WO2013139671A1 - Verfahren zum betreiben eines kraftstoffeinspritzsystems und kraftstoffeinspritzsystem mit einspritzventilen mit piezo-direktantrieb - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines kraftstoffeinspritzsystems und kraftstoffeinspritzsystem mit einspritzventilen mit piezo-direktantrieb Download PDF

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Hong Zhang
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Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a fuel injection system of an internal combustion engine having a pressure accumulator (rail), at least one injection valve with piezo direct drive, in which a piezo actuator is in direct drive connection with a closure element of the injection valve, a sensor for detecting the im
  • Pressure accumulator (rail) prevailing pressure (rail pressure) and a control and regulating unit.
  • Fuel injection systems with which the injection of fuel is made in a combustion chamber of an internal combustion engine, have long been known.
  • Such injection systems comprise at least one injection valve (injector) and at least one control and regulating unit connected to the injection valve for controlling the injection process.
  • the injection valve has a space from which fuel can be injected through an injection opening into the combustion chamber.
  • the opening and closing of the injection opening is made by means of a closure element (nozzle needle) which can be actuated (moved) by an actuator.
  • the room is supplied with fuel via a high-pressure accumulator and a fuel line.
  • the actuator is an element for moving the closure element. This controls an injection process using the actuator.
  • the actuator is in direct drive connection with the closure element, which means that the actuator and the closure element in direct mechanical Contact or intermediary solid body, such as pins, levers, pistons, communicate with each other. It is essential here that there is no hydraulic or pneumatic coupling between the actuator and the closure element.
  • the actuator is a piezoelectric actuator that expands (increases in length) due to the piezoelectric effect when exposed to electrical energy, thus directly moving the shutter member.
  • the present invention has for its object to provide a method of the initially reproduced type, which can be carried out particularly cost.
  • Piezo region acting force of the closure element and from the pressure prevailing in the accumulator pressure (rail pressure) is determined.
  • the pressure accumulator for example a so-called common rail, pressure sensor is used, but the pressure is detected by means of the piezo actuator already used in the injector.
  • a piezoelectric actuator is used, which is supplemented by a passive piezo region, which is not used for actuating the closure element, but serves as a pressure sensor.
  • use is made of the inverse piezoelectric effect that, by applying pressure to this passive piezo region, an electrical measured variable is generated or changed, which is detected and from which the pressure prevailing in the pressure accumulator (rail pressure) is determined.
  • the method according to the invention thus finds an assembly use, which is composed of the actual piezo actuator, which causes the actuation of the closure element, and a pressure sensor. Since in this case the piezoelectric actuator only has to be supplemented by a passive piezo range, the additional outlay required for the pressure detection is relatively low, so that the method according to the invention can be carried out more cost-effectively than if a special separate pressure sensor is arranged in the pressure accumulator itself.
  • the pressure prevailing in the pressure accumulator (rail pressure) is determined in the phase with the closed state of the closure element without activation of the active piezoelectric range.
  • two separate phases take place: Firstly, an injection phase during which the active piezo region is actuated to open the closure element, and secondly a pressure detection phase, during which the pressure detection is performed in the pressure accumulator via the pressurization of the passive piezo region.
  • the passive piezo region pressure sensor
  • the force exerted by the closure element on the passive piezo region and therefrom the rail pressure is determined. This is preferably done taking into account the additionally acting on the passive piezoelectric range offset force to allow accurate detection of pressure.
  • A_p area of a link (pins) between
  • a direct injection injector in which a pin connects the piezo actuator on the low pressure side and a lever on the high pressure side, which is in drive connection with the closure element. Since the low pressure P_low is maintained constant, this is known.
  • the area of the passive piezo region (pressure sensor) A_s and the low pressure P_low determine the offset force on the pressure sensor.
  • the high pressure ie the simplantations in the room of the closure prevailing pressure, is directly connected to the rail pressure and thus corresponds to the rail pressure P_rail.
  • the force F_s additionally exerted on the pressure sensor is thus determined by the area of the pin A_p and the high pressure.
