WO2006076992A1 - Verfahren zum betreiben einer kraftstoff-einspritzvorrichtung einer brennkraftmaschine - Google Patents

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Wolfgang Stoecklein
Holger Rapp
Udo Schulz
Hideyuki Iwatsuki
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    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/06—Fuel or fuel supply system parameters
    • F02D2200/063—Lift of the valve needle

Definitions

  • the invention initially relates to a method for operating a fuel injection device of an internal combustion engine, in which a piezoelectric actuator is coupled to a valve element of the fuel injection device, wherein the valve element has a pressure stage.
  • the invention further relates to a computer program, an electrical storage medium for a control and / or regulating device of an internal combustion engine, and a control and / or regulating device for an internal combustion engine.
  • a method of the aforementioned type is known from EP 1 172 541 A1.
  • a valve element in the form of a valve needle is provided, which can be hydraulically opened or closed by a pressure in a control room. The pressure in the control room will turn by a
  • Switching valve influenced, which is coupled via a hydraulic coupler with a piezoelectric actuator.
  • the predetermined current profile can be additionally scaled by a superimposed voltage regulator, so that at least the voltage levels at the end of the charging or
  • Discharge operations are set by a closed loop.
  • the voltage gradient can not be set arbitrarily high. On the one hand, it is limited by the maximum current of an output stage, with which the piezoelectric actuator is driven, and on the other by the fact that at a high voltage gradient there is a risk that the resonance of the piezoelectric actuator is excited, resulting in destruction or at least can lead to damage of the piezoelectric actuator.
  • the "voltage swing" required for actuation of the valve element that is to say the difference between the initial and final voltage when the piezoactuator is actuated, increases with increasing fuel pressure acting on the valve element in the opening direction.
  • the fuel injection device is designed so that at a high fuel pressure, a large part of the available voltage lift must be used to open the valve element. After opening, the valve element accelerates and moves so far until there is an equilibrium of forces at the oppositely directed pressure surfaces of the valve element. At a high fuel pressure, this equilibrium point is reached only when almost fully open valve element.
  • pilot injection Due to the conditions described, it is difficult to inject very small amounts of fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine in the known fuel injection device. Such small and smallest injection quantities are desired especially in pilot injections ("pilot injection").
  • Object of the present invention is to be able to inject with a fuel injector with direct coupling between the piezoelectric actuator and the valve element as small amounts of fuel, at the same time stable operation of the fuel injection device, that is, without vibrations or resonance problems.
  • This object is achieved in a fuel injection device of the type mentioned above in that an increase in the force acting on the piezoelectric actuator as an actual opening of the valve element (actual injection start) and / or a drop in the force acting on the piezoelectric actuator as an actual closing of the valve element (actual injection end) interpreted and at least temporarily taken into account in the control of the piezoelectric actuator.
  • an electrical storage medium and a control and / or regulating device of the type mentioned the object is achieved accordingly.
  • the inventive method enables stable operation of a fuel injection device in which the valve element and the piezoelectric actuator are directly coupled, at very small injection quantities of down to 1 mrt ⁇ 3 / injection and at the same time very high fuel pressures.
  • the inventive method allows an increase in the metering accuracy even with larger injection quantities, since the actual injection start and / or the actual injection end are known or is and can be taken into account in the control of the piezoelectric actuator.
  • Combustion chamber of the internal combustion engine can be significantly improved.
  • Closing operation of the valve element is initiated depending on the actual injection start. This allows a very precise realization of a desired opening duration of the valve element. As a result, the metering accuracy also be improved in the partial and full load range of an internal combustion engine.
  • Signal or a signal gradient with which the piezoelectric actuator is controlled is changed as soon as an actual injection start was detected.
  • a signal gradient for example, a voltage gradient in question or - even more effective - as a signal, a current with which the
  • Piezoelectric actuator is charged or discharged. Since the sign change or the switching from unloading to loading or vice versa is regulated on the basis of a detected actual injection start of the valve element, the smallest amount of fuel can also be displayed very stably.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention is characterized in that the actual injection start and / or the actual injection end is regulated according to a desired value. Unlike in previously known methods, therefore, not more start and / or end of the control of the piezoelectric actuator, but the actual actual injection start and / or the actual injection end is regulated, which not only accurate metering a desired amount of fuel, but also a precise implementation allows a desired injection timing. In this case, it is avoided that a scattering of the delay time between activation start and start of injection or activation end and injection end has an effect on the fuel metering.
  • Another important advantageous embodiment of the method according to the invention provides that a change in the force acting on the piezoelectric actuator is detected by a change in an electrical variable of the piezoelectric actuator influenced by the force.
  • This is based on the idea that the force change acting on the piezoelectric actuator leads to a change in length.
  • a predetermined expansion curve- that is, with a "stamped-in” current profile - this results in a change in the voltage profile and, when operated with an "impressed” voltage curve, a change in the actuator current profile.
  • This change can be detected according to the invention without further notice, so that an actual injection start or an actual injection end can be detected without an additional sensor being required.
  • a concrete development of this variant of the method provides that the piezoelectric actuator is discharged or charged with a predetermined voltage curve for opening the valve element, and that an actual injection start is detected when a discharge current or a charging current exceeds or falls below a limit value, wherein the limit value is formed by the product of a capacitance constant of the piezoelectric actuator and the discharge or charging voltage gradient. This method is very easy to implement.
