CN106030096A - 用于操作尤其是用于蓄压器喷射系统的阀的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于操作阀（10）的方法，所述阀尤其是用于蓄压器喷射系统以及对应的蓄压器喷射系统的减压阀，其中，阀（10）包括阀开口（12）和封闭元件（13），该封闭元件能够借助于带有能通电线圈（15）和磁性驱动的衔铁（14）的电磁驱动器（14、15）克服复位弹簧元件（16）的力，在第一端部位置和第二端部位置之间被驱动，在第一端部位置中封闭元件实现阀开口的封闭，在第二端部位置中封闭元件至少部分地开启阀开口。选择用于致动阀的信号强度的问题，该信号强度实现低噪音发展以及低磨损，通过本发明的特征被解决，其特征在于线圈至少一次被供应限定的电气信号，以便克服复位弹簧元件（16）的力移动衔铁（14），在于在线圈（15）中电流强度分布（20、21、22）随时间的变化由电流传感器感测，并且在于根据电流强度分布随时间的变化确定针对该限定的电流信号，尤其是打开或关闭时间，封闭元件（13）的运动分布。

Description

用于操作尤其是用于蓄压器喷射系统的阀的方法和装置

本发明在于机电领域，具体地高压阀的技术。其涉及用于操作阀的方法，具体地涉及阀的致动，并且其涉及用于致动的装置，该装置能够在汽车技术中的共轨喷射系统领域中的高压阀中以特定优点被使用。

在下文中，共轨喷射技术领域将作为本发明的用途的尤其有吸引力的领域被简要概述。然而，本发明还能够有利地用在其他技术领域中，在这些领域中，最有效的致动是重要的。

用于内燃机的燃料喷射装置从汽车技术被广泛地公知。带有蓄压器的高压喷射系统已经证明是尤其高效的，其中，待喷射的燃料在数百巴的压力下被积蓄并且经由喷射阀被引入至燃烧室中。

为了操作这样的高压喷射系统，需要对高压蓄压器中的压力进行调节，高压蓄压器通常尤其利用操纵变量来致动高压泵。从文献中额外地已知的是所谓的减压阀，其或者被整合至单独的喷射阀中（例如，DE 101 11 293 A1）或者通常在用于蓄压器喷射系统的控制系统的描述中提及（例如，DE 10 2007 059 116 A1）。还从DE 10 2012 204 252 B3中已知的是整合在喷射阀中的减压阀。

这样的减压阀对于高效调节蓄压器中的压力非常有用，因为高压泵能够专用于压力积聚，并且因为如果参考变量改变，例如如果内燃机的操作改变，则有时需要快速减压，但这经由仅喷射阀可能并不有利。结果将是所谓的硬燃烧，这在内燃机的操作期间是非期望的。

为了以这个方式允许高效压力降低，已知在这样的控制系统中还设置能够电气致动的磁性控制的减压阀。当致动这样的阀时，重要的是允许通过的液体的体积能够精确地被控制，这是因为该阀能够以非常好地限定的方式打开和关闭。这通常被实现，因为借助于电磁驱动器，能实现非常快速的打开和关闭，使得该阀实际上能够在打开和关闭位置之间数字地切换，使得仅仅打开的时间段决定允许通过的液体的体积。这样的驱动器进而导致阀的机械部分（即，尤其是打开和关闭阀开口的封闭元件）的高的加速度数值。这样的高加速度进而首先产生能够令人烦恼的噪音，并且在密封面的区域中产生磨损。

因此，本发明基于设计用于操作阀的方法的目标，该阀允许低噪音操作并且此外还允许阀的最低可能的机械磨损。

该目标利用本发明的特征通过如在专利权利要求1中所要求保护的方法，以及通过如在专利权利要求11中所要求保护的装置实现。从属权利要求表示本发明的有利改进方案。

因此，本发明涉及用于操作阀的方法，该阀尤其是用于蓄压器喷射系统的减压阀，其中，该阀具有阀开口以及封闭元件，该封闭元件能够借助于带有能通电线圈和能磁性驱动的电枢的电磁驱动器在第一端部位置和第二端部位置之间抵抗复位弹簧元件的力被驱动，在第一端部位置中封闭元件实现阀开口的封闭，在第二端部位置中封闭元件使阀开口至少部分地开启。

