EP1167729B2 - Piezoelectric actuator for injector - Google Patents
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- EP1167729B2 EP1167729B2 EP00113992A EP00113992A EP1167729B2 EP 1167729 B2 EP1167729 B2 EP 1167729B2 EP 00113992 A EP00113992 A EP 00113992A EP 00113992 A EP00113992 A EP 00113992A EP 1167729 B2 EP1167729 B2 EP 1167729B2
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- coupler
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- F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
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- F02D41/221—Safety or indicating devices for abnormal conditions relating to the failure of actuators or electrically driven elements
Definitions
- the invention relates to a method for operating an injection valve for fuel, in which a piezoelectric actuator drives a closing member via a hydraulic coupler. It further relates to a fuel injection system having a number of such injectors.
- a fuel injection system As an essential component can be used in an internal combustion engine for introducing the fuel into the combustion chambers of the cylinder, a fuel injection system.
- a fuel injection system usually comprises a number of injection nozzles, which can be supplied individually or in the manner of a so-called common-rail system (CR system) via a central supply system with fuel.
- CR system common-rail system
- each injector is usually integrated into a respective associated injection valve, via which the fuel injection is adjustable in a predeterminable manner.
- the injection valves can be provided for an electrical control with a piezoelectric actuator.
- Such injection valve for fuel injection into the combustion chamber of an internal combustion engine with a high-pressure system or CR system is known from DE 197 328 02 known.
- This injection valve is designed in a double-switching manner and has a closure member, which is in one of two alternative valve seats in each case in a closed position and thereby causes a closure of the injection nozzle. In a middle position between the two valve seats, however, the closing member assumes an opening position.
- the closing member can be driven via a piezoelectric actuator.
- the piezoelectric actuator is charged to a drive voltage, which is dependent on the pressure in the common rail system. Due to the drive voltage, the actuator expands in the longitudinal direction. This longitudinal extension is transmitted via a hydraulic coupler on the closing member, so that on the one hand the producible by the actuator stroke is amplified and on the other hand, the closure member is decoupled from a possible static temperature expansion of the actuator.
- a charging of the piezoelectric actuator thus causes via the hydraulic coupler, a transfer of the Verschottegliedes first from the first closed position to the open position and then from the open position to the second closed position.
- a discharge of the piezoelectric actuator due to the associated contraction in the longitudinal direction via the hydraulic coupler causes a discharge of the piezoelectric actuator due to the associated contraction in the longitudinal direction via the hydraulic coupler, a transfer of the Verschottegliedes first from the second closed position to the open position and then from the open position to the first closed position.
- a precise positioning of the closure member via the drive voltage is required.
- the implementation of the drive voltage in a positioning of the closure member, ie in a corresponding valve lift, depends essentially on the filling state of the hydraulic coupler. In particular, the most complete possible (re-) filling of the hydraulic coupler before each injection and thus a compensation of said leakage losses is necessary.
- the refilling of the hydraulic coupler after an injection takes place at the injection valve according to the DE 197 328 02 as a result of a suitable system pressure of about 15 bar also via the leakage gaps, but only in the period in which the piezoelectric actuator is not driven. Accordingly, the result of refilling after injection may vary depending on the amount of fuel to be replenished and the available time interval.
- the invention is therefore based on the object, a method for operating a fuel injection system with a number of injectors, in each of which a piezoelectric actuator via a hydraulic coupler drives a closing member to specify, with a particularly reliable fuel injection is ensured.
- a particularly suitable for carrying out the method fuel injection system should be specified.
- this object is achieved according to the invention by monitoring the terminal voltage after a charging process of an actuator and used to form a diagnostic statement for the respective injector, wherein the diagnosis statement is formed on the basis of the time decrease of the terminal voltage after completion of the charging process.
- the invention is based on the consideration that the fuel injection system can be operated particularly reliably with regard to fuel injection by performing a direct and timely monitoring of the valve lift of the injection valves.
- a diagnostic statement regarding its valve lift is formed promptly, that is, during or immediately after the current injection cycle, for each injection valve.
- the terminal voltage at the piezoelectric actuator can thus be used without the need for a further sensor as a measurement parameter for the valve behavior with regard to the implementation of the control voltage in the valve.
- the monitored terminal voltage is used to form a diagnostic statement about the fill level of the coupler of the respective injection valve.
- the coupler pressure is dependent on the medium in the coupler, with the other external conditions remaining unchanged; so results in only partial filling of the coupler with fuel (effective medium: fuel-air mixture) in other pressure conditions than a complete filling of the coupler with fuel as a medium.
- the characteristic of the pressure conditions in the coupler terminal voltage is particularly favorable for the fill level monitoring approached.
- a particularly reliable diagnostic statement can be achieved by this invention is formed based on the time decrease of the terminal voltage after completion of the charging process.
- the pressure in the hydraulic coupler degrades due to the outflowing medium again;
- This pressure drop can be detected by monitoring the terminal voltage at the actuator in the form of a voltage reduction occurring as a function of time.
- This voltage reduction depends to a particularly great extent on the degree of filling in the coupler: when the coupler is fully filled, a comparatively pronounced voltage dip can be detected. In contrast, this effect is significantly lower with only partially filled coupler, since in this case only air or an air-fuel mixture was compressed during charging.
- the diagnostic statement is formed on the basis of a comparison of the difference between a first measured value for the terminal voltage immediately after the end of the charging process and a second measured value for the terminal voltage after expiry of a waiting time with a limit value.
- a waiting time can be given a fixed value of advantageously about 0.25 ms.
- the waiting time can also be selected as a function of parameters characteristic for the injection cycle, such as, for example, the activation duration or the duration of a break in injection between two injections.
