EP1828582B1

EP1828582B1 - Verfahren und vorrichtung zur kompensation von prelleffekten in einem piezogesteuerten einspritzsystem einer verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: EP1828582B1
Application number: EP05822186.2A
Authority: EP
Inventors: Hans-Jörg Wiehoff; Reiner Lederle; Stefan Ascher
Original assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Current assignee: Aumovio Germany GmbH
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: EP1828582A1; DE102004062073B4; US20100063709A1; US8239115B2; DE102004062073A1; WO2006069750A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation von Prelleffekten in einem piezogesteuerten Einspritzsystem einer Verbrennungskraftmaschine gemäß den Patentansprüchen 1 und 8.
Pumpe-Düse-Einheiten (PDE) mit einem von einem Piezoaktuator als Stellantrieb angesteuerten Steuerventil werden insbesondere in druckgesteuerten Einspritzsystemen in Verbrennungskraftmaschinen verwendet. Dabei wird das Steuerventil zum Steuern eines Kraftstoffflusses von einem Kraftstoff-Niederdruckbereich in einen Druckraum der Pumpe-Düse-Einheit sowie zum Steuern eines Druckverlaufs innerhalb der Pumpe-Düse-Einheit verwendet.
Durch Untersuchungen wurde festgestellt, dass Prelleffekte innerhalb des Steuerventils negative Auswirkungen auf Systemparameter der piezogesteuerten Einspritzsysteme haben können. Davon betroffene Systemparameter können beispielsweise einen hydraulischen Förderbeginn, ein Druckaufbauverhalten und Streuungen innerhalb der Pumpe-Düse-Einheit umfassen. Dies kann sich unter anderem nachteilig auf eine Einspritzmengengenauigkeit des Kraftstoffs in den Druckraum auswirken. Nachteilige Auswirkungen des Prellens können ferner ein instabiles Druckaufbauverhalten sowie undefinierte Übergänge zwischen Schaltzuständen des Steuerventils umfassen. Unter Umständen ist es durch das Prellen möglich, dass unerwünschte Druckwellen in das Einspritzsystem eingebracht werden.
Durch das Prellen des Steuerventils kann eine Instabilität eines Betriebsverhaltens der Pumpe-Düse-Einheit nachteilig erhöht sein, wobei die Instabilität umso höher ist, je größer eine Intensität des Prellens ausgeprägt ist. Elementare Anforderungen bei einer Regelung der piezogesteuerten Einspritzsysteme, wie beispielsweise eine Gleichstellung unter den einzelnen Zylindern der Verbrennungskraftmaschine und/oder eine Kompensation von Alterungserscheinungen und Toleranzen an Einspritzelementen können ferner durch das Prellen des Steuerventils in nachteiliger Weise erschwert sein.
Die DE 199 21 456 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit der Überschwingen und Prellen eines mit einem piezoelektrischen Aktor ausgestatteten Hochdruckeinspritzventils vermieden werden. Eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors ist so gestaltet, dass sie den Aktor zunächst nur über einen Teilhub mit einer maximalen Steigung umlädt und nach einer Pause mit einer anderen Steigung zum Erreichen des endgültigen Hubs lädt. Dabei ist die Restladephase so gewählt, dass für das mechanische System aus Aktor - Ventilnadel - Hydraulik ein aperiodischer Übergang zum Endwert angenähert wird.
