird, und bei dem ein Rückschluss auf einen Betriebszustand des Aktors gezogen wird aus einer auf den Aktor gebrachten Energie und aus einem Vergleich der Aktorspannung mit Referenzwerten. Ferner wird ein Stellweg des Aktors aus der Aktorspannung abgeleitet.
In der EP 0 816 670 A1 ist ein Kraftstoffinjektor für Common-Rail-Systeme beschrieben, bei dem ein hydraulischer Koppler vorgesehen ist, welcher auf ein Verschließglied wirkt und mittels eines piezoelektrischen Elements angetrieben wird.
Aus der DE 198 04 196 A1 ist ein Verfahren zur Auswertung von Kennwerten piezomechanischer Systeme bekannt, bei dem eine Spannung über einem piezoelektrischen Element zu Diagnosezwecken verwendet wird. Hierdurch kann insbesondere ein Verschleiß oder ein Klemmen einer Steuernadel oder einer Einspritzdüsennadel oder ein Druckabfall erkannt werden.
Die EP 0 379 182 A offenbart ferner eine Ansteuervorrichtung für ein piezoelektrisches Element, bei der zu Beginn einer Ansteuerung eine höhere Spannung als die übliche Steuerspannung angelegt wird, um eine große Betätigungskraft des Piezoelements zu erzielen.
Auch aus der DE 197 33 560 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements bekannt, bei dem eine Spannung über dem piezoelektrischen Element gemessen wird und diese Spannung zu Diagnosezwecken verwendet wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils für Kraftstoff, bei dem ein piezoelektrischer Aktor über einen hydraulischen Koppler ein Verschließglied antreibt, anzugeben, mit dem auch beim Prellen des Verschließglieds eine besonders zuverlässige Kraftstoffeinspritzung gewährleistet ist. Zudem soll ein für die Durchführung des Verfahrens besonders geeignetes Kraftstoffeinspritzsystem angegeben werden.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem der zeitliche Verlauf der Klemmenspannung auf das Auftreten eines Minimums im Kurvenverlauf hin überwacht und/oder indem die zeitliche Ableitung der Klemmenspannung gebildet und auf einen Nulldurchgang hin überwacht wird.
Zur Überwachung der Klemmenspannung wird nach Beendigung des Ladevorgangs des piezoelektrischen Aktors dessen Spannungsversorgung abgekoppelt und stattdessen eine Spannungsmesseinrichtung mit seinen Anschlussklemmen verbunden.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass für eine besonders zuverlässige Kraftstoffeinspritzung ein mögliches Prellen des Verschließgliedes bei der Bildung von Stellwerten für den eigentlichen Einspritzvorgang berücksichtigt werden sollte. Bei einem derartigen Prellen verzögert sich nämlich der Druckaufbau im Einspritzsystem, der erst nach dem Verschließen des Ventilsitzes beginnen kann. Daraus resultiert bei ansonsten konstant gehaltenen Parametern eine Beeinträchtigung der Öffnungszeit des Einspritzventils und somit der Einspritzmenge. Beide Konsequenzen sind jedoch durch Anpassung der für die Einspritzung relevanten Parameter, insbesondere Ventilhub und Dauer der eigentlichen Einspritzung, kompensierbar. Mit anderen Worten: das Erreichen der Schließposition des Verschließgliedes sollte erfaßt werden, um auf der Grundlage dieser Feststellung nachfolgend angepaßte Stellwerte für die Einspritzung bilden zu können, mit denen auch bei aufgetretenem Prellen die Einhaltung der vorgegebenen Einspritzmenge und des vorgegebenen Einspritzzeitpunkts gewährleistet ist.
Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, kann dazu als geeigneter Parameter, auf dessen Grundlage die Erkennung des Erreichens der Schließposition oder die Sitzerkennung vorgenommen werden kann, die zeitliche Entwicklung der Klemmenspannung des jeweiligen Aktors herangezogen werden.
