WO2009149987A1 - Verfahren zur einspritzmengenabweichungsdetektion und zur korrektur einer einspritzmenge sowie einspritzsystem - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Abweichungen in Einspritzmengen bei Einspritzungen in Verbrennungsmotoren, wie sie beispielsweise durch Common-Rail-Systeme durchgeführt werden. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Korrektur von Einspritzmengen in einem solchen System sowie ein Einspritzsystem, mit welchem zumindest eines der beiden Verfahren ausführbar ist.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Einspritzmengenabweichungsdetektion und zur Korrektur einer Einspritzmenge sowie Einspritzsystem

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detekti- on von Abweichungen in Einspritzmengen bei Einspritzungen in Verbrennungsmotoren, wie sie beispielsweise durch Common- Rail-Systeme durchgeführt werden. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Korrektur von Einspritzmengen in einem solchen System sowie ein Einspritzsystem, mit welchem zumindest eines der beiden Verfahren ausführbar ist.

In einem Injektor, wie er beispielsweise in Common-Rail- Systemen eingesetzt wird, wird eine Einspritzung von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum eines Zylinders eines Verbrennungsmotors durch einen Aktuator gesteuert. Derartige Aktuatoren können beispielsweise als Stapel von Piezokristal- len ausgeführt sein.

Die Steuerung der Einspritzung kann dadurch erfolgen, dass, beispielsweise über ein Steuerventil, Kraftstoff aus einem Hochdruckbereich des Injektors in einen Niedrigdruckbereich des Injektors strömen gelassen wird. Durch die hierbei auftretenden Druckunterschiede kann eine Düse des Injektors geöffnet werden, so dass Kraftstoff in einen Brennraum gespritzt wird. Eine solche Steuerung der Öffnung und des Schließens der Düse kann hierbei dadurch erfolgen, dass der Aktuator nur indirekt, über Druckdifferenzen, ein Öffnen und/oder Schließen des oder der Spritzlöcher bewirkt.

Problematisch ist nun, dass, wenn beispielsweise ein Ventil zwischen Hoch- und Niedrigdruckbereich geöffnet wird, um die zur Öffnung der Düse bzw. eines Spritzloches notwendige Druckveränderung herbeizuführen, sich Druckwellen im Hochdruckbereich und/oder im Niedrigdruckbereich ausbreiten können. Darüber hinaus können zahlreiche andere Effekte die Einstellung und Veränderung der Drücke im Hoch- und Niedrig- druckbereich beeinflussen. Insbesondere können auch im Niedrigdruckbereich unkontrollierte und nicht vorhersagbare Gaseinschlüsse vorhanden sein oder durch Druckschwankungen entstehen, welche die Druckverhältnisse beeinflussen. Derartige Druckänderungen können auf das Ventil, den Aktuator und andere Komponenten zurückwirken, welche bei der Steuerung der Einspritzung mitwirken.

Unkontrollierte Druckverhältnisse im Hochdruckbereich und/oder im Niedrigdruckbereich wirken sich auf die Einspritzmenge aus, da die Wirkung des Aktuators über den Kraftstoff im Hoch- und/oder im Niedrigdruckbereich mittels Druckänderungen auf den Mechanismus übertragen wird, welcher die Spritzlöcher oder Düsen zur Einspritzung öffnet und schließt. Sind also die Druckverhältnisse nicht für jede Einspritzung die gleichen und genau bekannt, so führt eine gegebene Ansteuerung des Aktuators abhängig von den Druckverhältnissen im Hoch- und/oder Niedrigdruckbereich zu unterschiedlichen Einspritzmengen. Insbesondere ist hierbei relevant, dass bei gegebener Ansteuerung des Aktuators unterschiedliche Druckverhältnisse zu unterschiedlich schneller und unterschiedlich langer Öffnung der Spritzlöcher oder Düsen führen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah- ren anzugeben, mit welchem eine Abweichung einer Einspritzmenge detektiert werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es außerdem, ein Verfahren anzugeben, mit welchem, wenn eine Abweichung vorliegt, eine Korrektur der Einspritzmenge bewirkt werden kann. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es außer- dem, ein Einspritzsystem anzugeben, mit welchem die erfindungsgemäßen Verfahren durchführbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Einpritzmengenabweichungsdetektion mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein entsprechendes Verfahren zur Einspritzmengenkorrektur mit den Merkmalen des Anspruchs 13 sowie durch ein Einspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 17. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird zumindest eine Abweichung zumindest ei- ner Einspritzmenge dadurch detektiert, dass zumindest eine Abweichung zumindest eines Wertes zumindest einer Größe von einem vorgegebenen Wert und/oder einem Soll-Wert bestimmt wird, wobei die Größe zumindest einen Aktuator eines Injektors steuert und/oder zumindest einen Zustand zumindest eines Aktuators anzeigt. Trifft nämlich der Aktuator während einer Einspritzung auf unterschiedliche Bedingungen im Hoch- und/oder Niedrigdruckbereich, so wirken ihm unterschiedliche Kräfte entgegen, so dass er unterschiedliche Bewegungen ausführt. Ist beispielsweise der Druck im Niedrigdruckbereich hoch, so wirkt auf den Aktuator durch den Druck eine höhere Kraft, die sich mit der durch den Aktuator ausgeübten Kraft zu einer resultierenden Kraft überlagert. Die Einspritzmenge hängt von der resultierenden Kraft ab. Weicht diese resultierende Kraft wegen von vorgesehenen Verhältnissen abweichenden Druckverhältnissen von ihrem vorgesehenen Wert ab, so weicht auch die Einspritzmenge vom vorgesehenen Wert ab. Es kann nun ausgenutzt werden, dass die durch Drücke im Hoch- und/oder Niedrigdruckbereich auf dem Aktuator ausgeübten Kräfte Ein- fluss auf den Zustand des Aktuators haben und dadurch auf Größen zurückwirken, mit welchen der Aktuator gesteuert wird und/oder welche den Zustand des Aktuators anzeigen.