- the waiting time can be selected such that the second measured value is determined immediately before a following control intervention, for example an increase of the drive voltage.
- the limit value is suitably selected on the basis of characteristic operating characteristics of the respective coupler, with a voltage value of approximately 25 to 30 V in particular being able to be specified as limit value.
- the limit value can also be predetermined operating point-dependent by a central control unit, wherein advantageously a map obtained from a previous calibration measurement is used.
- a fault is detected, it is possible to distinguish between the effects of the fault by comparison with another limit value: if the terminal voltage difference also falls below a second, even lower limit value or minimum value, a "fatal error" is diagnosed which, for example, triggers an immediate shutdown of the internal combustion engine can. On the other hand, if the terminal voltage difference lies below the first limit, but above the second limit value, then a simple fault is diagnosed which, although it permits further operation of the internal combustion engine, is stored in a on-board memory for later diagnostic purposes.
- the diagnostic statement is used directly for a corrective intervention in the fuel injection system.
- a target value for the drive voltage of the respective actuator for a subsequent injection cycle is specified in particular when determining a simple error based on the diagnostic statement, wherein the desired value is selected such that despite the detected insufficient filling of the coupler after activation results in the proposed valve.
- the diagnostic device is expediently connected to a data storage module.
- the advantages achieved by the invention are in particular that a timely and reliable diagnosis and functional monitoring of each injector is made possible by the evaluation of the terminal voltage in a simple manner and without additional design effort.
- the fuel injection system can thus be operated particularly reliably, with minor deviations immediately corrective measures, for example, with regard to a tracking of the driving voltage for each actuator, can be made.
- the injection valve 1 after FIG. 1 has a piezoelectric actuator 2, which comprises a number of series-connected piezo elements 4.
- the actuator 2 is connected on the one hand with a housing wall 6, are passed through the terminals 7 of the actuator 2, and on the other hand with a servo piston 8 positively connected.
- the actuating piston 8 terminates with its side facing away from the actuator 2 end face 9 from a hydraulic coupler 10.
- the hydraulic coupler 10 in turn acts on a guided in a connecting channel 12 actuating piston 14, at the end remote from the coupler 10, a closing member 16 is arranged.
- This is designed as a double-closing control valve. In a first closed position, which corresponds to a rest position of the actuator 2, it closes a first valve seat 18 of a valve chamber 20. In a second closed position, which corresponds to a maximum actuation of the actuator 2, the closing member 16 closes a second valve seat 22 of the valve chamber 20.
- a passage in the second valve seat 22 of the valve chamber 20 is connected to a guide channel 24 which is connected on the input side via a connecting piece 26 to a pressure channel, not shown, of a common rail fuel supply system of a motor vehicle.
- a nozzle needle 28 is arranged, which releases or closes a fuel outlet 30 of a branched off from the connecting piece 26 fuel passage 32 depending on an applied via the terminals 7 to the actuator 2 drive voltage Ua.
- the connecting piece 26 with an inlet throttle 34 and the guide channel 24 are provided with an outlet throttle 36.
- the injection valve 1 is, together with further injectors 1, part of a fuel injection system 40, as shown schematically in FIG FIG. 2 is shown.
- the number of injectors provided for the fuel injection system 40 is dependent on the further requirements of the engine to be supplied, in particular, an injection valve 1 may be provided for each cylinder to be fed.
- the fuel supply system 40 comprises a central control unit 44.
- This in turn has a control module 46 which is connected via lines 48 to the terminals 7 of the injectors 1 switched off.
- the control unit 44 includes a diagnostic unit 50, the to a number of the injectors 1 respectively associated and connected to the terminals 7 voltage measuring 52 is connected.
- the control unit 44 has a data storage module 54.
- the control unit 44 applies a drive voltage Ua to the terminals 7 of each injection valve 1 in an injection cycle via the drive module 46.
- the actuator 2 of the controlled injection valve 1 expands in its longitudinal direction, so that the actuating piston 8 moves in the direction of the hydraulic coupler 10.
- the actuating piston 14 with the closing member 16 arranged thereon also moves in the direction of the second valve seat 22.
- a high pressure which may be in a common rail system, for example, between 200 and 1800 bar. This pressure acts against the nozzle needle 28 and keeps it closed, so that no fuel can escape through the fuel outlet 30.
- the closing member 16 is moved from the first valve seat 18 to the second valve seat 22 or vice versa, then the pressure in the high pressure region of the guide channel 24 breaks down, so that the nozzle needle 28 in the direction of the valve chamber 20 back and releases the fuel outlet 30. In this case, fuel injection occurs in the associated cylinder.
- the fuel injection system 40 is designed such that a direct and timely monitoring of all couplers 10 of the injectors 1 is made. For this purpose, a diagnostic statement regarding the respective hydraulic coupler 10 is formed promptly, that is, during or immediately after the current injection cycle, for each injection valve 1.
- the control module 46 is disconnected from the terminals 7 of the actuator 2. Instead of the control module 46, the associated voltage measuring device 52 is connected to the terminals 7 of the actuator 2, the measured data are output to the connected diagnostic unit 50.
- a monitoring of the terminal voltage Uk of the actuator 2 as a function of elapsing time is formed in the diagnostic unit 50.
- a diagnostic statement is thus formed in the diagnostic unit 50 for the respective injection valve 1 in the following manner: after the charging phase of the actuator 2, the terminal voltage Uk is measured. After a waiting time of, for example, about 0.25 ms, the terminal voltage Uk is measured again. Then, the difference between the two measured values is formed and compared with a limit value. In the embodiment, a fixed limit value of about 30 V is given for this purpose; Alternatively, however, an operating point-dependent limit value from a map obtained by prior calibration and stored in the data storage module 54 can also be used.
