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CN103154483B - 用于求取压电式燃油喷射阀的实际喷射开始的方法和装置 - Google Patents

用于求取压电式燃油喷射阀的实际喷射开始的方法和装置 Download PDF

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CN103154483B CN201180025367.3A CN201180025367A CN103154483B CN 103154483 B CN103154483 B CN 103154483B CN 201180025367 A CN201180025367 A CN 201180025367A CN 103154483 B CN103154483 B CN 103154483B
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Abstract

一种用于求取实际喷射开始的方法，其可以借助于用于操控压电式燃油喷射阀的装置来实施，该方法具有如下步骤。首先以短暂的持续操控时间进行测试喷射，使得切断开始在时间上提早地进行，从而喷嘴针不会到达打开终端位置。该时间点通过操控被预先给定，因而是确切已知的。然后在下一步骤中，测量并分析压电式直接驱动件的电参数，由此求得喷嘴针的关闭时间点。在已经知道关闭时间点和切断开始时间点之后，由关闭时间点通过切断开始反算出实际的喷射开始。这能实现在内燃机的几乎任何的工作状态下足够精确地求得实际的喷射量。

Description

用于求取压电式燃油喷射阀的实际喷射开始的方法和装置
本发明涉及一种用于求取压电式燃油喷射阀的实际喷射开始的方法，该喷射阀带有用于内燃机的高压燃油喷射系统的直接驱动件。本发明还涉及一种用来实施上述方法的用于操控燃油喷射阀的装置。
在用于特别是汽车内的内燃机无论柴油机还是汽油机的高压喷射系统中，优选使用电磁操纵的喷射阀，以便给燃烧过程配给燃油。为了满足在燃油消耗、功效、有害物质排放和内燃机运转平稳性方面对内燃机运行特性的日益提高的要求，需要尽可能精确地控制各个燃烧过程。其主要前提是，在时间上非常准确地，以较高的重复精确度，必要时在每个燃烧过程的多次不同的喷射中，即以较高的速度，且在工作压力很高的情况下，把很少量的燃油配给到内燃机的各个燃烧室中。
为了能实现此点，使用所谓的压电式燃油喷射阀，其中，阀针提升离开阀针座，由此打开阀的喷射孔，用于把燃油喷射到燃烧室中。这里可分为两种不同的工作原理。按照传统的构造方式，借助于处于高压下的燃油来操纵阀，其中，压电促动器仅仅操纵用于控制操纵压力的控制阀，并与喷嘴针解耦。新式构造方式的压电式燃油喷射阀配备有压电式直接驱动件，其中，喷嘴针通过传动机构直接受压电促动器操纵。带有直接驱动件的这种压电式燃油喷射阀的实施例在文献DE19952057A1和EP1760305A1中被公开以及在图1中被示出。
相比于传统的带液压操纵的压电式燃油喷射阀，带有直接驱动件的压电式燃油喷射阀具有优势：喷嘴针的行程进而燃油流量在喷射时能够可变地被控制。因而，通过对压电促动器的相应的操控，能够随时间可变地形成喷射走势。文献DE102007033469A1公开了其一个例子。
然而，所有这些压电式燃油喷射阀的共同之处在于，它们有制造技术上的误差，而且，这些误差在工作期间因老化和磨损而改变。这些误差还对喷嘴针的行程运动产生影响，进而影响到阀的打开特性，致使在预先给定地相同地操控情况下喷射时间点和燃油喷射量由此会完全发生改变，这会对内燃机的上述运行特性产生不利影响。
