DE102006035710A1

DE102006035710A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Piezoinjektors einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102006035710A1
Application number: DE102006035710A
Authority: DE
Inventors: Thomas Pauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2008-02-07

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Betrieb wenigstens eines Injektors zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs mittels einer Düsennadel (10), die durch einen Piezoaktor (43) betätigbar ist, ist insbesondere vorgesehen, dass nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine eine Überwachung wenigstens einer Umgebungsbedingung des Kraftfahrzeugs durchgeführt wird (210) und dass bei Feststellung des Vorliegens der wenigstens einen vorgegebenen Umgebungsbedingung eine Schutzfunktion (220-230) aktiviert wird, mittels welcher der Piezoaktor (43) so angesteuert wird (230), dass sich die Düsennadel (10) nicht öffnet.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Einspritzsysteme in der Kraftfahrzeugtechnik, welche Injektoren mit Piezoaktoren aufweisen, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines solchen Injektors.
In der DE 10 2004 015 744 A1 ist ein Common-Rail-Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine beschrieben (1). Der Injektor weist ein Injektorgehäuse mit einem Kraftstoffzulauf auf, mittels dessen der Injektor mit einer Kraftstoffhochdruckquelle verbunden ist, wobei der Injektor in Abhängigkeit von der Stellung eines Steuerventils mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoff einspritzt. Das Steuerventil weist insbesondere einen in dem Injektorgehäuse zwischen einer Ruhestellung und einer Einspritzstellung hin und her bewegbaren Ventilkolben auf, der hydraulisch mit einem Piezoaktor gekoppelt ist, welcher mit dem Druck aus der Kraftstoffhochdruckquelle beaufschlagt ist. Der Piezoaktor dient dabei als Stellglied für den Injektor.
Piezoaktoren der eingangs genannten Art weisen meist elastische Beschichtungen aus Kunststoffen (z.B. aus Polymeren oder Elastomeren) auf, um die Aktoren vor äußeren Einflüssen wie Kraftstoff (insbesondere Dieselkraftstoff) zu schlitzen und dabei gleichzeitig die Bewegungsfreiheit der Aktoren möglichst wenig zu beeinflussen.
Diese Beschichtungen sind erforderlich, da der in dem Injektorgehäuse vorliegende flüssige Kraftstoff unter teilweise erheblichem Druck steht, d.h. der Piezoaktor arbeitet als sogenannter „nasser Aktor", wobei sein aus mehreren geschichteten Piezoelementen aufgebauter Aktorkörper vom Kraftstoff umgeben ist. Der unter hohem Druck stehende Kraftstoff wirkt insbesondere auf die Seitenflächen des Aktorkörpers, auf dessen Außenelektroden und auch auf die sich zwischen den Piezoelementen befindenden Innenelektroden ein. Durch den unter Umständen bis zu 1800 bar hohen Druck werden die Innenelektroden stark belastet und unter Umständen in den Aktorkörper hinein gedrängt, sodass die Kontaktierung der Innenelektroden zur Außenelektrode zerstört werden kann.
Ein solcher Piezoaktor mit einer Isolierschicht geht aus der DE 102004005226 A1 hervor (2). Der Piezoaktor weist einen Aktorkörper aus einem piezoelektrischen Material auf, welches im Betrieb des Aktorkörpers expandiert und kontrahiert. In dem Aktorkörper sind eine Innenelektrode sowie eine die Innenelektrode elektrisch kontaktierende Außenelektrode angeordnet. Insbesondere ist eine die Außenelektrode umgebende vorbeschriebene Isolationsschicht vorgesehen.
