EP2396835A1 - Verfahren zum bestimmen eines nadelschliessens bei einem piezoinjektor - Google Patents

Verfahren zum bestimmen eines nadelschliessens bei einem piezoinjektor

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EP2396835A1
EP2396835A1 EP10700825A EP10700825A EP2396835A1 EP 2396835 A1 EP2396835 A1 EP 2396835A1 EP 10700825 A EP10700825 A EP 10700825A EP 10700825 A EP10700825 A EP 10700825A EP 2396835 A1 EP2396835 A1 EP 2396835A1
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EP
European Patent Office
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signal
needle
closing
piezoelectric actuator
valve
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10700825A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erik Tonner
Kai Barnickel
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a needle closure, a
  • a piezo injector comprising a piezoactuator and a valve element is configured to implement a fuel injection in a motor.
  • different sub-functions eg. B. opening and closing, the valve element implemented. These subfunctions can be sensory- ly recorded.
  • a method for determining an end time of a fuel injection of a fuel injector, which has a valve element controlled by a piezoelectric actuator and a piezoelectric sensor mechanically coupled to the piezoelectric sensor.
  • a sensor signal of the piezoelectric sensor is detected. From this sensor signal, a sound signal caused by a closing of the valve element and from the sound signal the closing time of the valve element is determined.
  • the closing time of the nozzle needle is detected so far or in previous investigations with the piezoelectric sensor, which, however, causes additional costs, since two electric lines must be led out of the fuel injector out into the control unit, furthermore, two control unit pins per fuel injector are required.
  • the invention relates to a method for determining a needle closing of a valve needle of an injection valve whose actuator is designed as a piezoelectric actuator, wherein the valve needle is driven by the piezoelectric actuator.
  • a signal of a voltage applied to the piezoelectric actuator is measured and the needle closure is detected from a course of the signal.
  • the course of the signal has a characteristic feature, typically a maximum, kink or rash, indicative of needle closure.
  • a characteristic feature typically a maximum, kink or rash
  • valve needle or a nozzle needle is generated, via the signal of the voltage to the piezoelectric actuator possible, this signal is evaluated.
  • a physical effect affecting the signal of the voltage is detected.
  • the valve needle is arranged in a nozzle, wherein the movement of the valve needle is controlled by the piezoelectric actuator via at least one valve element.
  • the valve needle is indirectly controlled by the piezoelectric actuator.
  • the piezoelectric actuator expands in a so-called servo valve designed injection valve, thereby pressure differences are caused on an upper and lower side of the valve needle, is further caused by a reciprocating movement of the valve needle.
  • the piezoelectric actuator is driven by a current.
  • This current charges the piezo actuator and continues to open the valve by moving a valve needle.
  • the valve needle is closed again.
  • the course of the signal of the voltage is determined by carrying out the method in a region after a successful actuation of the piezoelectric device. zoaktors by the current after the voltage has dropped to a value near 0 volts, examined. Usually, the course of the signal is due to the flowing current. However, the feature to be detected in the process, which indicates needle closure, is not excited by the described current. This feature in the course of the signal of
  • Tension of the piezoelectric actuator is caused by the structure-borne noise of the valve needle during needle closing.
  • the signal can be processed.
  • a bandpass filtering with corner frequencies can be applied to the signal, so that thereby certain frequencies of the signal, for example, by a low-pass or high-pass filtering, are filtered.
  • the signal or a waveform of the signal can be squared and added in the evaluation.
  • a straight line or a secant is applied to a pair of measuring points per measuring point in each curve or curve.
  • the measuring points do not have to follow each other directly in time.
  • a first straight line of a pair to pass through an mth measuring point and a mkth measuring point
  • the straight lines thus extend along k measuring points, where k is at least two.
  • a value for k can be chosen arbitrarily depending on the required measuring accuracy. It has been found that it can be sufficient if k is a single-digit number, for example 5.
  • a difference is calculated from the slopes of the two straight lines.
  • a plurality of consecutive differences may be formed for slopes of each of a pair of straight lines, for example, for a first pair for the mth and nth measurement points, for a second pair of m + 1th measurement points, and an n + 1th Measuring points etc., a p-th pair of lines is applied in the m + p-1 and n + p-th measurement points.
  • p values for differences of slopes of each of a pair of straight lines is formed below these p values, a maximum value is determined, which points as a maximum to the characteristic feature.
  • the signal or its course can be processed by a plurality of aforementioned mathematical steps that can be applied to the signal one after the other.
  • the bandpass filtering for predetermined frequencies a squaring of this already frequency-filtered signal, followed by a summation of the squared signal and finally an application of the above-described calculation rule to the summed signal.
