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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Einspritzventils insbesondere einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, wobei das Einspritzventil einen piezoelektrischen Aktor umfasst, der über ein Koppelelement mit einer Ventilnadel verbunden ist, wobei an den piezoelektrischen Aktor eine elektrische Spannung angelegt wird, die zu einer Längenausdehnung bzw. Verkürzung des piezoelektrischen Aktors führt, wobei bei geschlossenem Einspritzventil eine Haltespannung angelegt wird, sowie ein Steuergerät und ein Einspritzventil.
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Bei Einspritzventilen (Injektoren) mit piezoelektrischem Aktor als Steller wird heutzutage häufig das so genannte ziehende Verfahren eingesetzt. Dies bedeutet, dass der Aktor im Ruhezustand des Einspritzventils dauernd bestromt wird und erst für eine Einspritzung entladen wird. Ein mögliches Problem bei dieser Dauerbestromung sind Alterungseffekte, die zu einer Hubabnahme des Aktors führen. Zur Korrektur möglicher Längenänderungen des piezoelektrischen Aktors ist zudem bekannt, zwischen der Ventilnadel und dem piezoelektrischen Aktor ein meist hydraulisches Ausgleichsglied anzuordnen.
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Aus der
DE 195 00 706 C2 ist ein Einspritzventil für Kraftstoff-Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen bekannt. Dieses Einspritzventil beinhaltet einen Koppler.
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Probleme des Standes der Technik
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Die Dauerbestromung des piezoelektrischen Aktors bei ziehenden Verfahren führt zu einer Alterung des piezoelektrischen Aktors, beispielsweise zu einer dauernden Längenänderung. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, das Alterungserscheinungen des piezoelektrischen Aktors verringert.
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Vorteil der Erfindung
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Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Einspritzventils insbesondere einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, wobei das Einspritzventil einen piezoelektrischen Aktor umfasst, der über ein Koppelelement mit einer Ventilnadel verbunden ist, wobei an den piezoelektrischen Aktor eine elektrische Spannung angelegt wird, die zu einer Längenausdehnung bzw. Verkürzung des piezoelektrischen Aktors führt, wobei bei geschlossenem Einspritzventil eine Haltespannung angelegt wird, und wobei die Spannung zwischen zwei Einspritzungen auf eine Spannung kleiner als der Haltespannung verringert wird und der Gradient der Spannungsänderung so gering ist, dass die Längenänderung des piezoelektrischen Aktors durch das Koppelelement ausgeglichen wird. Der Gradient der Spannungsänderung ist dabei kleiner als der zum Absetzen einer Einspritzung benutzte Gradient.
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Die Haltespannung ist die positive oder negative Spannung, bei der das Einspritzventil nach einer abgesetzten Einspritzung wieder in den geschlossenen Zustand gebracht wird. Bei Anlegen dieser Spannung ist das Einspritzventil also sicher geschlossen. Das Koppelelement kann in einer ersten Näherung idealisiert z. B. als Parallelschaltung beispielsweise einer Feder und eines geschwindigkeitsabhängigen Dämpfers (viskose Dämpfung) aufgefasst werden. Bei einer langsamen Bewegung gleicht das Koppelelement die Bewegung aus, die Ventilnadel bleibt also geschlossen. Bei einer schnellen Bewegung erfolgt kein Ausgleich, so dass die Ventilnadel geöffnet werden kann. Vorzugsweise wird die Spannung zwischen zwei Einspritzungen auf etwa 0 Volt verringert. Dadurch ist der piezoelektrische Aktor stromlos, so dass Alterungseffekte im Wesentlichen vermieden werden können. Vorzugsweise wird die Spannung vor Absetzen der nächsten Einspritzung wieder auf die Haltespannung erhöht.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Koppelelement ein hydraulischer Koppler ist. Alternativ zu einem hydraulischen Koppler sind hier auch andere Lösungen, die als Parallelschaltung eines geschwindigkeitsabhängigen Dämpfers mit einer davon unabhängigen Kraftbeaufschlagung zur Verlängerung des Systems Ventilnadel-Koppelelement-piezoelektrischer Aktor dienen kann, möglich.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Spannung vor Absetzen der nächsten Einspritzung mit einem Gradienten auf die Haltespannung erhöht wird, der einen ausreichenden Fluidabfluss aus dem hydraulischen Koppler gewährleistet. Eine Erhöhung der Spannung auf die Haltespannung bewirkt eine Längenausdehnung bzw. Kraftbeaufschlagung des piezoelektrischen Aktors, die über das Koppelelement und der Ventilnadel auf das Gehäuse der Einspritzdüse übertragen wird. Im Prinzip wird also die Ventilnadel gegen das Gehäuse gedrückt und der hydraulische Koppler dabei verkürzt. Abhängig von der Ausfließgeschwindigkeit des Fluids aus dem hydraulischen Koppler treten dabei mehr oder minder große Kräfte auf.