Die vorbeschriebenen Beschichtungen von Piezoaktoren haben den Nachteil, dass sie bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, wie sie im Fahrzeugbetrieb gelegentlich vorkommen, keine ausreichende Elastizität besitzen und durch Verglasung bzw. Versprödung bei extrem kalten Umgebungsbedingungen bis bspw. –40°C im Start-Betriebsfall des Injektors sogar zu einer Beschädigung der Aktorbeschichtung führen können. Obwohl solche extremen Umgebungsbedingungen auch bei Kraftfahrzeugen nur relativ selten vorkommen, müssen die Bauteil-Spezifikationen auch darauf ausgelegt werden, da eine Verglasung des Beschichtungsmaterials (-kunstoffs) zu Rissen in der Beschichtung und schließlich zum Totalausfall des Aktors (und damit des Injektors) durch den entstehenden elektrischen Kurzschluss führen kann.
Es ist daher wünschenswert, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines hier betroffenen Injektors bereitzustellen, bei dessen Anwendung die vorbeschriebene Problematik der Verglasung und die daraus resultierende Rissbildung in der Beschichtung eines Piezoaktors möglichst wirksam aber auch möglichst kostengünstig vermieden wird.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt der Grundgedanke zugrunde, dass eine vorbeschriebene kältebedingte Verglasung bzw. Versprödung der Beschichtung eines Piezoaktors allenfalls im Ruhezustand der Brennkraftmaschine auftreten kann, da die im Betrieb des Injektors resultierende Betriebstemperatur des Piezoaktors eine solche Versprödung automatisch verhindert.
Daher wird erfindungsgemäß eine Schutzfunktion vorgeschlagen, welche bevorzugt in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine abgelegt ist und welche erst frühestens nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine aktiviert wird.
Mittels der erfindungsgemäßen Schutzfunktion wird der Piezoaktor nur minimal angesteuert, damit sich die Düsennadel in keinem Fall öffnen kann und damit ungewollt Kraftstoff einspritzen kann. Durch diese ein- oder mehrmalige Betätigung wird im Aktor Wärme, insbesondere Reibungswärme und/oder elektrische (ohmsche) Abwärme produziert und so die unmittelbar auf dem Piezoaktor angeordnete Beschichtung in ihrer Temperatur angehoben. Da es sich hierbei nur um gelegentliches Ansteuern allein zur Vermeidung der Verglasung handelt, stellt dies keinen übermäßigen Energieverlust dar und kann allein aus einer Fahrzeugbatterie gespeist werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt die genannte „minimale" Ansteuerung entweder durch eine Ansteuerung mit einem relativ kleinen zeitlichen Gradienten oder durch einen ausreichend reduzierten Spannungshub. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Düsennadel aufgrund der Massenträgheit und des üblichen Nadelsitzes im Wesentlichen nur aufgrund einer Ansteuerung mit ausreichender Amplitude oder einer Ansteuerung mit ausreichendem Impuls bewegen kann.
Die erforderliche Frequenz der genannten minimalen Ansteuerung(en) wird bevorzugt in Abhängigkeit von der Außentemperatur empirisch festgelegt, wobei die entsprechenden Frequenzwerte in Abhängigkeit von der Temperatur im Vorhinein abgelegt werden können, um auf diese im Betrieb des Fahrzeugs schnell zugreifen zu können.
Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Schutzfunktion erst dann aktiviert, wenn mittels eines am Kraftfahrzeug bspw. im Bereich wenigstens eines Radkastens oder einer elektronischen Steuereinheit (ECU) bereits angeordneten Außentemperatursensors festgestellt wird, dass das Fahrzeug in eine Umgebungsbedingung bzw. Umgebungstemperatur gelangt ist, welche eine Gefahr für die genannte Beschichtung darstellt. Denn, wie bereits erwähnt, tritt eine solche Bedingung nur relativ selten ein, sodass durch die genannte Aktivierung erst im Falle des Eintritts einer solchen Bedingung bspw. Batterieenergie eingespart werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Kosteneinsparung ergibt sich dadurch, dass mittels der genannten Schutzfunktion die notwendigen materialtechnischen Anforderungen an das Beschichtungsmaterial reduziert werden können, bspw. auf den relativ hohen Wert von –20°C. Zudem stehen dadurch wesentlich mehr Stoffe als Beschichtungsmaterial zur Verfügung.
Mittels der erfindungsgemäßen Schutzfunktion lässt sich eine temperaturbedingte Verglasung der beschriebenen Aktorbeschichtung wirksam verhindern.