Die DE 103 11 269 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elementes, wobei eine Ansteuergröße variabel ist und zur Bestimmung der Ansteuergröße ein von der Ansteuergröße abhängiges Gütemaß für das Einschwingverhalten einer zu steuernden Zustandsgröße des piezoelektrischen Elementes minimiert wird. Das Verfahren ist insbesondere geeignet zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Elements, das als Aktor bei einer Kraftstoffeinspritzdüse in einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die geschilderten nachteiligen Effekte innerhalb der piezogesteuerten Einspritzsysteme reduziert werden. Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie mit einer Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8. Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Kompensation von Prelleffekten in einem piezogesteuerten Einspritzsystem einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, wobei das Einspritzsystem ein von einem Piezoaktuator angesteuertes Steuerventil umfasst. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:

Erfassen eines Ist-Prellverhaltens des Steuerventils, und
Ermitteln und Ausregeln einer Abweichung zwischen dem Ist-Prellverhalten und einem Soll-Prellverhalten des Steuerventils, wobei eine Ansteuerinformation für das Steuerventil generiert wird, durch die eine Geschwindigkeitscharakteristik einer Nadel des Steuerventils beeinflusst wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Ist-Prellverhalten des Steuerventils erfasst und eine Abweichung zwischen dem Ist-Prellverhalten und einem Soll-Prellverhalten des Steuerventils ermittelt und ausgeregelt wird. Zu diesem Zweck wird eine Geschwindigkeitscharakteristik einer Nadel des Steuerventils beeinflusst. Auf diese Art und Weise kann eine Geschwindigkeit einer Bewegung der Nadel des Steuerventils entsprechend einer Differenz zwischen dem Ist-Prellverhalten und dem Soll-Prellverhalten minimiert bzw. weitestgehend eliminiert werden. Eine zeitnahe Erfassung und Kompensation von Prellbildern des piezogesteuerten Einspritzsystems ist somit vorteilhaft unterstützt, wobei Änderungen der Prellbilder, die durch Lang- und Kurzzeiteffekte verursacht sind, kompensiert werden können.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Geschwindigkeitscharakteristik der Nadel durch eine Ausgestaltung einer Haltephase in einem Lade- und/oder Entladevorgang des Piezoaktuators festgelegt wird. Durch die Haltephase wird der Ladevorgang des Piezoaktuators in zwei Phasen unterteilt, die durch die Haltephase unterbrochen ist. Eine Amplitude der Haltephase stellt dabei einen geregelten Vorhubparameter dar, mit dessen Hilfe die Geschwindigkeitscharakteristik der Nadel des Steuerventils in vorteilhafter Weise beeinflussbar ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass beim Ausregeln der Abweichung zwischen dem Ist-Prellverhalten und dem Soll-Prellverhalten des Steuerventils ein Minimieren von Flächen zwischen Maxima im Kapazitätsverlauf des Piezoaktuators und einer die Maxima verbindenden Bezugslinie durchgeführt wird.
Aufgrund der Tatsache, dass das Prellen des Steuerventils durch den piezoelektrischen Effekt in elektrischen Signalen des Piezoaktuators abgebildet wird, kann das Prellen in einem Kapazitätsverlauf des Piezoaktuators evaluiert werden. Das Prellen des Steuerventils spiegelt sich im Kapazitätsverlauf des Piezoaktuators wider, und kann somit durch eine Minimierung der Flächen zwischen der die Kapazitätsmaxima verbindenden Bezugslinie und den Kapazitätsmaxima entsprechend minimiert werden. Dies geschieht durch eine optimierte Ansteuerung des Piezoaktuators im Ladevorgang, wodurch ein Geschwindigkeitsverlauf der Nadel des Piezoaktuators derart ausgebildet ist, dass die Nadel beim Schließen des Steuerventils mit optimaler Geschwindigkeit am Ventilsitz aufschlägt und dadurch das Prellen minimiert ist. Das minimierte Prellen ist in minimierten Flächen zwischen der die Kapazitätsmaxima verbindenden Bezugslinie und den Kapazitätsmaxima des Piezoaktuators abgebildet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei zeigt:

Figur 1 zeitliche Verläufe von elektrischen Signalen und Kenngrößen eines Piezoaktuators,
Figur 2 zwei Graphen, die einen Zusammenhang zwischen einem Krafteintrag in den Piezoaktuator und einem mechanischen Hub des Piezoaktuators bzw. einer vom Piezoaktuator angesteuerten Steuerventilnadel darstellen,
Figur 3 zwei Graphen, die abgetastete elektrische Signale des Piezoaktuators und einen daraus ermittelten Kapazitätsverlauf des Piezoaktuators darstellen,
Figur 4 eine vergrößerte Darstellung des Kapazitätsverlaufs der unteren Abbildung von Figur 3,
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist,
Figur 6A Verläufe der Piezospannung und der Piezokapazität eines Piezoaktuators beim Prellen gemäß Stand der Technik,
Figur 6B Verläufe der Piezospannung und der Piezokapazität eines Piezoaktuators, bei dem das Prellen erfindungsgemäß minimiert ist, und
Figur 7 eine prinzipielle Darstellung eines von einem Piezoaktuator als Stellantrieb angesteuerten Steuerventils.