  • the force acting on the passive piezo region is preferably determined from the measured electrical voltage of the passive piezo region and from this via a characteristic curve.
  • a characteristic curve can be stored, for example, in the associated control unit.
  • the rail pressure P_rail can be determined as the actual rail pressure.
  • Root pressure actual pressure
  • target pressure value for pressure control in the fuel injection system.
  • the actual pressure is detected in this way according to the invention, compared with a desired pressure value, and it is made a corresponding adjustment for pressure control.
  • the method according to the invention finds particular application in a fuel injection system which has a plurality of fuel injection valves.
  • the pressure prevailing in the pressure accumulator (rail pressure) in each injection valve is preferably determined at least once before the injection. In this way, the subsequent injection process can be controlled or regulated taking into account the actual pressure conditions, wherein no separate pressure sensor must be used.
  • the pressure prevailing in the pressure accumulator preferably becomes the mean value of the individually determined pressure values of all injection valves educated.
  • the pressure difference of the individual injection valve can then be used for diagnosis.
  • a defined pressure value P_s0 in the pressure accumulator can be set during mass production during a function test of the injection valve.
  • the electrical voltage V_0 of the pressure sensor is read and determines the force F_s0.
  • the characteristic curve progression in particular the characteristic gradient slope between F_s and P_rail, can then be determined and stored in the ector-specific manner. Thereafter, this value can be read in the control unit.
  • the present invention further relates to a fuel injection system of an internal combustion engine with a
  • Pressure accumulator (rail), at least one injector with piezo direct drive, in which a piezo actuator is in direct drive connection with a closure element of the injection valve, a sensor for detecting the im
  • Pressure accumulator (rail) prevailing pressure (rail pressure) and a control unit.
  • This fuel injection system is characterized in that it is adapted to carry out a method of the type described above. Due to the fact that such a fuel injection system does not require a special pressure sensor installed in the pressure accumulator for the rail pressure detection and rail pressure control, such a system is associated with a lower total cost compared with the prior art and has a simplified structure. In the fuel injection system designed according to the invention, therefore, the piezo actuator has an integrated
  • the sensor is formed by an additional passive piezo area. This is at least one additional serially arranged, compared to the active piezoelectric layers electrically isolated, passive
  • Piezo layer formed on a layered
  • Piezo stack which forms the active piezoelectric range, is arranged and separated from it by a suitable insulation.
  • the passive piezo region preferably has on both sides
  • Electrodes for tapping the generated electrical voltage are Electrodes for tapping the generated electrical voltage.
  • FIG. 1 shows a schematic partial longitudinal section through a
  • Figure 2 is a schematic partial longitudinal section through
  • FIG. 1 shows an injection valve 1, which is connected to a schematically represented control and regulation unit 2.
  • the injection valve 1 is used, for example, in a diesel engine of a passenger car. It serves to inject fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine. It has a space 3, which is connected via a fuel line, not shown here with a pressure accumulator (high-pressure accumulator).
  • a pressure accumulator high-pressure accumulator
  • In the injection valve 1 shown here is one of a plurality of injection valves, which are connected in a common rail system via fuel lines with the same pressure accumulator. At the lower end of the injection valve 1, this has an injection port 4, through which fuel from the space 3 can be injected into the combustion chamber.
  • nozzle needle 5 is arranged, by means of which the injection port 4 can be opened and closed. If the nozzle needle 5 is in an open position, in which it releases the injection opening 4, high-pressure fuel is injected from the space 3 into the combustion chamber. In a closed position of the nozzle needle 5, in which the nozzle needle 5 closes the injection opening 4, the injection of fuel into the combustion chamber is prevented.
  • the nozzle needle 5 is controlled by means of a arranged in the upper portion of the space 3 closing spring 6 by means of a nozzle needle 5 directly actuated piezoelectric actuator 7, which is electrically connected to the control unit.
  • the piezo actuator 7 change its length and exert a force on the nozzle needle 5, wherein the force via a concealed pin in the figure, a bell 8 and lever 9 on the Nozzle needle 5 is transferable.