该目标利用本发明的特征实现，特征在于线圈至少一次被供应有限定的电气信号，以便克服复位弹簧元件的力移动电枢，特征在于在线圈中随时间变化的电流强度分布由电流传感器感测，并且特征在于从随时间变化的电流强度分布确定针对限定的电流信号，尤其是打开或关闭时间，的封闭元件的运动分布。

这样的电枢的驱动通常由限定的电气信号（例如，电压脉冲）实现，该电枢连接至阀的封闭元件或能够与该封闭元件至少部分地相同。利用脉冲宽度调制信号致动这样的驱动器也是常见的。

结果是，强的致动信号允许快速切换，但是至今这样的信号关于所要求的加速度和整体机械/磁性系统也不是最佳的。从某点开始，增加信号强度几乎不再导致阀的运动部分的进一步加速，但是导致到驱动线圈的磁场中的能量输入具有下述公知效应：电流上升由于驱动线圈的电感被减慢。另一方面，信号强度的减小首先不导致驱动器的任何减慢，而仅仅导致输入至驱动系统中的磁性能量减小。对于任何电气信号，对驱动线圈中所产生的电流的详细考虑得到下述事实：首先，实现电流上升，其斜率由线圈的电感确定；在阀的打开期间或当运动的电枢或封闭元件撞击阀座时，在经过电流强度的上冲/最大值之后，经过电流最小值，并且在此之后，流动通过驱动线圈的电流仅再次上升少许，以便以准恒定电流分布结束。

在下文中，将经常考虑阀的打开操作被驱动辅助的情况。在某些时候，将明确地对关闭操作进行参考，该关闭操作能够类似地被驱动辅助。在这种情况中，复位弹簧能够在没有驱动器的影响下可选地将阀保持在关闭位置中。在每一种情况中，本发明均能够应用于打开运动和关闭运动。

在操作期间，根据诸如温度、摩擦等等环境条件，针对阀的操作得到变量条件并且因此针对信号强度得到相应不同的最小值条件，该信号强度对于可靠且快速关闭/打开阀是需要的。借助于根据本发明的方法，对于指定的电致动信号的阀的电流行为能够通过监测在驱动线圈中的电流强度来确定。

因此，例如，借助于与预期时间的比较，可能能够确定在所使用的信号的情况下，阀是否足够快地关闭。如果确定的反应时间太短，还能够得出的结论是，加速度太高并且封闭元件撞击太猛烈。在这个情况中，信号可以被减弱限定的量以用于阀的进一步操作。如果打开时间（即，从打开信号的开始直到封闭元件的冲击）位于预限定窗内，那么该信号能够被维持用于进一步操作。

然而，经常，识别过高的信号强度是尤其困难的，因为，在过强的信号（其导致非期望的噪音和磨损）的情况中，打开时间几乎不能够被进一步缩短。在这个情况中，根据本发明有利的是规定利用多个不同的电气信号连续地供应线圈，并且规定评估电流时间分布中的差别和从其确定的电枢的运动数据。因此，目前在阀的操作期间，能够测试在不同强度下的一系列不同信号，以便找出哪个是最低的信号强度，利用该最低的信号强度，带有最小冲击速度的阀的非延迟致动仍然是可能的。

信号能够被改变，例如，由于所施加的电压信号的电压水平被不同地选择。通常，当使用脉冲宽度调制信号（PWM信号）时，时钟周期，也就是说在高信号水平和低信号水平之间的切换时间的比率，被适当地控制。例如，利用PWM信号，可以用100%的时钟周期（即，连续的完整信号）作为开始，并且这能够从信号到信号逐步地降低几个百分点。这样的脉冲宽度调制信号通常是高频的，并且以矩形波脉冲的形式产生。另外的可能性将是持续地缩短100% PWM相位的持续时间，直到打开时间被改变。

