DE102016206997B4

DE102016206997B4 - Verfahren zum Betreiben eines Piezoaktuators als Sensor und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016206997B4
Application number: DE102016206997.7A
Authority: DE
Inventors: Janos Radeczky; Matthias Scheid
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2023-08-10
Anticipated expiration: 2036-04-26
Also published as: WO2017186396A1; KR20180125008A; CN109072838B; US20190128202A1; KR102128186B1; DE102016206997A1; US10612485B2; CN109072838A

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Piezoaktuators als Sensor in einem piezobetriebenen Injektor, bei dem durch partielles Aufladen eines Piezoaktuators der Luftspalt zwischen Piezoaktuator und einem Servoventil beseitigt wird, mit den folgenden Schritten:Erzeugen eines Messpulses an einer Position, an der das zu messende nutzbare Signal erwartet wird;danach Erzeugen eines Referenzpulses, der dem Messpuls entspricht, im gleichen Zyklus;Subtrahieren der beim Referenzpuls gemessenen Aktuatorspannung von der beim Messpuls gemessenen Aktuatorspannung; undVerwenden der Spannungssignaldifferenz als nutzbares Signal für die Kraftmessung des sensorisch operierenden Piezoaktuators.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Piezoaktuators als Sensor in einem piezobetriebenen Injektor, insbesondere Diesel-Common-Rail-Injektor, bei dem durch partielles Aufladen eines Piezoaktuators der Luftspalt zwischen Piezoaktuator und einem Servoventil beseitigt wird.
Ein standardmäßiger Injektor, insbesondere Diesel-Common-Rail-Injektor, besitzt einen Aktuator, der direkt oder indirekt (servobetrieben) eine Düsennadel betätigt. Die Verwendung eines Piezoelementes als Aktuator hat dabei den Vorteil, dass dieses Piezoelement auch als Sensor verwendet werden kann, um charakteristische Ereignisse zu detektieren, wie beispielsweise den Schließzeitpunkt der Düsennadel. Diese Informationen können dazu benutzt werden, um den Injektor zu steuern und auf diese Weise die Genauigkeit der Einspritzungen zu verbessern.
Bei einem Piezoservoinjektor wird der Piezoaktuator dazu benutzt, um über den inversen piezoelektrischen Effekt ein Servoventil zu öffnen, was wiederum über die entsprechende hydraulische Kupplung zu einem Öffnen der Düsennadel und damit zu einem Einspritzen von Kraftstoff führt. Wenn das Piezoelement nicht als Aktuator verwendet wird, ist es möglich, dieses über den direkten piezoelektrischen Effekt als Kraftsensor einzusetzen. Speziell kann dabei die auf das Servoventil einwirkende Kraft detektiert werden, die aus dem Kraftstoffdruck in der Kraftstoffkammer herrührt, welche unter dem Servoventil angeordnet ist, wenn der Piezoaktuator mit dem Servoventil in Kontakt steht.
Eine Nutzung von Ventilelementen oder Piezoelementen von Einspritzventilen als Kraftsensor respektive als Drucksensor, auf Basis einer am jeweiligen Element gemessenen Spannung, ist seit geraumer Zeit bekannt. Auch die Erzeugung von Referenzspannungsverläufen und die Bestimmung der Differenzen zu den gemessenen Spannungen zur Bestimmung eines Kraftsignals ist bekannt. Die Druckschriften DE 10 2010 018 290 B4 , DE 10 2011 016 168 A1 , DE 100 32 022 A1 , DE 10 2011 005 285 A1 , DE 10 2011 007 393 B3 und DE 10 2008 023 373 A1 zeigen Beispiele für solche Anwendungen und Vorgehensweisen. Dabei wird beispielsweise ein Schließzeitpunkt des Ventils ermittelt, der Kraftstoffdruck im Kraftstoffinjektor, beispielsweise in einem hydraulischen Koppler des Kraftstoffinjektors, gemessen, der Leerhub eines Aktuators bestimmt oder ein Kraftverlauf einer durch den Piezo-Aktor auf ein bewegliches Schließelement des Einspritzventils ausgeübten Kraft ermittelt.
