-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
-
Vom Markt her bekannt sind Einspritzventile für Brennkraftmaschinen, welche mittels eines Piezo-Aktors betrieben werden können. Beispielsweise werden bei Dieselmotoren so genannte "hubgesteuerte" Common-Rail-Systeme verwendet, wobei ein Einspritzdruck an eine Last und eine Drehzahl der Brennkraftmaschine angepasst werden kann. Eine Patentveröffentlichung aus diesem Fachgebiet ist beispielsweise die
DE 10 2007 059 540 A1 .
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, sowie durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Piezo-Aktors für ein Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine, wobei der Piezo-Aktor mittels eines Stroms geladen und/oder entladen wird. Erfindungsgemäß wird ein Betrag des Stroms zu Beginn eines Ladevorgangs bzw. eines Entladevorgangs des Piezo-Aktors bis zu einem ersten Wert erhöht, und nachdem der Betrag des Stroms den ersten Wert erreicht hat, wird der Betrag des Stroms bis zu einem Ende des Ladevorgangs bzw. des Entladevorgangs monoton vermindert. Vorzugsweise erfolgt die Erhöhung des Stroms auf den ersten Wert sprunghaft. Alternativ ist eine stetige Erhöhung möglich.
-
In Abhängigkeit von einer Ausführungsform des Piezo-Aktors bzw. des Einspritzventils erfolgt ein Öffnen des Einspritzventils beim Laden oder Entladen des Piezo-Aktors. Die oben verwendete Bezeichnung "monoton vermindert" besagt, dass der Betrag des Stroms in einem jeweils betrachteten Zeitintervall vermindert oder konstant gehalten wird, jedoch mindestens nicht wesentlich erhöht wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass zu Beginn eines Öffnungsvorgangs des Einspritzventils der Piezo-Aktor vergleichsweise schnell geladen bzw. entladen werden kann, so dass das Einspritzventil vergleichsweise schnell öffnen kann. Insbesondere kann die Erfindung verhindern, dass ein Ventilelement des Einspritzventils dabei zu schnell an einem Hubanschlag anschlägt. Dazu wird ein Zeitverlauf des den Piezo-Aktor ladenden bzw. entladenden Stroms erfindungsgemäß vorgegeben. Dadurch kann ein Betrieb des Einspritzventils verbessert, ein Betriebsgeräusch gesenkt und die Dauerfestigkeit gegebenenfalls erhöht werden.
-
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird, nachdem der Betrag des Stroms den ersten Wert erreicht hat, der Betrag des Stroms bis zu dem Ende des Ladevorgangs bzw. des Entladevorgangs streng monoton vermindert. Die Bezeichnung "streng monoton vermindert" besagt, dass der Betrag des Stroms in dem jeweils betrachteten Zeitintervall fortlaufend vermindert, jedoch nicht konstant gehalten oder erhöht wird. Nicht ausgeschlossen ist dabei eine Verminderung mit im betrachteten Zeitintervall unterschiedlicher bzw. veränderlicher Steigung. Bei "monotoner" und ebenso bei "streng monotoner" Verminderung des Stroms sind ferner sprunghafte Verminderungen des Stroms in der Definition mit eingeschlossen. Durch die streng monotone Verminderung des Stroms kann der Betrieb des Einspritzventils gegebenenfalls weiter verbessert werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung wird, nachdem der Betrag des Stroms den ersten Wert erreicht hat, der Betrag des Stroms auf einen zweiten Wert monoton oder streng monoton vermindert, wobei der zweite Wert kleiner ist als der erste Wert, und der Betrag des Stroms wird, ausgehend von dem zweiten Wert bis zu dem Ende des Ladevorgangs bzw. des Entladevorgangs monoton oder streng monoton vermindert. Dadurch kann der Strom mittels zwei vorgebbarer Schwellwerte gesteuert werden, wodurch die Steuerung vereinfacht und verbessert werden kann.
