WO2006021577A1 - Verfahren und vorrichtung zur bewertung des temperaturverhaltens eines piezoelektrischen aktors in einem kraftstoffinjektor - Google Patents

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WO2006021577A1
WO2006021577A1 PCT/EP2005/054182 EP2005054182W WO2006021577A1 WO 2006021577 A1 WO2006021577 A1 WO 2006021577A1 EP 2005054182 W EP2005054182 W EP 2005054182W WO 2006021577 A1 WO2006021577 A1 WO 2006021577A1
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actuator
idle stroke
servo valve
injector
voltage
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PCT/EP2005/054182
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Andre KÖHLER
Stefan Lehmann
Klaus Petzold
Sascha Fedrow
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
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    • F02D2041/2051—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit using voltage control

Definitions

  • the invention relates to a method or a device having the features of the independent claims 1 and 7 is to assess the temperature behavior of a piezo-electric actuator, which builds Sheet ⁇ in a fuel injector and steu ⁇ ert means of a servo valve, a nozzle needle.
  • the piezoelectric actuator elongates after activation with a (DC) voltage in the axial direction and actuates the valve piston of the servo valve after overcoming an idle stroke.
  • the idle stroke is arranged between a bottom plate of the actuator and the valve piston.
  • the idle stroke should cherstellen si ⁇ that the servo valve under all conditions Radiobedin ⁇ the fuel injector is a reliable and pressure sealed when the actuator is not activated.
  • the idle stroke is very small due to the relatively short action length of the piezoelectric actuator and is only eini ⁇ ge microns. Temperature differences between the injector and the piezoceramic of the actuator and their different expansion coefficients cause the idle stroke can be reduced in unzu ⁇ casual manner. This can beispielswei ⁇ se in a common rail injection system of an internal combustion machine, in which a fuel pressure is built up to 2000 bar, lead to considerable malfunctions, for example H disclosestart- and cold starting problems may occur. It is therefore very important that the materials used, in particular the piezoceramic, are designed with the intended expansion coefficient.
  • This document proposes a test device for an injector in which a pressure generator initially sets a constant gas pressure monitored by a pressure sensor in the line system of the injector, which is in the range of 5 to 100 bar. At the same time an evaluation device triggers a signal ⁇ generator which outputs a predetermined ramp-shaped drive signal to the actuator. As a result, the actuator is extended until the servo valve is opened after overcoming the idle stroke. The now occurring pressure drop is detected by the pressure sensor. He signaled to the evaluation that the Ser ⁇ opens voventil. The evaluation unit now correlates the measured pressure values with the chronologically predetermined sequence of the actuating action of the servo valve. This setting process is compared, for example, with stored pattern curves. From the comparison conclusions about the function pulled the servo valve and created an automatic fault diagnosis.
  • the invention has the object of the evaluation of the thermal behavior of a turned in a fuel injector ⁇ built to simplify the piezoelectric actuator and the Prü ⁇ fung perform faster. This object is achieved with the features of the independent claims 1 and 7.
  • ⁇ is also considered that in each case before and after the heat on ⁇ with a simple voltmeter Leerhubspan ⁇ the voltage is measured.
  • a simple positive pulse sequence is used as by a rectified or shifted sinusoid example, it can be generated ⁇ .
  • the electrical ⁇ cal energy contained in the pulse sequence can be easily determined, so that it un ⁇ ter into account the efficiency of the actuator, the Tempe ⁇ raturerhöhung in the actuator can be determined indirectly.
  • An additional temperature measurement at the actuator is therefore not necessary, it would be difficult to carry out within the injector anyway. From the temperature increase and the voltage difference before and after the heating of the actuator can then be concluded in an advantageous manner to the expansion coefficient of the actuator.
  • the actuator is heated in less than 10 minutes, since its mass relative to the Ge ⁇ housing composition is relatively low.
  • known test methods in which the entire injector has to be heated up in a temperature chamber, on the other hand, several hours are required in order to be able to reach the expansion coefficient.
  • the erfindungsge ⁇ Permitted method thus results in a considerable savings in test times.
  • the exam can also be carried out with less effort and expense.
  • the reduced expenses, the sample can be to check the Ausdehnungsko ⁇ efficient increase in a current series production so that the confidence level is substantially improved.
  • the lines inside the injector In order to be able to easily check the opening of the servo valve, provision is made for the lines inside the injector to be in place of fuel with a lower one Pressurized gas, in particular to fill with nitrogen gas and to monitor the pressure.
