DE102011090004A1

DE102011090004A1 - Verfahren und Anordnung zum Bestimmen eines Nadelschließens einer Ventilnadel

Info

Publication number: DE102011090004A1
Application number: DE102011090004A
Authority: DE
Inventors: Michael Kuka; Torsten Leukert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Nadelschließens einer Ventilnadel 5 eines Ventils, wobei die Ventilnadel 5 in einem Ventilnadelkörper 2 axial beweglich angeordnet ist und mit einer Ventilnadelspitze 6 zumindest eine Einspritzöffnung des Ventils bezüglich einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung beherrscht. Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Anordnung angegeben, mit denen der Schließvorgang einer Ventilnadel mit geringem Aufwand präzise bestimmbar ist. Erreicht wird dies dadurch, dass ein Spannungssignal eines an das Ventil angebauten Piezoelements 13 ermittelt und der Zeitpunkt des Eintretens der Schließstellung aus dem Verlauf des Spannungssignals nachgewiesen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Bestimmen eines Ventilnadelschließens einer Ventilnadel eines Ventils, wobei die Ventilnadel in einem Ventilnadelkörper axial beweglich angeordnet ist, und mit einer Ventilnadelspitze zumindest eine Einspritzöffnung des Ventils hinsichtlich einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung beherrscht.
Stand der Technik
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Anordnung ist aus der DE 10 2009 000 741 A1 bekannt. Hierbei wird der Körperschall, der durch das Schließen der Ventilnadel erzeugt wird, über das Signal der Spannung an dem Piezoaktor, der die Ventilnadel direkt oder indirekt in die Öffnungsstellung oder die Schließstellung bewegt, ermittelt. Dieses Spannungssignal wird in geeigneter Weise ausgewertet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit denen der Schließvorgang einer Ventilnadel mit geringem Aufwand präzise bestimmbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass ein Spannungssignal eines an das Ventil angebauten Piezoelements ermittelt beziehungsweise gemessen wird und der Zeitpunkt des Eintretens der Schließstellung aus dem Verlauf des Spannungssignals nachgewiesen wird. Hierzu ist das Piezoelement an beliebiger Stelle an das Ventil angebaut und die Ventilnadel des Ventils kann in beliebiger Weise in eine Öffnungsstellung und eine Schließstellung bewegt werden. Beispielsweise kann die Ventilnadel direkt oder indirekt elektromagnetisch betätigt sein.
Für den Fall, dass die Ventilnadel von einem Piezoaktor direkt oder indirekt bewegt wird, kann das Piezoelement als zusätzlicher Sensor an dem Ventil verbaut sein. Dadurch ist eine von dem Piezoaktor unabhängige Signalerfassung möglich.
Grundsätzlich wird mit dem erfindungsgemäßen Piezoelement der Körperschall erkannt, der durch die Schließbewegung der Ventilnadel – genauer des Einschlagens der Ventilnadel in einen Ventilsitz – erzeugt wird. Hierzu wird das Spannungssignal des Piezoelements ausgewertet. Ein geeignetes Auswerteverfahren ist beispielsweise in der DE 10 2009 000 741 A1 beschrieben. Die entsprechende Anordnung zum Bestimmen eines Nadelschließens sieht vor, dass das Piezoelement an beliebiger Stelle dem Ventil angeordnet ist. Hierbei wird in der Praxis bevorzugt eine Stelle an dem Ventilnadelkörper gewählt werden, an der das Piezoelement einfach und gut zugänglich angebaut werden kann. Dabei muss sichergestellt sein, dass an diese Stelle das beim Schließvorgang der Ventilnadel ausgelöste Körperschallsignal detektierbar ist.
Bevorzugt ist das Piezoelement in eine in den Ventilnadelkörper des Ventils eingelassene Ausnehmung eingebaut.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das ermittelte Spannungssignal als Eingangsgröße für eine lernende Mengenkorrekturfunktion bei der Steuerung des Ventils verwendet. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass es wünschenswert ist, die unter einer vorgegeben Randbedingung verspritzte Einspritzmenge eines Injektors, in dem das erfindungsgemäße Ventil verbaut sein kann beziehungsweise der das Ventil sein kann, über die Lebensdauer des Injektors möglichst konstant zu halten. Dies ist wünschenswert oder sogar erforderlich, um immer höhere werdende Emissionsanforderungen erfüllen zu können. Um Abweichungen der verspritzten Einspritzmenge zu vermeiden, werden beispielsweise spezielle Korrekturfunktionen für die Steuergerätesoftware für die Ansteuerung des Injektors eingesetzt. Für eine über die Lebensdauer des Injektors lernende Mengenkorrekturfunktion ist es sehr hilfreich, eine Änderung des Nadelschließens zu kennen. Darüber hinaus oder alternativ ist für eine sogenannte onboard-Diagnose (OBD) die genaue Kenntnis des Zeitpunkts des Nadelschließens sinnvoll einsetzbar. Hierbei können sowohl mechanischer Verschleiß oder aber auch Fehler in der Ansteuerung zuverlässig erkannt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1, 1a einen Schnitt durch einen Injektor mit einem eingebauten Piezoelement,
2, ein Diagramm mit einer Einspritzrate und einem Spannungssignal mit Schließmerkmal bei einem Injektor und
3 ein Diagramm mit einem Spannungsmerkmal in einer Ansteuerungsspannung eines Piezoinjektors und zusätzlichen Körperschallsensor in Form eines Piezoelements.
Ausführungsform der Erfindung