Während der Ladephase baut sich nämlich im hydraulischen Koppler ein Druck auf, der auch nach Beendigung des Ladevorgangs auf den piezoelektrischen Aktor zurückwirkt und in diesem bei abgetrennter Spannungsversorgung eine für die Druckverhältnisse im Koppler und demzufolge auch für die Umsetzung der Ansteuerspannung in Ventilhub charakteristische Piezo-Spannung erzeugt. Die Klemmenspannung am piezoelektrischen Aktor kann somit ohne das Erfordernis eines weiteren Sensors als Meßparameter für das Ventilverhalten herangezogen werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Sitzerkennung des Verschließglieds wird der zeitliche Verlauf der Klemmenspannung vorteilhafterweise auf das Auftreten eines Minimums im Kurvenverlauf hin überwacht. Der Kopplerdruck nimmt nämlich nach erfolgter Aufladung des Aktors im zeitlichen Verlauf zunächst ab, da der Aktor nach Beendigung des Ladevorgangs annähernd seinen vollständigen Hub erreicht hat, wohingegen das Verschließglied sich zu diesem Zeitpunkt noch auf die Schließposition zu bewegt und der Koppler somit entspannt wird. Sobald das Verschließglied die Schließposition erreicht hat und sich aufgrund des Prellens in Richtung auf die Öffnungsposition zurückbewegt, erfolgt jedoch eine Kompression des im Koppler befindlichen Mediums, die sich in einem Anstieg der Klemmenspannung bemerkbar macht. Das im Spannungsverlauf auftretende Minimum identifiziert somit den Zeitpunkt, in dem das Verschließglied seine Schließposition oder seinen Ventilsitz erreicht hat.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird aus dem ermittelten Zeitpunkt des Erreichens der Schließposition ein Korrekturwert für einen Steuerparameter des Kraftstoffeinspritzsystems abgeleitet. Dabei kann insbesondere ein Korrekturwert für die Ansteuerspannung des Aktors und/oder für den Ansteuerzeitpunkt und/oder für die Dauer des Ladevorgangs bereitgestellt werden. Somit kann die durch die Sitzerkennung gewonnene Information in der Art eines Ist-Werts in besonders günstiger Weise unmittelbar bei der Steuerung der nachfolgenden Einspritzzyklen berücksichtigt werden.
Bezüglich des Kraftstoffeinspritzsystems wird die genannte Aufgabe gelöst, indem der Aktor jedes Einspritzventils mit einer zugeordneten Spannungsmesseinrichtung verbunden ist, die ihrerseits ausgangsseitig an eine Diagnoseeinheit angeschlossen ist, und wobei der zeitliche Verlauf der Klemmenspannung auf das Auftreten eines Minimums im Kurvenverlauf hin überwachbar ist und/oder wobei die zeitliche Abteilung der Klemmenspannung gebildet werden kann und auf einen Nulldurchgang hin überwachbar ist.
Die Diagnoseeinheit ist dabei zur Bildung einer Aussage zur Sitzerkennung jedes Einspritzventil anhand des zeitlichen Verlaufs des für dieses ermittelten Klemmenspannungssignals vorgesehen.
Um dabei die Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Klemmenspannungssignals anhand der zeitlichen Ableitung vornehmen zu können, ist zweckmäßigerweise der Spannungsmeßeinrichtung jedes Aktors jeweils ein Differenzierglied zugeordnet.
Um die bei der zeitnahen Diagnose ermittelten Aussagen auch für spätere Anwendungen, beispielsweise Inspektionen oder Überholungsmaßnahmen, vorzuhalten, ist die Diagnoseeinrichtung in weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung mit einem Datenspeichermodul verbunden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Überwachung der Klemmenspannung auf einfache Weise und ohne zusätzlichen konstruktiven Aufwand eine zeitnahe und zuverlässige Sitzerkennung für jedes einzelne Einspritzventil ermöglicht ist. Das Kraftstoffeinspritzsystem kann somit auch bei auftretendem Prellen eines Verschließgliedes besonders zuverlässig betrieben werden, wobei nach einem Prellen insbesondere sofort Korrekturmaßnahmen, beispielsweise hinsichtlich einer Nachführung der Ansteuerspannung für jeden Aktor, vorgenommen werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Figur 1
ein Einspritzventil eines Kraftstoffeinspritzsystems,
Figur 2
schematisch ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Anzahl von Einspritzventilen nach Figur 1, und
Figur 3
ein Zeitdiagramm für eine Klemmenspannung.
