CN107709741B - 用于致动内燃机的燃料喷射系统的喷射阀的压电致动器的方法和装置 - Google Patents

用于致动内燃机的燃料喷射系统的喷射阀的压电致动器的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于致动内燃机的燃料喷射系统的喷射阀的方法和装置，所述喷射阀具有压电致动器和喷嘴针。用于改变压电致动器的实际行程高度的控制信号由控制单元在连续的喷射循环中依赖于压电致动器的目标行程高度来输出。本发明的特征在于，所述控制单元依赖于压电致动器的温度来改变压电致动器的目标行程高度，以便补偿压电致动器的电容的温度依赖性。

Description

用于致动内燃机的燃料喷射系统的喷射阀的压电致动器的方 法和装置
技术领域
本发明涉及用于致动内燃机的燃料喷射系统的喷射阀的压电致动器的方法和装置。
背景技术
已知的是，燃料喷射系统的喷射阀被致动成得它们在预定的时间点尽可能准确地再次打开和关闭，以便尽可能精确地将预定量的加压燃料喷射到内燃机的气缸中。以这种方式，并且可能还借助于除喷射循环内的主要喷射之外的附加的预喷射和/或后喷射，可以提高内燃机的效率，并且可以同时减少排气和噪声排放。
通常也称为喷射器的喷射阀具有关闭元件，该关闭元件能够借助用于打开和关闭喷射器的驱动装置来移动。在不进行喷射的喷射器的关闭状态下，所述关闭元件位于关闭位置，在该关闭位置，它关闭喷射器的所有喷射开口。借助于驱动装置，所述关闭元件可以从其关闭位置出发被升起，以便由此打开喷射开口中的至少一些并启动喷射。
关闭元件通常具有或者通常被设计为喷嘴针。在其关闭位置，所述喷嘴针被安置在喷射器的针座上。为了移动所述关闭元件，喷射器的驱动装置包括致动器，该致动器被设计成以依赖于控制信号的方式将关闭元件从关闭位置向外升起到一定行程高度，将所述关闭元件保持在所述行程高度处，和/或使所述关闭元件移回到关闭位置。例如，所述致动器可以通过压电元件来提供，该压电元件由于充电或放电过程而膨胀或收缩，并且由此，启动关闭元件的行程或关闭运动。这种也称为压电致动器的致动器特别适于关闭元件的精确和无延迟的运动。特别是对于所谓的直接驱动的压电喷射器来说，情况就是如此，在该直接驱动的压电喷射器的情况下，力可以在压电致动器与关闭元件之间直接和无延迟地传递。
DE 10 2011 075 732 A1已公开了一种用于喷射阀和喷射系统的调节方法。在所述已知的方法中，在重复的喷射循环中并且以依赖于喷射阀的关闭元件的设定点行程高度的方式，在每种情况下产生用于致动喷射阀的驱动装置的至少一个控制信号，其中，该驱动装置借助于该控制信号来致动，用于将关闭元件提升到该设定点行程高度，并且该关闭元件借助于该驱动装置来提升到某一实际行程高度，其中，检测与该实际行程高度相关的至少一个测量变量，并且以取决于所述至少一个测量变量的方式来确定该实际行程高度，其中，在至少一个后续的喷射循环中，以取决于实际行程高度与设定点行程高度的偏差的方式来产生控制信号。
发明内容
本发明是基于如下目的，即：指定一种用于致动内燃机的燃料喷射系统的喷射阀的压电致动器的方法，该方法更适合于在实际操作中出现的状况。
所述目的借助于根据本发明的方法来实现。
在本发明中，对燃料喷射系统的喷射阀的压电致动器的致动以依赖于喷射器温度的方式来进行，该喷射器温度一般可由发动机温度来推断。在利用热喷射器操作的情况下，压电致动器被致动成使得实现最大的针行程，以便实现阀针的完全去节流，并由此实现最大的燃料通流。在利用冷喷射器操作的情况下，压电致动器被致动成使得针行程不是最大，使得未实现阀针的完全去节流，并且燃料通流减少。所述减少的燃料通流借助于压电致动器的致动持续时间的增加来补偿。
这种方法的优点特别在于，燃料喷射系统的致动硬件仅需要被设计成使得在热操作期间，它可以确保用于完全去节流的最大的针行程，并因此确保最大的燃料通流。在冷操作期间，对燃料喷射系统的致动硬件的需求降低。因此，这种方法使得可以降低对燃料喷射系统的致动硬件的电力需求。这允许使用燃料喷射系统的较低成本的致动硬件，其中，该致动硬件是包括相关的输出级的燃料喷射系统的电子控制单元。
附图说明
本发明的其他有利特性将从下面基于附图的对这些特性的论述中显现出来，附图中：
图1示出了燃料喷射系统的喷射阀的略图，
图2示出了表明压电致动器的电容相对于温度的关系曲线的示图，
图3示出了表明压电致动器的致动电压相对于其温度的关系曲线的示图，以及
图4示出了图示阀针的关闭阶段的示图。
具体实施方式
图1示出了燃料喷射系统的喷射阀的略图。所示的喷射阀1具有喷射器主体2，在所示的示例性实施例中，该喷射器主体2具有多部件的形式。喷射器主体2在其上部中具有致动器凹部2a，压电致动器3被布置在该致动器凹部2a中。此外，喷射器主体2还具有传动销凹部2b，传动销4被引导通过该传动销凹部2b。传动销4用于将压电致动器3耦接到布置在喷射器主体2的控制活塞凹部6中的控制活塞5，其中，该控制活塞凹部6的第一部分6a被布置在控制活塞5上方，并且该控制活塞凹部6的第二部分6b被布置在控制活塞5下方。在控制活塞凹部6的布置在控制活塞下方的第二部分6b中，布置有控制活塞弹簧7，该控制活塞弹簧7被支撑在喷射器主体2的向下界定控制活塞凹部6的表面上。控制活塞弹簧7的上端被支撑在控制活塞5的底侧上。
