WO2006106015A1 - Brennstoffeinspritzsystem - Google Patents

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WO2006106015A1
WO2006106015A1 PCT/EP2006/060316 EP2006060316W WO2006106015A1 WO 2006106015 A1 WO2006106015 A1 WO 2006106015A1 EP 2006060316 W EP2006060316 W EP 2006060316W WO 2006106015 A1 WO2006106015 A1 WO 2006106015A1
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WO
WIPO (PCT)
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actuator
fuel injection
voltage
regeneration
recovery operation
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/060316
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Hedrich
Friederike Lindner
Georg Hejtmann
Marc Kuehlein
Alfons Kelnberger
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2006106015A1 publication Critical patent/WO2006106015A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2051—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit using voltage control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/08—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series the valves opening in direction of fuel flow
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection system with a fuel injection valve, especially one
  • Fuel injection system for fuel injection systems of air-compressing, self-igniting internal combustion engines is provided.
  • the method known from WO 2004/001794 A2 is adapted to a special type of fuel injection valves, in which a thermal safety distance between a servo valve of the fuel injection valve and a piezoelectric actuator is released. Due to the thermal safety distance, a thermal expansion of the piezoelectric actuator can be compensated. However, the temperature expansion described by the thermal expansion coefficient of the piezoelectric actuator also depends on the polarization state of the piezoelectric actuator, so that the tolerance band for the thermal safety distance in the course If necessary, the time is left, which can lead to a pressure leak in the fuel injection valve.
  • the known method increases the dynamics of the piezoelectric actuator by negative voltages are applied to the actuator, so that the length of the actuator can be varied in both directions, that is both extended and shortened. As a result, when the thermal safety distance is maintained, the fuel injection valve can be securely closed without repolarization occurring in the ceramic of the actuator.
  • the method known from WO 2004/001794 A2 has the disadvantage that an alternating voltage is required in the control for generating the shortening and lengthening during the operating cycle in the working operation of the fuel injection valve, so that the control is complex.
  • the polarization state of the ceramic of the piezoelectric actuator changes over the life of the fuel injection valve, so that an additional circuit is required to produce an individual for each actuator offset voltage.
  • the fuel injection system according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the control unit the actuator of the fuel injection valve in the separate from the working operation
  • Recovery operation is applied to a regeneration voltage, which makes a self-adjusting, permanent change in length of the actuator at least partially reversed, whereby a constant elasticity can be maintained.
  • a Any given in terms of optimal combustion operating voltage to the actuator are applied, so that the control of the fuel injection valve can be done in a simple manner.
  • Corresponding advantages result in the control device according to the invention with the features of claim 7, which is designed in particular as a maintenance device, and in the inventive method for operating a fuel injection valve having the features of claim 8.
  • control device acts on the actuator in the recovery operation over a regeneration period with the regeneration voltage, which is longer than an injection cycle in the working mode.
  • the regeneration period may last one second or longer, more preferably approximately one minute or more.
  • the expansion behavior of the actuator can be largely restored.
  • a control over a regeneration period of 60 s for example, after the shutdown of the engine or during maintenance done.
  • the recovery operation may also be performed during a coasting operation of the internal combustion engine, wherein to allow a required operation, the recovery operation may be canceled and may be performed again at a later time.
  • the controller acts on the actuator during the recovery operation with a Regeneration voltage which generates an electric field strength in the material of the actuator which is at least 10% larger, in particular at least 40% larger and especially greater by at least 70% than the coercive field strength of the material of the actuator.
  • control device has a signal generator which generates at least one voltage signal for the actuator, and a polarity reversing switch which is at least indirectly connected to the signal generator, wherein the polarity reversal switch in the recovery operation reverses the polarity of the voltage signal generated by the signal generator and the Signal generator generates an at least constant DC signal.
  • the solution according to the invention can also be used in a signal generator and an amplifier which are designed for DC operation.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the fuel injection system according to the invention with a
  • Fuel injection valve in a schematic representation and Fig. 2 is a diagram for explaining the method and the operation of the invention.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a fuel injection system 1 of the invention with a fuel injection valve 2 and a control unit 3.
  • the fuel injection valve 2 can serve in particular as an injector for fuel injection systems of air-compressing, self-igniting internal combustion engines.
  • the fuel injection system 1 is suitable as a fuel injection system 1 for commercial vehicles or passenger cars.
  • a preferred use of the fuel injection system 1 is for a fuel injection system with a common rail, which leads diesel fuel under high pressure to a plurality of fuel injection valves 2.
  • the fuel injection system 1 according to the invention is also suitable for other applications.
  • the fuel injection valve 2 shown in FIG. 1 in a partially axial sectional view has a valve housing 4 and a valve seat body 5 connected to the valve housing 4. On the valve seat body 5, a valve seat surface 6 is formed, which cooperates with a valve closing body 8 which can be actuated by a valve needle 7 to form a sealing seat.
  • the valve closing body 8 is formed integrally with the valve needle 7 in this embodiment.
  • Fuel injection valve 2 also has a fuel inlet 9 shown in simplified form, via the high-pressure fuel in a fuel 10 of the Fuel injection valve 2 is inserted.