Das Einspritzventil 1 nach Figur 1 weist einen piezoelektrischen Aktor 2 auf, der eine Anzahl von hintereinandergeschalteten Piezoelementen 4 umfaßt. Der Aktor 2 ist einerseits mit einer Gehäusewand 6, durch die Anschlußklemmen 7 des Aktors 2 hindurchgeführt sind, und andererseits mit einem Stellkolben 8 kraftschlüssig verbunden. Der Stellkolben 8 schließt mit seiner vom Aktor 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 Verschließglied 16 angeordnet ist. Dieses ist als doppelt schließendes Steuerventil ausgebildet. Es verschließt in einer ersten Schließposition, die einer Ruheposition des Aktors 2 entspricht, einen ersten Ventilsitz 18 eines Ventilraumes 20. In einer zweiten Schließposition, die einer maximalen Ansteuerung des Aktors 2 entspricht, verschließt das Verschließglied 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 Bespeisung 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 den Aktor 2 angelegten Ansteuerspannung Ua 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.
Das Einspritzventil 1 ist, gemeinsam mit weiteren Einspritzventilen 1, Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems 40, wie es schematisch in Figur 2 dargestellt ist. Dabei sind die Einspritzventile 1, von denen in Figur 2 der Übersichtlichkeit halber nur vier dargestellt sind, kraftstoffseitig an eine gemeinsame Versorgungsleitung 42 angeschlossen. Die Anzahl der für das Kraftstoffeinspritzsystem 40 vorgesehenen Einspritzventile 1 ist dabei abhängig von den weiteren Erfordernissen der zu versorgenden Brennkraftmaschine, insbesondere kann ein Einspritzventil 1 für jeden zu bespeisenden Zylinder vorgesehen sein.
Zur elektrischen Ansteuerung der Einspritzventile 1 umfaßt das Kraftstoffversorgungssystem 40 eine zentrale Steuereinheit 44. Diese wiederum weist ein Ansteuermodul 46 auf, das über Leitungen 48 mit den Anschlußklemmen 7 der Einspritzventile 1 abschaltbar verbunden ist. Weiterhin umfaßt die Steuereinheit 44 eine Diagnoseeinheit 50, die an eine Anzahl von den Einspritzventilen 1 jeweils zugeordneten und mit deren Anschlußklemmen 7 verbundenen Spannungsmeßeinrichtungen 52 angeschlossen ist. Jeder Spannungsmeßeinrichtung 52 ist ein Differenzierglied 53 zugeordnet, das im Ausführungsbeispiel als digitales Differenzierglied ausgebildet und in die Diagnoseeinheit integriert ist. Alternativ kann aber auch ein analoges Differenzierglied vorgesehen sein. Zudem weist die Steuereinheit 44 ein Datenspeichermodul 54 auf.
Beim Betrieb des Kraftstoffversorgungssystems 40 legt die Steuereinheit 44 in einem Einspritzzyklus über das Ansteuermodul 46 eine Ansteuerspannung Ua an die Anschlußklemmen 7 jedes Einspritzventils 1 an. In Abhängigkeit von dieser Ansteuerspannung Ua dehnt sich der Aktor 2 des angesteuerten 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 Verschließglied 16 in Richtung auf den zweiten Ventilsitz 22 zu.
Über die Versorgungsleitung 42 herrscht im Anschlußstück 26 jedes Einspritzventils 26 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 den Aktor 2 angelegten Steuerspannung Ua das Verschließglied 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 den zugeordneten Zylinder.
Bei der Kraftstoffeinspritzung kann ein Prellen des Verschließgliedes 16 auftreten. Dabei kommt das Verschließglied 16 nach einer Überführung von der Öffnungsposition in eine der Schließpositionen nicht unmittelbar im entsprechenden Ventilsitz 18 bzw. 22 zur Ruhe, sondern gibt zunächst in der Art eines Zurückfederns erneut einen Öffnungsspalt des Ventilraums 20 frei, bevor es schließlich endgültig im Ventilsitz 18 bzw. 22 verbleibt. Dabei kann hinsichtlich der Einspritzmenge des Kraftstoffs oder auch hinsichtlich des Einspritzzeitpunkts bezogen auf den Einspritzzyklus insgesamt eine Abweichung von den vorgegebenen Sollwerten auftreten.
