EP1556603B1 - Verfahren zum aufladen eines piezoelektrischen aktors eines einspritzventils und steuergerät - Google Patents

Verfahren zum aufladen eines piezoelektrischen aktors eines einspritzventils und steuergerät Download PDF

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EP1556603B1
EP1556603B1 EP03757703A EP03757703A EP1556603B1 EP 1556603 B1 EP1556603 B1 EP 1556603B1 EP 03757703 A EP03757703 A EP 03757703A EP 03757703 A EP03757703 A EP 03757703A EP 1556603 B1 EP1556603 B1 EP 1556603B1
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EP
European Patent Office
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fuel
pressure
time
actuator
charge
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EP03757703A
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EP1556603A1 (de
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Heinz Lixl
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Aumovio Germany GmbH
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Continental Automotive Technologies GmbH
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Publication date
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for charging a piezoelectric actuator of an injection valve according to the preamble of patent claim 1 and a control device according to claim 1.
  • piezoelectric actuators are used.
  • the piezoelectric actuator has the advantage that it quickly changes its length by charging or discharging.
  • the piezoelectric actuator is used at the injection valve to control the injection process.
  • it is known to control a servo valve with the piezoelectric actuator, which closes a drain of a pressure chamber.
  • the pressure chamber is in operative connection with an injection needle, wherein, depending on the pressure in the pressure chamber, the injection needle closes or releases injection holes.
  • the pressure in the pressure chamber is adjusted.
  • a method and a device for driving at least one capacitive actuator are known.
  • the capacitive actuator is formed in a fuel injection valve of an internal combustion engine.
  • the described method charges a capacitive actuator by means of resonant output stages.
  • the resonant output stages have charging capacitors whose capacitances form a resonant circuit with the capacity of the actuator and with the inductance of the charge-reversing coils. From a combustion point of view and to achieve the lowest fuel injection quantities, the shortest possible charging times should be sought, which, however, lead to high noise emissions. Therefore, the charging times are regulated and short charging times predominantly used in those areas where the noise emissions are not bothersome, such as at high engine speeds.
  • the described method and apparatus allow for both shortening and lengthening the charging time of the capacitive actuator of the fuel injector.
  • Out DE 101 58 553 A1 is a driving circuit for a piezoelectric actuator and a fuel injection system is known, wherein the piezoelectric actuator of an injector for discharging fuel is charged, the actuator depending on the state of charge changes its length, depending on the length of the actuator, the fuel delivery is controlled, wherein for Fuel delivery of the charge state of the actuator is changed during a charge time, wherein after a fixed drive time, the charge state of the actuator is brought back to an initial state, wherein the charging time is changed depending on the pressure of the injected fuel, wherein at a higher fuel pressure, a shorter charging time is set.
  • the object of the invention is to provide an improved method for injecting fuel with a piezoelectrically operated injection valve.
  • An advantage of the method according to the invention is that the amount of fuel to be delivered does not increase so much with an increase in the activation time of the piezoelectric actuator. This offers the advantage that the injected fuel quantities change less with the activation time. Thus, fluctuations in the driving time, which occur due to system inaccuracies have less influence on the amount of fuel to be injected. This makes the process more robust overall.
  • This advantage is achieved in that the charging time, in which the piezoelectric actuator is brought from a rest load to a working charge, is selected depending on the fuel pressure.
  • the charge time is made longer at higher fuel pressure than at lower fuel pressure.
  • a large increase in the amount of fuel to be injected is reduced depending on the drive time at high fuel pressure.
  • the Activation time at high fuel pressure reduced.
  • the amount of fuel to be delivered no longer increases so much when the activation time of the piezoelectric actuator is increased.
  • the change of the injected fuel amount is kept at a variation of the driving time in limits. Consequently, system-related inaccuracies in the activation time have less effect on the quantity of fuel to be injected.
  • the method according to the invention is preferably used for charging times which lie between 100 and 300 ⁇ sec. With this bandwidth of the charging time sufficient for many applications influencing the change in the fuel quantity is achieved depending on the change of the driving time.
  • the inventive method is particularly suitable for use in injection systems having a fuel storage.
  • the fuel accumulator supplies fuel to the injector with a definable fuel pressure.
  • the fuel pressure is measured and the charging time of the piezoelectric actuator is adjusted depending on the measured fuel pressure.
  • the inventive method is used in the delivery of very small amounts.
  • very small amounts are understood amounts, for example, less than 20% of the maximum amount of fuel delivered.
  • a large increase in the fuel quantity with an increase in the activation time and the same charging time occur.
  • the large increase in the amount of fuel to be injected at the same drive time can be inventively reduced by extending the charging time at the same drive time.
  • the charging time of the piezoelectric actuator is changed and the charge to be applied to the piezoelectric actuator during the charging time is maintained unchanged.
  • injectors used are very small amounts in the range of less than 5 mm 3 , preferably in the range less than 2.5 mm 3 .
  • a simple realization of the method according to the invention is achieved in that the charging time is read from a map, and that in the map, the charging times are stored depending on the amount of fuel to be injected and the fuel pressure.
  • the inventive method is used in a piezoelectric actuator which drives a servo valve.
  • a piezoelectric actuator which drives a servo valve.