Figur 1 zeigt in drei Abbildungen zeitliche Verläufe von elektrischen Signalen und Kenngrößen eines Piezoaktuators zur Ansteuerung eines Steuerventils in einer Pumpe-Düse-Einheit einer Verbrennungskraftmaschine. In der oberen Abbildung ist mit 1a ein Verlauf einer Piezospannung u_piezo und mit 1b ein Verlauf eines Piezostromes i_piezo, mit denen der Piezoaktuator angesteuert wird, dargestellt. In der mittleren Abbildung ist ein zeitlicher Verlauf von aus der Piezospannung u_piezo und dem Piezostrom i_piezo rechnerisch ermittelten Kenngrößen des Piezoaktuators aufgetragen. Dabei bezeichnet 1c einen zeitlichen Verlauf einer Piezoladung q_piezo und 1d einen zeitlichen Verlauf einer Piezokapazität C_piezo, die aus einer Division der Piezoladung q_piezo durch die Piezospannung u_piezo ermittelt wird.
In der unteren Abbildung der Figur 1 ist in einem Verlauf 1f ein mechanischer Hub eines externen Referenzsensors, der zu Messzwecken innerhalb des Steuerventils angeordnet ist, dargestellt. Es ist erkennbar, dass der Verlauf des mechanischen Hubs 1f deutlich ausgeprägte Extrema mit Maxima und Minima aufweist, die von einem Prellen des Steuerventils, insbesondere einer Nadel des Steuerventils herrühren. In einem Verlauf 1e ist ein zeitlicher Verlauf der Kapazität C_piezo des Piezoaktuators dargestellt. Es ist erkennbar, dass der Verlauf der Piezokapazität C_piezo im Wesentlichen mit dem Verlauf 1f des mechanischen Hubs des Referenzsensors korreliert.
Dies lässt sich damit begründen, dass das Prellen des Steuerventils über den piezoelektrische Effekt im Kapazitätsverlauf des Piezoaktuators abgebildet wird. Bei ungefähr 0,25 ms ist in der unteren Abbildung ein erstes Anschlagen des Referenzsensors an einen Ventilsitz des Steuerventils dadurch erkennbar, dass der Signalverlauf 1f zu diesem Zeitpunkt ein erstes Maximum aufweist. In Entsprechung dazu ist in der oberen Abbildung der Figur 1 eine Änderung eines Gradienten der Piezospannung u_piezo aufgrund des piezoelektrischen Effekts erkennbar. Weitere Maxima im Signalverlauf 1f des externen Referenzsensors spiegeln sich in entsprechender Weise im Verlauf der Piezospannung U_piezo wider, sind aber aufgrund der groben Auflösung der oberen Abbildung nur schwer erkennbar. Den Änderungen im Gradienten der Piezospannung u_piezo aufgrund des piezoelektrischen Effekts entsprechen Änderungen im Stromverlauf 1b.
Ein Schließverhalten des piezogesteuerten Steuerventils lässt sich anhand der in Figur 1 dargestellten elektrischen Signalverläufe beschreiben. Der Zusammenhang zwischen den einzelnen Größen kann für eine qualitative Bewertung einer Prellausprägung der Ventilnadel herangezogen werden. Ein vereinfachtes mathematisches Rekonstruktionsmodell des Piezoaktuators lässt sich in folgender Weise darstellen: $f (t) = \frac{1}{d} * (q_{piezo} (t) - C_{0} * u_{piezo} (t))$
$s (t) = d * u_{piezo} (t) + \frac{S}{d} * (q_{piezo} (t) - C_{0} * u_{piezo} (t))$
Dabei haben die Parameter folgende Bedeutungen:

f(t): Kraft des Piezoaktuators
s(t): mechanischer Hub des Piezoaktuators
S: Kleinsignalelastizität des Piezoaktuators
d: piezoelektrische Ladungskonstante
C₀: Kleinsignalkapazität des Piezoaktuators
q_piezo: Piezoladung
u_piezo: Piezospannung

Aus den mathematischen Beziehungen erkennt man, dass bei einer Messung der Piezoladung q_piezo, der Piezospannung u_piezo und der Kleinsignalkapazität C_o unter Berücksichtigung piezoelektrischer Ladungs- und Elastizitätsverhältnisse die Kraft und der mechanische Hub des Piezoaktuators berechnet werden können.