  • the valve housing 4 of the fuel injection valve 2 has a housing part 11, which is used to guide the valve needle 7 and to seal an actuator chamber 12 of the
  • Fuel injection valve 2 opposite to the fuel-filled fuel space 10 is used.
  • the actuator chamber 12 is formed inside the valve housing 4.
  • a multi-layer piezoelectric actuator 15 is arranged, which is supported on the one hand on an inner surface 16 of the actuator chamber 12 of the valve housing 4 and on the other hand on a pressure plate 17.
  • the actuator 15 acts via the pressure plate 17 against a return spring 18 on the valve needle 7, whereby the valve closing body 8 lifts from the valve seat surface 6 and the sealing seat formed between the valve seat surface 6 and the valve closing body 8 is opened.
  • fuel from the fuel chamber 10 can be injected via an annular fuel channel 19 and the open sealing seat into a (not shown) combustion chamber of an internal combustion engine.
  • actuation of the actuator 15 takes place by means of the return spring 18, a provision of the valve needle 7 and the valve closing body 8 in the initial position shown in FIG. 1, whereby the injection of fuel is interrupted in the combustion chamber.
  • the actuator 15 is connected to simplified illustrated electrical leads 19, 20, which are led out of the valve housing 4.
  • electrical connection contacts 21, 22 are provided, which serve for connecting electrical lines 23, 24.
  • the electrical lines 23, 24 connect the electrical connection contacts 21, 22 with the control unit 3, whereby the actuator 15 in the connected state with the Control unit 3 is connected.
  • the control unit 3 has a control unit 30, which is connected by a line 31 to a signal generator 32.
  • the control unit 30 may perform a variety of control operations and be formed by a microprocessor, for example. In the embodiment of the invention, the control unit 30 in particular, whether the actuator 15 in the context of a working operation or a
  • Recovering operation is applied to a voltage.
  • the signal generator 32 is configured to generate a positive voltage output via a signal line 33 to ground (0 V) applied to a ground line 34. Via the signal line 33 and the ground line 34, the signal generator 32 is connected to an amplifier 35 which amplifies the signal transmitted via the signal line 33 and outputs the amplified signal via a signal line 36 and ground to a ground line 37. Via the signal line 36 and the ground line 37, the amplifier 35 is connected to a Pol Listeschalter 38. In operation, the Polharischalter 38 connects the signal line 36 to the electrical line 23 and the ground line 37 to the electrical line 24.
  • the electrical lines 23, 24 are connected by means of the electrical connection contacts 21, 22 so with the electrical leads 19, 20 that the polarized actuator 15 in the operating mode in the unipolar state, in which results in voltage application, an extension of the actuator 15 is operated.
  • the amplifier 35 may output an electric voltage between 100 V and 200 V to allow an elongation of the actuator 15 in the order of 30 ⁇ m to 70 ⁇ m cause.
  • the adjusting movement of the valve-closing body 8 caused thereby can also serve to actuate an actuating valve of a hydraulic coupler (not shown) to indirectly effect an injection of fuel.
  • the signal waveform generated by the signal generator 32 may have a frequency of the order of 30 Hz, so that 30 injections per second take place, each of which may be divided into a plurality of injection sections, in particular in the pre, main and post injection sections. In the course of the operation of the actuator 15 are
  • Fatigue phenomena can result in mechanical fatigue losses of up to 15% after one billion cycles. This can lead to the fuel injection valve 2 being able to be actuated only insufficiently or not at all, so that the desired injection process can not be carried out.
  • An optionally possible increase in the gain by the amplifier 35 is limited in particular by the electrical breakdown strength of the layers of the actuator 15. In addition, a changing gain of the amplifier 35 requires additional effort.
  • the control unit 30 therefore commands a recovery operation after some time.
  • a recovery operation for example, after a certain mileage of the motor vehicle, for example, after 10,000 km, be ordered.
  • a recovery operation can also be based on external request, eg during maintenance, or after switching off the internal combustion engine.
  • the recovery operation can also take place as a prophylactic measure each time during a follow-up phase when the internal combustion engine is turned off.
  • the state of the actuator 15th is detected and that the recovery operation is taken when the dynamic properties, such as the elongation of the actuator 15 fall below a predetermined threshold.
  • the elongation of the actuator 15 can be measured directly or an indirect measurement can be carried out, which uses as a measure of the state of the actuator, for example, the capacity, the charge shift or another correlatable, measurable size.
  • the recovery operation can then be carried out, for example, in the above-mentioned follow-up phase or during a coasting operation or even with a single shutdown of the individual cylinders of the internal combustion engine.
  • the control unit 30 In the recovery operation, the control unit 30 outputs a command to the pole-reversing switch 38 for switching the pole-reversing switch 38 via a line 40, so that in the recovery operation, the signal line 36 is connected to the electric line 24 and the ground line 37 to the electric line 23.
  • the control unit 30 controls the signal generator 32 to generate an at least constant DC voltage signal.
  • This DC voltage signal is amplified by the amplifier 35 and due to the switching position of the Polharischalters 38 with respect to the acting in operation on the actuator 15 for actuating voltage operating voltage reversed polarity via the electrical connection contacts 21, 22 to the actuator 15.
