DE102006059070A1

DE102006059070A1 - Kraftstoffeinspritzsystem und Verfahren zum Ermitteln eines Nadelhubanschlags in einem Kraftstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE102006059070A1
Application number: DE102006059070A
Authority: DE
Inventors: Andreas Rau; Oliver Becker; Erik Tonner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2008-06-19
Also published as: EP2102473A1; US20100059021A1; CN101595291A; WO2008071531A1; JP2010513768A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem, umfassend mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil (10) und ein Steuergerät (20) zum Ansteuern des Einspritzventils (10). Jedes Einspritzventil (10) umfasst - einen piezoelektrischen Aktor (12), - ein Düsenelement mit mindestens einer Düsenöffnung (15) und mindestens einer bewegbaren Düsennadel (13) zum selektiven Schließen und Öffnen der mindestens einen Düsenöffnung (15), - ein hydraulisches Koppelelement, das zwischen dem Piezoaktor (12) und der Düsennadel (13) geschaltet ist, und - mindestens einen Hubanschlag (14, 21), an dem die Düsennadel (13) in ihrer vollständig geöffneten und/oder ihrer vollständig geschlossenen Stellung anliegt. Um bei solchen Kraftstoffeinspritzventilen (10) das Erreichen des Hubanschlags (14, 21), insbesondere den Zeitpunkt des Erreichens des Hubanschlags (14, 21), besser ermitteln zu können, wird vorgeschlagen, dass der Nadelhubanschlag (14, 21) während einer Bestromungspause des Piezoaktors (12) durch Auswerten eines an dem Piezoaktor (12) anliegenden Spannungssignals (U) ermittelt wird. Vorzugsweise werden Schwingungen des Spannungssignals (U) während der Bestromungspause ausgewertet. Dazu wird vorgeschlagen, dass Regressionsgeraden (30; 31) durch den Spannungsverlauf (U) gelegt werden, ein Korrelationskoeffizient der Regressionsgeraden (30; 31) zu dem Spannungsverlauf (U) ermittelt und ein Nadelhubanschlag anhand des Korrelationskoeffizienten detektiert wird. Des Weiteren ...

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Ermitteln eines Nadelhubanschlags in einem Kraftstoffeinspritzventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Aus dem Stand der Technik sind Kraftstoffeinspritzventile zum Einspritzen von Diesel oder Benzin in das Saugrohr oder direkt in den Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Einspritzventile können zur Erfüllung hoher dynamischer Anforderungen mittels Piezoaktoren betätigt werden. Als Temperaturausgleich und zur Übersetzung ist zwischen dem Piezoaktor und einer Düsennadel des Einspritzventils ein hydraulischer Koppler zwischengeschaltet. Bei den bekannten Einspritzventilen vom Typ CRI-PDN (Common Rail Injector – Piezo Direct Neadle) der Robert Bosch GmbH wird die Düsennadel quasi direkt von dem Piezoaktor in Bewegung gesetzt, das heißt die Bewegung der Düsennadel folgt in erster Näherung dem Aktorhub. Der Aktorhub ist bei konstanter Aktorkraft wiederum in erster Näherung proportional zur Ansteuerspannung.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen und Verschleiß über die gesamte Lebensdauer eines Kraftstoffeinspritzventils und aufgrund schwankender Betriebstemperaturen können sich die mechanischen und elektrischen Größen und Zusammenhänge im Einspritzventil verändern. So kann beispielsweise mit zunehmender Lebensdauer der Aktorhub nachlassen, so dass die Düsennadel später öffnet und früher schließt, was dazu führt, dass weniger Kraftstoff eingespritzt wird als gewünscht.
Offenbarung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei Kraftstoffeinspritzventilen, die mittels Piezoaktoren betätigt werden, das Erreichen eines Hubanschlags zu detektieren und insbesondere den Zeitpunkt des Erreichens des Hubanschlags zu ermitteln.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 ein Kraftstoffeinspritzsystem vor, bei dem das Erreichen eines Hubanschlags bzw. der Zeitpunkt des Erreichens des Hubanschlags auf besonders einfaches Weise, das heißt besonders zeit- und ressourcenschonend, aber trotzdem hochgenau ermittelt werden kann. Als eine weitere Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 vor, welches ebenfalls eine besonders einfache, das heißt besonders zeit- und ressourcenschonende, aber trotzdem hochgenaue Detektion des Erreichens eines Hubanschlags bzw. Ermittlung des Zeitpunkts des Erreichens des Hubanschlags erlaubt.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das Erreichen des Hubanschlags durch Auswerten des Spannungsverlaufs der an dem Piezoaktor anliegenden Spannung während einer Bestromungspause zu ermitteln. Dabei sollen insbesondere Schwingungen im Spannungsverlauf bewertet und ausgewertet werden, die sich ergeben, wenn die Düsennadel nicht an einem Hubanschlag anliegt. Die Ergebnisse der Ermittlung (Hubanschlag wird nicht erreicht, Hubanschlag wird später als veranschlagt erreicht, Hubanschlag wird nicht erreicht) können bei einer Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge berücksichtigt werden. Dadurch kann die Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum der Brennkraftmaschine positiv beeinflusst werden, und die Verbrennung erfolgt besonders verbrauchs- und abgasarm und leise.
Am Beispiel eines direktgekoppelten Einspritzventils, bei dem der Piezoaktor bei geschlossener Düsennadel aufgeladen ist (sog. invers angesteuerter Injektor), soll dieses Prinzip näher erläutert werden. Zu Beginn liegt an dem Piezoaktor eine Anfangsspannung größer Null an, und der Nadelhub beträgt 0 μm (Ventil geschlossen). Um eine Einspritzung auszulösen, wird der Piezoaktor entladen, das heißt mit einem Entladestrom beaufschlagt, wodurch die anliegende Spannung sinkt (Beginn des Entladevorgangs). Zeitlich verzögert zum Beginn des Entladevorgangs hebt sich die Düsennadel vom Ventilsitz und gibt die mindestens eine Düsenöffnung zumindest teilweise frei. Kurz vor Erreichen des Hubanschlags endet die Bestromung des Aktors und der Aktor wird abgeklemmt (Ende des Entladevorgangs). Zu diesem Zeitpunkt hat die Spannung ihren niedrigsten Wert erreicht. Da die Düsennadel den Hubanschlag zu diesem Zeitpunkt noch nicht erreicht hat, bewegt sie sich aufgrund der Massenträgheit weiter in der bisherigen Richtung, so dass der Druck in dem Koppelraum des hydraulischen Kopplers wieder steigt. Das sorgt aufgrund des piezoelektrischen Effekts für einen Anstieg der Aktorklemmspannung (sog. Anstiegsbereich). Sobald die Düsennadel den Hubanschlag erreicht, ändert sich der Druck in dem Koppelraum nicht mehr, so dass die Spannung nahezu konstant bleibt (sog. Plateaubereich). Der Spannungsknick zwischen Anstiegsbereich und Plateaubereich bzw. die Spannungsmaxima nach dem Erreichen des niedrigsten Werts am Ende des Entladevorgangs sind also zeitlich mit dem Erreichen des Nadelhubanschlags korreliert.
Ein entsprechender Effekt tritt auch in der umgekehrten Richtung auf, das heißt wenn das Einspritzventil aus der geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung gebracht wird. In der geöffneten Stellung des Ventils ist der Piezoaktor entladen und es liegt eine relativ niedrige Anfangsspannung an. Um eine Einspritzung zu beenden, wird der Piezoaktor wieder aktiviert, das heißt mit einem Ladestrom beaufschlagt, wodurch die anliegende Spannung steigt (Beginn des Ladevorgangs). Zeitlich verzögert zum Beginn des Ladevorgangs senkt sich die Düsennadel in Richtung des Ventilsitzes, der als Hubanschlag dient. Vor Erreichen des Ventilsitzes kann die Bestromung des Aktors beendet werden und der Aktor wird abgeklemmt (Ende des Ladevorgangs). Zu diesem Zeitpunkt hat die Spannung ihren höchsten Wert erreicht. Die Düsennadel läuft aufgrund der Massenträgheit nach dem Bestromungsende noch weiter so dass der Druck in dem Koppelraum des hydraulischen Kopplers sinkt. Das sorgt aufgrund des piezoelektrischen Effekts zu einem Abfallen der Aktorklemmspannung (negativer Anstiegsbereich). Sobald die Düsennadel fest an dem Hubanschlag aufliegt, bleibt der Druck in dem Koppelraum und damit auch die Aktorspannung nahezu konstant (sog. Plateaubereich).