Als Aktuatoren kommen insbesondere elektromagnetische Aktua- toren und Piezoaktuatoren in Frage. Wesentlich genauer kon- trollierbar und steuerbar und daher bevorzugt sind Piezoaktuatoren. In ihrem Fall sind Einflüsse durch unterschiedliche Druckverhältnisse besonders deutlich erkennbar.

Als Größen, die gemessen werden und für welche die Abweichun- gen bestimmt werden, kommen insbesondere zumindest eine am

Aktuator angelegte Spannung, zumindest ein Strom, welcher in oder durch den Aktuator fließt, in den Aktuator geflossene Ladung, in den Aktuator geflossene Energie sowie eine Kapazi- tät des Aktuators in Frage. Für den Fall, dass der Aktuator ein Piezoaktuator ist, sind die Spannung am Aktuator, der Strom in den Aktuator, die in den Aktuator geflossene Ladung, die in den Aktuator geflossene Energie sowie die Kapazität des Aktuators bevorzugte Größen.

Wirkt auf den Aktuator durch Druckschwankungen im Hochdruckbereich oder im Niedrigdruckbereich eine zusätzliche Kraft, so führt diese zusätzliche Kraft dazu, dass sich zwischen den Eingängen des Aktuators eine zusätzliche Spannung ausbildet, die sich mit einer gegebenenfalls angelegten Spannung überlagert .

Insbesondere, wenn der Aktuator ein Piezoaktuator ist, ändert sich auch die Kapazität des Aktuators gegenüber einem Referenzzustand, wenn auf diesen durch die Druckverhältnisse eine vom Referenzzustand abweichende oder zusätzliche Kraft ausgeübt wird. Dies führt dazu, dass sich die in den Aktuator fließende Ladung und/oder Energie gegenüber dem Referenzzu- stand verändert. Durch Messung dieser Größen kann also auf die durch die Druckverhältnisse im Hochdruckbereich und/oder im Niedrigdruckbereich ausgeübte Kraft und/oder deren Abweichung von einem Soll-Wert geschlossen werden. Ein Vorliegen einer solchen Abweichung kann dann auf eine Abweichung der Einspritzmenge hinweisen.

Eine Vielzahl der durch unkontrollierte Druckverhältnisse bedingten Probleme tritt vor allem bei Mehrfacheinspritzungen auf. Insbesondere durch das schnelle Aufeinanderfolgen mehre- rer Einspritzungen können in den zweiten und folgenden Einspritzungen Effekte auftreten, die die Druckverhältnisse verändern. Gerade bei Mehrfacheinspritzungen kommt es jedoch darauf an, dass die Einzeleinspritzungen der Mehrfacheinspritzungen zueinander im richtigen Verhältnis stehen. Es ist daher bevorzugt, wenn zur Detektion von Abweichungen in den Einspritzmengen die Abweichungen der Werte entsprechender Größen zwischen zwei Einspritzungen bestimmt werden. Hierbei ist vorzugsweise der Wert der Größe bei einer ersten Ein- spritzung der Mehrfacheinspritzung der vorgegebene Wert oder der Referenzwert (Soll-Wert) .

Bevorzugt ist es, bei Mehrfacheinspritzungen die Differenz zwischen der ersten Einspritzung der Mehrfacheinspritzung und einer späteren Einspritzung der gleichen Mehrfacheinspritzung zu bestimmen. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn zur Bestimmung der Abweichung in einer zweiten Einspritzung einer Mehrfacheinspritzung die Differenz zwischen den Werten dieser Einspritzung und jenen der ersten Einspritzung bestimmt werden, und wenn in einer dritten Einspritzung einer Mehrfacheinspritzung die Differenz der Werte dieser Einspritzung zu den Werten der zweiten Einspritzung bestimmt werden. Für e- ventuell folgende Einspritzungen gilt vorzugsweise Entspre- chendes.

Bei Einfacheinspritzungen ist das Verfahren entsprechend durchführbar. Hier können Werte einer Einzeleinspritzung mit entsprechenden Werten einer folgenden Einzeleinspritzung, beispielsweise in folgenden Takten desselben Zylinders, verglichen werden.

Normalerweise lässt sich die Aktivität eines Piezoaktuators während einer Einspritzung in drei Phasen untergliedern. Zu- nächst wird in einer Ladephase Ladung in den Aktuator geladen. An die Ladephase schließt sich eine Haltephase an, in welcher der Aktuator sich im Wesentlichen nicht verändert. Abschließend wird der Aktuator in einer Endladephase entladen .