  • the gas pressure When the servo valve is closed, the gas pressure is constant. If the actuator is controlled electrically, the servo valve is opened after overcoming the idle stroke, which can be registered by the decreasing gas pressure. In this way, a reference between ⁇ the driving signal and the idle stroke can be easily made.
  • the use of the gas results in the further advantage that the injector is not contaminated, so that no additional cleaning effort arises.
  • a further advantageous solution is also seen in that with the help of the gas pressure simultaneously a tightness ⁇ and functional testing of the actuator can be performed. If the servo valve is closed when the actuator is switched off, there must be no pressure drop in the line network. In this case, the leak test is to be regarded as passed. De Wür ⁇ a pressure drop occurs, then this could be an indication that the preset idle stroke is too small and thus the servo valve does not or not completely ge ⁇ can be closed. Furthermore, if the idle stroke is too great, the servovalve could no longer be opened by the actuated actuator so that its control function would fail. In this case, the bump test would not be successful and the idle stroke would have to be corrected.
  • FIG. 1 shows, in a simplified representation, a piezoelectrical actuator which is designed as an actuator stack.
  • FIG. 2 shows a section through a fuel injector with a control and testing device and
  • FIG. 3 shows a flowchart for determining the expansion coefficient.
  • FIG. 1 shows, in a three-dimensional view, an actuator (stack actuator) 10 which is formed from a large number of superposed, for example, several hundred piezo ceramic layers 11. Between the individual piezo ceramic layers 11 metal electrodes 12 are arranged. The metal electrodes 12 have at two opposite corners in alternating sequence recesses 13, so that only every second metal electrode 12 can be connected to one of the ⁇ at the vertically extending metallization 14. An electrical direct voltage signal U, with which a change in length of the actuator 10 can be achieved, is connected to the two metallization tracks 14 at terminals +, -.
  • the arrow A indicates the direction in which the stack actuator 10 extends when the voltage U is applied.
  • the rest length of the stack actuator 10 is indicated by h.
  • the stack actuator 10 is surrounded by a tubular spring, which has been omitted in FIG. 1 for reasons of clarity.
  • the Bourdon tube is biased so that it supports the actuator when Saturn ⁇ hen switching off the control voltage.
  • a bottom plate is arranged, which transmits the change in length of the ange ⁇ controlled actuator 10 to a servo valve, as will be explained in more detail following ⁇ with reference to the figure 2.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a fuel injector 1 and a device for evaluating the temperature behavior of the piezoelectric actuator 10 according to the invention.
  • the actuator 10 In the upper part of the injector 20, the actuator 10 is arranged ⁇ .
  • a Ventilkol ⁇ ben 39 Below the actuator 10 is a Ventilkol ⁇ ben 39, which is guided in a central bore 10 and at its lower end a valve ball 27 has.
  • the valve ⁇ piston 39 forms together with a subsequent STEU erhunt 26 and a conical valve seat 28 a Servo valve 23 which is verwen ⁇ det for controlling a nozzle needle 21, which is located in the lower part of the injector 20.
  • valve ball 29 is pressed by a valve spring 25 against its valve seat 28 and thus closes the control chamber 26 when the actuator 10 is not energized.
  • a high pressure ⁇ line 17 which is supplied by a fuel inlet 18. Via the high pressure line 17 passes on the one hand the fuel into a pressure chamber 16 and on the other hand via a Le ⁇ ckage effet 26 in the control chamber above the Servoven- TILs 23 is disposed a fuel return line 29 through which can flow out of the fuel when the servo valve 23 opens ,
  • the servo valve 23 When the actuator 10 is not activated, the servo valve 23 is closed. Further, the nozzle needle is pressed by a spring against its sealing seat 19 21 and closes the injection holes 15. In control of the actuator 10, it elongates from overcomes initially the idle stroke L and pressed against ⁇ closing on the valve piston 39. This opens the servo ⁇ valve 23, so that the fuel via the fuel return pipe can flow ⁇ 29th As a result, the pressure in the control chamber 26 is reduced. In the pressure chamber 16, however, there is still the very high fuel pressure which, in the case of a common rail injection system, can be up to 2000 bar.
  • the nozzle needle 21 Due to the differential pressure between the pressure chamber 16 and the control chamber 26, the nozzle needle 21 is lifted from its sealing seat 19. As a result, the injection holes 15 for the fuel outlet are released. If the servo valve 23 is closed again after switching off the Ak ⁇ torhard, builds the pressure on the leakage line in the control chamber 26 again. The differential pressure decreases and the nozzle needle 21 again closes its injection holes 15th
  • a plurality of very short DC voltage pulses are used for one injection cycle in order to achieve optimized combustion of the fuel / air mixture.
