CN107923334A - 用于检测在喷射器阀组件和压电堆叠之间的间隙的间隙大小的检测方法、以及用于致动压电堆叠中的致动器单元的致动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于检测在内燃机的喷射器阀组件(12)和压电堆叠(14)之间的间隙(32)的间隙大小(34)的检测方法，所述压电堆叠(14)被设计为用于致动喷射器阀组件(12)，其中，在喷射器阀组件(12)和压电堆叠(14)之间出现摩擦接合所必需的时期(△t)被确定，且然后从该时期(△t)确定间隙(32)的间隙大小(34)。此外，本发明涉及用于致动在压电堆叠(14)中的致动器单元(22)的致动方法，其中检测方法被执行。
Description
本发明涉及用于检测在喷射器阀组件和压电堆叠之间的间隙的间隙大小的检测方法，所述压电堆叠被提供以激活喷射器阀组件。进一步，本发明涉及用于致动压电堆叠中的致动器单元的致动方法，所述压电堆叠用于激活喷射器阀组件。
在用于激活内燃机中的喷射器阀组件的压电堆叠中的致动器单元通常包括一种部件，其被构造为堆叠且其具有对电场的施加做出反应的多个电极层以及多个材料层。在该情形中，每个材料层均布置在两个电极层之间。如果电场被经由电极层施加到致动器单元，则材料层通过膨胀作出反应，使得致动器单元总体沿着致动器单元纵向轴线延伸。该偏移（Auslenkung）能够然后被传递至另外的部件，例如传递至内燃机的喷射器阀组件，以便将喷射器针从针座提升离开，且因此将燃料喷射到内燃机的燃烧室中。
在喷射器阀组件中的喷射器针的打开和关闭通过致动器单元的纵向膨胀至喷射器阀组件的直接或间接传递产生，所述纵向膨胀借助于在具有致动器单元的压电堆叠和喷射器阀组件之间的任一位置处产生的压入配合传递。
DE 10 2013 206 933 A1公开了以模块方式构造压电堆叠的实践，使得压电堆叠不仅具有所述致动器单元，而且也具有利用压入配合联接到致动器单元的传感器单元。在该情形中，传感器单元具有至少一个陶瓷材料层，其在每种情形中具有两个电极层。因此，能够检测到由于喷射器针的打开和关闭引起的传递至压电堆叠的力改变，使得能够检测到喷射器针的打开和关闭时间。
在该安装状态中，压电堆叠和喷射器阀组件在它们之间具有间隙，例如由于两个元件上的耗损或磨损或者致动器单元的去极化，所述间隙随着两个元件的寿命改变。
随着对排放物和消耗的要求增加，对燃料到燃烧室中的喷射的要求提高，其中更高的压力、更高的温度以及多次喷射要求更高的精度来计量喷射的燃料。为了实现所需要的精度，以致动模式驱动喷射器是不够的，相反，闭环控制是不可缺少的。除了其他事物之外，在该闭环控制中同样重要的是能够补偿在喷射器阀组件和压电堆叠之间的间隙，这需要知道间隙大小，尤其是也知道随着寿命改变的间隙大小。
本发明的目的因此是提出用于检测该间隙大小的检测方法。
利用具有权利要求1的特征的检测方法来实现该目的。
另外的目的是提出用于致动致动器单元的致动方法，其能够用于补偿间隙大小。
用于致动压电堆叠中的致动器单元的致动方法是并列权利要求的主题。
本发明的有利改进是从属权利要求的主题。
一种用于检测在内燃机的喷射器阀组件和用于激活喷射器阀组件的压电堆叠之间的间隙的间隙大小的检测方法具有如下步骤：
- 提供压电堆叠，其具有致动器单元和传感器单元，所述致动器单元和传感器单元利用压入配合联接到彼此，其中，所述传感器单元被构造成检测作用于所述致动器单元上的力梯度；
–提供在操作期间借助于所述致动器单元激活的喷射器阀组件，其中，所述喷射器阀组件和所述压电堆叠布置成彼此间隔开跨越具有未知间隙大小的间隙；
–检测所述传感器单元的电压信号；
–将限定的电压脉冲施加至所述致动器单元，使得所述致动器单元沿着致动器单元纵向轴线偏移，同时减少所述间隙；