Die in den Aktuator geladene Ladung hängt über die Beziehung C(t) = Q(t)/U(t) mit der Kapazität C des Aktuators und der an den Aktuator angelegten Spannung U zusammen. Eine Abweichung der Druckverhältnisse im Hochdruckbereich und/oder im Nied- rigdruckbereich des Injektors kann zu einer Veränderung der

Kapazität C des Aktuators führen. Die Kapazität des Aktuators ist dann eine geeignete Größe, um veränderte Druckverhältnisse, also Abweichungen von auf den Aktuator wirkenden Kräften, und damit unterschiedliche Aktivität des Aktuators zu bestimmen, weil zwischen der auf den Aktuator wirkenden Kraft und der Kapazität ein durch den Piezoeffekt bedingter Zusammenhang besteht. Dabei kann die Kapazität unter Ausnutzung des am Beginn des vorliegenden Absatzes angegebenen Zusammenhangs mit der Ladung und der Spannung ermittelt werden, indem die Ladung und die Spannung gemessen wird, wobei die Ladung wiederum typischerweise durch eine Messung des in den Aktuator hinein fließenden Stroms und durch Integration dieses Stroms bestimmt wird.

Die Kapazität des Aktuators ist jedoch nicht unbedingt in jeder Phase oder zu jedem Zeitpunkt bestimmbar oder wird in vielen Einspritzsystemen nicht in jeder Phase bestimmt. So kann z.B. vorgesehen sein, dass eine Bestimmung der Kapazität durch Messung von Ladung und Spannung nur für einen Zeitpunkt am Ende einer Ladephase des Piezoaktors, also am Ende eines Ventilhubs, erfolgt. Aus der ermittelten Kapazität kann man dann nur auf die zu diesem Zeitpunkt herrschenden Druck- oder Kraftverhältnisse schließen. In diesem Fall erlaubt jedoch die Messung der Ladung, die in den Aktuator fließt oder geflossen ist, einen Rückschluss auf die Druck- oder Kraftverhältnisse, die während der Ladephase geherrscht haben, weil - in diesem Fall nicht gemessene - Änderungen der Kapazität während der Ladephase aufgrund einer sogenannten Treiberrückwirkung die tatsächlich in den Aktuator fließende Ladung beeinflussen. Die Ladung wird hierbei wie gesagt vorzugsweise durch Integration, beispielsweise durch Hardware-Integration, des Piezostroms, bestimmt. Demnach ist es möglich, durch eine Einpunktmessung, also durch eine Bestimmung von Ladung und Spannung zu nur einem Zeitpunkt während eines Einspritzvorgangs, sowohl auf Abweichungen von Druckverhältnissen während der Ladephase als auch auf Abweichungen während der auf die Ladephase folgende Haltephase zu schließen. Damit wiederum kann eine Abweichung einer tatsächlichen Einspritzmenge gegenüber einer Referenzeinspritzmenge detektiert werden. Statt der Ladung könnte alternativ auch der Wert der gemessenen Spannung herangezogen werden, um bei gegebenem Kapazität auf die Verhältnisse während der Ladephase zu schließen.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahren be- steht darin, dass sie in Piezo-Common-Rail-Systemen der zweiten Generation (PCR2) zum Einsatz kommen können, wo standardmäßig nur eine Einpunktmessung der Ladung Q und der Spannung U durchgeführt wird. Im genannten Piezo-Common-Rail-System zweiter Generation geschieht diese Messung am Anfang der HaI- tephase. Bereits aus dieser einen Messung lassen sich u.a. in den nachfolgend beschriebenen Fällen bestimmte Einflüsse auf den Aktuator bestimmen.

Zum einen kann eine zusätzliche Gegenkraft auf den Aktuator während der Ladephase auftreten. Eine solche Gegenkraft kann, wie oben beschrieben, beispielsweise durch unterschiedliche Druckverhältnisse im Hochdruck- und/oder Niedrigdruckbereich bedingt sein. Sofern die Zusatzkraft am Ende der Ladephase nicht mehr vorhanden ist, kann in einer unmittelbar nach der Ladephase, am Anfang der Haltephase durchgeführten Messung ein Einfluss auf die Kapazität C nicht bestimmt werden. Dies liegt daran, dass die Kapazität nur so lange von ihrem Soll- Wert abweicht, wie tatsächlich eine zusätzliche Kraft auf den Aktuator wirkt.

Andererseits kann eine Störung während der Ladephase jedoch anhand der Ladung Q bestimmt werden. Die Ladung Q kann beispielsweise im PCR2-Sysetm wie oben beschrieben durch Integration des Stromes, welcher während der Ladephase in den Pie- zoaktuator fließt, bestimmt werden. Ändert sich während der Ladephase die Kapazität des Aktuators durch eine zusätzliche Krafteinwirkung, so ist am Ende der Ladephase die in den Aktuator geladene Ladung aufgrund der schon erwähten Treiberrückwirkung - also einer Rückwirkung der Kapazität der Aktua- tors auf den Treiber, der den Aktuator ansteuert - eine andere, als sie es ohne diese zusätzliche Krafteinwirkung gewesen wäre. In bestehenden PCR2-Systemen kann daher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits eine während der Ladephase auftretende tatsächliche Kraft, Störung oder Abweichung de- tektiert werden.