  • Such injectors are used in a high-pressure injection system for injecting gasoline or diesel.
  • a pressurized gas for example nitrogen, is used instead of the fuel.
  • the pressure may be much lower, since with the help of the gas only the function and tightness of the servo valve 23 must be checked in conjunction with the idle stroke L.
  • Vorrich ⁇ device 3 For testing and evaluation, a Vorrich ⁇ device 3 is proposed according to the invention, which is shown in Figure 2 with the dashed border.
  • a signal generator 33 supplies via a line 34 a control voltage to the actuator 10, for example with a ramp function, in order to detect the idle stroke voltage when the servo valve 23 opens. Ren the wide ⁇ the signal generator 33 is designed to generate the heat energy with which the actuator can be heated 10 in a short time to ⁇ special in less than ten minutes.
  • the injector 1 is at the inlet 18 via a pressure line 31 with a pressure sensor 32 and a
  • Pressure generator 30 connected. Furthermore, the signal generator 33, the pressure sensor 32 and the pressure generator 30 are connected via electrical lines 35a, b, c to an evaluation unit 36.
  • the evaluation unit 36 has a program-controlled computer, memory, voltmeter, etc., for
  • Control of the connected units are formed.
  • the individual units are known per se and therefore need not be explained in more detail.
  • appropriate positive switching signals ver ⁇ may be applies, such as a shifted sine wave having a predetermined number of periods and a constant amplitude.

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Abstract

Bei einem Kraftstoffinjektor, bei dem ein piezoelektrischer Aktor (10) ein Servoventil (23) betätigt, können bei Erwärmung auf Grund des Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Piezokeramik erhebliche Funktionsstörungen auftreten. Insbesondere verringert sich der geringe Leerhub (L), der zwischen dem Aktor (10) und dem Servoventil (23) voreingestellt ist. Bei einem zu geringen Leerhub kann das Servoventil (23) nicht mehr geschlossen werden, so dass durch den entstehenden Druckabfall die Spritzlöcher (15) am unteren Ende des Kraftstoffinjektors (1) geöffnet bleiben. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, den Aktor (10) elektrisch schnell aufzuheizen und jeweils vor und nach dem Aufheizen die Leerhubspannung zu bestimmen. Die Bestimmung der Leerhubspannung erfolgt mit einer Spannungsmessung am angesteuerten Aktor (10). Durch die schnelle Aufheizung des Aktors (10) entsteht gegenüber dem massiven Injektorgehäuse eine Temperaturdifferenz, die zu einer Verringerung des Leerhubs (L) führt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es beispielsweise im Fertigungsprozess zur Prozesskontrolle in wenigen Minuten schnell und mit geringem Aufwand durchgeführt werden kann.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Bewertung des Temperaturverhal¬ tens eines piezoelektrischen Aktors in einem Kraftstoffinjek- tor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren beziehungsweise eine Vorrichtung mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 7 zur Bewertung des Temperaturverhaltens eines piezo- elektrischen Aktors, der in einem Kraftstoffinjektor einge¬ baut ist und mittels eines Servoventils eine Düsennadel steu¬ ert. Der piezoelektrische Aktor längt sich nach Ansteuerung mit einer (Gleich) -Spannung in axialer Richtung aus und betä¬ tigt nach Überwindung eines Leerhubs den Ventilkolben des Servoventils. Der Leerhub ist zwischen einer Bodenplatte des Aktors und dem Ventilkolben angeordnet. Der Leerhub soll si¬ cherstellen, dass das Servoventil unter allen Betriebsbedin¬ gungen des Kraftstoffinjektors zuverlässig arbeitet und druckdicht verschlossen ist, wenn der Aktor nicht aktiviert ist.
Der Leerhub ist auf Grund der relativ geringen Aktionslänge des piezoelektrischen Aktors sehr klein und beträgt nur eini¬ ge μm. Temperaturdifferenzen zwischen dem Injektormaterial und der Piezokeramik des Aktors sowie deren unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bewirken, dass der Leerhub in unzu¬ lässiger Weise verringert werden kann. Das kann beispielswei¬ se bei einem Common Rail Einspritzsystem einer Brennkraftma¬ schine, bei dem ein Kraftstoffdruck bis zu 2000 bar aufgebaut wird, zu erheblichen Fehlfunktionen führen, beispielsweise können Heißstart- und Kaltstartschwierigkeiten auftreten. Es ist daher sehr wichtig, dass die verwendeten Materialien, insbesondere die Piezokeramik mit dem vorgesehenen Ausdeh¬ nungskoeffizienten ausgebildet ist.