Figur 2 zeigt in zwei Abbildungen durch eine Simulation ermittelte Verlaufsformen eines Krafteintrags F_piezo in den Piezoaktuator und dadurch bewirkte mechanische Hübe. In der oberen Abbildung ist mit 2a ein zeitlicher Verlauf des Krafteintrags F_piezo in den Piezoaktuator bezeichnet. Mit 2b ist ein daraus resultierender zeitlicher Verlauf eines mechanischen Hubs des Piezoaktuators dargestellt. Entsprechend dazu ist in der unteren Abbildung der Figur 2 mit 2c ein zeitlicher Verlauf eines mechanischen Hubs einer Nadel des Steuerventils aufgetragen. Die Unterschiede in den Verläufen 2b und 2c resultieren daher, dass zwischen dem Piezoaktuator und der Steuerventilnadel eine Übertragerstrecke angeordnet ist, die den mechanischen Hub des Piezoaktuators dämpft.
Figur 3 zeigt in zwei Abbildungen mittels eines Abtastverfahrens zeitlich abgetastete elektrische Größen des Piezoaktuators und einen daraus berechneten zeitlichen Verlauf der Piezokapazität C_piezo des Piezoaktuators. In der oberen Abbildung ist mit 3a ein zeitlicher Verlauf der abgetasteten Piezospannung u_piezo dargestellt. Mit 3b ist ein der Piezospannung u_piezo entsprechender abgetasteter Verlauf der Piezoladung q_piezo bezeichnet, der aus einer Integration des Piezostroms i_piezo ermittelt wird. In der unteren Abbildung der Figur 3 ist ein aus den abgetasteten Werten der Piezospannung u_piezo und der Piezoladung q_piezo ermittelter zeitlicher Verlauf der Piezokapazität C_piezo des Piezoaktuators dargestellt.
Es ist deutlich erkennbar, dass der Verlauf der Piezokapazität C_piezo aufgrund des Prellens des Steuerventils, das sich über einen Rückkopplungseffekt in elektrischen Signalen des Piezoaktuators abbildet, ausgeprägte Extrema aufweist. Die untere Abbildung der Figur 3 stellt den Verlauf le der Piezokapazität C_piezo der unteren Abbildung von Figur 1 in abgetasteter Form dar. Durch eine simultane Abtastung der Piezoladung q_piezo und der Piezospannung u_piezo lässt sich somit näherungsweise auf qualitative Verlaufsformen des Piezohubs s(t) und der Piezokraft f(t) schließen, die nach den obigen Formeln mit der Piezoladung q_piezo und der Piezospannung u_piezo korrespondieren.
Figur 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung der unteren Abbildung von Figur 3. Es ist der abgetastete Verlauf der Piezokapazität C_piezo dargestellt, wobei mit 4a ein erstes Maximum der Piezokapazität C_piezo bezeichnet ist. Dieses erste Maximum resultiert aus einem ersten Anschlagen der Nadel des Steuerventils an den Ventilsitz bei einem Schließen des Steuerventils. Mit 4b ist exemplarisch ein abgetasteter, diskreter Wert aus dem Verlauf der Piezokapazität C_piezo bezeichnet. 4c stellt ein zeitliches Erfassungsfenster dar, in dem der Verlauf der Piezokapazität C_piezo im erfindungsgemäßen Verfahren erfasst wird. Mit 4d ist eine Bezugslinie bezeichnet, die einzelne Maxima im Verlauf der Piezokapazität C_piezo innerhalb des Erfassungsfensters 4c miteinander verbindet und zu einer Definition von Flächen zwischen der Bezugslinie und dem Verlauf der Piezokapazität C_piezo benutzt wird. Mit A1, A2 und A3 sind Flächen bezeichnet, die zwischen der Bezugslinie 4d und Maxima im Verlauf der Piezokapazität C_piezo erfindungsgemäß erfasst werden. Die Bezugslinie ist zwischen benachbarten Maxima des Verlaufs der Piezokapazität als Gerade ausgebildet. Die Flächen A1 und A3 sind unterhalb der Bezugslinie und die Fläche A2 oberhalb der Bezugslinie angeordnet.