  • the piezoelectric actuator is discharged or charged with a predetermined current profile to open the valve element, and in which an actual injection start is detected when a discharge or charging voltage gradient of one Threshold exceeds or falls below, wherein the limit is formed by the quotient of discharge or charging current and a capacitance constant of the piezoelectric actuator.
  • a knowledge of the charging and discharging strategy used is required. Regardless of such a strategy is a method in which to open the valve element, the piezoelectric actuator is discharged or charged, and in which a current component is estimated by a disturbance observer, which results from the increase of the force acting on the piezoelectric actuator, and in which an actual injection start is detected when the current share exceeds a limit.
  • a disturbance observer may be a Luenberger observer method.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine with several Kraftstoffinj sectors;
  • FIG. 2 shows a partial section through a fuel injector of FIG. 1;
  • Figure 3 is a diagram in which a force acting in the opening direction over a stroke of a
  • Valve element of a fuel injector of Figure 2 is applied;
  • FIG. 4 shows a diagram in which various operating parameters of a fuel injector of FIG.
  • Figure 2 are plotted over an injection process over time
  • FIG. 5 is a functional diagram of a first method for operating a fuel injector of FIG.
  • Figure 6 is a functional diagram of a second method of operating a fuel injector of Figure 2;
  • FIG. 7 is a functional diagram of a third method for operating a fuel injector of FIG. 2.
  • an internal combustion engine carries the overall reference numeral 10. It comprises a plurality of combustion chambers 12, in which the fuel directly from a J eterrorism
  • Fuel injector 14 is injected.
  • the fuel injectors 14 are connected to one
  • Fuel pressure accumulator (“rail") 16 is connected, in which the fuel is conveyed by a conveyor system 18.
  • the operation of the fuel injectors 14 is controlled by a Control and / or regulating device 20 controlled or regulated (dashed lines).
  • input signals are used by various sensors, which are not shown in Figure 1.
  • the fuel injector 14 comprises a housing 22 in which a needle-like valve element 24 is received in a longitudinally displaceable manner. This has an acting in the opening direction of the pressure shoulder 26 which is arranged in a pressure chamber 28 which is connected via a channel 30 with the fuel pressure accumulator 16. A likewise acting in the opening direction conical pressure surface 32 is fluidly separated from the pressure chamber 28 in the closed state of the valve element.
  • the opposite of the pressure surface 32 end of the valve element 24 projects with a surface 34 into a hydraulic control chamber 36 into which the high pressure of the fuel pressure accumulator prevails.
  • the control chamber 36 is also delimited by a control piston 38 whose diameter in the present embodiment is greater than the control surface 34 of the valve element 24.
  • the control piston 38 is attached to a piezoelectric actuator 40, which, optionally with the interposition of a power amplifier, not shown in Figure 2, is controlled by the control and / or regulating device 20.
  • the piezoelectric actuator 40 is driven so that its length is reduced.
  • the control piston 38 in FIG. 2 moves upwards.
  • the valve element 24 moves upwards.
  • the high fuel pressure prevailing in the pressure chamber 28 also abuts the end-side pressure surface 32 of the valve element 24, which, after the first opening movement of the valve element 24, leads to an additional force acting in the opening direction and to an accelerated opening of the valve element 24.
  • valve element 24 Since the force acting on the valve element 24 in the opening direction increases rapidly immediately after opening, it is also referred to as a valve element with a "pressure stage". The increase in the force acting in the opening direction on the valve element 24 force F is also apparent from Figure 3, where this is plotted against an opening stroke H. Fuel can now pass through fuel outlet channels 42 into the combustion chamber 12.
  • valve element 24 when the valve element 24 is to be closed, the piezo actuator 40 is charged. To open the valve element 24 is the
  • Piezo actuator 40 discharged.
  • the piezoelectric actuator 40 is charged or discharged with a specific, in the present case substantially linear voltage curve.
  • the voltage curve or the voltage gradient is measured during discharging and charging, and the charging or discharging current is adjusted accordingly.
  • the factors C 0 and C x are capacitance constants, U a voltage applied to the piezoelectric actuator, and x a current length of the piezoelectric actuator 40.
  • the length-dependent component Q x is based on the following consideration:
  • the force acting in the opening direction on the valve element 24 is transmitted via the hydraulic coupling of the pressure chamber 28 and the control piston 38 also to the piezoelectric actuator 40. If the valve element 24 opens, this results due to the pressure level on the valve element 24 to one
  • the valve element 24 is just opening. If the charging current i exceeds this value when the piezoactuator 40 is being charged, the direction of movement of the valve element 24 is changing. If the charging current during charging drops below this value, the valve element 24 is closing.
  • the voltage U applied to the piezoelectric actuator 40 is designated by 44, the current i by 46, the limit C 0 ⁇ du / dt by 48 (dot-dashed curve) and a stroke H of the valve element 24 by 50.
  • the start of injection takes place at the time ti, the direction reversal of the valve element 24 at time t 2 , and the injection end is at the time t 3 .
  • Kraftstoffinj ector 14 at the time ti is the piezoelectric actuator
  • the discharge current i is changed so that the gradient du / dt of the voltage u has an inverse sign.
  • the closing of the valve element 24 is thus initiated depending on the actual opening (start of injection). Since the actual injection start and the actual injection end can be detected at the times ti or t 3 on the basis of the specified method, these can in each case be controlled according to a desired value. It is also possible to regulate the actual injection start at time ti and a difference dt x , which is also referred to as actual injection duration, according to a desired value.