- the waiting time is chosen such that the measurement of the terminal voltage Uk immediately before a subsequent control intervention, namely before a further increase in the clamping voltage Uk occurs.
- the diagnosis is based on a faulty refilling of the coupler 10.
- a further comparison of the difference of the terminal voltages Uk is made with a second threshold or minimum value.
- a "fatal error” is diagnosed which triggers, for example, an immediate shutdown of the internal combustion engine.
- a simple fault is diagnosed which, although it permits further operation of the internal combustion engine, is stored in the data storage module 54 for later diagnostic purposes.
- a desired value for the drive voltage Ua of the respective actuator 2 is also specified for a subsequent injection cycle, wherein the desired value is selected such that despite the detected insufficient filling of the coupler 10 after a control of the intended Valve lift results.
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils für Kraftstoff, bei dem ein piezoelektrischer Aktor über einen hydraulischen Koppler ein Verschließglied antreibt. Sie bezieht sich weiter auf ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Anzahl von derartigen Einspritzventilen.The invention relates to a method for operating an injection valve for fuel, in which a piezoelectric actuator drives a closing member via a hydraulic coupler. It further relates to a fuel injection system having a number of such injectors.
Als wesentlicher Bestandteil kann in einer Verbrennungskraftmaschine zur Einbringung des Kraftstoffs in die Brennräume der Zylinder ein Kraftstoffeinspritzsystem zum Einsatz kommen. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzsystem umfaßt üblicherweise eine Anzahl von Einspritzdüsen, die individuell oder auch in der Art eines sogenannten Common-Rail-Systems (CR-Systems) über ein zentrales Versorgungssystem mit Kraftstoff bespeisbar sind. Bei beiden Ausführungsformen ist jede Einspritzdüse üblicherweise in ein jeweils zugeordnetes Einspritzventil integriert, über das die Kraftstoffeinspritzung in einer vorgebbaren Weise einstellbar ist.As an essential component can be used in an internal combustion engine for introducing the fuel into the combustion chambers of the cylinder, a fuel injection system. Such a fuel injection system usually comprises a number of injection nozzles, which can be supplied individually or in the manner of a so-called common-rail system (CR system) via a central supply system with fuel. In both embodiments, each injector is usually integrated into a respective associated injection valve, via which the fuel injection is adjustable in a predeterminable manner.
Die Einspritzventile können dabei für eine elektrische Ansteuerung mit einem piezoelektrischen Aktor versehen sein. Ein derartiges Einspritzventil für die Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors mit einem Hochdrucksystem oder CR-System ist aus der
Zur Überführung des Verschließglieds von einer Schließposition in die Öffnungsposition oder von der Öffnungsposition in eine der Schließpositionen ist das Verschließglied über einen piezoelektrischen Aktor antreibbar. Dazu wird beispielsweise der piezoelektrische Aktor auf eine Ansteuerspannung aufgeladen, die vom Druck im Common-Rail-System abhängig ist. Aufgrund der Ansteuerspannung dehnt sich der Aktor in Längsrichtung aus. Diese Längenausdehnung wird über einen hydraulischen Koppler auf das Verschließglied übertragen, so daß einerseits der vom Aktor erzeugbare Hub verstärkt wird und andererseits das Verschließglied von einer möglichen statischen Temperaturdehnung des Aktors entkoppelt ist. Eine Aufladung des piezoelektrischen Aktors bewirkt somit über den hydraulischen Koppler eine Überführung des Verschließgliedes zunächst von der ersten Schließposition in die Öffnungsposition und sodann von der Öffnungsposition in die zweite Schließposition. Hingegen bewirkt ein Entladen des piezoelektrischen Aktors infolge der damit verbundenen Kontraktion in Längsrichtung über den hydraulischen Koppler eine Überführung des Verschließgliedes zunächst von der zweiten Schließposition in die Öffnungsposition und sodann von der Öffnungsposition in die erste Schließposition.For the transfer of the closure member from a closed position to the open position or from the open position to one of the closed positions, the closing member can be driven via a piezoelectric actuator. For this purpose, for example, the piezoelectric actuator is charged to a drive voltage, which is dependent on the pressure in the common rail system. Due to the drive voltage, the actuator expands in the longitudinal direction. This longitudinal extension is transmitted via a hydraulic coupler on the closing member, so that on the one hand the producible by the actuator stroke is amplified and on the other hand, the closure member is decoupled from a possible static temperature expansion of the actuator. A charging of the piezoelectric actuator thus causes via the hydraulic coupler, a transfer of the Verschließgliedes first from the first closed position to the open position and then from the open position to the second closed position. On the other hand causes a discharge of the piezoelectric actuator due to the associated contraction in the longitudinal direction via the hydraulic coupler, a transfer of the Verschließgliedes first from the second closed position to the open position and then from the open position to the first closed position.
Durch den Bewegungsablauf des Verschließgliedes von einer zur anderen Schließposition wird eine kurzzeitige Entlastung eines unter Hochdruck stehenden Ventilsteuerraumes bewirkt, über dessen Druckniveau die Steuerung einer Ventilnadel in eine Öffnungs- oder Schließstellung erfolgt. Befindet sich das Verschließglied somit in der Öffnungsposition zwischen den beiden Schließpositionen, so erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung in einen dem Einspritzventil nachgeschalteten Verbrennungsraum.By the movement of the closure member from one to the other closing position a short-term relief of a high-pressure valve control chamber is effected, via the pressure level, the control of a valve needle is in an open or closed position. If the closing member is thus in the opening position between the two closing positions, then a fuel injection takes place in a combustion chamber connected downstream of the injection valve.