Ein weiterer Fall, der mit einer Messung der Kapazität am An- fang der Haltephase, beispielsweise in einem PCR2-System, de- tektiert werden kann, ist eine Störung, welche am Anfang der Haltephase, also während der genannten Messung selbst, vorliegt. Da der störende Einfluss gerade während der Kapazitätsmessung vorliegt, ist der Einfluss auf die Kapazität deutlich messbar. Ein Einfluss auf die Ladung ist normalerweise hingegen nicht vorhanden, da während der Haltephase im allgemeinen kein Ladestrom mehr fließt.

Störungen, die nach dem Anfang der Haltephase, also zu einem späteren Zeitpunkt der Haltephase oder in der Endladephase auftreten, sind mit nur einer Messung zum Anfang der Haltephase nicht bestimmbar. Es ist daher bevorzugt, wenn alternativ oder zusätzlich zu den Messungen oder der Messung am Anfang der Haltephase Messungen während der Ladephase, Messun- gen zu einem späteren Zeitpunkt der Haltephase oder auch Messungen während oder nach der Endladephase durchgeführt werden. Soll der Aufwand, insbesondere der rechnerische Aufwand hierfür, in Grenzen gehalten werden, so ist es möglich, nur eine geringe Zahl an Messungen durchzuführen, die geeignet über die Dauer der Einspritzung verteilt sind. Die günstige Verteilung der Messpunkte hängt dabei von den Gegebenheiten des speziellen Einspritzsystems ab, insbesondere davon, wie lange Strömungen von Kraftstoff durch bestimmte Verengungen dauern und in welcher Weise Gasblasen im Kraftstoff auftreten können. Auch die Laufzeiten von Druckwellen innerhalb der Hoch- und Niedrigdruckbereiche haben Einfluss darauf, wo Messpunkte geeigneterweise gesetzt werden sollten.

Eine besonders präzise Bestimmung der Abweichung der den Ak- tuator steuernden und/oder einen Zustand des Aktuators anzeigenden Größe und damit auch eine besonders genaue Korrektur der Einspritzmengen ist erreichbar, wenn die Zahl der Messungen während einer Einspritzung möglichst groß ist. Besonders bevorzugt ist daher auch, dass die Größen als Burst- Messungen, also kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich mit der Zeit, vorliegen und somit eine zeitabhängige Detektion der Abweichungen erlauben.

Wie beschrieben ist es bevorzugt, zur Detektion von Abweichungen die Differenz der Werte der Größen zu den Werten der Größen in vorhergehenden Einspritzungen zu bestimmen. Bevorzugt ist hierbei, dass in den beiden Einspritzungen Werte, die zu entsprechenden Zeitpunkten während der jeweiligen Einspritzung aufgenommen wurden, zueinander in Beziehung gesetzt werden. Auf diese Weise kann bestimmt werden, ob das System in der vorliegenden Einspritzung sich im gleichen Zustand befindet, wie in der früheren Referenzeinspritzung zum entspre- chenden Zeitpunkt bzw. in einer gleichen Phase.

Erfindungsgemäß ist außerdem ein Verfahren zur Einspritzmengenkorrektur. Hierbei wird vorzugsweise eine Abweichung der Einspritzmenge im oben beschriebenen Verfahren detektiert und dann zumindest eine den Aktuator steuernde Größe so verändert, dass die Abweichung zumindest eines Wertes zumindest einer den Aktuator steuernden und/oder zumindest einen Zustand des Aktuators anzeigenden Größe verringert, minimiert oder aufgehoben wird. Das Verfahren zur Korrektur der Ein- spritzmenge kann auch so durchgeführt werden, dass nur die Abweichung des Aktuators von seinem Soll-Zustand bestimmt wird oder dass zusätzlich oder alternativ die Abweichung zumindest einer der gemessenen Größen von ihrem Soll-Wert, d.h. beispielsweise dem entsprechenden Wert einer vorhergehenden Einspritzung, bestimmt wird, und der Aktuator bzw. die entsprechende Größe so durch eine Steuerung korrigiert wird, dass der Einfluss von zusätzlichen oder abweichenden Kräften auf den Aktuator bzw. die Größe ausgeglichen wird. Darüber hinaus kann auch anstelle der Einspritzmenge eine mit der Einspritzmenge und/oder der Abweichung der Einspritzmenge korrelierte Größe bestimmt und/oder korrigiert werden, deren Zusammenhang zur Einspritzmenge oder zur Abweichung der Einspritzmenge bekannt ist. Die Einspritzmenge ist auf verschiedene Weise korrigierbar. Es kann, wie oben beschrieben, der Aktuator mit einer der genannten Größen anders angesteuert werden. So ist es z.B. mög- lieh, eine andere Spannung anzulegen und/oder eine in den Aktuator fließende Ladung und/oder Energie zu verändern. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Öffnungszeit oder die Einspritzzeit zu verlängern oder zu verkürzen, um eine durch eine Störung aufgetretene zu hohe oder zu niedrige Einspritz- menge auszugleichen. Eine zu hohe Einspritzmenge kann beispielsweise durch eine Verkürzung der Einspritzzeit ausgeglichen werden, eine zu niedrige Einspritzmenge kann durch eine Verlängerung der Einspritzzeit ausgeglichen werden. Die Verlängerung oder Verkürzung der Einspritzzeit kann in der Lade- phase, der Haltephase und/oder der Endladephase erfolgen. Bevorzugt ist eine Korrektur während der Haltephase.