  • experiments have shown that an advantageous effect on the amount of fuel to be injected via a change in the charging time is achieved at preferably constant driving time of the piezoelectric actuator.
  • FIG. 1 shows in a schematic representation, an injection valve 1 with a piezoelectric actuator 2.
  • the piezoelectric actuator 2 is in operative connection with an injection needle 3, the injection ports 4 opens or closes depending on the length of the piezoelectric actuator 2.
  • a transmission module 5, a servo valve 6, a pressure chamber 7 and a control piston 8 is arranged as an operative connection between the injection needle 3 and the actuator 2.
  • the servo valve 6 is in the illustrated embodiment, an outwardly opening valve which controls an outflow of the pressure chamber 7.
  • the servo valve can also be designed to open inwardly.
  • the piezoelectric actuator 2 is biased by a Bourdon tube pressure and connected in the upper part fixed to the housing of the injector. When the piezoelectric actuator is charged with an electric charge, the piezoelectric actuator expands and presses on the transfer module 5 from above. As a result, the transfer module 5 pulls a closing member of the servo valve 6 upward away from the outflow of the pressure chamber 7.
  • the transmission module 5 is designed as an inverse transmission module, which in the case of a change in length of the actuator 2 in the direction of the transmission module 5, a closing member of the Servo valve 6 lifts up in the direction of the piezoelectric actuator 2. In this way, the outflow of the pressure chamber 7 is released.
  • the pressure chamber 7 is supplied via a feed line 9 with a throttle with a fluid at a predetermined pressure.
  • the pressure chamber 7 is also via the movable control piston 8 in operative connection with the injection needle 3. If a high pressure prevails in the pressure chamber 7, the injection needle 3 is pressed onto a sealing seat and thus closes the injection holes 4.
  • an injection chamber 15 is formed, which is hydraulically connected depending on the position of the injection needle with the injection quenchers 4 or not.
  • the injection needle 3 is biased by spring elements, not shown, in such a way that the injection needle 3 wants to lift off from the injection holes 4. If the pressure in the pressure chamber 7 drops due to an opening of the servo valve 6, the injection needle 3 lifts off from the injection holes 4 and releases the injection holes 4. The injection begins.
  • the injection chamber 15 and the supply line 9 are hydraulically connected to a fuel reservoir 10.
  • the fuel accumulator 10 is supplied by a pump 11, preferably a high pressure pump, with fuel at a predetermined pressure.
  • the fuel accumulator 10 in turn supplies the pressure chamber 7 and the injection chamber 15 with the fuel.
  • a pressure sensor 16 is arranged, which detects the pressure in the fuel reservoir 10 and forwards via a measuring line to a control unit 12.
  • the control unit 12 is connected via measurement signals S with sensors of the internal combustion engine in connection, the operating conditions of the internal combustion engine such. B. the speed and the driver's request, ie the accelerator pedal position, capture and forward to the controller 12.
  • the control unit 12 is also via a control line with the pump 11, connected via a data line to a data memory 14 and via a further control line to an output stage 13.
  • the output stage 13 is connected via electrical lines to the piezoelectric actuator in combination.
  • the actuator 2 is charged with the desired electrical charge via the electrical lines.
  • the control unit 12 determines due to the operating conditions of the internal combustion engine such.
  • the controller 12 determines a charging time within which the output stage 13 charges the piezoelectric actuator to a desired charge .
  • the charging process is performed by the output stage 13, which is controlled in the corresponding manner by the control unit 12.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the charge states of the piezoelectric actuator 2 for an injection process.
  • the charge Q of the actuator 2 is plotted over the time t.
  • the actuator 2 Before a first time T1, the actuator 2 has a rest load.
  • the output stage 13 begins to charge the piezoelectric actuator.
  • the charge of the piezoelectric actuator with a maximum value M reaches a working charge.
  • the time between the first and second times T1, T2 is referred to as the charging time.
  • the charge of the piezoelectric actuator remains unchanged.
  • the output stage 13 begins to discharge the piezoelectric actuator.
  • the piezoelectric actuator is discharged back to the initial state until a subsequent fourth time T4.
  • the drive time is the time duration between the first time T1 and the third time T3.
  • Analogous to the characteristic of the FIG. 2 Time-delayed the opening behavior of the injection valve.
  • a short time after the first time T1 the injection needle is lifted from the injection holes, so that a discharge of fuel begins.
  • the injection needle reaches a maximum opening stroke, so that a maximum fuel flow is discharged via the injection holes.
  • a short time after the third time T3, the injection needle moves in the direction of the injection holes and closes the injection holes short time after the fourth time T4.
  • FIG. 3 shows in a schematic program sequence, the sequence of the method according to the invention.
  • the controller 12 detects the data required to control the injector 1.
  • the pressure in the fuel storage 10 is detected.
  • the control unit 12 determines depending on operating parameters such.
  • the charging time is part of the driving time.
  • the charging time is determined depending on the pressure of the fuel.
  • the charging time can be calculated depending on stored functions depending on the pressure or read from a map that is stored in the data memory 14.
  • the fuel pressure is not measured directly, but calculated using the available operating parameters. For example, as an operating parameter, the delivery line of the pump 11, the speed of the internal combustion engine and the amount of fuel to be dispensed from the injection valve can be used to calculate the fuel pressure.
  • control unit 12 calculates the amount of fuel to be injected.