实际上，已采用各种不同的彼此互补的方法来克服该问题。一种方法即所谓的IIC方法(喷射器特定的编码)在于，在制造之后对喷射阀在其喷射特性方面进行测量，并相应地归类。然后按照归类在阀控制中预先给定相应的校正值，且在阀操控时予以考虑。另一方法即所谓的MFMA方法(最少燃油量调整)在预先给定的周期内在预先给定的边界条件下在工作中实行。在这里，在预先给定的测试喷射时，借助可测量的系统参数比如共轨中的压力下降或者曲轴转速变化，推断出实际喷射的燃油量。如果该燃油量不同于按照阀操纵所期望的燃油量，就据此又求取校正值，然后在后续的喷射时考虑这些校正值。
不仅要得到关于喷射量的信息，而且要得到关于实际的喷射开始、喷射走势和喷射结束的信息，这有助于进一步提高各次喷射的可再现性。在此，使用带直接驱动件的压电式燃油喷射阀提供了其它能提高喷射精确度的可行性。
压电促动器允许借助其电容信号来推断出力输入。就带直接驱动件的压电式燃油喷射阀而言，喷嘴针通过刚性的耦连部件比如杆件与压电促动器连接。为此在压电信号中形成在喷嘴针上的力输入。因而，在喷嘴打开过程期间，例如电容根据作用到喷射针上的反力来改变。在喷嘴针到达预定的终端止挡时，例如在电容值会产生明显跳跃。因而，在喷嘴针到达打开止挡即完全打开时的时间点即所谓的操作点2，以及喷嘴针在喷嘴座内止停时的关闭时间点即所谓的操作点4(OPP4)，可以借助电容信号非常精确地来确定。
然而，所述众多的附加影响和在打开时间点时电容变化得不够显著使得无法通过这种方式以足够的精确度求取实际的打开时间点即实际的喷射开始。
因此，本发明的目的在于，提出一种方法，其能实现以足够的精确度求得带有直接驱动件的压电式燃油喷射阀的打开时间点即实际的喷射开始。
所述目的通过具有根据权利要求1的特征的方法得以实现。从属权利要求所述为可单独地或者相互组合地采用的有利的设计和改进。
用于求取带有喷射针的压电式直接驱动件的燃油喷射阀的实际喷射开始的方法，具有如下步骤。首先以短暂的持续操控时间进行测试喷射，使得切断开始在时间上提早地进行，从而喷嘴针不会到达打开终端位置。这是必需的，以便不会产生使得喷嘴针在打开止挡处滞留的滞留时间，这种滞留时间对于所述方法的后续实施是并非所愿的。
切断开始在此是如下时间点，即在该时间点时，对压电促动器的操控使得电流反向流动，进而使得压电促动器的行程方向反向，由此使得喷嘴针的行程方向反向，换句话说，喷嘴针开始关闭。该时间点通过操控被预先给定，因而是确切地已知的。
然后在下一步骤中，测量并分析压电式直接驱动件的电参数，由此求得喷嘴针的关闭时间点。为此所采用的电参数优选是压电促动器的电容值，因为该电容值在关闭时间点具有明显的形式为局部最小值的走势。
在已经知道关闭时间点和切断开始时间点之后，在关闭和打开行程中喷嘴针的行程速度已知的前提下(这例如可以具有代表性地根据经验来求得)，可以由关闭时间点通过切断开始时间点反算出打开时间点，进而反算出实际的喷射开始。
只要测得的电参数在关闭时间点产生了足够明显的迹象，就可以缩短测试喷射时间，即减少喷射量，由此减小有时在反算时出现的时间错误。在极端情况下，喷射量可以减少至零。这相当于对喷嘴针进行适当操控，使得该喷嘴针尽管减轻了关闭力的负荷，当恰恰尚未提升离开其针座。由此例如在基准测定时能消除因喷嘴针的打开速度与关闭速度不同造成的错误。
用于操控带有直接驱动件的压电式燃油喷射阀的装置还具有计算单元和存储单元。在该装置中，例如在存储单元中，存储了带有程序代码的计算机程序。当程序在计算单元上执行时，该计算机程序用于实施用来求取带有压电式直接驱动件的燃油喷射阀的实际喷射开始的方法。用于操控的装置可以是上级控制机构例如发动机控制机构的一部分。对于具有多个气缸的内燃机而言，可以给每个气缸都设置有配设的用于操控相应的压电式燃油喷射阀的装置，或者也可以设置一个共同地负责全部气缸的用于操控的装置，该装置交替地对相应的气缸的各个压电式燃油喷射阀进行操作。
