EP1999359B1 - Verfahren zur bestimmung einer öffnungsspannung eines piezoelektrischen injektors - Google Patents

Verfahren zur bestimmung einer öffnungsspannung eines piezoelektrischen injektors Download PDF

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EP1999359B1
EP1999359B1 EP07712521A EP07712521A EP1999359B1 EP 1999359 B1 EP1999359 B1 EP 1999359B1 EP 07712521 A EP07712521 A EP 07712521A EP 07712521 A EP07712521 A EP 07712521A EP 1999359 B1 EP1999359 B1 EP 1999359B1
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EP
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voltage
injector
actuator
piezo
injection
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Thomas Breitbach
Oliver Becker
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Robert Bosch GmbH
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    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2055—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit with means for determining actual opening or closing time

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining an opening voltage of an injector with a piezoelectric actuator, in particular an injector of an internal combustion engine, wherein in the closed state of the injector, an output voltage is applied to the piezoelectric actuator and the voltage for opening the injector by energizing the piezoelectric Is lowered, and a control device for carrying out the method.
  • Jet needles of fuel injectors (injectors) for modern diesel and gasoline engines are often actuated directly or indirectly via piezoelectric elements (piezoelectric actuators or piezoelectric actuators) due to the high dynamic requirements.
  • An object of the present invention is therefore to provide a method and a control device for carrying out the method, with which the aforementioned aging phenomena can be detected and compensated.
  • This problem is solved by a method for determining an opening voltage of an injector of an internal combustion engine having a piezo actuator, wherein in the closed state of the injector, an output voltage is applied to the piezoelectric actuator and lowered the voltage for opening the injector by discharging the piezoelectric actuator is, wherein the discharge is interrupted at a holding voltage and then the voltage applied to the piezoelectric actuator voltage change over time is measured, wherein the holding voltage of injection to injection is gradually increased until the voltage increase after interruption of the discharge is below a minimum value, and wherein at a voltage increase around the minimum value is detected that the holding voltage corresponds to the opening voltage.
  • the holding voltage is increased step by step from injection to injection until the voltage increase falls below a minimum gradient after interruption of the current supply.
  • the method is preferably carried out in regular operation of the internal combustion engine. This means that the method requires no additional control devices or test equipment, for example in a workshop, but is carried out with the resources available in a vehicle.
  • the method is preferably carried out automatically after a lapse of an operating time interval or a lapse of a period of time by a control unit in a program-controlled manner.
  • the holding voltage of an injector is varied and an integrator of a quantity compensation control is observed.
  • a control device having means for determining an opening voltage of an injector of an internal combustion engine with a piezo actuator, wherein in the closed state of the injector, an output voltage is applied to the piezoelectric actuator and the voltage for opening the injector is lowered by discharging the piezoelectric actuator, wherein the discharge is interrupted at a holding voltage and then the voltage applied to the piezoelectric actuator voltage change over time is measured, wherein the holding voltage of injection to injection is gradually increased until the voltage increase after interruption of the discharge falls below a minimum value, and it is detected in a voltage increase to the minimum value that the holding voltage corresponds to the opening voltage.
  • FIG. 1 shows a storage injection system 10, which has an injector (injector) 12, a controller 14, a high pressure fuel accumulator 16, a fuel tank 18, a high pressure pump 20, and a pressure sensor 22 and a pressure control valve 24.
  • the injector 12 is connected via a high pressure line 26 to the high pressure accumulator 16, so that in its interior statically the same pressure prevails as in the high pressure accumulator 16.
  • a piezoelectric actuator 28 is arranged, which is a stack of n layers of piezoelectric material is realized, which are each electrically between a first terminal 30 and a second terminal 32.
  • the piezoelectric actuator 28 is connected via a hydraulic coupler 34 with a nozzle needle 36 and is controlled by the control unit 14, which has a power and measurement electronics 38 and a control part 40.
  • the coupler 34 has a throttle 42.
  • the throttle 42 allows a slow compensation of the pressures inside and outside the coupler 34, so that only rapid changes in length of the piezoelectric actuator 28 are transmitted to the nozzle needle 36, slow, thermally induced volume changes but are compensated.
  • the control intervention on the power and measurement electronics 38 is in the FIG. 1 represented by the arrow 44.
  • the arrow 46 represents a transfer of a detected by the power and measurement electronics 38 voltage ü to the control part 40.
  • the fuel pressure p in the fuel high-pressure accumulator 16 or another high-pressure fuel leading part of the storage injection system 10 is detected by the pressure sensor 22 and transmitted to the control unit 14.
  • the piezo-actuator 28 acts with a change in length via the hydraulic coupler 34 directly to the nozzle needle 36 a.
