DE10359673B4

DE10359673B4 - Sensor zur Hubmessung an einer Ventilnadel relativ zu einem Ventilgehäuse und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE10359673B4
Application number: DE2003159673
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Erhard Dr. Magori; Christian Tump
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: DE10359673A1

Abstract

Sensor zur Messung des Hubes einer Ventilnadel (1) relativ zu einem Ventilgehäuse (4), wobei Ventilnadel (1) und Ventilgehäuse (4) gemeinsam ein Ventil (3) bilden und gemeinsam einen magnetischen Kreis darstellen, der entsprechend der Größe eines anliegenden Hubes der Ventilnadel unterschiedlich geöffnet ist und Mittel zur Messung der Induktivität im magnetischen Kreis, die an der Ventilnadel (1) oder an der inneren Begrenzung des Ventilgehäuses (4) vorhanden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung eines Hubes, der auf eine Ventilnadel aufgebracht wird, wobei diese das aus Ventilnadel und Ventilgehäuse bestehende Ventil um einen bestimmten Spalt öffnet. Um die durch das Ventil zu dosierende Fluidmenge zu erfassen, soll der Hub der Ventilnadel entsprechend eingestellt werden. Weiterhin ist ein Verfahren zum Betrieb eines Hubsensors betroffen.
Das zu lösende technische Problem betrifft die Handhabung von piezokeramischen Aktoren, die Injektoren antreiben. Bisherige solinoid gesteuerte Injektoren weisen beispielsweise mechanische Anschläge auf, zwischen denen sie hin- und hergesteuert werden. Piezokeramische Aktoren sind diesbezüglich mit wesentlichen Vorteilen behaftet, da deren Einsatz extrem kurze Öffnungs- und Schließzeiten der Ventilnadel eines Ventils ermöglicht. Derartige Aktoren können als mechanisch steif betrachtet werden. Durch geeignete Ansteuerung der Piezokeramik ist es möglich, den Hub einer Ventilnadel und damit die eingespritzte Kraftstoffmenge einzustellen, dabei jedoch nicht die bestehende Struktur des Einspritzvorgangs zu verändern. Dies ermöglicht deutlich mehr Freiheitsgrade bei der Auslegung des Brennverfahrens. Beim Einsatz von piezokeramischen Aktoren in Fluid-Dosier-Ventilen sind allerdings Fertigungstoleranzen sowie mechanisch und thermisch bedingte unterschiedliche Dehnungen der Materialien zu beachten. Um diesbezüglich einen Ausgleich zu schaffen, sind hydraulische Lager im Einsatz, die thermische Dehnungen durch langsame hydraulische Ausgleichsvorgänge ausgleichen. Dies bedeutet, dass bei jedem Hubvorgang regelmäßig ein definierter Nullpunkt vorliegt. Für die Zeit der Hubbeaufschlagung wirkt ein hydraulisches Lager jedoch als steifes Widerlager. Dadurch ist der störende Einfluss bestimmter Parameter beseitigt, die die genaue Fluiddosierung behindern.
Die Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors mit konstanter Energie oder Ladung genügt jedoch nicht, um einen gleich bleibenden Hub bzw. eine gleich bleibende Einspritzmenge und damit eine stabile Verbrennung zu gewährleisten.
Bei elektromechanisch angetriebenen Injektoren (beispielsweise mit Solenoid) sind aufgrund von vorhandenen mechanischen Anschlägen der Ventilnadelhub und damit die eingespritzte Kraftstoffmenge sehr genau definierbar. Der Nachteil liegt hierbei darin, dass die eingespritzte Kraftmenge nur über die Einspritzzeit einstellbar ist. Die Ventilnadel wird zwischen den Anschlägen lediglich auf- und zugesteuert.
Aus der WO 94/29589 A1 geht ein Brennstoffinjektor hervor der genau gesteuert wird über die Zeit des Öffnens und Schließens eines Ventils oder über den Grad der Ventilöffnung. Der Injektor wird elektrisch oder elektromagnetisch abgefragt, wobei Elemente des Ventils, bzw. des Injektors nicht Elemente des Sensors sind. Somit misst dieser indirekt.