Der Figur 4 ist entnehmbar, dass sich das Prellen der Nadel des Steuerventils im Verlauf der Piezokapazität C_piezo derart widerspiegelt, dass die Flächen A1, A2 und A3 umso größer sind, je stärker das Prellen der Nadel ausgeprägt ist. Das Ausmaß der Fläche A2, die durch ein Überschwingen der Nadel nach dem Auftreffen am Ventilsitz verursacht sein kann, ist in der Darstellung der Figur 4 im Wesentlichen Null. Die Größe der Flächen zwischen dem Verlauf der Piezokapazität und der Bezugslinie zwischen maximalen Werten, d.h. lokalen Maxima der Piezokapazität innerhalb eines festgelegten zeitlichen Erfassungsfensters wird als Regelgröße verwendet, um ein Prellen der Nadel zu vermindern. Dabei wird das Steuerventil in der Weise angesteuert, dass die Flächen zwischen der Bezugslinie und dem Verlauf der Piezokapazität innerhalb des zeitlichen Erfassungsfensters minimiert werden. Je kleiner die Fläche ist, desto geringer ist das Prellverhalten der Nadel des Steuerventils. Das Erfassungsfenster beginnt und endet vorzugsweise bei einem lokalen Maxima der Piezokapazität.
Figur 5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Mithilfe einer Erfassungseinrichtung 13 werden die in Figur 4 dargestellten Flächen zwischen der Bezugslinie 4d und den Maxima im Verlauf der Piezokapazität C_piezo summarisch erfasst und ein Absolutwert der Flächensumme einem Summationspunkt 15 mit negativem Vorzeichen zugeführt. Eine Sollwertvorgabeeinrichtung 12 dient zur Festlegung eines minimierten Ausmaßes der erfassten Flächen, wobei ein Wert von im Wesentlichen Null angestrebt wird. Der Ausgangswert der Sollwertvorgabeeinrichtung 12 entspricht also im wesentlichen einer Sollgröße der Flächensumme, die ebenfalls dem Summationspunkt 15 zugeführt wird. Als Ausgangsgröße des Summationspunkts 15 steht somit ein Differenzwert zwischen der mittels der Erfassungseinrichtung 13 erfassten Flächensumme und einem Sollwert der Flächensumme im Verlauf der Piezokapazität C_piezo dar. Der Ausgabewert am Summationspunkt 15 entspricht somit im Wesentlichen einer Regeldifferenz, die einer Regelungseinrichtung 11 zugeführt wird.
Die Regelungseinrichtung 11 regelt die zugeführte Regeldifferenz aus und generiert zu diesem Zweck eine zeitliche Ansteuerinformation für den Piezoaktuator. Die zeitliche Ansteuerinformation kann beispielsweise eine Anzahl von Ladeschritten in einem Ladevorgang des Piezoaktuators umfassen. Dabei wird die generierte Ansteuerinformation einem Begrenzer 14 zugeführt, der im Wesentlichen eine Plausibilitätsüberprüfung darstellt. Die von der Regelungseinrichtung 11 erzeugte und mittels des Begrenzers 14 begrenzte Ansteuerinformation wird sodann einer Addiereinrichtung 16 zugeführt.
Einer Vorsteuereinrichtung 10 werden ein erster Betriebsparameter 17 der Verbrennungskraftmaschine, ein zweiter Betriebsparameter 18 der Verbrennungskraftmaschine und ein dritter Betriebsparameter 19 der Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Der erste Betriebsparameters 17, der zweite Betriebsparameter 18 und der dritte Betriebsparameter 19 modellieren dabei einen Systemzustand der Verbrennungskraftmaschine mittels Kennfelddaten. Beispielsweise kann der erste Betriebsparameter 17 eine Schließzeit des Steuerventils, der zweite Betriebsparameter 18 eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und der dritte Betriebsparameter 19 verschiedene physikalische Umgebungsvariablen der Verbrennungskraftmaschine umfassen. Mittels der Vorsteuereinrichtung 10 wird ein Vorsteuer- bzw. Initialwert für die zeitliche Ansteuerinformation des Piezoaktuators geniert und über einen Ausgang der Vorsteuereinrichtung 10 ebenfalls der Addiereinrichtung 16 zugeführt.