-
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass eine Spannung des Piezo-Aktors ermittelt wird, und dass der Betrag des Stroms in Abhängigkeit von der Spannung vermindert wird. Dadurch kann eine gegebenenfalls zu hohe Spannung an dem Piezo-Aktor vermieden und das Einspritzventil besonders präzise gesteuert werden.
-
Die Erfindung umfasst vorzugsweise eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, welche das Verfahren insbesondere mittels eines entsprechend programmierten Computerprogramms durchführen kann.
-
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
-
1 eine Schnittansicht eines mit einem Piezo-Aktor ausgestatteten Einspritzventils für eine Brennkraftmaschine;
-
2 ein erstes Zeitdiagramm mit einem Strom und einem Hub eines Ventilelements des Einspritzventils von 1;
-
3 ein zweites Zeitdiagramm ähnlich zu 2;
-
4 ein drittes Zeitdiagramm ähnlich zu 2; und
-
5 ein viertes Zeitdiagramm ähnlich zu 2.
-
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
-
1 zeigt einen vereinfachten schematischen Längsschnitt durch ein Einspritzventil 10 für eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine, welche beispielsweise als Dieselmotor ausgeführt ist. Mit dem Einspritzventil 10 kann der Kraftstoff beispielsweise direkt in einen Brennraum eingespritzt werden. Vorliegend umfasst das Einspritzventil 10 einen (in der Zeichnung oberen) ersten Gehäuseabschnitt 12, einen (in der Zeichnung mittleren) zweiten Gehäuseabschnitt 14, welcher mittels eines Gewindes 16 mit dem ersten Gehäuseabschnitt 12 verschraubt ist, und einen dritten Gehäuseabschnitt 18.
-
Der zweite Gehäuseabschnitt 14 weist in einem in etwa mittleren axialen Bereich einen sich radial erstreckenden Wandabschnitt 14a auf. In dem Wandabschnitt 14a ist eine zentrische Öffnung 14b vorhanden. Ein in der 1 oberer Abschnitt des dritten Gehäuseabschnitts 18 ist in einem radial inneren Bereich des zweiten Gehäuseabschnitts 14 an dem Wandabschnitt 14a angeordnet. Die drei Gehäuseabschnitte 12, 14 und 18 sind zumindest abschnittsweise als rotationssymmetrische Hohlkörper ausgeführt.
-
In einem in der 1 oberen Bereich weist das Einspritzventil 10 an dem ersten Gehäuseabschnitt 12 einen axialen Zulaufanschluss 20 auf, durch welchen Kraftstoff von einem nicht dargestellten Hochdruckspeicher ("common rail") zugeführt werden kann. Radial innerhalb des ersten Gehäuseabschnitts 12 ist ein im Wesentlichen zylindrisch ausgeführter Piezo-Aktor 22 angeordnet, welcher an seinem in der 1 oberen Endabschnitt an einer inneren Stirnfläche des ersten Gehäuseabschnitts 12 angeordnet ist. Weiterhin weist der Piezo-Aktor 22 elektrische Anschlüsse 24 auf, welche durch den ersten Gehäuseabschnitt 12 nach außen geführt sind. Zwischen dem Piezo-Aktor 22 und einem radial inneren Bereich des ersten Gehäuseabschnitts 12 ist ein erster Fluidraum 25 vorhanden, welcher über einen Kanal 27 mit dem Zulaufanschluss 20 hydraulisch verbunden ist.
-
Ein in der 1 unterer Endabschnitt des Piezo-Aktors 22 ist an einem scheibenförmig ausgeführten Endabschnitt 26 eines Kopplerkolbens 28 angeschlagen. Der Kopplerkolben 28 ist in einem in der Zeichnung unteren Bereich axial in etwa zur Hälfte in einer zylindrischen Hülse 30 angeordnet und somit radial darin geführt. Zwischen einem stirnseitigen Endabschnitt der zylindrischen Hülse 30 und dem scheibenförmig ausgeführten Endabschnitt 26 des Kopplerkolbens 28 ist eine auf Druck beanspruchte Schraubenfeder 32 angeordnet, welche den Kopplerkolben 28 radial umgibt und diesen in der 1 nach oben gegen den Piezo-Aktor 22 drückt und somit den Piezo-Aktor 22 mit einer Druckkraft beaufschlagt.