  • the nozzle needle 36 sits firmly on its seat when the piezo actuator 28 is charged and thus expanded.
  • the closing force is generated by the pressure in the coupler space. If the piezo actuator 28 is discharged, it contracts and relieves the nozzle needle 36 via the hydraulic coupler 34 filled with fuel.
  • the injection pressure prevailing on a pressure shoulder 49 of the nozzle needle 36 permanently generates an opening force acting on the nozzle needle 36.
  • the pressure in the coupler 34 drops below the amount of the opening force, which leads to a lifting of the nozzle needle 36 from its seat and thus to an injection of fuel.
  • Fig.2 shows an example of an injection quantity Q of a piezoelectric injector 12 on the voltage applied to the piezoelectric actuator 28 output voltage U A.
  • the output voltage U A applied to the piezoelectric actuator 28 is plotted along the abscissa, the ordinate represents the injection quantity Q in cubic millimeters.
  • the group of curves in Fig. 2 is recorded between 200 and 2000 bar for different rail pressures as shown in the legend. It can clearly be seen that, starting from a certain output voltage U A , a large increase in the injection quantity Q occurs, depending on the rail pressure.
  • Fig.2 shows an example of an injection quantity Q of a piezoelectric injector 12 on the voltage applied to the piezoelectric actuator 28 output voltage U A.
  • the output voltage U A applied to the piezoelectric actuator 28 is plotted along the abscissa, the ordinate represents the injection quantity Q in cubic millimeters.
  • the group of curves in Fig. 2 is recorded between 200 and 2000 bar for different rail pressure
  • an injection quantity Q of 30 mm 3 achieved with a further increase in the closing voltage is only a minor increase in the injection quantity, at 200 volts Closing tension and a rail pressure of 2000 bar, an injection quantity of about 44 mm 3 is reached.
  • An operation of the piezoelectric injector 12 is carried out above the voltage U AMin for the respective rail pressure.
  • the piezo-actuator 28 behaves essentially like a capacitor, in the closed state of the injector is an output voltage U A , which is for example 180 volts in the embodiment.
  • the piezoelectric element is discharged, whereby a displacement current flows.
  • a displacement current flows.
  • the piezoelectric element is discharged, whereby a displacement current flows.
  • switchable ohmic resistance for the circuit diagram, via which the piezoelectric element is discharged. If the switch is closed, the piezo element discharges, if it is opened, the discharge is interrupted.
  • Fig. 3 shows the voltage curve at the piezoelectric actuator 28 in one embodiment of a method according to the invention.
  • the output voltage U A 180 V.
  • the piezo-actuator 28 is discharged, wherein a displacement current flows.
  • discharge curves are shown for three charge phases, first in a first discharge phase A of the piezo-actuator 28 is discharged, the discharge is interrupted at a holding voltage U H. This interruption is referred to as Energomungspause .DELTA.t and lasts from time t 1n to time t 2n .
  • the index n denotes the curves 1, 2 and 3. From the time t 2n , the discharge in the second discharge phase B is continued again.
  • a set of curves is shown for the discharge of a piezoactuator 28 except for different holding voltages U H1 , U H2 and U H3 .
  • Fig. 4 is the area provided with a circle X in FIG Fig. 3 shown enlarged. The indices are suppressed for easier legibility.
  • the discharge of the piezo-actuator 28 is interrupted at a holding voltage U H at a time t 1 to a time t 2 .
  • the time interval between t 1 and t 2 is referred to here as energization break ⁇ t. Marked in Fig.
  • FIGS. 3 are several voltage waveforms as curves 1, 2 and 3 for different holding voltages U Hn , namely a curve 1 for a holding voltage U H1 , a curve 2 for a holding voltage U H2 and a curve 3 for a holding voltage U H3 .
  • the times t 1 , t 2 and so on are each provided with an index t 1n , t 2n t 3n , t 4n ..., where n corresponds to the index of the holding voltages U H , as for example t 11 , t 21 and ⁇ t 1 for the curve 1 to the holding voltage U H1 .
  • the holding times .DELTA.t n are chosen identical. After the end of the holding time .DELTA.t the piezoelectric element is energized further, so that the voltage at the piezoelectric actuator 28 drops further.
  • Fig. 4 the voltage curves can be seen in each case between the times t 1n and t 2n .
  • the voltage curve is explained below with reference to the curve 1.
  • the voltage U across the piezoelectric actuator 28 falls after the end of the energization phase at time t 11 first from further until a time t 31 , which reaches a local minimum and then rises again up to a time t 41 again. Between the time t 41 and the re-energization of the piezoelectric element at the time t 21 , the voltage U across the piezoelectric element drops again.