Bei einer Ansteuerung des Aktors und somit bei einer Betätigung des Einspritzventils wird infolge der im Hydraulikbereich herrschenden Druckverhältnisse ein Teil der im Koppler befindlichen Flüssigkeit, also des dort befindlichen Kraftstoffs, über eine Leckspalte aus dem Koppler herausgedrückt. Dieser Effekt ist besonders groß, wenn das Verschließglied in der dem Hochdruckbereich zugewandten Schließposition gehalten wird, da in diesem Fall die Gegenkraft durch den Druck im CR-System besonders hoch ist.Upon actuation of the actuator and thus upon actuation of the injection valve, as a result of the pressure conditions prevailing in the hydraulic region, part of the liquid present in the coupler, ie the fuel located there, is forced out of the coupler via a leakage gap. This effect is particularly great when the closing member is held in the closed position facing the high-pressure region, since in this case the counterforce due to the pressure in the CR system is particularly high.
Für eine ordnungsgemäße Funktionsweise des Einspritzventils, insbesondere für eine bedarfsgerechte genaue Dosierung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge, ist eine präzise Positionierung des Verschließgliedes über die Ansteuerspannung erforderlich. Die Umsetzung der Ansteuerspannung in eine Positionierung des Verschließgliedes, also in einen entsprechenden Ventilhub, hängt dabei wesentlich vom Befüllungszustand des hydraulischen Kopplers ab. Insbesondere ist eine möglichst vollständige (Wieder-) Befüllung des hydraulischen Kopplers vor jeder Einspritzung und somit ein Ausgleich der genannten Leckageverluste notwendig. Die Wiederbefüllung des hydraulischen Kopplers nach einer Einspritzung erfolgt beim Einspritzventil gemäß der
Beim aus der
Aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Anzahl von Einspritzventilen, bei denen jeweils ein piezoelektrischer Aktor über einen hydraulischen Koppler ein Verschließglied antreibt, anzugeben, mit dem eine besonders zuverlässige Kraftstoffeinspritzung gewährleistet ist. Zudem soll ein für die Durchführung des Verfahrens besonders geeignetes Kraftstoffeinspritzsystem angegeben werden.The invention is therefore based on the object, a method for operating a fuel injection system with a number of injectors, in each of which a piezoelectric actuator via a hydraulic coupler drives a closing member to specify, with a particularly reliable fuel injection is ensured. In addition, a particularly suitable for carrying out the method fuel injection system should be specified.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem nach einem Aufladevorgang eines Aktors dessen Klemmenspannung überwacht und zur Bildung einer Diagnoseaussage für das jeweilige Einspritzventil herangezogen wird, wobei die Diagnoseaussage anhand des zeitlichen Abfalls der Klemmenspannung nach Beendigung des Aufladevorgangs gebildet wird.With regard to the method, this object is achieved according to the invention by monitoring the terminal voltage after a charging process of an actuator and used to form a diagnostic statement for the respective injector, wherein the diagnosis statement is formed on the basis of the time decrease of the terminal voltage after completion of the charging process.
Zur Überwachung der Klemmenspannung wird nach Beendigung des Ladevorgangs des piezoelektrischen Aktors dessen Spannungsversorgung abgekoppelt und stattdessen eine Spannungsmesseinrichtung mit seinen Anschlussklemmen verbunden.To monitor the terminal voltage is disconnected after completion of the charging of the piezoelectric actuator whose power supply and instead a voltage measuring device connected to its terminals.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass das Kraftstoffeinspritzsystem hinsichtlich der Kraftstoffeinspritzung besonders zuverlässig betrieben werden kann, indem eine direkte und zeitnahe Überwachung des Ventilhubs der Einspritzventile vorgenommen wird. Dazu wird zeitnah, also noch während oder unmittelbar nach dem aktuellen Einspritzzyklus, für jedes Einspritzventil eine Diagnoseaussage bezüglich seines Ventilhubs gebildet. Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, kann dazu als geeigneter Parameter, auf dessen Grundlage die Diagnoseaussage gebildet wird, die zeitliche Entwicklung der Klemmenspannung des jeweiligen Aktors vorgesehen sein. Während der Ladephase baut sich nämlich im hydraulischen Koppler ein Druck auf, der auch nach Beendigung des Ladevorgangs auf den piezoelektrischen Aktor zurückwirkt und in diesem bei abgetrennter Spannungsversorgung eine für die Druckverhältnisse im Koppler und demzufolge auch für die Umsetzung der Ansteuerspannung in Ventilhub charakteristische Piezo-Spannung erzeugt. Die Klemmenspannung am piezoelektrischen Aktor kann somit ohne das Erfordernis eines weiteren Sensors als Meßparameter für das Ventilverhalten hinsichtlich der Umsetzung der Ansteuerspannung in Ventilhub herangezogen werden.The invention is based on the consideration that the fuel injection system can be operated particularly reliably with regard to fuel injection by performing a direct and timely monitoring of the valve lift of the injection valves. For this purpose, a diagnostic statement regarding its valve lift is formed promptly, that is, during or immediately after the current injection cycle, for each injection valve. As has surprisingly been found, can be provided as a suitable parameter on the basis of the diagnosis statement, the temporal evolution of the terminal voltage of the respective actuator. Namely, during the charging phase, a pressure builds up in the hydraulic coupler, which also acts upon completion of the charging process on the piezoelectric actuator and in this with disconnected power supply for the pressure conditions in the coupler and consequently also for the implementation of the control voltage in the valve lift characteristic piezoelectric voltage generated. The terminal voltage at the piezoelectric actuator can thus be used without the need for a further sensor as a measurement parameter for the valve behavior with regard to the implementation of the control voltage in the valve.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird die überwachte Klemmenspannung zur Bildung einer Diagnoseaussage über den Füllstand des Kopplers des jeweiligen Einspritzventils herangezogen. Der Kopplerdruck seinerseits ist nämlich - bei unverändert gehaltenen weiteren äußeren Bedingungen - abhängig vom im Koppler befindlichen Medium; so resultiert eine nur teilweise Befüllung des Kopplers mit Kraftstoff (effektives Medium: Kraftstoff-Luft-Gemisch) in anderen Druckverhältnissen als eine vollständige Befüllung des Kopplers mit Kraftstoff als Medium. Somit ist die für die Druckverhältnisse im Koppler charakteristische Klemmenspannung besonders günstig für die Füllstandsüberwachung heranziehbar.According to the invention, the monitored terminal voltage is used to form a diagnostic statement about the fill level of the coupler of the respective injection valve. For its part, the coupler pressure, in turn, is dependent on the medium in the coupler, with the other external conditions remaining unchanged; so results in only partial filling of the coupler with fuel (effective medium: fuel-air mixture) in other pressure conditions than a complete filling of the coupler with fuel as a medium. Thus, the characteristic of the pressure conditions in the coupler terminal voltage is particularly favorable for the fill level monitoring approached.
