DE102013201780B3

DE102013201780B3 - Verfahren zum Ermitteln der Kraftstofftemperatur

Info

Publication number: DE102013201780B3
Application number: DE102013201780.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Bauer
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2014-02-27
Anticipated expiration: 2033-02-05
Also published as: CN104956055A; WO2014117897A1; US9829394B2; KR20150109484A; KR101688650B1; CN104956055B; US20150362382A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ermitteln der Kraftstofftemperatur im Hochdruckbereich eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Das Kraftstoffeinspritzsystem weist mindestens einen über ein Servoventil, das über einen Piezoaktor betätigt wird, betriebenen Injektor auf. Nach Durchführung eines Einspritzvorganges wird der Piezoaktor nach Beendigung der Einspritzung derart entladen, dass sich das Servoventil schließen kann, jedoch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Piezoaktor und Servoventil verbleibt. Dieser Zustand verminderter Ladung wird aufrechterhalten. Die hieraus resultierende Druckschwingung der Aktorspannung wird erfasst und hieraus die hydraulische Eigenfrequenz des eingeschlossenen Kraftstoffhochdruckvolumens abgeleitet. Aus der Eigenfrequenz kann die vorherrschende Kraftstofftemperatur ermittelt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Kraftstofftemperatur im Hochdruckbereich eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Kraftfahrzeuges, das mindestens einen über ein Servoventil, das über einen Piezoaktor betätigt wird, betriebenen Injektor aufweist.
Durch immer schärfere Emissionsvorschriften und gestiegene Komfortansprüche nehmen die Anforderungen an Kraftfahrzeuge, insbesondere deren Einspritzsysteme, speziell bei Dieselmotoren, stetig zu. Diese hohen Anforderungen (Effizienz, Geräusche etc.) können umso besser erfüllt werden, je besser der genaue Systemzustand bekannt ist. Auf sich ändernde Bedingungen, beispielsweise den sich ändernden Druck oder die sich ändernde Temperatur des Kraftstoffs, kann dann so reagiert werden, dass Störeinflüsse kompensiert werden. Die Kenntnis der Kraftstofftemperatur im Hochdruckbereich des Einspritzsystems ist eine solche relevante Größe, deren Kenntnis zu einer besseren Regelung des Drucks im Hochdruckbereich des Einspritzsystems sowie zu einer exakteren Zumessung der eingespritzten Kraftstoffmenge führt.
Die vorstehend aufgezeigten Aspekte sind insbesondere für die Kraftstoffeinspritzsysteme von Dieselmotoren relevant, bei denen der Kraftstoffdruck und die Kraftstofftemperatur im Rail gemessen bzw. überwacht werden müssen, um eine exakte Zumessung der eingespritzten Kraftstoffmenge zu erreichen. Bisher wurde hierbei die Temperatur des Kraftstoffes im Hochdruckbereich entweder über einen separaten Temperatursensor direkt gemessen oder es erfolgte die Berechnung der Temperatur über eine in der Software implementierte Modellierung.
In diesem Zusammenhang ist beispielsweise aus Dokument DE 103 01 264 A1 ein Verfahren zur Temperaturbestimmung von Kraftstoff in einem Speicher-Einspritzsystem eines Kraftfahrzeugs, bei dem der Kraftstoff über einen Hochdruckbehälter zu angeschlossenen Injektoren fließt, bekannt. Dabei wird der Druck des Kraftstoffs im Hochdruckbehälter von einem Drucksensor erfasst und die Schallgeschwindigkeit einer Druckwelle des Kraftstoffs, die beim Einspritzen von Kraftstoff an einem der Injektoren ausgelöst und von dem Drucksensor erfasst wird, ermittelt. Dann wird die Temperatur des Kraftstoffs mit Hilfe der ermittelten Schallgeschwindigkeit der Druckwelle bestimmt.