Die von der Vorsteuereinrichtung 10 generierte Ansteuerinformation kann beispielsweise einen groben Schätzwert für die Ausgestaltung der Haltephase im Ladevorgang des Piezoaktuators darstellen. Mittels eines in der Vorsteuereinrichtung 10 implementierten Vorsteueralgorithmus kann somit eine Zeitinformation für die erste Ladezeit bis zur Haltephase generiert werden. Diese muss stets kleiner als die Schließzeit des Steuerventils sein.
Mittels der Addiereinrichtung 16 werden die von der Vorsteuereinrichtung 10 und der Regelungseinrichtung 11 erzeugten zeitlichen Ansteuerinformationen addiert und stehen am Ausgang der Addiereinrichtung 16 als vierter Betriebsparameter 20 der Verbrennungskraftmaschine zur Ansteuerung des Piezoaktuators zur Verfügung. Der vierte Betriebsparameter 20 repräsentiert somit einen Endwert einer Anzahl von Ladeschritten in der ersten Phase im Ladevorgang des Piezoaktuators bis zur Haltephase.
Mit dem vierten Betriebsparameter 20 ist es möglich, die Länge der Haltephase und/oder das Teilhubniveau der Haltephase variierbar auszubilden und dadurch eine Geschwindigkeitscharakteristik der Nadel des Steuerventils zu beeinflussen. Die Ausgestaltung der Haltephase innerhalb des Ladevorgangs des Piezoaktuators kann außer der genannten Amplitude noch eine zeitliche Dauer der Haltephase umfassen. Ein Geschwindigkeitsverlauf der Nadel des Steuerventils kann auf diese Weise insofern optimiert werden, als ein Auftreffen der Nadel im Ventilsitz einerseits wohldefiniert und andererseits im Wesentlichen prellfrei ausgestaltet ist. In ihrer Grundstruktur repräsentiert die Vorrichtung der Figur 5 somit einen Regelkreis, der in Abhängigkeit von der erläuterten Flächensummendifferenz eine Geschwindigkeit der Nadel des Steuerventils derart beeinflusst, dass sich das Prellen der Nadel möglichst gering im Verlauf der Piezokapazität C_piezo des Piezoaktuators widerspiegelt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung der Figur 5 setzt somit eine Strategie zur Ausgestaltung der Haltephase um. Der von der Regelungseinrichtung 11 implementierte Regelungsalgorithmus ermittelt aus der zugeführten Flächeninformation einen Restfehlerwert und addiert diesen zum Vorsteuerwert.
Figur 6A zeigt prinzipielle Zeitverläufe der Piezospannung u_piezo und der Piezokapazität C_piezo in einem Schließvorgang des Steuerventils gemäß Stand der Technik. Mit 6d ist ein Verlauf der Piezospannung u_piezo bezeichnet, die an einem Punkt 6a eines Schließens des Steuerventils infolge des piezoelektrischen Effekts eine Änderung des Gradienten erfährt. Man erkennt deutlich, dass ab diesem Zeitpunkt die Piezospannung u_piezo steiler verläuft als vor dem Zeitpunkt des Schließens des Steuerventils. Mit 6e ist ein Verlauf der Piezokapazität C_piezo bezeichnet, der auf die anhand von Figur 3 erläuterten Weise ermittelt wird. Man erkennt, dass zum Zeitpunkt des Schließens des Steuerventils aufgrund des Prellens des Steuerventils eine ausgeprägte Nichtlinearität im Verlauf der Piezokapazität C_piezo generiert wird. Der Ladevorgang des Piezoaktuators ist an einem mit 6b bezeichneten Zeitpunkt beendet. Mit 6c ist das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete zeitliche Erfassungsfenster bezeichnet. Die Bezugslinie 6f verbindet Maxima im Verlauf der Piezokapazität C_piezo zwischen zeitlichen Endpunkten des Erfassungsfensters 6c. Deutlich ist die Ausprägung der Fläche zwischen der Bezugslinie 6f und dem Verlauf der Piezokapazität C_piezo innerhalb des Erfassungsfensters 6c infolge des Prellens des Steuerventils zu erkennen.