Eine besonders zuverlässige Diagnoseaussage ist dabei erzielbar, indem diese erfindungsgemäß anhand des zeitlichen Abfalls der Klemmenspannung nach Beendigung des Aufladevorgangs gebildet wird. Nach Beendigung der Ladephase für den piezoelektrischen Aktor baut sich nämlich der Druck im hydraulischen Koppler infolge abströmenden Mediums wieder ab; dieser Druckabfall ist über die Überwachung der Klemmenspannung am Aktor in der Form einer als Funktion der Zeit eintretenden Spannungsreduzierung nachweisbar. Diese Spannungsreduzierung hängt in besonders ausgeprägtem Maße vom Befüllungsgrad im Koppler ab: bei voll befülltem Koppler ist ein vergleichsweise ausgeprägter Spannungseinbruch nachweisbar. Dagegen ist dieser Effekt bei nur teilweise befülltem Koppler deutlich geringer, da in diesem Fall bereits bei der Aufladung nur Luft oder ein Luft-Kraftstoff-Gemisch komprimiert wurde.A particularly reliable diagnostic statement can be achieved by this invention is formed based on the time decrease of the terminal voltage after completion of the charging process. After completion of the charging phase for the piezoelectric actuator, namely, the pressure in the hydraulic coupler degrades due to the outflowing medium again; This pressure drop can be detected by monitoring the terminal voltage at the actuator in the form of a voltage reduction occurring as a function of time. This voltage reduction depends to a particularly great extent on the degree of filling in the coupler: when the coupler is fully filled, a comparatively pronounced voltage dip can be detected. In contrast, this effect is significantly lower with only partially filled coupler, since in this case only air or an air-fuel mixture was compressed during charging.
Zweckmäßigerweise wird die Diagnoseaussage dabei anhand eines Vergleichs der Differenz aus einem ersten Meßwert für die Klemmenspannung unmittelbar nach Beendigung des Aufladevorgangs und einem zweiten Meßwert für die Klemmenspannung nach Ablauf einer Wartezeit mit einem Grenzwert gebildet. Für die Wartezeit kann dabei ein fester Wert von vorteilhafterweise etwa 0,25 ms vorgegeben sein. Alternativ kann die Wartezeit aber auch in Abhängigkeit von für den Einspritzzyklus charakteristischen Parametern wie beispielsweise der Ansteuerdauer oder der Dauer einer Spritzpause zwischen zwei Einspritzungen gewählt werden. Insbesondere kann die Wartezeit derart gewählt werden, daß der zweite Meßwert unmittelbar vor einem folgenden Steuereingriff, beispielsweise einer Erhöhung der Ansteuerspannung, ermittelt wird.Expediently, the diagnostic statement is formed on the basis of a comparison of the difference between a first measured value for the terminal voltage immediately after the end of the charging process and a second measured value for the terminal voltage after expiry of a waiting time with a limit value. For the waiting time can be given a fixed value of advantageously about 0.25 ms. Alternatively, however, the waiting time can also be selected as a function of parameters characteristic for the injection cycle, such as, for example, the activation duration or the duration of a break in injection between two injections. In particular, the waiting time can be selected such that the second measured value is determined immediately before a following control intervention, for example an increase of the drive voltage.
Wird eine Klemmenspannungsdifferenz oberhalb des Grenzwertes festgestellt, so wird daraus auf einen voll befüllten und somit funktionstüchtigen Koppler geschlossen. Ist die Klemmenspannungsdifferenz hingegen kleiner als der Grenzwert, so wird ein Fehler des jeweiligen Kopplers festgestellt. In besonders günstiger Weise wird dabei der Grenzwert aufgrund von charakteristischen Betriebseigenschaften des jeweiligen Kopplers geeignet gewählt, wobei insbesondere als Grenzwert ein Spannungswert von etwa 25 bis 30 V vorgegeben werden kann. Alternativ kann der Grenzwert auch von einer zentralen Steuereinheit betriebspunktabhängig vorgegeben werden, wobei vorteilhafterweise ein aus einer vorangegangenen Eichmessung gewonnenes Kennfeld zugrunde gelegt wird.If a terminal voltage difference above the limit value is detected, it is concluded that a fully filled and thus functional coupler. If, however, the terminal voltage difference is smaller than the limit value, an error of the respective coupler is detected. In a particularly favorable manner, the limit value is suitably selected on the basis of characteristic operating characteristics of the respective coupler, with a voltage value of approximately 25 to 30 V in particular being able to be specified as limit value. Alternatively, the limit value can also be predetermined operating point-dependent by a central control unit, wherein advantageously a map obtained from a previous calibration measurement is used.