  • This order may vary as well, not all of them mentioned
  • the method can u. a. a time of needle closure can be determined.
  • the invention also relates to an arrangement for determining a needle closing of a valve needle, which is controlled by a piezoelectric actuator.
  • This arrangement is designed to measure a signal of a voltage applied to the piezoelectric actuator and to detect the needle closing from a course of the signal.
  • the valve needle is arranged in a nozzle and is controlled by the piezoelectric actuator via at least one valve element.
  • the at least one valve element cooperates with the valve needle and / or the nozzle.
  • needle closing in which the valve needle moves relative to the nozzle into a closed position, a structure-borne sound or sound signal is generated by the valve needle and / or the nozzle, which is transmitted to the piezoelectric actuator via the at least one valve element.
  • the valve needle is directly controlled by the piezoelectric actuator.
  • the injection valve by the piezoelectric actuator is pressed. This creates pressure differences between a nozzle needle seat and the upper part of the valve needle. These pressure differences lead to the opening of the valve needle.
  • the described arrangement is intended to carry out all the steps of the presented method.
  • individual steps of this method can also be carried out by individual components of the arrangement.
  • functions of the arrangement or functions of individual components of the arrangement can be implemented as steps of the method.
  • steps of the process as functions of individual
  • the invention further relates to a computer program with program code means in order to perform all the steps of a described method when the computer program is executed on a computer or a corresponding arithmetic unit, in particular in an arrangement according to the invention.
  • the computer program product according to the invention with program code means which are stored on a computer-readable data carrier is designed to carry out all the steps of a described method when the computer program is executed on a computer or a corresponding arithmetic unit, in particular in an arrangement according to the invention.
  • Structure-borne noise generated which can be detected by means of a built-in a piezoelectric actuator of the piezoelectric injector sensor and a suitable signal processing time.
  • additional costs are incurred during actuator production and thus during injector production and in the control unit.
  • the costs are composed of a part of the sensor integration and partly of the electrical contacting of the sensor. With the invention, these costs can be avoided.
  • the detection of the needle closing timing from the voltage applied to the piezoelectric actuator possible, so that in the state of the Technology sensor effect detected directly on the piezoelectric actuator.
  • the invention is suitable, for example, for injectors for accumulator injectors, so-called common injectors comprising piezoactuators and valve elements.
  • FIG. 1 shows two examples of diagrams with operating parameters for comparing different operating conditions of a valve element.
  • FIG. 2 shows two further examples of diagrams, wherein in a first diagram a profile of a signal for a voltage applied to a piezoelectric actuator and in the second diagram a profile of a signal for a
  • FIG. 3 shows examples of a plurality of diagrams for comparing operating parameters which are detected by means of a sensor when a method known from the prior art is implemented, with operating parameters which are shown in FIG. 3
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an embodiment of an arrangement according to the invention, which is designed to implement an embodiment of the method according to the invention.
  • the first diagram 2 shows a first curve 12 of a voltage which is measured by a sensor module which is assigned to a piezoactuator. It is envisaged that this piezoelectric actuator is designed to actuate a nozzle with a valve needle via a valve element of an internal combustion engine. The valve needle is indirectly acted upon by the piezoelectric actuator via the valve element and thereby reciprocated and thus opened and closed.
  • the first curve 12 of the voltage was detected with an inactive nozzle needle, whereas the second curve 14 in the second diagram 4 was detected by the sensor module with an active valve needle.
  • a comparison of the regions of the two courses 12, 14 within the ellipse 16 shows that the valve 14 with an active valve needle within this range has a deflection, whereas the curve 12 has no abnormalities within this marked area when the valve needle is inactive.
  • the additional sensor module is integrated into the piezoelectric actuator. As soon as the valve needle reaches its seat, a structure-borne noise signal is generated, which can be measured by the sensor module.
  • the first diagram 20 of FIG. 2 comprises a vertically oriented axis 22 for a voltage plotted against a time axis 24. 2, a curve 26 of a voltage of a piezoactuator is shown, which is detected when a piezoactuator, which is designed to act on a nozzle with a valve needle via a valve element, is in operation. Along the course 26 of the voltage is detected by a characteristic feature of the structure-borne sound signal.
  • the course of the associated sensor signal is plotted along the time axis 24 along a vertically oriented axis 30 in the second diagram 28 shown in FIG. 2.
  • a one millisecond deflection caused by the closing of the needle of the valve member is difficult to detect along the trace 26 of tension.
  • the processed or evaluated course 32 of the originally measured curve 26 of the signal of the voltage illustrates the closing of the valve needle by a striking rash or bend of the curve 32 in the region of one millisecond.