  • the control unit 12 calculates the activation time for the injection valve from the fuel pressure and the quantity of fuel to be injected.
  • the charging time is preferably read from a map which is stored in the data memory 14.
  • the map has a data field which determines the charging time as a function of the fuel quantity to be injected, as a function of the fuel pressure and as a function of the activation time.
  • control unit 12 controls the output stage 13 in such a way that the injection valve 1 is driven according to the determined charging time and the determined activation time.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a characteristic field which shows the amount of fuel to be injected as a function of the driving time for different fuel pressures according to previously known driving method for an injection valve with a piezoelectric actuator.
  • the uppermost characteristic corresponds to a fuel pressure of 1600 bar, a mean characteristic to a fuel pressure of 800 bar and the lowest characteristic to a fuel pressure of 200 bar. It can be seen that, especially at higher pressures, the fuel quantity to be injected increases strongly with the activation time. The large increase in the amount of fuel injected relates to an area where smaller amounts of fuel are injected.
  • FIG. 5 shows a characteristic field, which shows the injected amount of fuel in dependence on the driving time of the piezoelectric actuator of the injection valve. Different characteristics are shown, which were recorded for the same fuel pressure but for different charging times. Three characteristics are shown, which were recorded for the same fuel pressure, but the top characteristic with a charging time of 120 m / sec, the average characteristic with a charging time of 200 m / sec and the lower characteristic with a charging time of 300 m / sec was recorded.
  • the slope of the characteristic is flattened by an extension of the charging time.
  • a flatter characteristic means that a change of the driving time leads to a smaller increase of the injected fuel quantity.
  • the variation of the charging time represents a means for influencing the injection characteristic of the injection valve.
  • the injection behavior of the injection valve can be influenced in such a way that with increasing activation time there is a smaller increase in the injected fuel quantity.
  • the smaller increase in injected fuel quantity as the drive time increases provides the advantage that a deviation from a target injection time calculated by the controller 12 has less of an impact on the actual amount of fuel injected.
  • the actual amount of fuel injected is less affected by fluctuations in the driving time. Fluctuations in the activation time can be caused, for example, by system-related inaccuracies or production-related fluctuations in the electrical properties of the output stage.
  • FIG. 6 shows a characteristic field in which the injected fuel quantity is shown depending on the driving time and which is obtained according to the inventive method.
  • the characteristic field of the FIG. 6 clearly shows that the characteristics increase less steeply with the activation time than in FIG. 4 , In particular, at high pressures, a flatter increase in the injected fuel quantity is achieved with an increase in the activation time by extending the charging time.
  • This in FIG. 6 illustrated injection behavior of an injection valve shows a minimum injection quantity of 0.5 mm 3 .
  • a minimum driving time is shown.
  • various characteristics are shown, the injection quantities over the An horrzeit for different pressures demonstrate.
  • An upper dotted line shows a characteristic curve for a fuel pressure of 1600 bar and a loading time of 300 m / sec.
  • a lowermost dashed line shows the injection quantity dependence of the driving time for a fuel pressure of 200 bar and a charging time of 200 m / sec.
  • the injected fuel quantity is also less dependent on pressure fluctuations. From the comparison of the characteristic 11 of FIG. 4 with the characteristics of the FIG. 6 It can clearly be seen that, with the same activation time, a variation of the injected fuel quantity as a function of different pressures at FIG. 6 is lower.
  • the characteristic curves for different pressures are in the method according to the invention, whose injection behavior in FIG. 6 is shown, much closer together. It is particularly advantageous that hardly any changes in the injection quantity occur in the region of the smallest quantities when the pressure changes.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen eines piezoelektrischen Aktors eines Einspritzventils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Steuergerät gemäß Patentanspruch 1. Bei modernen Einspritzanlagen für Brennkraftmaschinen werden piezoelektrische Aktoren eingesetzt. Der piezoelektrische Aktor hat den Vorteil, dass er durch Aufladen oder Entladen schnell seine Länge ändert. Der piezoelektrische Aktor wird beim Einspritzventil eingesetzt, um den Einspritzvorgang zu steuern. Beispielsweise ist es bekannt, mit dem piezoelektrischen Aktor ein Servoventil anzusteuern, das einen Abfluss einer Druckkammer verschließt. Die Druckkammer steht mit einer Einspritznadel in Wirkverbindung, wobei abhängig vom Druck in der Druckkammer die Einspritznadel Einspritzlöcher verschließt oder freigibt. Abhängig von der Offen- oder Schließstellung des Servoventils wird der Druck in der Druckkammer eingestellt.
  • Weiterhin ist es bekannt, mit dem piezoelektrischen Aktor eine Einspritznadel direkt zu bewegen. Dabei wird die Position der Nadel abhängig von der Länge des piezoelektrischen Aktors festgelegt.