Bei Feststellung eines Fehlers ist durch Vergleich mit einem weiteren Grenzwert noch eine Unterscheidung nach Auswirkungen des Fehlers möglich: unterschreitet die Klemmenspannungsdifferenz auch einen zweiten, noch geringeren Grenzwert oder Minimalwert, so wird ein "fataler Fehler" diagnostiziert, der beispielsweise eine sofortige Stillegung des Verbrennungsmotors auslösen kann. Liegt die Klemmenspannungsdifferenz hingegen zwar unterhalb des ersten, aber oberhalb des zweiten Grenzwertes, so wird ein einfacher Fehler diagnostiziert, der zwar einen Weiterbetrieb des Verbrennungsmotors erlaubt, der aber für spätere Diagnosezwecke in einem Bordspeicher hinterlegt wird.If a fault is detected, it is possible to distinguish between the effects of the fault by comparison with another limit value: if the terminal voltage difference also falls below a second, even lower limit value or minimum value, a "fatal error" is diagnosed which, for example, triggers an immediate shutdown of the internal combustion engine can. On the other hand, if the terminal voltage difference lies below the first limit, but above the second limit value, then a simple fault is diagnosed which, although it permits further operation of the internal combustion engine, is stored in a on-board memory for later diagnostic purposes.
Vorteilhafterweise wird die Diagnoseaussage unmittelbar für einen Korrektureingriff in das Kraftstoffeinspritzsystem genutzt. Dabei wird insbesondere bei Feststellung eines einfachen Fehlers anhand der Diagnoseaussage ein Sollwert für die Ansteuerspannung des jeweiligen Aktors für einen nachfolgenden Einspritzzyklus vorgegeben, wobei der Sollwert derart gewählt wird, dass sich trotz der festgestellten nicht ausreichenden Befüllung des Kopplers nach Ansteuerung der vorgesehene Ventilhub ergibt.Advantageously, the diagnostic statement is used directly for a corrective intervention in the fuel injection system. In this case, a target value for the drive voltage of the respective actuator for a subsequent injection cycle is specified in particular when determining a simple error based on the diagnostic statement, wherein the desired value is selected such that despite the detected insufficient filling of the coupler after activation results in the proposed valve.
Bezüglich des Kraftstoffeinspritzsystems wird die genannte Aufgabe gelöst, mit den Merkmalen gemäß Anspruch 8.With regard to the fuel injection system, the stated object is achieved with the features according to claim 8.
Um die bei der zeitnahen Diagnose ermittelten Aussagen auch für spätere Anwendungen, beispielsweise Inspektionen oder Überholungsmaßnahmen, vorzuhalten, ist die Diagnoseeinrichtung zweckmäßigerweise mit einem Datenspeichermodul verbunden.In order to maintain the information determined in the timely diagnosis also for later applications, for example inspections or overhaul measures, the diagnostic device is expediently connected to a data storage module.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Auswertung der Klemmenspannung auf einfache Weise und ohne zusätzlichen konstruktiven Aufwand eine zeitnahe und zuverlässige Diagnose und Funktionsüberwachung jedes einzelnen Einspritzventils ermöglicht ist. Das Kraftstoffeinspritzsystem kann somit besonders zuverlässig betrieben werden, wobei bei geringfügigeren Abweichungen sofort Korrekturmaßnahmen, beispielsweise hinsichtlich einer Nachführung der Ansteuerspannung für jeden Aktor, vorgenommen werden können.The advantages achieved by the invention are in particular that a timely and reliable diagnosis and functional monitoring of each injector is made possible by the evaluation of the terminal voltage in a simple manner and without additional design effort. The fuel injection system can thus be operated particularly reliably, with minor deviations immediately corrective measures, for example, with regard to a tracking of the driving voltage for each actuator, can be made.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- Figur 1
- ein Einspritzventil eines Kraftstoffeinspritzsystems,
Figur 2- schematisch ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einer Anzahl von Einspritzventilen nach
Figur 1 , und - Figuren 3a und 3b
- jeweils ein Zeitdiagramm für eine Klemmenspannung.
- FIG. 1
- an injection valve of a fuel injection system,
- FIG. 2
- schematically a fuel injection system with a number of injectors after
FIG. 1 , and - FIGS. 3a and 3b
- each a time chart for a terminal voltage.