因此，采用本发明能以简单且足够精确的方式求得实际喷射开始的时间点。在也已经知道关闭时间点和切断开始的时间点之后，也可以求取实际的持续打开时间以及喷嘴针的行程高度。另外，在考虑其它测量参数比如蓄压管压力的情况下，可以通过计算且必要时在考虑特性曲线族的情况下求取实际喷射的燃油量。接下来对实际燃油量与在测试喷射时的给定燃油量进行比较，由此可以求得相应的校正系数，这些校正系数在后续工作中被考虑用于提高喷射精确度。
在从属权利要求中公开了有利的设计。
作为压电式直接驱动件的被考虑用于分析的电参数，可以有利地采用可在配设的压电促动器的电的供电接头上测得的电容(C)。这能实现精确地确定喷嘴针的关闭时间点(TS)，因为该值在此时间点具有特别明显的走势，其也称为操作点4(OPP4)且能以较高的可靠性在信号走势上看到。
在计算过程中能以简单的方式求取切断开始的预先给定的时间点(TA)与关闭时间点(TS)之间的时段作为针的持续关闭时间(tS)，这是因为这两个时间点在走势上彼此前后相继，且这两个点之间的时间间隔就是持续关闭时间(tS)。
假定喷嘴针的持续关闭时间(tS)与持续打开时间(tO)相互间成已知的比例，则可以在反算时利用反映该比例的相应的比例系数(FP)进行计算，由此根据持续关闭时间(tS)求得针的持续打开时间(tO)。
该比例系数(FP)可以采用简单的方式由喷嘴针的关闭速度(VS)与打开速度(VO)之间的比例来求得。针对喷嘴针的行程高度把用于打开行程(hO＝tO×VO)和关闭行程(hS＝tS×VS)的方程等效置换，产生持续打开时间与持续关闭时间的比(tO/tS＝VS/VO或FP＝VS/VO)，由此得到所述比例。在这里，假定打开速度和关闭速度是已知的必要时预先测得的参数。
因此，可以从关闭时间点(TS)起，把持续关闭时间(tS)和持续打开时间(tO)(二者总和形成实际的持续喷射时间(tE))减去，由此求得实际的喷射开始。
采用如下方式可以实现对上述方法的进一步改进：根据燃油喷射阀的工作压力，也就是说，在一个压力区域内比如在以后真正的工作中会出现的压力不同的情况下，在试验中事先求得相关的比例系数，并在工作中在特性曲线族内被提供使用，用来在注意到当前的工作压力情况下计算实际的喷射开始，在此还可以一同考虑其它与比例系数相关的工作参数，比如工作温度或磨损状态。
例如可以借助燃油喷射阀的构造相同的模型有代表性地通过试验求得比例系数，并针对所有构造相同的燃油喷射阀预先给定。但也可以在每个燃油喷射阀的制造过程之后紧接着在试验台上求取适宜于该独立的阀的比例系数，并特定地提供给该阀使用。为此，把求得的值汇总在相应的特性曲线族中，并存储在用于操控阀的装置的存储单元内。这些措施提高了精确度，拓展了要求保护的方法的应用范围，使得在求取实际的喷射开始时能一同考虑在工作中变化的工作压力的影响。由此无需为了精确地实施该方法而首先提供工作压力的一定的边缘条件。
下面借助附图详述本发明的实施例。其中：
图1为带有直接驱动件的压电式燃油喷射阀的三维剖视图；
图2为在用于通常的喷射周期的压电式燃油喷射阀上的各种不同的信号参数和测量参数的时间走势曲线图；
图3为在测试喷射期间压电促动器的与喷嘴针的行程路径相关的主要电信号即电流、电压和电容的时间走势曲线图；
图4为本发明的方法的一个实施例的流程图；和
图5为用于操控带有压电式直接驱动件的燃油喷射阀的装置的设置实施例的简化图。
功能相同和名称相同的部分在这些附图中标有相同的附图标记。
图1示出带有直接驱动件的压电式燃油喷射阀1的原理结构，而在图4中示出了其在内燃机的整个系统中的设置情况。压电式燃油喷射阀1主要由三个功能单元构成，即促动器单元2、放大器单元3和喷嘴单元4。促动器单元2具有容纳在弹性套筒10中的带有连接插头14的压电元件11，该压电元件设置在促动器壳体12中。在促动器壳体12的上端设置了带有燃油过滤器16的高压接头17以及泄漏回流接头15和控制接头18。通过高压接头17，压电式燃油喷射阀1在安装状态下经由高压燃油管路与共轨26连接。于是，燃油经由燃油过滤器16和高压输入通道13导入到喷嘴单元4中。通过控制接头18和与其连接的控制信号线路39，压电式燃油喷射阀1特别是压电元件11在安装状态下与配设的控制装置30连接。