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Das Eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Steuergerät zum Betrieb eines Einspritzventils insbesondere einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, wobei das Einspritzventil einen piezoelektrischen Aktor umfasst, der über ein Koppelelement mit einer Ventilnadel verbunden ist, wobei an den piezoelektrischen Aktor eine elektrische Spannung angelegt werden kann, die zu einer Längenausdehnung bzw. Verkürzung des piezoelektrischen Aktors führt, wobei bei geschlossenem Einspritzventil eine Haltespannung angelegt ist, wobei die Spannung zwischen zwei Einspritzungen auf eine Spannung kleiner als der Haltespannung verringert werden kann und der Gradient der Spannungsänderung so gering ist, dass die Längenänderung des piezoelektrischen Aktors durch das Koppelelement im Wesentlichen ausgeglichen wird.
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Des weiteren wird das Eingangs genannte Problem gelöst durch ein Einspritzventil insbesondere einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, wobei das Einspritzventil einen piezoelektrischen Aktor umfasst, der über ein Koppelelement mit einer Ventilnadel verbunden ist, wobei an den piezoelektrischen Aktor eine elektrische Spannung angelegt werden kann, die zu einer Längenausdehnung bzw. Verkürzung des piezoelektrischen Aktors führt, wobei bei geschlossenem Einspritzventil eine Haltespannung angelegt ist, wobei die Spannung zwischen zwei Einspritzungen auf eine Spannung kleiner als der Haltespannung verringert werden kann und der Gradient der Spannungsänderung so gering ist, dass die Längenänderung des piezoelektrischen Aktors durch das Koppelelement im Wesentlichen ausgeglichen wird. Unter einer richtungsabhängigen Sterblichkeit ist dabei gemeint, dass Koppelement mit einem recht hohen Gradienten verkürzt werden kann und sich bei Entlastung mit einem vergleichsweise geringen Gradienten langsam verlängert. Dadurch ist es möglich, kurz vor der nächsten Einspritzung mit einem relativ hohen Gradienten die an dem piezoelektrischen Aktor anliegende Spannung zu erhöhen.
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Vorzugsweise ist das Koppelelement ein hydraulischer Koppler. Dabei kann des weiteren vorgesehen sein, dass der hydraulische Koppler ein hydraulisches Ventil umfasst, über das ein Fluid richtungs- und/oder druckabhängig in eine Kammer ein- bzw. ausströmen kann. Die Kammer ist ein Volumen innerhalb des hydraulischen Kopplers, auf das der piezoelektrische Aktor sowie die Ventilnadel einen Druck bei Kraftbeaufschlagung beider gegeneinander ausüben können und Fluid dadurch aus der Kammer verdrängt werden kann. Des weiteren kann vorgesehen sein, dass der hydraulische Koppler eine Drossel umfasst, über das das Fluid richtungs- und/oder druckabhängig in die Kammer ein- bzw. aus der Kammer ausströmen kann. Das Fluid ist vorzugsweise der einzuspritzende Kraftstoff, beispielsweise Benzin oder Diesel. Unter richtungsabhängig wird hier zum einen die Bewegungsrichtung der Ventilnadel, zum anderen die Durchflussrichtung des Fluids verstanden. Unter druckabhängig wird sowohl der mechanische Druck, der durch das piezoelektrische Element auf die Ventilnadel bzw. das umgebende Gehäuse ausgeübt wird, als auch der Umgebungsdruck des Fluids der Einspritzdüse verstanden.