–检测所述电压脉冲被施加到所述致动器单元的时期，所述时期从开始施加所述电压脉冲所处的第一时间开始，直到在所述传感器单元的所检测到的电压信号中出现电压梯度所处的第二时间；
–从检测到的时期和限定的电压脉冲来确定所述间隙的间隙大小。
检测方法涉及使用在压电堆叠和喷射器阀组件之间的压入配合在压电堆叠中导致力影响的洞见。力影响与生成电荷的力梯度一致，使得例如能够从外部分接电压。压入配合且因此力梯度在压电堆叠和喷射器阀组件之间的间隙被克服所处的时刻处出现。因为已知施加到致动器单元用于膨胀的电压，所以能够在直到传感器单元检测到与喷射器阀组件的压入配合为止的测量时期内推断出间隙的间隙大小。
为此目的，有利地存储预先确定的族的特性曲线，其基于施加电压脉冲的时期针对预定的电压脉冲设置间隙的间隙大小。
为了能够稍后补偿间隙的间隙大小，例如借助于闭环控制，有必要从系统确定限定的测量变量，以便从其计算可适用的控制变量。在当前情形中，包括致动器单元和传感器单元的压电堆叠的模块化设计有利地用于确定间隙大小。因此不需要提供另外的传感器，借助于其意图确定间隙大小，因为已经使用现有的传感器单元。在该情形中，传感器单元检测在第二时间时的力上升，在所述第二时间时，压电堆叠实现与喷射器阀组件的压入配合。
优选地，对于所述喷射器阀组件的每个激活周期，检测在所述压电堆叠和所述喷射器阀组件之间的间隙的间隙大小。因此能够采集关于老化对元件的影响的更多数据，例如，致动器单元的去极化或元件上的耗损或磨损的影响，其通过随寿命改变的间隙大小反映出来。
在有利的改进中，在第二时间时，在所述传感器单元的电压信号中检测到正的电压梯度。如果传感器单元的表示电压梯度的信号相应地是正的，则能够立即识别存在第二时间。
优选地，在第三时间时，在所述传感器单元的电压信号中检测到第二电压梯度，在所述第三时间时，所述喷射器阀组件的喷射器针被从针座提升离开。因此，能够有利地检测到喷射器打开以喷射燃料所处的精确时间。
尤其，在该情形中，在传感器单元的电压信号中检测到负的电压梯度。算术符号能够相应地用于检测在压电堆叠中的力梯度是通过已经在压电堆叠和喷射器阀组件之间产生的压入配合引起，还是通过已经被从针座提升离开的喷射器针引起。
尤其在其中纵向膨胀从致动器单元直接传递至喷射器阀组件的喷射器单元的情形中，在第四时间时在传感器单元的电压信号中检测到第三电压梯度，在第四时间时，喷射器针变得与针座压入配合接触，第四时间和第二时间包围第三时间。在该情形中在第四时间时有利地检测到负的电压梯度。喷射器的关闭且因此燃料喷射的终止也在压电堆叠中引起力梯度，其能够借助于使用电压梯度的传感器单元被检测。因此，传感器单元现在能够用于精确地检测何时存在与喷射器阀组件的压入配合、喷射器针何时打开以及喷射器针何时再次关闭。因此能够精确地计量喷射至相应的燃烧室的燃料。从所测量的数据，还能够提供闭环控制，其能够补偿老化的影响，使得燃料到相应的燃烧室中的精确喷射能够继续。
一种用于致动在用于激活内燃机中的喷射器阀组件的压电堆叠中的致动器单元的致动方法涉及致动器单元，其具有施加到其的预定打开电压脉冲以将喷射器阀组件的喷射器针从针座提升离开。通过执行如下步骤进行打开电压脉冲至致动器单元的施加：
–执行上文中描述的检测方法，以便检测在压电堆叠和喷射器阀组件之间的间隙的间隙大小；
–施加初始电压脉冲至致动器单元，以关闭在压电堆叠和喷射器阀组件之间的间隙。
因为现在已知间隙大小，所以能够通过借助于施加到致动器单元的初始电压脉冲重新调整致动器单元来补偿间隙，使得致动器单元偏移并克服间隙。
为此目的，有利的是，存储另外的族的特性曲线，从其能够读取用于关闭间隙所必需的初始电压脉冲的大小。
因此能够使用所述初始电压脉冲在检测方法中基于高度准确的测量来操作致动器单元，使得在喷射应当开始的相应时间达到在压电堆叠和喷射器阀组件之间的可重现的无间隙状态。喷射致动可以因此完全独立于压电堆叠的绝对长度、耗损的影响等。因此，能够消除尤其是在针座上的负/消极干扰变量，诸如压电堆叠的绝对长度的改变和耗损的影响，且获得来自喷射器针的可重现的打开和关闭响应。
