DE112012000505T5

DE112012000505T5 - Kraftstoffeinspritzdüse mit einem piezoelektrischen Aktuator und einer Sensoranordnung

Info

Publication number: DE112012000505T5
Application number: DE112012000505T
Authority: DE
Inventors: Jesus CARMONA-VALDES; Viktor V. WALTER; Lawrence C. Melton; Syed S. JALAL; Benjamin MANRING; Doulas W. MEMERING; Richard E. Reisinger; Anthony A. Shaull; Shankar Venkataraman; William David DANIEL
Original assignee: Cummins Intellectual Property Inc
Current assignee: Cummins Intellectual Property Inc
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: DE112012000505B4; US20130026257A1; WO2012100075A1; US9086041B2

Abstract

Eine Kraftstoffeinspritzdüse umfasst einen piezoelektrischen Aktuatormechanismus und eine Sensorkonfiguration, um den Zustand des Aktuatormechanismus sowie einer verbundenen Kraftstoffleitung zu messen. Die Sensorkonfiguration umfasst einen piezoelektrischen Sensor mit einem Ausgabesignal mit erheblich reduzierter Verzerrung, welches Steuersignale präzise wiedergibt, die dem piezoelektrischen Aktuatormechanismus bereitgestellt werden.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/434,013, welche am 19. Januar 2011 eingereicht wurde und welche hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich auf Kraftstoffeinspritzdüsen, welche einen piezoelektrischen Aktuatormechanismus und eine Sensorkonfiguration zum Messen des Zustands des Aktuatormechanismus sowie einer verbundenen Kraftstoffleitung verwenden.
HINTERGRUND
Das Betätigen von Kraftstoffeinspritzdüsen ist ein kritisches Merkmal von Verbrennungsmotoren. Bei Kraftstoffeinspritzdüsensystemen, die piezoelektrische Aktuatoren verwenden, welche auch Piezoaktuatoren genannt werden, ist es vorteilhaft, Charakteristika des Kraftstoffzufuhreinspritzens vorherzusagen, was die Zeitwahl des Starts und des Endes des Einspritzens, die Menge an Kraftstoffzufuhr usw. während des Betriebs umfasst. Gegenwärtige Systeme zum Messen und Vorhersagen der Charakteristika der Kraftstoffzufuhr haben jedoch eine ungenügende Empfindlichkeit und Genauigkeit, um eine zuverlässige und widerspruchsfreie Regelung von piezoelektrischen Kraftstoffeinspritzdüsen bereitzustellen. Ein zuverlässiges System zum Messen und Vorhersagen der Charakteristika der Kraftstoffzufuhr wäre für die Betriebsumgebung unempfindlich, welche die Kräfte innerhalb einer Kraftstoffeinspritzdüse umfasst, und könnte das Potenzial haben, den Gesundheitszustand der Elemente der Kraftstoffeinspritzdüse zu diagnostizieren.
KURZFASSUNG
Diese Offenbarung bietet eine Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung für einen Verbrennungsmotor. Die Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung umfasst einen piezoelektrischen Aktuatorbereich, einen Düsenbereich, einen Kolben, einen piezoelektrischen Sensor und einen starren Körper. Der piezoelektrische Aktuatorbereich umfasst einen piezoelektrischen Stapel mit einem entfernten Ende. Ein Kolben ist axial zwischen dem Düsenbereich und dem piezoelektrischen Stapel angeordnet und der Kolben ist dazu gestaltet, sich mittels des piezoelektrischen Stapels zu bewegen. Der piezoelektrische Sensor ist zwischen dem piezoelektrischen Aktuatorbereich und dem Kolben angeordnet. Der piezoelektrische Sensor ist zum Erzeugen eines Ausgabesignals eingerichtet. Ein starrer Körper ist axial zwischen dem entfernten Ende des piezoelektrischen Stapels und dem piezoelektrischen Sensor angeordnet, um den piezoelektrischen Sensor beabstandet von dem entfernten Ende des piezoelektrischen Stapels zu positionieren. Der starre Körper umfasst eine erste Oberfläche, die zum Stützen des piezoelektrischen Sensors angeordnet ist, und eine zweite Oberfläche, die zum Aufnehmen einer Kraft von dem piezoelektrischen Stapel angeordnet ist.
Diese Offenbarung bietet außerdem eine Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung für einen Verbrennungsmotor mit einem piezoelektrischen Aktuatorbereich, einem Düsenbereich, einem Kolben und einem Schnittstellenbereich. Der piezoelektrische Aktuatorbereich hat eine Kontaktfläche. Der Kolben ist axial zwischen dem Düsenbereich und dem piezoelektrischen Aktuatorbereich angeordnet und ist dazu eingerichtet, sich mittels des piezoelektrischen Bereichs zu bewegen. Der Schnittstellenbereich ist zwischen dem piezoelektrischen Aktuatorbereich und dem Kolben angeordnet und befindet sich in Kontakt mit dem piezoelektrischen Aktuatorbereich und dem Kolben.
Der Schnittstellenbereich umfasst einen piezoelektrischen Sensor und einen starren Körper zum Stützen des piezoelektrischen Sensors. Der starre Körper ist zum Kontaktieren der Kontaktfläche gestaltet und ist dazu gestaltet, den piezoelektrischen Sensor beabstandet zu dem piezoelektrischen Aktuatorbereich zu halten.