In Bezug auf eine Druckmessung in einem Common Rail eines Einspritzsystems ist aus der Druckschrift DE 100 14 737 A1 ein
Verfahren bekannt, mit einem spannungsgesteuerten piezoelektrischen Aktor, wobei der piezoelektrische Aktor mittels eines hydraulischen Kopplers eine Düsennadel betätigt, um eine in einem Hochdruckkanal mit dem Raildruck beaufschlagte Flüssigkeitsmenge freizugeben. Dabei wirkt der Raildruck über den hydraulischen Koppler auf den piezoelektrischen Aktor ein und erzeugt so eine Piezospannung im Aktor, aus der, mittels eines vorgegebenen Algorithmus der Raildruck berechnet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, das besonders kostengünstig und einfach durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren der angegebenen Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
Ermitteln einer Referenzkraftstofftemperatur mit zugehöriger Referenzeigenfrequenz des eingeschlossenen Kraftstoffhochdruckvolumens des Kraftstoffeinspritzsystems,
Durchführen einer Einspritzung und Entladen des Piezoaktors nach Beendigung der Einspritzung derart, dass sich das Servoventil schließen kann, jedoch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Piezoaktor und Servoventil verbleibt,
Aufrechterhalten dieses Zustandes verminderter Ladung und Ermitteln der Eigenfrequenz des eingeschlossenen Kraftstoffhochdruckvolumens und
Vergleichen der ermittelten Eigenfrequenz mit der Referenzeigenfrequenz und Ermitteln der Kraftstofftemperatur aus dem Vergleichsergebnis.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, eine Kraftstofftemperaturbestimmung im Hochdruckbereich, insbesondere im Rail oder im Injektorvorlauf, eines Kraftstoffeinspritzsystems durchzuführen, ohne hierzu einen Temperatursensor zu benötigen. Das hier in Rede stehende Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere eines Dieselmotors, umfasst mindestens einen über ein Servoventil, das über einen Piezoaktor betätigt wird, betriebenen Injektor. Bei einem solchen Servo-Injektor wird das Nadelöffnen durch das Betätigen eines Servo-Ventils eingeleitet. Hierbei wird ein Piezoaktor elektrisch so lange geladen, bis seine Längenänderung ausreicht, um den Luftspalt zwischen Aktor und Ventilpilz des Servoventils zu schließen sowie den Ventilpilz aus seinem Sitz zu heben. Jetzt kann sich der in einem Kontrollraum anstehende Druck über eine Ablaufdrossel sowie das Servoventil in einen Rücklauf abbauen. Das jetzt vorherrschende Kräfteungleichgewicht an der Injektornadel bewirkt ein Abheben derselben aus dem Sitz. Es beginnt eine Einspritzung in den Brennraum.
Wird nunmehr der Piezoaktor entladen, so verkürzt er sich wieder und das Servoventil wird geschlossen. Der Druck im Kontrollraum kann sich aufbauen und die Nadel schließt sich. Die Einspritzung ist beendet.
Wird nunmehr bei einem derartigen Kraftstoffeinspritzsystem mit Servoventil der Piezoaktor so weit entladen, dass sich zwar das Servoventil schließen kann, jedoch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Servoventil (dessen Ventilpilz) und dem Piezoaktor bestehen bleibt, kann der direkte Piezoeffekt zur Messung des Drucks im Kontrollraum bzw. Steuerraum genutzt werden. Auf diese Weise kann der Zeitpunkt des Nadelschließens detektiert werden.
Erfindungsgemäß wird nunmehr ein derartiger Zustand verminderter Ladung des Piezoaktors genutzt, um die Kraftstofftemperatur im Hochdruckbereich des Einspritzsystems zu ermitteln. Der Zustand verminderter Ladung des Piezoaktors wird über einen geringen Zeitraum, beispielsweise einige Millisekunden, nach Beendigung der Einspritzung sowie der Pumpenlieferung aufrechterhalten, so dass sich eine Schwingung in der Aktorspannung einstellt. Diese Druckschwingung entspricht der Eigenfrequenz des eingeschlossenen Hochdruckvolumens des Einspritzsystems.
Ändert sich die Kraftstofftemperatur im System, so ändert sich die Dichte des Kraftstoffs und folglich auch seine Eigenfrequenz. Über die Messung der sich einstellenden Frequenzen (der Eigenfrequenz und deren Änderungen) kann somit ein Rückschluss auf die vorherrschende Kraftstofftemperatur gezogen werden.
Erfindungsgemäß kann somit ohne zusätzliche Sensoren die Temperatur bzw. die Temperaturänderung des Kraftstoffs im Hochdruckbereich (Rail) des Einspritzsystems gemessen werden.