Um den damit verbundenen nachteiligen Konsequenzen beispielsweise durch eine situationsabhängige Nachführung von Sollwerten zu begegnen, ist das Kraftstoffeinspritzsystem 40 für eine zeitnahe Sitzerkennung für jedes Einspritzventil 1 ausgelegt. Dabei wird während des Betriebs ermittelt, zu welchem Zeitpunkt das Verschließglied 16 des jeweiligen Einspritzventils 1 seine Schließposition tatsächlich erreicht hat. Das folgend beschriebene Verfahren zur Sitzerkennung ist im übrigen in keiner Weise auf dem detaillierten Aufbau des vorliegenden Einspritzventils 1 beschränkt, sondern kann vielmehr auch bei alternativ ausgebildeten Einspritzventilen zum Einsatz kommen.
Zur Sitzerkennung wird nach erfolgtem Ladevorgang des Aktors 2 des jeweiligen Einspritzventils 1 das Ansteuermodul 46 von den Anschlußklemmen 7 des Aktors 2 getrennt. Statt des Ansteuermoduls 46 wird für die Zeitdauer eines vorgebbaren Meßfensters an die Anschlußklemmen 7 des Aktors 2 die zugehörige Spannungsmeßeinrichtung 52 angeschlossen, deren Meßdaten an die angeschlossene Diagnoseeinheit 50 ausgegeben werden. Die Meßdaten können dabei direkt, beispielsweise als analoges Spannungssignal, an die Diagnoseeinheit übermittelt werden. Somit erfolgt in dieser Phase eine direkte Überwachung der Klemmenspannung Uk des Aktors 2 als Funktion der verstreichenden Zeit. Im Ausführungsbeispiel ist jedoch zunächst die Bildung der zeitlichen Ableitung der Klemmenspannung Uk des jeweiligen Aktors 2 vorgesehen. Dazu werden die Spannungssignale dem der Spannungsmeßeinrichtung 52 zugeordneten Differenzierglied 53 zugeführt. Die dort gebildeten differenzierten Signale werden sodann an die Diagnoseeinheit 50 übermittelt. In beiden Alternativen wird aus dem zeitlichen Verhalten der Klemmenspannung Uk in der Diagnoseeinheit 50 auf das Erreichen der jeweiligen Schließposition des Verschließglieds 16 geschlossen.
Zur Sitzerkennung des Verschließglieds 16 wird der zeitliche Verlauf der Klemmenspannung Uk auf das Auftreten eines Minimums im Kurvenverlauf hin überwacht. Bei der Auswertung der zeitlichen Ableitung der Klemmenspannung Uk mittels des jeweiligen Differenzierglieds 53 wird dementsprechend das Auftreten eines Nulldurchgangs überprüft. Wie sich nämlich herausgestellt hat, baut sich nach Beendigung der Ladephase für den piezoelektrischen Aktor 2 der Druck im hydraulischen Koppler 10 zunächst ab, da der Aktor 2 nach Beendigung des Ladevorgangs annähernd seinen vollständigen Hub erreicht hat, wohingegen das Verschließglied 16 sich zu diesem Zeitpunkt noch auf die Schließposition zubewegt und der Koppler 10 somit entspannt wird. Dieser Druckabfall ist über die Überwachung der Klemmenspannung Uk am Aktor 2 in der Form einer als Funktion der Zeit eintretenden Reduzierung der Klemmenspannung Uk nachweisbar.
Sobald das Verschließglied 16 die Schließposition erreicht hat und sich aufgrund des Prellens in Richtung auf die Öffnungsposition zurückbewegt, erfolgt jedoch eine Kompression des im Koppler 10 befindlichen Mediums, die sich analog in einem Anstieg der Klemmenspannung Uk bemerkbar macht. Das im Spannungsverlauf auftretende Minimum identifiziert somit den Zeitpunkt, in dem das Verschließglied 16 seine Schließposition im jeweiligen Ventilsitz 18 bzw. 22 erreicht hat.