-
Ein in der Zeichnung unterer Endabschnitt der zylindrischen Hülse 30 ist an einer Stirnfläche des sich radial einwärts erstreckenden Wandabschnitts 14a angeschlagen. Die innerhalb des ersten Gehäuseabschnitts 12 angeordneten Elemente sind zusammen derart bemessen, dass in einem Bereich zwischen dem Wandabschnitt 14a, einem unteren radial inneren Bereich der zylindrischen Hülse 30 und einem in der Zeichnung unteren Endabschnitt des Kopplerkolbens 28 ein zweiter Fluidraum 34 ("erster Kopplerraum") gebildet ist. Der zweite Fluidraum 34 grenzt an die zentrische Öffnung 14b an.
-
Der dritte Gehäuseabschnitt 18 weist innerhalb des zweiten Gehäuseabschnitts 14 einen ersten Durchmesser (ohne Bezugszeichen) auf, und in einem in der Zeichnung mittleren Abschnitt einen kleineren zweiten Durchmesser (ohne Bezugszeichen) auf. An einem dadurch gebildeten Durchmessersprung ist der dritte Gehäuseabschnitt 18 mittels einer ringförmigen Halterung 36 an dem zweiten Gehäuseabschnitt 14 gehalten. Ein in der 1 unterer Abschnitt des dritten Gehäuseabschnitts 18 ist im Wesentlichen konisch ausgeführt und weist an einem in der Zeichnung unteren Endabschnitt eine Düsenöffnung 38 auf, durch welche Kraftstoff in einen (nicht dargestellten) Brennraum eingespritzt werden kann.
-
Radial innerhalb des dritten Gehäuseabschnitts 18 ist ein Ventilelement 40 ("Düsennadel") angeordnet. Das Ventilelement 40 ist im Wesentlichen abschnittsweise zylindrisch ausgeführt und weist entlang einer axialen Länge mehrere Abschnitte mit verschiedenen Durchmessern auf. In der Zeichnung unten weist das Ventilelement 40 einen Konus 42 auf, welcher in der in 1 gezeigten geschlossenen Ventilstellung an einem Dichtsitz 44 anliegt.
-
Ein axial mittlerer Abschnitt 41 des Ventilelements 40 ist an einer radial inneren Wandfläche des dritten Gehäuseabschnitts 18 geführt. Der mittlere Abschnitt 41 weist mindestens einen axialen hydraulischen Kanal 43 auf, der beispielsweise durch eine Längsnut in einer äußere Mantelfläche des mittleren Abschnitts 41 gebildet ist. Ein in der Zeichnung oberer Endabschnitt 45 des Ventilelements 40 ist radial in einer zweiten zylindrischen Hülse 46 geführt und darin axial bewegbar angeordnet.
-
Zwischen einem in der Zeichnung unteren ringförmigen Endabschnitt (ohne Bezugszeichen) der zylindrischen Hülse 46 und einem scheibenförmig ausgeführten mittleren Abschnitt 48 des Ventilelements 40 ist eine auf Druck beanspruchte Schraubenfeder 50 angeordnet, welche den oberen Endabschnitt 45 radial umgibt. Mittels der Schraubenfeder 50 ist zum einen ein in der Zeichnung oberer Endabschnitt der zylindrischen Hülse 46 gegen den Wandabschnitt 14a gedrückt, und zum anderen ist das Ventilelement 40 bzw. der Konus 42 gegen den Dichtsitz 44 gedrückt.