Besonders günstig und daher bevorzugt ist es, die Werte der Größen zur Bestimmung von Abweichungen am Eingang und/oder am Ausgang einer Aktuatorendstufe zu messen, durch welche der oder die Aktuatoren angesteuert werden. Das Verfahren ist hierbei besonders günstig durchführbar, wenn die Aktuator- Endstufe Veränderungen der entsprechenden Größe nicht automatisch ausgleicht. Als Aktuatorendstufe kommen daher bevorzugt gepulste Endstufen, Ladungsquellen-ähnliche Quellen, wie beispielsweise ein CC-Evo-Treiber, zum Einsatz. Auch Energiequellen-ähnliche Quellen sind als Aktuatorendstufe möglich. Für den Fall, dass Piezo-Aktuatoren zum Einsatz kommen, können Piezoleistungsendstufen zum Einsatz kommen. Im Folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einiger Figuren erläutert werden.

Es zeigt

Figur 1 einen Piezoinjektor, wie er in Common-Rail-Systemen zum Einsatz kommt, Figur 2 eine schematische Darstellung einer Steuerventileinheit zwischen einem Hochdruckbereich und einem Niedrigdruckbereich in dem Piezoinjektor und

Figur 3 Ladungs- und Kapazitätsdifferenzen für mit diesem Piezoinjektor durchgeführte aufeinander folgende Einspritzungen .

Figur 1 zeigt einen auch als Piezoinjektor bezeichneten Injektor mit einem Piezoaktuator, wie er in Common-Rail- Systemen zum Einsatz kommt. Die hier beschriebene Erfindung kann in einem Einspritzsystem mit solchen Injektoren zur Anwendung kommen.

Im Folgenden soll zunächst die Funktionsweise eines solchen Injektors kurz beschrieben werden. Anstelle des beschriebenen Injektors können jedoch auch andere Injektoren verwendet werden, die beispielsweise einen herkömmlichen elektromagneti- sehen Aktuator anstelle des Piezoaktuators aufweisen.

In dem Injektor ist ein Hochdruckbereich 1 mit einem Hochdruckbereich des Common-Rail-Systems über einen Hochdruckan- schluss 12 gekoppelt. Der Hochdruckbereich 1 ist von dem ei- nen Niedrigdruckanschluss aufweisenden Niedrigdruckbereich 2 des Injektors durch ein Steuerventil 3 getrennt. Der Injektor weist ferner einen Steuerkolben 4 auf, welcher an einem Ende mit einer Düsennadel 5 in Verbindung steht, die ein Spritzloch 6 oder eine Düse 6 verschließt oder freigibt. Durch das Spritzloch 6 oder die Düse 6 kann Kraftstoff in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors gespritzt werden.

Im geschlossenen Zustand wird die Düsennadel 5 durch folgenden Mechanismus gegen das Spritzloch gedrückt. Der Steuerkol- ben 4 und die Düsennadel 5 stehen mit dem Hochdruckbereich 1 des Injektors in Verbindung, wobei der Steuerkolben 4 an seiner der Düsennadel 5 abgewandten Seite in einem Steuerraum 7 endet und dort von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff umge- ben ist. Andererseits grenzt die Düsennadel 5 an eine Hochdruckkammer 8, in welcher ebenfalls Kraftstoff unter Hochdruck vorliegt. In Bewegungsrichtung gesehen ist die Fläche, mit welcher der Steuerkolben 4 im Steuerraum 7 an unter Hoch- druck stehenden Kraftstoff grenzt, größer als jene in Bewegungsrichtung wirksame Fläche, mit welcher die Düsennadel 5 in der Hochdruckkammer 8 an Kraftstoff unter Hochdruck grenzt. Dadurch wird der Steuerkolben 4 und die Düsennadel 5 normalerweise in Richtung der Düsennadel 5 auf das Spritzloch 6 gedrückt.

Das Steuerventil 3, welches den Hochdruckbereich 1 vom Niedrigdruckbereich 2 trennt, ist über eine Ablaufdrossel 9 in Verbindung zum Steuerraum 7 angeordnet. Das Steuerventil 3 kann durch einen hier als Piezoaktuator ausgeführten Aktuator 10 geöffnet und geschlossen werden. Wird nun das Steuerventil 3 durch den Aktuator 10 geöffnet, so strömt aus dem Hochdruckbereich 1 Kraftstoff durch die Ablaufdrossel 9 aus dem Steuerraum 7 in den Niedrigdruckbereich 2. Dadurch sinkt der Kraftstoffdruck im Steuerraum 7 auf den Steuerkolben 4, so dass die im Steuerraum 7 auf den Steuerkolben 4 ausgeübte Kraft geringer ist als die Kraft, die in der Hochdruckkammer 8 auf die Düsennadel 5 ausgeübt wird. Dadurch wird der Steuerkolben 4 und die Düsennadel 5 in Richtung des Steuerventils 3 vom Spritzloch 6 weg gedrückt, so dass dieses sich öffnet. Alternativ zu einem Piezo-Aktuator kann der Aktuator auch ein elektormagnetischer Aktuator sein.