Der Spannungsknick zwischen dem Absinkbereich und dem Plateaubereich bzw. die Spannungsminima nach dem Erreichen des höchsten Werts am Ende des Ladevorgangs sind also zeitlich mit dem Erreichen des Nadelhubanschlags (des Ventilsitzes) korreliert.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand. Insbesondere erlauben sie selbst bei Messrauschen oder bei druckabhängigen dynamischen Effekten innerhalb des Einspritzventils, die bspw. zu einer starken Verrundung des Spannungsverlaufs führen können, eine genaue zeitliche Bestimmung des Knicks oder des Spannungsmaximums auf die vorgeschlagene Weise.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems umfassend ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor und ein Steuergerät;
2 einen Spannungs- und Stromverlauf eines Kraftstoffeinspritzventils zum Beispiel des Kraftstoffeinspritzsystems nach 1 zur Veranschaulichung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 einen Spannungs- und Stromverlauf eines Kraftstoffeinspritzventils zum Beispiel des Kraftstoffeinspritzsystems nach 1 zur Veranschaulichung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 einen Spannungs- und Stromverlauf eines Kraftstoffeinspritzventils zum Beispiel des Kraftstoffeinspritzsystems nach 1 zur Veranschaulichung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 einen Spannungs- und einen Nadelhubverlauf eines Kraftstoffeinspritzventils zum Beispiel des Kraftstoffeinspritzsystems nach 1 zur Veranschaulichung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
6 einen Ausschnitt aus dem Spannungsverlauf und dem Nadelhubverlauf aus 5 zur Veranschaulichung der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
7 einen Spannungs- und Stromverlauf eines Kraftstoffeinspritzventils zum Beispiel des Kraftstoffeinspritzsystems nach 1 zur Veranschaulichung der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
8 zwei Spannungs- und Stromverläufe von verschiedenen Kraftstoffeinspritzventilen zur Veranschaulichung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei eines der Kraftstoffeinspritzventile einen Hubanschlag erreicht und das andere nicht;
9 vier verschiedene Spannungs- und Stromverläufe zur Veranschaulichung der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
10 eine ergänzte Reglerstruktur mit einem Summenquadrat der Abweichungen einer Regressionsgeraden zu dem Verlauf der Aktorspannung als Kriterium zur Hubanschlagsdetektion; und
11 die Wirkungsweise der Reaktion der Reglerstruktur aus 10 auf einen nicht erreichten Hubanschlag.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil 10 für eine Brennkraftmaschine dargestellt, das mit einem piezoelektrischen Aktor 12 versehen ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 10 wird auch als Injektor bezeichnet und dient zur Einspritzung von Kraftstoff 11, beispielsweise Benzin oder Diesel, in ein Saugrohr und/oder direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine. Der piezoelektrische Aktor 12 wird wie in 1 durch den Pfeil angedeutet von einem Steuergerät 20 angesteuert. Weiterhin weist das Kraftstoffeinspritzventil 10 ein Düsenelement mit einer Düsennadel 13 auf, die auf einem Ventilsitz 14 im Inneren des Gehäuses des Kraftstoffeinspritzventils 10 aufsitzen kann. Der Ventilsitz 14 umgibt eine Düsenöffnung 15. Selbstverständlich kann das Einspritzventil 10 auch mehr als die eine dargestellte Düsenöffnung 15 aufweisen. Außerdem können die Düsenöffnungen auch an den Seitenwänden des Gehäuses des Ventils 10 ausgebildet sein.
Ist die Düsennadel 13 von dem Ventilsitz 14 abgehoben, kann Kraftstoff 11 durch die Düsenöffnung 15 fließen, das Kraftstoffeinspritzventil 10 ist also geöffnet und es wird Kraftstoff 11 eingespritzt. Dieser Zustand ist in der 1 dargestellt. Sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14 auf, ist die Düsenöffnung 15 verschlossen und es wird kein Kraftstoff 11 eingespritzt, das Kraftstoffeinspritzventil 10 ist also geschlossen. Im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 10 bildet der Ventilsitz 14 einen Hubanschlag für die Düsennadel 13. Ein Hubanschlag für die Düsennadel 13 im geöffneten Zustand ist in 1 mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet.
Der Übergang von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand wird mithilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt. Hierzu wird eine nachfolgend auch als Ansteuerspannung U bezeichnete elektrische Spannung an den Aktor 12 angelegt, die eine Längenänderung eines in dem Aktor 12 angeordneten Piezostapels hervorruft, welche ihrerseits zum Öffnen beziehungsweise Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 10 ausgenutzt wird. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Piezoaktor 12 bei durch die Düsennadel 13 verschlossener Düsenöffnung 15 elektrisch aufgeladen, das heißt der Aktor 12 ist gedehnt, wenn der Injektor 10 geschlossen ist (sog. invers betriebener Injektor 10). Durch Entladen des Piezostapels in dem Aktor 12 verringert sich dessen Längsausdehnung und die Düsennadel 13 hebt sich vom Ventilsitz 14 ab.
Das Kraftstoffeinspritzventil 10 weist ferner ein hydraulisches Koppelelement auf. Dieses umfasst innerhalb des Kraftstoffeinspritzventils 10 ein Kopplergehäuse 16, in dem zwei Kolben 17, 18 geführt sind. Der Kolben 17 ist mit dem Aktor 12 und der Kolben 18 ist mit der Düsennadel 13 verbunden. Zwischen den beiden Kolben 17, 18 ist ein Volumen 19 eingeschlossen, das die Übertragung der von dem Aktor 12 ausgeübten Kraft auf die Ventilnadel 13 bewerkstelligt.
Der Piezoaktor 12 ist direkt oberhalb der Düsennadel 13 angeordnet und kann vollständig von unter Druck stehendem Kraftstoff 11 umgeben sein. Eine Beschichtung kann den Aktor 12 dabei vor dem Kraftstoff 11 schützen und eine elektrische Isolierung sicherstellen. Das Koppelelement ist von dem Kraftstoff 11 umgeben, und das Volumen 19 ist ebenfalls mit Kraftstoff gefüllt. Über die Führungsspalte zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 kann sich das Volumen 19 über einen längeren Zeitraum hinweg an die jeweils vorhandene Länge des Aktors 12 anpassen. Bei kurzzeitigen Änderungen der Länge des Aktors 12 bleibt das Volumen 19 jedoch nahezu unverändert und die Änderung der Länge des Aktors 12 wird direkt auf die Düsennadel 13 übertragen und in eine entsprechende Bewegung umgesetzt. Eine Längenänderung des Piezoaktors 12 wirkt sich über das Koppelelement also direkt in einer Bewegung der Düsennadel 13 aus.
Um Informationen über einen Betriebszustand des Kraftstoffeinspritzventils 10 zu erhalten, wird das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt, das beispielsweise in Form eines Computerprogramms auf einem elektronischen Speicherelement (nicht gezeigt) gespeichert und in dem Steuergerät 20 vorgesehen sein kann, um durch eine Recheineinheit des Steuergeräts 20 abgearbeitet zu werden. Es ist aber auch denkbar, dass das Computerprogramm einfach auf einem Server eines Computernetzwerks, beispielsweise des Internets, zum Herunterladen vorgehalten wird. Interessenten können das Computerprogramm herunterladen und es auf einem Rechengerät des Steuergeräts zum Ablauf bringen. Das Computerprogramm dient zur Ausführung sämtlicher Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn es auf einem Rechengerät des Steuergeräts ausgeführt wird.
Das in 1 dargestellt Kraftstoffeinspritzventil 10 ist Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems (Common-Rail-System), das mehrere Einspritzventile 10 umfassen kann, über die Kraftstoff in das Saugrohr oder in die Brennräume einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Es kann entweder ein Steuergerät 20 für alle Einspritzventile 10 oder aber ein eigenes Steuergerät 20 für jedes der Kraftstoffeinspritzventile 10 vorgesehen sein. Außer dem Einspritzventil 10 und dem Steuergerät 20 kann das Kraftstoffeinspritzsystem noch weitere Bauteile umfassen, beispielsweise einen Kraftstoffspeicher, insbesondere eine für alle Einspritzventile 10 gemeinsame Hochdruck-Speicherleiste (Common-Rail), welche über eine Hochdruck-Kraftstoffleitung an einen Anschlussstutzen 22 des Kraftstoffeinspritzventils 10 angeschlossen ist.