Diese Offenbarung bietet außerdem eine Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung für einen Verbrennungsmotor mit einem piezoelektrischen Aktuatorbereich, einem Düsenbereich, einem Kolben und einem Schnittstellenbereich. Der piezoelektrische Aktuatorbereich hat eine Kontaktfläche. Der Kolben ist axial zwischen dem Düsenbereich und dem piezoelektrischen Aktuatorbereich angeordnet und ist dazu gestaltet, sich mittels des piezoelektrischen Aktuatorbereichs zu bewegen. Der Düsenbereich ist über eine Bewegung des piezoelektrischen Aktuatorbereichs dazu betreibbar, einen Start eines Einspritzvorgangs und ein Ende des Einspritzvorgangs zu haben. Der Schnittstellenbereich ist zwischen dem piezoelektrischen Aktuatorbereich und dem Einspritzbereich angeordnet und befindet sich in Kontakt mit dem piezoelektrischen Aktuatorbereich und dem Einspritzbereich. Der Schnittstellenbereich umfasst einen piezoelektrischen Sensor, der zum Bereitstellen eines sich verringernden Signals während des Starts des Einspritzvorgangs und eines steigenden Signals während des Endes des Einspritzvorgangs eingerichtet ist.
Vorteile und Merkmale der Ausführungsformen dieser Offenbarung werden besser verständlich von der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gesehen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht einer Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2 ist ein Ausschnitt der Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung von 1 in dem Bereich der Linie 2-2.
3 ist ein Ausschnitt der Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung von 2 in dem Bereich der Linie 3-3.
4 ist eine Perspektivansicht einer Sensoranordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
5 ist eine Schnittansicht der Sensoranordnung von 4 entlang der Linie 5-5.
6 ist eine Perspektivansicht eines piezoelektrischen Sensors der Sensoranordnung von 4.
7 ist eine erste Perspektivansicht eines Trägers der Sensoranordnung von 4.
8 ist eine zweite Perspektivansicht des Trägers der Sensoranordnung von 4.
9 ist ein Graph, welcher Verläufe von einer Kraftstoffeinspritzdüsenbetätigung, eine Ausgabe des piezoelektrischen Sensors und einer Kraftstoffzufuhrrate über die Zeit zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In 1 ist ein Querschnitt einer länglichen Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung 10 gezeigt, welche eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verkörpert. Die Kraftstoffeinspritzdüse 10 umfasst einen Betätigungs-, das heißt Aktuatorbereich 12 mit einem piezoelektrischen Aktuatorstapel 16, einen Düsenbereich 14 mit einem Düsengehäuse 9 und ein Fass 11, das sich von dem Aktuatorbereich 12 zu dem Düsenbereich 14 erstreckt oder befindet. Ein Halteteil 13 umfasst ein inneres Gewinde zum Eingreifen mit entsprechenden äußeren Gewinden an dem unteren Ende des Fasses 11 und des oberen Endes des Düsengehäuses 9, um zu ermöglichen, dass das Fass 1 und das Düsengehäuse 9 in einem kompressiven Kontaktverhältnis zusammengehalten werden, indem das Halteteil 13 bezüglich des Fasses 11 und des Düsengehäuses 9 einfach gedreht wird.
Weil Kraftstoffeinspritzdüsen mehrere Orientierungen haben können, sind die Ausdrücke oben und unten relativ und nicht absolut. Für eine konsistente Beschreibung erstreckt sich der Aktuatorbereich 12 von einem nahen, obersten, oberen, äußeren oder nächsten Ende der Kraftstoffeinspritzdüse 10 und der Düsenbereich 14 erstreckt sich vom entfernten, untersten, unteren, inneren oder ferneren Ende der Kraftstoffeinspritzdüse 10. Ebenfalls für eine konsistente Beschreibung sind die Ausdrücke axial und longitudinal im Wesentlichen Synonyme und beziehen sich auf die Richtung entlang der zentralen Achse der Kraftstoffeinspritzdüse 10, welche sich von dem nahen Ende zu dem entfernten Ende der Kraftstoffeinspritzdüse 10 erstreckt.
Der Düsenbereich 14 umfasst einen Düsenhohlraum 21, der in dem Gehäuse 9 gebildet ist, ein Düsen- oder Nadelventilelement 22, eine Vorspannungsfeder 24 und eine oder mehrere Einspritzdüsenöffnungen oder -passagen 26, die in dem Gehäuse 9 gebildet sind. Der Düsenbereich 14 bildet eine geschlossene Düsenanordnung, indem das Düsenventilelement 22 durch die Feder 24 in eine geschlossene Position vorgespannt ist, in welcher ein Strom durch die Einspritzdüsenöffnungen 26 blockiert wird. Das Düsenventilelement 22 ist reziprok gelagert für eine Bewegung zwischen der geschlossenen Position und einer offenen Position, in welcher ein Strom durch die Einspritzdüsenöffnungen 26 erlaubt wird. Bei der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Düsenbereich 14 eine hydraulische Verbindungsanordnung 25, welche dem Umwandeln der Abwärtsbewegung des piezoelektrischen Stapels 16 in eine Aufwärtsbewegung des Nadelventilelements 22 dient sowie dem Verstärken der Bewegung des piezoelektrischen Stapels 16, um das Nadelventilelement 22 um eine geeignete Größe anzuheben. Die Einspritzdüse 10 ist direkt agierend, indem sie die Kraft des Aktuatorbereichs 12 direkt nutzt, um eine Bewegungskraft auf das Nadelventilelement 22 auszuüben und dazwischen keinen Druck- oder Kraftverlust benötigt, wie zum Beispiel das Druckablassen bei einem unter Druck gesetzten Steuervolumen, indem ein Niedrigdruckablassstrom aus einem Steuervolumen erzeugt wird. Die Struktur und Funktion des Düsenbereichs ist detailliert in der US-Patentanmeldung Nr. 12/797,161 diskutiert, welche am 9. Juni 2010 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die US-Patentanmeldung Nr. 12/466,026, welche am 14. Mai 2009 eingereicht wurde, welche den Titel „Piezoelectric Direct Acting Fuel Injector with Hydraulic Link” (Piezoelektrische direkt agierende Kraftstoffeinspritzdüse mit hydraulischer Verbindung) trägt und deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, beschreibt ebenfalls Merkmale, die bei der Einspritzdüse der vorliegenden Offenbarung integriert werden können. Bei weiteren beispielhaften Ausführungsformen können auch andere Düsenbereiche verwendet werden, die zum Steuern eines Stroms durch Einspritzdüsenöffnungen fähig sind.