Das Einspritzventil 1 nach
Über einen Durchlaß im zweiten Ventilsitz 22 ist der Ventilraum 20 mit einem Führungskanal 24 verbunden, der eingangsseitig über ein Anschlußstück 26 an einen nicht dargestellten Druckkanal eines Common-Rail-Kraftstoffversorgungssystems eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Im Führungskanal 24 ist eine Düsennadel 28 angeordnet, die einen Kraftstoffauslauf 30 eines vom Anschlußstück 26 abzweigenden Kraftstoffkanals 32 abhängig von einer über die Anschlußklemmen 7 an den Aktor 2 angelegten Ansteuerspannung Ua freigibt oder verschließt. Zur Einstellung funktionsgerechter Druckverhältnisse beim Betrieb des Einspritzventils 1 sind das Anschlußstück 26 mit einer Zulaufdrossel 34 und der Führungskanal 24 mit einer Ablaufdrossel 36 versehen.Via a passage in the second valve seat 22 of the
Das Einspritzventil 1 ist, gemeinsam mit weiteren Einspritzventilen 1, Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems 40, wie es schematisch in
Zur elektrischen Ansteuerung der Einspritzventile 1 umfaßt das Kraftstoffversorgungssystem 40 eine zentrale Steuereinheit 44. Diese wiederum weist ein Ansteuermodul 46 auf, das über Leitungen 48 mit den Anschlußklemmen 7 der Einspritzventile 1 abschaltbar verbunden ist. Weiterhin umfaßt die Steuereinheit 44 eine Diagnoseeinheit 50, die an eine Anzahl von den Einspritzventilen 1 jeweils zugeordneten und mit deren Anschlußklemmen 7 verbundenen Spannungsmeßeinrichtungen 52 angeschlossen ist. Zudem weist die Steuereinheit 44 ein Datenspeichermodul 54 auf.For the electrical control of the injectors 1, the
Beim Betrieb des Kraftstoffversorgungssystems 40 legt die Steuereinheit 44 in einem Einspritzzyklus über das Ansteuermodul 46 eine Ansteuerspannung Ua an die Anschlußklemmen 7 jedes Einspritzventils 1 an. In Abhängigkeit von dieser Ansteuerspannung Ua dehnt sich der Aktor 2 des angesteuerten Einspritzventils 1 in seiner Längsrichtung aus, so daß sich der Stellkolben 8 in Richtung des hydraulischen Kopplers 10 bewegt. Infolge der dadurch bewirkten Druckerhöhung im Koppler 10 bewegt sich auch der Stellkolben 14 mit dem daran angeordneten Verschließglied 16 in Richtung auf den zweiten Ventilsitz 22 zu.During operation of the
Über die Versorgungsleitung 42 herrscht im Anschlußstück 26 jedes Einspritzventils 26 ein hoher Druck, der bei einem Common-Rail-System beispielsweise zwischen 200 und 1800 bar betragen kann. Dieser Druck wirkt gegen die Düsennadel 28 und hält sie geschlossen, so daß durch den Kraftstoffauslauf 30 kein Kraftstoff austreten kann. Wenn aber nun infolge der an den Aktor 2 angelegten Steuerspannung Ua das Verschließglied 16 vom ersten Ventilsitz 18 zum zweiten Ventilsitz 22 oder umgekehrt bewegt wird, dann baut sich der Druck im Hochdruckbereich des Führungskanals 24 ab, so daß die Düsennadel 28 in Richtung auf den Ventilraum 20 zurückweicht und den Kraftstoffauslauf 30 freigibt. In diesem Fall erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung in den zugeordneten Zylinder.Via the
Über Leckspalte wird bei der Bewegung des Stellkolbens 14 ein Teil des im hydraulischen Koppler 10 befindlichen Mediums oder Kraftstoffs herausgedrückt. Für einen bestimmungsgemäßen Zusammenhang zwischen Ansteuerspannung Ua und eingespritzter Kraftstoffmenge ist jedoch eine ordnungsgemäße Befüllung des hydraulischen Kopplers 10 erforderlich. Daher ist zwischen zwei Einspritzungen eine Wiederbefüllung des jeweiligen Kopplers 10 über einen nicht dargestellten Kanal vorgesehen.Via leakage gaps, part of the medium or fuel present in the
Zur Überprüfung, ob die Koppler 10 der Einspritzventile 1 auch tatsächlich ordnungsgemäß wiederbefüllt wurden, ist das Kraftstoffeinspritzsystem 40 derart ausgelegt, daß eine direkte und zeitnahe Überwachung aller Koppler 10 der Einspritzventile 1 vorgenommen wird. Dazu wird zeitnah, also noch während oder unmittelbar nach dem aktuellen Einspritzzyklus, für jedes Einspritzventil 1 eine Diagnoseaussage bezüglich des jeweiligen hydraulischen Kopplers 10 gebildet.To check whether the
Zur Bildung dieser Diagnoseaussage wird nach erfolgtem Ladevorgang des Aktors 2 des jeweiligen Einspritzventils 1 das Ansteuermodul 46 von den Anschlußklemmen 7 des Aktors 2 getrennt. Statt des Ansteuermoduls 46 wird an die Anschlußklemmen 7 des Aktors 2 die zugehörige Spannungsmeßeinrichtung 52 angeschlossen, deren Meßdaten an die angeschlossene Diagnoseeinheit 50 ausgegeben werden. Somit erfolgt in dieser Phase eine Überwachung der Klemmenspannung Uk des Aktors 2 als Funktion der verstreichenden Zeit. Aus dem zeitlichen Verhalten der Klemmenspannung Uk wird dabei in der Diagnoseeinheit 50 eine Diagnoseaussage über den Befüllungsgrad des Kopplers 10 des jeweiligen Einspritzventils 1 gebildet.In order to form this diagnostic statement, after the charging process of the
Wie sich nämlich herausgestellt hat, baut sich nach Beendigung der Ladephase für den piezoelektrischen Aktor 2 der Druck im hydraulischen Koppler 10 infolge abströmenden Mediums wieder ab; dieser Druckabfall ist über die Überwachung der Klemmenspannung Uk am Aktor 2 in der Form einer als Funktion der Zeit eintretenden Reduzierung der Klemmenspannung Uk nachweisbar. Das Ausmaß dieses zeitlichen Abfalls der Klemmenspannung Uk ist dabei auch abhängig vom sogenannten Übersetzungsverhältnis im Koppler 10, also dem Verhältnis aus dem erzeugbaren Hub des Verschließgliedes 16 zu der auf den Koppler 10 einwirkenden Längenänderung des Aktors 2. Wie aus den
Aus der Überwachung der Klemmenspannung Uk am Aktor 2 wird somit in der Diagnoseeinheit 50 für das jeweilige Einspritzventil 1 auf folgende Weise eine Diagnoseaussage gebildet: nach erfolgter Ladephase des Aktors 2 wird die Klemmenspannung Uk gemessen. Nach einer Wartezeit von beispielsweise etwa 0,25 ms wird die Klemmenspannung Uk erneut gemessen. Sodann wird die Differenz beider Meßwerte gebildet und mit einem Grenzwert verglichen. Im Ausführungsbeispiel ist dafür ein fester Grenzwert von etwa 30 V vorgegeben; alternativ kann aber auch ein betriebspunktabhängiger Grenzwert aus einem durch vorherige Eichung gewonnenen, im Datenspeichermodul 54 hinterlegten Kennfeld zugrundegelegt werden. Die Wartezeit ist dabei derart gewählt, daß die Messung der Klemmenspannung Uk unmittelbar vor einem darauffolgenden Steuereingriff, nämlich vor einer weiteren Anhebung der Klemmspannung Uk, erfolgt.From the monitoring of the terminal voltage Uk on the