  • Valve element 24 in the opening understood. If the voltage gradient du / dt falls below this value, the valve element 24 closes straight.
  • the injection start and the injection end can also be determined irrespective of the charging and discharging strategy, that is, irrespective of whether a specific voltage curve or a specific current profile is predetermined. This is done with the aid of a Störssennbeobachter 51, for example, a Luenberger observer method (see Figure 5). Integrate the equation
  • Equation (7) can be understood as a transmission path, of the input variables of which, however, only the current i can be measured. However, the current variable i x which depends on the change in length of the piezoelectric actuator 40 or the increase in force upon opening of the valve element 24 can not be measured.
  • the charging or discharging current i known in the control and / or regulating device 20 is first fed to a path simulation (block 52 in FIG. 5).
  • this path simulation consists of an integrator with the integration constant C 0 or with a time constant calculated by normalization from the integration constant C 0 .
  • the output of this integrator 52 is an observed voltage u b at the piezo actuator 40.
  • a feedback element 56 This may be, for example, a simple proportional amplifier or a PI element, but also an amplifier with a second or higher order transmission behavior.
  • the output signal of the feedback element 56 is then applied with a negative sign to the input of the path simulation 52.
  • This output signal now follows the per se unknown quantity i x according to the transmission behavior of the observer 51 and can either be used directly or via a further filter element 58 as an observed signal i x , b for the unknown quantity i x . If the signal i x , b falls below a defined threshold during discharge, then an opening of the valve element 24 detected, it exceeds a second threshold defined when loading, the beginning of the closing operation of the valve element 24 is detected. If, at the end of the charging process, it falls below this second or a further third threshold, this is detected as the end of injection.
  • the feedback element and the filter element 58 can be combined to form a unit 60.
  • the filtered signal is formed from weighted components of the output signal of the feedback element.
  • the example of a PI element as a feedback element 56 can be illustrated as follows: For example, as the observed signal i x , b instead of the output signal of the feedback element 56, only the I component or the sum of the I component and the factor K multiplied P-portion, where K should then be between 0 and 1. This corresponds to a filtering of the output signal with a first-order delay element.
  • the path simulation of the piezoelectric actuator 40 can be adapted even more precisely to its real behavior.
  • a non-linear behavior of the piezoactuator 40 can be simulated by a similarly non-linear integrator 52 and / or hysteresis effects can be introduced by insertion a hysteresis member 60 are considered in the route simulation (see Figure 7).

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Abstract

Eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (14) einer Brennkraftmaschine umfasst einen Piezoaktor (40) und ein Ventilelement (24), die miteinander gekoppelt sind. Das Ventilelement (24) weist eine Druckstufe auf. Es wird vorgeschlagen, dass ein Ansteigen der auf den Piezoaktor (40) wirkenden Kraft als ein tatsächliches Öffnen des Ventilelements (24) (Ist-Spritzbeginn) und/oder ein Abfallen der auf dem Piezoaktor (40) wirkenden Kraft als ein tatsächliches Schließen des Ventilelements (24) (Ist- Spritzende) interpretiert und bei der Ansteuerung des Piezoaktors (40) wenigstens zeitweise berücksichtigt wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff- Einspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Piezoaktor mit einem Ventilelement der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gekoppelt ist, wobei das Ventilelement eine Druckstufe aufweist . Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung einer Brennkraftmaschine, und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine .
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der EP 1 172 541 Al bekannt . Bei der dortigen Kraftstoff- Einspritzvorrichtung ist ein Ventilelement in Form einer Ventilnadel vorgesehen, welches hydraulisch durch einen Druck in einem Steuerraum geöffnet oder geschlossen werden kann . Der Druck im Steuerraum wird wiederum durch ein
Schaltventil beeinflusst, welches über einen hydraulischen Koppler mit einem Piezoaktor gekoppelt ist .
Vom Markt her bekannt ist ferner eine Kraftstoff- Einspritzvorrichtung, bei welcher das Ventilelement unmittelbar, also ohne Zwischenschaltung eines Schaltventils , ebenfalls über einen hydraulischen Koppler mit dem Piezoaktor gekoppelt ist . Dabei kann beim Laden und Entladen des Piezoaktors entweder der Spannungsverlauf des Piezoaktors vorgegeben werden, oder es wird ein Stromverlauf vorgegeben, der dann zu einer gewünschten
Spannung am Ende des Lade- beziehungsweise Entladevorgangs führt . Im zuletzt genannten Fall kann das vorgegebene Stromprofil zusätzlich durch einen überlagerten Spannungsregler skaliert werden, so dass zumindest die Spannungsniveaus am Ende der Lade- beziehungsweise
Entladevorgänge durch einen geschlossenen Regelkreis eingestellt werden .
Der Spannungsgradient kann dabei jedoch nicht beliebig hoch eingestellt werden . Zum einen ist er durch den maximalen Strom einer Endstufe begrenzt, mit der der Piezoaktor angesteuert wird, und zum anderen durch die Tatsache, dass bei einem zu hohen Spannungsgradienten die Gefahr besteht, dass die Resonanz des Piezoaktors angeregt wird, was zu einer Zerstörung oder mindestens zu einer Beschädigung des Piezoaktors führen kann .
