DE102005036826B4

DE102005036826B4 - Kraftstoffinjektor zur Ermittlung des Brennraumdrucks in einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005036826B4
Application number: DE200510036826
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Matthias Dr. Gerlich; Erhard Dr. Magori; Hans Prof. Meixner; Randolf Mock; Christian Tump
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2025-08-05
Also published as: DE102005036826A1

Abstract

Kraftstoffinjektor mit einem Injektorgehäuse (1), in dem eine axiale Bohrung (9) zur Aufnahme einer piezoelektrischen Aktoreinheit (3) und einer Düsennadel (5) ausgebildet ist, wobei sich die Düsennadel (5) bei Aktivierung der piezoelektrischen Aktoreinheit (3) von ihrem am unteren Ende des Injektorgehäuses (5) angeordneten Düsensitz (6) abhebt und dabei der in der axialen Bohrung (9) unter Druck stehende Kraftstoff austritt, wobei die piezoelektrische Aktoreinheit (3) in der Bohrung (9) derart angeordnet ist, dass sie mit der Düsennadel (5) in direktem mechanischen Kraftfluss steht, wobei das untere Ende des Injektorgehäuses (1) als Düsenkörper (8) ausgebildet und in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einführbar ist und der Kraftstoffinjektor (10) als Drucksensor derart ausgebildet ist, dass der Düsenkörper (8) und/oder die Düsennadel (5) dem im Brennraum (15) auftretenden Druck (P) ausgesetzt sind und dabei eine durch Stauchung auftretende Verkürzung auf die piezoelektrische Aktoreinheit (3) übertragbar ist, wobei die piezoelektrische Aktoreinheit (3) elektrisch mit einer Auswertevorrichtung...

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit einem Injektorgehäuse, in dem eine axiale Bohrung zur Aufnahme einer piezoelektrischen Aktoreinheit und einer Düsennadel angeordnet sind, nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bereits bekannt, dass bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Benzinmotoren, die mit einem Einspritzsystem ausgebildet sind, der Verbrennungsprozess im Brennraum durch ein elektronisches Steuergerät (ECU) kontrolliert wird. Dabei wird zur Bestimmung eines optimalen Zündzeitpunktes das Klopfsignal eines Klopfsensors verwendet, der an einer geeigneten Stelle am Zylinderkopf des Benzinmotors angebracht ist. Der Klopfsensor erfasst dabei die Schallwellen, die während der Verbrennung des Gemisches bei einsetzendem Klopfen über den Zylinderkopf übertragen werden und leitet dieses Signal an eine Auswerteeinheit des Steuergerätes weiter.
Es ist des Weiteren bekannt, dass eine noch effizientere Regelung des Zündzeitpunktes im Hinblick auf einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch und eine Reduktion der Abgas- und Geräuschemissionen auf der Basis thermodynamischer Konzepte erfolgen kann. Dazu ist allerdings der Einsatz eines Drucksensors erforderlich, der den aktuellen Druck im Brennraum des Benzinmotors, insbesondere während der Verbrennung erfasst. Geeignete Drucksensoren sind zwar bekannt. Es ist jedoch aus konstruktiven Gründen sehr schwierig, für einen zusätzlichen Drucksensor eine Bohrung an dem Zylinderkopf anzubringen, in die der Drucksensor eingeführt werden kann. Insbesondere bei einem modernen Benzinmotor mit einer Vierventiltechnik pro Zylinder ist die Möglichkeit, eine weitere Bohrung für den Drucksensor oder eine andere Einrichtung durch den Zylinder zum Brennraum zu bohren, erheblich eingeschränkt, da in der Automobiltechnik der Trend zu kompakten Motoren in Leichtbautechnik anhält.

Aus der DE 100 24 662 A1 ist des Weiteren ein Einspritzventil mit einer Steuerschaltung und ein Verfahren bekannt, um das Öffnen und Schließen des Einspritzventils zu steuern. Das Einspritzventil ist mit einem piezoelektrischen Aktor ausgebildet. Der piezoelektrische Aktor steuert mittels eines Schließgliedes das Öffnen und Schließen eines Steuerraumes, der mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff gefüllt ist. In Abhängigkeit vom vorherrschenden Druck im Steuerraum wird dann eine Düsennadel, mit der Spritzlöcher geöffnet oder geschlossen werden können, entweder von ihrem Ventilsitz abgehoben oder gegen den Ventilsitz gepresst. Im nicht angesteuerten Zustand des piezoelektrischen Aktors wird die Düsennadel mittels einer Düsenfeder gegen ihren in der Düsenspitze befindlichen Ventilsitz gepresst und verschließt dadurch die Spritzlöcher, um einen Kraftstoffaustritt zu verhindern. Dieser Vorgang wird durch den im Steuerraum vorherrschenden Kraftstoffdruck beeinflusst.