放大器单元3由操纵销9构成，该操纵销用作压电元件11与所谓的操纵罩8之间的传动件。操纵罩8又与操纵杆7机械地接触，这些操纵杆本身作用到喷嘴针6的后端上。
喷嘴针6属于喷嘴单元4，并设置在喷嘴外壳5中。压缩弹簧作用到喷嘴针6上，该压缩弹簧把喷嘴针6的尖端压入到在喷嘴外壳5的尖端内的阀座中，从而使阀保持关闭。
为了打开喷射阀，现在由控制装置经由控制接头18给压电元件11供应充电电流。于是，压电元件11膨胀，并通过操纵销9顶压到操纵罩8上。操纵罩8又支撑在操纵杆7的外端上，并把该操纵杆“向下”压向喷嘴头。这些操纵杆7按照摇杆的方式支撑在中间板上，并分别以内部的另一端伸到喷嘴针端部上的蘑菇状的凹缺下面。通过对操纵杆7的外端的下压，其内端按照摇杆的方式朝向促动器单元2提升，进而使得喷嘴针6特别是喷嘴针尖端从其针座中提升出来，由此打开喷嘴头内的阀，于是燃油被喷入到内燃机20的相关燃烧室中。喷嘴针6的由此可实现的最大行程受中间板上的止挡限定。
为了关闭喷射阀，现在利用控制装置30使得流向压电元件11的电流反向，该压电元件由此放电并缩短。在该过程开始时，压电元件快速缩短，致使操纵销9施加到压电元件11上的力下降到最小。经过放电之后，压电元件11的缩短速度放缓。相反，喷嘴针6利用压缩弹簧朝向在喷嘴头内的针座加速，而操纵罩8连同操纵销9反向加速。于是，通过操纵销9作用到压电元件11上的力再次增大，直到喷嘴针6止停在其针座中。在此，销运动突然停止，操纵销9与压电元件11之间的力也突然再次消失。现在，对于实施本发明的方法来说重要的是，要知道有待在压电元件的电的连接插头14上测得的电容值与作用到压电元件11上的力成反比例。
在图2中示出了压电式燃油喷射阀的各种不同的信号参数和测量参数即电压U、电容C、针行程h和喷射速度R之间的关系。四个不同的走势曲线图以一致的水平时间轴上下布置，这样就能看出该关系。通常的喷射周期有两个短暂的预先喷射和一个较长的主要喷射，所示为在这种喷射周期期间各个参数的相应的值走势，在电压曲线图中标有P1、P2和M。电压曲线U、行程曲线h和喷射速度曲线R直接相关，其中可看到电压曲线与其它两个曲线之间的时间偏差。相比之下，电容C的走势明显不同于其它曲线走势。这里重要的是，总能看到一个局部最小值，其标示为操作点4，即OPP4，它反映了喷嘴针6止停在其针座中因而使得阀完全关闭时的时间点。电容走势C上的标有OPP2的另一操作点2反映了喷嘴针6在完全打开情况下到达其最大行程(见行程曲线h)并与其“打开止挡”接触时的时间点。可清楚地看到，电容曲线C总是在精确地在喷嘴针的关闭时间点具有非常重要的局部最小值，即OPP4，其时序位置在测量技术上能清楚地以较大的可靠性检测到。
在图3中也有四个曲线图按时间关系被上下地示出，它们示出压电式燃油喷射阀的关键性的测量参数，即电流走势I、电压走势U、电容走势C和行程路径走势h。但在这里以较高的时间分辨率示出了在本发明的测试喷射期间的信号走势，以及示出了对本发明的方法重要的时间点和时间段。在电流走势曲线I上，切断时间点TA作为独特的点尤为重要。该点的特征是，电流值在电流走势曲线的过零处发生符号变换。直至该时间点，压电元件11一直都被充电并在这种情况下膨胀，从该时间点之后，压电元件又放电并收缩。
在这种考察中，电压走势曲线U的重要性处于次等，这里也可以在电压曲线走势的梯度变换符号时所在的点处读得切断时间点TA。
在电容走势曲线上，所述操作点4即OPP4尤为重要。该点表示电容走势曲线上的局部最小值，并与关闭时间点TS重叠。
在行程路径走势曲线h上示出，从由此已知的两个时间点TA和TS反算出打开时间点TO，即实际的喷射开始。在这里，电容走势和行程走势曲线图上的虚线所示的曲线走势表示在关闭时间比较短暂情况下的曲线走势。下面结合方法的一种可行设计的在图4中示范性地示出的方框图来介绍方法流程。