  • This regeneration voltage generates an electric field strength in the ceramic material of the actuator 15.
  • the signal generator 32 With regard to the given material of the actuator 15, the signal generator 32 generates the DC voltage signal having an amplitude at which the electric field strength generated by the regeneration voltage in the material of the actuator 15 is greater than the coercive force of the material of the actuator 15. This allows the remanent Elongation of the actuator 15 are reduced again, whereby the reusable in the subsequent work operation elongation is increased, and that at least approximately to values that are again at the initial values of the actuator 15.
  • the control of the actuator 15 is described below with reference to the diagram shown in FIG. 2 in detail further.
  • Fig. 2 shows a diagram for illustrating the operation of the invention
  • Fuel injection system 1, the control device 3 according to the invention and the method according to the invention are provided.
  • the electromagnetic field generated in the actuator 15 or the voltage output by the control unit 3 via the line 23 with respect to the line 24 is plotted on the abscissa 45.
  • the ordinate 46 of the corresponding electric field strength associated hub of the actuator 15 is applied.
  • values lying to the right of the ordinate 46 are assumed when the actuator 15 is acted upon by a positive actuation voltage during operation.
  • Values lying to the left of the ordinate 46 are in
  • a newly manufactured actuator 15 is in the pre-polarized initial state 52 when no action is taken on the actuator 15, wherein he has already passed through the so-called new curve.
  • state 61 is assumed starting from the state 25 along the solid line 60.
  • the amplitude of the Actuating voltage is a positive alternating field generated in the actuator 15, so that the actuator 15 can be operated between the states 51 and 52 with a stroke Hl.
  • the operating time progresses, there is a remanent expansion of the actuator 15, so that the starting state of the actuator 15 shifts to state 53 in accordance with the arrow 70 shown.
  • the usable stroke of the actuator 15 is reduced to the stroke H2, or the utilized expansion of the actuator 15, which is required for safe actuation of the fuel injection valve 2, is reduced.
  • actuation of the actuator 15 between the states 51 and 53 then takes place along the broken line 61.
  • the regeneration voltage applied to the actuator initially reaches the state 54, starting from the state 53 along the dot-dashed line 62 in the direction of the arrow, at which the electric field equals the coercive force the material of the actuator 15, and assumed by further enlargement of the field strength along the dotted line 63 in the arrow direction of the state 55, in which the electric field strength in the material of the actuator 15 is greater than the coercive force of the material of the actuator 15.
  • the actuator 15 is held in state 55 over a regeneration period of for example 60 s, whereby Umpolarmaschinesvorêt be triggered in the ceramic domains of the actuator 15.
  • the state 51 is at least approximately again reached starting from the state 52, wherein at least approximately the solid line 60 is traversed.
  • an actuation up to the state 51 is again enabled, as shown by the arrow 71.
  • the reduced due to the remanent expansion of the actuator 15 lifting height H2 can be increased again by regeneration of the actuator 15, which is between the lifting height H3 and the lifting height Hl and ideally again assumes the output stroke Hl.
  • the regenerability of the actuator 15 can be improved by a structure with little or no mechanical defects, so that in particular no detachment of the outer electrodes of individual layers of the internal electrodes of the actuator 15 takes place.

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Abstract

Ein Brennstoff einspritzsystem (1) für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen weist ein Steuergerät (3) und ein Brennstoff einspritzventil (2) auf, das von dem Steuergerät (3) ansteuerbar ist. Dabei ist ein piezoelektrischer Aktor (15) des Brennstoffeinspritzventils (2) in einem Arbeitsbetrieb mit einer Betätigungsspannung und in einem Wiederherstellungsbetrieb mit einer Regenerationsspannung beaufschlagt. Die Regenerationsspannung ist dabei entgegen der Betätigungsspannung im Arbeitsbetrieb gerichtet und erzeugt innerhalb eines Materials des Aktors (15) eine elektrische Feldstärke, die größer als die Koerzitivf eidstärke des Materials des Aktors (15) ist.

Description

BrennstoffeinspritzSystem
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzsystem mit einem Brennstoffeinspritzventil, speziell ein
Brennstoffeinspritzsystem für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
Aus der WO 2004/001794 A2 ist ein Verfahren zur Ansteuerung und Längeneinstellung eines piezoelektrischen Aktors und eine elektronische Einheit zur Steuerung des Verfahrens bekannt.
Das aus der WO 2004/001794 A2 bekannte Verfahren ist dabei auf einen speziellen Typ von Brennstoffeinspritzventilen angepasst, bei denen ein thermischer Sicherheitsabstand zwischen einem Servoventil des Brennstoffeinspritzventils und einem Piezoaktor freigelassen ist. Durch den thermischen Sicherheitsabstand kann eine thermische Ausdehnung des Piezoaktors ausgeglichen werden. Allerdings hängt die durch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Piezoaktors beschriebene Temperaturausdehnung auch vom Polarisierungszustand des Piezoaktors ab, so dass das Toleranzband für den thermischen Sicherheitsabstand im Laufe der Zeit gegebenenfalls verlassen wird, wodurch es zu einer Druckleckage im Brennstoffeinspritzventil kommen kann. Das bekannte Verfahren vergrößert die Dynamik des piezoelektrischen Aktors, indem auch negative Spannungen an den Aktor angelegt werden, so dass die Länge des Aktors in beiden Richtungen variiert werden kann, das heißt sowohl verlängert als auch verkürzt wird. Dadurch kann bei Einhaltung des thermischen Sicherheitsabstandes das Brennstoffeinspritzventil sicher geschlossen werden, ohne dass es zu Umpolarisierungen in der Keramik des Aktors kommt.