Die Überprüfung des Ausdehnungskoeffizienten, insbesondere am funktionsfertigen Kraftstoffinjektor, ist bei bekannten Prüf- methoden sehr schwierig und zeitaufwendig, da ein Prüfzyklus mehrere Stunden in Anspruch nehmen kann. Daher wurde zunächst versucht, dieses Problem durch eine geeignete Wahl der ver¬ wendeten Materialien, beispielsweise für den Ventilkolben des Servoventils, den Ausdehnungskoeffizienten der Piezokeramik zu lösen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dieses Verfahren zu ungenau ist, da im praktischen Betrieb das massive Injek¬ torgehäuse und der Aktor einen unterschiedlichen Temperatur¬ gang aufweisen und dadurch eine wirkungsvolle Temperaturkom- pensation für den Leerhub nicht erzielt werden kann.
Weiterhin ist bekannt, dass zur Bestimmung des Ausdehnungsko¬ effizienten der Kraftstoffinjektor beispielsweise in eine Temperaturkammer gelegt und von außen sukzessiv bis auf 1400C aufgeheizt wird. Bei mehreren Temperaturstufen wird mit einem indirekten Verfahren die Wirkung der Temperaturkompensation in Bezug auf den Leerhub überprüft. Zur Überprüfung des Leer¬ hubs wird der Aktor mit einem ansteigenden Spannungssignal soweit angesteuert, bis der Leerhub überwunden und das Servo- ventil vom Ventilkolben betätigt wird. Diese Spannung ent¬ spricht dann der Leerhubspannung. Ein solches Verfahren wird in der DE 19851285 Cl näher erläutert. In dieser Druckschrift wird eine Prüfvorrichtung für einen Injektor vorgeschlagen, bei der zunächst ein Druckerzeuger einen von einem Drucksen- sor überwachten konstanten Gasdruck im Leitungssystem des In¬ jektors einstellt, der im Bereich 5 bis 100 bar liegt. Gleichzeitig triggert eine Auswerteeinrichtung einen Signal¬ generator, der ein vorgegebenes rampenförmiges Ansteuersignal an den Aktor abgibt. Dadurch wird der Aktor verlängert, bis nach Überwindung des Leerhubs das Servoventil geöffnet wird. Der nun einsetzende Druckabfall wird von dem Drucksensor er- fasst. Er signalisiert an die Auswerteeinheit, dass das Ser¬ voventil geöffnet wird. Die Auswerteeinheit korreliert jetzt die gemessenen Druckwerte mit dem zeitlich vorbestimmten Ab- lauf des Stellvorgangs des Servoventils. Dieser Stellvorgang wird beispielsweise mit gespeicherten Musterverläufen vergli¬ chen. Aus dem Vergleich werden Rückschlüsse über die Funktion des Servoventils gezogen und eine automatische Fehlerdiagnose erstellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Bewertung des Temperaturverhaltens eines in einem Kraftstoffinjektor einge¬ bauten piezoelektrischen Aktors zu vereinfachen und die Prü¬ fung schneller durchzuführen. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 7 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise der Vor¬ richtung zur Bewertung des Temperaturverhaltens eines piezo¬ elektrischen Aktors in einem Kraftstoffinjektor mit den kenn¬ zeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 7 ergibt sich der Vorteil, dass das temperaturverhalten in we- nigen Minuten und ohne großen apparativen Aufwand durchge¬ führt werden kann. Als besonders vorteilhaft wird dabei ange¬ sehen, dass - nicht wie beim bekannten Stand der Technik - der komplette Kraftstoffinjektor in einer Temperaturkammer aufgeheizt werden muss. Vielmehr wird beim Erfindungsgegen- stand durch eine vorgegebene elektrische Energiezufuhr ledig¬ lich der Aktor aufgeheizt, während die massiven Gehäuseteile des Injektors auf Grund ihrer schlechten Wärmeleitung zum Ak¬ tor im wesentlichen ihre normale konstante Raumtemperatur beibehalten. Dadurch verringert sich der Prüfungsaufwand von etlichen Stunden auf wenige Minuten. Als besonders vorteil¬ haft wird auch angesehen, dass jeweils vor und nach dem Auf¬ heizen mit einem einfachen Spannungsmesser die Leerhubspan¬ nung gemessen wird. Diese beiden Spannungssignale lassen sich sehr leicht auswerten, so dass die ermittelte Spannungsdiffe- renz unter Berücksichtigung der zugeführten Energie ein di¬ rektes Maß für den Ausdehnungskoeffizienten des Aktors dar¬ stellt.
