AT390651B

AT390651B - Einspritzventil mit nadelhubsensor

Info

Publication number: AT390651B
Application number: AT0192884A
Authority: AT
Original assignee: Voest Alpine Automotive
Priority date: 1984-06-13
Filing date: 1984-06-13
Publication date: 1990-06-11
Also published as: ATA192884A; DE3515476A1; US4667511A

Description

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Nr. 390 651 j

Die Erfindung bezieht sich auf ein EinspritzveiKil mit Nadelhabsensor, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bei dem innerhalb einer Düseneinheit eine Ventilnadel vorgesehen ist, die mittels einer Feder gegen den Druck der einzuspritzenden Flüssigkeit in Richtung ihrer Schließstellung auf einem Ventilsitz belastet ist, mit einem innerhalb der Düseneinheit vorgeseheiien, auf die Lage der Ventilnadel ansprechenden Sensorelement, dem ein Blendenteil zugeordnet ist, der an dem von dem Ventilsitz abgewandten Ende der Ventilnadel bzw. an einem an deren Ende befestigten Federabstützteller od. dgl. angeordnet ist.

Bei Brennkraftmaschinen mit Treibstoffeinspritzungen, insbesondere bei Dieselmotoren, werden Einspritzventile verwendet, deren Ventilnadel bei Erreichen eines gewiesenen Druckes des von der Einspritzpumpe gelieferten Treibstoffes gegen die Kraft der Ventilfeder öffnet und nach Druckabfall wieder schließt. Hiebei ist die Kenntnis des genauen Einspritzzeitpunktes und der Einspritzdauer wünschenswert, da über diese Größen die Messung des Brennstoffverbrauches möglich ist. Dieser kann einerseits für diverse Anzeigen (Brennstoffverbrauch, Restaktionsradius), andererseits für die Regelung (z. B.: auf geringen Treibstoffverbrauch, geringe Abgasschadstoffwerte und optimale Belastung) benützt werden.

Ein Ventil der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 29 20 669 bekannt geworden. Bei diesem ist an dem am oberen Ende der Ventilnadel befestigten Federabstützteller ein Blendenteil aus weichmagnetischem Werkstoff befestigt. Der Blendenteil kann sich zwischen einem Permanentmagnet und einem Hallplättchen so bewegen, daß je nach Lage der Ventilnadel das Hallelement dem Magnetfeld des Permanentmagneten ausgesetzt bzw. von diesem abgeschirmt ist

Bei einem ähnlichen Ventil (LFS-PS 4 366 706) ist an dem Federabstützteller ein kleiner Permanentmagnet befestigt, der einem Hallelement gegenüberliegt. Das Hallelement wird von einem zylindrischen, von der Ventilfeder umgebenden Einsatz getragen.

Aus der DE-OS 30 04 424 geht ein Ventil als bekannt hervor, bei dem ein Zapfen am oberen Ende der Ventilnadel als Kern einer feststehenden zylindrischen Spule wirkt Eine Bewegung der Ventilnadel und somit des Zapfens ändert die Induktivität der Spule, wodurch auf die Lage der Ventilnadel geschlossen werden kann.

In den beiden erstgenannten Fällen liefert das Hallelement eine Ausgangsspannung, die von der Lage des Magneten und damit der Ventilnadel abhängt Durch Auswertung dieses Ausgangssignales ist es möglich, Beginn und Dauer des Einspritzvorganges festzustellen. Diese bekannte Lösung weist allerdings einige Nachteile auf. Zunächst sind Hallelemente teure und empfindliche Bauelemente. Insbesondere die mit dem Betrieb einer Brennkraftmaschine verbundene Erhitzung und die auftretenden Erschütterungen wirken sich auf Betriebssicherheit und Lebensdauer ebenso ungünstig aus wie auf die Genauigkeit der Messung. Auf Grund des Meßprinzipes stellen auch elektrische und magnetische Störfelder, die in einem Kraftfahrzeug unvermeidbar sind, eine ständige mögliche Fehlerquelle der Messung dar. Das Ausgangssignalj ist konstruktionsbedingt analog, daher ist eine besondere Auswerteschaltung ebenso erforderlich wie ein Justieren von Magnet und Hallelement