In Figur 6B ist erfindungsgemäß innerhalb des Ladevorgangs des Piezoaktuators nach einer ersten Ladephase eine Haltephase eingefügt. Diese ist dadurch erkennbar, dass ein Verlauf der Piezospannung u_piezo während der Haltephase im Wesentlichen konstant ist. Die Amplitude der Haltephase ist erfindungsgemäß variierbar und ist mit 6g bezeichnet. Es ist zu erkennen, dass aufgrund des Einfügens der Haltephase in den Ladevorgang des Piezoaktuators ab dem Zeitpunkt 6a des Schließens des Steuerventils der Gradient der Piezospannung u_piezo im Wesentlichen kontinuierlich ausgebildet ist. Ferner erkennt man im Verlauf der Piezokapazität C_piezor dass die Flächen zwischen der Bezugslinie 6f und den Extrema im Verlauf der Piezokapazität C_piezo im Erfassungsfenster 6c minimiert bzw. reduziert sind.
Als besonders vorteilhaft wird bei der vorliegenden Erfindung angesehen, dass durch eine Variation der Amplitude der Haltephase die Ladephase für den Piezoaktuator derart beeinflusst wird, dass ein Geschwindigkeitsverlauf des Steuerventils erreicht wird, mit dem das Prellen des Steuerventils kompensiert ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass während der Haltephase keine Bestromung des Piezoaktuators durchgeführt wird, wodurch eine Abnahme der Geschwindigkeit der Nadel des Steuerventils erreicht wird. Daraus resultiert eine Verhinderung einer weiteren Beschleunigung der Nadel des Steuerventils, sodass zum Auftreffzeitpunkt der Steuerventilnadel im Ventilsitz ein Prellen bzw. Nachprellen weitgehend eliminiert ist.
Weiterhin wird als vorteilhaft angesehen, dass durch eine zeitnahe Erfassung der elektrischen Signale und Kenngrößen des Piezoaktuators und deren Auswertung während einer Steuerventilschließ-/Öffnungsphase, das Prellverhalten jeder einzelnen Pumpe-Düse-Einheit individuell beobachtbar ist und über eine Ansteuerungs- bzw. Regelungseinrichtung, wie sie beispielsweise in Fig. 5 gezeigt ist, zeitnahe kompensierbar ist. Sich ändernde Prellbilder im Steuerventil der Pumpe-Düse-Einheit können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine adaptiv kompensiert werden.
Mittels der inhärenten sensorischen Eigenschaften des Piezoaktuators durch Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts kann vorteilhaft eine aufwendige und kostenintensive Sensorik zur Erfassung der elektrischen Signale und Kenngrößen eingespart werden. Es versteht sich von selbst, dass zum erfindungsgemäßen Kompensieren des Prellens die Haltephase auch in einen Entladevorgang des Piezoaktuators eingefügt werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist es auch denkbar, dass statt der als Regelgröße verwendeten Flächensummendifferenz die über den piezoelektrischen Effekt ermittelte Kraft und/oder der mechanische Hub des Piezoaktuators verwendet werden.
Figur 7 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines Steuerventils 22, mit dem die Erfindung durchgeführt werden kann. Dabei wird das Steuerventil 22 mittels eines Piezoaktuators 21 angesteuert, der eine Nadel 23 kräftemäßig beaufschlagt.
Durch den Krafteintrag des Piezoaktuators 21 in die Nadel 23 wird die Nadel 23 in einen Ventilsitz 24 gedrückt, wobei erfindungsgemäß ein Prellen der Nadel 23 in Folge des Aufschlagens in den Ventilsitz 24 minimiert ist.
Die in der Beschreibung, den Patentansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Durchführung der Erfindung wesentlich sein.
In einer Weiterbildung betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kompensation von Prelleffekten in einem piezogesteuerten Einspritzsystem einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem von einem Piezoaktuator angesteuerten Steuerventil, mit folgenden Verfahrensschritten:

Erfassen eines Ist-Prellverhaltens des Steuerventils; und
Ermitteln und Ausregeln einer Abweichung zwischen dem Ist-Prellverhalten und einem Soll-Prellverhalten des Steuerventils, wobei für das Steuerventil in der Weise angesteuert wird, dass die Geschwindigkeit der Nadel des Steuerventils beeinflusst wird, wobei beim Ausregeln der Abweichung zwischen dem Ist-Prellverhalten und dem Soll-Prellverhalten der Nadel Flächen zwischen einem Kapazitätsverlauf des Piezoaktuators und einer Maxima des Kapazitätsverlaufs verbindenden Bezugslinie minimiert werden.