  • the piezo-actuator 7 and the nozzle needle 5 are mechanically coupled directly. A force exerted by the piezoactuator 7 force is therefore transmitted directly to the nozzle needle 5.
  • a force exerted by the nozzle needle 5 mechanical force acts directly on the piezo actuator 7. If the piezoelectric actuator 7 is not acted upon by electrical energy, the closing spring 6 presses the nozzle needle 5 in Figure 1 down so that they the injection port 4 against closes the pressure in space 3 and prevents injection. If the piezoelectric actuator 7 is acted upon by electrical energy, the piezoelectric actuator 7 increases in length and exerts a force on the nozzle needle 5, as a result of which the injection opening 4 is opened by means of the nozzle needle 5.
  • the piezoelectric actuator 7 shown only schematically in FIG. 1 has, in addition to the active piezo region used for the actuation of the nozzle needle 5, a passive piezo region as a pressure sensor. With the aid of this pressure sensor, the force acting on the passive piezo region is determined by the nozzle needle 5 and thus the pressure prevailing in the pressure accumulator (rail pressure).
  • FIG 2 shows schematically the structure of the piezo actuator 7, which forms a structural unit, which has the active piezoelectric area 12 for actuating the nozzle needle 5 and the passive piezoelectric range 13 for pressure detection.
  • the active piezo region 12 is composed of a plurality of active piezo layers arranged one above the other, each of which has a corresponding connection electrode 10 on the left and the right.
  • a passive piezoelectric layer On the topmost active piezoelectric layer, a passive piezoelectric layer, which forms the piezoelectric region 13 acting as a force sensor or pressure sensor, is separated by suitable insulation 14.
  • the passive piezoelectric layer is provided with corresponding connection electrodes 15.
  • the operation of the fuel injection system described herein proceeds as follows. There is a pressure detection phase and an injection phase. Before the injection, the rail pressure is determined by determining the force exerted by the nozzle needle 5 on the passive piezo region 13 by measuring the generated electrical voltage of the passive piezo region. From the measured voltage, the corresponding force and hence the rail pressure in the manner described above are determined via corresponding characteristic curves stored in the control unit. This pressure detection phase is performed with the nozzle needle closed. The determined rail pressure (ACTUAL pressure) then becomes
  • Rail pressure control used for the subsequent injection, in which the active piezo region of the actuator is controlled to lift the nozzle needle from the seat and release the injection port.
  • a pressure sensing phase i.
  • the force exerted by the nozzle needle on the passive piezo region by measuring the generated electrical voltage of the passive
  • Piezo range determined the associated force is determined from the measured voltage via a characteristic curve and from this the rail pressure.
  • the determined rail pressure is then used for the pressure control of a subsequent injection process.

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Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems sowie ein Kraftstoffeinspritzsystem beschrieben. Bei dem Verfahren findet zur Erfassung des im Druckspeicher herrschenden Drucks ein Piezo-Aktuator eines Einspritzventils Verwendung, der zusätzlich zum aktiven, für die Betätigung des Verschlusselementes verwendeten Piezobereich einen passiven Piezobereich als Drucksensor aufweist. Mithilfe dieses Drucksensors wird die auf den passiven Piezobereich einwirkende Kraft des Verschlusselementes und damit der im Druckspeicher herrschende Druck ermittelt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems und Kraftstoffeinspritzsystem mit Einspritzventilen mit Pie- zo-Direktantrieb
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, das einen Druckspeicher (Rail), mindestens ein Einspritzventil mit Piezo-Direktantrieb, bei dem ein Piezo-Aktuator in direkter Antriebsverbindung mit einem Verschlusselement des Einspritzventils steht, einen Sensor zur Erfassung des im
Druckspeicher (Rail) herrschenden Drucks (Raildrucks) und eine Steuer- und Regeleinheit aufweist.