  • Zudem werden bei modernen Einspritzanlagen, insbesondere bei Dieseleinspritzanlagen beim Einspritzen des Kraftstoffes unterschiedliche Kraftstoffdrücke verwendet. Zum Einspritzen einer bestimmten Kraftstoffmenge wird der piezoelektrische Aktor eine bestimmte Ansteuerzeit in einer Aktivposition gehalten. Über die Ansteuerzeit wird die einzuspritzende Kraftstoffmenge festgelegt. Kennlinien für die einzuspritzende Kraftstoffmenge fallen in Abhängigkeit von der Ansteuerzeit für verschiedene Kraftstoffdrücke unterschiedlich aus. Insbesondere für hohe Kraftstoffdrücke tritt im Bereich von kleinen Kraftstoffmengen ein steiler Anstieg der abzugebenen Kraftstoffmenge mit Zunahme der Ansteuerzeit auf. Eine steile Kennlinie weist den Nachteil auf, dass die abzugebene Kraftstoffmenge nur bei einer sehr präzisen Einhaltung der Ansteuerzeit präzise festgelegt werden kann. Dieses Einspritzverhalten führt jedoch dazu, dass entweder die Ansteuerzeit präzise eingehalten werden muss, was eine technisch aufwendige und teure Lösung erfordert. Zum Anderen führt dieses Einspritzverhalten jedoch bei einer weniger technisch aufwendigen Lösung zu relativ großen Ungenauigkeiten bei der eingespritzten Kraftstoffmenge.
  • Aus DE 100 17 367 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes bekannt. Das kapazitives Stellglied ist in einem Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine ausgebildet. Das beschriebene Verfahren lädt ein kapazitives Stellglied mittels resonanter Endstufen auf. Die resonanten Endstufen weisen Ladekondensatoren auf, deren Kapazitäten mit der Kapazität des Stellgliedes und mit der Induktivität der Umladespulen einen Schwingkreis bilden. Aus verbrennungstechnischer Sicht und zur Erzielung geringster Kraftstoffeinspritzmengen sind möglichst kurze Ladungszeiten anzustreben, die jedoch zu hohen Geräuschemissionen führen. Deshalb werden die Ladezeiten geregelt und kurze Ladezeiten überwiegend in solchen Bereichen benutzt, in denen die Geräuschemissionen nicht als störend empfunden werden, wie beispielsweise bei hohen Motordrehzahlen. Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung ermöglichen sowohl eine Verkürzung als auch eine Verlängerung der Ladezeit des kapazitiven Stellgliedes des Kraftstoffeinspritzventils.
  • Aus DE 199 44 733 A1 ist eine weitere Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes eines Kraftstoffeinspritzventils bekannt, mit dem die Ladezeit des kapazitiven Stellgliedes mit Hilfe eines getakteten Transformators eingestellt werden kann.
  • Aus DE 101 58 553 A1 ist eine Ansteuerschaltung für einen piezoelektrischen Aktor und ein Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, wobei der piezoelektrische Aktor eines Einspritzventils zum Abgeben von Kraftstoff aufgeladen wird, wobei der Aktor abhängig vom Ladungszustand seine Länge ändert, wobei abhängig von der Länge des Aktors die Kraftstoffabgabe gesteuert wird, wobei für eine Kraftstoffabgabe der Ladungszustand des Aktors während einer Ladezeit verändert wird, wobei nach einer festgelegten Ansteuerzeit der Ladungszustand des Aktors wieder auf einen Ausgangszustand gebracht wird, wobei die Ladezeit abhängig vom Druck des einzuspritzenden Kraftstoffes verändert wird, wobei bei einem höheren Kraftstoffdruck eine kürzere Ladezeit eingestellt wird.
  • Aus EP 1 138 904 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufladen eines piezoelektrischen Aktors für ein Einspritzventil bekannt, wobei die dem piezoelektrischen Aktor zuzuführende Energie zur Erzielung eines gewünschten Hubes in Abhängigkeit vom Druck des einzuspritzenden Kraftstoffes bestimmt wird. Die zuzuführende Energie wird durch eine entsprechende Ladespannung des Aktors insbesondere durch eine Ladezeit festgelegt. Bei einem hohen Kraftstoffdruck wird die Ladezeit kürzer gewählt als bei einem niedrigen Kraftstoffdruck.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff mit einem piezoelektrisch betriebenen Einspritzventil bereit zu stellen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch das Steuergerät gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die abzugebende Kraftstoffmenge nicht so sehr mit einer Zunahme der Ansteuerzeit des piezoelektrischen Aktors zunimmt. Dies bietet den Vorteil, dass die eingespritzten Kraftstoffmengen sich weniger stark mit der Ansteuerzeit ändern. Somit haben Schwankungen der Ansteuerzeit, die aufgrund von Systemungenauigkeiten auftreten, einen geringeren Einfluss auf die einzuspritzenden Kraftstoffmenge. Damit ist das Verfahren insgesamt robuster. Dieser Vorteil wird dadurch erreicht, dass die Ladezeit, in der der piezoelektrische Aktor von einer Ruheladung zu einer Arbeitsladung gebracht wird, abhängig vom Kraftstoffdruck gewählt wird.
  • Versuche haben gezeigt, dass bei verschiedenen Drücken die Ladezeit unterschiedliche Auswirkungen auf die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge hat. Somit wurde erkannt, dass die Variation der Ladezeit abhängig vom Kraftstoffdruck eine vorteilhafte Beeinflussung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge ermöglicht. Insbesondere ist die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge weniger abhängig von Kraftstoffdruckschwankungen.