Die Einspritzdüse 10 umfasst auch einen Kolben 20. Der Aktuatorbereich 12 ist speziell dazu gestaltet, eine präzise Steuerung der Bewegung des Nadelventilelements 22 von seiner geschlossenen zu seiner offenen Position zu ermöglichen, um so vorhersagbar den Kraftstoffstrom durch die Einspritzdüsenöffnungen 26 zu steuern, um eine gewünschte Kraftstoffdosierung und vorzugsweise eine gewünschte Kraftstoffeinspritzratenänderung zu erzielen. Wie in 1 gezeigt, umfasst der Aktuatorbereich 12 den Kolben 20 und den piezoelektrischen Aktuator oder Stapel 16, um selektiv den Kolben 20 zu bewegen, beispielsweise durch einen zuvor bestimmten variablen Zeitplan für das Anheben, auf eine Betätigung hin, um präzise die Bewegung des Nadelventilelements 22 zu steuern. Der piezoelektrische Aktuator 16 umfasst einen säulenförmigen Schichtkörper oder -stapel aus dünnen scheibenförmigen Elementen, von denen jedes einen piezoelektrischen Effekt und ein Aktuatorgehäuse 18 aufweist. Wenn eine Spannung, das heißt +150 Volt an jedes Element angelegt wird, expandieren die Elemente entlang der axialen oder longitudinalen Richtung der Säule. Wenn andererseits eine Spannung von –150 Volt an jedes Element angelegt wird, ziehen sich die Elemente zusammen, so dass das innere Ende des piezoelektrischen Aktuators 16 sich vom Düsenbereich 14 wegbewegt. Das untere oder entfernte Ende des piezoelektrischen Aktuators oder Stapels 16 stößt an das obere Ende eines Schnittstellenbereichs 30, was am besten in 2 sichtbar ist, so dass das Zusammenziehen/Ausdehnen des piezoelektrischen Aktuators 16 direkt durch den Schnittstellenbereich 30 an den Kolben 20 übertragen wird.
Das Aktuatorgehäuse 18 wird mit dem Fass 11 verbunden, was eine Relativbewegung des Gehäuses 18 in Bezug auf das Fass 11 verhindert und einen Schnittstellenabstandshalter 40 einsperrt, welcher detaillierter im Folgenden beschrieben wird. Ein Stecker oder Stöpsel 62 wird mit einem nahen Ende des Gehäuses 18 verbunden und ermöglicht ein Anpassen der Größe einer Kompression, das heißt eines Drucks, auf eine Kappe 58, den piezoelektrischen Aktuator oder Stapel 16 und den Schnittstellenbereich 30, womit eine oder mehrere Federscheiben 43 gegen einen Sitz 45 komprimiert werden, womit eine Vorspannung auf den piezoelektrischen Aktuator oder Stapel 16 erzeugt wird. Der piezoelektrische Aktuator 16 kann eine beliebige Art oder ein beliebiges Design eines piezoelektrischen Aktuators umfassen, welcher dazu fähig ist, den Kolben 20 und die hydraulische Verbindungsanordnung 25 wie im Folgenden beschrieben, zu betätigen.
Es ist anzumerken, dass das Betätigen und Beenden des Betätigens des Aktuators oder Stapels 16 durch eine Steuervorrichtung (nicht dargestellt) gesteuert wird, das heißt durch eine elektronische Steuereinheit, welche präzise den Zeitpunkt des Einspritzens steuert, indem ein Einspritzsteuersignal an den Aktuator 16 zu einer zuvor bestimmten Zeit während des Motorenbetriebs gegeben wird, welche die Kraftstoffdosierung präzise steuert, indem die Dauer des Einspritzsteuersignals gesteuert wird, und welche vorzugsweise auch den Verlauf der Einspritzrate präzise steuert, indem die Spannungsversorgung des Aktuators 16 basierend auf Motorenbetriebseigenschaften kontrolliert variiert wird.
Mit Bezug auf 2 ist zwischen dem Aktuatorbereich 12 und dem Düsenbereich 14 der Schnittstellenbereich 30 angeordnet. Der Schnittstellenbereich 30 überträgt Kräfte zwischen dem Kolben 20 und dem piezoelektrischen Stapel 16. Der Schnittstellenbereich 30 umfasst einen Sensor 52 und einen starren Körper 50, der zwischen dem Sensor 52 und dem entfernten Ende des Stapels 16 angeordnet ist. Bei der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Schnittstellenbereich 30 außerdem eine Sensorplattform 34, die an der Seite des Sensors 52 angeordnet ist, welche dem Aktuatorbereich 12 gegenüberliegt, wobei die Sensorplattform 34 an den Sensor 52 angrenzt und wobei der Schnittstellenbereich 30 außerdem eine Stütze 38 und eine Führung 36 umfasst. Bei der beispielhaften Ausführungsform grenzt der starre Körper 50 an den piezoelektrischen Stapel 16, das heißt er kontaktiert ihn direkt, während die Sensorplattform 34 an den Sensor 52 angrenzt, das heißt diesen direkt kontaktiert. Bei der beispielhaften Ausführungsform bildet der starre Körper 50 einen Träger oder ein Gehäuse für den Sensor 52, wodurch eine Sensoranordnung 32 gebildet wird, wie detaillierter im Folgenden beschrieben. Bei der beispielhaften Ausführungsform sind die Stütze 38 und die Führung 36 axial zwischen der Sensorplattform 34 und dem Kolben 20 angeordnet, um eine Kraft/Bewegung zwischen dem piezoelektrischen Stapel 16 und dem Kolben 20 zu übertragen. Der Schnittstellenabstandshalter 40, welcher longitudinal zwischen dem Fass 11 und einem Aktuatorgehäuse 18 angeordnet ist, umfasst eine Bohrung, durch welche ein äußeres Ende des Kolbens 20 sich zum Kontaktieren der Führung 36 erstreckt. Eine oder mehrere Federn oder Federscheiben 43 und der Sitz 45 können sich an einer Stelle axial zwischen dem Schnittstellenabstandshalter 40 und der Sensorplattform 34 befinden. Wie zuvor angemerkt, können die Federscheiben 43 eine Vorspannung für den piezoelektrischen Aktuator 13 bereitstellen.