-
Die innerhalb des dritten Gehäuseabschnitts 18 angeordneten Elemente sind zusammen derart bemessen, dass in einem Bereich zwischen dem Wandabschnitt 14a, einem oberen radial inneren Bereich der zylindrischen Hülse 46 und dem oberen Endabschnitt 45 des Ventilelements 40 ein dritter Fluidraum 52 ("zweiter Kopplerraum") gebildet ist. Der dritte Fluidraum 52 ist mit der zentrischen Öffnung 14b und somit auch mit dem zweiten Fluidraum 34 hydraulisch verbunden. Da der Kopplerkolben 28 einen größeren Durchmesser hat als der Endabschnitt 45, wird mittels des Kopplerkolbens 28 und der Fluidräume 34 und 52 eine Kraftübersetzung bzw. Wegübersetzung zwischen dem Piezo-Aktor 22 und dem Ventilelement 40 ermöglicht. Außerdem können dadurch Fertigungstoleranzen sowie Temperatureinflüsse ausgeglichen werden.
-
Radial außen an dem Ventilelement 40 und radial innerhalb des dritten Gehäuseabschnitts 18 sind ein vierter Fluidraum 54 und ein fünfter Fluidraum 56 ausgebildet. An dem dritten Gehäuseabschnitt 18 ist außerdem ein Kanal 58 angedeutet, durch welchen unter Druck stehender Kraftstoff in den fünften Fluidraum 56 strömen kann. Alle fünf Fluidräume 25, 34, 52, 54 und 56 sind mit Kraftstoff gefüllt.
-
In einem ersten Betriebszustand, welcher dem geschlossenen Einspritzventil 10 entspricht, weisen die fünf Fluidräume 25, 34, 52, 54 und 56 zumindest in etwa einen dem Hochdruckspeicher ("Rail") entsprechenden Kraftstoffdruck auf. Dabei ist der Piezo-Aktor 22 mittels der elektrischen Anschlüsse 24 auf eine Spannung von beispielsweise 160 Volt aufgeladen, wobei eine axiale Länge des Piezo-Aktors 22 in Bezug auf einen nicht geladenen Zustand vergrößert ist.
-
In einem zweiten Betriebszustand wird das Einspritzventil 10 geöffnet, indem der Piezo-Aktor 22 mittels der elektrischen Anschlüsse 24 definiert entladen wird, wie weiter unten bei den 2 bis 5 noch näher erläutert werden wird. Als Folge der Entladung wird die axiale Länge des Piezo-Aktors 22 in Bezug auf den geladenen Zustand verkleinert. Dabei erzeugt der Piezo-Aktor 22 eine vergleichsweise große Kraft bzw. große mechanische Leistung. Dadurch wird mittels des Kopplerkolbens 28 und der durch die Öffnung 14b verbundenen Fluidräume 34 und 52 das Ventilelement 40 in der Zeichnung nach oben bewegt, wobei der Konus 42 von dem Dichtsitz 44 abhebt. Durch die Düsenöffnung 38 kann daher Kraftstoff nach kurzer Verzugszeit und mit hohem Druck in den Brennraum eingespritzt werden.
-
Danach kann der Piezo-Aktor 22 mittels der elektrischen Anschlüsse 24 wiederum geladen werden, wobei sich die axiale Länge des Piezo-Aktors 22 vergrößert und das Einspritzventil 10 somit schließt.
-
2 zeigt in einem oberen Zeitdiagramm einen über die elektrischen Anschlüsse 24 eingeprägten Strom I, mit dem der Piezo-Aktor 22 nach einer jeweiligen Vorgabe geladen bzw. entladen werden kann. In einem unteren Zeitdiagramm ist ein zugehöriger axialer Hub 60 des Ventilelements 40 dargestellt. Dabei entspricht die Abszisse des dargestellten unteren Koordinatensystems einem Anschlag des Konus 42 an dem Dichtsitz 44. Die beiden Diagramme weisen einen zueinander gleichen Zeitmaßstab auf.