Die Erfindung ist zwar bevorzugt in Kraftstoff-Einspritzsystemen von Kraftfahrzeugen einsetzbar, jedoch grundsätzlich auch in Einspritzsystemen von Brennkraftmaschinen auf anderen Gebieten wie bspw. der chemischen Verfahrenstechnik, der Flugzeugtechnik, der Schifffahrttechnik oder auf dem Gebiet der Personen- oder Nutzfahrzeuge, welche in Gebieten mit besonders niedrigen möglichen Außentemperaturen eingesetzt werden, wie bspw. in Skandinavien oder Kanada.
Die erfindungsgemäße Schutzfunktion lässt sich in einem Steuergerät entweder in Form einer fest verdrahteten bzw. in Hardware gebrannten Funktion oder eines in das Steuergerät ladbaren Steuerprogramms realisieren, wobei vorteilhaft (d.h. kostengünstig) nur geringe Modifikationen an einem bestehenden Steuergerät zu erfolgen haben.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 einen im Längsschnitt dargestellten Injektor gemäß dem Stand der Technik,
2 einen teilweisen Längsschnitt eines Piezoaktors mit einer Isolationsschicht gemäß dem Stand der Technik, und
3 ein kombiniertes Ablaufdiagramm zur Illustration eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Injektors gemäß der 1, welcher einen Piezoaktor mit einer Isolationsschicht gemäß der 2 aufweist.
Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist ein Längsschnitt durch einen Common-Rail-Injektor 1 dargestellt, der über einen nur schematisch angedeuteten Hochdruckspeicherraum 2 (Common-Rail) mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoffversorgt wird.
Es ist hervorzuheben, dass der in der 1 gezeigte und nachfolgend beschriebene CR-Injektor nur beispielhaft ist und die Erfindung grundsätzlich bei allen denkbaren Einspritzsystemen mit Piezoinjektoren mit den vorher genannten Vorteilen eingesetzt werden kann.
Vom Innenraum des Hochdruckspeicherraums 2 erstreckt sich eine Kraftstoffzuleitung 3, 4 zu einem Druckübersetzer 5, der in den Kraftstoffinjektor 1 integriert ist. Der Druckübersetzer 5 ist von einem Injektorgehäuse 6 umschlossen.
Das Injektorgehäuse 6 umfasst einen Injektorkörper 7 und einen Düsenkörper 8, der eine zentrale Führungsbohrung 9 aufweist. In der Führungsbohrung 9 ist eine Düsennadel 10 hin und her bewegbar geführt. Die Düsennadel 10 weist eine Spitze 11 auf, an der eine Dichtfläche ausgebildet ist, die mit einem Dichtsitz zusammenwirkt, der an dem Düsenkörper 8 ausgebildet ist. Wenn sich die Spitze 11 der Düsennadel 10 mit ihrer Dichtfläche in Anlage an dem Dichtsitz befindet, sind mehrere Spritzlöcher 12, 13 in dem Düsenkörper 8 verschlossen. Wenn die Düsennadelspitze 11 von ihrem Sitz abhebt, wird mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff durch die Spritzlöcher 12, 13 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
An der Düsennadel 10 ist eine Druckschulter 14 ausgebildet, die in einem Druckraum 15 in dem Düsenkörper 8 angeordnet ist. Die Düsennadel 10 ist durch eine Düsenfeder 16 mit ihrer Spitze 11 gegen den zugehörigen Düsennadelsitz vorgespannt. Die Düsenfeder 16 ist in einem Düsenfederraum 17 aufgenommen, der in dem Injektorkörper 7 ausgespart ist. Der Düsenfederraum 17 steht über einen Verbindungskanal 18, in dem eine Drossel 19 angeordnet ist, mit einem Druckverstärkersteuerraum 23 in Verbindung. Außerdem steht der Düsenfederraum 17 über einen Verbindungskanal 20, in dem eine Drossel 21 vorgesehen ist, mit einem Druckverstärkerraum 22 in Verbindung.