Kraftstoffeinspritzsysteme, mit denen die Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgenommen wird, sind seit langem bekannt. Derartige Einspritzsysteme umfassen mindestens ein Einspritzventil (In- jektor) und mindestens eine mit dem Einspritzventil verbundene Steuer- und Regeleinheit zur Steuerung des Einspritzvorganges. Das Einspritzventil besitzt dabei einen Raum, aus welchem heraus Kraftstoff durch eine Einspritzöffnung in den Brennraum injizierbar ist. Das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung wird mittels eines Verschlusselementes (Düsennadel) vorgenommen, das von einem Aktuator betätigt (bewegt) werden kann. Der Raum wird über einen Hochdruckspeicher und eine Kraftstoffleitung mit Kraftstoff versorgt. Bei dem Aktuator handelt es sich um ein Element zum Bewegen des Verschlusselementes. Damit wird ein Einspritzvorgang mithilfe des Aktuators gesteuert. Der Aktuator steht hierbei in direkter Antriebsverbindung mit dem Verschlusselement, was bedeutet, dass der Aktuator und das Verschlusselement in direktem mechanischen Kontakt stehen oder über zwischengeschaltete feste Körper, wie beispielsweise Pins, Hebel, Kolben, miteinander in Verbindung stehen. Wesentlich ist hierbei, dass keine hydraulische oder pneumatische Kopplung zwischen dem Aktuator und dem Ver- Schlusselement vorliegt.
Bei dem Aktuator handelt es sich um einen Piezo-Aktuator, der aufgrund des piezoelektrischen Effektes bei Beaufschlagung mit elektrischer Energie sich ausdehnt (seine Länge vergrößert) und auf diese Weise das Verschlusselement direkt bewegt.
Bei derartigen Kraftstoffeinspritz Systemen ist es erforderlich, den im Druckspeicher herrschenden Druck zu erfassen, um eine entsprechende Raildruckregelung durchführen zu können. Hierzu finden beim Stand der Technik spezielle Drucksensoren Verwendung, die in den Druckspeicher eingebaut sind. Dies führt zu einer Erhöhung der Gesamtsystemkosten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs wiedergegebenen Art zu schaffen, das sich besonders kostengünstig durchführen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 definierte Verfahren, das sich unter anderem dadurch aus- zeichnet, dass ein Piezo-Aktuator verwendet wird, der zusätzlich zum aktiven, für die Betätigung des Verschlusselementes verwendeten Piezobereich einen passiven Piezobereich aufweist, der den Drucksensor darstelllt, wobei die auf den passiven
Piezobereich einwirkende Kraft des Verschlusselementes und daraus der im Druckspeicher herrschende Druck (Raildruck) ermittelt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet kein zusätzlicher, am Druckspeicher, zum Beispiel einem so genannten Common Rail, angebrachter Drucksensor Verwendung, sondern der Druck wird mithilfe des ohnehin im Einspritzventil verwendeten Pie- zo-Aktuators erfasst. Hierzu findet ein Piezo-Aktuator Verwendung, der durch einen passiven Piezobereich ergänzt wird, der nicht zur Betätigung des Verschlusselementes eingesetzt wird, sondern als Drucksensor dient. Hierbei macht man sich den inversen piezoelektrischen Effekt zunutze, dass durch Druckausübung auf diesen passiven Piezobereich eine elektrische Messgröße erzeugt bzw. verändert wird, die erfasst und aus der der im Druckspeicher herrschende Druck (Raildruck) ermittelt wird .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet somit eine Baueinheit Verwendung, die sich aus dem eigentlichen Piezo-Aktuator, der die Betätigung des Verschlusselementes bewirkt, und einem Drucksensor zusammensetzt. Da hierbei der Piezo-Aktuator lediglich durch einen passiven Piezobereich ergänzt werden muss, ist der für die Druckerfassung benötigte Zusatzaufwand relativ gering, so dass sich das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstiger durchführen lässt als bei Anordnung eines speziellen gesonderten Drucksensors im Druckspeicher selbst.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der im Druckspeicher herrschende Druck (Raildruck) in der Phase mit geschlossenem Zustand des Verschlusselementes ohne Ansteuerung des aktiven Piezobereiches ermittelt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren finden daher zwei getrennte Phasen statt: Zum einen eine Einspritzphase, während der der aktive Piezobereich zum Öffnen des Verschlusselementes angesteuert wird, und zum anderen eine Druckerfassungsphase, während der über die Druckbeaufschlagung des passiven Piezobereiches die Druckerfassung im Druckspeicher durchgeführt wird. Mithilfe des passiven Piezobereiches (Drucksensors) wird die durch das Verschlußelement auf den passiven Piezobereich ausgeübte Kraft und daraus der Raildruck ermittelt. Dies geschieht vorzugsweise unter Berücksichtigung der zusätzlich auf den passiven Piezobereich einwirkenden Offsetkraft, um eine exakte Druckerfassung zu ermöglichen. Dabei wird die auf den passiven Piezobereich einwirkende Kraft speziell aus der Beziehung F_s = A_p * P_rail - A_s * P_low ermittelt, wobei
F_s = auf den passiven Piezobereich (Drucksensor) ausgeübte Kraft,
A_p = Fläche eines Verbindungsgliedes (Pins) zwischen
Piezo—Aktuator und Verschlusselement bzw. weiterem Verbindungsglied (Hebel),
P_rail = im Druckspeicher herrschender Druck,
A_s = Fläche des passiven Piezobereiches (Drucksensors), P_low = Niederdruck
bedeuten .