控制活塞凹部6的设置在控制活塞5下方的第二部分6b经由连接孔8被连接到高压燃料管线9，高度加压的燃料通过该高压燃料管线9被供给到喷射阀1并且通过喷射器主体被引导到喷射器主体2的喷嘴腔室10中。在所述喷嘴腔室10中定位有喷嘴针11，该喷嘴针11在喷嘴腔室10中可沿其轴向方向移动。在压电致动器3的非致动状态下，设置在喷射器主体2中的喷射开口12借助于喷嘴针11来关闭。在压电致动器3的致动状态下，设置在喷射器主体2中的喷射开口12中的一个或多个打开。
喷嘴针11具有从该喷嘴针11沿径向方向突出的腹板13。在所述腹板13和喷嘴腔室10的上部终端壁之间布置有喷嘴弹簧14，在压电致动器3的非致动状态下，喷嘴针借助于该喷嘴弹簧14的力被向下推，以便可靠地关闭喷射开口12。
喷嘴针11的上端区域通过比喷嘴腔室10要窄的喷射器主体2中的另一凹部15来引导。
当压电致动器3被致动时，喷嘴针11的上端区域在所述另一凹部15内向上移动，其中，由于所述移动，喷嘴针的下端区域从其密封座升起，并且打开喷射开口12。
喷嘴腔室10和所述另一凹部15的尺寸被选择成使得即使在所有喷射开口12的完全打开状态下，喷嘴针的上部终端表面也不邻接喷射器主体2的止动件，也就是说，喷嘴针12在喷射开口打开期间向上移动而不撞击止动件。
所述另一凹部15在其上端区域中经由另一连接孔16耦接到控制活塞凹部6的设置在控制活塞5上方的第一部分6a。由于所述耦接，所述另一凹部15和控制活塞凹部6的第一部分6a形成均衡腔室，通过该均衡腔室可以进行液压均衡。
在图1中还图示了控制单元17，该控制单元17对供给到其的传感器信号se进行评估，并使用存储的操作程序以及存储的特征图、表格和/或特征曲线，来输出用于喷射阀1的可致动部件的控制信号s。
测试已表明，压电致动器的电容依赖于其温度。压电致动器在存在低温的情况下比在存在高温的情况下具有更低的电容。因此，为了实现阀针的相同行程，有必要使施加于压电致动器的电压在存在低温的情况下比在存在相对高的温度的情况下要高。
这将在下面基于图2和图3来论述。
图2示出了一示图，该示图针对两种不同类型的压电致动器以与温度相关的方式图示了压电致动器的电容的曲线。这里，在每种情况下，所述电容是在阀针的80µm的行程的情况下起作用的电容。
此处，曲线V1以与温度相关的方式表示第一类型的压电致动器的第一示例的电容的曲线，曲线V2表示第一类型的压电致动器的第二示例的电容的曲线，曲线V3以与温度相关的方式表示第二类型的压电致动器的第一示例的电容的曲线，并且曲线V4表示第二类型的压电致动器的第二示例的电容的曲线。
由于不同的电容，不同的致动电压起作用。在这里，对于相等的轨压（railpressure）和低温，相对最高的电压是必要的。
图3示出了一示图，该示图针对两种不同类型的压电致动器以与温度相关的方式图示了电压的曲线。在每种情况下，所述电压为实现阀针的80µm的行程所需的电压。此处，曲线U1以与温度相关的方式表示第一类型的压电致动器的第一示例的电压的曲线，曲线U2表示第一类型的压电致动器的第二示例的电压的曲线，曲线U3表示第二类型的压电致动器的第一示例的电压的曲线，并且曲线U4表示第二类型的压电致动器的第二示例的电压的曲线。
用于致动相应的压电致动器的上述电压必须通过相应合适的致动硬件来提供。这与相对高的硬件成本相关，该相对较高的硬件成本仅在存在低温的情况下才是必要的。
在用于压电喷射器的直接驱动的一些先前使用的概念的情况下，在存在低温的情况下不可能设置2000巴的最大轨压，这是因为否则压电致动器的致动电压将超过210V的最大可允许极限值。结果，需要以依赖于温度的方式来限制轨中的燃料的最大压力，直到喷射器达到其期望的操作温度，该操作温度与该喷射器的致动器电容的增加相关。
先前使用的概念中的一种替代解决方案在于将压电喷射器的致动硬件配置成使得它适于提供所需的高电压。然而，由于仅在存在低温的情况下才需要所述高电压，因此在这种情况下致动硬件是超尺寸的，从而导致相对高的硬件成本。
相比之下，在本发明的情况下，不再试图独立于当前的温度实现始终相同的针行程。相反，在本发明的情况下，压电致动器的设定点行程高度以依赖于当前温度的方式来改变。在此特别设置的是，使阀针的去节流（dethrottling）的程度在存在低温的情况下减小，以便降低对喷射系统的致动硬件的电力需求。为了实现该目的，压电致动器以相对低的电压来致动，这导致所期望的相对小的针行程。这种减小的针行程导致较小的最大通流。该较小的最大通流借助于致动持续时间的相应增加来补偿。在存在相对低的温度的情况下，相对于现有技术改变的这种方法对燃烧过程以及对燃料喷射系统作为一个整体仅具有非常小的影响。
相比之下，在存在高温的情况下，特别是在存在喷射系统的正常操作温度的情况下，所设置的是，使最大的针行程得以实现，以便尽可能地实现阀针的完全去节流。
图4示出了图示阀针的关闭阶段的示图。所述示图图示了针行程的曲线k1、控制活塞的行程的曲线k2、压电力（piezo force）的曲线k3、电容的曲线k4、电流的曲线k5、电压的曲线k6以及压电致动器的行程的曲线k7。特别是，从图4中可以看到，针行程与能量相关，并且针行程也与关闭时间相关。由此确保较小的针行程也需要较少的能量。由于关闭时间可以被检测，因此可以基于检测到的关闭时间来监测针行程，并且如果需要可以校正针行程。
在本发明的情况下，结果就是由于设定点针行程以依赖于当前温度的方式改变，对燃料喷射系统的致动硬件的要求降低，其中特别是，在存在低温的情况下减小设定点针行程，以便降低压电致动器的最大致动电压。