  • the three diagrams 34, 36, 38 shown on the left in FIG. 3 on the left each show time zooms or enlarged sections of progressions 40, 42, 44,
  • the second diagram 36 shows, along the time axis 48, the profile 44 after the squaring performed and summation of the bandpass filtered signal 42.
  • the curve 46 is obtained by applying a calculation rule of the square and summed up course 44 shown.
  • This calculation rule comprises a determination of differences in slopes of a pair of straight lines or secants in each case, one straight line passing through two measuring points of the course 44. In this case, the differences of the gradients formed for several pairs of straight lines are compared and a maximum 49 is determined from a maximum difference.
  • the maximum 49 of the trace 46 occurs at the same time as the bend of the trace 44. This will set the needle closing time.
  • the maximum 49 of the curve 46 in the region of one millisecond is due to the closing of the valve needle, which is detected by the sensor.
  • the diagrams 50, 52, 54 shown on the right in FIG. 3 show examples of time zooms or enlarged sections of curves 56, 58, 60, 62 for signals or processed signals, as they are detected in an embodiment of the method according to the invention.
  • a piezoactuator for operating a valve needle arranged in a nozzle is formed via a valve element for an internal combustion engine.
  • the piezoelectric actuator power is supplied.
  • the valve element is acted upon by the piezoelectric actuator, which causes the valve needle of the nozzle to reciprocate while the nozzle is opened and closed.
  • a voltage applied to the piezoelectric actuator is measured.
  • the curve 56 of a signal of this voltage is plotted in the fourth diagram 50 from FIG. 3 along a time axis 64.
  • the filtered, eg frequency band-pass filtered, course 58 of the curve 56 of the signal is shown below.
  • a curve 60 of the now revised signal is shown, which results from squaring and adding up the profile 58 from the fourth diagram 50.
  • the sixth diagram 54 shows a profile 62 of values of differences which are formed from slopes of a respective pair of lines or secants, wherein in each case a first straight line passes through a first pair of measuring points and a second straight line through a second pair of measuring points of the track 60 the fifth diagram 52 runs. For the determined differences or differences of several pairs of lines, a maximum 66 is determined.
  • this profile 62 it follows that this profile 62 has a maximum 66 formed as a rash in the region of one millisecond as a characteristic feature of this profile 62.
  • a comparison of the curve 66 in the sixth diagram with the curve 46 in the third diagram shows that this kink 66 occurs at the same time as the maximum 49 in the course 46 of the sensor signal.
  • FIG. 4 shows, in a schematic representation, an embodiment of an arrangement 80 which is designed to carry out an embodiment of the method according to the invention.
  • the assembly 80 includes a piezoactuator 82 that is configured to drive within an internal combustion engine.
  • a valve element 92 is arranged in the present embodiment.
  • An interaction between the piezoelectric actuator 84 and the nozzle 86 with the valve needle 88 takes place indirectly via the valve element 92. It is provided that during operation by the piezoelectric actuator 82, a current 90 is passed to a predetermined profile. By this current 90, a dimension of the piezoelectric actuator 82 is changed. By driving the valve element 92 by the moving piezoelectric actuator 82, the valve needle 88 of the nozzle 86 is moved and thereby opened, among other things.
  • the piezoactuator 84 actuates the valve needle, thereby creating pressure differences between a seat of the valve needle 88 and the upper part of the valve needle 88. These pressure differences lead to the opening of the valve needle 88.
  • a structure-borne noise is generated which acts on the piezoactuator 82 and effects a voltage on the piezoactuator 82, which is measured when the method is implemented with a voltmeter 94.
  • a signal of the voltage measured by the voltmeter 94 may include a kink 66 caused by the structure-borne noise, as illustrated by the diagrams 50, 52, 54, along a trace 56, 58, 60, 62 of the signal or a processed signal.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Nadelschließens einer Ventilnadel (88), die von einem Piezoaktor angesteuert wird, bei dem ein Signal einer an dem Piezoaktor anliegenden Spannung gemessen und das Nadelschließen aus einem Verlauf (56, 58, 60, 62) des Signals nachgewiesen wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Bestimmen eines Nadelschließens, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.

Description

Beschreibung
Titel
VERFAHREN ZUM BESTIMMEN EINES NADELSCHLIESSENS BEI EINEM PIEZOINJEKTOR
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Nadelschließens, eine
Anordnung zum Bestimmen eines Nadelschließens, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.
Stand der Technik
Ein Piezoinjektor, der einen Piezoaktor und ein Ventilelement umfasst, ist zur Umsetzung einer Kraftstoff-Einspritzung in einem Motor ausgebildet. Während eines Einspritzvorgangs werden unterschiedliche Teilfunktionen, z. B. Öffnen und Schließen, des Ventilelements umgesetzt. Diese Teilfunktionen können senso- risch erfasst werden.
So ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Endzeitpunkts einer Kraftstoffeinspritzung eines Kraftstoffinjektors bekannt, der ein von einem Piezoaktor angesteuertes Ventilelement und einen mit dem Piezoaktor mechanisch gekoppelten Piezo- sensor aufweist. In einem Schritt des Verfahrens wird ein Sensorsignal des Pie- zosensors erfasst. Aus diesem Sensorsignal wird ein durch ein Schließen des Ventilelements hervorgerufenes Schallsignal und aus dem Schallsignal der Schließzeitpunkt des Ventilelements ermittelt. Der Schließzeitpunkt der Düsennadel wird bisher bzw. in vorherigen Untersuchungen mit dem Piezosensor er- fasst, was jedoch zusätzliche Kosten verursacht, da hierzu zwei elektrische Leitungen aus dem Kraftstoffinjektor heraus in das Steuergerät geführt werden müssen, weiterhin sind zwei Steuergerätepins pro Kraftstoff injektor erforderlich.
Offenbarung der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Nadelschließens einer Ventilnadel eines Einspritzventils, dessen Stellglied als Piezoaktor ausgebildet ist, wobei die Ventilnadel von dem Piezoaktor angesteuert wird. Hierbei wird ein Signal einer an dem Piezoaktor anliegenden Spannung gemessen und das Na- delschließen aus einem Verlauf des Signals nachgewiesen.
Bei einer Umsetzung des Verfahrens wird untersucht, ob der Verlauf des Signals ein charakteristisches Merkmal, typischerweise ein Maximum, einen Knick oder einen Ausschlag, der auf das Nadelschließen hinweist, aufweist. Somit ist eine Detektion des Nadelschließens anhand der gemessenen Spannung des Piezoak- tors möglich.
Über den Verlauf der Spannung kann ein beim Schließen der Ventilnadel verursachter Körperschall bzw. ein entsprechendes Schallsignal nachgewiesen wer- den. Mit der Erfindung ist die Erkennung des Körperschalls, der durch das
Schließen der Ventilnadel bzw. einer Düsennadel erzeugt wird, über das Signal der Spannung an dem Piezoaktor möglich, wobei dieses Signal ausgewertet wird. Somit wird bei einer Ausführung des Verfahrens ein physikalischer Effekt, der das Signal der Spannung beeinflusst, nachgewiesen.
In Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ventilnadel in einer Düse angeordnet ist, wobei die Bewegung der Ventilnadel von dem Piezoaktor über mindestens ein Ventilelement gesteuert wird. In diesem Fall wird die Ventilnadel von dem Piezoaktor indirekt gesteuert. Es ist jedoch auch eine direkte Ansteuerung der Ventilnadel durch den Piezoaktor möglich. Bei einem möglichen Ablauf dehnt sich der Piezoaktor in einem als sog. Servoventil ausgebildeten Einspritzventil aus, dadurch werden an einer Ober- und Unterseite der Ventilnadel Druckunterschiede bewirkt, durch die weiterhin eine Hin- und Herbewegung der Ventilnadel hervorgerufen wird.
Bei einem Betrieb wird der Piezoaktor mit einem Strom angesteuert. Durch diesen Strom wird der Piezoaktor geladen und weiterhin das Ventil durch Bewegen einer Ventilnadel geöffnet. Durch Entladen des Piezoaktors wird die Ventilnadel wieder geschlossen. Der Verlauf des Signals der Spannung wird bei Durchfüh- rung des Verfahrens in einem Bereich nach einer erfolgten Ansteuerung des Pie- zoaktors durch den Strom, nachdem die Spannung auf einen Wert nahe 0 Volt abgesunken ist, untersucht. Üblicherweise ist der Verlauf des Signals durch den fließenden Strom bedingt. Das im Rahmen des Verfahrens zu detektierende Merkmal, das auf das Nadelschließen hinweist, wird jedoch nicht durch den be- schriebenen Strom angeregt. Dieses Merkmal in dem Verlauf des Signals der
Spannung des Piezoaktors wird durch den Körperschall der Ventilnadel beim Nadelschließen bewirkt.
Im Rahmen einer Auswertung des Verlaufs des Signals kann das Signal aufbe- reitet werden. Bei dieser Auswertung kann auf das Signal eine Bandpassfilterung mit Eckfrequenzen angewandt werden, so dass dadurch bestimmte Frequenzen des Signals bspw. durch eine Tiefpass- oder Hochpassfilterung, gefiltert werden. Außerdem kann das Signal bzw. ein Verlauf des Signals bei der Auswertung quadriert und ergänzend aufsummiert werden. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, zur Auswertung eine Rechenvorschrift zu verwenden. Bei dieser Rechenvorschrift werden für mehrere Paare von Geraden bzw. Sekanten, die durch je zwei Messpunkte des Verlaufs gelegt werden, die Steigungen ermittelt und jeweils für ein Paar der Geraden die Differenz der ermittelten Steigungen gebildet.
