DE10016474B4

DE10016474B4 - Verfahren zur Ansteuerung eines Einspritzventils mit einem piezoelektrischen Aktor

Info

Publication number: DE10016474B4
Application number: DE10016474.9A
Authority: DE
Inventors: Dr. Rueger Johannes-Jörg; Matthias Mrosik; Volker Pitzal; Udo Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-04-01
Filing date: 2000-04-01
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2020-04-02
Also published as: FR2807106A1; JP2001317395A; DE10016474A1; FR2807106B1

Abstract

Verfahren zur Ansteuerung eines Einspritzventils (1) mit einem piezoelektrischen Aktor (2) zur Betätigung einer Düsennadel (11), wobei eine Ansteuerspannung (Ua) an den piezoelektrischen Aktor angelegt wird, die eine Längenänderung bewirkt und durch die mittels eines hydraulischen Kopplers (4) ein Ventilverschliessglied (12) bewegt wird, so dass die Düsennadel (11) einen Einspritzkanal (13) des Einspritzventils (1) öffnet oder schließt, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer Temperatur eines Verbrennungsmotors (20), einer Temperatur des einzuspritzenden Kraftstoffs, einer Temperatur des Kühlwassers und/oder einer Temperatur des Motoröls die Temperatur des Aktors (2) abgeschätzt wird und dass aus der abgeschätzten Temperatur ein Korrekturwert gebildet wird, mit dem die Ansteuerspannung (Ua) zur Kompensation des Temperaturverhaltens des Aktors (2) korrigiert wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ansteuerung eines Einspritzventils mit einem piezoelektrischen Aktor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Einspritzventile werden beispielsweise zur Kraftstoffeinspritzung in Verbrennungsmotoren verwendet. Insbesondere bei der Hochdruckeinspritzung in einem Common-Rail-System besteht das Problem, dass die einzuspritzende Kraftstoffmenge mit hoher Genauigkeit dosiert werden muss, um insbesondere auch strenge Abgasforderungen zu erfüllen. Einspritzventile mit einem piezoelektrischen Aktor sind per se bekannt. Der piezoelektrische Aktor bewegt in der Regel die Düsennadel nicht direkt, sondern über einen hydraulischen Koppler. Dieser Koppler hat im Wesentlichen zwei Eigenschaften: Er verstärkt den Hub für die Düsennadel und entkoppelt das Steuerventil von der statischen Temperaturdehnung des Aktors. Neben dieser statischen Temperaturdehnung ändert sich aber auch das Hubvermögen des Aktors mit der Temperatur. Dies führt dazu, dass die Ansteuerspannung für eine optimale Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors von dessen Temperatur abhängig ist.
Die US 4,821,726 A beschreibt einen Injektor mit einem Piezoaktor. Die Ausdehnung des Piezoaktors hängt von der Temperatur des Aktors. Die Temperatur des Piezoaktors wird erfasst um eine entsprechende Korrektur der Spannung vorzusehen.
Aus der DE 198 05 184 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Temperatur des piezoelektrischen Elementes bekannt. Hierbei wird die Temperatur des piezoelektrischen Elementes basierend auf der ermittelten Kapazität und der Temperaturabhängigkeit der Kapazität der Aktors berechnet.
Um einen zusätzlichen Temperatursensor einzusparen, hat man bisher für die Bestimmung der Temperatur des Aktors dessen Kapazität herangezogen bzw. die Eigenerwärmung des Aktors aus der Wärmemenge bestimmt, die ihm aufgrund der Ansteuerung zugeführt wurde. Neuere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass die Eigenerwärmung des Aktors einen relativ geringen Beitrag zur Aktortemperatur leistet.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung eines Einspritzventils mit einem piezoelektrischen Aktor gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass zur Temperaturbestimmung nicht die Eigenerwärmung herangezogen wird. Vielmehr wird die Umgebungstemperatur erfasst und somit die Temperatur des Aktors zur Korrektur seiner Ansteuerspannung abgeschätzt. Dadurch erhält man vorteilhaft einen viel genaueren Temperaturwert, mit dem die Dosierung der Einspritzmenge verbessert werden kann. Ein zusätzlicher Temperatursensor ist nicht erforderlich.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Da in der Regel der Motorblock mit dem Kühlwasser oder auch seinem Öl eine gute Wärmeleitung aufweist, kann vorteilhaft mit einem bereits vorhandenen Sensor die entsprechende Temperatur direkt gemessen und für die Bewertung der Aktortemperatur und zur Korrektur der Ansteuerspannung ausgewertet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vorteilhaft bei Verwendung eines Einspritzventils für ein Common-Rail-System für die Diesel- oder Benzindirekteinspritzung. Insbesondere bei diesen Systemen ist wegen der erforderlichen Hochdruckeinspritzung und zur Erfüllung von Abgasvorschriften eine besonders genaue Dosierung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge erforderlich.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Einspritzventil, 2 zeigt eine Anordnung von Einspritzventilen an einem Verbrennungsmotor und 3 zeigt eine Auswerteschaltung.
Beschreibung