In einem nichtaufgeladenen Zustand steht jedoch der Piezoaktuator nicht zwangsläufig mit dem Servoventil in Kontakt. Hierbei ist zwischen Piezoaktuator und Servoventil ein Luftspalt vorhanden. Zur Durchführung einer Kraftmessung muss der Piezoaktuator dabei in einem gewissen Maß aufgeladen werden, um mit dem Servoventil in Kontakt zu treten. Damit der Piezoaktuator als Sensor wirken kann, ist daher ein aktives Aufladen des Piezoaktuators erforderlich. Hierdurch werden jedoch zusätzliche Spannungsoszillationen am Aktuator verursacht, die das Signal-Rausch-Verhältnis des Sensors bei der Kraftmessung verringern. Die Amplitude von diesen Spannungsoszillationen hängt von vielen Faktoren ab, beispielsweise den Herstellungstoleranzen des Piezoantriebes, der Ladungsmenge des Piezoaktuators oder dessen Temperatur. Jedenfalls sind die Amplitude, Frequenz und Phase dieser Oszillationen nur schwer vorherzusagen und variieren von Injektor zu Injektor und von Betriebspunkt zu Betriebspunkt.
Ein Rauschanteil bei bestimmten Frequenzen, die weit weg von den Frequenzen liegen, die beim nutzbaren Signal vorhanden sind, kann auf wirksame Weise durch Signalverarbeitungstechniken beseitigt werden. Wenn jedoch signifikante Rauschanteile in einem Frequenzbereich vorliegen, die beispielsweise durch Filtern nicht entfernt werden können, muss man ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis akzeptieren, so dass sich letztendlich eine geringere Genauigkeit der durchgeführten Messung ergibt.
In der Praxis werden Injektoren, die ein zu niedriges Signal-Rausch-Verhältnis am Ende der Produktionsstraße der Injektoren besitzen, entfernt und verworfen. Darüber hinaus verlieren diejenigen Piezoelemente von Injektoren, die über ihre Lebensdauer ein zu niedriges Signal-Rausch-Verhältnis entwickeln, ihre Fähigkeit, als Sensoren zu wirken. Dies wird von der entsprechenden Steuereinheit des zugehörigen Kraftfahrzeuges detektiert, die über die entsprechende On-Board-Diagnose anzeigt, dass dieser Injektor ersetzt werden muss.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, bei dem der Rauschanteil der vom sensorisch operierenden Piezoaktuator gemessenen Signale signifikant reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der angegebenen Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:

Erzeugen eines Messpulses an einer Position, an der das zu messende nutzbare Signal erwartet wird;
danach Erzeugen eines Referenzpulses, der dem Messpuls entspricht, im gleichen Zyklus;
Subtrahieren der beim Referenzpuls gemessenen Aktuatorspannung von der beim Messpuls gemessenen Aktuatorspannung; und
Verwenden der Spannungssignaldifferenz als nutzbares Signal für die Kraftmessung des sensorisch operierenden Piezoaktuators.

Erfindungsgemäß wird somit das nutzbare Signal, das aus der vom Sensor durchgeführten Kraftmessung resultiert, vom Rauschanteil, der durch das partielle Aufladen des Piezoaktuators erzeugt wird, separiert. Da die Amplitude, Frequenz und Phase der durch das partielle Aufladen erzeugten Oszillationen nur schwierig vorausgesagt werden können und von Injektor zu Injektor und von Betriebspunkt zu Betriebspunkt variieren, ist eine statische Korrektur nicht durchführbar. Vielmehr muss die Korrektur individuell für jeden Injektor ausgeführt werden.
Der erfindungsgemäß erzeugte Messpuls wird an der Stelle erzeugt, an der das nutzbare Signal erwartet wird. Beispielsweise folgt hierbei einer Haupteinspritzung unmittelbar ein Messpuls mit der Zielsetzung, die Einspritzung selbst nicht zu beeinflussen, jedoch die Piezospannung zu messen, um beispielsweise das Schließen der Düsennadel bei der Haupteinspritzung zu detektieren.
Erfindungsgemäß wird nach dem Erzeugen des Messpulses ein Referenzpuls generiert, der dem Messpuls entspricht. Hier wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass ein zum Messpuls identischer Puls ein zweites Mal generiert werden kann, und zwar zu einem späteren Zeitpunkt im gleichen Zyklus, wenn die Kraft, die auf den Piezoaktuator während der Messung einwirkt, stabil bleibt, d.h. wenn beispielsweise sich der Kraftstoffdruck in der Kraftstoffkammer unter dem Servoventil nicht verändert und sich auf Raildruckniveau befindet, da das Servoventil bereits vor einiger Zeit geschlossen wurde. Bei diesem zweiten Puls (Referenzpuls) besteht die gemessene Aktuatorspannung nur aus dem durch das partielle Aufladen des Piezoaktuators induzierten Rauschanteil. Die Betätigungsparameter dieses Referenzpulses sind hierbei so ausgewählt, dass sie denen des Messpulses entsprechen, d.h. Aufladestrom, Aufladezeit und Zeit zwischen Aufladen und Entladen.