Die Sensoranordnung 32 ist axial oder longitudinal entlang der Achse der Kraftstoffeinspritzdüse zwischen dem piezoelektrischen Stapel 16 des Aktuatorbereichs 12 und dem Kolben 20 angeordnet. Bei der beispielhaften Ausführungsform sind die Sensorplattform 34, die Stütze 38 und die Führung 36 zwischen dem Kolben 20 und der Sensoranordnung 32 angeordnet, um eine direkte Verbindung zur Übertragung von Kraft und Bewegung vom piezoelektrischen Stapel 16 auf den Kolben 20 bereitzustellen. Mit Bezug auf 3 sind der piezoelektrische Stapel 16, die Sensoranordnung 32 und die Sensorplattform 34 gleitbar oder bewegbar innerhalb einer Halterung 42, das heißt eines Halteteils, aufgenommen. Die Halterung 42 kann eine Lippe 44 oder eine andere Charakteristik umfassen, um zu verhindern, dass sich die Sensorplattform 34 und die anderen innerhalb der Halterung 42 gehaltenen Elemente, wie zum Beispiel der piezoelektrische Stapel 16, von der Halterung 42 während des Zusammenbaus lösen. Neben einem Kopf 48 der Sensorplattform 34 befindet sich eine Dichtung 46. Der Träger 50 und der Sensor 52 sind axial zwischen dem piezoelektrischen Stapel 16 positioniert und können sich in Kontakt mit der Sensorplattform 34 befinden. Während die beispielhafte Ausführungsform eine spezielle Anordnung der Elemente beschreibt, was den Träger 50, die Sensorplattform 34, die Stütze 38, die Führung 36 usw. umfasst, können andere Ausführungsformen weitere oder weniger Elemente umfassen, die dem Zweck dienen, eine Kraft von dem piezoelektrischen Aktuator 16 an den Kolben 20 zu übertragen, solange ein starrer Körper 50 zwischen dem Sensor und dem fernen Ende des Stapels an piezoelektrischen Elementen angeordnet ist oder sich dazwischen erstreckt. Beispielsweise kann bei anderen Ausführungsformen der Träger 50 mehrere Elemente enthalten und/oder der Kolben 20 kann direkt eine Schnittstelle mit der Sensorplattform 34 bilden.
Mit Bezug auf die 4 bis 8 sind die Sensoranordnung 32 und Merkmale der Sensoranordnung 32 gezeigt. Wie zuvor angemerkt, umfasst die Sensoranordnung 32 das Gehäuse oder den Träger 50 und den piezoelektrischen Sensor 52. Während der Sensor 52 hierin als piezoelektrischer Sensor beschrieben ist, kann der Sensor 52 irgendein Druck- oder Kraftsensor oder -wandler sein, welcher eine ausreichende Kraftempfindlichkeit hat und welcher eine Größe hat, die es ermöglicht, den Sensor wie in den Figuren dargestellt, zu platzieren. Bei der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Sensor 52 einen druckempfindlichen Bereich 53, einen ringförmigen Bereich 51, der um den druckempfindlichen Bereich 53 angeordnet ist, und ein Paar von isolierten Leitungen oder Drähten 54, die sich von dem ringförmigen Bereich 51 erstrecken. Die Drähte 54 können durch ein Paar von Kanälen 56 geführt sein, welche an einem Rand des Trägers 50 gebildet sind. Die Position der Kanäle 56 und der Durchmesser des Trägers 50 ermöglichen es, die Drähte 54 über den piezoelektrischen Stapel 16 hinaus zu führen, wie in 1 gezeigt, während der Krümmungsradius der Drähte 54 innerhalb von Gestaltungsbeschränkungen gehalten wird. Das Halten des Krümmungsradius innerhalb der Gestaltungsbeschränkungen hält auch die Krümmungsspannung der Drähte 54 innerhalb von Gestaltungsbeschränkungen, wenn die Drähte 54 von dem Punkt, an dem sie den Sensor 52 verlassen, zu dem Durchmesser des piezoelektrischen Stapels 16 geführt werden, insbesondere wie in 3 gezeigt. Die Drähte 54 sind entlang einer inneren Oberfläche der Halterung 42 zu einem nahen oder ersten Ende der Kraftstoffeinspritzdüse 10 geführt, wo die Drähte durch die Kappe 58 geführt sind, welche eine oder mehrere Passagen 60 enthält, was in 1 dargestellt ist. Die Passagen 60 ermöglichen es, dass die Drähte 54 von einem Rand des piezoelektrischen Stapels 16 zu einer Longitudinalachse der Kraftstoffeinspritzdüse 10 verlaufen, während der Krümmungsradius und damit die Krümmungsspannung der Drähte 54 innerhalb von Gestaltungsbeschränkungen für die Drähte 54 gehalten wird. Von der Kappe 58 verlaufen die Drähte 54 durch einen zentralen Bereich des Steckers 62.