In den abhängigen Ansprüchen sind weitere vorteilhafte Maß- nahmen und Verbesserung des in den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 7 dargestellten Verfahrens beziehungsweise der Vorrich¬ tung gegeben. Eine besonders vorteilhafte Lösung wird bei- spielsweise darin gesehen, dass der ermittelte Ausdehnungsko¬ effizient zur Temperaturkompensation des Leerhubs verwendet werden kann. So kann beispielsweise die Komponenten, insbe¬ sondere der Ventilkolben und die Piezokeramik des Aktors, mit denen das Servoventil direkt gesteuert wird, exakt aufeinan¬ der abgestimmt werden.
Zum Aufheizen des Aktors wird in vorteilhafter Weise eine einfache positive Pulsfolge verwendet, wie sie beispielweise durch eine gleichgerichtete oder verschobene Sinuskurve er¬ zeugt werden kann. Die in der Pulsfolge enthaltene elektri¬ sche Energie lässt sich leicht bestimmen, so dass daraus un¬ ter Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Aktors die Tempe¬ raturerhöhung im Aktor indirekt ermittelt werden kann. Eine zusätzliche Temperaturmessung am Aktor ist daher nicht erfor¬ derlich, sie wäre innerhalb des Injektors ohnehin nur schwer durchführbar. Aus der Temperaturerhöhung und der Spannungs¬ differenz vor und nach dem Aufheizen des Aktors lässt sich dann in vorteilhafter Weise auf den Ausdehnungskoeffizienten des Aktors schließen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Aktor in weniger als 10 Minuten aufgeheizt, da seine Masse gegenüber der Ge¬ häusemasse relativ gering ist. Bei bekannten Testverfahren, bei denen der gesamte Injektor in einer Temperaturkammer auf¬ geheizt werden muss, werden dagegen etliche Stunden benötigt, um den Ausdehnungskoeffizienten zu können. Das erfindungsge¬ mäße Verfahren ergibt somit eine erhebliche Einsparung an Prüfzeiten. Auch lässt sich die Prüfung mit geringerem appa- rativen Aufwand durchführen. Durch den verringerten Aufwand lässt sich die Stichprobe zur Überprüfung des Ausdehnungsko¬ effizienten in einer laufenden Serienfertigung erhöhen, so dass die Aussagesicherheit wesentlich verbessert wird.
Um das Öffnen des Servoventil auf einfache Weise überprüfen zu können, ist vorgesehen, die im Innern des Injektors be¬ findlichen Leitungen an Stelle von Kraftstoff mit einem unter Druck stehenden Gas, insbesondere mit Stickstoffgas zu befül- len und den Druck zu überwachen. Bei geschlossenem Servoven- til ist der Gasdruck konstant. Wird der Aktor elektrisch an¬ gesteuert, dann wird nach Überwindung des Leerhubs das Servo- ventil geöffnet, was durch den abfallenden Gasdruck regist¬ riert werden kann. Auf diese Weise kann leicht ein Bezug zwi¬ schen dem Ansteuersignal und dem Leerhub hergestellt werden. Durch die Verwendung des Gases ergibt sich der weitere Vor¬ teil, dass der Injektor nicht verschmutzt wird, so dass kein zusätzlicher Reinigungsaufwand entsteht.
Eine weitere vorteilhafte Lösung wird auch darin gesehen, dass mit Hilfe des Gasdrucks gleichzeitig eine Dichtheits¬ und Funktionsprüfung des Aktors durchgeführt werden kann. Wenn das Servoventil bei abgeschaltetem Aktor geschlossen ist, darf kein Druckabfall im Leitungsnetz auftreten. In die¬ sem Fall ist der Dichtheitstest als bestanden anzusehen. Wür¬ de ein Druckabfall auftreten, dann könnte dieser ein Indiz dafür sein, dass der voreingestellte Leerhub zu klein ist und dadurch das Servoventil nicht oder nicht vollständig ge¬ schlossenen werden kann. Des weiteren könnte bei einem zu großen Leerhub das Servoventil durch den angesteuerten Aktor nicht mehr geöffnet werden, so dass dessen Steuerfunktion ausfällt. In diesem Fall wäre der Funktionstest nicht bestan- den und der Leerhub müsste korrigiert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .
Figur 1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen piezoelekt¬ rischen Aktor, der als Aktorstack ausgebildet ist,
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch einen Kraftstoffinjektor mit einer Steuer- und Prüfeinrichtung und Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm zur Ermittlung des Ausdeh¬ nungskoeffizienten.
Die Darstellung gemäß Figur 1 zeigt in dreidimensionaler Dar- Stellung einen Aktor (Stapelaktor) 10, der aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten, beispielsweise aus mehreren hundert Piezo-Keramikschichten 11 gebildet ist. Zwischen den einzelnen Piezo-Keramikschichten 11 sind Metallelektroden 12 angeordnet. Die Metallelektroden 12 weisen an zwei gegenüber- liegenden Ecken in abwechselnder Folge Aussparungen 13 auf, so dass nur jede zweite Metallelektrode 12 mit einer der bei¬ den vertikal verlaufenen Metallisierungsbahnen 14 verbunden werden kann. An die beiden Metallisierungsbahnen 14 wird an Anschlüssen +,- ein elektrisches Gleichspannungssignal U an- geschlossen, mit dem eine Längenänderung des Aktors 10 er¬ zielt werden kann. Der Pfeil A zeigt die Richtung an, in die sich der Stapelaktor 10 beim Anlegen der Spannung U verlän¬ gert. Die Ruhelänge des Stapelaktors 10 ist mit h angegeben.
Üblicherweise ist der Stapelaktor 10 mit einer Rohrfeder um¬ mantelt, die in Figur 1 aus Übersichtlichkeitsgründen wegge¬ lassen wurde. Die Rohrfeder ist so vorgespannt, dass sie nach dem Abschalten der Steuerspannung den Aktor beim Zusammenzie¬ hen unterstützt. An der unteren Stirnfläche des Aktors 10 ist eine Bodenplatte angeordnet, die die Längenänderung des ange¬ steuerten Aktors 10 auf ein Servoventil überträgt, wie nach¬ folgend an Hand der Figur 2 näher erläutert wird.
Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjek- tor 1 sowie eine Vorrichtung zur Bewertung des Temperaturver¬ haltens des piezoelektrischen Aktors 10 gemäß der Erfindung. Im oberen Teil des Injektorgehäuses 20 ist der Aktor 10 ange¬ ordnet. Unterhalb des Aktors 10 befindet sich ein Ventilkol¬ ben 39, der in einer zentralen Bohrung 10 geführt wird und an seinem unteren Ende eine Ventilkugel 27 aufweist. Der Ventil¬ kolben 39 bildet zusammen mit einer sich anschließenden Steu¬ erkammer 26 und einem konisch ausgebildeten Ventilsitz 28 ein Servoventil 23, das zur Steuerung einer Düsennadel 21 verwen¬ det wird, die sich im unteren Teil des Injektorgehäuses 20 befindet. Die Ventilkugel 29 wird von einer Ventilfeder 25 gegen ihren Ventilsitz 28 gedrückt und verschließt somit die Steuerkammer 26, wenn der Aktor 10 nicht bestromt ist. Zwi¬ schen der Bodenplatte des Aktors 10 und dem Ventilkolben 39 ist ein Leerhub L angeordnet, der nur wenige μm breit ist. Durch den Leerhub soll sichergestellt werden, dass das Servo¬ ventil druckfest verschlossen ist, wenn sich der Aktor 10 in seiner Ruhestellung befindet.
Im rechten Teil des Injektors 1 befindet sich eine Hochdruck¬ leitung 17, die von einem Kraftstoffzulauf 18 versorgt wird. Über die Hochdruckleitung 17 gelangt einerseits der Kraft- Stoff in eine Druckkammer 16 und andererseits über eine Le¬ ckageleitung in die Steuerkammer 26. Oberhalb des Servoven- tils 23 ist eine Kraftstoffrücklaufleitung 29 angeordnet, durch die der Kraftstoff abfließen kann, wenn das Servoventil 23 öffnet.