Der in der deutschen Patentschrift DE 42 38 861 C2 beschriebene überwachte Injektor wird mittels eines induktiven Sensors abgefragt wobei eine Impedanzänderung wiederum innerhalb des Sensors selbst von statten geht wenn metallische Gegenstände ihre Position relativ zum Sensor verändern.
Allgemein wird im Stand der Technik offenbart eine Hubmessung mit in sich abgeschlossenen und damit eigenständigen Sensoren durchzuführen.
Bei piezoelektrischen Antrieben ohne mechanischen Anschlag gibt es mehrere Parameter, die den Hub der Ventilnadel beeinflussen. Dies sind beispielsweise die Temperatur des Piezostacks, die Position des hydraulischen Gegenlagers sowie Vibrationen am Motor, deren Einflüsse auf Hub bzw. Durchfluss durch physikalische Modelle beschrieben werden kann. Insgesamt lässt sich jedoch feststellen, dass es sehr aufwändig ist, ein genauer reproduzierbares und über die Lebensdauer der Bauteile stabiles Verhalten vorherzusagen und damit die für eine kontrollierbare Verbrennung notwendige Genauigkeit in der Einspritzmenge von beispielsweise ± 2% zu erreichen. Hier sind insbesondere die Toleranzen in der Fertigung zu nennen, die ins Verhältnis zu setzen sind zum Hubbereich eines piezoelektrischen Aktors, der lediglich 40–60 μm ausmacht. Darüber hinaus ist es unter Umständen erforderlich, für jeden einzelnen Injektor mehrere Parameter für die Kompensation seines Betriebsverhaltens in aufwändigen und langwierigen Prüfverfahren zu ermitteln.
In vielen Fällen wird die Einspritzmenge über eine λ-Regelung nachgeführt und es werden somit Abweichungen an den Ein spritzventilen ausgeglichen. Es ist jedoch nicht ständig möglich oder erwünscht, da beispielsweise lange Reaktionszeiten damit verbunden sind. Um die Einspritzmenge am Injektor genau regeln zu können, wird letztendlich eine Messung des Nadelhubes am Ventil benötigt. Die besondere Schwierigkeit darin besteht, in den geringen Beträgen, die bei piezoelektrischen Aktoren als Hub vorliegen, in den hohen Geschwindigkeiten und in der Einbaulage unter Kraftstoff bei hohen Temperaturen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur Hubmessung an einer Ventilnadel zur Verfügung zu stellen, so dass der Betrag des Hubes und damit die vom Ventil zu dosierende Fluidmenge detektierbar ist. Weiterhin soll ein Betriebsverfahren angegeben werden.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweilige Merkmalskombination von Anspruch 1 bzw. Anspruch 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine zuverlässige Messgröße für äußerst kleine Hubbewegungen zu suchen ist. Da der Verbund von Ventilnadel und Ventilgehäuse ein Ventil darstellt, welches mit einem Ventilnadelhub geöffnet wird, wird ausgenutzt, dass der durch Ventilnadel und Ventilgehäuse bestehende magnetische Kreis sich bei einer Hubbewegung der Ventilnadel öffnet. Liegt demnach ein Spalt innerhalb des magnetischen Kreises vor, der umso größer ist je weiter die Nadel mit einem umso größeren Hub das Ventil öffnet, desto mehr wird der Magnetfluss verändert werden. Diese Abhängigkeit lässt sich für jedes Ventil anpassen bzw. aufnehmen.