Die 2 bis 4 zeigen schematisch den zeitlichen Verlauf der Ansteuerspannung U, welche sich am Aktor 12 einstellt, wenn dieser mit einem Entladestrom I bzw. einem Ladestrom I beaufschlagt wird, um ein Öffnen und ein nachfolgendes Schließen des Kraftstoffeinspritzventils 10 und damit eine Kraftstoffeinspritzung zu bewirken. Der Verlauf des Stroms I ist in den 2 bis 4 ebenfalls dargestellt. Der Ablauf einer Kraftstoffeinspritzung wird nachfolgend anhand der 2 näher erläutert.
Es wird von einem geschlossenen Einspritzventil 10 ausgegangen, dessen Aktor 12 aufgeladen ist. An dem Aktor 12 liegt also eine Anfangsspannung U_a zum Zeitpunkt t_a an. Um eine Einspritzung auszulösen, wird der Piezoaktor 12 entladen. Dazu wird der Aktor 12 mit einem negativen Entladestrom I beaufschlagt und die anliegende Spannung U sinkt (Beginn des Entladevorgangs). Zeitlich verzögert zum Beginn des Entladevorgangs hebt sich die Düsennadel 13 vom Ventilsitz 14 und gibt die mindestens eine Düsenöffnung 15 zumindest teilweise frei. Kurz vor Erreichen des Hubanschlags 21 endet die Bestromung des Aktors 12, und der Aktor 12 wird abgeklemmt (Ende des Entladevorgangs). Zu diesem Zeitpunkt t₀ hat die Spannung U ihren niedrigsten Wert U₀ erreicht. Die Aktorspannung U wird also im Zeitintervall t_a bis t₀ von der Spannung U_a bis U₀ um die Spannung ΔU abgesenkt. Da die Düsennadel 13 den Hubanschlag 21 zu diesem Zeitpunkt noch nicht erreicht hat, bewegt sie sich aufgrund der Massenträgheit weiter in der bisherigen Richtung, so dass der Druck in dem Koppelraum 19 des hydraulischen Kopplers wieder steigt. Das führt aufgrund des piezoelektrischen Effekts zu einem Anstieg der Aktorklemmspannung U. Sobald die Düsennadel 13 den Hubanschlag 21 erreicht, ändert sich der Druck in dem Koppelraum 19 nicht mehr, so dass die Spannung U nahezu konstant auf dem Wert U₁ bleibt. Der Spannungsknick bzw. die Spannungsmaxima nach dem Erreichen des niedrigsten Werts am Ende des Entladevorgangs, also nach dem Zeitpunkt t₀ sind zeitlich mit dem Erreichen des Nadelhubanschlags 21 korreliert und können entsprechend bewertet und ausgewertet werden.
Ein entsprechender Effekt tritt auch in der umgekehrten Richtung auf, das heißt wenn das Einspritzventil 10 aus der geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung gebracht wird. In der geöffneten Stellung des Ventils 10 ist der Piezoaktor 12 entladen und es liegt eine relativ niedrige Anfangsspannung U₄ an. Um eine Einspritzung zu beenden, wird der Piezoaktor 12 wieder aktiviert, das heißt mit einem positiven Ladestrom I beaufschlagt, wodurch die anliegende Spannung U steigt (Beginn des Ladevorgangs zum Zeitpunkt t₄). Zeitlich verzögert zum Beginn des Ladevorgangs senkt sich die Düsennadel 13 in Richtung des Ventilsitzes 14, der als Hubanschlag dient. Vor Erreichen des Ventilsitzes 14 kann die Bestromung des Aktors 12 beendet werden, und der Aktor 12 wird abgeklemmt (Ende des Ladevorgangs). Zu diesem Zeitpunkt t₅ hat die Spannung U ihren höchsten Wert erreicht. Die Düsennadel 13 läuft aufgrund der Massenträgheit nach dem Bestromungsende noch weiter, so dass der Druck in dem Koppelraum 19 des hydraulischen Kopplers sinkt. Das sorgt aufgrund des piezoelektrischen Effekts zu einem Abfallen der Aktorklemmspannung U. Sobald die Düsennadel 13 fest an dem Hubanschlag 14 aufliegt, bleibt der Druck in dem Koppelraum 19 und damit auch die Aktorspannung U nahezu konstant. Der Spannungsknick bzw. die Spannungsminima nach dem Erreichen des höchsten Werts am Ende des Ladevorgangs sind also zeitlich mit dem Erreichen des Nadelhubanschlags (des Ventilsitzes 14) korreliert und können entsprechend bewertet und ausgewertet werden.
Erfindungsgemäß wurde also erkannt, dass der Verlauf der Aktorklemmspannung U durch geeignetes Bewerten und Auswerten einen Hinweis auf das Erreichen eines Hubanschlags 14, 21 geben kann, insbesondere dann, wenn der Aktor 12 nicht bestromt wird, das heißt das Kraftstoffeinspritzventil 10 sozusagen sich selbst überlassen wird. Zum Auswerten des an dem Piezoaktor anliegenden Spannungssignals U sind eine Vielzahl von Möglichkeiten denkbar. Eine Möglichkeit besteht darin, die Schwingungen des Spannungssignals U in den Bestromungspausen zu bewerten und durch geeignete Auswertung Rückschlüsse zu ziehen, ob der Hubanschlags 14, 21 erreicht wurde oder nicht. Eine andere Möglichkeit, die zum Ermitteln des Zeitpunkts des Erreichens des Hubanschlags dient, besteht darin, dass der Schnittpunkt zweier Ausgleichsfunktionen, insbesondere zweier Ausgleichsgeraden, die durch den Verlauf des Spannungssignals U gelegt werden, ermittelt und als Zeitpunkt für das Erreichen des Hubanschlags herangezogen wird. Dabei kann eine Vereinfachung berücksichtigt werden, wonach die Anstiegsgerade immer die gleiche Steigung dU hat, nämlich U₄-U₀ und/oder U₁-U₀.
Gemäß einem ersten vorgeschlagenen Verfahren wird das Spannungssignal U zwischen Entladeende t₀ und Ladebeginn t₄ bzw. zwischen Ladeende t₅ und Entladebeginn abgetastet. Durch ein Intervall der Abtastwerte des Spannungssignals U wird eine Regressionsfunktion, vorzugsweise eine Regressionsgerade, gelegt und ein Korrelationswert R der Regressionsfunktion zu den Abtastwerten ermittelt. Anhand der Größe des Korrelationswerts wird (z. B. von t₁ bis t₄ in 2 oder von t₂ bis t₄ in 7) das Erreichen eines Nadelhubanschlags erkannt. Die Regressionsgerade wird auch als Korrelationsgerade bezeichnet.
Zur Berechnung der Regressionsgeraden muss ein Optimierungsproblem gelöst werden dergestalt, dass die Lage einer zunächst beliebig durch die abgetasteten Punkte des Spannungsverlaufs U gelegte Gerade (y = a + b·x) optimiert werden muss, so dass die Abstände der Geraden zu den einzelnen Punkt möglichst klein werden (Minimieren der summierten Quadrate der Residuen). Diese Methode wird auch als Methode der kleinsten Quadrate bezeichnet.
Durch partielles Differenzieren und Nullsetzen der Ableitungen erster Ordnung erhält man ein System von Normalgleichungen. Die gesuchten Regressionskoeffizienten sind die Lösungen
und a = y – b·x mit x als arithmetischem Mittel der x-Werte und y als arithmetischem Mittel der y-Werte. SS_xy bezeichnet die empirische Varianz der x_i. Man nennt diese Schätzung auch Kleinste-Quadrate-Schätzung (KQ) oder Ordinary Least Squares Schätzung (OLS).