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Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs mit einem einen piezoelektrischen Aktor aufweisenden Einspritzventil;
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2 ein schematisches Diagramm der Hysteresekurve eines piezoelektrischen Aktors bei doppelter Umpolarisierung;
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3 ein Diagramm der Spannung/Längenänderung an dem piezoelektrischen Aktor über der Zeit;
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4 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens.
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In der 1 ist eine Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs dargestellt, die ein Steuergerät 10 und ein Einspritzventil 11 aufweist. Das Einspritzventil 11 ist mit einem piezoelektrischen Aktor 12 versehen, der von dem Steuergerät 10 angesteuert wird. Weiterhin weist das Einspritzventil 11 eine Ventilnadel 13 auf, die auf einem Ventilsitz 14 im Inneren des Gehäuses des Einspritzventils 11 aufsitzen kann.
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Ist die Ventilnadel 13 von dem Ventilsitz abgehoben, so ist das Einspritzventil 11 geöffnet und es wird Kraftstoff eingespritzt. Dieser Zustand ist in der 1 dargestellt. Sitzt die Ventilnadel 13 auf dem Ventilsitz 14 auf, so ist das Einspritzventil 11 geschlossen. Der Übergang von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand wird mit Hilfe des piezoelektrischen Aktors 12 bewirkt. Hierzu wird eine elektrische Spannung an den Aktor 12 angelegt, die eine Längenänderung eines Piezostapels hervorruft, die ihrerseits zum Öffnen bzw. Schließen des Einspritzventils 11 ausgenutzt wird. Das Einspritzventil 11 weist einen hydraulischen Koppler 15 auf. Zu diesem Zweck ist innerhalb des Einspritzventils 11 ein Kopplergehäuse 16 vorhanden, in dem zwei Kolben 17, 18 geführt sind. Der Kolben 17 ist mit dem Aktor 12 und der Kolben 18 ist mit der Ventilnadel 13 verbunden. Zwischen den beiden Kolben 17, 18 ist eine Kammer 19 angeordnet, die ein Kolben/Zylindersystem zur Übertragung der von dem Aktor 12 ausgeübten Kraft auf die Ventilnadel 13 bildet.
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Der Koppler 15 ist von unter Druck stehendem Kraftstoff umgeben. Das Volumen der Kammer 19 ist ebenfalls mit Kraftstoff gefüllt. Über die Führungsspalte zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 kann sich das Volumen der Kammer 19 über einen längeren Zeitraum hinweg an die jeweils vorhandene Länge des Aktors 12 anpassen. Bei kurzzeitigen Änderungen der Länge des Aktors 12 bleibt das Volumen der Kammer 19 und damit deren Länge jedoch nahezu unverändert und die Änderung der Länge des Aktors 12 wird auf die Ventilnadel 13 übertragen. Die Führungsspalte zwischen den beiden Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 können ein Ventil bilden, das in unterschiedlichen Stömungsrichtungen oder abhängig von der Stellung der Kolben 17, 18 zum Kopplergehäuse 16 unterschiedliche Strömungswiderstände bzw. Durchflussbeiwerte aufweist. Beispielsweise kann einer oder beide Kolben Nute mit veränderlicher Tiefe der Nutböden oder dergleichen aufweisen, um die wirksame durchströmbare Fläche zwischen den Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 zu verändern. Die Einstellung der Bewegungsgeschwindigkeit der Kolben 17, 18 zueinander erfolgt z. B. durch die Führungsspiele zwischen den Kolben 17, 18 und dem Kopplergehäuse 16 oder durch eine Kleine Drossel mit richtungsabhängigem Durchflussbeiwert.