Der Druckverstärkerraum 22 wird von einem Abschnitt einer zentralen Bohrung in dem Injektorkörper 7 gebildet, in der ein Ende 24 eines Druckverstärkerkolbens 25 hin und her bewegbar aufgenommen ist. Das Ende 24 des Druckverstärkerkolbens 25 hat die Gestalt eines Kreiszylinders, der einen kleineren Durchmesser aufweist als der anschließende Teil des Druckverstärkerkolbens 25. Das andere Ende des Druckverstärkerkolbens 25 ragt in einen Druckverstärkerarbeitsraum 26, der über die Kraftstoffzuleitung 3, 4 mit dem Kraftstoffhochdruckspeicherraum 2 in Verbindung steht. In dem Druckverstärkerarbeitsraum 26 ist eine Druckverstärkerfeder 27 angeordnet, mit deren Hilfe der Druckverstärkerkolben 25 in Richtung von der Düsennadel 10 weg vorgespannt ist.
Der Druckverstärkerraum 22 steht über einen Verbindungskanal 28 mit dem Druckraum 15 in dem Düsenkörper 8 in Verbindung. Der Druckverstärkersteuerraum 23 steht über einen Verbindungskanal 29 mit einem Ventilsteuerraum 30 in Verbindung, der in einem Ventilkörper 31 ausgespart ist. Zwischen dem Ventilkörper 31 und dem Injektorkörper 7 ist ein Zwischenstück 32 angeordnet, in dem ein zentraler Verbindungskanal 33 ausgespart ist. Der Verbindungskanal 33 schafft eine Verbindung zwischen Druckverstärkerarbeitsraum 26 und dem Ventilsteuerraum 30.
Der Ventilsteuerraum 30 wird von einem Abschnitt einer zentralen Bohrung gebildet, die in dem Ventilkörper 31 ausgespart ist. Der Ventilsteuerraum 30 hat einen größeren Durchmesser als der dem Zwischenstück 32 abgewandte Abschnitt der Bohrung. In der zentralen Bohrung des Ventilkörpers 31 ist ein Ventilkolben 34 hin und her bewegbar aufgenommen. Der Ventilkolben 34 weist einen Ventilkolbenführungsabschnitt 35 auf, der in der zentralen Bohrung des Ventilkörpers 31 geführt ist. An dem dem Ventilkolbenführungsabschnitt 35 abgewandten Ende des Ventilkolbens 34 ist eine erste Dichtkante 36 ausgebildet, die an einem Dichtsitz anliegt, der an dem Ventilkörper 31 ausgebildet ist. An der dem Ventilkolbenführungsabschnitt 35 abgewandten Stirnseite des Ventilkolbens 34 ist eine zweite Dichtkante 37 ausgebildet, die an dem Zwischenstück 32 in Anlage kommen kann. Zwischen dem Ventilkolbenführungsabschnitt 35 und der ersten Dichtkante 36 ist in dem Ventilkörper 31 ein Rücklaufkanal 38 vorgesehen, der mit einem (nicht dargestellten) Kraftstofftank in Verbindung steht.
An den Ventilkörper 31 schließt sich ein Piezoaktorkörper 39 an, der durch einen Deckel 40 verschlossen ist. Der Deckel 40, der Piezoaktorkörper 39, der Ventilkörper 31, das Zwischenstück 32, der Injektorkörper 7 und der Düsenkörper 8 bilden zusammen das Injektorgehäuse 6. In dem Piezoaktorkörper 39 ist ein zentraler Piezoaktorraum 41 ausgespart, der über einen Verbindungskanal 42 mit der Kraftstoffzuleitung 3 und somit mit dem Hochdruckspeicherraum 2 in Verbindung steht.