Der in 1 dargestellte Injektor ist ein Kraftstoffinjektor, mit dem unter Druck stehender Kraftstoff, der beispielsweise einem Hochdruckspeicher entnommen wird, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Dabei ist der Kraftstoff insbesondere Dieselkraftstoff und die Brennkraftmaschine eine selbstzündende Brennkraftmaschine. Der Kraftstoffinjektor insgesamt stellt das erfindungsgemäße Ventil dar. Dabei weist der Kraftstoffinjektor einen Haltekörper 1 auf, der mit einem Ventilnadelkörper 2 mittels einer Überwurfmutter 3 verschraubt ist. In dem Haltekörper 1 und dem Ventilnadelkörper 2 ist eine Bohrung 4, 4a eingearbeitet, in der eine Ventilnadel 5 axial beweglich angeordnet ist. In einer Schließstellung der Ventilnadel 5 wirkt eine Ventilnadelspitze 6 der Ventilnadel 5 mit einem Ventilsitz 7 zusammen und verschließt zumindest eine Einspritzöffnung, die im Bereich des Ventilsitzes 7 angeordnet ist.
In einer Öffnungsstellung der Ventilnadel 5 befindet sich die Ventilnadelspitze 6 in eine beabstandete Stellung zu dem Ventilsitz 7 und gibt dann eine Strömungsverbindung durch einen in dem Haltekörper und in den Ventilnadelkörper 2 eingelassenen Hochdruckkanal 8, 8a zu der zumindest einen Einspritzöffnung frei. In dieser Stellung wird über einen Anschlussstutzen 9 in den Hochdruckkanal 8, 8a eingebrachter Kraftstoff durch die zumindest eine Einspritzöffnung in den zugeordneten Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
Die Ventilnadel 5 wird von einem oder mehreren Elektromagneten 10 in die Öffnungsstellung und die Schließstellung bewegt, wobei ein Elektroanschlussstutzen 11 zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Elektromagneten 10 und einem mit einem Steuergerät verbundenen Steuerleitung vorhanden ist. In eine Stirnfläche des Haltekörpers 1 ist eine Ausnehmung 12 eingelassen, beispielsweise gebohrt, wobei in diese Ausnehmung 12 einen Sensor bildendes Piezoelement 13 eingelassen ist. Das Piezoelement 13 ist mit Leitungen 14a, 14b versehen, über die in dem Piezoelement 13 erzeugte Spannungssignale einer Auswerteeinrichtung, die bevorzugt in das Steuergerät integriert ist, zugeführt werden. Das Piezoelement 13 erfasst den beim Schließvorgang der Ventilnadel 5 erzeugten Körperschall, der nämlich das Piezoelement 13 zum Schwingen anregt. Hierbei ist der Schließzeitpunkt als der Zeitpunkt definiert, bei dem die Ventilnadel 5 mit ihrer Ventilnadelspitze 6 in den Ventilsitz 7 einschlägt. Das Piezoelement 13 erzeugt zum Zeitpunkt des Einschlagens der Ventilnadelspitze 6 in den Ventilsitz 7 (je nach Lage des Piezoelements 13 noch korrigiert um eine konstante Wellenlaufzeit) einen Spannungsausschlag, welcher den Schließzeitpunkt der Ventilnadel 5 repräsentiert.
In dem Diagramm gemäß 2 ist auf der Abszisse der zeitliche Verlauf einer Einspritzrate 15 und eines Spannungsverlaufes 16 des Piezoelements 13 dargestellt. Erkennbar ist, dass zu dem Zeitpunkt, in dem die Einspritzrate 15 auf einen Nullwert zurückgeht, wobei dieser Rückgang sich beim Auftreffen der Ventilnadelspitze 6 auf den Ventilsitz 7 einstellt, der Spannungsverlauf 16 des Piezoelements 13 deutlich erkennbare Spannungsausschläge aufweist, die – wie beschrieben – zur Bestimmung des Zeitpunktes des Nadelschließens genutzt werden können.
In 3 ist die Ansteuerungsspannung 17 eines Piezoinjektors dargestellt, wobei diese Ansteuerungsspannung 17 zum Zeitpunkt des Nadelschließens die in der kennzeichnenden Zone 18 erkennbaren Ausschläge macht. Darüber ist der Verlauf des Spannungssignales 19 dargestellt, das mit dem Piezoelement 13 aufgenommen wird. Es ist erkennbar, dass auch das Spannungssignal 19 zu dem gleichen Zeitpunkt wie die Ansteuerungsspannung 17 größere Amplitudenausschläge aufweist, die den Zeitpunkt des Nadelschließens bestimmen lassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009000741 A1 [0002, 0006]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Nadelschließens einer Ventilnadel (5) eines Ventils, wobei die Ventilnadel (5) in einem Ventilnadelkörper (2) axial beweglich angeordnet ist und mit einer Ventilnadelspitze (6) zumindest eine Einspritzöffnung des Ventils bezüglich einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung beherrscht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungssignal eines an das Ventil angebauten Piezoelements (13) ermittelt wird und dass der Zeitpunkt des Eintretens der Schließstellung aus dem Verlauf des Spannungssignals nachgewiesen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungssignal als eine Eingangsgröße für eine lernende Mengenkorrekturfunktion bei der Steuerung des Ventils verwendet wird.
Verfahre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungssignal als eine Eingangsgröße für eine on-board-Diagnose (OBD) verwendet wird.
Anordnung zum Bestimmen eines Nadelschließens einer Ventilnadel (5) eines Ventils, wobei die Ventilnadel (5) in einem Ventilnadelkörper (2) axial beweglich angeordnet ist und mit einer Ventilnadelspitze (6) zumindest eine Einspritzöffnung des Ventils bezüglich einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung beherrscht, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ventil ein Piezoelement (13) zur Ermittlung eines beim Schließvorgang der Ventilnadel 6 auftretenden Körperschallsignals angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (13) in eine Ausnehmung (12) des Ventils eingebaut ist.