Der ringförmige Bereich 51 des Sensors 52 kann einen oder mehrere Sensorvorsprünge 64 umfassen, welche in Öffnungen 66 in den Träger 50 eingreifen, um eine Drehung des Sensors 52 innerhalb des Trägers 50 zu verhindern, welche schädlich für die Drähte 54 wäre. Eine erste Oberfläche oder ein Bereich 68 des Sensors 52 ist innerhalb des Trägers 50 in angrenzendem Kontakt mit einer inneren Oberfläche 70 des Trägers 50 angeordnet. Die erste Oberfläche 68 und die innere Oberfläche 70 können eine ebene Oberfläche, eine planare Oberfläche oder eine andere Art von zueinander passenden Oberflächen sein. Eine zweite Oberfläche oder ein Bereich 72 des Sensors 52, welcher in den 3 und 5 gesehen werden kann, kontaktiert berührend die Oberfläche 74 der Sensorplattform 34. Die zweite Oberfläche 72 und die Kontaktoberfläche 74 können ebene Oberflächen, planare Oberflächen oder andere Arten von zueinander passenden Oberflächen sein. Der Träger 50 kann einen oder mehrere Trägervorsprünge 78 umfassen, die zu Formen passen, welche innerhalb des Aktuatorbereichs 12 gebildet sind, um ein Drehen der Sensoranordnung 32 in Bezug auf den Aktuatorbereich 12 zu verhindern, was schädlich für die Drähte 54 sein könnte. Kanäle 56 können sich durch oder zwischen den Vorsprüngen 78 erstrecken, um es den Drähten 54 zu ermöglichen, zwischen einem Paar von Vorsprüngen 78 durchzulaufen. Eine Seitenwand 82 erstreckt sich longitudinal von der Oberfläche 68, um eine Vertiefung zur Aufnahme des Sensors 52 zu bilden. Die innere oder untere Kante der Seitenwand 82 kann eine Lippe 80 umfassen, die sich radial nach innen in einer Richtung zu einer Longitudinalachse des Trägers 50 hin von der Seitenwand 82 des Trägers 50 erstreckt. Die Seitenwand 82 kann einen Durchmesser haben, der größer ist als der Durchmesser des Sensors 52, um einen einfachen Zusammenbau zu ermöglichen. Die Lippe 80 erstreckt sich jedoch bis zu einem Durchmesser, welcher eine Presspassung mit dem Sensor 82 bereitstellt, um den Sensor 52 während des Zusammenbaus innerhalb des Trägers 50 zu halten. Die Größe der Presspassung hängt vom Material des Trägers 50 ab. Der Träger 50 sollte ein starres Material sein, vorzugsweise ein Metallmaterial. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann das verwendete Metall ein rostfreier Stahl sein.
Wenn der Aktuatorbereich 12 durch ein Steuermodul, ECM (electronic control module, elektronisches Steuermodul), ECU (electronic control unit, elektronische Steuereinheit) oder einen äquivalenten Mechanismus (nicht dargestellt) gesteuert wird, empfängt der Aktuatorbereich 12 ein Spannungssignal. Der piezoelektrische Stapel 16 reagiert auf das Spannungssignal durch ein Ausdehnen entlang der Longitudinalachse der Kraftstoffeinspritzdüse 10, was die Sensoranordnung 32 longitudinal entlang der Kraftstoffeinspritzdüse 10 in Richtung des entfernten Endes der Kraftstoffeinspritzdüse 10 bewegt. Die Bewegung der Sensoranordnung 32 bewirkt, dass sich andere Elemente des Schnittstellenbereichs 30 longitudinal bewegen. Im Spezielleren bewegen sich die Sensorplatfform 34, Stütze 38 und die Führung 36 longitudinal in Richtung des entfernten Endes der Kraftstoffeinspritzdüse 10. Die Bewegung der Sensorplatfform 34 ist möglich, weil der äußere Durchmesser der Sensorplatfform 34 kleiner ist als der innere Durchmesser des Halteteils 42. Die Dichtung 46 bewirkt ein Abdichten zwischen dem Inneren des Halteteils 42 und dem Äußeren der Sensorplatfform 34, womit verhindert wird, dass Kraftstoff in das Halteteil 42 eintritt. Die Bewegung der Stütze 38 und der Führung 36 bewirkt, dass sich der Kolben 20 longitudinal in Richtung des entfernten Endes der Kraftstoffeinspritzdüse 10 bewegt.
Die Bewegung des Kolbens 20 bewirkt, dass die hydraulische Verbindung 25 das Nadelventilelement 22 in einer konventionellen Weise anhebt. Während die Nadel 22 beginnt, sich von einem inneren Sitz, der in dem Düsengehäuse 9 gebildet ist, wegzubewegen, kann ein unter Hochdruck gesetzter Kraftstoff im Düsenhohlraum 21 von einer Kraftstoffleitung (nicht dargestellt), die fluidmäßig mit dem Düsenhohlraum 21 verbunden ist, dabei helfen, die Nadel 22 schnell von dem Sitz wegzubewegen, welcher in dem Düsengehäuse 9 in einer konventionellen Weise gebildet ist.
Die Erfinder erkennen, dass es vorteilhaft ist, Charakteristika des Kraftstoffzufuhreinspritzens vorherzusagen, was Start und Abschluss (-zeitpunkt) des Einspritzens, die Menge der Kraftstoffzufuhr usw. während dem Betrieb umfasst. Basierend auf diesen Echtzeit-Schätzungen, können Regelungen umgesetzt werden, die einer Variabilität in Hardware- und Betriebszuständen Rechnung tragen. Der Gesundheitszustand des piezoelektrischen Stapels und der mechanischen Einspritzdüse können ebenfalls diagnostiziert werden. Eine Rückmeldung von einem piezoelektrischen Aktuatormechanismus kann eine gewisse Verbesserung in der Steuerung von piezoelektrischen Aktuatoren bereitstellen. Beispielsweise beschreiben die US-Patente Nr. 6,253,736 und 6,837,221 derselben Inhaberin verschiedene Techniken, um eine Rückmeldung von den piezoelektrischen Elementen von Kraftstoffeinspritzdüsen zu erhalten. Während diese technische Verbesserungen des Messens der Funktion der piezoelektrischen Aktuatorvorrichtungen bieten, könnten eine zusätzliche Empfindlichkeit und verringertes Rauschen vom piezoelektrischen Sensor eine verbesserte Steuerung der Funktion einer Kraftstoffeinspritzdüse ergeben.