In dem mit Hochdruck beaufschlagten Piezoaktorraum 41 ist ein Piezoaktor 43 angeordnet, der einen Piezoaktorkopf 44 aus Metall mit einer freien Stirnseite 45 aufweist. An dem Piezoaktorkopf 44 ist ein Bund 46 ausgebildet. Zwischen dem Bund 46 und einer Piezoaktorhülse 48 ist eine Piezoaktorfeder 47 eingespannt. Der Piezoaktorkopf 44 ist relativ zu der Piezoaktorhülse 48 in axialer Richtung verschiebbar. An der Piezoaktorhülse 48 ist eine Dichtkante ausgebildet, die an dem Ventilkörper 31 anliegt. Im Inneren der Piezoaktorhülse 48 ist zwischen der Stirnseite 45 des Piezoaktorkopfs 44 und der freien Stirnseite des Ventilkolbenführungsabschnitts 35 des Ventilkolbens 34 ein hydraulischer Kopplungsraum 41 ausgebildet, der mit Hochdruck aus dem Hochdruckspeicherraum 2 beaufschlagt ist.
In der 1 ist der Common-Rail-Injektor 1 in seinem deaktivierten Zustand dargestellt. Der Ventilkolben 34 befindet sich in seiner Ruhestellung. Dabei befindet sich die erste Dichtkante 36 in Anlage an dem zugehörigen Dichtsitz, der an dem Ventilkörper 31 ausgebildet ist. In dem hydraulischen Kopplungsraum 49 steht Raildruck an. Das wird durch eine geeignete Auslegung der Dichtspalte sichergestellt. Die Bauteile sind im Führungsbereich beider Kopplerkolben so ausgebildet, dass sie auch von außen mit Hochdruck beaufschlagt sind. Dadurch wird eine funktionsbeeinträchtigende Aufweitung der Dichtspalte durch den Kopplerraumdruck vermieden. Alternativ könnte die Befüllung des Kopplerraumes auch durch eine entsprechend kleine Drossel erfolgen. Der Ventilsteuerraum 30 ist über die Kraftstoffzuleitungen 3, 4, den Druckverstärkerarbeitsraum 26 und den Verbindungskanal 33 ebenfalls mit dem Raildruck aus dem Hochdruckspeicherraum 2 beaufschlagt. Der Druckverstärkersteuerraum 23 ist über den Verbindungskanal 29 ebenfalls mit dem Raildruck beaufschlagt. In dem Druckverstärkerraum 22, dem Düsenfilterraum 17 und dem Druckraum 15 herrscht ebenfalls Raildruck.
Zur Aktivierung des Common-Rail- Injektors 1 wird der Piezoaktor 43 über elektrische Leitungen 51, 52 bestromt und dehnt sich aus. Die Ausdehnung des Piezoaktors 43 führt über den Piezoaktorkopf 44 zu einer Druckzunahme in dem hydraulischen Kopplungsraum 49. Diese Druckzunahme führt zu einer axialen Bewegung des Ventilkolbens 34 nach unten, das heißt zur Düsennadel 10 hin. Der Ventilkolben 34 bewegt sich dabei solange nach unten, bis die zweite Dichtkante 37 an dem Zwischenstück 32 zur Anlage kommt und die Verbindung zwischen dem Verbindungskanal 33 und dem Ventilsteuerraum 30 unterbricht. Gleichzeitig hebt die erste Dichtkante 36 von ihrem Dichtsitz an dem Ventilkörper 31 ab und öffnet eine Verbindung zu dem Ventilsteuerraum 30 und dem Rücklaufkanal 38. Der Ventilkolben 34 befindet sich dann in seiner (nicht dargestellten) Einspritzstellung. Der Ventilsteuerraum 30 wird aufgrund der Verbindung mit dem Rücklaufkanal 38 druckentlastet. Über den Verbindungskanal 29 zwischen dem Ventilsteuerraum 30 und dem Druckverstärkersteuerraum 23 wird der Letztgenannte ebenfalls druckentlastet. Da der Druckverstärkerarbeitsraum 26 über die Kraftstoffzuleitungen 3, 4 nach wie vor mit dem Raildruck aus dem Hochdruckspeicherraum 2 beaufschlagt ist, bewegt sich der Druckverstärkerkolben 25 nach unten, das heißt zur Düsennadel 10 hin, wodurch der Kraftstoff in dem Druckverstärkerraum 22 komprimiert wird. Diese Druckerhöhung wirkt sich über den Verbindungskanal 28 auch in dem Druckraum 15 aus. Das wiederum führt dazu, dass die Düsennadel 10 von ihrem Sitz abhebt und Kraftstoffeingespritzt wird.