Durch Subtrahieren des während des Referenzpulses aufgezeichneten Spannungssignals vom Spannungssignal des Messpulses kann man dann die durch das Aufladen des Piezoaktuators erzeugte Rauschamplitude signifikant reduzieren, wobei das nutzbare Signal im Wesentlichen nicht beeinflusst wird, da es nur im Messpuls vorhanden ist.
Die ermittelte Spannungsdifferenz wird dann als nutzbares Signal für die Kraftmessung des sensorisch operierenden Piezoaktuators verwendet.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es somit, die Fähigkeit eines als Sensor operierenden Piezoaktuators zu verbessern. Die entsprechenden Einschränkungen, die durch den durch das erforderliche partielle Aufladen des Piezoaktuators erzeugten Rauschanteil verursacht werden, werden zumindest teilweise beseitigt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Signal-Rausch-Verhältnis in derartigen Systemen auf signifikante Weise erhöht, indem der Rauschanteil auf unabhängige Weise an einem speziellen Referenzpuls gemessen und dieses Ergebnis von der Messung subtrahiert wird, die sich aus einer Überlagerung des nutzbaren Signals und des Rauschanteiles zusammensetzt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den Piezoaktuator eines Injektors, insbesondere Dieselservoinjektors, als Sensor unabhängig von dessen Empfindlichkeit gegenüber Rauschoszillationen, die durch das partielle Aufladen des Piezoaktuators verursacht werden, zu benutzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat eine Reihe von Vorteilen. Zum einen gelingt es, den Ausschuss während der Injektorherstellung zu reduzieren, da Injektoren, die ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen, nicht verworfen werden müssen. Zum anderen verlieren Piezoelemente von Injektoren, die über ihre Lebensdauer ein zu niedriges Signal-Rausch-Verhältnis entwickeln, nicht ihre Fähigkeit, als Sensor zu operieren.
Generell wird für sämtliche Injektoren der Vorteil erreicht, dass der Anstieg des Signal-Rausch-Verhältnisses, der durch das Dämpfen des durch das Aufladen verursachten Rauschanteiles bewirkt wird, zu einer genaueren Detektion der charakteristischen Eigenschaften des Injektors führt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Messpuls vorzugsweise zur Erzeugung eines nutzbaren Signals generiert, das die auf das Servoventil durch den Druck bzw. eine Druckänderung in der Kraftstoffkammer einwirkende Kraft bzw. Kraftänderung wiedergibt. Die entsprechende Kraft bzw. Kraftänderung kann daher über die gemessene Aktuatorspannung bzw. -spannungsänderung wesentlich genauer erfasst werden, da der Rauschanteil aus dem generierten Signal entfernt wird.
Erfindungsgemäß wird die durchgeführte Signalkorrektur (Subtraktion des Rauschanteiles) vorzugsweise dynamisch an den jeweiligen Betriebspunkt angepasst.
Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt, um das Schließen der Düsennadel bei einer Haupteinspritzung zu detektieren. Der entsprechende Messpuls wird daher generiert, um dieses Ereignis als charakteristisches Ereignis des Injektors zu erfassen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise nach der durchgeführten Messung eine digitale Signalverarbeitung durchgeführt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, das eine Steuereinheit aufweist, die zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 in einem Diagramm die Piezospannung in Abhängigkeit von der Zeit bei einem typischen Einspritzmuster mit Messpuls und Referenzpuls;
2 ein entsprechendes Diagramm wie 1 mit Variation der Position des Messpulses;
3 ein Diagramm der Signalamplitude in Abhängigkeit von der Zeit, das das bearbeitete Signal eines Messpulses von einem Injektor mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis wiedergibt, wobei die unterschiedlichen Kurven unterschiedlichen Positionen des Messpulses entsprechen;
4a ein Diagramm entsprechende 3, das das verarbeitete Signal eines Messpulses von einem Injektor mit einem relativ niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis zeigt, wobei unterschiedliche Kurven unterschiedlichen Positionen des Messpulses wiedergeben;
4b ein Diagramm entsprechend 4a, das das verarbeitete Signal des Referenzpulses zeigt; und
4c ein Diagramm entsprechend 4a und 4b, das das verarbeitete Signal der Differenz zwischen dem Messpuls und dem Referenzpuls zeigt.