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Das Einspritzventil 11 befindet sich unabhängig vom Arbeitspunkt des Aktors 12 immer dann in seinem geschlossenen Zustand, wenn der Aktor 12 über einen längeren Zeitraum hinweg unverändert an einem beliebigen Punkt der Hysteresekurve 40 verbleibt. Ein Öffnen des Einspritzventils 11 erfolgt dann durch eine vergleichsweise schnelle Verkürzung des Aktors 12 aus diesem Punkt der Hysteresekurve 40 heraus. Ein Schließen des Einspritzventils 11 wird durch die Rückkehr des Aktors 12 in seinen vor Beginn der Einspritzung vorliegenden Arbeitspunkt erreicht.
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In der 2 ist der Zusammenhang zwischen der an einem piezoelektrischen Aktor angelegten Spannung U und der daraus resultierenden Längenänderung bzw. Verkürzung x des Aktors dargestellt. Dieser Zusammenhang stellt eine Hysteresekurve 20 des Aktors dar. Es wird davon ausgegangen, dass sich der Aktor im Nullpunkt der Hysteresekurve 20 befindet, dass also keine Spannung an dem Aktor anliegt, und dass der Aktor weder eine Längenausdehnung, noch eine Kürzung aufweist. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass der Aktor momentan in Richtung der positiven Spannung polarisiert ist.
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Wird nunmehr die Spannung an dem Aktor in negativer Richtung verändert, so hat dies eine Verkürzung des Aktors zur Folge. Dies ergibt sich aus dem Ast 21 der Hysteresekurve 20. Wird die negative Spannung –UK erreicht, die der so genannten Koerzitivfeldstärke entspricht, so beginnt sich der Aktor umzupolarisieren. Bei dieser negativen Spannung –UK weist der Aktor seine größte Verkürzung –x2 auf. Wird nunmehr die der Koerzitivfeldstärke entsprechende Spannung –UK unterschritten, so nimmt die Länge des Aktors wieder zu. Dies wird aus dem Ast 22 der Hysteresekurve 20 ersichtlich. Bei der negativen Spannung –U1 besitzt der Aktor dann seine größte Längenausdehnung x1. Weiterhin führt das Durchlaufen des Astes 22 der Hysteresekurve 20 zu einem Wechsel der Polarisation des Aktors.
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Wird nunmehr die an dem Aktor angelegte Spannung wieder in positiver Richtung erhöht, so wird der Ast 23 der Hysteresekurve 20 durchlaufen. Die Länge des Aktors verändert sich von der Längenausdehnung x1 wieder zu der Verkürzung –x2. Diese größte Verkürzung –x2 weist der Aktor bei der positiven Spannung UK auf.
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Nach einem Überschreiten der positiven Spannung UK erfolgt erneut eine Umpolarisierung des Aktors, so dass bei einer weiteren Erhöhung der Spannung der Ast 24 durchlaufen wird. Dieser Ast 24 endet bei der positiven Spannung U1, bei der der Aktor die größte Längenausdehnung x1 aufweist.
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Wird nunmehr wieder die an dem Aktor angelegte Spannung vermindert, so vermindert sich die Längenausdehnung des Aktors. Dies ergibt sich aus dem Ast 25 der Hysteresekurve 20. Der Ast 25 geht dann im Bereich des Nullpunkts wieder in den Ast 21 der Hysteresekurve 20 über.
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In 3 ist ein Diagramm der Länge x des piezoelektrischen Aktors 12 über der Zeit t sowie der Gesamtlänge y der Baugruppe umfassend den piezoelektrischen Aktor 12, den hydraulischen Koppler 15 sowie die Ventilnadel 13 bis zu deren Spitze über der Zeit t dargestellt. Im oberen Teil des Diagramms der 3 ist die Spannung U an dem piezoelektrischen Aktor 12 über der Zeit t dargestellt, im unteren Diagramm sind die Längen x und y über der Zeit t entsprechend dargestellt. Zur Verdeutlichung und einfacheren Darstellung wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur ein Einspritzzyklus betrachtet, hierbei ist ein Einspritzzyklus bei positiver Spannung gewählt. Sinngemäß kann das Verfahren auch bei negativer Spannung, siehe die Hysteresekurve der 2, durchlaufen werden. Im unteren Teil des Diagramms wurde bewusst auf konkrete Längenangaben verzichtet. Hier ist für das erfindungsgemäße Verfahren die relative Längenänderung der Werte x und y von Bedeutung.