  • the voltage .DELTA.U between the minimum value at the time t 31 and the maximum value at the time t 41 within the Bestromungspause here is about 3 volts.
  • the voltage swing is thus greater than at the holding voltage U H1 of about 85 volts and has no pronounced local maximum, as is the case at the time t 31 at the holding voltage U H1 of 85 volts.
  • the significant increase in the voltage U across the piezoelectric element in the energization break at the holding voltage U H1 of 65 V is due to the fact that the injector 12 opens.
  • Opening of the injector 12 can also be concluded when the voltage gradient ⁇ U / ⁇ t reaches a minimum value.
  • the gradient can be considered shortly before resuming the energization at time t 2n . If this is clearly positive, a successful injection can be assumed.
  • the gradient in the range shortly after reaching the local minimum at the time t 3n is always positive and is not suitable for this consideration.
  • the injector 12 is not opened, the smoothness and ride comfort of the internal combustion engine only slightly.
  • the process can be performed time-controlled or operating time-controlled at long intervals, for example, monthly or every six months or after a certain period of operating hours of the internal combustion engine.
  • the drive voltages of individual injectors 12 can be varied as described above, and the integrators of the quantity compensation control (MAR) can be observed.
  • the quantity compensation control ensures equality of the individual cylinders, so that as much of the individual cylinders contribute as much as possible to the total torque of the internal combustion engine, which generally amounts to the same injection quantities.
  • the quantity compensation control will change the activation times or drive voltages such that a larger injection quantity is effected.
  • the integrator of the injector 12 to be checked moves steeply upwards when the voltage swing changes as described above, the critical drive voltage or the critical voltage swing is reached, with the injected fuel quantity dropping abruptly.
  • Fig. 5 shows a flowchart of the method.
  • the piezoelectric actuator 28 is energized when the output voltage U A is applied, so that the voltage U at the piezoelectric actuator 28 drops.
  • the holding voltage U H the energization of the piezo-actuator 28 is interrupted in step 102.
  • the interruption continues in step 103 for the period ⁇ t.
  • the voltage U applied to the piezoelectric actuator 28 is measured.
  • the voltage change .DELTA.U is measured over time.
  • the voltage change ⁇ U is evaluated as described above.
  • step 105 it is checked whether the voltage thus determined is the opening voltage of the injector.
  • step 106 branches.
  • the holding voltage U H is then increased, this is indicated here by a ++ U H , whereupon branches back to step 101.

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Öffnungsspannung eines Injektors (12) mit einem Piezo-Aktor (28), insbesondere eines Injektors (12) einer Brennkraftmaschine, wobei im geschlossenen Zustand des Injektors (12) eine Ausgangsspannung (UA) an den Piezo-Aktor (28) angelegt wird und die Spannung (U) zum Öffnen des Injektors (12) durch Bestromung des Piezo-Aktors (28) abgesenkt wird. Die Bestromung wird bei einer Haltespannung (UH1, UH2, UH3, … UHn) unterbrochen und danach die an dem Piezo-Aktor (28) anliegende Spannungsänderung (ΔU) über der Zeit gemessen, wobei bei einem Spannungsanstieg auf das Erreichen der Öffnungsspannung (UOE) erkannt wird.

Description

    Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Öffnungsspannung eines Injektors mit einem Piezo-Aktor, insbesondere eines Injektors einer Brennkraftmaschine, wobei im geschlossenen Zustand des Injektors eine Ausgangsspannung an den Piezo-Aktor angelegt wird und die Spannung zum Öffnen des Injektors durch Bestromung des Piezo-Aktors abgesenkt wird, sowie ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens.
  • Düsennadeln von Kraftstoffinjektoren (Injektoren) für moderne Diesel- und Ottomotoren werden aufgrund der hohen dynamischen Anforderungen häufig direkt oder indirekt über piezoelektrische Elemente (piezoelektrische Aktoren oder Piezoaktoren) betätigt.
  • Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften dieser piezoelektrischen Elemente bleiben über die Lebensdauer nicht konstant. Sowohl der Aktorhub als auch die Aktorkapazität und -steifigkeit ändern sich über die Lebensdauer. Diese Änderungen können im Betrieb ohne aufwendige Messtechnik nicht direkt erfasst und damit auch nicht kompensiert werden. Die Folge sind Fehler der eingespritzten Kraftstoffmenge.
  • Aus der WO 01/63121 ist bekannt, dass der Gradient der Spannung an dem Piezoaktor bei dessen Entladen geringer wird, sobald der Injektor öffnet.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, mit denen die zuvor genannten Alterungserscheinungen erfasst und kompensiert werden können.
  • Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Öffnungsspannung eines Injektors einer Brennkraftmaschine mit einem Piezo-Aktor, wobei im geschlossenen Zustand des Injektors eine Ausgangsspannung an den Piezo-Aktor angelegt wird und die Spannung zum Öffnen des Injektors durch Entladen des Piezo-Aktors abgesenkt wird, wobei die Entladung bei einer Haltespannung unterbrochen wird und danach die an dem Piezo-Aktor anliegende Spannungsänderung über der Zeit gemessen wird, wobei die Haltespannung von Einspritzung zu Einspritzung schrittweise erhöht wird bis der Spannungsanstieg nach Unterbrechung der Entladung einen Mindestwert unterschreitet, und wobei bei einem Spannungsanstieg um den Mindestwert darauf erkannt wird, dass die Haltespannung der Öffnungsspannung entspricht.
  • In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Haltespannung von Einspritzung zu Einspritzung schrittweise erhöht wird bis der Spannungsanstieg nach Unterbrechung der Bestromung einen Mindestgradienten unterschreitet.
  • Das Verfahren wird vorzugsweise im regulären Betrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt. Damit ist gemeint, dass das Verfahren keine zusätzlichen Steuergeräte oder Prüfgeräte beispielsweise in einer Werkstatt bedarf, sondern mit den in einem Fahrzeug vorhandenen Mitteln durchgeführt wird. Das Verfahren wird vorzugsweise nach Ablauf eines Intervalls einer Betriebszeit oder Ablauf einer Zeitspanne automatisch von einem Steuergerät programmgesteuert durchgeführt.
  • In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Haltespannung eines Injektors variiert wird und ein Integrator einer Mengen-Ausgleichs-Regelung beobachtet wird. In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass auf das Erreichen der Öffnungsspannung erkannt wird, wenn die Ansteuerzeiten und/oder Ansteuerspannungen des Injektors durch die Mengen-Ausgleichs-Regelung so verändert werden, dass eine größere Einspritzmenge bewirkt wird.
  • Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Steuergerät mit Mitteln zur Bestimmung einer Öffnungsspannung eines Injektors einer Brennkraftmaschine mit einem Piezo-Aktor, wobei im geschlossenen Zustand des Injektors eine Ausgangsspannung an den Piezo-Aktor angelegt wird und die Spannung zum Öffnen des Injektors durch Entladen des Piezo-Aktors abgesenkt wird, wobei die Entladung bei einer Haltespannung unterbrochen wird und danach die an dem Piezo-Aktor anliegende Spannungsänderung über der Zeit gemessen wird, wobei die Haltespannung von Einspritzung zu Einspritzung schrittweise erhöht wird bis der Spannungsanstieg nach Unterbrechung der Entladung einen Mindestwert unterschreitet, und wobei bei einem Spannungsanstieg um den Mindestwert darauf erkannt wird, dass die Haltespannung der Öffnungsspannung entspricht..
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Fig. 1 das technische Umfeld der Erfindung;
    • Fig. 2 ein Beispiel der Einspritzmenge eines piezoelektrischen Injektors über die anliegende Maximalspannung;
    • Fig. 3 ein Beispiel eines Spannungsverlaufs an einem Piezoelement eines piezoelektrischen Injektors bei Unterbrechung der Bestromung;
    • Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des Bereiches X in Fig. 3;
    • Fig. 5 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens.
    Ausführungsform der Erfindung
  • Figur 1 zeigt ein Speichereinspritzsystem 10, das einen Injektor (Einspritzventil) 12, ein Steuergerät 14, einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher 16, einen Kraftstofftank 18, eine Hochdruckpumpe 20, sowie einen Drucksensor 22 und ein Druckregelventil 24 aufweist. Der Injektor 12 ist über eine Hochdruckleitung 26 mit dem Hochdruckspeicher 16 verbunden, so dass in seinem Inneren statisch der gleiche Druck herrscht wie im Hochdruckspeicher 16. Im Inneren des Injektors 12 ist ein Piezo-Aktor 28 angeordnet, der als Stapel aus n Schichten piezoelektrischen Materials realisiert ist, die jeweils elektrisch zwischen einem ersten Anschluss 30 und einem zweiten Anschluss 32 liegen.
  • Der Piezo-Aktor 28 ist über einen hydraulischen Koppler 34 mit einer Düsennadel 36 verbunden und wird von dem Steuergerät 14 gesteuert, das dazu eine Leistungs- und Messelektronik 38 und ein Steuerteil 4 0 aufweist. Der Koppler 34 weist eine Drossel 42 auf. Die Drossel 42 erlaubt einen langsam erfolgenden Ausgleich der Drücke innerhalb und außerhalb des Kopplers 34, so dass nur schnelle Längenänderungen des Piezo-Aktors 28 auf die Düsennadel 36 übertragen werden, langsame, thermisch induzierte Volumenänderungen aber ausgeglichen werden.