Bei der Auswertung mit dieser Rechenvorschrift werden bei einem Verlauf bzw. einer Kurve des Signals an mehreren Paaren von Messpunkten pro Messpunkt jeweils eine Gerade bzw. Sekante angelegt. Die Messpunkte müssen zeitlich nicht unmittelbar aufeinander folgen. Es ist in einer Ausgestaltung möglich, dass eine erste Gerade eines Paars durch einen m-ten Messpunkt und und einen m-k- ten Messpunkt verläuft, eine zweite Gerade dieses Paars verläuft durch einen n- ten Messpunkt und einen n+k-ten Messpunkt, wobei n>m, bspw. n = m + 1 ist. Die Geraden erstrecken sich somit entlang von k Messpunkten, wobei k mindestens zwei ist. Ein Wert für k kann je nach erforderlicher Messgenauigkeit beliebig gewählt werden. Es hat sich erwiesen, dass es ausreichend sein kann, wenn k eine einstellige Zahl, bspw. 5, ist. Aus den Steigungen der beiden Geraden durch den m-ten Messpunkt und den n-ten Messpunkt wird weiterhin eine Differenz aus den Steigungen der beiden Geraden berechnet. Es können mehrere aufeinanderfolgende Differenzen für Steigungen jeweils eines Paars von Geraden gebildet werden, bspw. für ein erstes Paar für den m-ten und n-ten Messpunkt, für ein zweites Paar eines m + 1 -ten Messpunkts und eines n + 1 -ten Messpunkts usw., ein p-tes Paar von Geraden wird im m + p - 1-ten und n + p - 1-ten Messpunkt angelegt. In diesem Fall ist es möglich, p Werte für Differenzen von Steigungen jeweils eines Paars von Geraden zu bilden. Unter diesen p Werten wird ein maximaler Wert ermittelt, der als Maximum auf das charakteristische Merkmal hin- weist.
Bei der Auswertung kann das Signal bzw. dessen Verlauf durch mehrere voranstehend genannte mathematische Schritte, die auf das Signal nacheinander angewandt werden können, bearbeitet werden.
In Ausgestaltung erfolgt zunächst die Bandpassfilterung für vorgegebene Frequenzen, eine Quadrierung dieses bereits frequenziell gefilterten Signals, danach eine Aufsummierung des quadrierten Signals und abschließend eine Anwendung der voranstehend beschriebenen Rechenvorschrift auf das aufsummierte Signal. Diese Reihenfolge kann auch variieren, außerdem müssen nicht alle genannten
Bearbeitungsschritte durchgeführt werden.
Mit dem Verfahren kann u. a. ein Zeitpunkt des Nadelschließens bestimmt werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zum Bestimmen eines Nadelschließens einer Ventilnadel, die von einem Piezoaktor angesteuert wird. Diese Anordnung ist dazu ausgebildet, ein Signal einer an dem Piezoaktor anliegenden Spannung zu messen und das Nadelschließen aus einem Verlauf des Signals nachzuweisen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Ventilnadel in einer Düse angeordnet und wird von dem Piezoaktor über mindestens ein Ventilelement gesteuert. Üblicherweise wirkt das mindestens eine Ventilelement mit der Ventilnadel und/oder der Düse zusammen. Bei dem Nadelschließen, bei dem sich die Ventilnadel relativ zu der Düse in eine Schließposition bewegt, wird durch die Ventilnadel und/oder die Düse ein Körperschall bzw. Schallsignal erzeugt, der bzw. das über das mindestens eine Ventilelement an den Piezoaktor übertragen wird. Alternativ ist es auch möglich, dass die Ventilnadel von dem Piezoaktor direkt angesteuert wird. Hier ist bspw. vorgesehen, dass durch den Piezoaktor das Einspritzventil betätigt wird. Dadurch entstehen Druckunterschiede zwischen einem Düsenna- delsitz und dem oberen Teil der Ventilnadel. Diese Druckunterschiede führen zu dem Öffnen der Ventilnadel.