Mit Hilfe der aus der obigen Beziehung berechneten Kraft, wird der im Druckspeicher herrschende Druck (Raildruck) P_rail ermittelt .
Vorzugsweise findet bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Einspritzventil mit Direktantrieb Verwendung, bei dem ein Pin den Piezo-Aktuator auf der Niederdruckseite und einen Hebel auf der Hochdruckseite miteinander verbindet, welcher mit dem Ver- Schlusselement in Antriebsverbindung steht. Da der Niederdruck P_low konstant eingehalten wird, ist dieser bekannt. Durch die Fläche des passiven Piezobereiches (Drucksensors) A_s und den Niederdruck P_low wird die Offsetkraft auf den Drucksensor bestimmt. Der Hochdruck, d.h. der im Raum des Verschlus selementes herrschende Druck, ist direkt mit dem Raildruck verbunden und entspricht damit dem Raildruck P_rail. Durch die Fläche des Pins A_p und den Hochdruck wird somit die auf den Drucksensor zusätzlich ausgeübte Kraft F_s bestimmt.
Vorzugsweise wird die auf den passiven Piezobereich einwirkende Kraft aus der gemessenen elektrischen Spannung des passiven Piezobereiches und hieraus über eine Kennlinie ermittelt. Eine solche Kennlinie kann beispielsweise in der zugehörigen Steuer- und Regeleinheit hinterlegt sein . Somit kann der Raildruck P_rail als IST-Raildruck ermittelt werden.
Es versteht sich, dass der mithilfe des Piezo-Aktuator-Druck- sensors ermittelte, im Druckspeicher herrschende Druck
(Raildruck) (IST-Druck) in Verbindung mit einem Solldruckwert zur Druckregelung im Kraftstoffeinspritz System verwendet werden kann. Der IST-Druck wird hierbei auf erfindungsgemäße Weise erfasst, mit einem Solldruckwert verglichen, und es wird eine entsprechende Anpassung zur Druckregelung vorgenommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet speziell bei einem Kraftstoffeinspritzsystem Verwendung, das mehrere Kraftstoffeinspritzventile aufweist . Hierbei wird vorzugsweise der im Druckspeicher herrschende Druck (Raildruck) in jedem Ein- spritzventil jeweils vor der Einspritzung mindestens einmal ermittelt. Auf diese Weise kann der nachfolgende Einspritzvorgang unter Berücksichtigung der tatsächlichen Druckverhältnisse gesteuert bzw. geregelt werden, wobei kein gesonderter Drucksensor Verwendung finden muss.
Bei einem solchen Kraftstoffeinspritzsystem mit mehreren Kraftstoffeinspritzventilen wird vorzugsweise der im Druckspeicher herrschende Druck (Raildruck) aus dem Mittelwert der individuell ermittelten Druckwerte aller Einspritzventile gebildet. Die Druckdifferenz des individuellen Einspritzventils kann dann zur Diagnose verwendet werden.