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Einspritzventils, das bei möglichst einfachem und billigem Aufbau zuverlässige Meßwerte liefert und den thermischen und mechanischen Belastungen während des Betriebes standhält. Die Auswertung des von dem Sensorelement gelieferten Signales soll mit geringem Aufwand möglich sein. |

Dieses Ziel läßt sich mit einem Einspritzventil der! oben erwähnten Art erreichen, bei welchem erfindungsgemäß der als optische Blende ausgebildete Blendenteil bei offener Ventilnadel im Strahlengang eines Lichtschrankens angeordnet ist, von dessen beiden optischen Enden in an sich bekannter Weise als Lichtleitungen Glasfaserleitungen aus der Düseneinheit geführt sind.

Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, daß innerhalb der Düseneinheit keine durch magnetische oder elektrische Störfelder beeinflußbare Bauelemente vorhanden sind. Die benötigten Bauteile sind unempfindlich gegen hohe Temperaturen und Erschütterungen, das Ausgangssignal ist eindeutig und kann mit einfachsten Mitteln ausgewertet werden; aufwendige Justierarbeiten sind nicht erforderlich. Besonders hervorzuheben ist der Umstand, daß dank der Erfindung keine elektrischen Bauteile in Motomähe vorgesehen werden müssen, sondern in gewünschter Entfernung vom Motor zusammengefaßt sein können.

In der obgenannten DE-OS 29 20 669 findet sich die Feststellung, daß optoelektronische Geber unbrauchbar seien, da Störungen durch Öltropfen und Luftblasen oder Schaum auftreten. Diese Feststellung bezieht sich wahrscheinlich auf einen optoelektronischen Sensor, der über luftgefüllte Kanäle mit dem Lichtgeber verbunden ist. Dabei können tatsächlich Störungen durch Blasen oder Schaum auftreten, wenn das Lichtsignal über eine größere Wegstrecke durch diese Atmosphäre geführt wird.

Im Gegensatz dazu sind bei der Erfindung Glasfaserleitungen vorgesehen, die eben diesen Nachteil vermeiden, da Störungen von dem Lichtstrahl ferngehalten werden. Der Lichtstrahl kommt nur im Schlitz des Lichtschrankens mit der Atmosphäre in Berührung, sodaß dort Blasen, falls sie überhaupt auftreten können, nicht stören. Hier sei angemerkt, daß aus der DE-OS 32 41 390 die Verwendung einer Glasfaserleitung in Zusammenhang mit einer Düseneinheit bekannt geworden ist und zwar zum Zwecke der Weiterleitung des Lichtes der Verbrennungsflamme.

In Hinblick auf den länglichen und sehr kompakten Aufbau der Düseneinheit ist es zweckmäßig, wenn der Lichtschranken zwei Dreiecksprismen aufweist, wobei je einer der kurzen Schenkel mit je einer der Glasfaserleitungen verbunden ist und die anderen kurzen Schenkel einander parallel und in Abstand gegenüberliegen, und der Blendenteil zwischen den gegenüberliegenden Schenkeln geführt ist -2- . Nr. 390 651

Eine bevorzugte Ausbildung der Erfincjung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtschranken als Dachkantprisma ausgebildet ist, das in seinem Firstbereich einen parallel zum First ausgebildeten Schlitz aufweist, in dem der Blendenteil bewegbar ist,.wobei die Glasfaserleitungen an der Basisfläche des Prismas je im Bereich einer Dachfläche angeschlossen sind. Hiedurch ist der Lichtschranken einteilig ausgeführt, was den Einbau und die Herstellung erleichtert und sicherstellt, daß die einmal vorgegebene Geometrie immer erhalten bleibt.

Einen in optischer Hinsicht unkritischen Aufbau erhält man, wenn der Blendenteil plattenförmig ausgebildet ist. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn der Blendenteil in dem Federabstützteller der Ventilnadel bezüglich deren Längsachse drehbar gelagert ist, da hiedurch Drehungen der Ventilnadel ungehindert vor sich gehen können.