首先，在方法步骤S1中进行测试喷射。该测试喷射由独立步骤S11和S12构成，在步骤S11中操控压电元件11一段持续操控时间tAN，在步骤S12中使得压电元件11切断一段持续切断时间tAB。在这里，持续操控时间tAN被设计得比较短暂，使得喷嘴针6肯定不会到达其打开终端位置。为了预先给定切断时间点TA，在步骤S12中使得电流反向流动一段持续切断时间tAB，压电元件11由此又放电。该切断时间点TA被存储在存储单元32的为此设置的存储区域内。
在方法步骤S2中，首先与方法步骤S1并行地在独立步骤S21中在测试喷射的持续时间期间对电容值C进行测量。在独立步骤S22中对所绘制的电容走势曲线进行分析，以便分离出操作点4即OPP4，然后在独立步骤S23中据此求得喷嘴针6的实际的关闭时间点TS。
随后在下一方法步骤S3中反算出实际的喷射开始。为此，在独立步骤S31中首先计算喷嘴针6的持续关闭时间tS作为关闭时间点TS与切断时间点TA之间的差。在下一个独立步骤S32中，基于持续关闭时间tS求得持续打开时间tO。这在原则上可采用不同的方式来进行。如果例如近乎简单的认为，喷嘴针6的关闭行程关于时间的梯度即关闭速度VS等于打开行程的梯度即打开速度VO，则持续打开时间tO的时长与持续关闭时间tS完全一样。这种简单的情况也在图3中示出。
但图3还示出在打开和关闭速度不同的情况下原则上能够以何种方式对持续打开时间进行计算。从关闭时间点TS起，利用前提为已知的关闭速度VS和所求得的持续关闭时间tS，(根据hS＝VS*tS)求取喷嘴针的行程路径hS，其中，关闭行程可以等于打开行程，即hS＝hO。从喷嘴针的行程路径hO起，现在可以又利用前提为已知的打开速度VO，(根据tO＝hO/VO)求取持续打开时间tO。
由于喷射阀中的压力情况和机械的状况，很有可能把喷嘴针的关闭速度VS与打开速度VO区分开。如果现在认为，关闭速度与打开速度不相等，但相互间成一定比例，则可以在计算中借助反映该比例的比例系数FP对此予以考虑。这由如下的用于关闭行程和打开行程的公式的等效置换得到：
hS＝VS*tS和hO＝VO*tO以及hS＝hO
得到VO*tO＝VS*tS＝＞tO＝tS*VS/VO
利用VS/VO＝FP，得到t O ＝t S *F P 。
由于压力情况和机械状况例如摩擦会根据工作温度和蓄压管工作压力而发生变化，所以，预先给定固定的比例系数FP有时会导致对实际喷射开始的反算的结果不准确。因此，为了提高计算的精确度，可以在存储单元32的存储区域内提供用于该比例系数的特性曲线族，该特性曲线族为喷射阀的相应的工作点提供用来计算的相关比例系数FP。
固定地预先给定的比例系数或者该比例系数的特性曲线族可以根据精确度要求在试验中一次性地求得并被提供使用，其代表压电式燃油喷射阀的一个结构系列。但为了提高精确度，也可以考虑针对每个独立的压电式燃油喷射阀都在制造过程期间求得相应的特性曲线族，并与压电式燃油喷射阀一起提供，且在控制装置30的存储单元32中被提供用来在工作中操控压电式燃油喷射阀。
然后在该方法的下一个分步骤S33中，把持续关闭时间tS与持续打开时间tO相加，由此求得持续喷射时间tE。在下一个分步骤S34中，从打开时间点TO起，把持续喷射时间tE从关闭时间点TS减掉，由此得到实际上的喷射开始。
如果现在从打开时间点进一步回算到测试喷射的开始时间点，就会附加地得到延迟持续时间tV，该延迟持续时间是传动机构的空行程的量度。
图5示出了本发明的用于操控压电式燃油喷射阀1的装置30在带有内燃机20的整个设备中的布置情况。控制装置30具有计算单元31和存储单元32以及信号接收模块33和信号产生模块34。控制装置30被设计用于实施本发明的用以求取实际的喷射开始的方法。为此在存储单元中存储了带有程序代码的计算机程序，该计算机程序在计算单元31上执行时在访问信号接收模块33和信号产生模块34的情况下实施所述方法。为此，控制装置30还通过压电控制测量线路40与压电式燃油喷射阀1的控制接头18连接。
