燃油喷射系统的工作方法和压电直接传动的喷射阀的制作方法
【专利摘要】介绍一种燃油喷射系统工作方法以及一种燃油喷射系统。该方法为了检测在蓄压器内产生的压力而使用喷射阀的压电促动器，该压电促动器除了具有用于操控封闭件的有源的压电区之外，还具有作为压力传感器的无源的压电区。借助于该压力传感器来求取封闭件的作用到无源的压电区上的力，进而求取在蓄压器内产生的压力。
【专利说明】燃油喷射系统的工作方法和压电直接传动的喷射阀
[0001]本发明涉及一种内燃机燃油喷射系统的工作方法，该燃油喷射系统具有蓄压器(蓄压管)、至少一个压电直接传动的喷射阀、用于检测在蓄压器(蓄压管)内产生的压力(蓄压管压力)的传感器及控制和调节单元，就压电直接传动而言，压电促动器与喷射阀的封闭件直接传动连接。
[0002]燃油喷射系统早已公知，其用来将燃油喷射到内燃机的燃烧室内。这类喷射系统包括至少一个喷射阀(喷射器)和至少一个与喷射阀相连接的用于控制喷射过程的控制和调节单元。喷射阀在此具有一腔室，燃油可以从该腔室出来通过喷入口注射到燃烧室内。借助于封闭件(喷嘴针)来打开和关闭喷入口，所述封闭件可以由促动器操控(运动)。通过高压蓄存器和燃油管路为所述腔室提供燃油。
[0003]所述促动器是一种用于移动封闭件的元件。由此借助于促动器控制喷射过程。在此，促动器与封闭件直接传动连接，这意味着，促动器与封闭件直接机械地接触，或者通过接于中间的固定体比如销、杆、活塞而相互连接。这里重要的是，在促动器与封闭件之间不存在液压的或气动的耦接。
[0004]促动器是一种压电促动器，在施加电能时，它根据压电效应进行延伸(其长度变长)，并且通过该种方式使得封闭件直接移动。
[0005]这种燃油喷射系统需要检测在蓄压器内产生的压力，以便能够实施相应的蓄压管压力调节。为此，在现有技术中使用专门的装入到蓄压器内的压力传感器。这导致整个系统成本提闻。
[0006]本发明的目的在于提出一种开篇所述类型的方法，该方法可以特别成本低廉地实施。
[0007]根据本发明，该目的通过在权利要求1中限定的方法来实现，该方法的主要特征为，使用压电促动器，其除了具有用于操控封闭件的有源的压电区之外，还具有形成压力传感器的无源的压电区，其中，求取封闭件的作用到无源的压电区上的力，由此求取在蓄压器内产生的压力(蓄压管压力)。
[0008]本发明的方法并不使用附加的安置在蓄压器例如所谓的共轨上的压力传感器，而是借助于本来就在喷射阀中使用的压电促动器来检测压力。为此使用压电促动器，它用无源的压电区来得到补充，该无源的压电区并非用于操控封闭件，而是用作压力传感器。这里利用逆反(invers)的压电效应，通过对该无源的压电区施加压力来产生或者改变电的测量参数，检测该测量参数，并根据该测量参数来求取在蓄压器内产生的压力(蓄压管压力)。
[0009]因此按照本发明的方法，采用一种结构单元，它由真正的压电促动器和压力传感器组成，该压电促动器引起对封闭件的操控。由于这里的压电促动器只需用无源的压电区来得到补充，所以对于压力检测所需的附加成本相对较小，从而与在蓄压器本身中设置专门的单独的压力传感器相比，本发明的方法可以更加成本低廉地实施。
[0010]按照本发明的方法优选的是，在封闭件处于关闭状态且有源的压电区未受控的阶段中求取在蓄压器内产生的压力(蓄压管压力)。因此按照本发明的方法有两个分开的阶段:其一为喷射阶段，在此期间控制有源的压电区，用于打开封闭件，另一个为压力检测阶段，在此期间通过对有源的压电区施加压力在蓄压器内进行压力检测。
[0011]借助于无源的压电区(压力传感器)来求取由封闭件施加到无源的压电区上的力，并由此求取蓄压管压力。这优选在考虑附加地作用到无源的压电区上的偏差力情况下进行，以便实现精确的压力检测。在这里，作用到无源的压电区上的力尤其按照如下关系式来求取:
[0012]F_s = A_p*P_rail_A_s*P_low,
[0013]其中，
[0014]F_s =施加到无源的压电区(压力传感器)上的力；
[0015]A_p =在压电促动器与封闭件或另一连接件(杆)之间的连接件(销)的面积；
[0016]P_rail =在蓄压器内产生的压力；
[0017]A_s =无源的压电区(压力传感器)的面积；
[0018]P_low=低压。
[0019]借助于由上述关系式算得的力求取在蓄压器内产生的压力(蓄压管压力)P_rail ο
[0020]本发明的方法优选采用直接传动的喷射阀，其中，销使得低压侧的压电促动器与高压侧的杆相互连接，该压电促动器与封闭件传动连接。由于低SP_low保持恒定，所以低压是已知的。通过无源的压电区(压力传感器)A_s的面积和低压P_low来确定作用到压力传感器上的偏差力。高压即在封闭件的腔室中产生的压力直接与蓄压管压力连通，因而等于蓄压管压*P_rail。由此通过销的面积A_p和高压来确定附加地作用到压力传感器上的力F_s。