Dieser zeitliche Verlauf der Klemmenspannung Uk ist beispielhaft für einen Einspritzvorgang in Figur 3 dargestellt. Zunächst wird eine Ansteuerspannung Ua an die Anschlußklemmen 7 des Aktors 2 angelegt. Die Ansteuerspannung Ua wird zunächst vom Ausgangswert 0V auf ein Zwischenniveau von beispielsweise etwa 75 V erhöht. In einem zweiten Erhöhungsschritt wird die Ansteuerspannung Ua sodann auf den eigentlichen Sollwert von beispielsweise etwa 200 V gebracht. Zum Zeitpunkt t1 ist dieser Aufladevorgang durch Erreichen der Sollspannung beendet. Von diesem Zeitpunkt an wird der Aktor 2 vom Ansteuermodul 46 getrennt und die Klemmenspannung Uk von der Spannungsmeßeinrichtung 52 erfaßt.
Nach Beendigung der Ladephase für den piezoelektrischen Aktor 2 nimmt die Klemmenspannung Uk aufgrund der genannten Entwicklung der Druckverhältnisse zunächst ab, bis sie zum Zeitpunkt t2 ein Minimum M durchläuft und sodann wieder ansteigt. Dieses Minimum M korrespondiert zum Erreichen der Schließposition, in der das Verschließglied 16 den jeweiligen Ventilsitz 18 bzw. 22 erreicht hat. Der Zeitpunkt t2 wird somit von der Diagnoseeinheit 50 als Zeitpunkt des Erreichens der Schließposition des Verschließglieds 16 erkannt.
Von diesem Zeitpunkt an verhält sich das Einspritzventil 1 hinsichtlich der tatsächlich gelieferten Einspritzmenge und des Einspritzzeitpunktes in vorhersagbarer Weise. Auf der Grundlage der Erkennung des Zeitpunktes t2 können somit durch geeignete Anpassung der Ansteuerparameter für das Einspritzventil 1 eine vorgegebene Einspritzmenge und eine vorgegebene Einspritzzeit auch bei Prellen des Verschließgliedes eingehalten werden.
Das ermittelte Verhalten der Einspritzventile 1 sowie der vorgenommenen Korrektureingriffe wird weiterhin für spätere Diagnosezwecke in dem Datenspeichermodul 54 hinterlegt.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems (40) mit einer Anzahl von Einspritzventilen (1), bei denen jeweils ein piezoelektrischer Aktor (2) über einen hydraulischen Koppler (10) ein Verschließglied (16) treibt, wobei nach einem Aufladevorgang eines Aktors (2) dessen Klemmenspannung (Uk) überwacht und zur Erkennung des Erreichens einer Schließposition des Verschließgliedes (16) herangezogen wird, und wobei der zeitliche Verlauf der Klemmenspannung (Uk) auf das Auftreten eines Minimums im Kurvenverlauf hin überwacht wird, und/oder wobei die zeitliche Ableitung der Klemmenspannung (Uk) gebildet und auf einen Nulldurchgang hin überwacht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem aus dem ermittelten Zeitpunkt des Erreichens der Schließposition des Verschließgliedes (16) ein Korrekturwert für einen Steuerparameter des Kraftstoffeinspritzsystems (40) abgeleitet wird.
  3. Kraftstoffeinspritzsystem (40) mit einer Anzahl von Einspritzventilen (1), bei denen jeweils ein piezoelektrischer Aktor (2) über einen hydraulischen Koppler (10) ein Verschließglied (16) treibt, wobei der Aktor (2) jedes Einspritzventils (1) mit einer zugeordneten Spannungsmesseinrichtung (52) verbunden ist, die ihrerseits ausgangsseitig an eine Diagnoseeinheit (50) angeschlossen ist, und wobei der zeitliche Verlauf der Klemmenspannung (Uk) auf das Auftreten eines Minimums im Kurvenverlauf hin überwachbar ist und/oder wobei die zeitliche Ableitung der Klemmenspannung (Uk) gebildet werden kann und auf einen Nulldurchgang hin überwachbar ist.
  4. Kraftstoffeinspritzsystem (40) nach Anspruch 3, bei dem der Spannungsmesseinrichtung (52) jedes Aktors (2) jeweils ein Differenzierglied (53) zugeordnet ist.
  5. Kraftstoffeinspritzsystem (40) nach Anspruch 3 oder 4, dessen Diagnoseeinheit (50) mit einem Datenspeichermodul (54) verbunden ist.
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