同时，所要求的初始电压脉冲意味着还能够检测间隙何时不再能通过施加初始电压脉冲被补偿，这意味着需要维修。在该情形中，信号能够向外部输出为耗损指示。
优选地，从使用所述检测方法确定的间隙大小来确定初始电压脉冲，其中，对于所述喷射器阀组件的每一个激活周期，尤其重新确定初始电压脉冲。因此还能够在布置的寿命内持续地补偿随寿命改变的间隙大小。
优选地，在所述喷射器阀组件的第一激活周期中执行所述检测方法，其中，对于在第一激活周期之后的时间处出现的所述喷射器阀组件的第二激活周期，执行所述初始电压脉冲至所述致动器单元的施加。检测方法因此有利地首先用于检测间隙大小当前多大，以便能够确定所要求的初始电压脉冲。直到下次激活周期为止，仍使用该初始电压脉冲来补偿间隙。
在该情形中，有利的是，初始电压脉冲被如此早地提供至致动器单元，使得用于打开喷射器针的电压脉冲能够如预期那样输出至致动器单元而没有时间延迟。以举例的方式，还能早至紧接着执行检测方法提供初始电压脉冲，即使实际的随后喷射不应发生直到更靠后的时间。
有利的是，第一激活周期和第二激活周期时间上直接接着彼此。
总而言之，整个喷射器包括致动器、具有阀座且具有阀活塞的阀组件、和具有喷嘴座和针的喷嘴。
用于将燃料喷射到内燃机的燃烧室中的喷射器单元具有喷射器阀组件，其具有喷射器针，其中，喷射器针和针座形成喷射器阀。进一步，喷射器单元具有压电堆叠，其具有以压入配合方式联接到彼此的致动器单元和传感器单元。在该情形中，传感器单元被构造成检测作用于致动器单元的力梯度，且致动器单元被构造成激活喷射器阀组件。压电堆叠和喷射器阀组件具有在它们之间形成的具有未知间隙大小的间隙。进一步，设置控制单元，其被构造成检测传感器单元的电压信号和施加电压脉冲至致动器单元。在该情形中，控制单元被构造成执行上文中描述的检测方法和执行上文中描述的致动方法。
为此目的，控制单元具有例如两个引用的族的特性曲线和装置，以便检测传感器单元的电压信号的电压梯度。进一步，控制单元有利地具有能够用于确定间隙的间隙大小和根据各种参数确定用以关闭间隙的初始电压脉冲的所需大小的元件。额外地，控制单元有利地具有输出设备，以便输出电压脉冲至致动器单元，使得致动器单元能够沿着致动器单元纵向轴线改变其长度。
将在下文中基于附图更详细地解释本发明的有利改进，在附图中：
图1示出具有压电堆叠和喷射器阀组件的喷射器单元的第一实施例的示意描绘，其中，喷射器单元根据直接操作的功能原理工作；
图2示出具有压电堆叠和喷射器阀组件的喷射器单元的第二实施例的示意描绘，其中，喷射器单元根据伺服系统操作的功能原理工作；
图3更详细地示出通过来自图1和图2的压电堆叠的示意纵向截面描绘；
图4示出流程图，其描绘了用于检测在图1和图2中在压电堆叠和喷射器阀组件之间的间隙的间隙大小的检测方法；
图5示出流程图，其描绘了用于在来自图1-图3的压电堆叠中的致动器单元以克服了如在图4中所示的检测到的间隙的致动方法，以及
图6示出被构造成执行在图4中示出的检测方法和在图5中示出的致动方法的控制单元的示意描绘。
图1和图2各自示出喷射器单元10的示意描绘，喷射器单元10用于将燃料喷射到内燃机的燃烧室中。喷射器单元10具有喷射器阀组件12和压电堆叠14，其能够用于激活喷射器阀组件12。喷射器阀组件12具有布置在其中的喷射器针16，其与针座18相互作用，使得形成喷射器阀20。当喷射器针16从针座18提升离开时，喷射器阀20被打开，且燃料能够被喷射到连接到喷射器单元10的相应燃烧室中。然而，当喷射器针16再次变得与针座18成压入配合接触时，喷射器阀20被关闭且燃料的喷射终止。
如稍后参考图3更详细地解释的，压电堆叠14具有致动器单元22和传感器单元24。这些在压电堆叠14中沿着致动器单元纵向轴线26布置在彼此上方，传感器单元24能够被布置在致动器单元22上方（参考图3）要不然布置在致动器单元22下方。