在测试不同的电气信号期间，阀的运动数据能够以多种方式被确定。例如，如果致动信号的按时间顺序的位置被精确已知的话，那么直到封闭元件撞击的时间能够用声学方式或光学方式被测量。然而，这要求在测量上的支出，其并不总是实际的，特别是在内燃机的日常操作中。

因此，本发明的一个有利的改进方案规定将确定流动通过线圈的电流的电流强度在时间顺序上的第一最小值。此处，能够进一步有利地作出规定：确定在对线圈的供应电气信号的开始和流动通过线圈的电流的电流强度的第一最小值的出现之间的时间段。

因此，比较不同电气信号的电流分布是可能的，并且可能的是确定哪个信号强度导致冲击的大幅时间延迟，通过使用在驱动线圈中的电流最小值的位置被测量。然后可能的是，选择相应的下一个更强烈/更有力的信号用于致动阀，以便在封闭元件的冲击期间，在动能最小增加的情况下实现阀的期望反应时间。因此，使得阀能够低噪音且低磨损的操作。

通常，能够相应地作出规定：利用不同强度的电气信号连续地供应线圈，并且规定获得电枢的相应运动数据。

本发明的尤其有利的改进方案规定从信号供应到信号供应的电气信号的强度单调地上升或下降，并且规定测量每一个情况中从信号供应的开始直到经过流动通过线圈的电流的电流强度的第一最小值的时间段，并且彼此相比较。

为了利用尽可能少的测试信号管理但又达到优化的致动信号，能够进一步有利地作出规定：在信号强度系列中紧接着彼此和/或立即邻接于彼此的电气信号之间的强度差别基本上相同。

本发明的另外的有利改进方案规定：在信号强度系列中立即邻接着的相应信号对关于电枢所实现运动（尤其是经过第一电流最小值的时间段）彼此相比较，并且规定确定展现出电枢运动中的最大差别的信号对，并且规定在两个电气信号中选择导致在达到电流最小值之前在时间顺序上更短的时间段的一个。

当考虑阀的运动数据时，有利的是根据所施加的信号强度排序不同的转变。结果是，在指定的信号强度以上，不能检测到阀速度（即，在封闭元件的冲击处的冲击速度）以及在致动信号的开始和阀的封闭之间的时间的进一步显著变化。仅当信号下降至指定的信号阈值以下时，结果是，封闭元件仅在延迟情况下到达打开位置或关闭位置，即，最大可能打开的位置。信号强度的进一步降低导致阀不再可靠地打开或关闭。如果可能的话，必要的是在根据信号强度排序的信号分布系列中识别两个信号分布，在这两个信号之间阀的反应存在最大差别。这两个信号标记正好仍然导致阀平稳打开或关闭，而不达到非必要的高冲击速度的信号强度。这两个信号中较强的一个应该被选择用于阀的进一步操作，因为这两个信号中较弱的一个已经导致系统响应的延迟。

因此，在阀的操作期间，时常，例如周期性地，阀被供应测试信号，以便在每一个情况中确定当前最佳的致动信号。还能够作出规定：在操作期间，在阀的每一次致动时经由电流测量值进行打开时间或关闭时间的监测，并且如果发生相应时间的改变，则施加用于追踪最佳信号强度的适当测试信号。

根据本发明的方法能够针对打开运动能够以简化的形式被概述，其在于阀通过弹簧保持在关闭位置中，并且借助于能通过能通电线圈驱动的电枢打开，在于利用不同电气信号连续地供应线圈，电气信号的强度从信号到信号降低，在于对于每一个信号，借助于流动通过线圈的电流的测量值，确定直到在打开位置中封闭元件的冲击的时间段，以及在于，通过使用该时间段的显著增加，确定由于其不足的强度导致阀的延迟打开操作的第一信号。对应的方法还能够用于优化阀封闭。

此处，能够额外地有利地作出规定：相对于直到封闭元件的冲击所达到的时间段确定足以被再现用于进一步的阀打开和/或关闭操作的最弱的信号。

本发明还涉及用于以上面所解释的方式并也在蓄压器喷射系统上操作阀的方法，在蓄压器喷射系统中上面描述的方法能够有利地应用，蓄压器喷射系统具有压力生成高压泵（其在高压下将喷射液体递送至高压室中）；并且具有减压阀，其连接至高压室并且借助于能通电的电磁体能够克服复位弹簧元件的力打开和/或关闭；具有连续地实现带有不同强度的不同电气信号的发生的信号发生装置；并且具有电流传感器，用于感测流动通过电磁体线圈的电流的电流强度分布。