Figur 2 zeigt schematisch das Steuerventil 3, welches über einen Ventilkolben 21 mit dem Aktuator 10 in Verbindung steht. Dehnt sich der Aktuator 10 durch Anlegen einer Spannung aus, so drückt er den Ventilkolben 21 und das Steuerventil 3 nach unten, so dass sich ein Durchlass vom einem mit dem Steuerraum 7 verbundenen und unter Hochdruck stehenden Ventilraum 13 zu dem Niedrigdruckbereich 2 öffnet und Kraftstoff aus dem in Fig. 2 nicht abgebildeten Hochdruckbereich 1 über den Ventilraum 13 in den Niedrigdruckbereich 2 strömt. Der Raum 25 vor dem Aktuator 10, der an eine am unteren Ende des Aktuators 10 angeordnete Aktuatormembran angrenzt, steht mit dem Niedrigdruckbereich 2 in kraftstoffdurchlässiger Verbindung. Öffnet sich also das Steuerventil 3, so strömt der Kraftstoff aus dem Steuerraum 7 mit hoher Geschwindigkeit in den Niedrigdruckbereich 2. Einerseits können im Niedrigdruckbereich 2 Gasblasen vorliegen, welche das Ausströmverhalten des Kraftstoffs aus dem Steuerraum 7 in den Niedrigdruckbereich verändern. Darüber hinaus können durch das schnelle Ausströmen des Kraftstoffs aber auch sowohl im Hochdruckbe- reich 1 wie auch im Niedrigdruckbereich 2 Druckwellen entstehen, die innerhalb des Systems reflektiert werden können und dann zurück auf den Aktuator 10 wirken. Darüber hinaus können auch direkt vor der Aktuatormembran im Bereich 25 Gasblasen auftreten, die eine Veränderung einer auf den Aktuator 10 wirkenden Gegenkraft zur Folge haben. Dabei hängt die auf den Aktuator 10 wirkende Kraft insbesondere deshalb davon ab, ob der Raum 25 mit Gas oder Flüssigkeit gefüllt ist, weil ein dort befindliches Medium bei einer Bewegung des Aktuators durch in Fig. 2 nicht erkennbare Spalte zwischen dem Ventil- kolben 21 und angrenzenden Teilen des Injektors gerückt werden müssen. Diese Effekte führen zu Abweichungen einer tatsächlichen Einspritzmenge gegenüber einer Soll- Einspritzmenge, deren Detektion und Korrektur Gegenstand der hier beschriebenen Verfahren ist. Figur 3 zeigt Differenzen der in einen Aktuator 10 geflossenen Ladung zwischen zwei aufeinander folgenden Injektionen (gestrichelte Linien) sowie Differenzen von Kapazitäten während zweier aufeinander folgender Einspritzungen (durchgezogene Linien) . Diese Differenzen ergeben sich dabei durch Mes- sungen in einem PCR2-System jeweils am Anfang der Haltephase, also in gleicher Phase für jede Einspritzung, unmittelbar nach Ende einer Ladephase, wobei die Ladungen durch Integration über einen dazu gemessenen Strom durch den Aktuator 10 bestimmt werden und die Kapazitäten sich daraus jeweils in Abhängigkeit von einer ebenfalls gemessenen am Aktuator 10 anliegenden Spannung ergeben. Die abgebildeten Differenzen werden also durch bei PCR2-Systemen standardmäßig durchgeführte Einpunktmessungen gewonnen. Bei einem Betrieb eines Verbrennungsmotors, auf den sich das vorliegende Ausführungsbeispiel bezieht, werden am Beginn eines Arbeitstakts jedes Zylinders in einer Mehrfacheinsprit- zung fünf einzelne Injektionen oder Einspritzungen hintereinander ausgeführt, wobei die Differenzen aus Fig. 3 für jeweils zwei zeitlich benachbarte Einspritzungen berechnet werden. Die Werte der Ladungsdifferenzen je zweier aufeinanderfolgender Einspritzungen sind hierbei auf der linken vertika- len Achse aufgetragen, während die Differenzen der Kapazitäten auf der rechten vertikalen Achse aufgetragen sind. Die Ergebnisse für die Messung der Ladungsdifferenz sind hierbei mit der Ungenauigkeit 31 behaftet, während die Differenzen der Kapazität mit der Ungenauigkeit 32 behaftet sind. Auf der horizontalen Achse ist die Drehzahl aufgetragen, bei der die jeweilige Messung durchgeführt wurde. Bei einer alternativen Ausführung könnte auch jeweils die Differenz der jeweils gemessenen Größe zur entsprechenden Größe bei der dann als Referenzeinspritzung dienenden ersten Einzeleinspritzung ermit- telt und verwendet werden.

