用于求取直接被驱动的压电喷射器的喷嘴阀针上的力比例的方法

摘要

本发明涉及一种用于求取作用于直接被驱动的压电喷射器的喷嘴阀针的力的方法，其中借助于充电过程在驱动所述喷嘴阀针的压电致动器上形成电压。在充电过程结束之后，重复地测量加载在所述压电致动器上的电压。从彼此先后相随的电压值中求得电压梯度。从所述电压梯度中推断出作用于所述喷嘴阀针的力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于求取直接被驱动的压电喷射器的喷嘴阀针上的力比例的方法。

背景技术

新一代的燃料喷射系统通常根据共轨原理来工作并且经常包括以压电的方式来运行的喷射器。在此，在相应的内燃机的每个燃烧室上设置了一个或者多个这样的压电喷射器，所述压电喷射器可以有针对性地打开并且关闭。在喷射器打开时，燃料到达燃烧室的内部并且在那里燃烧。不仅从燃烧技术的观点看、从排气技术的观点看而且出于舒适性原因，都需要尽可能精确地确定相应所喷入的燃料量。

从WO 2009/010374 A1中已经公开了用于生成用于燃料喷射器的喷射脉冲的电的控制信号的一种方法和一种装置。这种电的控制信号操纵压电的致动器，用于将预先给定的燃料量喷射到内燃机的气缸中。借助于所述电的控制信号的曲线变化，尤其根据轨压、所述燃料喷射器的升程位移和/或张开持续时间来调整所述燃料喷射器的喷射速率。对于至少一种有待喷射的部分燃料量来说，所述电的控制信号的曲线关于至少一种脉冲边沿和/或一种幅度能够自由地成型。所述喷射脉冲的成型如此构成，从而在不取决于所述电的控制信号的曲线的情况下将预先给定的有待喷入的燃料量保持恒定。

在进行燃料的速率曲线成型时，重要的是，以窄小的公差来遵守由所述内燃机为形成混合气而要求的喷射量，用于以所期望的方式来影响相应的机动车的有害物质排放和燃料消耗。

在速率曲线成型时，一个重要的观点是所谓的部分升程运行。在此将所述喷嘴阀针保持在喷嘴座（喷射阀关闭）与最终升程位置（喷射阀最大程度打开）之间的中间位置中，用于影响流经喷嘴的燃料流量并且由此影响混合气形成。

在实际上有一个问题在于，精确地设定并且达到所提到的部分升程，从而作为流经所述喷嘴的取决于喷嘴阀针升程的燃料流量的积分可以保证由所述内燃机所要求的喷射量。这种问题建立在以下情况的基础上，即在部分升程运行中所述喷射器的构件公差以及不同的环境条件（压力、温度）在内燃机中的喷射器运行时由于所述喷嘴的关于阀针升程绘出的流量特性曲线的陡度而逐渐比在所述喷射器的全升程运行时的情况更为强烈地产生影响。

在内燃机中，主要对内燃机上的速率曲线成型的优点及其对废气排放的影响进行研究，在所述内燃机中借助于外部的传感器对缸压、不同的温度进行监控并且也部分地对阀针升程进行监控。这样的传感器的使用成本巨大并且因此出于成本原因不应该在机动车上进行。

发明内容

本发明的任务是，说明一种用于求取作用于直接被驱动的压电喷射器的喷嘴阀针的力的方法。

该任务通过一种具有在权利要求1中所说明的特征的方法得到解决。本发明的有利的设计方案和改进方案在从属权利要求中得到说明。

按照本发明，提供一种用于求取作用于直接被驱动的压电喷射器的喷嘴阀针的力的方法，其中在打开过程中并且在部分升程运行中借助于充电过程在驱动所述喷嘴阀针的压电致动器上形成电压，并且其中在充电过程结束之后重复地测量加载在所述压电致动器上的电压，从彼此先后相随的电压测量值中求得电压梯度，并且从所述电压梯度中推断出作用于所述喷嘴阀针的力。

所求得的关于作用于喷嘴阀针的力的信息可以以有利的方式用于推断出所述喷嘴阀针的升程。对所述喷嘴阀针的升程的了解又允许求得流经所述压电喷射器的燃料流量。最后可以从所述燃料流量中通过求积分来求得所喷入的燃料量。这又允许精确地设定部分升程运行，用于在工作循环结束时作为流经所述喷嘴的取决于喷嘴阀针升程的燃料量的积分来保证由所述内燃机所要求的喷射量，尽管在这种运行模式中所述喷射器中的构件公差以及不同的环境条件在所述内燃机中的喷射器运行时由于所述喷嘴的关于阀针升程绘出的流量特性曲线的陡度逐渐比在全升程运行时更为强烈地产生影响。