-
Das nachfolgend durch die 2 bis 5 beschriebene Verfahren zum Betreiben des Piezo-Aktors 22 für das Einspritzventil 10 sieht vor, dass der Piezo-Aktor 22 mittels eines Stroms I geladen und/oder entladen wird, wobei ein Betrag des Stroms I zu Beginn eines Ladevorgangs bzw. eines Entladevorgangs des Piezo-Aktors 22 bis zu einem ersten Stromwert I1 erhöht wird, und nachdem der Betrag des Stroms I den ersten Stromwert I1 erreicht hat, der Betrag des Stroms I bis zu einem Ende des Ladevorgangs bzw. des Entladevorgangs monoton oder streng monoton vermindert wird. Vorzugsweise wird das Verfahren mittels einer nicht dargestellten Steuer- und/oder Regeleinrichtung durchgeführt, auf welcher ein Computerprogramm zum Betreiben des Einspritzventils 10 abläuft. Der Stromwert I1 ist vergleichsweise groß gewählt.
-
Vorliegend ist ein Zeitverlauf des Stroms I unter Verwendung zweier Stromwerte I1 und I2 beschrieben. Der Stromwert I2 entspricht beispielsweise dem halben Wert des Stromwerts I1. Für Zeiten kleiner als ein Zeitpunkt t1 ist der Piezo-Aktor 22 beispielsweise auf die oben erwähnte Spannung von 160 Volt aufgeladen. Zum Zeitpunkt t1 wird der Piezo-Aktor 22 dann über die elektrischen Anschlüsse 24 (bei entsprechender Polung des Stroms I) entladen. Ausgehend von dem Zeitpunkt t1 und dem Stromwert I1 wird ein Betrag des Stroms I (Entladestrom) stetig und monoton vermindert. Zu einem Zeitpunkt t3 wird der Strom I sprunghaft auf den Stromwert I2 vermindert und bleibt bis zu einem Zeitpunkt t5 konstant. Zu einem Zeitpunkt t2 beginnt das Ventilelement 40 als Folge der Entladung des Piezo-Aktors 22 von dem Dichtsitz 44 abzuheben und erreicht zu einem Zeitpunkt t4 einen maximalen Hub 62. Das Einspritzventil 10 ist somit geöffnet. Daher kann der Strom I zu einem Zeitpunkt t5 auf Null geschaltet und der Entladevorgang somit beendet werden. Danach bleibt das Einspritzventil 10 weiter geöffnet.
-
Um das Einspritzventil 10 schnell und sicher ab dem Zeitpunkt t2 öffnen zu können, wird die Entladung des Piezo-Aktors 22 wie oben beschrieben mit dem vergleichsweise großen Stromwert I1 begonnen. Dadurch kann eine Verzugszeit zwischen einem durch den Zeitpunkt t1 charakterisierten Ansteuerbeginn des Piezo-Aktors 22 und einem tatsächlichen Einspritzbeginn von Kraftstoff ab dem Zeitpunkt t2 in den Brennraum verkürzt werden.
-
Dadurch, dass nach dem Zeitpunkt t1 der Strom I nicht konstant (hoch) gehalten wird, sondern wie oben beschrieben stetig bzw. gestuft vermindert wird, kann ein Anschlagen des Ventilelements 40 an einem Hubanschlag, welcher in der Ausführungsform nach 1 durch einen Anschlag des Endabschnitts 45 an dem Wandabschnitt 14a bewirkt wird, mit einer vergleichsweise geringen Geschwindigkeit bzw. Kraft erfolgen. Insbesondere können mögliche mechanische Schwingungen des Ventilelements 40 verkleinert oder sogar verhindert werden. Außerdem kann eine an dem Piezo-Aktor 22 durch die Aufladung entstehende maximale elektrische Spannung vergleichsweise klein gehalten werden.