Im Einzelnen geht man bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dabei so vor, dass man zuerst eine Referenzkraftstofftemperatur mit zugehöriger Referenzeigenfrequenz des eingeschlossenen Kraftstoffhochdruckvolumens des Kraftstoffeinspritzsystems ermittelt. Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich Temperaturänderungen gemessen werden können, muss zunächst eine Referenztemperatur ermittelt und festgehalten werden. Eine solche Referenzkraftstofftemperatur kann zusammen mit einer zugehörigen Referenzeigenfrequenz eingespeichert werden. Ausgehend von dieser Referenztemperatur mit Referenzeigenfrequenz kann nun unter Berücksichtigung des jeweiligen Raildrucks durch Messung der hydraulischen Eigenfrequenz auf die Temperaturänderung des Kraftstoffs geschlossen werden. Dabei wird die ermittelte (gemessene) Eigenfrequenz mit der Referenzeigenfrequenz verglichen. Aus dem Vergleichsergebnis wird die Änderung der Kraftstofftemperatur bzw. die Kraftstofftemperatur selbst ermittelt.
Die Eigenfrequenz des eingeschlossenen Kraftstoffhochdruckvolumens wird dabei speziell aus der Schwingung der Nachhubspannung des Piezoaktors ermittelt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich eine Reihe von Vorteilen erreichen. Hierdurch können ein oder mehrere Temperatursensoren ersetzt werden, so dass sich die Kosten für ein derartiges Kraftstoffeinspritzsystem reduzieren lassen. Wenn ein Temperatursensor vorhanden ist, der einen Temperaturwert liefert, so kann dieser Sensorwert über das erfindungsgemäße Verfahren plausibilisiert werden. Bei einem Defekt des Temperatursensors kann über das erfindungsgemäße Verfahren ein Ersatzwert geliefert werden. Auch ein aus in der Software implementierter Modellierung stammender Wert kann plausibilisiert werden. Ferner kann ein Tuningschutz realisiert werden (die über das erfindungsgemäße Verfahren gemessene Temperatur dient hierbei zur Raildruckplausibilisierung).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ausgehend von der Referenztemperatur bzw. Referenzeigenfrequenz durch Messung der hydraulischen Eigenfrequenz nach einem Einspritzvorgang auf die Temperaturänderung des Kraftstoffs geschlossen, wie vorstehend erläutert. Dies geschieht vorzugsweise unter Berücksichtigung des jeweiligen Raildrucks.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Referenzkraftstofftemperatur vorzugsweise mit mindestens einem Temperatursensor des Kraftfahrzeuges ermittelt. Bei dieser Verfahrensvariante kann aus einem oder mehreren vorhandenen Temperatursensoren, beispielsweise einem Außentemperatursensor, eine Referenztemperatur ermittelt und mit einer zugehörigen Referenzeigenfrequenz gespeichert werden. Hierbei wird die Referenzkraftstofftemperatur vorzugsweise beim Start des Kraftfahrzeuges ermittelt, so dass für das erfindungsgemäße Verfahren jeweils eine aktualisierte Referenzkraftstofftemperatur bzw. Referenzeigenfrequenz zur Verfügung steht. Bei einer anderen Verfahrensvariante wird die Referenzkraftstofftemperatur mit zugehöriger Referenzeigenfrequenz aus Tabellen und/oder Kennfeldern entnommen und für das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellt. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Temperaturmessung im Rail oder Injektorvorlauf eines Einspritzsystems eines Dieselmotors eingesetzt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm, das den Verlauf der Aktorspannung und der Einspritzrate über die Zeit darstellt; und
2 ein schematisches Ablaufdiagramm der einzelnen Schritte des Verfahren zum Ermitteln der Kraftstofftemperatur.
Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel geht es um das Ermitteln der Kraftstofftemperatur im Hochdruckbereich eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Dieselmotors. Das Kraftstoffeinspritzsystem weist mindestens einen Injektor auf, der über ein Servoventil betrieben wird, das über einen Piezoaktor betätigt wird. Die Funktionsweise eines derartigen Einspritzsystems ist bekannt und wird daher hier nicht mehr im Einzelnen beschrieben.
Nach der Durchführung eines Einspritzvorganges mit dem mindestens einen Injektor wird der zugehörige Piezoaktor entladen. Der Piezoaktor wird jedoch vorerst nur so weit entladen, dass sich zwar das Servoventil schließen kann, jedoch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Ventilpilz des Servoventils und dem Piezoaktor bestehen bleibt. Dieser Zustand verringerter Ladung wird einige Millisekunden nach Beendigung der Einspritzung sowie der Pumpenlieferung beibehalten, so dass sich eine entsprechende Schwingung in der Aktorspannung einstellt. Dieses Verhalten ist in 1 dargestellt. In dem Diagramm der 1 ist auf der Ordinate links die Aktorspannung und rechts die Einstpritzrate angegeben. Auf der Abszisse ist die Zeit angegeben. Der Verlauf der Aktorspannung ist mit der Kurve 1 gekennzeichnet. Der Nadelschließpunkt ist bei 2 dargestellt. Wie erwähnt, wird danach ein Zustand verringerter Ladung über einige Millisekunden aufrechterhalten, so dass sich hier eine entsprechende Schwingung der Spannung einstellt, die bei 3 gekennzeichnet ist und der hydraulischen Eigenfrequenz des eingeschlossenen Kraftstoffvolumens entspricht.