Bei der bekannten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nimmt der für eine Betätigung des Ventilelements erforderliche "Spannungshub" , also die Differenz zwischen Anfangs- und Endspannung bei einer Ansteuerung des Piezoaktors , mit zunehmendem Kraftstoffdruck, der auf das Ventilelement in Öffnungsrichtung wirkt, zu . Dabei ist die Kraftstoff- Einspritzvorrichtung so ausgelegt, dass bei einem hohen Kraftstoffdruck ein Großteil des zur Verfügung stehenden Spannungshubs ausgeschöpft werden muss , um das Ventilelement zu öffnen . Nach dem Öffnen beschleunigt das Ventilelement und bewegt sich so weit, bis an den entgegengesetzt ausgerichteten Druckflächen des Ventilelements ein Kräftegleichgewicht herrscht . Bei einem hohen Kraftstoffdruck wird dieser Gleichgewichtspunkt erst bei fast vollständig geöffnetem Ventilelement erreicht .
Aufgrund der beschriebenen Verhältnisse ist es schwierig, bei der bekannten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung sehr kleine Kraftstoffmengen in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen . Derartige kleine und kleinste Einspritzmengen sind vor allem bei Voreinspritzungen ( "Piloteinspritzung" ) gewünscht .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , mit einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit direkter Koppelung zwischen Piezoaktor und Ventilelement möglichst geringe Kraftstoffmengen einspritzen zu können, bei gleichzeitig stabilem Betrieb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, das heißt also ohne Schwingungen oder Resonanzprobleme .
Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoff- Einspritzvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Ansteigen der auf den Piezoaktor wirkenden Kraft als ein tatsächliches Öffnen des Ventilelements (Ist- Spritzbeginn) und/oder ein Abfallen der auf den Piezoaktor wirkenden Kraft als ein tatsächliches Schließen des Ventilelements (Ist-Spritzende) interpretiert und bei der Ansteuerung des Piezoaktors wenigstens zeitweise berücksichtigt wird. Bei einem Computerprogramm, einem elektrischen Speichermedium und einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der eingangs genannten Art wird die gestellte Aufgabe entsprechend gelöst .
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen stabilen Betrieb einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, bei der das Ventilelement und der Piezoaktor direkt gekoppelt sind, bei sehr kleinen Einspritzmengen von bis herab zu 1 mrtι3/Einspritzung und bei gleichzeitig sehr hohen Kraftstoffdrücken . Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Erhöhung der Zumessgenauigkeit auch bei größeren Einspritzmengen, da der Ist-Spritzbeginn und/oder das Ist-Spritzende bekannt sind beziehungsweise ist und bei der Ansteuerung des Piezoaktors berücksichtigt werden kann .
Hintergrund für diese Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Tatsache, dass bei einem Ventilelement mit einer Druckstufe unmittelbar nach dem Öffnen des Ventilelements beziehungsweise einer Ansteuerung des Piezoaktors eine zusätzliche Kraft in Öffnungsrichtung auf das Ventilelement wirkt . Aufgrund der direkten Kopplung des Ventilelements mit dem Piezoaktor wirkt diese zusätzliche Kraft auch auf den Piezoaktor . Indem die Änderung der auf den Piezoaktor wirkenden Kraft erfasst wird, kann ein Zeitpunkt, zu dem das Ventilelement tatsächlich öffnet (Ist-Spritzbeginn) beziehungsweise ein Zeitpunkt, zu dem das Ventilelement schließt (Ist-Spritzende) während des Betriebs der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung erfasst werden . Ist j edoch der Ist-Spritzbeginn beziehungsweise das Ist-Spritzende bekannt, kann die Ansteuerung des Piezoaktors entsprechend angepasst und hierdurch die Genauigkeit beim Einbringen von Kraftstoff in einen
Brennraum der Brennkraftmaschine erheblich verbessert werden .
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus , dass ein
Schließvorgang des Ventilelements abhängig vom Ist- Spritzbeginn eingeleitet wird. Dies gestattet eine sehr präzise Realisierung einer gewünschten Öffnungsdauer des Ventilelements . Hierdurch kann die Zumessgenauigkeit auch im Teil- und Vollastbereich einer Brennkraftmaschine verbessert werden .
Kleinste Einspritzmengen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisiert werden, wenn das Vorzeichen eines
Signals oder eines Signalgradienten mit dem der Piezoaktor angesteuert wird, geändert wird, sobald ein Ist- Spritzbeginn detektiert wurde . Als Signalgradient kommt beispielsweise ein Spannungsgradient in Frage oder - noch wirkungsvoller - als Signal ein Strom, mit dem der
Piezoaktor geladen beziehungsweise entladen wird. Da die Vorzeichenänderung beziehungsweise das Umschalten von Entladen auf Laden oder umgekehrt geregelt auf Basis eines detektierten Ist-Spritzbeginns des Ventilelements erfolgt, kann die Kleinstmenge an Kraftstoff auch sehr stabil dargestellt werden .
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus , dass der Ist-Spritzbeginn und/oder das Ist-Spritzende nach einem Sollwert geregelt wird. Anders als bei bisher bekannten Verfahren wird also nicht mehr Beginn und/oder Ende der Ansteuerung des Piezoaktors , sondern der tatsächliche Ist-Spritzbeginn und/oder das Ist-Spritzende geregelt, was nicht nur eine genaue Zumessung einer gewünschten Kraftstoffmenge, sondern auch eine präzise Realisierung eines gewünschten Einspritzzeitpunktes ermöglicht . Dabei wird vermieden, dass sich eine Streuung der Verzugszeit zwischen Ansteuerbeginn und Spritzbeginn beziehungsweise Ansteuerende und Spritzende auf die Kraftstoffzumessung auswirkt .