在这样的蓄压器喷射系统中，额外有利地作出规定：在确定电流强度最小值在时间顺序上的位置的基础上评估装置利用彼此不同强度的电气信号比较阀的打开时间和/或关闭时间。

在下面的内容中，将通过使用示例性实施例在多个附图中示出本发明并且然后解释本发明。在附图中：

图1以示意形式示出带有减压阀的蓄压器喷射系统的一般图示；

图2示意性地示出减压阀的结构；

图3示出示曲线图，其中，相对于时间绘制了在减压阀的驱动线圈中的线圈电流；以及

图4示出示曲线图，其中，相对于时间绘制了减压阀的行程。

图1示出用于四缸内燃机（其未详细图示）的高压喷射系统。该喷射系统具有高压蓄压器1，其连接至四个喷射器2、3、4、5。单独的喷射器2、3、4、5各种具有喷射阀，其在图1中仅示意性地指示。

高压蓄压器1借助于高压泵6在数百巴的范围内的高压下被供给来自燃料储存器7的燃料。燃料经由燃料管道8和过滤器9被供给至高压泵6。由于在低压侧上供给至高压泵的燃料的体积被调节，所以在高压蓄压器1中的液压压力的调节（没有详细地具体图示）被执行。

为了允许高压蓄压器中压力的改进调节，尤其是在下降的燃料需求的情况下，设置减压阀10，其将高压蓄压器1连接至低压系统，尤其是燃料储存器7。当减压阀10打开时，因此能够高效且快速地降低高压蓄压器1中的压力。

减压阀10和控制燃料供给至高压泵6的元件有利地与压力传感器25一起连接至共同的控制系统11。

图2通过示例示意性地示出减压阀10的结构。此处，连接至减压阀10的开口12的高压蓄压器由标记1图示在左手侧。开口12能够借助于封闭元件13关闭。封闭元件13连接至磁性驱动器的电枢14，其中，在磁性驱动器的环境下电枢14与环绕电枢14的线圈15相互作用。在静止状态下（即，当线圈15没有被供应电流时），借助于在弹簧引导件17中被引导的弹簧16以及对应作用的弹簧力，电枢14及与后者封闭元件13被推动抵靠开口12处阀座，并且因此减压阀克服高压蓄压器1中的液压压力26关闭。因此对于任何燃料而言，均不能从高压蓄压器1中出来。

如果线圈15被供应电气信号，使得电流流动，然后电枢14通过磁力被拉动至线圈15中并且因此封闭元件13克服弹簧16的力运动远离开口12。然后可能的是引导燃料从高压蓄压器1通过开口12离开进入阀室18中，并且从阀室18经由出口管道19进入燃料储存器7中。减压阀10以使得其能够有利地被操作为所谓的数字阀的方式被构建。这意味着该阀基本上仅在打开位置和关闭位置中操作，其中，开口12能够通过封闭元件13的运动非常快速地关闭和开启。此处，驱动器必须以这样的方式构造：即使得在考虑和计算流速期间，能够忽略在其中阀开口12仅部分打开的中间位置。

因此，用于致动线圈15的电气信号（借助于其驱动封闭元件13）应该以这样的方式选择或构造：即使得电枢14尽可能快地运动。另一方面，考虑下述事实是必要的：封闭元件13对开口12的区域中的阀座的冲击和/或在打开位置中对止动件29的冲击首先引起机械磨损，并且其次产生可能非期望的噪音。

因此，本发明涉及确定用于线圈15的电致动信号的适合的信号强度。为了这个目的，在每一个情况中，在操作开始时或在操作期间，一系列测试信号被施加至线圈15，并且在每一个情况中确定阀的行为。为此，实际上，确定响应时间，即，从电气信号的开始直至阀的完全封闭或直至完全打开的时间。这是通过观察线圈电流来完成，更精确地通过线圈电流的时间分布来完成。线圈电流的时间分布首先取决于电气信号的形状和强度，其次取决于线圈的电感和电枢14的位置，并且取决于弹簧16的刚度和作用方向。

