Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoin ektors eines

Kraftstoffeinspritzsystems

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoin ektors eines Kraftstoffeinspritzsystems .

Bei einem derartigen Kraftstoffeinspritzsystem weist der Piezoin ektor einen piezoelektrischen Aktor und eine vom piezoelektrischen Aktor bewegbare Düsennadel auf. Der

piezoelektrische Aktor wird mittels eines elektrischen

Ansteuersignais angesteuert. Aufgrund dieses Ansteuersignais wird der piezoelektrische Aktor gelängt derart, dass eine mechanische Hubbewegung herbeigeführt wird. Durch diese

Hubbewegung wird die Düsennadel bewegt, mittels welcher

Spritzlöcher einer Düseneinheit mehr oder weniger weit geöffnet werden, um eine gewünschte, vom genannten

elektrischen Ansteuersignal abhängige Kraftstoffmenge durch den Piezoinj ektor in einen Zylinder des jeweiligen

Kraftfahrzeugs einspritzen zu können. Bei ihrer Bewegung kann die Düsennadel an ihre mechanisch vorgegebene

Nadelhubbegrenzung, d. h. an ihre Nadelanschlagposition, gelangen .

Erfolgt die elektrische Ansteuerung des Piezoinj ektors derart, dass die Ladezeit bis zum Beginn des Entladens dauert, dann können bei einem vorgegebenen Druck verschiedene Öffnungszeiten in der zeitlichen Umgebung des Nadelanschlags ein und dieselbe Kraftstoffmenge liefern, so dass eine

Mehrdeutigkeit im Einspritzmenge/Einspritzdauer-Kennfeld vorliegt. Dabei kann die eingespritzte Kraftstoffmenge bei ansteigender Öffnungszeit auch fallen. Die Ursache hierfür liegt in einem vom Ansteuersignal abhängigen Prellen der Düsennadel am Anschlag und den damit verbundenen

unterschiedlichen Schließgeschwindigkeiten. Unter dem Begriff Öffnungszeit wird nachfolgend stets der Zeitraum verstanden, der mit dem Aktivieren des Injektorantriebs, d. h. dem Laden des Piezoaktors zum Zwecke einer Öffnung der Spritzlöcher, beginnt und mit dem Beginn des Deaktivierens des In ektorantriebs, d. h. dem Entladen des Piezoaktors zum Zwecke eines Schließens der Spritzlöcher, endet.

Die genannte Mehrdeutigkeit im Einspritzmenge/Einspritzdauer- Kennfeld ist in der Figur 1 veranschaulicht. Diese zeigt ein Diagramm, in welchem längs der Abszisse die Einspritzdauer TI und längs der Ordinate die Einspritzmenge Q aufgetragen ist. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass beim Vorliegen eines Druckwertes p = 1200 bar eine geforderte Einspritzmenge von 16 mm ³ mit drei verschiedenen Einspritzdauern tl, t2 und t3 realisiert werden kann, wobei beim gezeigten

Ausführungsbeispiel tl = 0,34 ms, t2 = 0,36 ms und t3 = 0,42 ms beträgt.

Bei TI = tl = 0,34 ms wird der Piezoaktor 0,34 ms bestromt, so dass die Düsennadel noch nicht oder nur sehr wenig am Anschlag prellt und dann schließt.

Bei TI = t2 = 0,36 ms wird der Piezoaktor 0,35 ms bestromt, was zu einem starken Prellen führt. Dieses Prellen

beschleunigt den Schließvorgang so stark, dass trotz längerer Öffnungszeit keine Mehrmenge an Kraftstoff eingespritzt wird.

Bei TI = t3 = 0,42 ms ist die Einspritzdauer gerade groß genug, um das Zurückprellen der Nadel durch eine verlängerte Öffnungszeit auszugleichen.

Bei diesem Beispiel, bei welchem der Druck p 1200 bar

beträgt, längt sich der Piezoaktor im Zeitintervall zwischen TI = 0,4 ms und TI = 0,6 ms so weit nach, dass der

Piezoin ektor ab TI = 0,6 ms wieder vollständig öffnet. Dies ist die Ursache für den hohen Gradienten ab dem Minimum. Ab etwa TI = 0,6 ms ist der Piezoin ektor endgültig vollständig entdrosselt, womit die Einspritzmenge nur noch von der

Einspritzdauer abhängt.

Aufgrund des Umstandes, dass es zwischen der Einspritzmenge Q und der Einspritzdauer TI keinen eindeutigen Zusammenhang gibt, lassen sich einer angeforderten Kraftstoffmenge mehrere Einspritzdauern zuordnen. Folglich ist eine Regelung der Einspritzmenge mit der Einspritzdauer als Stellgröße nicht möglich. Ein Regler würde in der Umgebung des Nadelanschlags nicht robust regeln, sondern zum Schwingen neigen.