Ein piezoelektrischer Aktuator/eine piezoelektrische Einspritzdüse kann einen Kraftrückmeldesensor umfassen, um auf Kräfte zu reagieren, die aus einer Betätigung des piezoelektrischen Aktuators resultieren, und um auf Kräfte zu reagieren, die aus hydraulischen Dynamiken der Einspritzdüse, das heißt in der Düsenanordnung der Einspritzdüse, resultieren. Abhängig von dem Zusammenbau, der Platzierung und Anordnung des Kraftrückmeldesensors innerhalb des Aktuators/der Einspritzdüse variiert die Amplitude der Ausgabespannung des piezoelektrischen Kraftsensors erheblich. Die Ausgabe des piezoelektrischen Kraftsensors, das heißt die Kraftsignatur, wird verzerrt, was zu einer inakzeptablen, das heißt minimalen oder gar keiner, Korrelation zu den physischen Vorgängen der Charakteristika der Kraftstoffzufuhr führt.
Testergebnisse haben eine signifikante Vorspannung und Verzerrung von einem piezoelektrischen Kraftsensor gezeigt, wenn der Sensor sich in einem eingekapselten Epoxid-Gehäuse innerhalb des piezoelektrischen Aktuators befindet. Die Theorie hinter der verzerrten und ins Negative beeinflussten Spannung ist, dass der Sensor auf die laterale piezoelektrische Bewegung (Poisson-Effekt) reagiert und/oder durch die konvexe Oberfläche des Endes des piezoelektrischen Aktuators während der Bewegung des piezoelektrischen Stapels.
Eine verbesserte Sensoranordnung 32 stellt sicher, dass das Rückmeldesignal, das von der Sensoranordnung 32 erhalten wird, die tatsächliche Kraft innerhalb der Einspritzdüse repräsentiert. Insbesondere haben die Erfinder herausgefunden, dass ein Trennen des piezoelektrischen Sensors 52 vom piezoelektrischen Stapel 16 durch Verwendung von beispielsweise einem Gehäuse oder Träger 50, der aus einem starren Material, wie zum Beispiel Metall, gebildet ist, in welchem der piezoelektrische Sensor angeordnet ist, wo er beispielsweise in seine Position einschnappt, eine nicht erwartete Verbesserung im Signal vom piezoelektrischen Sensor 52 ergibt. Wenn sich der piezoelektrische Sensor 52 außerhalb oder beabstandet von dem eingekapselten Plastikgehäuse des piezoelektrischen Aktuatorstapels 16 befindet und von dem piezoelektrischen Stapel 16 durch einen starren Träger getrennt ist, repräsentiert das Ausgabesignal präzise die Dynamiken innerhalb des piezoelektrischen Aktuators 16, wie in 9 gezeigt.
Der piezoelektrische Sensor 52 befindet sich zwischen dem piezoelektrischen Stapel 16 und dem Düsenbereich 14, welcher die Kraftübertragungsstruktur zum Übertragen der Betätigungskraft auf die Nadel 22, die im Düsengehäuse 9 angeordnet ist, ist. Weil der piezoelektrische Sensor 52 auf eine vorübergehende Kraft reagiert, reagiert der piezoelektrische Sensor 52 sowohl auf die piezoelektrische Betätigung als auch auf hydraulische Dynamiken der Einspritzdüse. Daher wirkt der piezoelektrische Sensor 52 als ein Kraft- und Drucksensor innerhalb der Kraftstoffeinspritzdüse 10. Beim Analysieren der Signatur/Charakteristika der Spannungsausgabe des piezoelektrischen Sensors 52 können die Charakteristika der Kraftstoffzufuhr von einem Einspritzvorgang mit unerwarteter Genauigkeit aufgenommen werden, wie in 9 gezeigt. Der Gesundheitszustand der Kraftstoffeinspritzdüse 10 und möglicherweise der Gesundheitszustand einer verbundenen Kraftstoffleitung (nicht dargestellt), können ebenfalls diagnostiziert werden.
Mit Bezug auf 9 enthält der Graph drei Kurven. Die Aktuatorsignalkurve 84 entspricht einer Aktuatorspannung oder einem Aktuatorsignal, das an den Aktuatorbereich 12 gerichtet ist. Insbesondere entspricht die Aktuatorsignalkurve 84 einem Spannungssignal oder einem Signal, das an den piezoelektrischen Stapel 16 gegeben wird. Die Sensorsignalkurve 86 entspricht einem Signal vom piezoelektrischen Sensor 52, welches einen Druck vom Aktuatorbereich 12 anzeigt und einen Druck vom Düsenbereich 14 anzeigen kann, was detaillierter im Folgenden beschrieben wird. Die Kurve 88 der Kraftstoffzufuhrrate entspricht der tatsächlichen Rate der Kraftstoffzufuhr von der Kraftstoffeinspritzdüse 10.