  • In der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Ladezeit bei höherem Kraftstoffdruck länger gewählt als bei einem niedrigeren Kraftstoffdruck. Durch diese Maßnahme wird eine große Zunahme der einzuspritzenden Kraftstoffmenge abhängig von der Ansteuerzeit bei hohem Kraftstoffdruck reduziert. Die Ansteuerzeit bei hohem Kraftstoffdruck reduziert. Die Folge ist, dass im Gegensatz zu bisherigen Verfahren sich die abzugebene Kraftstoffmenge bei einer Verlängerung der Ansteuerzeit des piezoelektrischen Aktors nicht mehr so stark zunimmt. Somit wird die Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge bei einer Variation der Ansteuerzeit in Grenzen gehalten. Folglich wirken sich systembedingte Ungenauigkeiten bei der Ansteuerzeit weniger auf die einzuspritzende Kraftstoffmenge aus.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise für Ladezeiten eingesetzt, die zwischen 100 und 300 µsec liegen. Mit dieser Bandbreite der Ladezeit wird eine für viele Anwendungsfälle ausreichende Beeinflussung der Änderung der Kraftstoffmenge abhängig von der Änderung der Ansteuerzeit erreicht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Anwendung bei Einspritzanlagen, die einen Kraftstoffspeicher aufweisen. Der Kraftstoffspeicher führt dem Einspritzventil Kraftstoff mit einem festlegbaren Kraftstoffdruck zu. Der Kraftstoffdruck wird gemessen und die Ladezeit des piezoelektrischen Aktors abhängig von dem gemessenen Kraftstoffdruck eingestellt.
  • Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren bei der Abgabe von Kleinstmengen eingesetzt. Unter Kleinstmengen werden Mengen verstanden die beispielsweise kleiner als 20 % der maximal abgegebenen Kraftstoffmenge sind. Versuche haben gezeigt, dass insbesondere bei Kleinstmengen eine starke Zunahme der Kraftstoffmenge mit Zunahme der Ansteuerzeit und gleicher Ladezeit auftreten. Die starke Zunahme der einzuspritzenden Kraftstoffmenge bei gleicher Ansteuerzeit kann erfindungsgemäß durch eine Verlängerung der Ladezeit bei gleichbleibender Ansteuerzeit reduziert werden.
  • Vorzugsweise wird nur die Ladezeit des piezoelektrischen Aktors verändert und die während der Ladezeit auf dem piezoelektrischen Aktor aufzubringende Ladung unverändert beibehalten.
  • Bei den verwendeten Einspritzventilen liegen Kleinstmengen im Bereich kleiner 5 mm3, vorzugsweise im Bereich kleiner 2,5 mm3.
  • Eine einfache Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch erreicht, dass die Ladezeit aus einem Kennfeld ausgelesen wird, und dass im Kennfeld die Ladezeiten abhängig von der einzuspritzenden Kraftstoffmenge und dem Kraftstoffdruck abgelegt sind.
  • Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einem piezoelektrischen Aktor eingesetzt, der ein Servoventil ansteuert. Insbesondere bei der Ausführung eines piezoelektrischen Aktors mit der Verwendung eines Servoventils haben Versuche gezeigt, dass eine vorteilhafte Beeinflussung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge über eine Veränderung der Ladezeit bei vorzugsweise konstanter Ansteuerzeit des piezoelektrischen Aktors erreicht wird.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen
    • Figur 1 eine schematische Darstellung eines piezoelektrischen Einspritzventils mit einer Ansteuerschaltung,
    • Figur 2 eine schematische Darstellung der Ladungszustände bei einem Einspritzvorgang,
    • Figur 3 einen schematischen Programmablauf zur Ansteuerung des Einspritzventils,
    • Figur 4 ein erstes Injektorkennfeld, das Kennlinien für die eingespritzte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit der Ansteuerzeit und verschiedener Kraftstoffdrücke zeigt,
    • Figur 5 ein zweites Kennlinienfeld, das Kennlinien für die eingespritzte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Ansteuerzeit für verschiedene Ladezeiten zeigt, und
    • Figur 6 ein drittes Kennlinienfeld, das Kennlinien für verschiedene Drücke für die eingespritzte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Ansteuerzeit zeigt, wobei bei den verschiedenen Drücken verschiedene Ladezeiten verwendet werden.
  • Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung, ein Einspritzventil 1 mit einem piezoelektrischen Aktor 2. Der piezoelektrische Aktor 2 steht in Wirkverbindung mit einer Einspritznadel 3, die abhängig von der Länge des piezoelektrischen Aktors 2 Einspritzlöcher 4 öffnet oder verschließt.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist als Wirkverbindung zwischen der Einspritznadel 3 und dem Aktor 2 ein Übertragungsmodul 5, ein Servoventil 6, eine Druckkammer 7 und ein Steuerkolben 8 angeordnet. Das Servoventil 6 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein nach außen öffnendes Ventil, das einen Abfluss der Druckkammer 7 regelt. In einer weiteren Ausführungsform kann das Servoventil auch nach innen öffnend ausgebildet sein. Der piezoelektrische Aktor 2 ist von einer Rohrfeder auf Druck vorgespannt und im oberen Bereich fest mit dem Gehäuse des Einspritzventils verbunden. Wird der piezoelektrische Aktor mit einer elektrischen Ladung beaufschlagt, so dehnt sich der piezoelektrische Aktor aus und drückt von oben auf das Übertragungsmodul 5. Als Folge davon zieht das Übertragungsmodul 5 ein Schließglied des Servoventils 6 nach oben von dem Abfluss der Druckkammer 7 weg. Das Übertragungsmodul 5 ist als inverses Übertragungsmodul ausgebildet, das bei einer Längenänderung des Aktors 2 in Richtung auf das Übertragungsmodul 5 ein Schließglied des Servoventil 6 nach oben in Richtung zum piezoelektrischen Aktor 2 anhebt. Auf diese Weise wird der Abfluss der Druckkammer 7 frei gegeben.