Da der Spalt bei einem Fluid-Dosier-Ventil beim Öffnen mit einem in der Regel paramagnetischen (μ_r ≈ 1) Stoff gefüllt wird, entstehen durch diese Erscheinung keinerlei Einflüsse auf die magnetischen Eigenschaften. Werden einige Windungen, beispielsweise aus dünnem Kupferdraht entweder auf die Nadel oder auf das Innere des Injektorgehäuses aufgebracht, so kann durch die Messung der Amplitude eines eingeprägten Wechselspannungs-Signals die Änderung innerhalb des beschriebenen magnetischen Kreises über Impedanzänderungen an den Klemmen der Spule detektiert werden. Vorteile sind hier die relativ einfache Realisierbarkeit sowie das nahezu temperaturunabhängige Verhalten. Somit liegt eine relativ einfach realisierbare Hubmessung an der Düsennadel zur genauen Regelung der Einspritzmenge von Piezoinjektoren vor.
Dabei ist es vorteilhaft, eine Spule aus Kupferdraht um die Ventilnadel auszubilden.
Mit der Aufnahme einer Kennlinie mit den Parametern Hub der Ventilnadel und Impedanz des magnetischen Kreises wird die Grundlage für den Betrieb eines Ventils mit regelbarer Abgabemenge gebildet. Der Impedanzwert des magnetischen Kreises bei geschlossenem Ventil kann als Referenzwert für den Betrieb herangezogen werden.
Im Folgenden werden anhand von schematischen die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.
1 zeigt eine Schnittdarstellung als Prinzipsskizze des magnetischen Kreises, der sich über das Injektorgehäuse und die Ventilnadel ergibt mit geschlossener Ventilnadel,
2 zeigt eine Darstellung entsprechend 1 mit offener Ventilnadel,
3 zeigt eine Ausgestaltung eines Ventils mit Ventilnadel 1 und Ventilgehäuse 4, bei dem die Spule 6 an der inneren Wand des Ventilgehäuses 4 angebracht ist.
Der Hubsensor für die Ventilnadel 1 liefert eine zuverlässige Information über den Nadelhub, der mit Doppelpfeil jeweils in den 1 bis 3 angedeutet ist. Als Vergleichswert kann zwischen den Einspritzvorgängen mit entsprechendem Hub der Ventilnadel 1 die Impedanz bei geschlossener Ventilnadel als Referenzwert bestimmt werden. Für jeden Injektor ist lediglich eine Kennlinie des Impedanzverlaufs relativ zum Nadelhub aufzunehmen. Damit ist ein Regelalgorithmus erzielbar, der im Betrieb verwendbar ist. Die Anforderung an Fertigungstoleranzen, Änderungen der Mechanik eines Injektors oder des Hubes des Piezoaktors durch Alterung oder Temperaturänderung werden über die Hubregelung ausgeglichen. Die Hubmessung nach dem beschriebenen Prinzip unterliegt selbst praktisch keinen Einflüssen. Die Zahl der Windungen bleibt konstant, die magnetischen Eigenschaften des verwendeten Stahls werden sich nicht wesentlich ändern.
Der in einem Ventil 3 realisierte Hubsensor weist vorzugsweise 20 Windungen aus dünnem, lackierten Kupferdraht auf, die um die Ventilnadel 1 gewickelt sind. Damit ist ein deutlich messbarer Signalhub von ca. 150 mV bei 79 μm Nadelhub messbar. Das eingeprägte Wechselspannungs-Signal weist eine Frequenz von 100 kHz auf. Dieses Signal wird mit einem Funktionsgenerator bekannter Ausgangsimpedanz eingeprägt und die entstehende Spannung wird gemessen. Eine weitere Möglichkeit, die Spule 6 im Ventil 3 zu integrieren, besteht darin, die – Windungen auf das Innere des Injektorgehäuses aufzukleben, wie es in 3 dargestellt ist. Alternativ kann mittels einer Führungshülse beispielsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE) die Spule im Gehäuse 4 fixiert werden.
Die 1 bis 3 zeigen jeweils ein Ventil 3, welches die Bauteile wie Gehäuse 4 und Ventilnadel 1 aufweist. Die Ventilnadel 1 öffnet das Ventil, indem ein Hub die Ventilnadel 1 nach außen schiebt. Der dabei entstehende Spalt 2 hängt direkt mit dem auf die Ventilnadel 1 rückseitig aufgegebenen Hub ab. Somit ist die dosierte Fluidmenge in Abhängigkeit von der Größe des geöffneten Spalts 2 bzw. des anliegenden Hubs der Ventilnadel 1 und natürlich des Drucks im Fluid bekannt.