  • Der Steuereingriff auf die Leistungs- und Messelektronik 38 wird in der Figur 1 durch den Pfeil 44 repräsentiert. Der Pfeil 46 repräsentiert eine Übergabe einer von der Leistungs- und Messelektronik 38 erfassten Spannung ü an das Steuerteil 40. Die Ladung und Entladung des Piezo-Aktors 28 erfolgt über die Anschlüsse 30 und 32. Der Kraftstoffdruck p im Kraftstoff-Hochdruckspeicher 16 oder einem anderen unter Hochdruck stehenden Kraftstoff führenden Teil des Speichereinspritzsystems 10 wird von dem Drucksensor 22 erfasst und an das Steuergerät 14 übermittelt.
  • Wie in der Figur 1 prinzipiell dargestellt ist, wirkt der Piezo-Aktor 28 mit einer Längenänderung über den hydraulischen Koppler 34 direkt auf die Düsennadel 36 ein. Die Düsennadel 36 sitzt fest auf ihrem Sitz, wenn der Piezo-Aktor 28 geladen und damit ausgedehnt ist. Die Schließkraft wird dabei durch den Druck im Kopplerraum erzeugt. Wird der Piezo-Aktor 28 entladen, so zieht er sich zusammen und entlastet über den mit Kraftstoff gefüllten hydraulischen Koppler 34 die Düsennadel 36. Der an einer Druckschulter 49 der Düsennadel 36 herrschende Einspritzdruck erzeugt permanent eine auf die Düsennadel 36 wirkende Öffnungskraft. Beim Entladen des Piezo-Aktors 28 sinkt der Druck im Koppler 34 unter den Betrag der Öffnungskraft ab, was zu einem Abheben der Düsennadel 36 von ihrem Sitz und damit zu einer Einspritzung von Kraftstoff führt.
  • Fig.2 zeigt ein Beispiel einer Einspritzmenge Q eines piezoelektrischen Injektors 12 über der an dem Piezo-Aktors 28 anliegenden Ausgangsspannung UA. Über die Abszisse ist dabei die am Piezo-Aktor 28 anliegende Ausgangsspannung UA aufgetragen, über die Ordinate ist die Einspritzmenge Q in Kubikmillimeter aufgetragen. Die Kurvenschar in Fig. 2 ist für unterschiedliche Raildrücke, wie in der Legende dargestellt, zwischen 200 und 2000 bar aufgezeichnet. Deutlich zu erkennen ist, dass ab einer bestimmten Ausgangsspannung UA, abhängig vom Raildruck eine starke Erhöhung der Einspritzmenge Q auftritt. In Fig. 2 wird dabei davon ausgegangen, dass eine Spannungsabsenkung von der Ausgangsspannung UA am Aktor auf eine Öffnungsspannung UOE von etwa 0 Volt stattfindet, dass also das Piezoelement vollständig entladen wird. Die minimal erforderliche Ausgangsspannung UA am Aktor ist in Fig. 2 jeweils mit UAMin (Raildruck) aufgetragen, die minimal erforderliche Ausgangsspannung UA an dem Piezoelement für eine sichere Einspritzung bei einem Einspritzdruck bzw. Raildruck von 2000 bar ist also als UAMin (2000) bezeichnet. Wird der Piezo-Aktor 28 bei einem Raildruck von 2000 bar also beispielsweise mit einer Ausgangsspannung UA von 120 Volt betrieben, so öffnet der Injektor 12 bei einer Spannungsabsenkung auf 0 Volt nicht. Bei einer Ausgangsspannung UA von etwa 125 Volt bei einem Raildruck von 2000 bar wird demgegenüber bei einer Spannungsabsenkung auf 0 Volt beispielsweise eine Einspritzmenge Q von 30 mm3 erzielt, bei einer weiteren Erhöhung der Schließspannung erfolgt nur ein geringerer Anstieg der Einspritzmenge, bei 200 Volt Schließspannung und einem Raildruck von 2000 bar wird eine Einspritzmenge von etwa 44 mm3 erreicht. Ein Betrieb des piezoelektrischen Injektors 12 erfolgt oberhalb der Spannung UAMin für den jeweiligen Raildruck. Der Piezo-Aktor 28 verhält sich im Wesentlichen wie ein Kondensator, im geschlossenen Zustand des Injektors liegt dabei eine Ausgangsspannung UA an, die im Ausführungsbeispiel beispielsweise 180 Volt beträgt. Zum Öffnen des Injektors wird das Piezoelement entladen, wobei ein Verschiebestrom fließt. Im einfachsten Fall kann man sich hier als Ersatzschaltbild einen zwischen den Klemmen des Piezoelementes angeordneten, schaltbaren Ohmschen Widerstand für das Schaltbild vorstellen, über den das Piezoelement entladen wird. Wird der Schalter geschlossen, so entlädt sich das Piezoelement, wird dieser geöffnet, so wird die Entladung unterbrochen.