Andererseits muß man auf Drehungen der Ventilnadel nicht Bedacht nehmen, wenn der Blendenteil als zylindrischer Stift ausgebildet ist.

Die Erfindung samt ihren weiteren Vorteilen und Merkmalen ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Düseneinheit gemäß der Erfindung, Fig. 2 in vergrößerter Darstellung, gleichfalls in einem Längsschnitt einen zylindrischen Einsatz mit einem Dachkantprisma, Fig. 3 in einem Längsschnitt einen zylindrischen Einsatz mit Dachkantprisma und den oberen Teil einer Ventilnadel mit Blendenteil, Fig. 4 in schematischer Darstellung das Meßprinzip, Fig. 5 die Anordnung nach Fig. 3, jedoch in schaubildlicher, teilweise geschnittener Darstellung, Fig. 6 im Längsschnitt ein Detail des Ventils mit zylindrischem Blendenteil, Fig. 7 eine andere Ausführungsform des Lichtschrankens im Längsschnitt und Fig. 8 eine weitere Ausführungsform des Lichtschrankens, gleichfalls im Längsschnitt.

Fig. 1 zeigt ein Einspritzventil nach der Erfindung, dessen mechanische Bauteile größtenteils herkömmlicher Bauart sind. Innerhalb einer Düseneinheit (1) ist eine in ihrer Längsrichtung verschiebbare Ventilnadel (2) gelagert. Dem unteren konischen Ende der Ventilnadel (2) ist ein Ventilsitz (3) zugeordnet. Die einzuspritzende Flüssigkeit bzw. der Brennstoff wird über einen Brennstoffkanal (4) bis zu dem Ventilsitz (3) geführt Mit dem Brennstoffkanal (4) steht in bekannter Weise ein Ringkanal (5) im Bereich einer Kegelfläche (6) der Düsennadel (2) in Verbindung. An ihrem oberen Ende sitzt auf der Ventilnadel (2) ein Federabstützteller (7), auf dem das untere Ende einer Schraubendruckfeder (8) abgestützt ist. Innerhalb der Feder (8) ist ein zylindrischer Einsatz (9) angeordnet, der an seinem oberen Ende einen Stützkragen (10) besitzt, an dem das obere Ende der Feder (8) abgestützt ist.

Es ist ersichtlich, daß auf Grund dieser Anordnung die Ventilnadel (2) unter der Kraft der Feder (8) gegen den Ventilsitz (3) gepreßt ist, wogegen der Einsatz (9) durch die Feder (8) stationär gegen das obere Ende der die Feder (8) und den Einsatz (9) aufnehmepden Bohrung (11) der Düseneinheit (I) gehalten ist. Bei Beaufschlagung des Brennstoffkanals (4) mit genügend hohem Flüssigkeitsdruck hebt die Nadel (2) wegen des auf die Kegelfläche (6) wirkenden Druckes von dem Ventilsitz (3) ab und führt eine Hubbewegung nach oben aus. Nach Abfall des Brennstoffdruckes kehrt dip Nadel (2) wieder in ihre Schließstellung zurück.

Um den Nadelhub bzw. die Lage der Nadel (2) (offen oder geschlossen) feststellen zu können, ist in Einklang mit der Erfindung an dem oberen Ende der Ventilnadel (2) bzw. an dem Federabstützteller (7) ein Blendenteil (12) vorgesehen, dem ein Lichtschranken (13) im Einsatz (9) zugeordnet ist. In weiter unten näher beschriebener Weise sind Glasfaserleitungen '(14), (15) mit den optischen Enden des Lichtschrankens (13) verbunden und aus der Düseneinheit (1) geführt