1 zeigt insbesondere den Zustand der geschlossenen Ventilnadel 1, der beispielsweise einen Referenzwert der Impedanz im magnetischen Kreis erzeugt. Gleiches gilt für 3. In 2 wird die Ventilnadel 1 so dargestellt, dass sie einen gewissen Betrag eines Hubes überwunden hat. Zwischen Ventilnadel 1 und Gehäuse 4 ist am Ventilsitz ein Spalt 2 entstanden. Somit ist die Nadel geöffnet und es kann im Inneren des Ventils 3 befindliches Fluid, welches unter Druck steht, nach außen abgegeben werden. Anhand der Kennlinie des Ventils 3, die die Abhängigkeit der Impedanz des magnetischen Kreises vom jeweiligen Hub der Ventilnadel 1 wiedergibt, lässt sich die Menge des nach außen hin abgeführten Fluids feststellen. Der Hub kann auf einen vorbestimmten Wert nachgeregelt werden. Die Zuleitungen 5 der Spule 6 werden jeweils nach hinten geführt und auf entsprechende Anschlüsse gelegt. Ein entsprechend den 1 bis 3 zusammengestelltes Ventil 3, welches insbesondere von einem piezoelektrischen Aktor bedient wird und den Hub der Ventilnadel 1 entsprechend erzeugt, kann beim Betrieb wie folgt angesteuert werden:

– für ein einzelnes Ventil 3 wird eine Kennlinie ermittelt; bei geschlossenem Ventil wird ein Referenzwert für die Impedanz aufgenommen,
– die Spule 6 wird mit einem Bespannungssignal beaufschlagt, und die entstehende Spannung wird gemessen,
– durch einen Soll-/Istwert-Vergleich kann durch entsprechende veränderte Ansteuerung am piezoelektrischen Aktor der Hub entsprechend nachgeregelt werden.

Claims

Sensor zur Messung des Hubes einer Ventilnadel (1) relativ zu einem Ventilgehäuse (4), wobei Ventilnadel (1) und Ventilgehäuse (4) gemeinsam ein Ventil (3) bilden und gemeinsam einen magnetischen Kreis darstellen, der entsprechend der Größe eines anliegenden Hubes der Ventilnadel unterschiedlich geöffnet ist und Mittel zur Messung der Induktivität im magnetischen Kreis, die an der Ventilnadel (1) oder an der inneren Begrenzung des Ventilgehäuses (4) vorhanden sind.
Sensor nach Anspruch 1, bei dem Mittel zur Messung von Induktivitäten durch mindestens eine Spule (6) aus elektrischen Leitern dargestellt sind.
Sensor nach Anspruch 2, bei dem die Spulen (6) aus Kupferdraht bestehen und um die Ventilnadel (1) gewickelt sind.
Sensor nach Anspruch 2, bei dem die Spule auf die Innenwand des Ventilgehäuses (4) geklebt ist oder mit einer Führungshülse befestigt ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Erzeugung eines Hubes der Ventilnadel (1) ein piezoelektrischer Aktor vorhanden ist.
Verfahren zum Betrieb eines Ventils (3) mit einem Sensor zur Messung des Hubes einer Ventilnadel (1) entsprechend einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem Spulen zur Messung der Induktivität mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt werden und durch Auswertung der Amplitude dieses Signals der Hub der Ventilnadel (1) relativ zum Ventilgehäuse (4) ermittelt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem für ein Ventil eine Kennlinie mit Induktionsverlauf in Abhängigkeit von dem Hub der Ventilnadel (1) erstellt wird und im Betrieb die Ventilnadel (1) auf einen vorgebbaren Hub regelbar ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Induktionswert bei geschlossener Ventilnadel als Referenzwert herangezogen wird.