Durch die optimierte konstruktive Auslegung mit dem Piezoaktor 43 im Raildruck, mit dem Raildruck in dem hydraulischen Kopplungsraum 49 und geeigneten Druckflächen an dem Ventilkolben 34 wird eine sehr einfache und kostengünstige Gesamtkonstruktion erreicht. Die notwendige axiale Vorspannkraft für den Piezoaktor 43 wird hauptsächlich hydraulisch erzeugt. Der 3/2-Ventilkolben 34 wird direkt von dem Piezoaktor 43 gesteuert. Der hydraulische Kopplungsraum 49 ist zum Ausgleich von Temperaturausdehnungen und zur Kraft/Weg-Übersetzung vorgesehen. Der Ventilkolben 34 ist nahezu vollständig druckausgeglichen ausgeführt. Dies wird dadurch erreicht, dass am Ventilkolben eine Druckfläche ‚X’ ausgebildet ist, die ständig mit Hochdruck aus dem Injektorzulauf beaufschlagt ist. Dadurch wird nur eine kleine Aktorkraft zum Bewegen des Ventils notwendig und es kann ein kleiner und kostengünstiger Piezoaktor verwendet werden. Der Ventilaufbau mit dem Ventilkörper 31 und dem Zwischenstück 32 in Verbindung mit dem einteiligen Ventilkolben 34 mit Flachsitz erlaubt eine einfache Fertigbarkeit.
Der Ventilkolben 34 kann auch vollständig druckausgeglichen ausgeführt sein. In diesem Fall müssen die notwendigen Schließkräfte zur Sicherstellung der Dichtheit der Ventilsitze durch vorgespannte Federn beziehungsweise den Aktor bereitgestellt werden.
Der Ventilkolben 34 kann auch als mehrteiliger Kolbenverbund ausgeführt werden, wobei die beiden Steuerkanten in einem Bauteil und der Kolbenabschnitt, der den Kopplerraum begrenzt, in einem weiteren Bauteil angeordnet ist. Dadurch kann auch der Ventilkörper mehrteilig ausgebildet sein. Dies bietet Vorteile bei der Fertigung sehr kleiner Ventilgeometrien.
In der 2 ist ein im Stand der Technik bekannter Piezoaktor 110 dargestellt, der als ein wesentliches Bauelement einen zylindrischen Aktorkörper 112 mit einem an dessen Stirnseite angeordneten Aktorkopf 114 umfasst. Der Aktorkörper 112 ist aus mehreren geschichteten Piezoelementen 116 aufgebaut, zwischen denen sich im Wesentlichen dünne, scheibenförmige Innenelektroden 118 befinden. Die Innenelektroden 118 sind jeweils wechselweise an Außenelektroden angeschlossen, von denen in der 2 eine Außenelektrode 120 dargestellt ist.
Die Außenelektroden 120 befinden sich jeweils in Gestalt eines Längsstreifens an den Mantel- bzw. Seitenflächen des Aktorkörpers 120 und dienen zur elektrischen Kontaktierung der Innenelektroden 118.
Die Außenelektroden 120 und auch die Mantel- bzw. Seitenflächen des Aktorkörpers 112 sind von einer Isolationsschicht 122 umgeben, die bei bekannten Piezoaktoren die folgenden drei Funktionen übernehmen soll. Die Isolationsschicht 122 soll zum einen eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Aktorkörper und dessen Umgebung herstellen. Sie soll ferner gegenüber dieser Umgebung und insbesondere gegenüber einem sich dort befindenden flüssigen Brennstoff den Aktorkörper 112 und die darin befindlichen Innenelektroden 118 abdichten und schließlich soll die Isolationsschicht auch jene Kraft aufnehmen, die durch den unter bestimmten Betriebszuständen hohen Druck dieses flüssigen Brennstoffs auf den Aktorkörper und dessen Innenelektroden ausgeübt wird.