Ist die ermittelte Differenz der Klemmenspannungen Uk größer als der Grenzwert, so wird als Diagnose auf eine ordnungsgemäße Wiederbefüllung des Kopplers 10 geschlossen; keine weitere Maßnahme wird eingeleitet.If the determined difference of the terminal voltages Uk is greater than the limit value, a proper refilling of the
Ist die ermittelte Differenz der Klemmenspannungen Uk jedoch kleiner als der Grenzwert, so wird als Diagnose auf eine mangelhafte Wiederbefüllung des Kopplers 10 geschlossen. In diesem Fall wird ein weiterer Vergleich der Differenz der Klemmenspannungen Uk mit einem zweiten Grenzwert oder Minimalwert vorgenommen. Durch diesen Vergleich wird noch eine Unterscheidung nach Auswirkungen des Fehlers vorgenommen: unterschreitet die Differenz der Klemmenspannungen Uk auch den zweiten, noch geringeren Grenzwert oder Minimalwert, so wird ein "fataler Fehler" diagnostiziert, der beispielsweise eine sofortige Stillegung des Verbrennungsmotors auslöst. Liegt die Differenz der Klemmenspannungen Uk hingegen zwar unterhalb des ersten, aber oberhalb des zweiten Grenzwertes, so wird ein einfacher Fehler diagnostiziert, der zwar einen Weiterbetrieb des Verbrennungsmotors erlaubt, der aber für spätere Diagnosezwecke in dem Datenspeichermodul 54 hinterlegt wird.However, if the determined difference of the terminal voltages Uk is smaller than the limit value, the diagnosis is based on a faulty refilling of the
Bei Feststellung eines einfachen Fehlers in der Diagnoseeinheit 50 wird zudem ein Sollwert für die Ansteuerspannung Ua des jeweiligen Aktors 2 für einen nachfolgenden Einspritzzyklus vorgegeben, wobei der Sollwert derart gewählt wird, daß sich trotz der festgestellten nicht ausreichenden Befüllung des Kopplers 10 nach einer Ansteuerung der vorgesehene Ventilhub ergibt.Upon detection of a simple error in the
Claims (8)
- Method for operating a fuel injection system (40) having a number of injection valves (1), in which in each case one piezoelectric actuator (2) drives a closure element (16) by means of a hydraulic coupler (10), wherein after a process for charging the actuator (2), the actuator's (2) terminal voltage (Uk) is monitored, and is used to form diagnostic information about the filling level of the coupler (10) of the respective injection valve (1), and wherein the diagnostic information is formed by reference to the decay of the terminal voltage (Uk) over time after the charging process ends.
- Method according to Claim 1, in which the difference between the terminal voltage (Uk) which is measured directly after the charging process ends and the terminal voltage (Uk) which is measured after a predefinable waiting time has expired is compared with a limiting value.
- Method according to Claim 2, in which a setpoint value for the actuation voltage (Ua) of the respective actuator (2) is predefined for a subsequent injection cycle as a function of the difference between the terminal voltage (Uk) which is measured directly after the charging process ends and the terminal voltage (Uk) which is measured after a predefinable waiting time expires.
- Method according to Claim 2 or 3, in which a time of approximately 0.25 ms, calculated from the start of the charging process, is selected as the waiting time.
- Method according to one of Claims 2 to 4, in which a fixed voltage value of approximately 25 to 30 V is predefined as a limiting value.
- Method according to one of Claims 2 to 4, in which a voltage value which is dependent on the operating time and is derived from a characteristic diagram which is determined by reference to a previous calibration is predefined as a limiting value.
- Fuel injection system (40) having a number of injection valves (1) in which in each case one piezoelectric actuator (2) drives a closure element (16) by means of a hydraulic coupler (10), wherein the actuator (2) of each injection valve (1) is connected to an assigned voltage measuring device (52) which is itself connected at the output end to a diagnostic unit (50), and wherein the diagnostic unit form is diagnostic information about the filling level of the coupler (10) for the respective injection valve (1) by reference to a decay in a terminal voltage (Uk) of the actuator (2) over time after a process of charging the actuator (2) ends.
- Fuel injection system (40) according to Claim 7, whose diagnostic unit (50) is connected to a data memory module (54).
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| 26 | Opposition filed |
Opponent name: SIEMENS AG CT IP SV Effective date: 20051223 |
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| PLAB | Opposition data, opponent's data or that of the opponent's representative modified |
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| R26 | Opposition filed (corrected) |
Opponent name: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Effective date: 20051223 |
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| 27A | Patent maintained in amended form |
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| GBPC | Gb: european patent ceased through non-payment of renewal fee |
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Ref country code: DE Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES Effective date: 20190201 Ref country code: GB Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES Effective date: 20180701 Ref country code: FR Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES Effective date: 20180731 |