Wenn der Aktuatorbereich 12 ein Spannungssignal erhält, das einen Kraftstoffzufuhrvorgang angibt, was durch die Aktuatorsignalkurve 84 in 9 repräsentiert wird, dehnt sich der piezoelektrische Stapel 16 longitudinal aus und drückt die Sensoranordnung 32, das heißt den Träger 50 und den piezoelektrischen Sensor 52, was eine Longitudinalkraft auf kraftübertragende Komponenten der Kraftstoffeinspritzdüse 10 ausübt, welche oben beschrieben wurden. Zu Beginn steigt der vom piezoelektrischen Aktuator 16 ausgeübte Druck wegen des Erfordernisses, die Komponenten in der Hydraulikverbindung 25 zu bewegen. Der piezoelektrische Sensor 52 gibt wegen der Kompression am Kurvenbereich 90 in 9 eine positive Spannung aus. Das Nadelventilelement 22 beginnt sich zu heben oder öffnen, auf der Kurve 88 der Kraftstoffzufuhrrate durch Punkt 94 dargestellt, was einem Punkt 96 auf der Sensorsignalkurve 86 entspricht, was den Start eines Einspritzvorgangs (SOI) repräsentiert. Ein Druck von der Kraftstoffleitung (nicht dargestellt) hilft beim Hebevorgang und das Spannungssignal vom piezoelektrischen Sensor 52 verringert sich entlang des Kurvenbereichs 92 in Richtung und sodann unterhalb von null Volt.
Während die Nadel 22 mit dem Öffnen fortfährt, steigt der Kraftstoffstrom durch die Düsen- oder Einspritzdüsenöffnungen 26 und der Druck von der Kraftstoffleitung kann einen Teil der Vorspannung, die durch die Federn 43 auf den piezoelektrischen Aktuator 16 ausgeübt wird, ablassen. Das Signal vom piezoelektrischen Sensor 52 hält diese Druckänderung durch eine sich verringernde Spannung fest oder bildet so diese Änderung ab. Sobald sich die Kraftstoffzufuhrrate auf einen vollständig ausgebildeten Strom oder einen stabilen Zustand beruhigt hat, beim Bereich 98 der Kurve 88 der Kraftstoffzufuhrrate, befindet sich der Druck, der auf den Kolben 22 durch die Kraftstoffleitung ausgeübt wird, bei einem Maximum und die Spannungsausgabe des piezoelektrischen Sensors 52 flacht in der Region des Bereichs 100 der Sensorsignalkurve 56 ab. Sobald der piezoelektrische Stapel 16 deaktiviert ist, das heißt das Spannungssignal an dem Aktuatorbereich 12 abebbt oder eine negative Spannung an den piezoelektrischen Stapel 16 angelegt wird, was am Punkt 102 auf der Aktuatorsignalkurve 84 gezeigt ist, beginnt sich der piezoelektrische Stapel 16 zusammenzuziehen. Während sich der piezoelektrische Stapel zusammenzieht, zwingen Vorspannungsfedern in der hydraulischen Verbindung 25 den Kolben 20 zu dem nahen oder oberen Ende der Kraftstoffeinspritzdüse 10 hin, was auch das Nadelventilelement 22 zu einer geschlossenen Position zwingt. Weil sich der piezoelektrische Stapel 16 in der Länge entlang der Longitudinalachse verringert und weil die Hydraulikverbindung 25 einige Zeit braucht, um auf die Verringerung in der Kraft von dem Kolben 20 zu antworten, zeigt der piezoelektrische Sensor 52 eine Verringerung im Druck an der Region 104 auf der Sensorsignalkurve 86. Während sich die Nadel 22 näher zu dem inneren Sitz auf dem Düsengehäuse 9 bewegt, verringert sich der Kraftstoffstrom, wie am Bereich 106 auf der Kurve 88 bei der Kraftstoffzufuhrrate gezeigt, und der Druck von der Kraftstoffleitung auf die Hydraulikverbindung 25 verringert sich, was dem Druck auf den piezoelektrischen Sensor 52 von der Hydraulikverbindung 25 verringert, wie beim Bereich 108 auf der Sensorsignalkurve 86 gezeigt. Am Punkt 110 der Kurve 88 der Kraftstoffzufuhrrate versiegt der Kraftstoffstrom vollständig, was das Ende des Einspritzens signalisiert. Mit der Ausnahme von kleinen Schwankungen beim Ausgleichen von Drucken kehrt das Ausgabesignal vom piezoelektrischen Sensor 52 zu null zurück.
Wenn die Nadel 22 gegen den inneren Sitz, der am Düsengehäuse 9 gebildet ist, geschlossen ist, wird der Druck innerhalb der Kammer 21 gleichgroß wie der Druck in einer Kraftstoffleitung (nicht dargestellt), die mit der Kraftstoffeinspritzdüse 10 verbunden ist. Wenn der Druck in der Kraftstoffleitung schwankt, wird die Kraft von dem Druck aufwärts von der Hydraulikverbindung 25 in den Düsenbereich 14 durch den Kolben 20, die Führung 36, die Stütze 38 und die Sensorplattform 34 zu dem piezoelektrischen Sensor 52 übertragen. Der piezoelektrische Sensor 52 zeigt nun den Zustand der Kraftstoffleitung an und kann daher die Effizienz der Kraftstoffleitung während Intervallen anzeigen oder diagnostizieren, in denen sich die Kraftstoffeinspritzdüse 10 in einem geschlossenen Zustand oder einem Zustand ohne Kraftstoffzufuhr befindet.
Obwohl die piezoelektrische Aktuatoranordnung 12 und die Sensoranordnung 30 hierin für eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurden, wie sie bei einer bestimmten Art von Kraftstoffeinspritzdüsen verwendet wird, das heißt direkt agierend mit hydraulischer Verstärkung, können die Anordnungen bei anderen Arten von Kraftstoffeinspritzdüsen verwendet werden.