Dabei kann auch eine Differenz zwischen Ist-Spritzbeginn und Ist-Spritzende (Ist-Spritzdauer) nach einem Sollwert geregelt werden . In diesem Fall ist die Zumessgenauigkeit des Kraftstoffs noch besser .
Eine weitere wichtige vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine Änderung der auf den Piezoaktor wirkenden Kraft über eine Änderung einer durch die Kraft beeinflussten elektrischen Größe des Piezoaktors erfasst wird. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass die Kraftänderung, die auf den Piezoaktor wirkt, bei diesem zu einer Längenänderung führt . Diese hat bei einem Betrieb mit vorgegebenem Dehnungsverlauf - also mit "eingeprägtem" Stromverlauf - eine Änderung des Spannungsverlaufs und bei Betrieb mit "eingeprägtem" Spannungsverlauf eine Änderung des Aktorstromverlaufs zur Folge . Diese Änderung kann erfindungsgemäß ohne Weiteres erfasst werden, so dass ein Ist-Spritzbeginn beziehungsweise ein Ist-Spritzende erfasst werden kann, ohne dass ein zusätzlicher Sensor erforderlich ist .
Eine konkrete Weiterbildung dieser Verfahrensvariante sieht vor, dass zum Öffnen des Ventilelements der Piezoaktor mit einem vorgegebenen Spannungsverlauf entladen oder geladen wird, und dass auf einen Ist-Spritzbeginn erkannt wird, wenn ein Entladestrom beziehungsweise ein Ladestrom einen Grenzwert über- beziehungsweise unterschreitet, wobei der Grenzwert durch das Produkt aus einer Kapazitätskonstante des Piezoaktors und dem Entlade- beziehungsweise Ladespannungsgradient gebildet wird. Diese Methode ist sehr einfach realisierbar .
Das Gleiche gilt für j ene Verfahrensvariante, bei welcher zum Öffnen des Ventilelements der Piezoaktor mit einem vorgegebenen Stromverlauf entladen oder geladen wird, und bei welcher auf einen Ist-Spritzbeginn erkannt wird, wenn ein Entlade- beziehungsweise Ladespannungsgradient einen Grenzwert über- beziehungsweise unterschreitet, wobei der Grenzwert durch den Quotient aus Entlade- beziehungsweise Ladestrom und einer Kapazitätskonstanten des Piezoaktors gebildet wird.
Bei den beiden letztgenannten Verfahrensvarianten ist eine Kenntnis der verwendeten Lade- und Entladestrategie erforderlich . Unabhängig von einer solchen Strategie ist ein Verfahren, bei dem zum Öffnen des Ventilelements der Piezoaktor entladen oder geladen wird, und bei dem mittels eines Störgrößenbeobachters ein Stromanteil geschätzt wird, der sich aus dem Ansteigen der auf den Piezoaktor wirkenden Kraft ergibt, und bei dem auf einen Ist-Spritzbeginn erkannt wird, wenn der Stromanteil einen Grenzwert überschreitet . Als Störgrößenbeobachter kommt beispielsweise ein Luenberger-Beobachterverfahren in Frage .
Alle drei letztgenannten Verfahrensvarianten können nicht nur für die Erkennung eines Ist-Spritzbeginns , sondern in entsprechender Weise mit entsprechend angepassten anderen Grenzwerten für die Erkennung eines Ist-Spritzendes angewendet werden .
Zeichnungen
Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert .
In der Zeichnung zeigen :
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit mehreren Kraftstoffinj ektoren; Figur 2 einen Teilschnitt durch einen Kraftstoffinj ektor von Figur 1 ;
Figur 3 ein Diagramm, in dem eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft über einem Hub eines
Ventilelements eines Kraftstoffinj ektors von Figur 2 aufgetragen ist;
Figur 4 ein Diagramm, in dem verschiedene Betriebsparameter eines Kraftstoffinj ektors von
Figur 2 bei einem Einspritzvorgang über der Zeit aufgetragen sind;
Figur 5 ein Funktionsschaubild eines ersten Verfahrens zum Betreiben eines Kraftstoffinj ektors von Figur
2 ;
Figur 6 ein Funktionsschaubild eines zweiten Verfahrens zum Betreiben eines Kraftstoffinj ektors von Figur 2 ;
Figur 7 ein Funktionsschaubild eines dritten Verfahrens zum Betreiben eines Kraftstoffinj ektors von Figur 2.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst mehrere Brennräume 12 , in die der Kraftstoff direkt von einem j eweiligen
Kraftstoffinj ektor 14 eingespritzt wird. Die Kraftstoffinj ektoren 14 sind an einen
Kraftstoffdruckspeicher ( "Rail" ) 16 angeschlossen, in den der Kraftstoff von einem Fördersystem 18 gefördert wird. Der Betrieb der Kraftstoffinj ektoren 14 wird von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung 20 gesteuert beziehungsweise geregelt (gestrichelte Linien) . Hierzu werden unter anderem auch Eingangssignale (gestrichelte Linien) von verschiedenen Sensoren verwendet, die in Figur 1 nicht dargestellt sind.