Claims (5)

1.一种用于致动内燃机的燃料喷射系统的喷射阀的方法，所述喷射阀具有压电致动器和喷嘴针，在所述方法中，控制单元在连续的喷射循环中以依赖于所述压电致动器的设定点行程高度的方式输出用于改变所述压电致动器的实际行程高度的控制信号，其特征在于，所述控制单元以依赖于所述压电致动器的温度的方式来改变所述压电致动器的所述设定点行程高度，用于补偿所述压电致动器的电容的温度依赖性，与在存在相对高的温度的情况下相比，所述控制单元在存在相对低的温度的情况下预定所述压电致动器的较小的设定点行程高度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在存在所述内燃机的正常操作温度的情况下，所述控制单元将所述压电致动器的设定点行程高度预定成使得实现所述喷嘴针的完全去节流。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在存在低于所述内燃机的所述正常操作温度的温度的情况下，所述控制单元将所述压电致动器的设定点行程高度预定成使得实现所述喷嘴针的部分去节流。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，与在存在相对高的温度的情况下相比，所述控制单元在存在相对低的温度的情况下预定所述压电致动器的较长的致动持续时间。
5.一种用于致动内燃机的燃料喷射系统的具有压电致动器和喷嘴针的喷射阀的装置，具有控制单元，所述控制单元在连续的喷射循环中以依赖于所述压电致动器的设定点行程高度的方式输出用于改变所述压电致动器的实际行程高度的控制信号，其特征在于，所述控制单元被设计成以依赖于温度的方式来改变所述压电致动器的所述设定点行程高度，用于补偿所述压电致动器的温度依赖性，与在存在相对高的温度的情况下相比，所述控制单元在存在相对低的温度的情况下预定所述压电致动器的较小的设定点行程高度。
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