附图说明

本发明的其它有利的特性从下面借助于附图对其作的解释中获得。附图示出如下：

图1是用于对压电喷射器的构造进行解释的草图，其中可以使用按本发明的方法；并且

图2是用于对加载在压电致动器上的电压、加载在压电致动器上的力、所产生的阀针升程与从中产生的喷射速率之间的关联进行解释的图表。

具体实施方式

图1示出了用于对压电喷射器的构造进行解释的草图，其中可以使用按本发明的方法。所示出的压电喷射器具有压电致动器1、顶销2、杠杆壳体3、钟形罩4、杠杆5、中间垫片6、喷嘴阀针弹簧7、喷嘴阀针8以及喷嘴本体9。

所述压电致动器1包括大量单个的较薄的层，这些层在加载电压时膨胀，也就是说它们将所加载的电压转换为机械的功或者说能量。反之，对于所述压电致动器的机械的影响则引起可以测量的电的信号。压电致动器的能够达到的膨胀程度取决于一些参数，其标称的长度、其层的数目、所进行的极化的质量以及其有效的表面的相对于其总表面的比例属于所述参数。如果给压电致动器充电，那么它就在相应的喷射的持续时间里保持其所达到的膨胀程度。

在图1中示出的实施例是一种压电喷射器，对于该压电喷射器来说所述喷嘴阀针8直接通过所述压电致动器1来驱动。为此目的，所述压电致动器1通过所述顶销2、钟形罩4和杠杆5直接与所述喷嘴阀针8相连接，所述顶销2、钟形罩4和杠杆5是刚性的形状配合地得到导引的耦合元件。通过所述喷嘴阀针的与所述压电致动器的这种直接的连接能够反作用地将力从阀针运动输入到所述压电致动器上，这种反作用的力的输入能够在电容曲线中看得出来。每次进入到所述压电致动器中的力的输入都表现在所测量的电容的变化中。

所述喷嘴本体9根据温度来膨胀。所述喷嘴阀针弹簧7的用途在于，将所述喷嘴阀针8保持在其配合座中。所述喷嘴本体9的所提到的沿着其纵轴线的膨胀，所谓的喷嘴延长影响着最大的阀针升程。在未绘出的轨中存在的轨压引起所述喷嘴本体的延长以及所述喷嘴阀针的缩径。

在阀针打开过程中，通过向所述压电致动器1通电的方式来向其充电。在克服空升程之后，所述压电致动器1的膨胀通过所述顶销2传递到所述钟形罩4上，其中所述顶销2被导引在所述杠杆壳体3中。所述钟形罩4在两侧对称地朝形成杠杆对的杠杆5挤压。这些杠杆根据等臂杆的方式在所述中间垫片6的上面滚动。这两根杠杆的相应的作用点处于所述喷嘴阀针8的刻槽中。

通过前面所描述的机构来将所述压电致动器1的轴向的压力传递到所述喷嘴阀针8上。一旦杠杆力大于由弹力和液压的力构成的总和并且所述喷嘴本体9的弹性不再用于使针座随着所述喷嘴阀针后行（Nachweilen），就将所述喷嘴阀针从其针座中提起来。

在所定义的行程之后，阀针止挡碰到所述中间垫片。在此形成一种接触力，该接触力反作用于所述压电致动器1。

利用这样的压电致动器1，可以将所述喷嘴阀针8仅仅部分地从其针座中提起来并且将其保持在所谓的部分升程中。喷嘴阀针与喷嘴本体之间的得到释放的通流横截面在此小于所有喷嘴孔的横截面的总和。

图2示出了用于对加载在压电致动器上的电压、加载在压电致动器上的力、所产生的阀针升程与从中产生的喷射速率之间的关联进行解释的图表。在该实施例中认为，在所述轨中存在着1000bar的压力并且所述压电喷射器在部分升程运行中工作，其中从所述轨中对所述压电喷射器进行燃料供给。

在图2a中根据时间t示出了在部分升程运行的过程中加载在所述压电喷射器上的电压U的曲线，并且更确切地说这是用于多个不同的加载在所述压电喷射器上的电压的曲线。接下来的研究涉及在图2a中示出的电压U1和U2。