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, umfasst der Kraftstoffinj ektor 14 ein Gehäuse 22 , in dem ein nadelartiges Ventilelement 24 längsverschieblich aufgenommen ist . Dieses weist eine in Öffnungsrichtung wirkende Druckschulter 26 auf, die in einem Druckraum 28 angeordnet ist, der über einen Kanal 30 mit dem Kraftstoffdruckspeicher 16 verbunden ist . Eine ebenfalls in Öffnungsrichtung wirkende konische Druckfläche 32 ist im geschlossenen Zustand des Ventilelements fluidisch von dem Druckraum 28 getrennt .
Das von der Druckfläche 32 entgegengesetzte Ende des Ventilelements 24 ragt mit einer Fläche 34 in einen hydraulischen Steuerraum 36 hinein, in dem der hohe Druck des Kraftstoffdruckspeichers herrscht . Der Steuerraum 36 wird auch von einem Steuerkolben 38 begrenzt, dessen Durchmesser in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel größer ist als die Steuerfläche 34 des Ventilelements 24. Der Steuerkolben 38 ist an einem Piezoaktor 40 befestigt, der, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer in Figur 2 nicht dargestellten Endstufe, von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 20 angesteuert wird.
Damit der Kraftstoffinj ektor 14 Kraftstoff in den Brennraum 12 einspritzt, wird der Piezoaktor 40 so angesteuert, dass sich seine Länge verringert . In der Folge bewegt sich der Steuerkolben 38 in Figur 2 nach oben . Über die hydraulische Kopplung mittels des Steuerraums 36 und aufgrund der auf der Druckschulter in Öffnungsrichtung wirkenden Kraft bewegt sich auch das Ventilelement 24 nach oben . In der Folge liegt der im Druckraum 28 herrschende hohe Kraftstoffdruck auch an der endseitigen Druckfläche 32 des Ventilelements 24 an, was , nach der ersten Öffnungsbewegung des Ventilelements 24 , zu einer zusätzlichen in Öffnungsrichtung wirkenden Kraft und zu einem beschleunigten Öffnen des Ventilelements 24 führt .
Da sich die in Öffnungsrichtung auf das Ventilelement 24 wirkende Kraft unmittelbar nach dem Öffnen rasch erhöht, spricht man auch von einem Ventilelement mit "Druckstufe" . Der Anstieg der in Öffnungsrichtung auf das Ventilelement 24 wirkenden Kraft F ist auch aus Figur 3 ersichtlich, wo diese über einem Öffnungshub H aufgetragen ist . Kraftstoff kann nun durch Kraftstoff-Austrittskanäle 42 in den Brennraum 12 gelangen .
Um auch sehr kleine Kraftstoffmengen mit dem Kraftstoffinj ektor 14 einspritzen zu können, wird gemäß einem Verfahren vorgegangen, welches nun unter Bezugnahme auf Figur 4 erläutet wird:
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Piezoaktor 40 dann, wenn das Ventilelement 24 geschlossen sein soll, geladen . Zum Öffnen des Ventilelements 24 wird der
Piezoaktor 40 entladen . Dabei wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Piezoaktor 40 mit einem bestimmten, vorliegend im Wesentlichen linearen Spannungsverlauf geladen beziehungsweise entladen . Hierzu wird während des Entladens und des Ladens der Spannungsverlauf beziehungsweise der Spannungsgradient gemessen und der Lade- beziehungsweise Entladestrom entsprechend eingestellt . Eine Ladung Q des Piezoaktors kann dabei vereinfacht als Summe aus einem spannungsabhängigen Anteil Qu = C0 ■ U und einem längenabhängigen Anteil Qx = Cx • (x - X0) ausgedrückt werden . Die Faktoren C0 und Cx sind dabei Kapazitätskonstanten, U eine am Piezoaktor anliegende Spannung, und x eine aktuelle Länge des Piezoaktors 40.
Der längenabhängige Anteil Qx basiert dabei auf folgender Überlegung : Die in Öffnungsrichtung am Ventilelement 24 angreifende Kraft überträgt sich über die hydraulische Kopplung des Druckraums 28 und den Steuerkolben 38 auch auf den Piezoaktor 40. Öffnet das Ventilelement 24 , führt dies aufgrund der Druckstufe am Ventilelement 24 zu einer
Krafterhöhung ( "Kraftsprung" ) auch am Piezoaktor 40. Dieser Kraftsprung führt zu einer zusätzlichen Längenänderung des Piezoaktors 40. Um den vorgegebenen Spannungsverlauf auch unter der Randbedingung der erhöhten Längenänderungsgeschwindigkeit des Piezoaktors 40 einzuhalten, muss der Entladestrom i gegenüber dem Zustand bei ruhendem Ventilelement 24 erhöht werden . Bei dem hier verwendeten Verfahren werden dieser Kraftsprung und die entsprechende Ladungsänderung dazu verwendet, ein tatsächliches Öffnen des Ventilelements 24 (Spritzbeginn) beziehungsweise ein tatsächliches Schließen des Ventilelements 24 (Spritzende) zu erfassen . Hierzu werden folgende physikalische Grundlagen verwendet :
= Jl idt = Qu + Qx = C0 • u + Cx • (x - Xn)
(D
Dies ergibt aufgelöst nach dem Entlade- beziehungsweise Ladestrom des Piezoaktors 40 :
i - i„ ♦ I1 - ^-. + -W-. . C0 • Üü + C1 • -* (2 , dt dt ° dt dt
Hieraus ergibt sich :
Figure imgf000014_0001
Unterschreitet der Entladeström i beim Entladen eindeutig den Grenzwert C0 ■ du/dt, bedeutet dies , dass das Ventilelement 24 gerade öffnet . Überschreit der Ladestrom i beim Laden des Piezoaktors 40 diesen Wert, ändert sich gerade die Bewegungsrichtung des Ventilelements 24. Unterschreitet der Ladestrom beim Laden diesen Wert, ist das Ventilelement 24 im Schließen begriffen . In Figur 4 ist die am Piezoaktor 40 anliegende Spannung U mit 44 bezeichnet, der Strom i mit 46, der Grenzwert C0 ■ du/dt mit 48 (strichpunktierte Kurve) und ein Hub H des Ventilelements 24 mit 50. Der Spritzbeginn erfolgt zum Zeitpunkt ti, die Richtungsumkehr des Ventilelements 24 zum Zeitpunkt t2, und das Spritzende liegt beim Zeitpunkt t3.