Der Korrelationswert R oder Korrelationskoeffizient ist ein dimensionsloses Maß für den Grad des linearen Zusammenhangs zwischen zwei Merkmalen. Er kann lediglich Werte zwischen –1 und +1 annehmen. Bei einem Wert von +1 (bzw. –1) besteht ein vollständiger positiver (bzw. negativer) linearer Zusammenhang zwischen den betrachteten Merkmalen. Wenn der Korrelationswert den Wert 0 aufweist, hängen die beiden Merkmale überhaupt nicht linear voneinander ab. Allerdings können diese ungeachtet dessen in nicht-linearer Weise voneinander abhängen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird mittels des Korrelationswerts der lineare Zusammenhang zwischen den abgetasteten Punkten des Spannungsverlaufs U und der durch die abgetasteten Punkte gelegten Regressionsfunktion bzw. Regressionsgeraden ermittelt. Wenn die abgetasteten Punkte des Spannungsverlaufs U mit x₁, x₂, ..., x_n und die diskreten Punkte der Regressionsfunktion mit y₁, y₂, ..., y_n bezeichnet werden, so wird der empirische Korrelationskoeffizient nach folgender Formel berechnet:
Dabei sind
die empirischen Erwartungswerte X und Y anhand der Punktereihe.
Im Vorfeld der Detektion, ob die Düsennadel 13 einen Hubanschlag 14, 21 erreicht hat, wird in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ein Grenzwert für den Korrelationswert R ermittelt. Der Grenzwert kann empirisch, also in Versuchen, durch Simulation oder auf mathematischem Weg ermittelt werden. Der Grenzwert wird so gewählt, dass bei einem Korrelationskoeffizient größer oder gleich dem Grenzwert der Hubanschlag 14, 21 mit großer Wahrscheinlichkeit erreicht worden ist, bzw. dass bei einem Korrelationskoeffizient unterhalb des Grenzwerts der Hubanschlag 14, 21 mit großer Wahrscheinlichkeit nicht erreicht worden ist. Der für den aktuellen Spannungsverlauf U ermittelte Korrelationswert bzw. der Betrag des Korrelationswerts wird während der Laufzeit des Verfahrens mit dem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittelten Grenzwert verglichen und ein Nadelhubanschlag erkannt, falls der ermittelte Korrelationswert größer oder gleich dem Grenzwert ist.
Falls der Aktor 12 aufgrund von Hubverlust über der Laufzeit oder aufgrund einer zu geringen Ansteuerspannung U einen zu geringen Hub h ausführt, um die Nadel 13 an ihren Hubanschlag 14, 21 zu ziehen, dann schwingt die Nadel 13 nach Beenden ihres Fluges um ihre spätere Ruhelage. Diese Schwingung um die Ruhelage erzeugt eine Schwingung in der Ansteuerspannung U mit einer über den gesamten Hochdruckbereich ähnlichen Frequenz. Wegen dieser festen Frequenz tritt ein charakteristisches Schwingungstal immer zu ähnlichen Zeiten innerhalb einer Ansteuerung auf. Zur Bewertung, ob der Nadelhubanschlag 14, 21 erreicht wurde, dient in dem Bereich des Schwingungstals die Summe k der quadratischen Abweichungen von einem Spannungsmittelwert 40 (vgl. 9) in diesem Bereich. Somit ergibt diese Summe einen großen Wert, wenn der Anschlag 14, 21 nicht erreicht wurde, denn in diesem Fall zeigen viele Punkte eine große Abweichung vom Mittelwert 40. Wird der Hubanschlag 14, 21 erreicht, dann ändert sich die Schwingungsfrequenz und in dem Bereich, in dem im Fall des nicht erreichten Hubanschlags 14, 21 noch ein Schwingungstal war, werden nun mehrere Schwingungsperioden mit kleiner Amplitude durchlaufen. In diesem Fall weichen wesentlich weniger Punkte auch um einen kleineren Wert von dem Mittelwert 40 ab. Die Summe k ändert dann ihren Wert, wobei die Änderung der Summe k zur Detektion des Erreichens eines Hubanschlags 14, 21 herangezogen werden kann.
Wenn die Abtastwerte des Spannungsverlaufs U mit U_i bezeichnet werden und der Spannungsmittelwert 40 mit U bezeichnet wird, ergibt sich die Summe k der quadratischen Abweichungen von einem Spannungsmittelwert 40 durch nachfolgende Gleichung:
In 9 ist dieses Ausführungsbeispiel dargestellt. In der Figur sind zum einen vier verschiedene Spannungsverläufe U dargestellt, wobei beim Spannungsverlauf U₁ relativ viele Punkte relativ weit von dem Mittelwert 40₁ abweichen. Deshalb kann darauf geschlossen werden, dass die Nadel 13 den Hubanschlag 14, 21 nicht erreicht hat. Bei den Spannungsverläufen U₂, U₃, U₄ weichen dagegen relativ wenige Punkte und/oder die Punkte um einen relativ kleinen Betrag von den Mittelwerten 40₂ , 40₃ , 40₄ ab. Deshalb kann darauf geschlossen werden, dass die Nadel 13 den Hubanschlag 14, 21 erreicht.
In den 3 und 4 ist eine Regressionsgerade 30 eingezeichnet, welche durch ein Intervall mehrerer abgetasteter Punkte des Spannungsverlaufs U zwischen dem Entladeende t₀ und dem Ladebeginn t₄ gelegt wurde. In dem Beispiel aus 3 wurde die Regressionsgerade 30 durch abgetastete Punkte des Spannungsverlaufs U zwischen den Zeitpunkten t₃ und t₄ gelegt. Der Spannungsverlauf U aus 3 gehört zu einem Kraftstoffeinspritzventil 10, das den Hubanschlag 21 erreicht, und der Spannungsverlauf U aus 4 gehört zu einem Kraftstoffeinspritzventil 10, das den Hubanschlag 21 nicht erreicht. Da die Regressionsgerade 30 in 3 wesentlich besser die Messung abdeckt als die Regressionsgerade 30 in 4, ergibt sich für die Regressionsgerade 30 aus 3 ein größerer Korrelationswert R als für die Gerade 30 aus 4. Durch die Wahl eines geeigneten Grenzwertes und Vergleich des Korrelationswerts R mit dem Grenzwert kann sicher und zuverlässig erkannt werden, ob der Hubanschlag 14, 21 erreicht wurde oder nicht.
Vor dem Ermitteln der Regressionsgeraden bzw. des Korrelationswerts kann der Spannungsverlauf U geglättet bzw. gefiltert werden, indem beispielsweise ein Mittelwert über jeweils eine bestimmte Anzahl von Abtastwerten, bspw. über fünf Abtastwerte, gebildet wird.
Erst nach Erreichen des Hubanschlags 14, 21 ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 vollständig geschlossen bzw. geöffnet. Der genaue Zeitpunkt des Erreichens des Hubanschlags 14, 21 ist also für eine Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge von großer Bedeutung. Falls bspw. der Hubanschlag 14, 21 zu spät oder gar nicht erreicht wird, kann regelnd eingegriffen werden, damit dennoch innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer die vorgegebene Menge an Kraftstoff eingespritzt wird. Auf diese Weise können Mengendrifts aufgrund eines gealterten oder verschlissenen oder eines mit Fertigungstoleranzen behafteten Kraftstoffeinspritzventils 10 ausgeregelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Ableitung erster Ordnung des Spannungsverlaufs U gebildet. Dies kann anhand des analogen Spannungssignals U oder anhand diskreter Abtastwerte des Spannungssignals U erfolgen. Der Zeitpunkt t₁ in 2, zu dem die Ableitung zum ersten Mal den Wert 0 annimmt, wird zur Einteilung des Spannungsverlaufs U in zwei Bereiche herangezogen, einen Anstiegsbereich zwischen t₀ und t₁ und einen Plateaubereich zwischen t₁ und t₄. In diesen beiden Bereichen wird jeweils eine Regressionsfunktion 30, 31, vorzugsweise eine Regressionsgerade, durch die abgetasteten Punkte des Spannungsverlaufs U gelegt. Der Schnittpunkt dieser beiden Regressionsfunktionen 30, 31 wird als Zeitpunkt (t₃ in 3 für einen intakten Injektor 10 und t₃' in 4 für einen nicht intakten Injektor 10) herangezogen, zu dem die Düsennadel 13 den Hubanschlag 21 erreicht. Die Tatsache, dass t₃' größer ist als t₃, bedeutet, dass die Nadel 13 in 4 den Hubanschlag 21 zu spät erreicht.