Bei dem in der 2 dargestellten Piezoaktor 110 ist diese dritte Funktion bekannter Isolationsschichten auf ein eigenes, zusätzliches Bauteil übertragen, nämlich auf eine dünnwandige Hülse 124, die den Aktorkörper 112 und die zugehörige Isolationsschicht 122 über die gesamte Höhe des Aktorkörpers 112 hinweg unmittelbar umgibt. Die Hülse 124 nimmt damit jene Druckkraft auf, die von einem den Piezoaktor 110 umgebenden und unter hohem Druck stehenden flüssigen Brennstoff ausgeübt wird. Die Hülse 124 schützt die darunter liegende Isolationsschicht 122 sowie die Außenelektroden 120, die Innenelektroden 118 und die Piezoelemente 116 des Aktorkörpers 112 insgesamt vor einer möglichen mechanischen Beschädigung.
Die in der 2 gezeigte Isolationsschicht 122 hat wie bereits eingangs beschrieben den Nachteil, dass sie bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen keine ausreichende Elastizität besitzt und durch Verglasung bzw. Versprödung im Betrieb des Injektors beschädigt werden kann.
Zur Vermeidung einer solchen Beschädigung wird erfindungsgemäß die anhand der 3 nachfolgend beschriebene Schutzfunktion bevorzugt in ein Steuergerät der (nicht gezeigten) Brennkraftmaschine bzw. des Einspritzsystems implementiert.
Die genannte Schutzfunktion wird nun anhand eines in der 3 gezeigten Ablaufdiagramms verdeutlicht. Nach dem Start 200 der gezeigten Routine wird in Schritt 205 zunächst geprüft, ob die Brennkraftmaschine abgestellt wurde. Ist dies nicht der Fall, wird wieder and den Anfang zurückgesprungen und ggf. nach einer Zeitverzögerung diese Prüfung erneut durchgeführt. Wurde ein Abstellen der Brennkraftmaschine festgestellt, wird im nächsten Schritt 210 die Außentemperatur T_außen erfasst. Dies erfolgt bevorzugt mittels eines bereits vorhandenen Temperatursensors. In Schritt 215 wird der erfasste Wert von T_außen mit einer empirisch vorgebbaren kritischen Temperatur T_krit verglichen, und zwar wird festgestellt, ob die Bedingung T_außen < T_krit. erfüllt ist. Wenn nicht, dann wird wieder an den Anfang der Routine zurückgesprungen. Anderfalls wird die nachfolgend beschriebene eigentliche „Schutzfunktion" 220–230 aktiviert. Der Wert von T_krit. beträgt bspw. –20°C und richtet sich nach der Spezifikation des verwendeten Beschich- tungsmaterials, wie eingangs beschrieben.
Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird bei der Schutzfunktion zunächst aus einer bereits vorher im Steuergerät oder dgl. abgespeicherten Tabelle, in der Werte einer Ansteuerfrequenz (-häufigkeit) in Abhängigkeit von möglichen Werten der Außentemperatur T_außen abgelegt sind, ein geeigneter Wert für die Ansteuerfrequenz ermittelt 220. Dabei kann ggf. zwischen zwei Tabellenwerten interpoliert werden. Auf diesem Wert der Ansteuerfrequenz basierend wird in Schritt 225 ein Zeitgeber aktiviert, welcher im nachfolgenden Schritt 230 den Piezoaktor bzw. -injektor in der in 3 (unten) dargestellten Weise ansteuert.
In der Box zu Schritt 230 sind zwei Ausführungsvarianten a. und b dargestellt. In beiden Fällen beträgt die Ansteuerfrequenz [60/(t2 – t1)]min^–1. Im Beispiel a. erfolgt die Ansteuerung mittels der bereits genannten „Gradientenmethode" bis jeweils hin zu einem maximalen Spannungswert U₁. Dagegen erfolgt die Ansteuerung im Beispiel b. durch zeitlich relativ kurze Spannungsimpulse bis jeweils bin zu einem von U₁ verschiedenen Maximalwert U₂.