压电堆叠14被连接到控制单元28，其首先能够检测来自传感器单元24的电压信号，但是第二同样能够输出电压脉冲至致动器单元22，使得后者沿着致动器单元纵向轴线26膨胀。
此类沿着致动器单元纵向轴线26的膨胀导致压电堆叠14朝喷射器阀组件12运动，例如经由安装在其上的销钉30。在该过程中，间隙32（其在喷射器阀组件12或压电堆叠14的安装状态中总是存在）被克服并且还在各个元件的寿命之内改变其间隙大小34。一旦间隙32被克服，且当致动器单元22进一步沿着致动器单元纵向轴线26偏移时，喷射器针16借助于操作单元36通过来自压电堆叠14的作用于操作单元36的力被从针座18提升。当施加至致动器单元22的电压终止时，致动器单元22再次沿着致动器单元纵向轴线26收缩，使得在喷射器阀组件12和压电堆叠14之间的接触终止，且喷射器针16能够再次返回至针座18。
图1在该情形中示出直接操作的功能系统，在其中，当从压电堆叠14施加力时，操作单元36借助于杠杆38从针座18提升喷射器针16。
图2示出替代改进，在其中，喷射器单元10借助于伺服系统操作工作，其中，操作单元36具有流体填充的控制室40，其借助于在控制室40中存在的流体压力在喷射器针16上施加关闭力，且以这种方式将喷射器针保持在针座18中。当压电堆叠14经由销钉30与操作单元36的阀元件42接触时，在控制室40中的流体压力被降低，使得能够从针座18提升喷射器针16。
图3更详细地示出通过来自图1和图2的压电堆叠14的示意纵向截面描绘。
压电堆叠14具有致动器单元22和传感器单元24，二者在图3中示出的示例性实施例中沿着致动器单元纵向轴线26布置在彼此上方，尤其使得传感器单元24布置在致动器单元22的远离喷射器阀组件12的那侧上。然而，致动器单元22和传感器单元24的相反布置也是可能的。
致动器单元22包括多个电极层和多个材料层，其对施加的电场做出反应且其沿着致动器单元纵向轴线26以在彼此上方交替地堆叠的方式布置。出于清楚的原因，在图3中未描绘电极层和材料层。经由外部电极44实现与电极层的电气接触，外部电极44经由电导体46电气地连接到电极层。然而，还能以不同的方式实现与外部电极44的接触。外部电极44被连接到控制单元28，其能够使用外部电极44以将电压脉冲输送至致动器单元22，使得致动器单元22沿着致动器单元纵向轴线26膨胀。致动器单元22利用压入配合连接到传感器单元24。传感器单元24也有利地具有传感器本体48，其由与也形成例如致动器单元22的材料层的材料相同的材料形成。传感器本体48具有布置在其上，具体地尤其是在沿着致动器单元纵向轴线26布置的两个相对的侧向区域52上的电极层50。电极层50被连接到电压测量设备54，其将传感器单元24的电压信号转发至控制单元28。
由于控制单元28能够检测经由电压测量设备54传送的传感器单元24的电压信号，所以能够通过控制单元28检测在压电堆叠14内出现的所有力梯度。
这允许控制单元28也用于执行检测方法，所述检测方法能够用于可靠地检测在喷射器阀组件12和压电堆叠14之间的间隙32的间隙大小34。
为此目的在图4中描绘用于检测该间隙大小34的流程图。
首先，该描绘涉及检测第一时间t1，在该第一时间t1时，使来自控制单元24的电压脉冲施加到致动器单元22。这之后是在从传感器单元24至控制单元28报告的电压信号中检测在第二时间t2何时出现电压梯度dU。根据两个时间t1、t2，然后能够检测在出现电压梯度dU之前已经流逝的时期△t。使用第一族的特性曲线K1（其基于时期△t设置间隙大小34），然后能够确定在当前时间存在的间隙大小34。同时，通过控制单元28进一步检测传感器单元24的电压信号，使得能够确定第三时间t3，在所述第三时间t3时，出现另外的电压梯度dU，即，当喷射器针16从针座18提升离开时。为了能够区分第二时间t2与第三时间t3，使用电压梯度的算术符号，其在时间t2时是正的且在时间t3时是负的。随着时间推进，尤其是在直接驱动的喷射器单元的情形中，还能够在第四时间t4时检测到具有正的算术符号的另外的电压梯度dU，这可归于喷射器针16的关闭。