Die beschriebene Anordnung ist dazu vorgesehen, sämtliche Schritte des vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen Komponenten der Anordnung durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen der Anordnung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Anordnung als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden. Außerdem ist es möglich, dass Schritte des Verfahrens als Funktionen einzelner
Komponenten der Anordnung oder der gesamten Anordnung realisiert werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines beschriebenen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer erfindungsgemäßen Anordnung, ausgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, ist zum Durchfüh- ren aller Schritte eines beschriebenen Verfahrens ausgebildet, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer erfindungsgemäßen Anordnung, ausgeführt wird.
Üblicherweise wird durch das Nadelschließen eines Piezoinjektors, der zum Be- aufschlagen eines Ventilelements eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist, ein
Körperschall erzeugt, der mit Hilfe eines in einen Piezoaktor des Piezoinjektors integrierten Sensors und einer geeigneten Signalverarbeitung zeitlich erfasst werden kann. Durch den in den Piezoaktor integrierten Sensor entstehen jedoch bei der Aktorfertigung und somit bei der Injektorfertigung sowie im Steuergerät zusätzliche Kosten. Die Kosten setzen sich aus einem Teil der Sensorintegration und zum Teil aus der elektrischen Kontaktierung des Sensors zusammen. Mit der Erfindung können diese Kosten vermieden werden.
Mit der Erfindung ist die Detektion des Nadelschließzeitpunkts aus der Span- nung, die an dem Piezoaktor anliegt, möglich, somit kann der beim Stand der Technik verwendete Sensoreffekt direkt am Piezoaktor nachgewiesen werden. Die Erfindung ist bspw. für Injektoren für Speichereinspritzungen, sog. Common- RaN-I njektoren, die Piezoaktoren und Ventilelemente umfassen, geeignet.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son- dem auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt zwei Beispiele für Diagramme mit Betriebsparametern zum Vergleich unterschiedlicher Betriebsbedingungen eines Ventilelements.
Figur 2 zeigt zwei weitere Beispiele für Diagramme, dabei ist in einem ersten Diagramm ein Verlauf eines Signals für eine an einem Piezoaktor anliegende Spannung und in dem zweiten Diagramm ein Verlauf eines Signals für einen
Sensor dargestellt.
Figur 3 zeigt Beispiele mehrerer Diagramme zum Vergleich von Betriebsparametern, die bei Umsetzung einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorge- hensweise mittels eines Sensors erfasst werden, mit Betriebsparametern, die im
Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt werden.
Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfin- dungsgemäßen Anordnung, die zur Umsetzung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
Ausführungsformen der Erfindung Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche
Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
In den in Figur 1 gezeigten Diagrammen 2, 4 ist jeweils eine vertikal orientierte Achse 6 für eine Spannung über einer Zeitachse 8 aufgetragen.
Das erste Diagramm 2 zeigt einen ersten Verlauf 12 einer Spannung, die von einem Sensormodul, das einem Piezoaktor zugeordnet ist, gemessen wird. Es ist vorgesehen, dass dieser Piezoaktor zum Betätigen einer Düse mit einer Ventilnadel über ein Ventilelement eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist. Die Ventilnadel wird durch den Piezoaktor über das Ventilelement indirekt beaufschlagt und dadurch hin- und herbewegt und somit geöffnet und geschlossen. Der erste Verlauf 12 der Spannung wurde bei einer inaktiven Düsennadel erfasst, wohingegen der zweite Verlauf 14 in dem zweiten Diagramm 4 von dem Sensormodul bei einer aktiven Ventilnadel erfasst wurde. Ein Vergleich der Bereiche der beiden Verläufe 12, 14 innerhalb der Ellipse 16 zeigt, dass der Verlauf 14 mit aktiver Ventilnadel innerhalb dieses Bereichs einen Ausschlag aufweist, wohingegen der Verlauf 12 bei inaktiver Ventilnadel innerhalb dieses markierten Bereichs keine Auffälligkeiten aufweist.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweise zur Detektion des Nadelschließens wird das zusätzliche Sensormodul in den Piezoaktor integriert. Sobald die Ventilnadel ihren Sitz erreicht, wird ein Körperschallsignal erzeugt, das durch das Sensormodul messbar ist.
Das erste Diagramm 20 aus Figur 2 umfasst eine vertikal orientierte Achse 22 für eine Spannung, die über einer Zeitachse 24 aufgetragen ist. In dem ersten Diagramm 20 aus Figur 2 ist ein Verlauf 26 einer Spannung eines Piezoaktors dargestellt, die bei Betrieb eines Piezoaktors, der zum Beaufschlagen einer Düse mit einer Ventilnadel über ein Ventilelement ausgebildet ist, erfasst wird. Entlang des Verlaufs 26 der Spannung wird über ein charakteristisches Merkmal das Körperschallsignal erkannt.