从图2a中可以看出，在时刻t0=0时开始对于所述压电喷射器的充电。在充电过程的范围内，加载在所述压电致动器上的电压U1一直上升到最大值M1。在这个时刻结束所述充电过程。在达到最大值M1之后，电压值U1重又下降，达到一个恒定的电压值并且一直留在该电压值上直至时刻t2。自时刻t2起，主动地给所述压电致动器放电。因此加载在所述压电致动器上的电压重又下降到0V。

如果在充电过程的范围内电压U2加载在所述压电致动器上，那么自时刻t0=0起在所述压电致动器上电压就一直上升到最大值M2，该最大值M2小于所述最大值M1。在达到最大值M2之后，所述电压U2的电压值留在同一个电压值上，该电压值相当于最大值M2。

在本发明中，使用加载在所述压电致动器上的电压的在图2a中示出的曲线，用于推断出加载在所述压电致动器上的力。

为此目的，在充电过程结束之后，也就是在达到最大值M1或者说M2时进行电压测量。从所测量的紧随此后的电压值中求得电压梯度（参见图2a中的G1和G2）。从这个电压梯度中推断出在所述喷嘴阀针的上面起作用的力。为此，借助于所提到的电压梯度来给事先所保存的数据库定址，在所述数据库中为大量的电压梯度的给定的燃料压力分别分配了一个力值。

在图2b中关于时间t绘出了在部分升程运行的过程中作用于所述电压致动器的力的曲线，并且更确切地说这又是用于多个不同的加载在所述压电喷射器上的电压的曲线。在图2b中示出的力的曲线K1被分配给在图2a中示出的电压曲线U1。在图2b中示出的力的曲线K2被分配给在图2a中示出的电压曲线U2。可以看出，所述力的曲线K1反映出电压曲线U1并且所述力的曲线K2反映出电压曲线U2。因此不仅对于U1来说而且对于U2来说在达到相应的最大值之后相应地出现幅度值的明显的下降，因而从彼此先后相随的电压值或者说力值中推导出来的梯度比较大。而对于U2并且也对于K2来说，所述电压的或者力的彼此先后相随的数值可能稍许有别于彼此，因而所述梯度大约具有数值1。

在事先所保存的数据库中，现在保存了数据记录，所述数据记录为大量的电压梯度的预先给定的压力值分别分配了一个力值。因此，借助于所求得的电压梯度，可以给这个数据库定址，用于求得相应所属的力值。

所求得的力值优选就其而言用于给另一个事先所保存的数据库定址。在这另一个数据库中，对于预先给定的轨压值来说又为大量的力值分别分配了一个用于阀针升程的数值。

这一点借助于图2c来显示出来，在图2c中关于时间t绘出了所述喷嘴阀针的升程。所述升程的与力K1相对应的曲线用H1来表示，所述升程的与力K2相对应的曲线用H2来表示。从图2b和2c的比较中可以看出，如在所述曲线K1中出现的一样的更大的力的梯度引起更大的升程，而如在曲线K2中出现的一样的较小的力的梯度则如在图2c中通过曲线H2来显示的一样仅仅引起较小的阀针升程或者根本没有引起阀针升程。

关于力-升程配对（Paar Kraft-Nadelhub）也设置了数据库，在该数据库中对于轨压的预先给定的数值来说为大量的力值分别分配了一个升程值。这个数据库因此可以借助于所述力值来定址，用于求得所属的升程值。

从这个升程值中又可以推断出所属的燃料流量或者说所属的燃料通流速率。因此在图2d中示出了多条燃料通流速率曲线，在这些燃料通流速率曲线中，其中一条用附图标记R1来表示并且另一条用附图标记R2来表示。所述曲线R1被分配给在图2c中示出的曲线H1，所述曲线R2则被分配给在图2C中示出的曲线H2。可以看出来，较大的阀针升程也引起较大的通流速率。

在事先所保存的数据库中又进行阀针升程与通流速率之间的这种分配，在所述数据库中为所述轨压的预先给定的数值保存了大量的升程值以及相应所属的通流速率数值。借助于所述轨压值，可以给所提到的数据库定址，用于求得相应所属的通流速率数值。

最后可以从所述通流速率数值中通过求积分来推断出相应所喷入的燃料量。根据这些用于所喷入的燃料量的数值，而后可以对所述部分升程运行进行调整，通过所述调整来保证，始终喷射相应所期望的燃料量。这又具有这样的优点，即可以在完整的负荷范围/转速范围中使用所提到的部分升程操控及其在排放技术方面的优点。