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Einspritzventil 1 mit einer zentralen Bohrung. Im oberen Teil ist ein Stellkolben 3 mit einem piezoelektrischen Aktor 2 eingebracht, wobei der Stellkolben 3 mit dem Aktor 2 fest verbunden ist. Der Stellkolben 3 schließt nach oben hin einen hydraulischen Koppler 4 ab, während nach unten eine Öffnung mit einem Verbindungskanal zu einem ersten Sitz 6 vorgesehen ist, in dem ein Kolben 5 mit einem Verschließglied 12 angeordnet ist. Das Verschließglied 12 ist dabei so ausgebildet, dass es den ersten Sitz 6 verschließt, wenn der Aktor 2 in Ruhephase ist. Bei Betätigung des Aktors 2, d. h. beim Anlegen einer Ansteuerspannung Ua an den Klemmen +, –, betätigt der Aktor 2 den Stellkolben 3 und drückt über den hydraulischen Koppler 4 den Kolben 5 mit dem Verschließglied 12 in Richtung auf einen zweiten Sitz 7. Unterhalb des zweiten Sitzes ist in einem entsprechenden Kanal eine Düsennadel 11 angebracht, die den Auslauf im Hochdruckkanal (Common-Rail-Druck) 13 schließt oder öffnet, je nach dem, welche Ansteuerspannung Ua und welcher Druck P_r im Hochdruckbereich anliegt. Der Hochdruck wird durch das einzuspritzende Medium, beispielsweise Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor über einen Zulauf 9 zugeführt. Über eine Zulaufdrossel 8 und eine Ablaufdrossel 10 wird die Zuflußmenge und -zeit des Mediums in Richtung auf die Dusennadel 11 und den hydraulischen Koppler 4 gesteuert. Der hydraulische Koppler 4 hat dabei die Aufgabe, einerseits den Hub des Kolbens 5 zu verstärken und andererseits das Steuerventil von der statischen Temperaturdehnung des Aktors 2 zu entkoppeln.
Im folgenden wird die Funktionsweise dieses Einspritzventils näher erläutert. Bei jeder Ansteuerung des Aktors 2 wird der Stellkolben 3 in Richtung des hydraulischen Kopplers 4 bewegt. Dabei bewegt sich auch der Kolben 5 mit dem Verschließglied 12 in Richtung auf den zweiten Sitz 7 zu. Über eine Leckspalte wird dabei ein Teil des im hydraulischen Koppler 4 befindlichen Mediums, beispielsweise der Kraftstoff, herausgedrückt. Zwischen zwei Einspritzungen muß daher der hydraulische Koppler 4 wieder befüllt werden, um seine Funktionssicherheit zu erhalten.
Über den Zulaufkanal 9 herrscht ein hoher Druck, der beim Common-Rail-System beispielsweise zwischen 200 und 1600 bar betragen kann. Dieser Druck wirkt gegen die Düsennadel 11 und hält sie geschlossen, so dass kein Kraftstoff austreten kann. Wird nun in Folge der Ansteuerspannung Ua der Aktor 2 betätigt und damit das Verschlußglied 12 in Richtung des zweiten Sitzes bewegt, dann baut sich der Druck im Hochdruckbereich ab und die Düsennadel 11 gibt den Einspritzkanal frei.
2 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung von vier Einspritzventilen 1, die reihenförmig für die vier im Zylinder eines Verbrennungsmotors 20 angeordnet sind.
Desweiteren ist ein Temperatursensor 21 angeordnet, der mit den Einspritzventilen 1 thermisch gekoppelt ist. Dieser Temperatursensor 21 ist vorzugsweise ein Temperatursensor zur Bestimmung der Motortemperatur, der sogenannten „Stegtemperatur”, des Kühlwassers, der Öltemperatur, des Kraftstoffes oder dergleichen. Seine Temperaturwerte spiegeln die Temperatur des Motorblocks wieder, die wegen der guten Wärmeleitung im Wesentlichen der Temperatur des Einspritzventils 1 und damit des Aktors 2 entsprechen.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung zur Temperaturkorrektur der Ansteuerspannung U_a. Block 31 erzeugt eine Ansteuerspannung, die bei einem Common-Rail-System beispielsweise vom Raildruck Pr abhängig ist. Diese Spannung wird einem Element 33 zugeführt und dort mit einem Korrekturfaktor multipliziert. Dieser Korrekturfaktor ergibt sich aus der Kennlienie 32, die die gemessene Temperatur Tmess als Eingangsgröße aufweist. An Punkt 34 steht dann die korrigierte Ansteuerspannung Ua zur Verfügung.
Statt eines Multiplizierer 33 ist alternativ auch ein Addierer vorsehbar. In diesem Fall würde eine Ansteuerspannungskorrektur additiv bzw. subtraktiv durchgeführt.
Durch diese Fremdbestimmung der Temperatur wird vorteilhaft erreicht, dass zur Bestimmung der Aktortemperatur kein zusätzlicher Sensor erforderlich ist.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines Einspritzventils (1) mit einem piezoelektrischen Aktor (2) zur Betätigung einer Düsennadel (11), wobei eine Ansteuerspannung (U_a) an den piezoelektrischen Aktor angelegt wird, die eine Längenänderung bewirkt und durch die mittels eines hydraulischen Kopplers (4) ein Ventilverschliessglied (12) bewegt wird, so dass die Düsennadel (11) einen Einspritzkanal (13) des Einspritzventils (1) öffnet oder schließt, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer Temperatur eines Verbrennungsmotors (20), einer Temperatur des einzuspritzenden Kraftstoffs, einer Temperatur des Kühlwassers und/oder einer Temperatur des Motoröls die Temperatur des Aktors (2) abgeschätzt wird und dass aus der abgeschätzten Temperatur ein Korrekturwert gebildet wird, mit dem die Ansteuerspannung (Ua) zur Kompensation des Temperaturverhaltens des Aktors (2) korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in der Umgebung des Einspritzventils (1) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur eines Verbrennungsmotors (20) gemessen wird, in den das Einspritzventil (1) eingesetzt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des einzuspritzenden Kraftstoffs für den Verbrennungsmotor (20) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kühlwassers und/oder des Motoröls gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventil (1) Bestandteil eines Common-Rail-Systems ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung für ein System mit Diesel- oder Benzindirekteinspritzung.