Die Kurven 33a und 33b zeigen die Ladungs- bzw. Kapazitätsdifferenz zwischen der zweiten und der dritten Einspritzung der Mehrfacheinspritzung. Die Ladungen sind hier durch leere Quadrate gekennzeichnet, die Kapazitäten durch volle Kreise. Für diese Differenzen ist besonders gut eine Korrelation zwischen der Ladungsdifferenz und der Kapazitätsdifferenz erkennbar. Zu beachten ist, dass hier der jeweilige Wert bei der dritten Einspritzung größer ist als der entsprechende Wert bei der zweiten Einspritzung was zu einer positiven Differenz führt. Die genannte Korrelation lässt darauf schließen, dass eine Abweichung einer auf den Aktuator 10 wirkenden Kraft gegenüber der früheren Einspritzung aufgetreten ist, und zwar derart, dass auch noch nach dem Ende der Ladephase, also während der am Beginn der Haltephase durchgeführten Einpunktmessung, andere Kräfte vorliegen als bei der Referne- zeinspritzung und aufgrund derer Kapazität und Ladung andere Werte eingenommen haben. Es sind andere Konstellationen denk- bar, insbesondere der Fall, dass während der Einpunktmessung die Kapazität einen unveränderten Wert hat und nur die Ladung eine Abweichung gegenüber der Referenzeinspritzung zeigt. Das lässt auf veränderte Kraft- oder Druckverhältnisse während der Ladephase schließen, während in der Haltephase wieder ein gegenüber der Referenzeinspritzung unveränderter Druck herrscht. Andersherum ist es auch denkbar, dass die Ladungsdifferenz verschwindet oder einen vernachlässigbaren Wert hat, während die gemessene Kapazität gegenüber der vorherigen Einspritzung abweicht. Das erlaubt, auf - nach normalen

Kraftverhältnissen während der Ladephase - veränderte Kraftoder Druckverhältnisse während der Haltephase zu schließen.

In Figur 3 wird ferner im Einzelnen durch volle Rauten die Differenz der Ladung zwischen zweiter und erster Einspritzung dargestellt, durch volle Dreiecke die Differenz zwischen vierter und dritter Einspritzung und durch Kreuze die Differenz der Ladung zwischen fünfter und Vierter Einspritzung der Mehrfacheinspritzung. Durch Sterne wird die Differenz der Ka- pazität zwischen zweiter und erster Einspritzung dargestellt, durch senkrechte Striche die Differenz der Kapazitäten zwischen vierter und dritter Messung und durch waagerechte Balken die Differenz der Kapazitäten zwischen fünfter und vierter Einspritzung.

Anhand der gezeigten Differenzen kann nun eine Einspritzmengenabweichung detektiert werden. Hierbei können die Kapazität und die Ladung als einen Zustand des Aktuators anzeigende Größe bzw. eine den Aktuator steuernde Größe angesehen wer- den. Wie in Figur 3 zu erkennen, weichen die Werte dieser

Größen in aufeinanderfolgenden Messungen voneinander ab, was ein Hinweis auf das Vorliegen einer Einspritzmengenabweichung ist. Eine solche Abweichung kann sich bereits durch unterschiedliche Soll-Mengen für die einzelnen Einspritzungen er- geben. Zusätzlich kann eine derartige Abweichung jedoch durch eine Störung wie beispielsweise eine Druckschwankung im Niedrigdruckbereich oder im Hochdruckbereich hervorgerufen werden. Solche störungsbedingte Abweichungen zwischen tatsächli- eher Einspritzmenge und Soll-Einspritzmenge werden nun dadurch detektiert, dass die bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors tatsächlich erfassten Messpunkte jeweils mit einem betriebszustandsabhängig vorgegebenen Sollwert verglichen werden. Eine dabei festgestellte Abweichung vom Sollwert indiziert eine Abweichung der Einspritzmenge, die dann korrigiert werden kann, indem Ansteuerdauern des Aktuators 10 so variiert wird, dass die Abweichung der Messpunkte von den entsprechenden Sollwerten minimiert und vorzugsweise zum Ver- schwinden gebracht werden.

Weitere während eines Betriebs des Verbrennungsmotors zum gleichen Zweck erfasste Messgrößen können beispielsweise eine Spannung am Aktuator, ein durch den Aktuator fließender Strom, eine in den Aktuator geflossene Ladung und/oder eine in den Aktuator geflossene Energie sein. Alternative oder zusätzliche, in entsprechender Weise zum Detektieren und ggf. Korrigieren einer Abweichung zwischen tatsächlicher Einspritzmenge und Soll-Einspritzmenge verwendete Messpunkte können ferner auch während der Ladephase, während der Haltephase, am Ende der Haltephase während der Entladephase und/oder nach dem Ende der Entladephase einer einzelnen Einspritzung gesetzt werden. Es können auch eine Vielzahl von Messungen, insbesondere Burst-Messungen, durchgeführt werden. Die Messungen können zum Beispiel an einem Eingang und/oder Ausgang einer den Aktuator ansteuernden Aktuatorendstufe gemessen werden. Eine solche Aktuatorendstufe kann beispielsweise ein CC-Evo-Treiber sein. Vorzugsweise weist die Endstufe eine Lastrückwirkung auf und/oder ist getaktet. Sie kann beispielsweise als Ladungsquelle oder als Energiequelle arbeiten .

Aus den erfassten Abweichungen kann außerdem beispielsweise eine frühere oder spätere und/oder langsamere oder schnellere Öffnung eines Einspritzventils des Injektors bestimmt werden.