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Beispielhaft wird ausgegangen von einem Einspritzzyklus, der aus einer Voreinspritzung (VE), einer Haupteinspritzung (HE) sowie einer Nacheinspritzung (NE) besteht. Wie aus dem oberen Diagramm der 3 zu erkennen ist, wird für die Vor-, Haupt- sowie Nacheinspritzung jeweils die Spannung von +U1 (oder eben –U1) auf 0 Volt abgesenkt, dadurch erfolgt eine entsprechende Verkürzung des piezoelektrischen Aktors 12. Im unteren Diagrammteil der 3 ist für die Kurve X beispielhaft der Wert X1 sowie der Wert 0 analog zur Darstellung der 2 eingetragen. Da der hydraulische Koppler 15 derart schnelle Längenänderungen nicht ausgleicht, entspricht die Kurve y in diesem Bereich dem Verlauf der Kurve x. Nach Absetzen der Nacheinspritzung wird die Spannung U mit einem geringen Gradienten zwischen den Zeitpunkten tA und tE auf 0 Volt reduziert. Statt 0 Volt kann hier auch eine zwischen 0 und +–U1 liegende Spannung gewählt werden. Wie in dem unteren Diagrammteil der 3 zu erkennen ist, folgt die Länge x des piezoelektrischen Aktors 12 dieser Spannungsabsenkung. Verzögerungszeiten und dergleichen sind dabei in der Darstellung der 3 nicht berücksichtigt. Durch den geringen Gradienten dx/dt ist nunmehr der hydraulische Koppler 15 in der Lage, die Längenänderung auszugleichen. Dies äußert sich dergestalt, dass die Länge y sich zwischen den Zeitpunkten tA und tE nicht, oder zumindest nur unwesentlich, ändert. Das Einspritzventil 11 bleibt dabei also geschlossen. Vor dem nächsten Einspritzzyklus wird die Spannung U wieder auf +U1 (oder –U1) erhöht, wobei Fluid aus dem hydraulischen Koppler 15 verdrängt wird, so dass die in 3 dargestellte Ausgangslage bei t = 0 wieder erreicht ist. Der Gradient, mit dem die Spannung U dabei erhöht werden kann, hängt von der mechanischen Belastbarkeit des Einspritzventils 11 sowie der Steifigkeit des hydraulischen Kopplers 15 ab. Die Verdrängung des Fluids aus dem hydraulischen Koppler 15 erfolgt durch Kraftbeaufschlagung der an dem Gehäuse anliegenden Ventilnadel 13.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren beginnt mit Schritt 101 wenn ein Einspritzzyklus beendet ist und damit eine verhältnismäßig lange Zeit, nämlich etwa 720°KW, bis zum nächsten Einspritzzyklus vergehen wird. Daraufhin wird in Schritt 102 die Spannung U mit einem niedrigen Gradienten wie zuvor dargestellt auf etwa Null Volt verringert. Kurz vor dem nächsten Einspritzzyklus, was z. B. in Schritt 103 anhand des Kurbelwellenwinkels oder der bei bekannter Drehtzahl zwischen zwei Einspritzzyklen verstreichenden Zeit festgestellt wird, wird in Schritt 104 die Spannung wieder auf den Wert U1 hochgefahren und es schließt sich ein Einspritzzyklus 105 an. Danach beginnt das Verfahren erneut in Schritt 101.
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Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des beschriebenen Verfahrens in der Form eines zur Ausführung des Verfahrens geeigneten Computerprogramms. Das Computerprogramm kann auf einem Speichermedium abgespeichert sein, wobei das Speichermedium seinerseits in einem Steuergerät enthalten sein kann.