  • Fig. 3 zeigt den Spannungsverlauf an dem Piezo-Aktor 28 bei einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In diesem Beispiel beträgt die Ausgangsspannung UA=180 V. Um eine Einspritzung abzusetzen wird der Piezo-Aktor 28 entladen, wobei ein Verschiebestrom fließt. In Fig. 3 sind Entladekurven dargestellt für drei Ladungsphasen, zunächst wird in einer ersten Entladungsphase A der Piezo-Aktor 28 entladen, wobei die Entladung bei einer Haltespannung UH unterbrochen wird. Diese Unterbrechung wird als Bestromungspause Δt bezeichnet und dauert von Zeitpunkt t1n bis zu Zeitpunkt t2n. Der Index n bezeichnet die Kurven 1, 2 und 3. Ab dem Zeitpunkt t2n wird die Entladung in der zweiten Entladungsphase B wieder fortgesetzt. In Fig. 3 dargestellt ist eine Kurvenschar für die Entladung eines Piezo-Aktors 28 bis auf unterschiedliche Haltespannungen UH1, UH2 und UH3. In Fig. 4 ist der mit einem Kreis X versehene Bereich in Fig. 3 vergrößert dargestellt. Die Indizes werden der leichteren Lesbarkeit halber nachfolgen unterdrückt. Die Entladung des Piezo-Aktors 28 wird bei einer Haltespannung UH zu einer Zeit t1 bis zu einer Zeit t2 unterbrochen. Die Zeitspanne zwischen t1 und t2 wird hier als Bestromungspause Δt bezeichnet. Eingezeichnet in Fig. 3 sind mehrere Spannungsverläufe als Kurven 1, 2 und 3 für unterschiedliche Haltespannungen UHn, nämlich eine Kurve 1 für eine Haltespannung UH1, eine Kurve 2 für eine Haltespannung UH2 sowie eine Kurve 3 für eine Haltespannung UH3. Die Zeiten t1, t2 und so fort sind jeweils mit einem Index t1n, t2n t3n, t4n ... versehen, wobei n dem Index der Haltespannungen UH entspricht, als beispielsweise t11, t21 und Δt1 für die Kurve 1 zur Haltespannung UH1. Die Haltezeiten Δtn sind dabei jeweils identisch gewählt. Nach Ende der Haltezeit Δt wird das Piezoelement weiter bestromt, so dass die Spannung an dem Piezo-Aktor 28 weiter abfällt.
  • In Fig. 4 sind die Spannungsverläufe jeweils zwischen den Zeiten t1n und t2n zu erkennen. Der Spannungsverlauf wird nachfolgend anhand der Kurve 1 erläutert. Die Spannung U über dem Piezo-Aktor 28 fällt nach Ende der Bestromungsphase zum Zeitpunkt t11 zunächst weiter ab bis zu einem Zeitpunkt t31, wobei diese ein lokales Minimum erreicht und steigt danach bis zu einem Zeitpunkt t41 wieder an. Zwischen dem Zeitpunkt t41 und dem Wiedereinsetzen der Bestromung des Piezoelements zum Zeitpunkt t21, fällt die Spannung U über dem Piezoelement wieder ab. Die Spannung ΔU zwischen dem Minimalwert zum Zeitpunkt t31 und dem Maximalwert zum Zeitpunkt t41 innerhalb der Bestromungspause beträgt hier etwa 3 Volt.
  • Wird die Entladung erst bei der Haltespannung UH3 von etwa 65 Volt unterbrochen, dies ist bei einer Zeit t31 der Fall, so sinkt zunächst die Spannung weiter ab, bis zu einem Zeitpunkt t33 und steigt danach wieder an. Der Anstieg erfolgt praktisch bis zum Wiedereinsetzen der Bestromung zum Zeitpunkt der Bestromung t23 und umfasst einen Spannungshub ΔU3 von etwa 5 V. Der Spannungshub ist hier also größer als bei der Haltespannung UH1 von etwa 85 Volt und weist kein ausgeprägtes lokales Maximum auf, wie dies zum Zeitpunkt t31 bei der Haltespannung UH1 von 85 Volt der Fall ist. Der deutliche Anstieg der Spannung U über dem Piezoelement in der Bestromungspause bei der Haltespannung UH1 von 65 V ist darauf zurückzuführen, dass der Injektor 12 öffnet.