Die genannte Mehrdeutigkeit im Einspritzmenge/Einspritzdauer- Kennfeld wird vom Impuls der Düsennadel verursacht, welcher die Düsennadel durch ein Anschlagen an der Nadelhubbegrenzung bzw. der Nadelanschlagposition etwas zurückwirft. Dieser Impuls ist durch die der Düsennadel applizierte Energie bestimmt, welche bei vorgegebener Ansteuerleistung direkt von Strom und Ladezeit des Nadelantriebs abhängt. Die Ladezeit beschreibt die Zeit, während der der Antrieb, d. h. der

Piezoaktor, bestromt wird.

Für den sogenannten Vollhubbetrieb ist zum Öffnen des

Piezoin ektors bei vorgegebenem Strom die nominelle Ladezeit tnom,Laden des Antriebs so bemessen, dass die Nadel sicher ihre Anschlagposition erreicht. Sie beträgt maximal einige 100 με und ist unabhängig von größeren Öffnungszeiten. Sind kleinere Öffnungszeiten gewünscht, dann wird die Ladezeit gleich der Öffnungszeit gesetzt. Die Stromform des Ladestroms ist unabhängig von der Ladezeit. Der Ladestrom wird am Ende der Ladezeit abgeschnitten.

Beim vorstehend beschriebenen bekannten Verfahren zur

Ansteuerung eines Piezoin ektors gelten die folgenden

Beziehungen : tLaden (p) ⁼ t _n om. Laden (p) für TI -Ϊ t _n om, Laden (Gl. 1) t _L aden (p) = TI für TI < t _nom ,Laden (Gl. 2) . Es ist bereits bekannt, einem Prellen und der dadurch

verursachten Mehrdeutigkeit des

Einspritzmenge/Einspritzdauer-Kennfeldes durch lange

Ansteuerzeiten bei geringer Ansteuerleistung zu begegnen. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Düsennadel reduziert, was wiederum das Prellen der Düsennadel an der

Nadelhubbegrenzung reduziert. Des Weiteren wird ein Teil der Energie erst nach dem Erreichen der Nadelhubbegrenzung appliziert. Bei einem derartigen Vorgehen lässt sich das Prellen erst für sehr kleine Ansteuerleistungen und damit verbunden große Ansteuerzeiten ausreichend vermindern.

Weitere Nachteile einer derartigen langsamen

Energiezuführung, d. h. einer langen Ladezeit des

Piezoaktors, sind insbesondere das langsame Durchlaufen der Sitzdrosselung sowie das späte Erreichen der Energie, die zum vollständigen Entdrosseln bzw. zum Erreichen des

Nadelanschlags notwendig ist. Des Weiteren wird im Falle einer derartigen Reduzierung des Prellens die Ausprägung eines wichtigen Signals, nämlich des Nadelanschlagsignals, verringert. Dies erschwert eine Detektion des Anschlags der Nadel an ihrer Anschlagposition. Ein weiterer Nachteil einer derartigen langsamen Energiezuführung besteht darin, dass durch das lange Verbleiben der Nadel in der Drosselung ein Erreichen einer geforderten Kleinstmengengenauigkeit

erschwert ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Piezoin ektors eines

Kraftstoffeinspritzsystems anzugeben, bei welchem die

vorstehend beschriebenen Nachteile reduziert sind.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich aus deren

nachfolgender Erläuterung anhand der Figuren 2 und 3. Die Figur 2 zeigt ein Diagramm, in welchem die Einspritzmenge in Abhängigkeit von der Einspritzdauer bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgetragen ist. Die Figur 3 zeigt ein Diagramm, in welchem die Ladezeit in Abhängigkeit von der Einspritzdauer aufgetragen ist.

Die Figur 2 zeigt ebenso wie die Figur 1 ein Diagramm, in welchem längs der Abszisse die Einspritzdauer TI und längs der Ordinate die Einspritzmenge Q aufgetragen ist. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass beim Vorliegen eines

Druckwertes p = 1200 bar eine geforderte Kraftstoffmenge von 16 mm ³ einer einzigen Einspritzdauer t4 zugeordnet ist, die im gezeigten Ausführungsbeispiel 0,4 ms beträgt. Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass für die Ladezeit die folgenden Beziehungen verwendet werden: tLaden (p) = tnom, Laden (p) für TI > tEnde Prelleinfluss (p) (Gl. 3) tLaden (ρ,ΤΙ) ^ TI für TI < t _E nde Prelleinfluss (p) (Gl. 4) .