Gemäß Fig. 2 ist in das untere Ende des Einsatzes (9) ein Dachkantprisma (16) eingekittet, das als Lichtschranken (13) dient Hiezu ist in dem Firstbereich des Prismas (16) ein parallel zum First verlaufender Schlitz (17) ausgebildet Je eine Glasfaserleitung (14), (15) ist an der Basisfläche (18) des Prismas (16) je im Bereich einer Dachfläche (19), (20) angeschlossen. Eine der beiden Glasfaserleitungen (14) führt zu einer Lichtquelle (21), z. B. einer lichtemittierenden Diode, die andere Leitung (15) zu einem Photodetektor (22), z. B. zu einer Photodiode (Fig. 4). Der Strahlengang ist strichliert eingezeichnet, er durchsetzt den Schlitz (17). Innerhalb dieses Schlitzes (17) kann sich der Blendenteil (12) bewegen, wobei dessen Länge so bemessen ist, daß der Lichtstrahl bei geschlossener Ventilnadel (2) ungehindert den Schlitz (17) durchsetzen kann, wogegen er bei offener Ventilnadel (2) unterbrochen ist.

Die Ausführung nach Fig. 3 zeigt gleichfalls die Verwendung eines Dachkantprismas (16), doch ist hier - im Gegensatz zur Ausführung nach Fig. 2 - das untere Ende des Einsatzes (9) den Dachflächen des Prismas (16) angepaßt und weitgehend geschlossen, sodaß das Prisma (16) gut geschützt liegt Bei allen Ausführungsformen kann der oberhalb des Prismas (16) verbleibende zylindrische Hohlraum des Einsatzes (9) mit einer Kunststoffmasse ausgegossen sein, wodurch das Prisma (16) und die Leitungen (14), (15) sehr gut gegen mechanische Einflüsse geschützt sind.

Aus Fig. 3 ist weiters ersichtlich, daß der Blendenteil (12) in dem Federabstützteller (7) drehbar gelagert sein kann. Zu diesem Zweck ist der Blendenteil (12) an seinem unteren Ende mit einem tellerförmigen Fuß (23) versehen, der in einer entsprechenden Ausnehmung des Tellers (7) drehbar, in Längsrichtung jedoch im wesentlichen unverschieblich gelagert ist. Diese Ausgestaltung nimmt auf die Drehbewegungen der Ventilnadel (2) während des Betriebes Rücksicht, d. h. die Nadel (2) kann sich ungehindert verdrehen, wogegen der plattenförmig ausgebildete Blendenteil (12) in dem Schlitz (17) bzw. in einem entsprechendem Schlitz (24) des unteren Abschlusses des Einsatzes (9) geführt ist und somit immer seine richtige Lage beibehält. Fig. 5 -3-