In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Kompensation von Prelleffekten in einem piezogesteuerten Einspritzsystems einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Einspritzsystem ein von einem Piezoaktuator 21 angesteuertes Steuerventil 22 umfasst, wobei die Vorrichtung eine Erfassungseinrichtung 13 zum Erfassen eines Ist-Prellverhaltens des Steuerventils 22 und einer Abweichung zwischen dem Ist-Prellverhalten und dem Soll-Prellverhalten des Steuerventils 22 umfasst, wobei die Vorrichtung ferner eine Regelungseinrichtung 11 zum Ausregeln der Abweichung zwischen dem Ist-Prellverhalten und dem Soll-Prellverhalten umfasst, wobei eine Ansteuerinformation für das Steuerventil 22 generiert wird, wobei beim Ausregeln der Abweichung zwischen dem Ist-Prellverhalten und dem Soll-Prellverhalten des Steuerventils in einem zeitlichen Erfassungsfenster Flächen zwischen einem Kapazitätsverlauf des Piezoaktuators und einer Bezugslinie minimiert werden, wobei die Bezugslinie zwischen lokalen Maxima des Kapazitätsverlaufs als Gerade ausgebildet ist.

Claims

Verfahren zur Kompensation von Prelleffekten in einem piezogesteuerten Einspritzsystem einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem von einem Piezoaktuator angesteuerten Steuerventil, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Erfassen eines Ist-Prellverhaltens des Steuerventils; und

- Ermitteln und Ausregeln einer Abweichung zwischen dem Ist-Prellverhalten und einem Soll-Prellverhalten des Steuerventils,
wobei eine Ansteuerinformation für das Steuerventil generiert wird, durch die eine Geschwindigkeitscharakteristik einer Nadel des Steuerventils beeinflusst wird, wobei die Geschwindigkeitscharakteristik der Nadel durch eine Ausgestaltung einer Haltephase in einem Lade- und/oder Entladevorgang des Piezoaktuators festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Abtasten von Ladungs- und Spannungswerten des Piezoaktuators, und ein Ermitteln eines Kapazitätsverlaufs des Piezoaktuators aus den Ladungs- und Spannungswerten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2, wobei die Ausgestaltung der Haltephase im Ladevorgang des Piezoaktuators durch folgende Verfahrensschritte ermittelt wird:
- Ermitteln eines Vorsteuerwertes der Haltephase; und

- Addieren der generierten Ansteuerinformation zum Vorsteuerwert.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Haltephase durch eine entsprechende Anzahl von Ladeschritten für den Piezoaktuator definiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei beim Ausregeln der Abweichung zwischen dem Ist-Prellverhalten und dem Soll-Prellverhalten des Steuerventils ein Minimieren eines Ausmaßes von Flächen zwischen Maxima im Kapazitätsverlauf des Piezoaktuators und einer die Maxima verbindenden Bezugslinie durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine adaptiv durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Kompensation von Prelleffekten in einem piezogesteuerten Einspritzsystems einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Einspritzsystem ein von einem Piezoaktuator (21) angesteuertes Steuerventil (22) umfasst, wobei die Vorrichtung eine Erfassungseinrichtung (13) zum Erfassen eines Ist-Prellverhaltens des Steuerventils (22) anhand eines Kapazitätsverlaufs des Piezoaktuators und zum Ermitteln einer Abweichung zwischen dem Ist-Prellverhalten und dem Soll-Prellverhalten des Steuerventils (22) umfasst, wobei die Vorrichtung ferner eine Regelungseinrichtung (11) zum Ausregeln der Abweichung zwischen dem Ist-Prellverhalten und dem Ist-Prellverhalten umfasst, wobei eine Ansteuerinformation für das Steuerventil (22) generiert wird, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 verwendbar ist.