[0021]作用到无源压电区上的力优选由测得的无源压电区电压并由此通过特征曲线求取。这种特征曲线例如可以存储在相关的控制和调节单元中。由此可以求取蓄压管压力P_rail作为实际蓄压管压力。
[0022]不言而喻，借助于压电促动器-压力传感器求取的在蓄压器内产生的压力(蓄压管压力)(实际压力)可以与给定压力值相结合地用于在燃油喷射系统内进行压力调节。实际压力在此采用本发明的方式来检测，并与给定压力值比较，并进行相应的调整，用于压力调节。
[0023]本发明的方法特别是应用于具有多个燃油喷射阀的燃油喷射系统。这里优选的是，在蓄压器内产生的压力(蓄压管压力)在每个喷射阀中都分别在喷射之前被求取至少一次。通过这种方式可以在考虑实际压力状况的情况下控制或调节后续的喷射过程，其中不必使用单独的压力传感器。
[0024]就这种具有多个燃油喷射阀的燃油喷射系统而言，在蓄压器内产生的压力(蓄压管压力)优选由全部喷射阀的分别单独地求取的压力值的平均值形成。各个喷射阀的压差于是可以用于诊断。
[0025]为了提高压力测量精度，可以在批量生产中在喷射阀的功能测试时在蓄压器内调至规定的压力值P_s0。在此，读取压力传感器的电压V_0，由此确定力F_s0。于是由此可以特定于喷射器地确定并存储特征曲线，特别是在F_s与P_rail之间的特征曲线段(Kennliniensteigung)。然后可以在控制和调节单元中读入该值。
[0026]本发明还涉及一种内燃机燃油喷射系统，其具有蓄压器(蓄压管)、至少一个压电直接传动的喷射阀、用于检测在蓄压器(蓄压管)内产生的压力(蓄压管压力)的传感器及控制和调节单元，就压电直接传动而言，压电促动器与喷射阀的封闭件直接传动连接。该燃油喷射系统的特征在于，其被设计用来实施前述方法。这种燃油喷射系统没有用于蓄压管压力检测和蓄压管压力调节的安装在蓄压器内的专用的压力传感器，这样一来，这种系统相比于现有技术牵涉到较小的总成本，且具有简化的结构。
[0027]因此就按照本发明设计的燃油喷射系统而言，压电促动器具有整合的压力/力传感器。该传感器由附加的无源的压电区构成。无源的压电区是至少一个附加的串联布置的相对于有源压电层电绝缘的无源压电层，该无源压电层设置在层状结构的压电堆上，且通过适当的绝缘物而与压电堆分开，该压电堆形成了有源的压电区。有源的压电区优选在两侧具有用来分接所产生的电压的电极。
[0028]下面借助实施例结合附图详述本发明。其中:
[0029]图1为喷射阀的示意性的局部纵剖面图；
[0030]图2为具有力传感器的压电促动器的示意性的部分纵剖面图；和
[0031]图3为方法的流程图。
[0032]图1示出喷射阀1，其与示意性地示出的控制和调节单元2连接。喷射阀1例如用在Pkw的柴油发动机内。所述喷射阀用于将燃油喷射到内燃机的燃烧室内。该喷射阀具有通过这里未示出的燃油管路与蓄压器(高压蓄存器)相连接的腔室3。在比示出的喷射阀1是在共轨系统内分别通过燃油管路与同一蓄压器相连接的多个喷射阀之一。在喷射阀1的下端部，该喷射阀具有喷入口 4，由此通过该喷入口可以将燃油从所述腔室3喷入到燃烧室内。
[0033]在所述腔室3内布置被用作封闭件的喷嘴针5，借助于该喷嘴针可以打开或关闭喷入口 4。如果喷嘴针5位于打开位置，在该位置，所述喷嘴针开启喷入口 4，就会将处于高压下的燃油从所述腔室3喷入到燃烧室内。在喷嘴针5的关闭位置，此时喷嘴针5关闭喷入口 4，将阻止燃油喷入燃油室内。
[0034]喷嘴针5通过设置在腔室3的上面部分中的关闭弹簧6借助于直接操控喷嘴针5的压电促动器7来控制，该压电促动器与控制和调节单元电连接。根据利用控制和调节单元2进行的控制，压电促动器7可以改变其长度，并对喷嘴针5施加力，其中，所述力可经由在图中被挡住的销、经由罩8和杆9传递到喷嘴针5上。通过销、罩8和杆9，压电促动器7和喷嘴针5直接机械地耦接。由压电促动器7施加的力因此直接传递到喷嘴针5上。相反，由喷嘴针5施加的机械力直接作用到压电促动器7上。如果压电促动器7未被施加以电能，关闭弹簧6就向下压迫图1中的喷嘴针5，从而该喷嘴针克服腔室3中的压力将喷入口 4封闭并禁止喷射。如果压电促动器7被施加以电能，压电促动器7就增大其长度，并对喷嘴针5施加力，由此借助喷嘴针5打开喷入口 4。
[0035]在图1中仅示意性地示出的压电促动器7除了具有用于操控喷嘴针5的有源的压电区外，还具有作为压力传感器的无源的压电区。借助于该压力传感器通过喷嘴针5获知作用到无源的压电区上的力，进而获知在蓄压器内产生的压力(蓄压管压力)。
[0036]图2示意性地示出了压电促动器7的结构，该压电促动器构成具有用于操控喷嘴针5的有源的压电区12和用于压力检测的无源的压电区13的结构单元。有源的压电区12由多个有源的彼此上下叠置的压电层组成，这些压电层分别在左侧和右侧具有相应的连接电极10。在最上面的有源的压电层上通过合适的绝缘物14分开地布置有无源的压电层，该无源的压电层构成用作力传感器或压力传感器的压电区13。无源的压电层在两侧设有相应的连接电极15。