Claims

Nr. 390 651 zeigt diese Ausführung zur besseren Veranschaulichung in schaübildlicher Darstellung. Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführung ist der Blendenteil (12) als zylindrischer Stift ausgebildet, der fest mit dem Federabstützteller (7) verbunden ist Wegen der zylindrischen Ausführung des Blendenteils ändern Drehungen der Ventilnadel (2) nichts an der optischen Geometrie. In Fig. 7 ist eine andere Ausbildung des Lichtschrankens (13) für den Blendenteü (12) dargestellt. Hier sind zwei Dreiecksprismen (25), (26) vorgesehen, die mittels einer Halterung (27) innerhalb des Einsatzes (9) so angeordnet sind, daß je einer der kurzen Schenkel mit je einer der beiden Glasfaserleitungen (14), (15) verbunden ist, wogegen die anderen kurzen Schenkel einander gegenüber liegen. Zwischen diesen Schenkeln ist der Blendenteil (12) innerhalb des Schlitzes (17) bewegbar. Eine andere Möglichkeit der Ausbildung des Lichtschrankens (13) ist in Fig. S angedeutet. Hiebei werden keine Prismen zur Strahlenumlenkung benötigt, vielmehr sind die beiden Glasfaserleitungen (14), (15) innerhalb einer Halterung (28) so umgebogen und z. B. eingegossen, daß ihre Enden in den beiden einander gegenüberliegenden Flächen des Schlitzes (17) liegen. Gegebenenfalls können an den Enden der Glasfaserleitungen (14), (15) planparallel zueinander angeordnete Endstücke aus Glas od. dgl. sitzen (nicht gezeigt). Bei geöffneter Ventilnadel (2) ist der zwischen den Enden der Glasfaserleitungen (14), (15) verlaufende Lichtstrahl unterbrochen. Allen gezeigten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß dem mit der Ventilnadel (2) verbundenen Blendenteil (12) ein Lichtschranken (13) zugeordnet ist, dessen optische Enden über Glasfaserleitungen (14), (15) aus der Düseneinheit (1) geführt sind. Bei geschlossener Nadel (2) gelangt ein Teil des Lichtes der Lichtquelle (21) über die Lichtleitung (14), die Lichtschrankenstrecke (Schlitz (17)) und die Lichtleitung (15) zu dem Photodetektor (22), der dementsprechend ein gewisses Ausgangssignal äbgibt. Bei geöffneter Ventilnadel (2) ist die Lichtstrecke zumindest weitgehend unterbrochen und das Ausgangssignal des Photodetektors (22) ist dementsprechend geringer. Eine einfache Auswerteschaltung, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, liefert eindeutige binäre Signale, die für den Zustand der Nadel (2) (offen - geschlossen) repräsentativ sind. Diese Signale können zur Regelung des Motors herangezogen werden, z. B. zur Verstellung des Einspritzzeitpunktes. Da verschiedenen Öffnungszeiten des Einspritzventils in eindeutiger Weise bestimmte Kraftstoffverbrauchswerte zugeordnet sind, kann ein Rechner, der die entsprechende Abhängigkeit in einem Speicher enthält, aus den Ausgangssignalen den jeweiligen Verbrauch bestimmen, der z. B. an einer Anzeigeeinrichtung abgelesen werden kann. PATENTANSPRÜCHE | i 1. Einspritzventil mit Nadelhubsensor, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bei dem innerhalb einer Düseneinheit eine Ventilnadel vorgesehen ist, die mittels einer Feder gegen den Druck der einzuspritzenden Flüssigkeit in Richtung ihrer Schließstellung auf einem Ventilsitz belastet ist, mit einem innerhalb der Düseneinheit vorgesehenen, auf die Lage der Ventilnadel ansprechenden Sensorelement, dem ein Blendenteil zugeordnet ist, der an dem von dem Ventilsitz abgewandten Ende der Ventilnadel bzw. an einem an deren Ende befestigten Federabstützteller od. dgl. angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der als optische Blende ausgebildete Blendenteil (12) bei offener Ventilnadel (2) im Strahlengang eines Lichtschrankens (13) angeordnet ist, von dessen beiden optischen Enden in an sich bekannter Weise als Lichtleitungen Glasfaserleitungen (14,15) aus der Düseneinheit (1) geführt sind.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtschranken (13) zwei Dreiecksprismen (25,26) aufweist, wobei je einer der kurzen Schenkel mit je einer der Glasfaserleitungen (14, 15) verbunden ist und die anderen kurzen Schenkel einander parallel und in Abstand gegenüberliegen, und der Blendenteil (12) zwischen den gegenüberliegenden Schenkeln geführt ist (Fig. 7).
3. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtschranken als Dachkantprisma (16) ausgebildet ist, das in seinem Firstbereich einen parallel zum First ausgebildeten Schlitz (17) aufweist, in dem der Blendenteil (12) bewegbar ist, wobei die Glasfaserleitungen (14,15) an der Basisfläche (18) des Prismas (16) je im Bereich einer Dachfläche (19,20) angeschlossen sind (Fig. 2 bis 6).
4. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der plattenförmig ausgebildete Blendenteil (12) in dem Federabstützteller (7) der Ventilnadel (2) bezüglich deren Längsachse drehbar gelagert ist (Fig. 3,5). -4- 5 Nr. 390 651
5. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Blendenteil (12) als zylindrischer Stift ausgebildet ist (Fig.
6). Hiezu 2 Blatt Zeichnungen ! -5-