Als Kriterium, ob die Nadel 13 den Anschlag 21 tatsächlich erreicht, kann auch hier der Korrelationsfaktor herangezogen werden. Wie bereits oben erläutert, zeigt die Spannung U im Plateaubereich einen flachen Verlauf, wenn die Nadel 13 am Anschlag 21 anliegt, und der Korrelationsfaktor weist somit einen relativ hohen Wert auf (vgl. 3). Erreicht die Nadel 13 den Anschlag 21 nicht, weist die Spannung U im Plateaubereich eine Welligkeit auf, und der Korrelationsfaktor hat einen wesentlich kleineren Wert (vgl. 4).
Auch bei dieser Ausführungsform kann vor dem Bilden der Ableitung erster Ordnung bzw. vor dem Ermitteln der Regressionsgeraden bzw. des Korrelationswerts der Spannungsverlauf U geglättet bzw. gefiltert werden, indem beispielsweise ein Mittelwert über jeweils eine bestimmte Anzahl von Abtastwerten, bspw. über fünf Abtastwerte, gebildet wird.
In den 5 und 6 ist oben ein Spannungsverlauf U und unten der entsprechende Hubverlauf h der Düsennadel 13 über der Zeit t aufgetragen. Der in 5 dargestellte Spannungsverlauf U entspricht qualitativ dem Verlauf der Spannung U aus den 2 bis 4. 6 zeigt einen Ausschnitt VI des Spannungs- und des Hubverlaufs aus 5. Der in den 5 und 6 dargestellte Spannungsverlauf U kommt folgendermaßen zu Stande:
Ab t = 100 μs wird der Aktor 12 ausgehend von der Startspannung U = 170 V entladen. Der Aktor 12 zieht sich zusammen und senkt dadurch den Druck im Kopplerraum 19, was ein Öffnen der Düsennadel 13 nach sich zieht. Bei t₀ (vgl. 6 oben) endet die Bestromung und der Aktor 12 wird abgeklemmt, das heißt sich selbst überlassen. Da die Nadel 13 den Hubanschlag 21 noch nicht erreicht hat, läuft sie weiter (vgl. 6 unten), so dass der Druck im Kopplerraum 19 wieder steigt. Das sorgt über den piezoelektrischen Effekt für einen Anstieg der Aktorklemmspannung U. Sobald die Nadel 13 den Hubanschlag 21 erreicht (Zeitpunkt t₂ in 6 für einen neuen Injektor), ändert sich der Druck im Kopplerraum 19 nicht mehr, so dass die Spannung U nahezu konstant bleibt.
Mit dem Bezugszeichen 32 ist in den 5 und 6 der Spannungsverlauf U und mit dem Bezugszeichen 33 der Hubverlauf h eines neuen Injektors 10 bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen 32' ist in den 5 und 6 der Spannungsverlauf U und mit dem Bezugszeichen 33' der Hubverlauf h eines gealterten Injektors 10' bezeichnet (Hubanschlag 21 wird – wenn überhaupt – später erreicht). Mit dem Bezugszeichen 32'' ist in den 5 und 6 der Spannungsverlauf U und mit dem Bezugszeichen 33'' der Hubverlauf h eines Injektors 10'' mit verschlissenem Düsenelement bezeichnet. Der Spannungsknick bzw. die Spannungsextrems (Maxima bzw. Minima) bei t₂, t₂', t₂'' sind also zeitlich mit dem Erreichen des Nadelhubanschlags 21 korreliert.
Beim Schließen des Injektors 10 wirkt der gleiche physikalische Effekt: Die Nadel 13 läuft nach Bestromungsende noch weiter, so dass der Druck im Kopplerraum 19 steigt, was zu einer abfallenden Aktorklemmspannung U führt. Sobald die Nadel 13 auf dem Ventilsitz 14 ruht, bleibt der Druck im Koppelraum 19 und damit auch die Aktorspannung U im Wesentlichen konstant.
Um festzustellen, ob der Hubanschlag 21 bzw. 14 erreicht wurde, wird rund um das erwartete Spannungsmaximum zum Zeitpunkt t₁ (vgl. 2) bzw. zum Zeitpunkt t₂, t₂', t₂'' (vgl. 6) oder rund um das Spannungsminimum nach dem Ladeende zum Zeitpunkt t₅ (vgl. 3 und 4) ein erster Spannungswert des Spannungssignals U sowie vor dem Ladebeginn zum Zeitpunkt t₄ (vgl. 6) bzw. vor dem Entladebeginn ein weiterer Spannungswert ermittelt. Wenn die gemessene erste Spannung deutlich größer als die kurz vor dem Zeitpunkt t₄ gemessene weitere Spannung ist, deutet dies auf einen nicht erreichten Hubanschlag 21 hin. Wenn die gemessene erste Spannung deutlich kleiner als die vor dem Zeitpunkt t₄ gemessene weitere Spannung ist, deutet dies darauf hin, dass die Düsennadel 13 zu stark an den Nadelhubanschlag 21 gezogen wurde: ein großer Unterdruck im Koppelraum 19 sorgt dafür, dass durch Leckspalte Kraftstoff 11 nachgezogen wird, der Druck und damit über den piezoelektrischen Effekt auch die Aktorspannung U steigen an. Auch hier müssen die jeweiligen Spannungsgrenzwerte injektortyp-spezifisch ermittelt werden.
Alternativ kann auch über die Ableitung des Spannungsverlaufs U und den Nulldurchgang der Ableitung der Übergang des Spannungsverlaufs von dem Anstiegsbereich in den Plateaubereich ermittelt werden. Zum Zeitpunkt t₀ (vgl. 6) am Ende des Entladevorgangs und zu Beginn der Bestromungspause wird ein erster Spannungswert und zum Zeitpunkt t₁ (vgl. 2) bzw. zum Zeitpunkt t₂, t₂', t₂'' (vgl. 6) des Nulldurchgangs der Ableitung des Spannungsverlaufs wird ein weiterer Spannungswert ermittelt. Anhand dieser beiden Spannungswerte und/oder anhand der Differenz dU der beiden Spannungswerte kann ebenfalls der Zeitpunkt des Erreichens des Hubanschlags ermittelt werden. Der Regler kann sowohl auf dieses dU als auch auf das dU regeln, das in dem nächsten Abschnitt beschrieben wird. Die Idee ist es, das hier beschriebene dU für die Ermittlung des Zeitpunkts des Erreichens des Hubanschlags heranzuziehen. Falls die Differenz zwischen dem ersten gemessenen Spannungswert und dem weiteren Spannungswert sehr groß ist, kann davon ausgegangen werden, dass der Hubanschlag nicht oder zu spät erreicht wurde. Falls die Differenz sehr klein ist, wird davon ausgegangen, dass die Nadel 13 zu stark gegen den Hubanschlag gefahren ist. Entsprechende injektortyp-spezifische Grenzwerte für die Spannungswerte bzw. die Differenz können im Vorfeld ermittelt und während der Laufzeit des Verfahrens zur Ermittlung eines Hubanschlags bzw. des Zeitpunkts eines Hubanschlags herangezogen werden.
Um den genauen Zeitpunkt des Erreichens des Hubanschlags 14, 21 auf besonders einfache Weise bestimmen zu können, wird eine Vereinfachung ausgenutzt, dass nämlich die Steigung m in dem Anstiegsbereich der Spannung U über den gesamten Anstiegsbereich und für verschiedene Spannungsverläufe U über die Lebensdauer des Injektors 10 nahezu konstant ist (vgl. 6 oben) und deshalb schnell und unkompliziert einmalig ermittelt und bei allen nachfolgenden Berechnungen des Zeitpunkts des Erreichens des Hubanschlags berücksichtigt werden kann. Der gesuchte Zeitpunkt des Nadelhubanschlags lässt sich dann berechnen, indem die Spannungsdifferenz dU zwischen Abschaltspannung (welche zeitlich genau bekannt ist; Zeitpunkt t₀) und der eingeschwungenen Endspannung im geöffneten Injektorzustand vor dem Zeitpunkt t₄ ermittelt und über die bekannte Steigung m die Zeitdifferenz zwischen Abschaltzeitpunkt t₀ und Erreichen des Hubanschlags 21 berechnet wird. Dies ist wesentlich einfacher durchzuführen als die Suche nach einem Knick zwischen Anstiegs- und Plateaubereich im Verlauf der Spannung U. Der konstante Zusammenhang zwischen der Spannungsdifferenz dU und dem Zeitpunkt des Erreichens des Hubanschlags ab Bestromungsende zum Zeitpunkt t₀ kann in einer Tabelle abgelegt werden, so dass während der Laufzeit des Verfahrens die Steigung nicht mehr berücksichtigt werden muss.