  • Die Druckkammer 7 wird über eine Zuleitung 9 mit einer Drossel mit einem Fluid mit einem festgelegten Druck versorgt. Die Druckkammer 7 steht zudem über den beweglichen Steuerkolben 8 in Wirkverbindung mit der Einspritznadel 3. Herrscht in der Druckkammer 7 ein hoher Druck so wird die Einspritznadel 3 auf einen Dichtsitz gedrückt und verschließt damit die Einspritzlöcher 4. Zwischen der Einspritznadel 3 und dem Gehäuse des Einspritzventils ist eine Einspritzkammer 15 ausgebildet, die abhängig von der Position der Einspritznadel mit den Einspritzlöschern 4 hydraulisch verbunden ist, oder nicht.
  • Die Einspritznadel 3 ist über nicht dargestellte Federelemente in der Weise vorgespannt, dass die Einspritznadel 3 von den Einspritzlöchern 4 abheben will. Sinkt der Druck in der Druckkammer 7 durch ein Öffnen des Servoventils 6, so hebt die Einspritznadel 3 von den Einspritzlöchern 4 ab und gibt die Einspritzlöcher 4 frei. Die Einspritzung beginnt.
  • Die Einspritzkammer 15 und die Zuleitung 9 stehen mit einem Kraftstoffspeicher 10 hydraulisch in Verbindung. Der Kraftstoffspeicher 10 wird von einer Pumpe 11, vorzugsweise einer Hochdruckpumpe, mit Kraftstoff mit einem festgelegten Druck versorgt. Der Kraftstoffspeicher 10 versorgt wiederum die Druckkammer 7 und den Einspritzraum 15 mit dem Kraftstoff.
  • Am Kraftstoffspeicher 10 ist ein Drucksensor 16 angeordnet, der den Druck im Kraftstoffspeicher 10 erfasst und über eine Messleitung an ein Steuergerät 12 weiterleitet. Das Steuergerät 12 steht über Messsignale S mit Sensoren der Brennkraftmaschine in Verbindung, die Betriebszustände der Brennkraftmaschine wie z. B. die Drehzahl und den Fahrerwunsch, d. h. die Gaspedalstellung, erfassen und an das Steuergerät 12 weiterleiten. Das Steuergerät 12 ist zudem über eine Steuerleitung mit der Pumpe 11, über eine Datenleitung mit einem Datenspeicher 14 und über eine weitere Steuerleitung mit einer Endstufe 13 verbunden. Die Endstufe 13 steht über elektrische Leitungen mit dem piezoelektrischen Aktor in Verbindung. Über die elektrischen Leitungen wird der Aktor 2 mit der gewünschten elektrischen Ladung aufgeladen. Das Steuergerät 12 ermittelt aufgrund der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine wie z. B. der Drehzahl und der Gaspedalstellung in Abhängigkeit von Kennfeldern, die im Speicher 14 abgelegt sind, Zeitpunkte zum Aufladen und Endladen des piezoelektrischen Aktors 2. Zudem ermittelt das Steuergerät 12 eine Ladezeit, innerhalb der die Endstufe 13 den piezoelektrischen Aktor auf eine gewünschte Ladung auflädt. Der Aufladevorgang wird von der Endstufe 13 durchgeführt, die in den entsprechender Weise vom Steuergerät 12 angesteuert wird.
  • Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der Ladungszustände des piezoelektrischen Aktors 2 für einen Einspritzvorgang. Im Diagramm der Figur 2 ist die Ladung Q des Aktors 2 über die Zeit t aufgetragen. Vor einem ersten Zeitpunkt T1 weist der Aktor 2 eine Ruheladung auf. Zu einem ersten Zeitpunkt T1 beginnt die Endstufe 13 mit dem Aufladen des piezoelektrischen Aktors. Zu einem zweiten Zeitpunkt T2 erreicht die Ladung des piezoelektrischen Aktors mit einem Maximalwert M eine Arbeitsladung. Die Zeit zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt T1, T2 wird als Ladezeit bezeichnet. In dem Zeitraum zwischen dem zweiten Zeitpunkt T2 und einem dritten Zeitpunkt T3 bleibt die Ladung des piezoelektrischen Aktors unverändert. Zum dritten Zeitpunkt T3 beginnt die Endstufe 13 mit dem Entladen des piezoelektrischen Aktors. Innerhalb einer Entladezeit wird bis zu einem folgenden vierten Zeitpunkt T4 der piezoelektrische Aktor wieder auf den Ausgangszustand entladen.