1 zeigt ein Diagramm eines typischen Einspritzmusters mit Messpuls und Referenzpuls. Es wird hierbei von einer ersten Voreinspritzung, einer zweiten Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung ausgegangen. Der Messpuls wird an einer Position erzeugt, an der das zu messende nutzbare Signal erwartet wird. Danach wird ein Referenzpuls erzeugt, der dem Messpuls entspricht.
2 zeigt in einem entsprechenden Diagramm die Variation der Position des Messpulses.
3 zeigt das bearbeitete Signal eines Messpulses von einem Injektor mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis. Die unterschiedlichen Kurven beziehen sich auf unterschiedliche Positionen des Messpulses (siehe hierzu auch 2).
Es geht hierbei um einen Injektor, dessen Signal aufgrund des Aufladens des Piezoaktuators nur sehr wenig verrauscht ist. Dies kann man daraus erkennen, dass die Amplitude des Maximums (Nadelschließen) sich nicht groß ändert, wenn die Relativlage des Messpulses verändert wird (Änderung der Phasenbeziehung zwischen dem Nadelschließen und dem durch das Aufladen induzierten Rauschanteil).
Andererseits zeigt 4a entsprechende Kurven für einen Injektor mit einem signifikanten Rauschanteil (selbst nach der Signalbearbeitung), der dem Nutzsignal des Nadelschließens überlagert ist. Dies geht aus der sich ändernden Amplitude des absoluten Maximums der Kurven hervor. Bei den in 4a gezeigten Kurven wird im Wesentlichen eine Periode des entsprechenden Rauschspektrums traversiert (Periodenlänge - 150 µs → Rauschfrequenz - 6,7 kHz).
4b zeigt das bearbeitete Signal des Referenzpulses für das in 4a erstellte Beispiel.
In den 3 und 4a-4c bezieht sich der Nullpunkt der Zeitachse auf den Endzeitpunkt des Ladevorganges des Messpulses bzw. Referenzpulses.
Das dem Nadelschließen entsprechende Maximum der gezeigten Kurven verschiebt sich, da sich die Position des Messpulses verschiebt, die Position des Nadelschließens allerdings gleich bleibt.
Bei dem hier in Rede stehenden Verfahren wird die beim Referenzpuls gemessene Aktuatorspannung von der beim Messpuls gemessenen Aktuatorspannung subtrahiert, und die erhaltene Spannungsdifferenz wird als nutzbares Signal für die Kraftmessung des sensorisch operierenden Piezoaktuators verwendet. Die entsprechende Signaldifferenz ist in 4c wiedergegeben. Die Figur zeigt eine viel geringere Variation der Signalamplitude des Nadelschließsignals. Das entsprechende Signal-Rausch-Verhältnis ist mit einem Injektor vergleichbar, der im Wesentlichen keinen Rauschanteil aufweist, wie in 3 dargestellt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Piezoaktuators als Sensor in einem piezobetriebenen Injektor, bei dem durch partielles Aufladen eines Piezoaktuators der Luftspalt zwischen Piezoaktuator und einem Servoventil beseitigt wird, mit den folgenden Schritten: Erzeugen eines Messpulses an einer Position, an der das zu messende nutzbare Signal erwartet wird; danach Erzeugen eines Referenzpulses, der dem Messpuls entspricht, im gleichen Zyklus; Subtrahieren der beim Referenzpuls gemessenen Aktuatorspannung von der beim Messpuls gemessenen Aktuatorspannung; und Verwenden der Spannungssignaldifferenz als nutzbares Signal für die Kraftmessung des sensorisch operierenden Piezoaktuators.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpuls zur Erzeugung eines nutzbaren Signals generiert wird, das die auf das Servoventil durch den Druck bzw. eine Druckänderung in der Kraftstoffkammer einwirkende Kraft bzw. Kraftänderung wiedergibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durchgeführte Signalkorrektur dynamisch an den jeweiligen Betriebspunkt angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpuls erzeugt wird, um das Schließen der Düsennadel bei einer Haupteinspritzung zu detektieren.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Messung eine digitale Signalverarbeitung durchgeführt wird.
Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuereinheit aufweist, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.