Um die Druckmessgenauigkeit zu erhöhen, kann in der Serien- fertigung bei einem Funktionstest des Einspritzventils ein definierter Druckwert P_s0 im Druckspeicher eingestellt werden. Hierbei wird die elektrische Spannung V_0 des Drucksensors abgelesen und daraus die Kraft F_s0 bestimmt. Hieraus kann dann inj ektorindividuell der Kennlinienverlauf, insbesondere die Kennliniensteigung zwischen F_s und P_rail bestimmt und gespeichert werden. Danach kann dieser Wert in der Steuer- und Regeleinheit eingelesen werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Kraft- stoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einem
Druckspeicher (Rail), mindestens einem Einspritzventil mit Piezo-Direktantrieb, bei dem ein Piezo-Aktuator in direkter Antriebsverbindung mit einem Verschlusselement des Einspritzventils steht, einem Sensor zur Erfassung des im
Druckspeicher (Rail) herrschenden Drucks (Raildrucks) und einer Steuer- und Regeleinheit. Dieses Kraftstoffeinspritzsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines Verfahrens der vorstehend beschriebenen Art eingerichtet ist. Dadurch, dass ein derartiges Kraftstoffeinspritz System keinen speziellen, im Druckspeicher eingebauten Drucksensor für die Raildruckerfassung und Raildruckregelung benötigt, ist ein solches System im Vergleich zum Stand der Technik mit geringeren Gesamtkosten verbunden und weist einen vereinfachten Aufbau auf . Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffeinspritzsystem weist daher der Piezo-Aktuator einen integrierten
Druck/Kraftsensor auf. Der Sensor wird durch einen zusätzlichen passiven Piezobereich gebildet. Hierbei handelt es sich um zumindest eine zusätzliche seriell angeordnete, gegenüber den aktiven Piezoschichten elektrisch isolierte, passive
Piezoschicht, die auf einem schichtweise ausgebildeten
Piezostapel, der den aktiven Piezobereich bildet, angeordnet ist und von diesem durch eine geeignete Isolation getrennt ist. Der passive Piezobereich weist vorzugsweise auf beiden Seiten
Elektroden zum Abgreifen der erzeugten elektrischen Spannung auf .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines
Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen schematischen Teillängsschnitt durch ein
Einspritzventil ;
Figur 2 einen schematischen Teillängsschnitt durch
einen Piezo-Aktuator mit Kraftsensor; und
Figur 3 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens .
Figur 1 zeigt ein Einspritzventil 1, das an eine schematisch dargestellte Steuer- und Regeleinheit 2 angeschlossen ist. Das Einspritzventil 1 kommt beispielsweise in einem Dieselmotor eines Pkws zum Einsatz. Es dient dazu, Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Es besitzt einen Raum 3, der über eine hier nicht dargestellte Kraftstoffleitung mit einem Druckspeicher (Hochdruckspeicher) verbunden ist. Bei dem hier gezeigten Einspritzventil 1 handelt es sich um eines einer Vielzahl von Einspritzventilen, die in einem Common-Rail-System jeweils über Kraftstoffleitungen mit dem selben Druckspeicher verbunden sind. Am unteren Ende des Einspritzventils 1 weist dieses eine Einspritzöffnung 4 auf, durch welche hindurch Kraftstoff aus dem Raum 3 in den Brennraum eingespritzt werden kann. Im Raum 3 ist eine als Verschlusselement dienende Düsennadel 5 angeordnet, mittels welcher die Einspritzöffnung 4 geöffnet und geschlossen werden kann. Befindet sich die Düsennadel 5 in einer geöffneten Position, in welcher sie die Einspritzöffnung 4 freigibt, wird unter Hochdruck stehender Kraftstoff aus dem Raum 3 in die Brennkammer eingespritzt. In einer geschlossenen Position der Düsennadel 5, in welcher die Düsennadel 5 die Einspritzöffnung 4 verschließt, wird das Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkraftkammer unterbunden.