压电控制测量线路40的接头同时配属于控制装置30的信号接收模块33和信号产生模块34。压电控制测量线路40同时用于把操控信号从控制装置30传送至压电式燃油喷射阀1，以便按照本发明的方法进行测试喷射，且用于把代表电容的测量信号由压电式燃油喷射阀1的压电元件11传送至控制装置30。但在其它设计中，也可以把分开的控制和传感器信号线路设置在压电式燃油喷射阀上。
压电式燃油喷射阀1设置在内燃机20的气缸头中，且除了具有控制接头18外，还具有高压接头17和泄漏回流接头15。通过高压接头17，压电式燃油喷射阀1与高压喷射系统的共轨26液压地连接。通过泄漏回流接头15和燃油回流管路27，压电式燃油喷射阀1与燃油罐21液压地连接。通过该接头，由压电式燃油喷射阀1的持续泄漏引起的回流的燃油又返回到燃油罐21中。
借助高压泵24从燃油罐21经由燃油供应管路22给共轨26供应以处于高压水平的燃油。高压泵24在上游在燃油供应管路22上配设有配给阀23，在下游配设有压力调节阀25。通过配给阀23、高压泵24和压力调节阀25调节共轨26中的所需要的工作高压。在共轨26上设置有蓄压管压力传感器37。该蓄压管压力传感器37通过传感器信号线路38和传感器信号输入端35与控制装置30的信号接收模块33电连接，并给控制装置30提供对于压力调节必需的压力测量信号。
通过控制信号输出端36和相应的控制信号线路39，控制装置30与高压泵24、配给阀23和压力调节阀25连接，用于操控这些组件。压力调节阀还与燃油回流管路27连接，以便使得在进行压力调节时产生的流出的燃油又回到燃油罐21中。

Claims (8)

1.一种用于求取燃油喷射阀的实际喷射开始的方法，该喷射阀带有喷嘴针的压电式直接驱动件，该方法具有如下步骤：
－以短暂的持续操控时间进行测试喷射，使得切断开始在时间上提早地进行，从而喷嘴针不会到达打开终端位置；
－测量并分析压电式直接驱动件的电参数，由此求得喷嘴针的关闭时间点；
－由关闭时间点通过切断开始反算出实际的喷射开始。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，压电式直接驱动件的电参数是可在配设的压电促动器的电的供电接头上测得的电容。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在反算时求取在预先给定的切断开始与关闭时间点之间的时段作为喷嘴针的持续关闭时间。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在反算时利用比例系数进行计算，由此根据持续关闭时间求得喷嘴针的持续打开时间。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，由喷嘴针的关闭速度与打开速度之间的比例来求得该比例系数。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，从关闭时间点起，把持续关闭时间和持续打开时间减去，由此求得实际的喷射开始。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据燃油喷射阀的工作压力和/或其它工作参数，事先求得相关的比例系数，并在工作中在特性曲线族内被提供使用，用来计算实际的喷射开始。
8.一种用于操控带有压电式直接驱动件的燃油喷射阀的装置，具有计算单元和存储单元，用于实施具有权利要求1-6中任一项的特征的方法。
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