通过使用图3，下面将更详细地考虑电流行为。

图3图示三个电流曲线20、21、22，其在对线圈15施加不同强度的电气信号的情况下获得，并且其各自再现线圈15中的电流分布。结果是，在开始时，当电气信号在时间t₁处施加至线圈时，发生电流上升，其初始地由包括线圈、电枢以及电枢质量的系统的电感单独地决定。仅在时间t₂处确实导致差别，这是由于在更强的信号的情况中（通过使用曲线20的示例示出），相比在较弱的电气信号的情况中，获得更高的最大电流强度。倘若更仔细地考虑耦合的电气和机械系统以及描述该系统的微分方程，结果是，在电流强度的上冲以及当电枢撞击阀座时达到电枢的最大速度之后，经过电流强度的相对最小值。电流强度最小值在曲线20中由标记20a标示，在曲线21中由标记21a标示以及在曲线22中由标记22a标示。倘若比较电流曲线20和21，则结果是，如果减小施加至线圈15的信号的信号强度，则首先所达到的最大电流强度下降，但是达到电流最小值20a、21a的时间实际上没有位移。这将解释为是因为在指定的信号强度以上封闭元件的机械加速度没有进一步改变，并且因为更强的电气信号仅仅导致到线圈的磁场中的更强的能量输入，而没有导致电枢的动能的任何增加或导致阀的打开/关闭时间的缩短。因此，信号强度能够被进一步降低一些而不引起封闭时间t₃的变化，或在信号的开始t₁和到达封闭元件的端部位置t₃之间的时间段的变化。

然后，如果从指定的信号强度向下继续进一步降低信号强度，那么总的能量输入就不再足以最大地加速封闭元件13。这在考虑曲线22时示出，其中，最小值22a向右侧大幅地移动。这意味着，封闭元件13以大幅减慢的方式撞击在端部位置中，例如在阀座上。因此结果是，严格地讲，阀不再能够被视为数字阀，因为发现封闭元件在不允许的长时间段内处于在其中部分关闭阀开口的位置中。另一方面，封闭元件13对阀座的冲击非常轻柔，使得阀的关闭带有很少噪音和很少磨损。

如果利用三个不同的信号强度执行测试系列，如在图3中所图示的，那么可能得出下述结论：曲线22再现不足以用于减压阀的目的的强信号，使得在测试系列已经运行完之后，与曲线21相关联的下一个更强的电气信号被选择用于进一步操作。

在测试系列中，还能够施加并测试更多数量的电气信号，其中，信号强度之间的差别应该根据对于减压阀的操作所期望的精度来选择。

所施加的电气信号的强度通常由所施加的电压确定，该电压借助于脉冲宽度调制经由可调整的时钟频率，能够以经过的信号时间的能对应调整的百分比被施加。测试系列能够，例如，始于100%接通脉冲宽度调制信号，并且然后按百分比降低，或以百分之几逐步降低，因为，例如，在测试经过期间，接通经过时间的95%或90%的信号。

在图4中，在与图3中的时间轴相同的时间轴上，在不同信号的情况下相对时间t绘制了封闭元件13的行程s。此处，在位移曲线23中，图示与图3中的曲线21相关联的行程分布，同时在位移曲线24中，图示与在图3中的曲线22相关联的行程分布。其揭示的是，在位移曲线23的情况中，远至阀开口12的封闭或直到到达端部位置的位移在时间t₃处已经经过，这意味着阀在时间t₃时关闭。根据位移曲线24（其再现被分类为过低的信号强度），该阀仅到时间t₄时才关闭。

在经过适当的测试系列之后，因此在减压阀中设定信号强度是可能的，该信号强度在维持阀的优化的封闭时间的同时，确保在操作期间的最小噪音水平以及同样地最小磨损。

Claims (12)