Nachfolgend wird die Funktion des Kraftstoffinjektors 1 näher erläutert. Bei nicht angesteuertem Aktor 10 ist das Servoven¬ til 23 geschlossen. Des weiteren wird die Düsenadel 21 durch eine Feder gegen ihren Dichtsitz 19 gepresst und verschließt die Spritzlöcher 15. Bei Ansteuerung des Aktors 10 längt er sich aus, überwindet zunächst den Leerhub L und drückt an¬ schließend auf den Ventilkolben 39. Dieser öffnet das Servo¬ ventil 23, so dass der Kraftstoff über die Kraftstoffrück¬ laufleitung 29 abfließen kann. Dadurch wird der Druck in der Steuerkammer 26 abgebaut. In der Druckkammer 16 besteht je¬ doch weiterhin der sehr hohe Kraftstoffdruck, der bei einem Common Rail Einspritzsystem bis zu 2000 bar betragen kann. Durch den Differenzdruck zwischen der Druckkammer 16 und der Steuerkammer 26 wird die Düsennadel 21 von ihrem Dichtsitz 19 abgehoben. Dadurch werden die Spritzlöcher 15 für den Kraft¬ stoffaustritt freigegeben. Wenn nach Abschalten der Ak¬ torspannung das Servoventil 23 wieder geschlossen wird, baut sich über die Leckageleitung in der Steuerkammer 26 wieder der Druck auf. Der Differenzdruck nimmt ab und die Düsennadel 21 verschließt wieder ihre Spritzlöcher 15.
Zum Steuern des Kraftstoffinjektors werden, insbesondere bei der Mehrfacheinspritzung, in der Regel mehrere sehr kurze Gleichspannungspulse für einen Einspritzzyklus verwendet, um eine optimierte Verbrennung des Kraftstoff-/Luftgemisches zu erreichen. Derartige Injektoren werden in einem Hochdruckein- spritzsystem zur Einspritzung von Benzin oder Diesel einge¬ setzt.
Zur Prüfung und Bewertung des Temperaturverhaltens des piezo¬ elektrischen Aktors 10 wird an Stelle des Kraftstoffs ein un- ter Druck stehendes Gas, beispielsweise Stickstoff verwendet. Auch kann der Druck wesentlich niedriger sein, da mit Hilfe des Gases lediglich die Funktion und Dichtheit des Servoven- tils 23 in Verbindung mit dem Leerhub L geprüft werden muss.
Zur Prüfung und Bewertung wird erfindungsgemäß eine Vorrich¬ tung 3 vorgeschlagen, die in Figur 2 mit der gestrichelten Umrandung dargestellt ist. Ein Signalgenerator 33 liefert ü- ber eine Leitung 34 eine Steuerspannung an den Aktor 10, bei¬ spielsweise mit einer Rampenfunktion, um die Leerhubspannung zu erfassen, wenn sich das Servoventils 23 öffnet. Des weite¬ ren ist der Signalgenerator 33 zur Erzeugung der Heizenergie ausgebildet, mit der der Aktor 10 innerhalb kurzer Zeit, ins¬ besondere in weniger als zehn Minuten aufgeheizt werden kann. Während der Testdauer ist der Injektor 1 am Zulauf 18 über eine Druckleitung 31 mit einem Drucksensor 32 und einem
Druckerzeuger 30 verbunden. Des weiteren sind der Signalgene¬ rator 33, der Drucksensor 32 und der Druckerzeuger 30 über elektrische Leitungen 35a,b,c mit einer Auswerteeinheit 36 verbunden. Die Auswerteeinheit 36 weist einen programmgesteu- erten Rechner, Speicher, Spannungsmesser usw. auf, die zur
Steuerung der angeschlossenen Einheiten ausgebildet sind. Die einzelnen Einheiten sind per se bekannt und müssen daher nicht näher erläutert werden.
In Figur 3 wird an Hand eines Flussdiagramms die Funktions- weise dieser Vorrichtung 3 näher erläutert. Während der Prüf¬ dauer wird der Gasdruck konstant gehalten und vom Drucksensor 32 überwacht. Zunächst wird in Position 40 bei Raumtempera¬ tur, beispielsweise 200C, der Aktor mit einer ersten Steuer¬ spannung soweit angesteuert, bis der Leerhub L überwunden ist und das Servoventil 23 öffnet. Der nun einsetzende Druckab¬ fall wird in Position 41 registriert und die entsprechende Leerhubspannung gemessen. Die Leerhubspannung schwankt je nach Aktortyp und beträgt beispielsweise 30V. In Position 42 wird der Aktor wieder abgeschaltet und der Gasdruck wieder aufgebaut.