Mit der Kurve 4 ist der Verlauf der Einspritzrate dargestellt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nunmehr die Eigenfrequenz des eingeschlossenen Kraftstoffhochdruckvolumens gemessen. Hieraus kann dann die Kraftstofftemperatur ermittelt werden. Im Einzelnen wird dabei so vorgegangen, wie dies im Ablaufdiagramm der 2 dargestellt ist.
Da auf die vorstehend beschriebene Weise lediglich Temperaturänderungen gemessen werden können, muss beim Start des Fahrzeuges zunächst eine Referenztemperatur festgehalten werden. Gemäß Schritt 10 wird aus einem oder mehreren vorhandenen Temperatursensoren eine Referenztemperatur des Kraftstoffs ermittelt und mit einer zugehörigen Referenzeigenfrequenz gespeichert. Die zugehörige Referenzeigenfrequenz für diese Referenztemperatur kann aus entsprechenden Tabellen oder Kennfeldern ermittelt werden. Im darauffolgenden Schritt 11 wird die Referenztemperatur mit zugehöriger Eigenfrequenz gespeichert.
Es folgt dann ein üblicher Einspritzvorgang, der mit Schritt 12 gekennzeichnet ist. Nach dem Schließen des Servoventils und der Aufrechterhaltung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen Ventil und Piezoaktor bei verringerter Ladung des Piezoaktors gemäß Schritt 13 wird aus der Druckschwingung der Aktorspannung (Nachhubspannung) die zugehörige Eigenfrequenz ermittelt (Schritt 14). Die Beziehung zwischen Aktorspannung und Eigenfrequenz, die bekannt ist, kann hierbei für die entsprechenden Rechenoperationen zugrunde gelegt werden.
In Schritt 15 wird die ermittelte Eigenfrequenz mit der gespeicherten Referenzeigenfrequenz verglichen. Hierbei wird der jeweilige Raildruck berücksichtigt. Aus der entsprechenden Eigenfrequenzänderung bzw. Eigenfrequenzdifferenz kann die Änderung der Kraftstofftemperatur gegenüber der Referenztemperatur unter Zuhilfenahme von Tabellen bzw. Kennfeldern ermittelt werden. Hieraus kann der entsprechende Kraftstofftemperaturwert abgeleitet werden (Schritt 16).

Claims

Verfahren zum Ermitteln der Kraftstofftemperatur im Hochdruckbereich eines Kraftstoffeinspritzsystems eines Kraftfahrzeuges, das mindestens einen über ein Servoventil, das über einen Piezoaktor betätigt wird, betriebenen Injektor aufweist, mit den folgenden Schritten: Ermitteln einer Referenzkraftstofftemperatur mit zugehöriger Referenzeigenfrequenz des eingeschlossenen Kraftstoffhochdruckvolumens des Kraftstoffeinspritzsystems, Durchführen einer Einspritzung und Entladen des Piezoaktors nach Beendigung der Einspritzung derart, dass sich das Servoventil schließen kann, jedoch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Piezoaktor und Servoventil verbleibt, Aufrechterhalten dieses Zustandes verminderter Ladung und Ermitteln der Eigenfrequenz des eingeschlossenen Kraftstoffhochdruckvolumens und Vergleichen der ermittelten Eigenfrequenz mit der Referenzeigenfrequenz und Ermitteln der Kraftstofftemperatur aus dem Vergleichsergebnis.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz des eingeschlossenen Kraftstoffhochdruckvolumens aus der Schwingung der Nachhubspannung des Piezoaktors ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzkraftstofftemperatur mit mindestens einem Temperatursensor des Kraftfahrzeuges ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzkraftstofftemperatur aus Tabellen und/oder Kennfeldern entnommen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzkraftstofftemperatur beim Start des Kraftfahrzeuges ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Kraftstofftemperaturmessung im Rail oder Injektorvorlauf eines Einspritzsystems eines Dieselmotors eingesetzt wird.