In dem darunter abgebildeten zweiten Diagramm 28 aus Figur 2 ist über der Zeitachse 24 entlang einer vertikal orientierten Achse 30 der Verlauf des zugehörigen Sensorsignals aufgetragen. Ein Ausschlag im Bereich von einer Millisekunde, der durch das Schließen der Nadel des Ventilelements bewirkt wird, ist entlang des Verlaufs 26 der Spannung nur schwer erkennbar. Der aufbereitete bzw. ausgewertete Verlauf 32 des ursprünglich gemessenen Verlaufs 26 des Signals der Spannung hingegen verdeutlicht jedoch durch einen auffälligen Ausschlag bzw. Knick des Verlaufs 32 im Bereich von einer Millisekunde das Schließen der Ventilnadel.
Die drei in Figur 3 links übereinander abgebildeten Diagramme 34, 36, 38 zeigen jeweils zeitliche Zooms bzw. vergrößerte Ausschnitte von Verläufen 40, 42, 44,
46 von Sensorsignalen bzw. bearbeiteten Sensorsignalen, wie sie beim Stand der Technik durch einen Sensor, der mit einem Piezoaktor zusammenwirkt, bereitgestellt werden. In dem ersten Diagramm 34 aus Figur 3 sind entlang einer Zeitachse 48 der Verlauf 40 eines Rohwerts einer Spannung als Sensorsignal und der Verlauf 42 nach einer Filterung, bspw. Bandpassfilterung, des Verlaufs
40 dargestellt. Das zweite Diagramm 36 zeigt entlang der Zeitachse 48 den Verlauf 44 nach vorgenommener Quadrierung und Aufsummierung des bandpassge- filterten Signals 42. In dem dritten Diagramm 38 aus Figur 3 ist entlang der Zeitachse 48 der Verlauf 46 der durch Anwendung einer Rechenvorschrift des quad- rierten und aufsummierten Verlaufs 44 dargestellt. Diese Rechen Vorschrift um- fasst eine Bestimmung von Differenzen in Steigungen jeweils eines Paars von Geraden bzw. Sekanten, wobei jeweils eine Gerade durch zwei Messpunkte des Verlaufs 44 verläuft. Dabei werden die für mehrere Paare von Geraden gebildeten Differenzen der Steigungen verglichen und aus einer maximalen Differenz ein Maximum 49 ermittelt.
Das Maximum 49 des Verlaufs 46 tritt zur selben Zeit wie der Knick des Verlaufs 44 auf. Dadurch wir das Nadelschließen zeitlich festgelegt. Das Maximum 49 des Verlaufs 46 im Bereich von einer Millisekunde ist durch das Schließen der Ventil- nadel bedingt, der durch den Sensor detektiert wird. Die in Figur 3 rechts dargestellten Diagramme 50, 52, 54 zeigen Beispiele für zeitliche Zooms bzw. vergrößerte Ausschnitte von Verläufen 56, 58, 60, 62 für Signale bzw. bearbeitete Signale, wie sie bei einer Ausgestaltung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens erfasst werden.
Bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Piezoaktor zum Betreiben einer in einer Düse angeordneten Ventilnadel über ein Ventilelement für einen Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Bei Betrieb des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass dem Piezoaktor Strom zugeführt wird. Durch Zuführung dieses Stroms wird das Ventilelement von dem Piezoaktor beaufschlagt, was dazu führt, dass die Ventilnadel der Düse hin- und herbewegt und dabei die Düse geöffnet und geschlossen wird.
Bei Durchführung der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine an dem Piezoaktor anliegende Spannung gemessen. Der Verlauf 56 eines Signals dieser Spannung ist in dem vierten Diagramm 50 aus Figur 3 entlang einer Zeitachse 64 aufgetragen. In demselben Diagramm 50 ist darunter der gefilterte, bspw. frequenziell bandpassgefilterte, Verlauf 58 des Verlaufs 56 des Sig- nals dargestellt. In dem fünften Diagramm aus Figur 3 ist ein Verlauf 60 des nunmehr überarbeiteten Signals dargestellt, der sich durch Quadrierung und Auf- summierung des Verlaufs 58 aus dem vierten Diagramm 50 ergibt.
Das sechste Diagramm 54 zeigt einen Verlauf 62 von Werten von Differenzen, die aus Steigungen jeweils eines Paars von Geraden bzw. Sekanten gebildet wird, wobei jeweils eine erste Gerade durch ein erstes Paar Messpunkte und eine zweite Gerade durch ein zweites Paar Messpunkte des Verlaufs 60 aus dem fünften Diagramm 52 verläuft. Für die ermittelten Differenzen bzw. Unterschiede mehrerer Paare von Geraden wird ein Maximum 66 ermittelt.