Das aus der WO 2004/001794 A2 bekannte Verfahren hat den Nachteil, dass bei der Ansteuerung zur Erzeugung der Verkürzung und Verlängerung während des Betätigungszyklus im Arbeitsbetrieb des Brennstoffeinspritzventils eine Wechselspannung erforderlich ist, so dass die Ansteuerung aufwändig ist. Außerdem besteht weiterhin der Nachteil, dass sich der Polarisierungszustand der Keramik des piezoelektrischen Aktors über die Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils ändert, so dass zur Erzeugung einer für jeden Aktor individuellen Offsetspannung eine zusätzliche Schaltung erforderlich ist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass das Steuergerät den Aktor des Brennstoffeinspritzventils in dem von dem Arbeitsbetrieb getrennten
Wiederherstellungsbetrieb mit einer Regenerationsspannung beaufschlagt, die eine sich einstellende, permanente Längenänderung des Aktors zumindest teilweise rückgängig macht, wodurch ein konstantes Dehnungsvermögen aufrechterhalten werden kann. Im Arbeitsbetrieb kann eine beliebige, im Hinblick auf eine optimale Verbrennung vorgegebene Betätigungsspannung an den Aktor angelegt werden, so dass die Ansteuerung des Brennstoffeinspritzventils auf einfache Weise erfolgen kann. Entsprechende Vorteile ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 7, das insbesondere als Wartungsgerät ausgebildet ist, und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffeinspritzventils mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Brennstoffeinspritzsystems nach Anspruch 1, des Steuergeräts nach Anspruch 7 und des Verfahrens nach Anspruch 8 möglich.
Vorteilhaft ist es, dass das Steuergerät den Aktor in dem Wiederherstellungsbetrieb über einen Regenerationszeitraum mit der Regenerationsspannung beaufschlagt, der länger als ein Einspritzzyklus im Arbeitsbetrieb ist. Speziell kann der Regenerationszeitraum eine Sekunde oder länger, insbesondere näherungsweise eine Minute oder länger andauern. Durch die Beaufschlagung des Aktors über einen gewissen Regenerationszeitraum kann das Dehnungsverhalten des Aktors weitgehend wiederhergestellt werden. Eine Ansteuerung über einen Regenerationszeitraum von 60 s kann beispielsweise nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine oder bei einer Wartung erfolgen. Alternativ kann der Wiederherstellungsbetrieb auch während eines Schubbetriebs der Brennkraftmaschine erfolgen, wobei zum Ermöglichen eines benötigten Arbeitsbetriebs der Wiederherstellungsbetrieb gegebenenfalls abgebrochen und zu einem späteren Zeitpunkt erneut durchgeführt werden kann.
In vorteilhafter Weise beaufschlagt das Steuergerät den Aktor während des Wiederherstellungsbetriebs mit einer Regenerationsspannung, die im Material des Aktors eine elektrische Feldstärke erzeugt, die mindestens 10 % größer, insbesondere mindestens 40 % größer und speziell um mindestens 70 % größer ist als die Koerzitivfeldstärke des Materials des Aktors. Durch Anlegen einer Regenerationsspannung an den Aktor, bei der die Koerzitivfeldstärke des Materials des Aktors deutlich überschritten wird, können die Umpolarisierungsvorgänge des keramischen Materials des Aktors wirksam in Gang gesetzt werden und in Abhängigkeit von der Regenerationszeitdauer gegebenenfalls auch weitgehend abgeschlossen werden.
Vorteilhaft ist es, dass das Steuergerät einen Signalgenerator, der zumindest ein Spannungssignal für den Aktor erzeugt, und einen Polwendeschalter aufweist, der zumindest mittelbar mit dem Signalgenerator verbunden ist, wobei der Polwendeschalter in dem Wiederherstellungsbetrieb die Polarität des von dem Signalgenerator erzeugten Spannungssignals umkehrt und der Signalgenerator ein zumindest konstantes Gleichspannungssignal erzeugt. Dadurch kann die erfindungsgemäße Lösung auch bei einem Signalgenerator und einem Verstärker zum Einsatz kommen, die für den Gleichstrombetrieb ausgelegt sind.
Zeichnung
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystems mit einem
Brennstoffeinspritzventil in einer schematischen Darstellung und Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Funktionsweise der Erfindung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzsystems 1 der Erfindung mit einem Brennstoffeinspritzventil 2 und einem Steuergerät 3. Das Brennstoffeinspritzventil 2 kann insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Insbesondere eignet sich das Brennstoffeinspritzsystem 1 als Brennstoffeinspritzsystem 1 für Nutzkraftwagen oder Personenkraftwagen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzsystems 1 besteht für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 2 führt. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzsystem 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle .
Das in der Fig. 1 in einer auszugsweise axialen Schnittdarstellung gezeigte Brennstoffeinspritzventil 2 weist ein Ventilgehäuse 4 und einen mit dem Ventilgehäuse 4 verbundenen Ventilsitzkörper 5 auf. An dem Ventilsitzkörper 5 ist eine Ventilsitzfläche 6 ausgebildet, die mit einem von einer Ventilnadel 7 betätigbaren Ventilschließkörper 8 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Dabei ist in diesem Ausführungsbeispiel der Ventilschließkörper 8 mit der Ventilnadel 7 einteilig ausgebildet. Das
Brennstoffeinspritzventil 2 weist außerdem einen vereinfacht dargestellten Brennstoffeinlass 9 auf, über den unter hohem Druck stehender Brennstoff in einen Brennstoffräum 10 des Brennstoffeinspritzventils 2 einführbar ist.
Das Ventilgehäuse 4 des Brennstoffeinspritzventils 2 weist ein Gehäuseteil 11 auf, das zur Führung der Ventilnadel 7 und zum Abdichten eines Aktorraums 12 des
Brennstoffeinspritzventils 2 gegenüber dem mit Brennstoff gefüllten Brennstoffräum 10 dient. Der Aktorraum 12 ist dabei innerhalb des Ventilgehäuses 4 ausgebildet. In dem Aktorraum 12 ist ein aus mehreren Schichten bestehender piezoelektrischer Aktor 15 angeordnet, der einerseits an einer Innenfläche 16 des Aktorraums 12 des Ventilgehäuses 4 und andererseits an einer Druckplatte 17 abgestützt ist. Bei einer Betätigung wirkt der Aktor 15 über die Druckplatte 17 entgegen einer Rückstellfeder 18 auf die Ventilnadel 7 ein, wodurch der Ventilschließkörper 8 von der Ventilsitzfläche 6 abhebt und der zwischen der Ventilsitzfläche 6 und dem Ventilschließkörper 8 gebildete Dichtsitz geöffnet wird. Dadurch kann Brennstoff aus dem Brennstoffräum 10 über einen ringförmigen Brennstoffkanal 19 und den geöffneten Dichtsitz in einen (nicht dargestellten) Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Nach der Betätigung des Aktors 15 erfolgt mittels der Rückstellfeder 18 eine Rückstellung der Ventilnadel 7 und des Ventilschließkörpers 8 in die in der Fig. 1 dargestellte Ausgangsstellung, wodurch die Einspritzung von Brennstoff in den Brennraum unterbrochen ist .
Der Aktor 15 ist mit vereinfacht dargestellten elektrischen Zuleitungen 19, 20 verbunden, die aus dem Ventilgehäuse 4 herausgeführt sind. Dabei sind elektrische Anschlusskontakte 21, 22 vorgesehen, die zum Anschließen elektrischer Leitungen 23, 24 dienen. Die elektrischen Leitungen 23, 24 verbinden die elektrischen Anschlusskontakte 21, 22 mit dem Steuergerät 3, wodurch der Aktor 15 im angeschlossenen Zustand mit dem Steuergerät 3 verbunden ist.
Das Steuergerät 3 weist eine Steuereinheit 30 auf, die durch eine Leitung 31 mit einem Signalgenerator 32 verbunden ist. Die Steuereinheit 30 kann eine Vielzahl von Steuervorgängen ausführen und beispielsweise durch einen Mikroprozessor gebildet sein. In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gibt die Steuereinheit 30 insbesondere vor, ob der Aktor 15 im Rahmen eines Arbeitsbetriebs oder eines
Wiederherstellungsbetriebs mit einer Spannung beaufschlagt wird.
Der Signalgenerator 32 ist ausgestaltet zum Erzeugen einer positiven Spannung, die über eine Signalleitung 33 ausgegeben wird, gegenüber Masse (0 V) , die an einer Masseleitung 34 anliegt. Über die Signalleitung 33 und die Masseleitung 34 ist der Signalgenerator 32 mit einem Verstärker 35 verbunden, der das über die Signalleitung 33 übertragene Signal verstärkt und über eine Signalleitung 36 das verstärkte Signal und an einer Masseleitung 37 Masse ausgibt. Über die Signalleitung 36 und die Masseleitung 37 ist der Verstärker 35 mit einem Polwendeschalter 38 verbunden. Im Arbeitsbetrieb verbindet der Polwendeschalter 38 die Signalleitung 36 mit der elektrischen Leitung 23 sowie die Masseleitung 37 mit der elektrischen Leitung 24. Die elektrischen Leitungen 23, 24 sind dabei mittels der elektrischen Anschlusskontakte 21, 22 so mit den elektrischen Zuleitungen 19, 20 verbunden, dass der polarisierte Aktor 15 im Arbeitsbetrieb im unipolaren Zustand, in dem sich bei Spannungsbeaufschlagung eine Verlängerung des Aktors 15 ergibt, betrieben ist.