图5描绘了流程图，其示意性地示出能够用于经由控制单元28致动致动器单元22的致动方法。如参考图4描述的，该描绘首先涉及确定在喷射器阀组件12和压电堆叠14之间的间隙32的间隙大小34。从第二族的特性曲线K2（其基于确定的间隙大小34设置用于关闭间隙32所必需的初始电压脉冲的大小），然后确定为了关闭间隙32所必需的初始电压脉冲的大小。
在随后的步骤中，致动器单元22然后使该初始电压脉冲施加到其。随后，致动器单元22然后使打开脉冲施加到其，以便将喷射器针16从针座18提升离开。
控制单元28被构造成执行在图4中描绘的确定方法和在图5中描绘的致动方法二者。为此目的，控制单元28具有若干族特性曲线K1和K2，如在图6中示意性地描绘的。进一步，提供检测设备56，其用于在来自传感器单元24的电压信号中检测电压梯度dU。此外，控制单元28包括计时设备58和输出设备60，其包括打开脉冲输出设备62，其输出打开脉冲至致动器单元22以打开喷射器针16。打开脉冲输出设备62在其已经输出打开脉冲至致动器单元22时提供信号至计时设备58。当电压梯度dU已经借助于传感器单元24被确定时，检测设备56提供信号至计时设备58。基于此，计时设备58能够确定时期△t。
控制单元28还具有设置在其中的确定单元64，其能够确定间隙大小34。为此目的，所述确定单元被供应检测到的时期△t以及特性曲线的族K1和来自计时设备58的打开脉冲的大小。从这些数据，因为特性曲线的族K1基于时期△t和打开脉冲的大小设置间隙大小34，所以能够确定间隙大小34。
进一步，控制单元28具有设置在其中的确定单元66，以便具体地基于确定的间隙大小34和第二族的特性曲线K2来确定初始电压脉冲的大小，所述第二族的特性曲线K2基于确定的间隙大小34设置用于关闭间隙32所必需的初始电压脉冲。输出设备60不仅包括打开脉冲输出设备62，而且也包括初始电压脉冲输出设备68，所确定的初始电压脉冲从确定单元66供应至初始电压脉冲输出设备68。初始电压脉冲输出设备68然后将对应于所确定的初始电压脉冲的信号输出至致动器单元22，以便致动器单元22能够沿着致动器单元纵向轴线26膨胀，使得间隙32消失。
Claims (10)
1.一种用于检测在内燃机的喷射器阀组件(12)和用于激活所述喷射器阀组件(12)的压电堆叠(14)之间的间隙的间隙大小的检测方法，所述检测方法具有如下步骤：
- 提供具有利用压入配合联接到彼此的致动器单元(22)和传感器单元(24)的压电堆叠(14)，其中，所述传感器单元(24)被构造成检测作用于所述致动器单元(22)上的力梯度；
–提供在操作期间借助于所述致动器单元(22)激活的喷射器阀组件(12)，其中，所述喷射器阀组件(12)和所述压电堆叠(14)布置成彼此间隔开跨越具有未知间隙大小(34)的间隙(32)；
–检测所述传感器单元(24)的电压信号；
–将限定的电压脉冲施加至所述致动器单元(22)，使得所述致动器单元(22)沿着致动器单元纵向轴线(26)偏移，同时减小所述间隙(32)；
–检测所述电压脉冲被施加到所述致动器单元的时期(△t)，所述时期(△t)从开始施加所述电压脉冲所处的第一时间(t1）开始，直到在所述传感器单元(24)的检测到的电压信号中出现电压梯度(dU)所处的第二时间(t2）；