Während verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung gezeigt und beschrieben worden sind, ist zu verstehen, dass diese Ausführungsformen nicht darauf beschränkt sind. Die Ausführungsformen können geändert, modifiziert und weitergehend vom Fachmann angewandt werden. Daher sind diese Ausführungsformen nicht auf die zuvor gezeigten und beschriebenen Details beschränkt, sondern umfassen auch alle derartigen Änderungen und Modifikationen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6253736 [0030]
US 6837221 [0030]

Claims

Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung für einen Verbrennungsmotor mit: einem piezoelektrischen Aktuatorbereich, welcher einen piezoelektrischen Stapel mit einem entfernten Ende umfasst; einem Düsenbereich; einem Kolben, der axial zwischen dem Düsenbereich und dem piezoelektrischen Stapel angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, sich mittels des piezoelektrischen Stapels zu bewegen; einem piezoelektrischen Sensor, der zwischen dem piezoelektrischen Aktuatorbereich und dem Kolben angeordnet ist, wobei der piezoelektrische Sensor zum Erzeugen eines Ausgabesignals eingerichtet ist; und einem starren Körper, der axial zwischen dem entfernten Ende des piezoelektrischen Stapels und dem piezoelektrischen Sensor angeordnet ist, um den piezoelektrischen Sensor beabstandet von dem entfernten Ende des piezoelektrischen Stapels zu positionieren, wobei der starre Körper eine erste Oberfläche umfasst, die zum Stützen des piezoelektrischen Sensors angeordnet ist, und eine zweite Oberfläche, die zum Aufnehmen einer Kraft von dem piezoelektrischen Stapel angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Düsenbereich ein Düsengehäuse und ein Nadelventilelement umfasst, welches in dem Düsengehäuse angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 1, wobei der piezoelektrische Sensor und der starre Körper zum Bilden einer Sensoranordnung verbunden sind.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 3, wobei der starre Körper ein Träger für den Sensor ist und eine Seitenwand umfasst, welche eine daran geformte Lippe aufweist, welche zum Halten des piezoelektrischen Sensors in dem Träger gestaltet ist.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 1, wobei der piezoelektrische Sensor ein positives Ausgabesignal als eine Antwort auf eine Ausdehnung des piezoelektrischen Stapels bereitstellt.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 5, wobei sich das Ausgabesignal des piezoelektrischen Sensors zu Null hin verringert, wenn ein Kraftstoffstrom von dem Einspritzbereich zu Beginn steigt.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 6, wobei das Ausgabesignal des piezoelektrischen Sensors zu Null hin steigt, wenn der Kraftstoffstrom von dem Einspritzbereich von einem stabilen Zustand zu einem abgesperrten Zustand fällt.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 1, wobei der starre Körper aus einem Metall hergestellt ist.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 8, wobei das Metall ein rostfreier Stahl ist.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung für einen Verbrennungsmotor mit: einem piezoelektrischen Aktuatorbereich, welcher eine Kontaktfläche aufweist; einem Düsenbereich; einem Kolben, der axial zwischen dem Düsenbereich und dem piezoelektrischen Aktuatorbereich positioniert ist und dazu eingerichtet ist, sich mittels des piezoelektrischen Aktuatorbereichs zu bewegen; und einem Schnittstellenbereich, der zwischen dem piezoelektrischen Aktuatorbereich und dem Kolben angeordnet ist und sich in Kontakt mit dem piezoelektrischen Aktuatorbereich und dem Kolben befindet, wobei der Schnittstellenbereich einen piezoelektrischen Sensor und einen starren Körper umfasst, der zum Stützen des piezoelektrischen Sensors gestaltet ist, wobei der starre Körper zum Kontaktieren der Kontaktfläche gestaltet ist und dazu gestaltet ist, den piezoelektrischen Sensor auf Abstand von dem piezoelektrischen Aktuatorbereich zu halten.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 10, wobei der Düsenbereich ein Düsengehäuse und ein Nadelventilelement umfasst, das in dem Düsengehäuse angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 10, wobei der starre Körper ein Sensorgehäuse ist, das aus einem Metall gebildet ist.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 12, wobei das Metall ein rostfreier Stahl ist.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 10, wobei der Sensor und der starre Körper zum Bilden einer Sensoranordnung verbunden sind.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung für einen Verbrennungsmotor mit: einem piezoelektrischen Aktuatorbereich, welcher eine Kontaktfläche aufweist; einem Düsenbereich; einem Kolben, der axial zwischen dem Düsenbereich und dem piezoelektrischen Aktuatorbereich angeordnet ist und dazu gestaltet ist, sich mittels einer Bewegung des piezoelektrischen Aktuatorbereichs zu bewegen; wobei der Düsenbereich mittels einer Bewegung des piezoelektrischen Aktuatorbereichs dazu betreibbar ist, einen Start eines Einspritzvorgangs und ein Ende des Einspritzvorgangs zu haben; und einem Schnittstellenbereich, welcher zwischen dem piezoelektrischen Aktuatorbereich und dem Einspritzbereich angeordnet ist und sich in Kontakt mit dem piezoelektrischen Aktuatorbereich und dem Einspritzbereich befindet, wobei der Schnittstellenbereich einen piezoelektrischen Sensor aufweist, der zum Bereitstellen eines sich verringernden Signals während dem Start des Einspritzvorgangs und eines steigenden Signals während des Endes des Einspritzvorgangs eingerichtet ist.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 15, welche außerdem einen Trägerbereich aufweist, welcher aus einem starren Material gebildet ist und zum Stützen des piezoelektrischen Sensors gestaltet ist, wobei der Trägerbereich in einem kontaktierenden Verhältnis zu dem piezoelektrischen Aktuatorbereich angeordnet ist.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 16, wobei der Trägerbereich eine Lippe umfasst, die zum Bereitstellen einer Presspassung mit dem piezoelektrischen Sensor gestaltet ist, um den piezoelektrischen Sensor in Kontakt mit dem Trägerbereich zu halten zum Bilden eines Zusammenbaus.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 16, wobei das starre Material ein Metall ist.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 18, wobei das Metall ein rostfreier Stahl ist.
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung nach Anspruch 15, wobei der Start des Einspritzvorgangs durch ein Signal gestartet wird, welches an den piezoelektrischen Aktuatorbereich gegeben wird, und wobei das Ende des Einspritzvorgangs zu einer Zeit nach Entfernen des Signals erfolgt, das an den piezoelektrischen Aktuatorbereich gegeben wird.