Abhängig von dem erfassten Spritzbeginn des
Kraftstoffinj ektors 14 zum Zeitpunkt ti wird der Piezoaktor
40 von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 20 schnellstmöglich wieder geschlossen . Hierzu wird nach einem erfassten Spritzbeginn ti der Entladestrom i so geändert, dass der Gradient du/dt der Spannung u ein umgekehrtes Vorzeichen aufweist . Das Schließen des Ventilelements 24 wird also abhängig vom tatsächlichen Öffnen (Spritzbeginn) , eingeleitet . Da anhand des angegebenen Verfahrens der Ist- Spritzbeginn und das Ist-Spritzende zu den Zeitpunkten ti beziehungsweise t3 erfasst werden können, können diese j eweils nach einem Sollwert geregelt werden . Möglich ist auch, den Ist-Spritzbeginn zum Zeitpunkt ti und eine Differenz dtx, die auch als Ist-Spritzdauer bezeichnet wird, nach einem Sollwert zu regeln .
Letztlich kann der Kraftstoffinj ektor 14 beziehungsweise der Piezoaktor 40 aber auch geladen und entladen werden mit einem vorgegebenen bestimmten Verlauf des Ladebeziehungsweise Entladestroms i . Aus der obigen Gleichung (1 ) ergibt sich dann :
Figure imgf000015_0001
Liegt in diesem Fall der Spannungsgradient du/dt beim Entladen eindeutig über dem Wert i/C0, so ist das
Ventilelement 24 im Öffnen begriffen . Unterschreitet der Spannungsgradient du/dt diesen Wert, schließt das Ventilelement 24 gerade .
Der Spritzbeginn und das Spritzende können j edoch auch unabhängig von der Lade- und Entladestrategie, also unabhängig davon, ob ein bestimmter Spannungsverlauf oder ein bestimmter Stromverlauf vorgegeben wird, ermittelt werden . Dies geschieht mit Hilfe eines Störgrößenbeobachters 51 , beispielsweise eines Luenberger- Beobachterverfahrens (vgl . Figur 5) . Integriert man die Gleichung
Figure imgf000015_0002
so erhält man
. Jf(i _ iχ)dt (7)
Figure imgf000015_0003
Die Gleichung (7 ) kann als Übertragungstrecke verstanden werden, von deren Eingangsgrößen j edoch nur der Strom i gemessen werden kann . Die von der Längenänderung des Piezoaktors 40 beziehungsweise der Krafterhöhung beim Öffnen des Ventilelements 24 abhängige Stromgröße ix kann j edoch nicht gemessen werden . Um diese zu ermitteln, wird zunächst der in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 20 bekannte Lade- beziehungsweise Entladestrom i einer Streckennachbildung zugeführt (Block 52 in Figur 5) . In dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht diese Streckennachbildung aus einem Integrator mit der Integrationskonstante C0 beziehungsweise mit einer durch Normierung aus der Integrationskonstanten C0 berechneten Zeitkonstanten . Die Ausgangsgröße dieses Integrators 52 ist eine beobachtete Spannung ub am Piezoaktor 40.
Wenn die Größe ix = 0 ist, ist ub = u . Wenn j edoch der Piezoaktor 40 beim Öffnen oder Schließen des Ventilelements 24 seine Länge ändert und folglich ix ≠ 0 wird, weichen ub und u voneinander ab . In 54 wird die Differenz zwischen ub und der gemessenen Spannung u gebildet und einem Rückkoppelglied 56 zugeführt . Dieses kann beispielsweise ein einfacher Proportionalverstärker oder ein PI-Glied, aber auch ein Verstärker mit einem Übertragungsverhalten zweiter oder höherer Ordnung sein .
Das Ausgangssignal des Rückkoppelglieds 56 wird dann mit negativem Vorzeichen dem Eingang der Streckennachbildung 52 aufgeschaltet . Dieses Ausgangssignal folgt nun der an sich unbekannten Größe ix entsprechend dem Übertragungsverhalten des Beobachters 51 nach und kann entweder direkt oder über ein weiteres Filterglied 58 geführt als beobachtetes Signal ix,b für die unbekannte Größe ix verwendet werden . Unterschreitet das Signal ix,b beim Entladen eine definierte Schwelle, so wird ein Öffnen des Ventilelements 24 detektiert, überschreitet es beim Laden eine zweite definierte Schwelle, so wird der Beginn des Schließvorgangs des Ventilelements 24 detektiert . Unterschreitet es nach Ende des Ladevorgangs diese zweite oder eine weitere, dritte Schwelle, so wird dies als Spritzende erfasst .