  • Als Ansteuerzeit wird die Zeitdauer zwischen dem ersten Zeitpunkt T1 und dem dritten Zeitpunkt T3 bezeichnet. Analog zu der Kennlinie der Figur 2 verläuft zeitversetzt das Öffnungsverhalten des Einspritzventils. Kurze Zeit nach dem ersten Zeitpunkt T1 wird die Einspritznadel von den Einspritzlöchern abgehoben, so dass eine Abgabe von Kraftstoff beginnt. Kurz nach dem zweiten Zeitpunkt T2 erreicht die Einspritznadel einen maximalen Öffnungshub, so dass ein maximaler Kraftstoffstrom über die Einspritzlöcher abgegeben wird. Kurze Zeit nach dem dritten Zeitpunkt T3 bewegt sich die Einspritznadel in Richtung auf die Einspritzlöcher und verschließt die Einspritzlöcher kurze Zeit nach dem vierten Zeitpunkt T4.
  • Figur 3 zeigt in einem schematischen Programmablauf die Abfolge des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei Programmpunkt 100 erfasst das Steuergerät 12 die Daten, die zur Steuerung des Einspritzventils 1 erforderlich sind. Dabei wird auch der Druck im Kraftstoffspeicher 10 erfasst. Anschließend ermittelt das Steuergerät 12 abhängig von Betriebsparametern wie z. B. der Drehzahl und dem Fahrerwunsch und abhängig vom Kaftstoffdruck den Beginn der Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors die Ladezeit und die Ansteuerzeit. Die Ladezeit ist ein Teil der Ansteuerzeit. Erfindungsgemäß wird die Ladezeit abhängig vom Druck des Kraftstoffes ermittelt. Die Ladezeit kann dabei nach abgelegten Funktionen abhängig vom Druck berechnet oder aus einem Kennfeld ausgelesen werden, das im Datenspeicher 14 abgelegt ist. In einer weiteren Ausführungsform wird der Kraftstoffdruck nicht direkt gemessen, sondern über die zur Verfügung stehenden Betriebsparameter berechnet. Beispielsweise kann als Betriebsparameter die Förderleitung der Pumpe 11, die Drehzahl der Brennkraftmaschine und die vom Einspritzventil abzugebene Kraftstoffmenge verwendet werden, um den Kraftstoffdruck zu berechnen.
  • Bei folgenden Programmpunkt 110 berechnet das Steuergerät 12 die einzuspritzende Kraftstoffmenge.
  • Beim folgendem Programmpunkt 120 berechnet das Steuergerät 12 aus dem Kraftstoffdruck und der einzuspritzenden Kraftstoffmenge die Ansteuerzeit für das Einspritzventil. Zudem wird erfindungsgemäß abhängig vom Kraftstoffdruck die Ladezeit festgelegt. Die Ladezeit wird dabei vorzugsweise aus einem Kennfeld ausgelesen, das im Datenspeicher 14 abgelegt ist. Das Kennfeld weist ein Datenfeld auf, das die Ladezeit in Abhängigkeit von der einzuspritzenden Kraftstoffmenge, in Abhängigkeit vom Kraftstoffdruck und in Abhängigkeit von der Ansteuerzeit festlegt.
  • Beim folgenden Programmpunkt 130 steuert das Steuergerät 12 die Endstufe 13 in der Weise an, dass das Einspritzventil 1 entsprechend der ermittelten Ladezeit und der ermittelten Ansteuerzeit angesteuert wird.
  • Figur 4 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Kennlinienfeld, das die einzuspritzende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Ansteuerzeit für verschiedene Kraftstoffdrücke gemäß bisher bekannten Ansteuerverfahren für ein Einspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor zeigt. Die oberste Kennlinie entspricht einem Kraftstoffdruck von 1600 bar, eine mittlere Kennlinie einem Kraftstoffdruck von 800 bar und die unterste Kennlinie einem Kraftstoffdruck von 200 bar. Es ist dabei zu erkennen, dass insbesondere bei höheren Drücken die einzuspritzende Kraftstoffmenge stark mit der Ansteuerzeit zunimmt. Die starke Zunahme der eingespritzten Kraftstoffmenge betrifft einen Bereich, bei dem kleinere Kraftstoffmengen eingespritzt werden.
  • Figur 5 zeigt ein Kennlinienfeld, das die eingespritzte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Ansteuerzeit des piezoelektrischen Aktors des Einspritzventils zeigt. Es sind verschiedene Kennlinien dargestellt, die für den gleichen Kraftstoffdruck aber für verschiedene Ladezeiten erfasst wurden. Es sind drei Kennlinien dargestellt, die für den gleichen Kraftstoffdruck erfasst wurden, wobei jedoch die oberste Kennlinie mit einer Ladezeit von 120 m/sec, die mittlere Kennlinie mit einer Ladezeit von 200 m/sec und die untere Kennlinie mit einer Ladezeit von 300 m/sec erfasst wurde. Aus der Figur 5 ist zu erkennen, dass durch eine Verlängerung der Ladezeit die Steigung der Kennlinie abgeflacht wird. Eine flachere Kennlinie bedeutet, dass eine Änderung der Ansteuerzeit zu einer kleineren Zunahme der eingespritzten Kraftstoffmenge führt. Somit ist aus Figur 5 erkennbar, dass die Variation der Ladezeit ein Mittel zur Beeinflussung der Einspritzcharakteristik des Einspritzventils dargestellt.