Die Düsennadel 5 wird mittels einer im oberen Abschnitt des Raumes 3 angeordneten Schließfeder 6 mittels eines die Düsennadel 5 direkt betätigenden Piezo-Aktuators 7 gesteuert, der elektrisch mit der Steuer- und Regeleinheit verbunden ist. Abhängig von einer Ansteuerung durch die Steuer- und Regeleinheit 2 kann der Piezo-Aktuator 7 seine Länge verändern und eine Kraft auf die Düsennadel 5 ausüben, wobei die Kraft über einen in der Figur verdeckten Pin, über eine Glocke 8 und über Hebel 9 auf die Düsennadel 5 übertragbar ist. Über den Pin, die Glocke 8 und die Hebel 9 sind der Piezo-Aktuator 7 und die Düsennadel 5 unmittelbar mechanisch gekoppelt. Eine vom Piezo-Aktuator 7 ausgeübte Kraft wird daher direkt auf die Düsennadel 5 übertragen. Umgekehrt wirkt eine von der Düsennadel 5 ausgeübte mechanische Kraft direkt auf den Piezo-Aktuator 7. Wird der Piezo-Aktuator 7 nicht mit elektrischer Energie beaufschlagt, drückt die Schließfeder 6 die Düsennadel 5 in Figur 1 nach unten, so dass diese die Einspritzöffnung 4 gegen den Druck im Raum 3 verschließt und eine Einspritzung unterbindet. Wird der Piezo-Aktuator 7 mit elektrischer Energie beaufschlagt, vergrößert der Pie- zo-Aktuator 7 seine Länge und übt eine Kraft auf die Düsennadel 5 aus, wodurch die Einspritzöffnung 4 mittels der Düsennadel 5 geöffnet wird. Der in Figur 1 nur schematisch dargestellte Piezo-Aktuator 7 weist zusätzlich zum aktiven, für die Betätigung der Düsennadel 5 verwendeten Piezobereich einen passiven Piezobereich als Drucksensor auf. Mithilfe dieses Drucksensors wird die auf den passiven Piezobereich einwirkende Kraft durch die Düsennadel 5 und damit der im Druckspeicher herrschende Druck (Raildruck) ermittelt .
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau des Piezo-Aktuators 7, der eine Baueinheit bildet, welche den aktiven Piezobereich 12 zur Betätigung der Düsennadel 5 und den passiven Piezobereich 13 zur Druckerfassung aufweist. Der aktive Piezobereich 12 setzt sich aus einer Vielzahl von aktiven übereinander angeordneten Piezoschichten zusammen, die jeweils links und rechts eine entsprechende Anschlusselektrode 10 aufweisen. Auf der obersten aktiven Piezoschicht ist durch eine geeignete Isolierung 14 getrennt eine passive Piezoschicht angeordnet, die den als Kraftsensor bzw. Drucksensor wirkenden Piezobereich 13 bildet. Beidseitig ist die passive Piezoschicht mit entsprechenden Anschlusselektroden 15 versehen.
Der Betrieb des hier beschriebenen Kraftstoffeinspritzsystems läuft folgendermaßen ab. Es gibt eine Druckerfassungsphase und eine Einspritzphase. Vor der Einspritzung wird der Raildruck ermittelt, indem die von der Düsennadel 5 auf den passiven Piezobereich 13 ausgeübte Kraft durch Messung der erzeugten elektrischen Spannung des passiven Piezobereiches ermittelt wird. Aus der gemessenen Spannung werden über entsprechende, in der Steuer- und Regeleinheit hinterlegte Kennlinien die zu- gehörige Kraft und hieraus der Raildruck in der vorstehend beschriebenen Weise ermittelt. Diese Druckerfassungsphase wird bei geschlossener Düsennadel durchgeführt. Der ermittelte Raildruck (IST-Druck) wird dann zur
Raildruckregelung für die nachfolgende Einspritzung verwendet, bei der der aktive Piezobereich des Aktuators angesteuert wird, um die Düsennadel vom Sitz abzuheben und die Einspritzöffnung freizugeben.