Der Wert von U₁ ist im Allgemeinen größer als der von U₂ anzusetzen, da (wie bereits erwähnt) aufgrund des flachen Verlaufs der Kurve der Impulsübertrag auf die Düsennadel 10 relativ gering ist und daher die maximal zulässige Spannungsamplitude zur Verhinderung des Öffnens der Düsennadel 10 maßgeblich ist, wohingegen im Fall b. kurze Spannungsimpulse mit relativ hohem Wert des Spannungsgradienten verwendet werden und wegen des genannten Impulseffektes die Maximalspannung niedriger sein muss, um ein Öffnen der Düsennadel 10 wirksam zu unterdrücken.
Nach Durchführung einer oder mehrerer solcher „minimaler" Ansteuerungen des Injektors wird wieder an den Anfang zurückgesprungen, um erneut festzustellen, ob die Brennkraftmaschine noch abgestellt ist und ggf. einen aktuellen Wert von T_außen zu erfassen. Wird dabei festgestellt, dass die Brennkraftmaschine zwischenzeitlich wieder eingeschaltet wurde, wird die Schutzfunktion nicht mehr aufgerufen bzw. deaktiviert.

Claims

Verfahren zum Betrieb wenigstens eines Injektors zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs mittels einer Düsennadel (10), die durch einen Piezoaktor (43) betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine eine Überwachung wenigstens einer Umgebungsbedingung des Kraftfahrzeugs durchgeführt wird (210) und dass bei Feststellung des Vorliegens der wenigstens einen vorgegebenen Umgebungsbedingung eine Schutzfunktion (220–230) aktiviert wird, mittels welcher der Piezoaktor (43) so angesteuert wird (230), dass sich die Düsennadel (10) nicht öffnet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Schutzfunktion bei einer Feststellung des Nicht-Mehr-Vorliegens der wenigstens einen vorgegebenen Umgebungsbedingung wieder deaktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte wenigstens eine Umgebungsbedingung die Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeugs ist, welche mittels wenigstens eines an dem Kraftfahrzeug vorgesehenen Temperatursensors nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine wenigstens zeitweilig erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Schutzfunktion bei Unterschreiten einer bevorzugt empirisch vorgegebenen kritischen Temperatur aktiviert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Schutzfunktion den Piezoaktor (43) mit einem zeitlichen Gradienten mit empirisch vorgegebener relativ geringer Steigung ansteuert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Schutzfunktion den Piezoaktor (43) mit einem empirisch vorgegebenen reduzierten Spannungshub ansteuert.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Frequenz der genannten Ansteuerungen des Piezoaktors in Abhängigkeit von der Temperatur empirisch festgelegt wird, wobei mögliche Frequenzwerte in Abhängigkeit von der Temperatur abgelegt werden.
Steuergerät zum Betrieb eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs mittels wenigstens eines jeweils eine durch einen Piezoaktor (43) betätigbare Düsennadel (10) aufweisenden Injektors, gekennzeichnet durch erste Mittel (210) zur Durchführung einer Überwachung wenigstens einer Umgebungsbedingung des Kraftfahrzeugs im Falle des Abstellens der Brennkraftmaschine, zweite Mittel (220–230) zur Aktivierung und Durchführung einer Schutzfunktion im Falle des Vorliegens einer vorgegeben Umgebungsbedingung sowie dritte Mittel (230) zur Ansteuerung des Piezoaktors (43) mittels einer gemäß dem Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche wirkenden Ansteuerfunktion, bei der sich die Düsennadel (10) nicht öffnet.
Steuergerät nach Anspruch 8, wobei die genannte wenigstens eine Umgebungsbedingung durch die Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeugs gebildet ist, gekennzeichnet durch wenigstens einen Temperatursensor, mittels dessen die Umgebungstemperatur wenigstens zeitweilig erfasst wird.