Hierzu soll folgendes Beispiel erläutert werden. Wenn sich als Steigung bspw. m = 300.000 V/s und im Spannungsverlauf U eines Injektors 10 eine Spannungsdifferenz dU = 2 V ergibt, kann der Zeitpunkt, zu dem der Hubanschlag 14, 21 erreicht wird, mit folgender Gleichung berechnet werden:
Das bedeutet also, dass t = 6,667 μs nach dem Zeitpunkt t₀, zu dem der Strom abgeschaltet wird, der Hubanschlag 14, 21 erreicht ist. Dieser Zusammenhang kann für den betrachteten Injektortyp noch für viele andere Spannungsdifferenzen berechnet und in einer Tabelle abgelegt werden.
Sofern eine übergeordnete Regelung genutzt wird, um die Differenz dU (auf welche Weise auch immer berechnet) auf einen gewünschten Wert zu regeln, führen geringfügige Änderungen der Steigung m, bspw. durch Änderung der Aktorkapazität, nur zu vernachlässigbar kleinen Fehlern in der ermittelten Anschlagzeit. Falls die Spannungsdifferenz dU zu groß gewählt wird, wird der Hubanschlag nicht erreicht. Falls die Differenz dU zu klein gewählt wird, schlägt die Nadel 13 zu stark an den Hubanschlag 14, 21 an. Falls die Differenz dU klein genug gewählt wird, ohne zu groß und zu klein zu sein, wird der Hubanschlag 14, 21 sicher und zuverlässig erreicht, ohne zu stark dagegen zu fahren.
Da bei dem vorgeschlagenen Verfahren sowohl die Einspritzdauer als auch die maximale Spritzrate (von Düsenverkokung abgesehen) bekannt ist, kann die eingespritzte Kraftstoffmenge sehr genau eingestellt werden. Durch Variation des Entladestroms I, der durch den Aktor 12 fließt, kann der Hub h der Düsennadel 13 vergrößert werden, so dass der Hubanschlag 14, 21 in aller Regel erreicht wird. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel kommt es also zur Detektion, ob der Hubanschlag 14, 21 erreicht wird, nicht auf die Steigung m des Anstiegsbereichs der Ansteuerspannung U des Aktors 12 an, sondern nur auf die Spannungsdifferenz dU.
Soll mit einem invers betriebenen Kraftstoffinjektor 10 eine Einspritzung erfolgen, wird der Aktor 12 des geschlossenen Injektors 10 entladen, der Aktor 12 zieht sich zusammen und erzeugt einen Unterdruck im Koppelraum 19 über der Nadel 13, wodurch die Nadel 13 in Bewegung versetzt wird. Hat die Nadel 13 sich erst aus ihrem Sitz 14 gehoben, kann der unter Hochdruck stehende Kraftstoff 11 unter dem Sitz 14 angreifen und die Nadel 13 nach oben beschleunigen. Durch diese Bewegung nach oben wird zunächst der Unterdruck im Koppelraum 19 abgebaut und anschließend ein Überdruck erzeugt. Dieser Überdruck bewirkt eine auf den Aktor 12 wirkende Kraft, in dem dann aufgrund des piezoelektrischen Effekts eine positive Spannung U induziert wird. Im Betriebszustand, in dem der Aktor 12 ausreichend Hub h macht, endet die Nadelbewegung abrupt, wenn die Düsennadel 13 ihren Hubanschlag 21 erreicht. Dadurch, dass dann keine Kraft mehr auf den Aktor 12 wirkt, bleibt die Ansteuerspannung 12 im Wesentlichen konstant auf einem Plateau. Dieser Zusammenhang ist beispielsweise in 8 dargestellt, wo der Spannungsverlauf U eines intakten Injektors 10 sowie der Spannungsverlauf U' eines Injektors 10 dargestellt ist, dessen Düsennadel 13' den Ventilsitz 14 nicht erreicht. Auch die Ströme I dieser beiden Injektoren 10, 10' sind dargestellt.
Ist der Aktor 12 in der Lage, ausreichend Hub h zu machen, um die Nadel 13 an ihren mechanischen Anschlag 21 zu ziehen, so lässt sich der Zeitpunkt des Erreichens des Anschlags durch die Spannungsdifferenz dU zwischen dem Spannungsminimum (zum Zeitpunkt t₀) und dem ersten danach auftretenden lokalen Maximum (beim ersten Nulldurchgang der Ableitung des Spannungsverlaufs, zum Zeitpunkt t₁ bzw. t₂) einstellen. Die zugrundeliegende vereinfachende Annahme hierfür ist, dass die Steigung m, mit der die Spannung U zwischen diesen beiden Punkten ansteigt, konstant ist (vgl. obige Ausführungen). Wenn die Auswertung eines der zuvor beschriebenen Kriterien (Korrelationswert R oder Summe k) ergibt, dass die Nadel 13 ihren Hubanschlag 14, 21 nicht erreicht hat, reagiert das Kompensationsverfahren damit, dass die Entladezeit vergrößert wird, um den Spannungshub zu vergrößern (vgl. 11). Würde nun der Sollwert des dU-Reglers konstant gehalten, dann würde die Nadel 13 ihren Hubanschlag 14, 21 zu spät erreichen. Aus diesem Grund muss mit der Verlängerung der Entladezeit eine Veränderung, vorzugsweise eine Verringerung, des Sollwerts des dU-Reglers einhergehen. Dieser Sachverhalt und die Wirkungsweise sind in 11 dargestellt.
Ist ein sicherer Hubanschlag 14, 21 über mehrere Ansteuerungen erfolgt, dann wird der Regler versuchen den Spannungshub wieder zu verringern. Dies ist nötig, damit der Regler nicht nur in eine Richtung korrigieren darf, und so bei Fehlmessungen die Fehler nicht mehr korrigieren kann. Zur Reduzierung des Spannungshubs wird genau das Gegenteil des oben beschriebenen Vorgangs gemacht. Es wird also die Entladezeit verkürzt und dU vergrößert.
Eine beispielhafte Regelungsstruktur wird nachfolgend anhand der 10 näher erläutert. Hierbei sind mehrere Regelkreise kaskadenförmig ineinander geschachtelt. Der äußerste Regelkreis dient der Regelung der Summe k der quadratischen Abweichungen des Spannungssignals U von einem Spannungsmittelwert 40 oder des Korrelationskoeffizient R aus dem ersten Beispiel oder einer anderen Größe eines anderen Verfahrens zur Detektion des Hubanschlags. Am Injektor 10 wird die Spannung U erfasst, und nach einer Auswertung in einem Funktionsblock 50 nach einem oder mehreren der oben beschriebenen Verfahren erhält man den Istwert k_ist (bzw. R_ist) für die Summe k (bzw. den Korrelationskoeffizient R). Als Sollwert k_soll (bzw. R_soll) wird ein möglichst kleiner Wert, bspw. Null, vorgegeben. In einem Subtraktionsblock 51 wird die Differenz dk (bzw. dR) von Sollwert k_soll (bzw. R_soll) und Istwert k_ist (bzw. R_ist) der Summe k der quadratischen Abweichungen von einem Spannungsmittelwert 40 (bzw. des Korrelationskoeffizient R) gebildet. Die Differenz dk (bzw. dR) wird als Regeldifferenz einem Regler 52, bspw. einem Proportionalregler mit einem Verstärkungsfaktor Kp3, zugeführt.
Die Signalgröße des Reglers 52 der Summe k (bzw. des Korrelationskoeffizient R) ist gleichzeitig die Führungsgröße (Sollwert dU_soll) der unterlagerten Regelung der wie auch immer berechneten Differenz dU. Aus der am Injektor 10 anliegenden Aktorspannung U wird im Rahmen der Auswertung 50 nach einem oder mehreren der oben beschriebenen Verfahren auch der Istwert dU_ist für die Differenz dU ermittelt. In einem Subtraktionsblock 53 wird die Differenz ddU von Sollwert dU_soll und Istwert dU_ist gebildet. Die Differenz ddU wird als Regeldifferenz einem Regler 54, bspw. einem Proportionalregler mit einem Verstärkungsfaktor Kp1, zugeführt.