  • Beispielsweise kann bei Beibehaltung der Ansteuerzeit durch eine Verlängerung der Ladezeit das Einspritzverhalten des Einspritzventils in der Weise beeinflusst werden, dass mit Zunahme der Ansteuerzeit eine geringere Zunahme der eingespitzten Kraftstoffmenge erfolgt. Die geringere Zunahme der eingespritzten Kraftstoffmenge bei Zunahme der Ansteuerzeit bietet den Vorteil, dass eine Abweichung von einer Solleinspritzzeit, die vom Steuergerät 12 berechnet wird, eine geringere Auswirkung auf die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge hat. Somit wird die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge weniger von Schwankungen der Ansteuerzeit beeinflusst. Schwankungen der Ansteuerzeit können beispielsweise durch systembedingte Ungenauigkeiten oder herstellungsbedingte Schwankungen der elektrischen Eigenschaften der Endstufe bewirkt werden.
  • Figur 6 zeigt ein Kennlinienfeld, bei dem die eingespritzte Kraftstoffmenge abhängig von der Ansteuerzeit dargestellt ist und das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird. Das Kennlinienfeld der Figur 6 zeigt deutlich, dass die Kennlinien weniger steil mit der Ansteuerzeit ansteigen als in Figur 4. Insbesondere bei hohen Drücken wird durch eine Verlängerung der Ladezeit ein flacherer Anstieg der eingespritzten Kraftstoffmenge mit Anstieg der Ansteuerzeit erreicht. Das in Figur 6 dargestellte Einspritzverhalten eines Einspritzventils zeigt eine minimale Einspritzmenge von 0,5 mm3. Zudem ist eine minimale Ansteuerdauer eingezeichnet. Weiterhin sind verschiedene Kennlinien eingezeichnet, die die Einspritzmengen über die Ansteuerzeit für verschiedene Drücke zeigen. Eine obere gepunktete Linie zeigt eine Kennlinie für eine Kraftstoffdruck von 1600 bar und einer Ladezeit von 300 m/sec. Eine unterste gestrichelte Trennlinie zeigt die Einspritzmengenabhängigkeit von der Ansteuerzeit für einen Kraftstoffdruck von 200 bar und einer Ladezeit von 200 m/sec.
  • Zudem ist gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die eingespritzte Kraftstoffmenge auch weniger abhängig von Druckschwankungen. Aus dem Vergleich der Kennlinie 11 der Figur 4 mit den Kennlinien der Figur 6 ist deutlich zu erkennen, dass bei gleichbleibender Ansteuerzeit eine Variation der eingespritzten Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von unterschiedlichen Drücken bei Figur 6 geringer ist. Die Kennlinien für unterschiedliche Drücke liegen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, dessen Einspritzverhalten in Figur 6 dargestellt ist, deutlich enger beieinander. Besonders vorteilhaft ist, dass im Bereich der Kleinstmengen kaum Änderungen der Einspritzmenge bei einer Änderung des Druckes auftreten.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Aufladen eines piezoelektrischen Aktors (2) eines Einspritzventils (1) zum Abgeben von Kraftstoff,
    wobei der Aktor (2) abhängig vom Ladungszustand seine Länge ändert, wobei abhängig von der Länge das Aktors die Kraftstoffabgabe gesteuert wird,
    wobei für eine Kraftstoffabgabe der Ladungszustand des Aktors während einer Ladezeit verändert wird,
    wobei nach einer festgelegten Ansteuerzeit der Ladungszustand des Aktors wieder auf einen Ausgangszustand gebracht wird,
    wobei die Ladezeit abhängig von Betriebszuständen verändert wird,
    wobei die Ladezeit abhängig vom Druck des einzuspritzenden Kraftstoffes festgelegt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ladezeit bei höherem Druck länger gewählt wird als bei niedrigerem Druck.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine abzugebende Kraftstoffmenge bei unterschiedlichem Kraftstoffdruck mit unterschiedlichen Ladezeiten abgegeben wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladezeit zwischen 100 und 300 µs eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der einzuspritzende Kraftstoff von einem Kraftstoffspeicher (10) bereitgestellt wird, der mit dem Einspritzventil (1) hydraulisch verbunden ist, dass der Druck des Kraftstoffes gemessen wird, dass abhängig vom gemessenen Druck die Ladezeit des Aktors für die einzuspritzende Kraftstoffmenge festgelegt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladezeit verändert wird, wenn die abzugebende Kraftstoffmenge unter einem Kleinstmengenwert liegt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleinstmengenwert kleiner als 5 mm3, vorzugsweise kleiner als 2,5 mm3 ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladezeit aus einem Kennfeld ausgelesen wird, dass im Kennfeld die Ladezeiten abhängig von dem Kraftstoffdruck abgelegt sind.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Aktor (2) ein Servoventil (6) angesteuert wird, dass das Servoventil einen Ablauf einer Druckkammer (7) steuert, dass die Druckkammer (7) mit einem Fluid gefüllt ist, das in Wirkverbindung mit einer Einspritznadel (3) steht, dass abhängig vom Druck des Fluids die Einspritznadel (3) von einer Offen- in eine Schließposition bewegt und die Abgabe von Kraftstoff durch das Einspritzventil gesteuert wird.
  9. Steuergerät, das nach einem der vorhergehenden Verfahren arbeitet.
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