Verfahren zur Stabilisierung der Kraftstoffdosierung bei Piezo

Carsten Raupach
Kurzfassung der Dissertation
Husemannstr. 26
58452 Witten
Verfahren zur Stabilisierung der Kraftstoffdosierung bei Piezo-Einspritzventilen
Stabilisation of Fuel Injection for Automotive Piezo-Injectors
Dipl.-Ing. Carsten Raupach
Lehrstuhl für Elektronische Mess- und Schaltungstechnik
Einspritzventile mit Piezoaktuatoren ersetzen in Kraftstoffeinspritzsystemen aufgrund ihrer
dynamischen Eigenschaften und den damit verbundenen kürzeren Schaltzeiten vermehrt die
herkömmlichen Magnetventile. Piezoventile erweisen sich besonders bei der kritischen
Kleinstmengendosierung der Vor- und Nacheinspritzung und bei der Möglichkeit, Teilhübe
anzusteuern, als überlegen. Neben der Geräusch- und Verbrauchsreduktion wird durch den
Einsatz der Piezoaktuatoren gleichzeitig die Schadstoffemission verringert. Einspritzventile mit
Piezoaktuatoren werden derzeit in Common-Rail und Pumpe-Düse Diesel-Einspritzsystemen
eingesetzt, neuerdings auch bei der Benzin-Direkteinspritzung.
Bei den geringen Hüben der Piezoaktuatoren im Bereich von 40 µm ist die Konstanz der
Kraftstoffdosierung erheblich von Fertigungstoleranzen, Temperatureinfluss, Alterung und
Verschleiß abhängig. Um die Robustheit zu erhöhen, werden derzeit aufwendige Steuer- und
Regelverfahren eingesetzt, sowie konstruktive Maßnahmen durch Materialien mit angepasstem
Ausdehnungskoeffizienten ergriffen.
In der vorliegenden Promotion wird ein neues Detektionsverfahren entwickelt, dass ohne
zusätzlichen Sensor aus den elektrischen Signalen, Strom und Spannung, des Steuergerätes
Variationen der Systemfunktionen detektiert und ausregelt. Es wird ein neues Detektionsmodell
des Piezoaktuators vorgestellt, das den Kraft- und Auslenkungsverlauf des Piezoelementes
berechnet und somit einen Einblick in die inneren dynamischen Verhältnisse des Einspritzventils
gibt. Eine Rückgewinnung der Informationen aus dem Injektor selbst ist daher kostengünstig allein
durch die Auswertung der elektrischen Ansteuersignale des Piezoaktuators möglich. Das
Verfahren erweist sich als robust gegenüber verschiedenen Ansteuerverfahren und ist auf
Injektoren mit Piezoaktuatoren zukünftiger Generationen übertragbar. Es ist zudem unempfindlich
gegenüber Serienstreuung der elektrischen Kapazität der Piezoaktuatoren.
Gleichzeitig wird der Piezoaktuator in einem weiteren Verfahren als Temperatursensor genutzt, um
die Abhängigkeit der Piezo-Auslenkung von der Temperatur zu kompensieren. Auch ein
gewünschtes Auslenkungsprofil zur Kompensation von Veränderungen der Mechanik des
Einspritzventils ist einstellbar.
Das Detektionsmodell und die neue Regelung sind an einem Prüfstand, der die Belastung des
Piezoaktuators vollständig abbildet, verifiziert und erprobt worden. Das auf einem Mikrocontroller
implementierte Detektionsmodell konnte seine Leistungsfähigkeit bezüglich Leerhubdetektion und
Einspritzcharakterisierung zeigen. Messungen mit dem Detektionsmodell an einem Common-Rail
Motorprüfstand haben die Funktionalität am Einspritzsystem gezeigt.