1.一种用于操作阀（10）的方法，所述阀尤其是用于蓄压器喷射系统的减压阀，其中，所述阀（10）具有阀开口（12）和封闭元件（13），所述封闭元件能够借助于带有能通电线圈（15）和能磁性驱动的电枢（14）的电磁驱动器（14、15）克服复位弹簧元件（16）的力在第一端部位置（关闭位置）和第二端部位置（打开位置）之间被驱动，在所述第一端部位置中所述封闭元件实现所述阀开口（12）的封闭，在所述第二端部位置中所述封闭元件至少部分地开启所述阀开口，其特征在于，所述线圈（15）至少一次被供应限定的电气信号，以便在所述复位弹簧的影响下，尤其克服所述复位弹簧元件（16）的所述力，移动所述电枢（14），其特征在于，在所述线圈（15）中电流强度分布随时间的变化（20、21、22）由电流传感器感测，以及其特征在于，通过所述电流强度分布随时间的变化针对所述限定的电流信号，尤其是打开或关闭时间，确定所述封闭元件（13）的运动分布。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线圈（15）被连续地供应多个不同的电气信号，并且在所述电流时间分布（20、21、22）中的差别以及由其确定的所述电枢（14）的运动数据被评估。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定流动通过所述线圈（15）的电流的所述电流强度在时间顺序上的第一最小值（20a、21a、22a）。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定对所述线圈（15）供应电气信号的开始和流动通过所述线圈（15）的所述电流的所述电流强度的所述第一最小值（20a、21a、22a）的出现之间的时间段。

5.根据权利要求2，3或4所述的方法，其特征在于，对所述线圈（15）连续地供应不同强度的电气信号，并且获得所述电枢（14）的相应运动数据。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，从信号供应到信号供应的所述电气信号的所述强度单调地上升或下降，并且其特征在于，测量在每一个情况中从所述信号供应的开始直到经过流动通过所述线圈（15）的所述电流的所述电流强度的所述第一最小值（20a、21a、22a）的所述时间段并且彼此相比较。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在信号强度的系列中接着彼此和/或立即邻接至彼此的电气信号之间的强度差别基本上相同。

8.根据权利要求5、6或7所述的方法，其特征在于，在所述信号强度的系列中立即邻接的相应的信号对关于所述电枢（14）的所实现的运动，尤其是到经过所述第一电流最小值（20a、21a、22a）的所述时间段，彼此相比较，并且其特征在于，确定展现出所述电枢运动的最大差别的信号对，并且其特征在于，在两个电气信号中选择在达到所述电流最小值之前导致在时间顺序上更短的时间段的一个。

9.根据权利要求1或后续之一所述的方法，其特征在于，所述阀（10）通过弹簧（16）被保持在关闭位置，并且借助于能通过能通电线圈（15）驱动的电枢（14）打开，其特征在于，所述线圈（15）被连续地供应各种电气信号，所述各种电气信号的强度从信号到信号降低，其特征在于，对于每一个信号，借助于测量流动通过所述线圈的电流，确定直到在打开位置中所述封闭元件（13）的所述冲击的时间段，并且其特征在于，通过使用显著延长的所述时间段，确定由于其不足的强度而导致所述阀的延迟打开操作的第一信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在相对于直到所述封闭元件（13）的所述冲击所达到的所述时间段，被确定为足够的最弱信号被再现以用于进一步致动操作。

11.一种蓄压器喷射系统，其具在高压下递送喷射液体至高压蓄压器（1）中的高压泵（6），并且其具有减压阀（10），所述减压阀被连接至所述高压蓄压器（1），并且借助于能通电电磁体（14、15），所述减压阀能够克服复位弹簧元件（16）的力打开和/或关闭，其具有连续地实现带有不同强度的不同电气信号的发生的信号发生装置，并且其具有用于感测流动通过所述电磁体的线圈（15）的电流的电流强度分布（20、21、22）的电流传感器。

12.根据权利要求11所述的蓄压器喷射系统，其特征在于评估装置，所述评估装置在确定流动通过所述电磁体（14、15）的所述线圈（15）的所述电流的电流强度最小值（20a、21a、22a）在时间顺序上的位置的基础上，针对彼此不同强度的电气信号，比较所述阀的所述关闭时间和/或打开时间。