Durch eine Verwendung dieser Beziehungen wird eine freie Steuerbarkeit der zugeführten Energie und somit des

Nadelimpulses durch ein dynamisches Anpassen der Ladezeit des Antriebs in Abhängigkeit von der geforderten Öffnungszeit und dem jeweils gegebenen Druck erreicht. Von der bei bekannten Verfahren verwendeten Gleichsetzung von Ladezeit und

Öffnungszeit für alle Öffnungszeiten, die kleiner sind als die nominelle Ladezeit, wird gemäß der vorliegenden Erfindung Abstand genommen.

Bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Beziehungen ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Ladezeit erst für sehr große Öffnungszeiten auf ihr Maximum, nämlich die nominelle Ladezeit, einzustellen.

Des Weiteren lässt sich bei einer Verwendung der

erfindungsgemäßen Beziehungen das

Einspritzmenge/Einspritzdauer-Kennfeld linearisieren, weil speziell im Übergangsbereich zum Vollhub einem Mehr an Impuls ein erhebliches Mehr an Öffnungsdauer zukommt. Folglich wird der durch das Prellen reduzierte Nadelhub durch eine verlängerte Öffnungsdauer ausgeglichen. Dies hat zur Folge, dass die Einspritzmenge mit der Öffnungsdauer stetig steigt. Dadurch wird eine Eindeutigkeit im

Einspritzmenge/Einspritzdauer-Kennfeld herbeigeführt .

Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die

Ansteuerleistung des Piezoaktors reduziert wird. Ferner wird auch dessen mechanische Belastung im jeweiligen Betriebspunkt reduziert, was das Erreichen einer höheren Lebensdauer begünstigt.

Ferner wird bei einem Applizieren kleiner Kraftstoffmengen die Systemempfindlichkeit verringert. Darüber hinaus wird die Schuss-zu-Schuss-Streuung wegen des Erhöhens der Entdrosselzeit verringert.

Schließlich wird auch die In ektor-zu-In ektor-Streuung wegen des Erhöhens des Entdrosselzeit verringert.

Die Figur 3 zeigt ein Diagramm, in welchem längs der Abszisse die Einspritzdauer TI und längs der Ordinate die Ladezeit tLaden aufgetragen ist. Die Kurve Kl entspricht einer Ansteuerung gemäß dem Stand der Technik, wobei beim gezeigten Ausführungsbeispiel gilt: tLaden 11 für TI — t _n om, Laden r t _n om, Laden 0,35 EIS ; tLaden t _n om, Laden für TI t _n om, Laden r t _n om, Laden 0,35 ItlS ·

Die Kurven K2, K3 und K4 entsprechen Kurvenverläufen, wie sie bei der Verwendung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen.

Die Kurve K2 entspricht einem Kurvenverlauf bei einem Druck p = 20 MPa. Die Kurve K3 entspricht einem Kurvenverlauf bei einem Druck p = 100 MPa. Die Kurve K4 entspricht einem

Kurvenverlauf bei einem Druck p = 200 MPa.

Aus den Verläufen der Kurven K2, K3 und K4 ist ersichtlich, dass im Übergangsbereich zwischen einem linearen Ansteigen der Kurve, in welchem t _Lade n (ρ,ΤΙ) = TI ist, und einem konstanten Verlauf der Kurve, in welchem t _Lade n konstant bei 0,35 ms liegt, ein Übergangsbereich existiert, in welchem die Kurven K2, K3 und K4 einen unterschiedlichen, vom Druck p abhängigen Verlauf haben. Diese Kurvenverläufe werden vom Hersteller des Piezoin ektors anhand von Untersuchungen eines Referenz-Piezoin ektors auf einem Systemprüfstand derart ermittelt, dass durch eine Lineasierung des Kurvenverlaufes die in der Figur 1 gezeigte Mehrdeutigkeit des

Einspritzmenge/Einspritzdauer-Kennfeldes beseitigt ist.

Die Kurven K2, K3 und K4 veranschaulichen die beim

beanspruchten Verfahren gegebene freie Steuerbarkeit der dem Piezoaktor zugeführten Energie und somit des Nadelimpulses durch ein dynamisches Anpassen der Ladezeit vom Antrieb insbesondere abhängig der geforderten Öffnungszeit und vom gegebenen Druck. Speziell im Übergangsbereich zwischen dem konstant ansteigenden Verlauf der jeweiligen Kurve und deren konstanten Verlauf, d. h. im Übergangsbereich zu einem

Vollhubbetrieb, kommt dem Mehr an Impuls ein erhebliches Mehr an Einspritzdauer bzw. Öffnungsdauer zu.