In Position 43 wird der Aktor mit einer definierten Energie aufgeheizt. Dazu können geeignete positive Schaltsignale ver¬ wendet werden, beispielsweise eine verschobene Sinuskurve mit einer vorgegebenen Periodenzahl und konstanter Amplitude.
Nach Beendigung des Heizvorgangs wird in Position 44 dem Ak¬ tor wieder die Steuerspannung zugeführt und eine zweite Leer¬ hubspannung gemessen. Durch die Erwärmung hat sich der Aktor auf Grund seines Ausdehnungskoeffizienten etwas verlängert, so dass jetzt die Leerhubspannung niedriger ist, beispiels¬ weise 20V. In Position 45 wird die Spannungsdifferenz gebil¬ det, in unserem Beispiel also du = -10V. Diese Spannungsdif¬ ferenz dU ist ein Maß für den Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Piezokeramik des Aktors. Der Ausdehnungskoeffi- zient kann bestimmt werden, wenn beispielsweise durch Ver¬ gleichsmessungen, gespeicherte Tabellen oder Kurven die durch die Energiezufuhr bewirkte Temperaturerhöhung ermittelt wur¬ de. In Position 46 steht dann das Ergebnis zur weiteren Ver¬ arbeitung bereit. Beispielsweise können zur Kompensation des Ausdehnungskoeffizienten geeignete Materialien ausgewählt werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Prozess¬ kontrollen in der Fertigung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jede Art von Leerhub zwischen einem Stellglied und dem Aktor verwendet werden. Das Verfahren ist nicht auf das im Ausführungsbeispiel erläuterte Servoventil als Stellglied beschränkt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bewertung des Temperaturverhaltens eines piezoelektrischen Aktors (10), der in einem Kraft- stoffinjektor (1) ein Stellglied, insbesondere mittels eines Servoventils (23) eine Düsennadel (21) steuert, wo¬ bei der Aktor (10) mit einer vorgegebenen Spannung ange¬ steuert wird und seine Bodenplatte nach Überwindung eines voreingestellten Leerhubs (L) das Stellglied, insbesonde- re das Servoventil (23) betätigt, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (10) gegenüber dem umgebenden Injektorge¬ häuse (20) mit einer vorgegebenen Energie elektrisch auf¬ geheizt wird, dass vor und nach dem Aufheizen eine zum Öffnen des Servoventils (23) erforderliche Leerhubspan- nung gemessen wird, und dass wahlweise aus der Differenz (dU) der beiden Leerhubspannungen unter Berücksichtigung der vorgegebenen Energie ein Ausdehnungskoeffizient für den Aktor (10) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Ausdehnungskoeffizient zur Temperaturkom¬ pensation des Leerhubs (L) , insbesondere durch Auswahl geeigneter Materialien für die Piezokeramik und/oder den Ventilkolben verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, dass zum Aufheizen der Aktor (10) mit einer positiven Pulsfolge belastet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, dass der Aktor (10) vorzugsweise in weniger als 10 Minuten aufgeheizt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass zur Messung des Leerhubs (L) der Aktor (10) mit einem unter Druck stehenden Gas, vor¬ zugsweise mit Stickstoff gefüllt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Gasdruck eine Dichtheitsprüfung des Aktors (10), insbesondere des Servoventils (23) und/oder ein Funkti- onstest für die Steuerung des Servoventils (23) durchge¬ führt wird.
7. Vorrichtung zur Bewertung des Temperaturverhaltens eines piezoelektrischen Aktors (10) nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, mit einer Auswerteeinheit (36) zur Erfas¬ sung des Leerhubs und der Leerhubspannung und mit einer Druckregelung (30,32) zur Regelung des Gasdrucks für den Injektor (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Einrichtung (33) vorgesehen ist, mit der eine vorgegebene elektrische Energie zum Aufheizen des Aktor (10) schalt¬ bar ist, und dass die Auswerteeinheit (36) zur Erfassung des Leerhubs einen Spannungsmesser aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsmesser ausgebildet ist, die Leerhubspannung vor und nach dem Aufheizen des Aktors (10) zu erfassen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Auswerteeinheit (36) ausgebildet ist, aus den gemessenen Spannungswerten und der beaufschlagten E- nergie einen Ausdehnungskoeffizienten für den Aktor (10) zu ermitteln.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Ermittlung des Ausdehnungskoeffi¬ zienten mit Hilfe einer gespeicherten Vergleichstabelle oder einer Vergleichskurve durchführbar ist.
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