Wird in beschriebener Weise eine Einspritzmengenabweichung detektiert, so kann die Einspritzmenge also korrigiert wer- den, indem zumindest ein den Aktuator 10 steuernder Wert so korrigiert wird, dass die Abweichung eines Wertes einer den Aktuator 10 steuernden und/oder den Zustand des Aktuators 10 anzeigenden Größe verringert, minimiert oder aufgehoben wird. Insbesondere kann auch ein Einspritzventil früher oder später geschlossen werden oder geöffnet werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Einspritzmengenabweichungsdetektion in Injektoren, wobei zumindest eine Abweichung zumindest einer Einspritzmenge detektiert wird, indem zumindest eine Abweichung zumindest eines Wertes zumindest einer einen Aktuator (10) des Injektors steuernden und/oder zumindest einen Zustand des Aktuators anzeigenden Größe von einem jeweils vorgegebenen Wert bestimmt wird.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch die zumindest eine Abweichung zumindest eine Druckschwankung in zumindest einem Niedrigdruckbereich (2) und/oder zumindest einem Hochdruckbereich (1) des Injektors bestimmt wird und damit die Abweichung der Ein- spritzmenge detektiert wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Aktuator (10) ein Piezoaktuator oder ein elektromagnetischer Aktuator ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Größe eine

Spannung am Aktuator (10) und/oder einen in oder durch den Aktuator fließenden Strom und/oder zumindest eine in den Aktuator geflossene Ladung und/oder zumindest eine in den Aktuator geflossene Energie und/oder zumindest eine Kapazität des Aktuators umfasst.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert ein Wert der entsprechenden Größe bei einer vorangegangenen Einspritzung, vorzugsweise bei der unmittelbar vorangegangenen Einsprit- zung, vorzugsweise in einer gleichen Phase der Einspritzung, ist .

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung zwischen einem Wert der Größe bei der ersten Einspritzung einer Mehrfacheinsprit- zung und einer folgenden Einspritzung, insbesondere der zweiten Einspritzung, der gleichen Mehrfacheinspritzung, bestimmt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wert zur Bestimmung der Abweichung oder zumindest einer der Abweichungen unmittelbar nach dem Ende einer Ladephase, in welcher der Ak- tuator (10) geladen wird, bestimmt wird, wobei vorzugsweise als der mindestens eine Wert unmittelbar nach dem Ende der Ladephase eine während der Ladephase in den Aktuator geflossene Ladung und/oder die aus der Ladung und einer am Aktuator (10) anliegenden Spannung bestimmte Kapazität des Aktuators gemessen wird.

8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge- kennzeichnet, dass aus der gemessenen Kapazität auf eine Abweichung einer am Ende der Ladephase auf den Aktuator (10) wirkenden Kraft und/oder aus der gemessenen Ladung auf eine Abweichung einer während der Ladephase auf den Aktuator (10) wirkenden Kraft geschlossen wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Wert zur Bestimmung der Abweichung oder zumindest einer der Abweichungen während einer Ladephase und/oder während einer Haltephase und/oder am Ende einer Haltephase und/oder während einer End- ladephase und/oder nach einer Endladephase des Aktuators (10) gemessen wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der Größe oder zumindest einer der Größen in einer Vielzahl von Messungen und/oder während einer Vielzahl von Zeitpunkten während der Ladephase und/oder der Haltephase und/oder der Endladephase gemessen werden, wobei vorzugsweise die Größe oder zumindest eine der Größen in einer Burst-Messung mit einer Vielzahl von Messungen gemessen werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der bestimmten Abweichung oder aus zumindest einer der Abweichungen eine frühere oder spätere und/oder langsamere oder schnellere Öffnung eines Ein- spritzventils (6) des Injektors bestimmt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Wert oder zumindest einer der Werte der zumindest einen Größe an einem Eingang und/oder an einem Ausgang einer den Aktuator (10) an- steuernden Aktuatorendstufe gemessen wird.

13. Verfahren zur Einspritzmengenkorrektur, wobei eine Abweichung zumindest einer Einspritzmenge in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche detektiert wird und die Einspritzmenge dadurch korrigiert wird, dass zumindest ein den Aktuator (10) steuernder Wert so korrigiert wird, dass die zumindest eine Abweichung eines Wertes einer den Aktuator des Injektors steuernden und/oder zumindest einen Zustand des Aktuators anzeigenden Größe verringert, minimiert oder aufgehoben wird.

14. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Korrektur des zumindest einen den Aktuator (10) steuernden Werts eine Haltephase und/oder eine Endladephase des Aktuators verlängert oder verkürzt wird und/oder zumindest ein Einspritzventil (6) früher oder später geschlossen wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor ein Injektor eines Common-Rail-Systems, vorzugsweise eines Piezo-Common-Rail- Systems, besonders vorzugsweise eines Piezo-Common-Rail- Systems zweiter Generation ist.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (10) durch eine Aktu- atorendstufe gesteuert wird, die eine Lastrückwirkung aufweist und/oder die getaktet ist und/oder die als Ladungsquel- Ie arbeitet und/oder als Energiequelle arbeitet, wobei die Aktuatorstufe vorzugsweise ein CC-Evo-Treiber ist.

17. Einspritzsystem mit zumindest einem Injektor, welcher zumindest einen Aktuator (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem eingerichtet ist zum Detektieren und/oder Korrigieren einer Abweichung einer durch den zumindest einen Injektor eingespritzten Einspritzmenge durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16.