Für diesen Verlauf 62 ergibt sich, dass dieser Verlauf 62 im Bereich von einer Millisekunde einen als Ausschlag ausgebildetes Maximum 66 als charakteristisches Merkmal dieses Verlaufs 62 aufweist. Ein Vergleich des Verlaufs 66 in dem sechsten Diagramm mit dem Verlauf 46 in dem dritten Diagramm zeigt, dass sich dieser Knick 66 zu demselben Zeitpunkt wie das Maximum 49 in dem Verlauf 46 des Sensorsignals ereignet.
Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer Anord- nung 80, die zur Ausführung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Die Anordnung 80 umfasst einen Piezoaktor 82, der innerhalb eines Verbrennungsmotors zum Ansteuern ausgebildet ist.
Zwischen dem Piezoaktor 82 und der Düse 86 mit der Ventilnadel 88 bzw. einer Düsennadel ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Ventilelement 92 angeordnet. Eine Wechselwirkung zwischen dem Piezoaktor 84 und der Düse 86 mit der Ventilnadel 88 erfolgt indirekt über das Ventilelement 92. Es ist vorgesehen, dass während des Betriebs durch den Piezoaktor 82 ein Strom 90 einem vorgegebenen Profil geleitet wird. Durch diesen Strom 90 wird eine Abmessung des Piezoaktors 82 verändert. Durch Ansteuern des Ventilelements 92 durch den sich bewegenden Piezoaktor 82 wird auch die Ventilnadel 88 der Düse 86 bewegt und dabei unter anderem geöffnet. In der beschriebenen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Piezoaktor 84 die Ventilnadel ansteuert, Dadurch entstehen Druckunterschiede zwischen einem Sitz der Ventilnadel 88 und dem oberen Teil der Ventilnadel 88. Diese Druckunterschiede führen zu dem Öffnen der Ventilnadel 88.
Bei einem nach dem Öffnen erfolgenden Schließen der Ventilnadel 88 wird ein Körperschall erzeugt, der auf den Piezoaktor 82 wirkt und eine Spannung an dem Piezoaktor 82 bewirkt, die bei Umsetzung des Verfahrens mit einem Voltmeter 94 gemessen wird. Ein Signal der durch das Voltmeter 94 gemessenen Spannung kann einen wie anhand der Diagramme 50, 52, 54 dargestellten Knick 66, der durch den Körperschall verursacht wird, entlang eines Verlaufs 56, 58, 60, 62 des Signals bzw. eines bearbeiteten Signals aufweisen.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Bestimmen eines Nadelschließens einer Ventilnadel (88), die von einem Piezoaktor (82) angesteuert wird, bei dem ein Signal einer an dem Piezoaktor (82) anliegenden Spannung gemessen und das Nadel- schließen aus einem Verlauf (26, 32, 56, 58, 60, 62) des Signals nachgewiesen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem untersucht wird, ob der Verlauf (26, 32, 56, 58, 60, 62) des Signals ein charakteristisches Merkmal, das auf das Na- delschließen hinweist, aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem vorgesehen ist, dass der Piezoaktor während eines Betriebs angesteuert wird, wobei der Verlauf (26, 32, 56, 58, 60, 62) des Signals bei Durchführung des Verfahrens in einem Be- reich nach einer erfolgten Ansteuerung des Piezoaktors (58), nachdem die
Spannung auf einen Wert von 0 Volt abgesunken ist, untersucht wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem über den Verlauf (26, 32, 56, 58, 60, 62) des Signals ein Körperschall, der durch die sich schließende Ventilnadel (88) verursacht wird, nachgewiesen wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Ventilnadel (88) in einer Düse (86) angeordnet ist und von dem Piezoaktor (82) über mindestens ein Ventilelement (92) angesteuert wird.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Signal aufbereitet wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem auf das Sig- nal eine Bandpassfilterung mit Eckfrequenzen angewandt wird, und bestimmte Frequenzen des Signals gefiltert werden.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Signal quadriert wird.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Signal aufsummiert wird.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem ein Zeitpunkt des Nadelschließens bestimmt wird.
1 1 . Anordnung zum Bestimmen eines Nadelschließens einer Ventilnadel (88), die von einem Piezoaktor (82) angesteuert wird, wobei die Anordnung (80) dazu ausgebildet ist, ein Signal einer an dem Piezoaktor (82) anliegenden Spannung zu messen und das Nadelschließen aus einem Verlauf (26, 32, 56, 58, 60, 62) des Signals nachzuweisen.
12. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Rechenein- heit, insbesondere in einer Anordnung nach Anspruch 10 ausgeführt wird.
13. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn das Compu- terprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer Anordnung nach Anspruch 10 ausgeführt wird.
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