Beispielsweise kann der Verstärker 35 eine elektrische Spannung zwischen 100 V und 200 V ausgeben, um eine Dehnung des Aktors 15 in der Größenordnung von 30 μm bis 70 μm zu verursachen. Dabei kann die dadurch verursachte Verstellbewegung des Ventilschließkörpers 8 auch zur Betätigung eines Betätigungsventils eines (nicht dargestellten) hydraulischen Kopplers dienen, um mittelbar eine Einspritzung von Brennstoff zu bewirken. Die dabei von dem Signalgenerator 32 erzeugte Signalform kann eine Frequenz in der Größenordnung von 30 Hz haben, so dass 30 Einspritzvorgänge pro Sekunde erfolgen, die jeweils in mehrere Einspritzabschnitte, insbesondere in Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungsabschnitte, aufgeteilt sein können. Im Laufe des Betriebs des Aktors 15 stellen sich
Ermüdungserscheinungen ein, beispielsweise können nach einer Milliarde Zyklen Einbußen im mechanischen Dehnungsvermögen von bis zu 15 % auftreten. Dies kann dazu führen, dass das Brennstoffeinspritzventil 2 nur noch unzureichend oder gar nicht mehr betätigt werden kann, so dass der gewünschte Einspritzvorgang nicht ausgeführt werden kann. Eine gegebenenfalls mögliche Erhöhung der Verstärkung durch den Verstärker 35 ist insbesondere durch die elektrische Durchschlagsfestigkeit der Schichten des Aktors 15 begrenzt. Außerdem erfordert eine sich ändernde Verstärkung des Verstärkers 35 einen zusätzlichen Aufwand.
Die Steuereinheit 30 befiehlt daher nach einiger Zeit einen Wiederherstellungsbetrieb. Ein Wiederherstellungsbetrieb kann beispielsweise nach einer gewissen Kilometerleistung des Kraftfahrzeugs, beispielsweise nach 10.000 km, befohlen werden. Ein Wiederherstellungsbetrieb kann auch auf Grund externer Anfrage, z.B. bei einer Wartung, oder nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine erfolgen. Der Wiederherstellungsbetrieb kann auch als prophylaktische Maßnahme jedes Mal im Rahmen einer Nachlaufphase erfolgen, wenn die Brennkraftmaschine abgestellt wird. Es ist allerdings auch möglich, dass der Zustand des Aktors 15 erfasst wird und dass der Wiederherstellungsbetrieb aufgenommen wird, wenn die dynamischen Eigenschaften, beispielsweise die Dehnung, des Aktors 15 unter einen vorgegebenen Schwellwert fallen. Dazu kann die Dehnung des Aktors 15 direkt gemessen oder eine indirekte Messung durchgeführt werden, die als Maß für den Zustand des Aktors beispielsweise die Kapazität, die Ladungsverschiebung oder eine andere damit korrelierende, messbare Größe verwendet. Der Wiederherstellungsbetrieb kann dann beispielsweise in der oben erwähnten Nachlaufphase oder während eines Schubbetriebs oder auch bei einer Einzelabschaltung der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgen.
Im Wiederherstellungsbetrieb gibt die Steuereinheit 30 über eine Leitung 40 einen Befehl an den Polwendeschalter 38 zum Umschalten des Polwendeschalters 38 aus, so dass im Wiederherstellungsbetrieb die Signalleitung 36 mit der elektrischen Leitung 24 sowie die Masseleitung 37 mit der elektrischen Leitung 23 verbunden ist. Außerdem steuert die Steuereinheit 30 den Signalgenerator 32 zum Erzeugen eines zumindest konstanten Gleichspannungssignals an. Dieses Gleichspannungssignal wird durch den Verstärker 35 verstärkt und auf Grund der Schaltstellung des Polwendeschalters 38 mit einer bezüglich der im Arbeitsbetrieb auf den Aktor 15 zur Betätigung einwirkenden Betätigungsspannung umgekehrten Polarität über die elektrischen Anschlusskontakte 21, 22 an den Aktor 15 geführt. Diese Regenerationsspannung erzeugt im keramischen Material des Aktors 15 eine elektrische Feldstärke. Im Hinblick auf das gegebene Material des Aktors 15 erzeugt der Signalgenerator 32 das Gleichspannungssignal mit einer Amplitude, bei der die durch die Regenerationsspannung im Material des Aktors 15 erzeugte elektrische Feldstärke größer als die Koerzitivfeldstärke des Materials des Aktors 15 ist. Dadurch kann die remanente Dehnung des Aktors 15 wieder verringert werden, wodurch die im anschließenden Arbeitsbetrieb wieder nutzbare Dehnung erhöht wird, und zwar zumindest näherungsweise auf Werte, die wieder bei den Anfangswerten des Aktors 15 liegen. Die Ansteuerung des Aktors 15 ist nachfolgend anhand des in der Fig. 2 dargestellten Diagramms im Detail weiter beschrieben.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen
Brennstoffeinspritzsystems 1, des erfindungsgemäßen Steuergeräts 3 sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens .
Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Diagramm ist auf der Abszisse 45 das im Aktor 15 erzeugte elektromagnetische Feld bzw. die von dem Steuergerät 3 über die Leitung 23 in Bezug auf die Leitung 24 ausgegebene Spannung angetragen. An der Ordinate 46 ist ein der entsprechenden elektrischen Feldstärke zugeordneter Hub des Aktors 15 angetragen. Dabei werden rechts von der Ordinate 46 liegende Werte bei einer Beaufschlagung des Aktors 15 mit einer positiven Betätigungsspannung im Arbeitsbetrieb angenommen. Links von der Ordinate 46 liegende Werte werden im
Wiederherstellungsbetrieb angenommen, wobei die Polarität der Regenerationsspannung aufgrund des umgeschalteten Polwendeschalters 38 umgekehrt zu einer positiven Betätigungsspannung ist.
Ein neu hergestellter Aktor 15 befindet sich im vorpolarisierten Ausgangszustand 52, wenn keine Beaufschlagung des Aktors 15 erfolgt, wobei er die sogenannte Neukurve bereits durchlaufen hat. Beim Beaufschlagen des Aktors 15 mit der Betätigungsspannung im Arbeitsbetrieb wird ausgehend vom Zustand 25 entlang der durchgezogenen Linie 60 der Zustand 61 angenommen. Durch Variieren der Amplitude der Betätigungsspannung wird ein positives Wechselfeld in dem Aktor 15 erzeugt, so dass der Aktor 15 zwischen den Zuständen 51 und 52 mit einem Hub Hl betrieben werden kann. Mit fortschreitender Betriebsdauer ergibt sich eine remanente Dehnung des Aktors 15, so dass sich der Ausgangszustand des Aktors 15 entsprechend dem eingezeichneten Pfeil 70 zum Zustand 53 hin verschiebt. Dies führt dazu, dass sich der nutzbare Hub des Aktors 15 auf den Hub H2 verringert bzw. die genutzte Dehnung des Aktors 15, die zum sicheren Betätigen des Brennstoffeinspritzventils 2 erforderlich ist, verkleinert. Im Arbeitsbetrieb erfolgt dann eine Betätigung des Aktors 15 zwischen den Zuständen 51 und 53 entlang der unterbrochenen Linie 61.
Beim oder vor dem Erreichen des Zustands 53 erfolgt ein Wiederherstellungsbetrieb für den Aktor 15. Durch die an den Aktor angelegte Regenerationsspannung wird ausgehend von dem Zustand 53 entlang der strichpunktierten Linie 62 in Pfeilrichtung zunächst der Zustand 54 erreicht, bei dem das elektrische Feld gleich der Koerzitivfeldstärke des Materials des Aktors 15 ist, und durch weitere Vergrößerung der Feldstärke entlang der strichpunktierten Linie 63 in Pfeilrichtung der Zustand 55 angenommen, bei dem die elektrische Feldstärke im Material des Aktors 15 größer ist als die Koerzitivfeldstärke des Materials des Aktors 15. Der Aktor 15 wird über einen Regenerationszeitraum von beispielsweise 60 s im Zustand 55 gehalten, wobei Umpolarisierungsvorgänge in den keramischen Domänen des Aktors 15 ausgelöst werden. Beim Abschalten der Regenerationsspannung und Anlegen einer Betätigungsspannung für den Arbeitsbetrieb wird ausgehend vom Zustand 55 entlang der strichpunktierten Linie 64 in Pfeilrichtung der Zustand 52, dann entlang der punktierten Linie 65 in Pfeilrichtung der Zustand 57 und weiter entlang einer punktierten Linie 66 der Zustand 56 angenommen. Insgesamt wird somit die Hystherese vom Zustand 54 zum Zustand 56 über die Zustände 55, 52 und 57 durchlaufen und die Keramik des Aktors 15 wieder in Betriebsrichtung polarisiert. Beim Abschalten der Beaufschlagung des Aktors 15 wird ausgehend vom Zustand 56 entlang einer punktierten Linie 67 in Pfeilrichtung wieder der Zustand 52 erreicht.
Im folgenden Arbeitsbetrieb wird ausgehend vom Zustand 52 zumindest näherungsweise wieder der Zustand 51 erreicht, wobei zumindest näherungsweise die durchgezogene Linie 60 durchlaufen wird. Im Idealfall wird daher ausgehend vom Zustand 56 wieder eine Betätigung bis zum Zustand 51 ermöglicht, wie es durch den Pfeil 71 dargestellt ist.
Somit kann die aufgrund der remanenten Dehnung des Aktors 15 verringerte Hubhöhe H2 durch Regeneration des Aktors 15 wieder vergrößert werden, wobei diese zwischen der Hubhöhe H3 und der Hubhöhe Hl liegt und im Idealfall wieder die Ausgangshubhöhe Hl annimmt. Die Regenerationsfähigkeit des Aktors 15 kann durch einen Aufbau mit geringen oder keinen mechanischen Defekten verbessert werden, so dass speziell keine Ablösung der äußeren Elektroden von einzelnen Lagen der Innenelektroden des Aktors 15 erfolgt.
Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung und ohne die Erfindung einzuschränken ist nachfolgend die erfindungsgemäße Wirkung anhand eines konkreten Beispiels näher dargestellt. Bei einem untersuchten Aktor 15 ist die Längenausdehnung innerhalb von einer Milliarde Zyklen von 42,3 μm auf 36,3 μm abgefallen. Durch eine Beaufschlagung des Aktors 15 mit einer Regenerationsspannung von 160 V über eine Regenerationsdauer von 60 s konnte das Dehnungsvermögen von 36,3 μm nach 10.000 Lastwechseln auf 39,0 μm regeneriert werden. Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffeinspritzsystem (1), insbesondere Brennstoffeinspritzsystem für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, mit einem Steuergerät (3) und zumindest einem Brennstoffeinspritzventil (2), das von dem Steuergerät
(3) ansteuerbar ist, wobei das Brennstoffeinspritzventil (2) einen piezoelektrischen Aktor (15) aufweist, der zum zumindest mittelbaren Betätigen eines Ventilschließkörpers
(8) des Brennstoffeinspritzventils (2) dient, und wobei das Steuergerät (3) den Aktor (15) in einem Arbeitsbetrieb mit einer Betätigungsspannung beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (3) den Aktor (15) in einem Wiederherstellungsbetrieb mit einer Regenerationsspannung beaufschlagt, die entgegen der Betätigungsspannung im Arbeitsbetrieb gerichtet ist und innerhalb eines Materials des Aktors (15) eine elektrische Feldstärke erzeugt, die größer als die Koerzitivfeldstärke des Materials des Aktors (15) ist.
2. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (3) den Aktor (15) in dem Wiederherstellungsbetrieb über einen Regenerationszeitraum mit der Regenerationsspannung beaufschlagt, der länger als ein Einspritzzyklus im Arbeitsbetrieb ist.
3. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerationszeitraum eine Sekunde oder länger, insbesondere zumindest näherungsweise eine Minute oder länger, dauert.
4. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (3) den Aktor (15) in dem Wiederherstellungsbetrieb mit einer Regenerationsspannung beaufschlagt, die eine elektrische Feldstärke erzeugt, die zumindest näherungsweise um zumindest 10 % größer als die Koerzitivfeidstärke des Materials des Aktors (15) ist.
5. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (3) den Aktor (15) in dem Wiederherstellungsbetrieb mit einer Regenerationsspannung beaufschlagt, die eine elektrische Feldstärke erzeugt, die zumindest näherungsweise 40 % bis zumindest näherungsweise 70 % größer als die Koerzitivfeldstärke des Materials des Aktors (15) ist.
6. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (3) einen Signalgenerator (32), der zumindest ein Spannungssignal für den Aktor (15) erzeugt, und einen Polwendeschalter (38) aufweist, der zumindest mittelbar mit dem Signalgenerator verbunden ist, wobei der Polwendeschalter (38) in dem Wiederherstellungsbetrieb die Polarität des von dem Signalgenerator (32) erzeugten Spannungssignals umkehrt und der Signalgenerator (32) ein zumindest im wesentlichen konstantes Gleichspannungssignal erzeugt .
7. Steuergerät (3), insbesondere Wartungsgerät, zur Ansteuerung zumindest eines Brennstoffeinspritzventils (2) mit einem Signalgenerator (32) zur Erzeugung eines Spannungssignals, mittels dem ein Aktor (15) des Brennstoffeinspritzventils (2) ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (3) ausgestaltet ist zur Durchführung eines Wiederherstellungsbetriebs, in dem der Signalgenerator (32) während eines Regenerationszeitraumes ein Gleichspannungssignal erzeugt, und dass das Steuergerät (3) ausgestaltet ist zum Beaufschlagen des Aktors (15) mit einer aus dem Gleichspannungssignal zumindest mittelbar erzeugbaren Regenerationsspannung, die entgegen einer in einem gewöhnlichen Arbeitsbetrieb auf den Aktor (15) einwirkenden Betätigungsspannung gerichtet ist und mittels der in einem Material des Aktors (15) eine elektrische Feldstärke erzeugbar ist, die größer als die Koerzitivfeldstärke des Materials des Aktors (15) ist.
8. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffeinspritzventils (2) mit einem piezoelektrischen Aktor (15), insbesondere eines Brennstoffeinspritzventils (2) für eine Brennkraftmaschine, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Ansteuern des Aktors (15) mit einer Betätigungsspannung in einem gewöhnlichen Arbeitsbetrieb und b) Ansteuern des Aktors mit einer Regenerationsspannung während eines Wiederherstellungsbetriebs, wobei die Regenerationsspannung so eingestellt wird, dass die Regenerationsspannung entgegen der Betätigungsspannung im gewöhnlichen Arbeitsbetrieb gerichtet ist und innerhalb eines Materials des Aktors (15) eine elektrische Feldstärke erzeugt, die größer als die Koerzitivfeldstärke des Materials des Aktors (15) ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wiederherstellungsbetrieb während eines Schubbetriebs der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wiederherstellungsbetrieb nach einem Abstellen der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wiederherstellungsbetrieb nach Ablaufen eines vorgegebenen Wartungsintervalls durchgeführt wird.
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