[0037]这里所述的燃油喷射系统如下工作。有压力检测阶段和喷射阶段。在喷射之前求取蓄压管压力，其方式为，通过对无源压电区的所产生的电压的测量来求取由喷嘴针5施加到无源压电区13上的力。根据所测电压，通过存储在控制和调节单元内的相应的特征曲线来求取相关的力，并由此按上述方式求取蓄压管压力。该压力检测阶段在喷嘴针关闭的情况下执行。
[0038]求得的蓄压管压力(实际压力)于是用来针对后续喷射进行蓄压管压力调节，据此对促动器的有源压电区进行控制，以便使得喷嘴针提升离开针座，并打开喷入口。
[0039]在压力检测阶段，也就是在喷嘴针关闭的情况下并在喷射阶段之前，在步骤20中通过对无源压电区的所产生的电压的测量来求取由喷嘴针施加到无源压电区上的力。在步骤21中，根据所测电压通过特征曲线来求取相关的力，并由此求取蓄压管压力。然后在步骤22中把求得的蓄压管压力用来对后续喷射过程进行压力调节。
【权利要求】
1.一种内燃机的燃油喷射系统的工作方法，其中，该燃油喷射系统具有蓄压器、至少一个压电直接传动的喷射阀、用于检测在蓄压器内产生的压力的压力传感器及控制和调节单元，就压电直接传动而言，压电促动器与喷射阀的封闭件直接传动连接，其特征在于，使用压电促动器，该压电促动器除了具有用于操控封闭件的有源的压电区之外，还具有无源的压电区，该无源的压电区形成用于检测在蓄压器内产生的压力的压力传感器，其中，求取由封闭件作用到无源的压电区上的力，由此求取在蓄压器内产生的压力。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在封闭件处于关闭状态且有源的压电区未受控的阶段中求取在蓄压器内产生的压力。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在考虑附加地作用到无源的压电区上的偏差力情况下求取作用到无源的压电区上的力。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，按照如下关系式来求取作用到无源的压电区上的力，
F—s = A—p*P—rail-A—s*P—low， 其中， F_s =施加到无源的压电区(压力传感器)上的力； A_p =在压电促动器与封闭件或另一连接件(杆)之间的连接件(销)的面积； P.rail =在蓄压器内产生的压力； A_s =无源的压电区(压力传感器)的面积； P_low =低压； 并基于作用的力求取在蓄压器内产生的压力。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由在无源压电区测得的电压借助于特征曲线来求取作用到无源压电区上的力。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于压力传感器求取的在蓄压器内产生的压力与给定压力值相结合地用于在燃油喷射系统内进行压力调节。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述燃油喷射系统具有多个燃油喷射阀，其特征在于，在每个喷射阀的喷射之前至少一次地求取在蓄压器内产生的压力。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述燃油喷射系统具有多个燃油喷射阀，其特征在于，在蓄压器内产生的压力由全部喷射阀的在相同时间分别单独地求取的压力值的平均值形成。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在喷射阀的功能测试时在蓄压器内调至规定的压力P_sO，通过压力传感器确定力F_sO，由此特定于喷射阀地确定并存储在F_s与P_rail之间的特征曲线段。
10.一种内燃机的燃油喷射系统，带有蓄压器、至少一个压电直接传动的喷射阀、用于检测在蓄压器内产生的压力的压力传感器及控制和调节单元，就压电直接传动而言，压电促动器与喷射阀的封闭件直接传动连接，其特征在于，该系统被设计用来实施根据前述权利要求中任一项的方法。
11.如权利要求10所述的燃油喷射系统，其特征在于，压电促动器具有无源的压电区(13)，该无源的压电区由至少一个附加的串联布置的相对于有源压电层电绝缘的无源压电层构成。
【文档编号】F02D41/20GK104302906SQ201380015535
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年3月14日 优先权日:2012年3月19日
【发明者】张宏, D·舍佩 申请人:大陆汽车有限公司