  • Je höher der Spannungshub des Piezo-Aktors 28, umso stärker wird die Nadel durch eine Druckabsenkung hydraulischen Koppler 34 entlastet. Ab einem gewissen Spannungshub wird die Nadel so weit aus dem Sitz gehoben, dass sie durch eine Druckunterwanderung schlagartig nach oben schnappt, bis ein Kräftegleichgewicht über den steigenden Druck im hydraulischen Koppler 34 zwischen Aktorkraft und Nadelkraft hergestellt ist. Der zuvor gedehnte Verbund bestehend aus Aktor, Nadel und der Kopplung von Koppler und Nadel wird dabei wieder gestaucht. Durch diese Stauchung wird über den piezoelektrischen Effekt in dem piezoelektrischen Aktor eine elektrische Spannung in dem Piezo-Aktor 28 induziert, die in der Entladepause Δt sichtbar wird.
  • Wird in der Entladepause Δt ein Spannungsanstieg mit stets positivem Gradienten ab Erreichen des Minimalwertes bei t3n beobachtet, so hat der Injektor 12 geöffnet. Wird eine Spannungsanhebung oberhalb eines Minimalwertes ΔUmin, im vorliegenden Beispiel der Fig. 3 und 4 oberhalb eines Wertes von etwa 3 Volt, beobachtet, so kann ebenfalls auf das Öffnen des Injektors 12 geschlossen werden.
  • Auf ein Öffnen des Injektors 12 kann ebenfalls geschlossen werden, wenn der Spannungsgradient ΔU/Δt einen Mindestwert erreicht. Hier kann beispielsweise der Gradient kurz vor Wiedereinsetzen der Bestromung im Zeitpunkt t2n betrachtet werden. Ist dieser deutlich positiv, so kann von einer erfolgten Einspritzung ausgegangen werden. Der Gradient im Bereich kurz nach Erreichen des lokalen Minimums bei der Zeit t3n ist stets positiv und eignet sich nicht für diese Betrachtung.
  • Mit dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, im Betrieb einer Brennkraftmaschine festzustellen, bei welchem Spannungshub oder ausgehend von einer konstanten Schließspannung bei welcher Öffnungsspannung ein Injektor 12 öffnet. Das Verfahren kann im regulären Betrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt werden, indem der Spannungshub schrittweise bei aufeinander folgenden Einspritzungen verringert wird. Sobald in der Entladepause Δt (Bestromungspause) ein negativer Spannungsgradient, wie beispielsweise in Kurve 1 der Fig. 4 zu erkennen ist, eintritt, hat der Injektor 12 nicht geöffnet. Gleiches gilt, wenn die Spannungsdifferenz ΔU in der Bestromungspause unter einen Schwellenwert ΔUs fällt, im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 liegt dieser Schwellenwert bei etwa 3 Volt. Wird das erfindungsgemäße Verfahren im mittleren Drehzahlbereich einer Brennkraftmaschine durchgeführt, so beeinträchtigen nicht ausgeführte Einspritzungen bei erreichen eines Spannungshubes, der das Injektor 12 nicht geöffnet, die Laufruhe und den Fahrkomfort der Brennkraftmaschine nur unwesentlich. Zudem kann das Verfahren zeitgesteuert oder betriebszeitgesteuert in großen Abständen durchgeführt werden, beispielsweise monatlich oder halbjährlich oder nach Ablauf einer bestimmten Zeit von Betriebsstunden der Brennkraftmaschine.
  • Zur Durchführung des Verfahrens können in einem Ausführungsbeispiel während des Fahrzeugbetriebes die Ansteuerspannungen einzelner Injektoren 12 wie zuvor beschrieben variiert werden und dabei die Integratoren der Mengen-Ausgleichs-Regelung (MAR) beobachtet werden. Die Mengen-Ausgleichs-Regelung sorgt für eine Gleichstellung der einzelnen Zylinder, dass also von den einzelnen Zylindern ein möglichst gleicher Anteil am Gesamtdrehmoment der Brennkraftmaschine beigesteuert wird, was in der Regel auf gleiche Einspritzmengen hinausläuft. Die Mengen-Ausgleichs-Regelung wird bei einer Veränderung des Spannungshubes eines Injektors 12 und damit einhergehender Verringerung der Einspritzmenge die Ansteuerzeiten bzw. Ansteuerspannungen so verändern, dass eine größere Einspritzmenge bewirkt wird. Sobald bei einer Veränderung des Spannungshubes wie zuvor beschrieben der Integrator des zu überprüfenden Injektors 12 steil nach oben verläuft, ist die kritische Ansteuerspannung bzw. der kritische Spannungshub erreicht, wobei die eingespritzte Kraftstoffmenge schlagartig abfällt.
  • Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens. Mit Schritt 101 wird der Piezo-Aktor 28 bei anliegender Ausgangsspannung UA bestromt, sodass die Spannung U an dem Piezo-Aktor 28 abfällt. Bei der Haltespannung UH wird die Bestromung des Piezo-Aktors 28 in Schritt 102 unterbrochen. Die Unterbrechung dauert in Schritt 103 für den Zeitraum Δt an. Während des Zeitraumes Δt wird die an den Piezo-Aktor 28 anliegende Spannung U gemessen. Dabei wird die Spannungsänderung ΔU über der Zeit gemessen. In Schritt 104 wird die Spannungsänderung ΔU, wie oben beschrieben, ausgewertet. In Schritt 105 wird geprüft, ob die so ermittelte Spannung die Öffnungsspannung des Injektors ist. Ist dies der Fall, wo wird das Verfahren in Schritt 107 beendet (Fall N), ist dies nicht der Fall (J), so wird in Schritt 106 verzweigt. In Schritt 106 wird sodann die Haltespannung UH erhöht, dies ist hier angedeutet durch ein ++UH, woraufhin auf Schritt 101 zurückverzweigt wird.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Bestimmung einer Öffnungsspannung eines Injektors (12) einer Brennkraftmaschine mit einem Piezo-Aktor (28), wobei im geschlossenen Zustand des Injektors (12) eine Ausgangsspannung (UA) an den Piezo-Aktor (28) angelegt wird und die Spannung (U) zum Öffnen des Injektors (12) durch Entladen des Piezo-Aktors (28) abgesenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladung bei einer Haltespannung (UH1, UH2, UH3, ... UHn) unterbrochen wird und danach die an dem Piezo-Aktor (28) anliegende Spannungsänderung (ΔU) über der Zeit gemessen wird, wobei die Haltespannung (UH1, UH2, UH3, ... UHn) von Einspritzung zu Einspritzung schrittweise erhöht wird bis der Spannungsanstieg nach Unterbrechung der Entladung einen Mindestwert (ΔUmin) unterschreitet, und wobei bei einem Spannungsanstieg um den Mindestwert (ΔUmin) darauf erkannt wird, dass die Haltespannung (UH1, UH2, UH3, ... UHn) der Öffnungsspannung (UOE) entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltespannung (UH1, UH2, UH3, ... UHn) von Einspritzung zu Einspritzung schrittweise erhöht wird bis der Spannungsanstieg (ΔUmin) nach Unterbrechung der Bestromung einen Mindestgradienten (ΔUmin/Δt) unterschreitet.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses im Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses nach Ablauf eines Intervalls einer Betriebszeit oder Ablauf einer Zeitspanne erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltespannung (UH1, UH2, UH3, ... UHn) eines Injektors (12) variiert wird und ein Integrator einer Mengen-Ausgleichs-Regelung beobachtet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Erreichen der Öffnungsspannung (UOE) erkannt wird, wenn die Ansteuerzeiten und/oder Ansteuerspannungen des Injektors (12) durch die Mengen-Ausgleichs-Regelung so verändert werden, dass eine größere Einspritzmenge bewirkt wird.
  7. Steuergerät mit Mitteln zur Bestimmung einer Öffnungsspannung eines Injektors (12) einer Brennkraftmaschine mit einem Piezo-Aktor (28), wobei im geschlossenen Zustand des Injektors (12) eine Ausgangsspannung (UA) an den Piezo-Aktor (28) angelegt wird und die Spannung (U) zum Öffnen des Injektors (12) durch Entladen des Piezo-Aktors (28) abgesenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladung bei einer Haltespannung (UH1, UH2, UH3, ... UHn) unterbrochen wird und danach die an dem Piezo-Aktor (28) anliegende Spannungsänderung (ΔU) über der Zeit gemessen wird, wobei die Haltespannung (UH1, UH2, UH3, ... UHn) von Einspritzung zu Einspritzung schrittweise erhöht wird bis der Spannungsanstieg nach Unterbrechung der Entladung einen Mindestwert (ΔUmin) unterschreitet, und wobei bei einem Spannungsanstieg um den Mindestwert (ΔUmin) darauf erkannt wird, dass die Haltespannung (UH1, UH2, UH3, ... UHn) der Öffnungsspannung (UOE) entspricht.
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