–从检测到的所述时期(△t)和所述限定的电压脉冲确定所述间隙(32)的所述间隙大小(34)。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，对于所述喷射器阀组件(12)的每个激活周期，检测在所述压电堆叠(14)和所述喷射器阀组件(12)之间的所述间隙(32)的所述间隙大小(34)。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的检测方法，其特征在于，在所述第二时间(t2)时，在所述传感器单元(24)的电压信号中检测到正的电压梯度(dU)。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的检测方法，其特征在于，在第三时间(t3)时，在所述传感器单元(24)的电压信号中检测到第二电压梯度(dU)，在所述第三时间(t3)时，所述喷射器阀组件(12)的喷射器针(16)从针座(18)提升离开，其中，特别地在所述传感器单元(24)的所述电压信号中检测到负的电压梯度(dU)。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，在第四时间(t4)时，在所述传感器单元(24)的所述电压信号中检测到第三电压梯度(dU)，在所述第四时间(t4)时，所述喷射器针(16)变得与所述针座(18)压入配合接触，所述第四时间(t4）和所述第二时间(t2)包围所述第三时间(t3），其中，特别地在所述第四时间(t4)时在所述传感器单元(24)的所述电压信号中检测到正的电压梯度(dU)。
6.一种用于致动在用于激活内燃机中的喷射器阀组件(12)的压电堆叠(14)中的致动器单元(22)的致动方法，其中，所述致动器单元(22)具有预定的打开电压脉冲，该预定的打开电压脉冲被施加到所述致动器单元(22)以将所述喷射器阀组件(12)的喷射器针(16)从针座(18)提升离开，其中，通过执行如下步骤进行所述打开电压脉冲至所述致动器单元(22)的施加：
–执行根据权利要求1至5中的一项所述的检测方法，以检测在所述压电堆叠(14)和所述喷射器阀组件(12)之间的间隙(32)的间隙大小(34)；
–施加初始电压脉冲至所述致动器单元(22)，以关闭在所述致动器单元(22)和所述喷射器阀组件(12)之间的所述间隙(32)。
7.根据权利要求6所述的致动方法，其特征在于，从使用所述检测方法确定的所述间隙大小(34)来确定所述初始电压脉冲，其中，对于所述喷射器阀组件(12)的每一个激活周期，特别地重新确定所述初始电压脉冲。
8.根据权利要求6和7中的任一项所述的致动方法，其特征在于，在所述喷射器阀组件(12)的第一激活周期中执行所述检测方法，以及，对于在所述第一激活周期之后的时间处出现的所述喷射器阀组件(12)的第二激活周期，执行所述初始电压脉冲至所述致动器单元(22)的施加。
9.根据权利要求8所述的致动方法，其特征在于，所述第一激活周期和所述第二激活周期时间上直接接着彼此。
10.一种用于将燃料喷射到内燃机的燃烧室中的喷射器单元(10)，其具有：
–具有喷射器针(16)的喷射器阀组件(12)，其中，所述喷射器针(16)和针座(18)形成喷射器阀(20)；
-压电堆叠(14)，其具有利用压入配合联接到彼此的致动器单元(22)和传感器单元(24)，其中，所述传感器单元(24)被构造成检测作用于所述致动器单元(22)上的力梯度，以及其中，所述致动器单元(22)被构造成激活所述喷射器阀组件(12)；
其中，所述压电堆叠(14)和所述喷射器阀组件(12)具有在它们之间形成的具有未知间隙大小(34)的间隙(32)；
–控制单元(28)，其被构造成检测所述传感器单元(24)的电压信号并且将电压脉冲施加至所述致动器单元(22)，
其中，所述控制单元(28)被构造成执行根据权利要求1至5中的一项所述的检测方法，和/或执行根据权利要求6至9中的一项所述的致动方法。
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