Die Signalgröße des Reglers 54 der Summe k ist gleichzeitig die Führungsgröße (Sollwert Ubx_soll) der unterlagerten Regelung der am Aktor 12 anliegenden Spannung Ubx, dabei entspricht die Spannung Ubx dem oben beschriebenen ΔU. Die am Injektor 10 anliegende Aktorspannung Ubx wird als Istwert Ubx_ist erfasst. In einem Subtraktionsblock 55 wird die Differenz dUbx von Sollwert Ubx_soll und Istwert Ubx_ist der Spannung Ubx gebildet. Die Differenz dUbx der Spannungen wird als Regeldifferenz einem Regler 56, bspw. einem Proportionalregler mit einem Verstärkungsfaktor Kp2, zugeführt.
Die Signalgröße des Reglers 56 ist der Entladestrom I, dessen Verlauf in den verschiedenen Diagrammen eingezeichnet ist und der in 10 mit i_DisCh (Discharge) bezeichnet ist. Der Injektor 10 bzw. dessen Piezoaktor 12 wird mit diesem Entladestrom beaufschlagt. Die Differenz dk von Sollwert k_soll und Istwert k_ist der Summe k der quadratischen Abweichungen von einem Spannungsmittelwert 40 wird außerdem einem Regler 57, bspw. einem Proportionalregler mit einem Verstärkungsfaktor Kp4, zugeführt. Die Signalgröße des Reglers 57 ist die Entladezeitdauer ti_DisCh, für die der Injektor 10 mit dem Entladestrom i_DisCh beaufschlagt wird, damit die gewünschte Kraftstoffmenge eingespritzt wird.
Anhand der 11 wird näher erläutert, wie die Ansteuerung des Kraftstoffeinspritzventils 10 korrigiert werden muss, damit einerseits die Düsennadel 13 den Hubanschlag 14, 21 sicher erreicht und andererseits die Düsennadel 13 den Hubanschlag 14, 21 auch innerhalb einer gewünschten Zeitdauer erreicht. In 11a) ist oben mit einer durchgezogenen Linie der Verlauf des Ansteuerstroms I des Aktors 12 im ursprünglichen unkorrigierten Zustand dargestellt. Mit der gestrichelten Linie ist der Verlauf des Ansteuerstroms I mit korrigierter Entladezeit dargestellt. In 11a) ist unten in entsprechender Weise mit einer durchgezogenen Linie der Verlauf der unkorrigierten an dem Aktor 12 anliegenden Aktorspannung U dargestellt. Mit der gestrichelten Linie ist der Verlauf der Spannung U mit geänderter Entladezeit dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass eine Verlängerung der Entladezeit von einem Entladeende bei t₇ auf ein Entladeende erst bei t₈ zwar einen vergrößerten Spannungshub erzeugt, allerdings auch zu einem späteren Erreichen des Nadelhubanschlags 14, 21 führt. Der Anschlag 14, 21 wird nämlich erst zum Zeitpunkt t₁₀ statt zum Zeitpunkt t₉ erreicht.
In 11b) ist oben wiederum mit einer durchgezogenen Linie der Verlauf des Entladestroms I des Aktors 12 im ursprünglichen unkorrigierten Zustand dargestellt. Mit der gestrichelten Linie ist der Verlauf des Entladestroms I mit korrigierter Entladezeit und korrigierter Spannungsdifferenz dU dargestellt. In 11b) ist unten in entsprechender. Weise mit durchgezogenen Linie der Verlauf der unkorrigierten an dem Aktor 12 anliegenden Aktorspannung U dargestellt. Mit der gestrichelten Linie ist der Verlauf der Spannung U mit geänderter Entladezeit und geänderter Spannungsdifferenz dU (dU2 statt dU1, wobei dU2 < dU1) dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass ein Verlängern der Entladezeit von t₇ auf t₈ einen vergrößerten Spannungshub erzeugt. Das spätere Erreichen des Nadelhubanschlags 14, 21 von 11a) unten wird in 11b) jedoch dadurch kompensiert, dass ein kleinerer Wert für die Spannungsdifferenz dU als Sollwert vorgegeben wird. Das hat zur Folge, dass der Anschlag 14, 21 bereits zu einem Zeitpunkt t₁₀ erreicht wird, der genau dem ursprünglichen Zeitpunkt t₉ entspricht. Falls der Spannungshub reduziert werden soll, gilt selbstverständlich dU2 ≤ dU1, so dass trotz einer verkürzten Entladezeit, der Hubanschlag 14, 21 nicht zu früh erreicht wird.

Claims

Kraftstoffeinspritzsystem umfassend mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil (10) und ein Steuergerät (20) zum Ansteuern des Einspritzventils (10), wobei jedes Einspritzventil (10) umfasst – einen piezoelektrischen Aktor (12), – ein Düsenelement mit mindestens einer Düsenöffnung (15) und mindestens einer bewegbaren Düsennadel (13) zum selektiven Verschließen und Öffnen der mindestens einen Düsenöffnung (15), – ein hydraulisches Koppelelement, das zwischen dem Piezoaktor (12) und der Düsennadel (13) geschaltet ist, und – mindestens einen Hubanschlag (14, 21), an dem die Düsennadel (13) in ihrer vollständig geöffneten und/oder ihrer vollständig geschlossenen Stellung anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (20) Detektionsmittel zum Erkennen eines Anschlags der Düsennadel (13) an dem mindestens einen Hubanschlag (14, 21) aufweist, wobei die Mittel derart ausgebildet sind, dass sie den Nadelhubanschlag während einer Bestromungspause des Piezoaktors (12) anhand des Verlaufs eines an dem Piezoaktor (12) anliegenden Spannungssignals (U) erkennen.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie eine Schwingungsamplitude des Spannungssignals (U) zwischen Entladeende und Ladebeginn bzw. zwischen Ladeende und Entladebeginn bewerten.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie das Spannungssignal (U) zwischen Entladeende und Ladebeginn bzw. zwischen Ladeende und Entladebeginn abtasten, durch ein Intervall der Abtastwerte des Spannungssignals (U) eine Regressionsfunktion (30), vorzugsweise eine Regressionsgerade, legen und einen Korrelationswert zu den Abtastwerten ermitteln, wobei sie anhand der Größe des Korrelationswerts erkennen, ob ein Nadelhubanschlag vorliegt oder nicht.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie die ermittelten Korrelationswerte mit einem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittelten Grenzwert vergleichen und einen Nadelhubanschlag erkennen, falls der ermittelte Korrelationswert größer oder gleich dem Grenzwert ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie am Anfang der Bestromungspause einen ersten Spannungswert des Spannungssignals (U) sowie zu einem späteren Zeitpunkt während der Bestromungspause einen weiteren Spannungswert des Spannungssignals (U) ermitteln, wobei sie anhand der Differenz (dU) zwischen dem ersten Spannungswert und dem weiteren Spannungswert erkennen, ob ein Nadelhubanschlag vorliegt oder nicht.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt am Anfang der Bestromungspause, zu dem der erste Spannungswert ermittelt wird, bei oder nach dem Entladeende (t₀) bzw. bei oder nach dem Ladeende (t₅) liegt.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt am Anfang der Bestromungspause, zu dem der erste Spannungswert ermittelt wird, bei einem Zeitpunkt (t₁; t₂; t₃) liegt, zu dem eine Ableitung des Spannungsverlaufs (U) einen ersten Nulldurchgang aufweist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der spätere Zeitpunkt, zu dem der weitere Spannungswert ermittelt wird, kurz vor dem Ladebeginn (t₄) bzw. kurz vor dem Entladebeginn liegt.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der spätere Zeitpunkt, zu dem der weitere Spannungswert ermittelt wird, bei einem Zeitpunkt (t₁; t₂; t₃) liegt, zu dem eine Ableitung des Spannungsverlaufs (U) einen ersten Nulldurchgang aufweist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie die ermittelte Spannungsdifferenz (dU) mit einem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittelten Grenzwert vergleichen und das Nichterreichen eines Nadelhubanschlags erkennen, falls der erste Spannungswert zu Beginn (t₁; t₂; t₃) der Bestromungspause größer als der weitere Spannungswert zu dem späteren Zeitpunkt (t₄) und der Betrag der ermittelten Spannungsdifferenz (dU) größer oder gleich dem Grenzwert ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie die ermittelte Spannungsdifferenz (dU) mit einem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittelten Grenzwert vergleichen und erkennen, dass die Düsennadel (13) zu stark an einen Hubanschlag (14, 21) gezogen wurde, falls der erste Spannungswert zu Beginn (t₁; t₂; t₃) der Bestromungspause kleiner als der weitere Spannungswert zu einem späteren Zeitpunkt (t₄) und der Betrag der ermittelten Spannungsdifferenz (dU) größer oder gleich dem Grenzwert ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie das Spannungssignal (U) während der Bestromungspause betrachten, den Verlauf des Spannungssignals (U) in dem betrachteten Bereich in einen Anstiegsbereich und einen daran anschließenden Plateaubereich unterteilen, durch den Plateaubereich einen Spannungsmittelwert (40) bilden und eine Summe (k) der quadratischen Abweichungen des Spannungssignals (U) von dem Spannungsmittelwert (40) in dem Plateaubereich ermitteln, wobei sie anhand der Größe der ermittelten Summe (k) erkennen, ob ein Nadelhubanschlag vorliegt oder nicht.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie die ermittelte Summe (k) mit einem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittelten Grenzwert vergleichen und einen Nadelhubanschlag erkennen, falls die ermittelte Summe kleiner oder gleich dem Grenzwert ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie während der Bestromungspause die erste Ableitung über das Spannungssignal (U) bilden, den Zeitpunkt, zu dem die Ableitung das erste Mal einen Nulldurchgang aufweist, zur Unterteilung des Verlaufs des Spannungssignals (U) in einen Anstiegsbereich und einen Plateaubereich heranziehen, durch das Spannungssignal (U) im Anstiegsbereich und im Plateaubereich jeweils eine Regressionsfunktion (30; 31), vorzugsweise eine Regressionsgerade, legen und den Schnittpunkt der beiden Regressionsfunktionen (30; 31) als den Zeitpunkt (t₃) heranziehen, zu dem ein Nadelhubanschlag vorliegt.
Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel derart ausgebildet sind, dass sie den Zeitpunkt (t₃) des Nadelhubanschlags erst bestimmen, wenn zuvor ermittelt wurde, dass überhaupt ein Nadelhubanschlag vorliegt.
Verfahren zum Ermitteln eines Nadelhubanschlags in einem Kraftstoffeinspritzventil (10), das umfasst – einen Piezoaktor (12), – ein Düsenelement mit mindestens einer Düsenöffnung (15) und mindestens einer bewegbaren Düsennadel (13) zum selektiven Verschließen und Öffnen der mindestens einen Düsenöffnung (15), – ein hydraulisches Koppelelement (16, 17, 18, 19), das zwischen dem Piezoaktor (12) und der Düsennadel (13) geschaltet ist, und – mindestens einen Hubanschlag (14, 21), an dem die Düsennadel (13) in ihrer vollständig geöffneten und/oder ihrer vollständig geschlossenen Stellung anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Nadelhubanschlag (14, 21) während einer Bestromungspause des Piezoaktors (12) durch Auswerten des Verlaufs eines an dem Piezoaktor (12) anliegenden Spannungssignals (U) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwingungsamplitude des Spannungssignals (U) zwischen Entladeende und Ladebeginn bzw. zwischen Ladeende und Entladebeginn bewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch das an dem Piezoaktor (12) anliegende Spannungssignal (U) während der Bestromungspause mindestens eine Regressionsfunktion (30; 31), vorzugsweise eine Regressionsgerade, gelegt wird und der mindestens eine Nadelhubanschlag (14, 21) durch Auswerten des Verlaufs der mindestens einen Regressionsfunktion (30; 31) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ableitung des Spannungssignals (U) während der Bestromungspause gebildet, der Zeitpunkt, zu dem die Ableitung den ersten Nulldurchgang aufweist, zur Unterteilung des Verlaufs des Spannungssignals (U) in einen Anstiegsbereich und einen Plateaubereich herangezogen, durch das Spannungssignal in dem Anstiegsbereich und in dem Plateaubereich jeweils eine Regressionsfunktion (30; 31), vorzugsweise eine Regressionsgerade, gelegt und der Schnittpunkt der beiden Regressionsfunktionen (30; 31) als der Zeitpunkt (t₃) des Nadelhubanschlags (14, 21) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Intervall des Spannungssignals (U) während der Bestromungspause eine Regressionsfunktion (30; 31), vorzugsweise eine Regressionsgerade, gelegt und ein Korrelationswert zu dem Spannungssignal (U) ermittelt wird, wobei der Nadelhubanschlag (14, 21) anhand der Größe des Korrelationswerts erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungssignal (U) vor der Bildung der Ableitung bzw. vor der Ermittlung der Regressionsfunktion (30; 31) abgetastet wird und die weitere Verarbeitung des Spannungssignals (U) anhand der Abtastwerte erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Korrelationswerte mit einem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittelten Grenzwert verglichen werden und ein Nadelhubanschlag erkannt wird, falls der ermittelte Korrelationswert größer oder gleich dem Grenzwert ist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungssignal (U) während der Bestromungspause betrachtet, der Verlauf des Spannungssignals (U) in dem betrachteten Bereich in einen Anstiegsbereich und einen daran anschließenden Plateaubereich unterteilt, in dem Plateaubereich ein Spannungsmittelwert (40) gebildet, eine Summe (k) der Beträge der gewichteten Abweichungen des Spannungssignals (U) von dem Spannungsmittelwert (40) in dem Plateaubereich ermittelt und anhand der Größe der ermittelten Summe (k) ein Nadelhubanschlag (14, 21) erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe (k) der quadratischen Abweichungen des Spannungssignals (U) von dem Spannungsmittelwert (40) in dem Plateaubereich ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Summe (k) mit einem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittelten Grenzwert verglichen und ein Nadelhubanschlag (14, 21) erkannt wird, falls die ermittelte Summe (k) kleiner oder gleich dem Grenzwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass am Anfang der Bestromungspause ein erster Spannungswert des Spannungssignals (U) sowie zu einem späteren Zeitpunkt während der Bestromungspause ein weiterer Spannungswert des Spannungssignals (U) ermittelt wird, wobei anhand der Differenz (dU) zwischen dem ersten Spannungswert und dem weiteren Spannungswert erkannt wird, ob ein Nadelhubanschlag vorliegt oder nicht.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt am Anfang der Bestromungspause, zu dem der erste Spannungswert ermittelt wird, bei oder nach dem Entladeende (t₀) bzw. bei oder nach dem Ladeende (t₅) liegt.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt am Anfang der Bestromungspause, zu dem der erste Spannungswert ermittelt wird, bei einem Zeitpunkt (t₁; t₂; t₃) liegt, zu dem eine Ableitung des Spannungsverlaufs (U) einen ersten Nulldurchgang aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der spätere Zeitpunkt, zu dem der weitere Spannungswert ermittelt wird, kurz vor dem Ladebeginn (t₄) bzw. kurz vor dem Entladebeginn liegt.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der spätere Zeitpunkt, zu dem der weitere Spannungswert ermittelt wird, bei einem Zeitpunkt (t₁; t₂; t₃) liegt, zu dem eine Ableitung des Spannungsverlaufs (U) einen ersten Nulldurchgang aufweist.
Verfahren nach Anspruch 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Spannungsdifferenz (dU) mit einem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittelten Grenzwert verglichen und das Nichterreichen eines Nadelhubanschlags erkannt wird, falls der erste Spannungswert zu Beginn (t₁; t₂; t₃) der Bestromungspause größer als der weitere Spannungswert zu dem späteren Zeitpunkt (t₄) und der Betrag der ermittelten Spannungsdifferenz (dU) größer oder gleich dem Grenzwert ist.
Verfahren nach Anspruch 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Spannungsdifferenz (dU) mit einem im Vorfeld in Abhängigkeit von dem verwendeten Einspritzventiltyp ermittelten Grenzwert verglichen und erkannt wird, dass die Düsennadel (13) zu stark an einen Hubanschlag (14, 21) gezogen wurde, falls der erste Spannungswert zu Beginn (t₁; t₂; t₃) der Bestromungspause kleiner als der weitere Spannungswert zu einem späteren Zeitpunkt (L₄) und der Betrag der ermittelten Spannungsdifferenz (dU) größer oder gleich dem Grenzwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren als ein Computerprogramm realisiert ist, das auf einem Steuergerät (20) zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils (10) mit einem piezoelektrischen Aktor (12) ablauffähig ist.