Wie aus Figur 6 ersichtlich ist, können das Rückkoppelglied und das Filterglied 58 zu einer Einheit 60 zusammengefasst werden . Hierzu wird das gefilterte Signal aus gewichteten Komponenten des Ausgangssignals des Rückkoppelglieds gebildet . Am Beispiel eines PI-Glieds als Rückkoppelglied 56 lässt sich dies folgendermaßen veranschaulichen : Beispielsweise kann als beobachtetes Signal ix,b anstelle des Ausgangssignals des Rückkoppelglieds 56 auch nur dessen I-Anteil oder die Summe aus dem I-Anteil und dem mit einem Faktor K multiplizierten P-Anteil verwendet werden, wobei K dann zwischen 0 und 1 liegen sollte . Dies entspricht einer Filterung des Ausgangssignals mit einem Verzögerungsglied erster Ordnung .
Die Streckennachbildung des Piezoaktors 40 kann, wie nachfolgend dargestellt wird, noch genauer an dessen reales Verhalten angepasst werden : So kann beispielsweise ein nicht lineares Verhalten des Piezoaktors 40 durch einen in gleicher Weise nicht linearen Integrator 52 nachgebildet werden und/oder es können Hystereseffekte durch Einfügen eines Hystereseglieds 60 in die Streckennachbildung berücksichtigt werden (vgl . Figur 7 ) .
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die oben angegebenen Verfahren in Form eines Computerprogramms auf einem Speicher der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 20 abgelegt sind.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoff- Einspritzvorrichtung (14 ) einer Brennkraftmaschine (10 ) , bei dem ein Piezoaktor (40 ) mit einem Ventilelement (24 ) der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (14 ) gekoppelt ist, wobei das Ventilelement (24 ) eine Druckstufe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ansteigen der auf den Piezoaktor (40 ) wirkenden Kraft (F) als ein tatsächliches Öffnen des Ventilelements (24 ) (Ist-Spritzbeginn) und/oder ein Abfallen der auf den Piezoaktor (40 ) wirkenden Kraft
(F) als ein tatsächliches Schließen des Ventilelements (24 ) (Ist-Spritzende) interpretiert und bei der Ansteuerung des Piezoaktors (40 ) wenigstens zeitweise berücksichtigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Schließvorgang des Ventilelements (24 ) abhängig vom Ist-Spritzbeginn (ti) eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Vorzeichen eines Signals oder eines Signalgradienten (dU/dt) , mit dem der Piezoaktor (40 ) angesteuert wird, geändert wird, sobald ein Ist- Spritzbeginn (ti) detektiert wurde .
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Spritzbeginn (ti) und/oder das Ist-Spritzende (t3) nach einem Sollwert geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz (dtx) zwischen Ist-Spritzbeginn (ti) und Ist-Spritzende (t3) (Ist- Spritzdauer) nach einem Sollwert geregelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der auf den Piezoaktor (40 ) wirkenden Kraft über eine Änderung einer durch die Kraft beeinflussten elektrischen Größe (i, u) des Piezoaktors (40 ) erfasst wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Öffnen des Ventilelements (14 ) der Piezoaktor (40 ) mit einem vorgegebenen Spannungsverlauf (44 ) entladen oder geladen wird, und dass auf einen Ist-Spritzbeginn (ti) erkannt wird, wenn ein Entladestrom bzw . ein Ladestrom (46) einen Grenzwert (48 ) über- bzw . unterschreitet, wobei der Grenzwert (48 ) durch das Produkt aus einer Kapazitätskonstanten (C0) des Piezoaktors (40 ) und dem Entlade- bzw . Ladespannungsgradient (du/dt) gebildet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Öffnen des Ventilelements (24 ) der Piezoaktor (40 ) mit einem vorgegebenen Stromverlauf entladen oder geladen wird, und dass auf einen Ist- Spritzbeginn erkannt wird, wenn ein Entlade- bzw .
Ladespannungsgradient (du/dt) einen Grenzwert (i/C0) Überbzw , unterschreitet, wobei der Grenzwert (i/C0) durch den Quotient aus Entlade- bzw . Ladestrom (i) und einer Kapazitätskonstanten (C0) des Piezoaktors (40 ) gebildet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Öffnen des Ventilelements (24 ) der Piezoaktor (40 ) entladen oder geladen wird, und dass mittels eines Störgrößenbeobachters (51 ) ein Stromanteil (iχ,b) geschätzt wird, der sich aus dem Ansteigen der auf den Piezoaktor (40 ) wirkenden Kraft ergibt, und dass auf einen Ist-Spritzbeginn erkannt wird, wenn der Stromanteil (ix,b) einen Grenzwert überschreitet .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es in entsprechender Weise für die Erkennung eines Ist-Spritzendes (t3) angewendet wird.
11. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist .
12. Elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20 ) einer Brennkraftmaschine (10 ) , dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 10 abgespeichert ist .
13. Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20 ) für eine Brennkraftmaschine (10 ) , dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 programmiert ist .
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