In einer Druckerfassungsphase, d.h. bei geschlossener Düsennadel und vor einem Einspritzvorgang, wird in Schritt 20 die von der Düsennadel auf den passiven Piezobereich ausgeübte Kraft durch Messung der erzeugten elektrischen Spannung des passiven
Piezobereiches ermittelt. In Schritt 21 wird aus der gemessenen Spannung über eine Kennlinie die zugehörige Kraft und hieraus der Raildruck ermittelt. In Schritt 22 wird dann der ermittelte Raildruck für die Druckregelung eines nachfolgenden Ein- spritzvorgangs verwendet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsys- tems einer Brennkraftmaschine, wobei das Kraftstoffeinspritzsystem einen Druckspeicher, mindestens ein Einspritzventil mit Piezo-Direktantrieb, bei dem ein Piezo-Aktuator in direkter Antriebsverbindung mit einem Verschlusselement des Einspritzventils steht, einen Drucksensor zur Erfassung des im Druckspeicher herrschenden Drucks und eine Steuer- und Regeleinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Piezo-Aktuator verwendet wird, der zusätzlich zu einem aktiven, für die Betätigung des Verschlusselementes verwendeten Piezobereich einen passiven Piezobereich aufweist, der den Drucksensor zur Erfassung des im Druckspeicher herrschenden Drucks darstellt, wobei die durch das Verschlusselement auf den passiven
Piezobereich einwirkende Kraft und daraus der im Druckspeicher herrschende Druck ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Druckspeicher herrschende Druck in einer Phase mit geschlossenem Zustand des Verschlusselementes ohne Ansteuerung des aktiven Piezobereiches ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den passiven Piezobereich einwirkende Kraft unter Berücksichtigung einer zusätzlich auf den passiven Piezobereich einwirkenden Offsetkraft ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den passiven Piezobereich einwirkende Kraft aus der Beziehung F_s = A_p * P_rail - A_s * P_low ermittelt wird, wobei
F_s = auf den passiven Piezobereich (Drucksensor) ausgeübte Kraft
A_p = Fläche eines Verbindungsgliedes (Pins) zwischen Piezo—Aktuator und Verschlusselement bzw. weiterem Verbindungsglied (Hebel)
P_rail = im Druckspeicher herrschender Druck
A_s = Fläche des passiven Piezobereiches (Druck- Sensors)
P_low = Niederdruck,
bedeuten
und dass auf Grundlage der einwirkenden Kraft der im Druckspeicher herrschende Druck ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den passiven
Piezobereich einwirkende Kraft aus der am passiven Piezobereich gemessenen elektrischen Spannung mit Hilfe einer Kennlinie ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mithilfe des Drucksensors ermittelte, im Druckspeicher herrschende Druck in Verbindung mit einem Solldruckwert zur Druckregelung im Kraftstoffeinspritzsystem verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Kraftstoffeinspritzsystem mehrere Kraftstoffein- spritzventile aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der im Druckspeicher herrschende Druck vor der Einspritzung jedes Einspritzventils mindestens einmal ermittelt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Kraftstoffeinspritzsystem mehrere Kraftstoffein- spritzventile aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der im Druckspeicher herrschende Druck aus dem Mittelwert der individuell zur gleichen Zeit ermittelten Druckwerte aller Einspritzventile gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Funktionstest des Einspritzventils ein definierter Druck P_s0 im Druckspeicher eingestellt und über den Drucksensor die Kraft F_s0 bestimmt wird, woraus einspritzventilindividuell der Kennlinienverlauf zwischen F_s und P_rail bestimmt und gespeichert wird.
Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einem Druckspeicher, mindestens einem Einspritzventil mit Piezo-Direktantrieb, bei dem ein Piezo-Aktuator in direkter Antriebsverbindung mit einem Verschlusselement des Einspritzventils steht, einen Drucksensor zur Erfassung des im Druckspeicher herrschenden Drucks und einer Steuer- und Regeleinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das System zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezo-Aktuator einen passiven Piezobereich (13) aufweist, der durch zumindest eine zusätzliche seriell angeordnete, gegenüber den aktiven Piezoschichten elektrisch isolierte, passive
Piezoschicht gebildet ist.
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