-
Ab einem Zeitpunkt t6 wird ein Schließvorgang des Einspritzventils 10 eingeleitet, indem eine Stromrichtung des Stroms I geändert wird und der Piezo-Aktor 22 somit mit einem Stromwert I3 geladen wird. Dieser Ladevorgang ist zu einem Zeitpunkt t9 beendet. Zu einem Zeitpunkt t7 beginnt das Ventilelement 40 seinen Schließvorgang und schlägt zu einem Zeitpunkt t8 wieder an dem Dichtsitz 44 an. Das Einspritzventil 10 ist wieder geschlossen und ein Einspritzzyklus somit beendet.
-
3 zeigt ein weiteres Zeitdiagramm ähnlich zu 2. Im Unterschied dazu wird der Strom I zwischen den Zeitpunkten t1 und t5 stetig und streng monoton vermindert. Zu dem Zeitpunkt t3 wird beim Erreichen des Stromwerts I2 die Steigung des Stroms I verändert.
-
4 zeigt ein weiteres Zeitdiagramm ähnlich zu 2. Im Unterschied dazu wird der Strom I zwischen den Zeitpunkten t1 und t3 konstant auf dem Stromwert I1 gehalten und wird zwischen den Zeitpunkten t3 und t5 mit konstanter Steigung vermindert.
-
5 zeigt ein weiteres Zeitdiagramm ähnlich zu 2. Im Unterschied dazu wird der Strom I zwischen den Zeitpunkten t1 und t3 konstant auf dem Stromwert I1 gehalten und danach zwischen den Zeitpunkten t3 und t5 konstant auf dem Stromwert I2 gehalten.
-
In einer nicht dargestellten Ausführungsform des oben beschriebenen Verfahrens zum Betreiben des Einspritzventils 10 wird eine Spannung des Piezo-Aktors 22 ermittelt, und der Betrag des Stroms I in Abhängigkeit von der ermittelten Spannung vermindert. Dadurch kann eine gegebenenfalls zu hohe Spannung an dem Piezo-Aktor 22 vermieden und somit das Betätigen des Ventilelements 40 besonders präzise gesteuert werden.
-
Der bei den 2 bis 5 verwendete Begriff "monoton" besagt, dass der Betrag des Stroms I in dem betrachteten Zeitintervall vermindert oder konstant gehalten wird, jedoch nicht erhöht wird. Der Begriff "streng monoton" besagt, dass der Betrag des Stroms I in dem betrachteten Zeitintervall fortlaufend vermindert, jedoch nicht konstant gehalten oder erhöht wird. Bei "monotoner" und ebenso bei "streng monotoner" Verminderung des Stroms I sind sprunghafte Verminderungen des Stroms I in der Definition mit eingeschlossen.
-
Es sei weiter angemerkt, dass die in den 2 bis 5 gezeigten Zeitdiagramme lediglich beispielhaft sind. Daher kann in weiteren erfindungsgemäßen nicht dargestellten Ausführungsformen insbesondere der Zeitverlauf des Stroms I von den 2 bis 5 abweichen, sofern die erfindungsgemäße Monotonie des Stroms I berücksichtigt wird.
-
Weiterhin sei angemerkt, dass das erfindungsgemäße Verfahren in vergleichbarer Weise und mit vergleichbarem Erfolg angewendet werden kann, falls das Einspritzventil 10 gemäß 1 derart ausgeführt ist, dass ein Öffnen des Einspritzventils 10 mittels Laden des Piezo-Aktors 22 erfolgt und ein Schließen des Einspritzventils 10 mittels Entladen des Piezo-Aktors 22 erfolgt. In diesem Fall sind die Stromrichtungen des Stroms I invertiert, das heißt, die Vorgänge des Ladens und Entladens werden vertauscht. Der Betrag des Stroms I entspricht dabei im Wesentlichen den gezeigten 2 bis 5.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007059540 A1 [0002]