Bei Ansteuerung des Aktors wird der Steuerraum geöffnet, so dass der Kraftstoff abfließen kann. Dadurch überwiegt eine Öffnungskraft, die am Schaft des Einspritzventils in Öffnungsrichtung wirkt, so dass die Düsennadel von ihrem Ventilsitz nach innen abgehoben wird. Der Kraftstoffdruck im Steuerraum wird mit Hilfe des piezoelektrischen Aktors erfasst, da der Druck im Steuerraum auf das untere Ende des piezoelektrischen Aktors übertragen wird und dieser ein auf dem bekannten Piezoeffekt beruhendes druckabhängiges Signal erzeugt. Dieses Drucksignal wird von einer entsprechenden Auswerteschaltung ausgewertet. Als nachteilig bei diesem Kraftstoffinjektor wird angesehen, dass lediglich der Kraftstoffdruck im Steuerraum des Kraftstoffinjektors erfasst werden kann, nicht aber der Druck im Brennraum der Brennkraftmaschine.

Aus DE 101 27 932 A1 ist ein Ventil zum Steuern von Fluiden sowie ein Verfahren zur Bestimmung von Drücken bekannt. Das Ventil kann insbesondere als Kraftstoffeinspritzventil ausge bildet sein, das ein in einem Gehäuse angeordnetes Ventilglied aufweist, um eine Verbindung zu einem nachgeordneten Raum freizugeben oder zu verschließen. Ein Betätigungselement ist zur Betätigung des Ventilgliedes vorgesehen. Das Ventilglied ist mittels eines Vorspannelementes in eine Vorspannrichtung vorgespannt. Weiterhin steht das Ventilglied mit einem Sensorelement in Verbindung, um Druckinformationen aus dem dem Ventilglied nachgeordneten Raum aufzunehmen. Das Sensorelement kann dabei gleichzeitig als Betätigungselement ausgebildet sein. Als Sensor und Betätigungselement wird ein Piezoaktor verwendet. Auf diese Weise kann ein Druckverlauf im Brennraum durch Auswertung eines Strom- oder Spannungsverlaufs, der am piezoelektrischen Aktor abgreifbar ist, ermittelt werden.

Aus EP 1 553 286 A1 ist ein Dosierventil mit einer Längenkompensationseinheit bekannt. Die Längenkompensationseinheit weist ein friktionsbasiertes Kompensationselement auf, das ein hochviskoses Fluid oder ein Fluid mit dilatanten Eigenschaften enthält.

Aus DE 40 01 103 A1 ist ein Krafstoffeinspritzventil mit einer Düsennadel bekannt, wobei die Düsennadel eine bis kurz vor den Ventilsitz reichende zentral verlaufende Sackbohrung aufweist. Damit wird ein Wärmeübertritt optimiert.

Aus DE 198 27 287 A1 ist eine Brennstoffeinspritzventil-Drucksensor- Kombination bekannt, die zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine und zum Messen des Drucks im Brennraum eingesetzt wird. Dabei weist die Kombination ein piezoelektrisches Element auf. Das piezoelektrische Element ist kraftschlüssig mit einem Ventilschließkörper verbunden, der mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Ferner ist eine elektronische Ansteuer- und Auswerteschaltung vorgesehen, die während einer Brennstoffeinspritz-Phase das piezoelektrische Element so ansteuert, dass der von diesem betätigte Ventilschließkörper von der Ventilsitzfläche abhebt und den Dicht sitz öffnet. Während einer Druckmessphase erfasst die Ansteuer- und Auswerteschaltung einen von dem Ventilschließkörper auf das piezoelektrische oder magnetostriktive Element übertragenen und von diesem in ein elektrisches Signal gewandelten Druck, der im Brennraum herrscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Steuerung einer Brennkraftmaschine mit verhältnismäßig einfachen Mitteln weiter zu verbessern und zu optimieren. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs ergibt sich der Vorteil, dass die piezoelektrische Aktoreinheit zusammen mit der Düsennadel in einer Bohrung des Kraftstoffinjektors derart angeordnet ist, dass der Aktor mit der Düsennadel in direktem mechanischen Kraftfluss steht. Ein zusätzlicher Steuerraum, der mit unter Druck stehendem Kraftstoff gefüllt ist, oder ein Servoventil sind nicht erforderlich. Die piezoelektrische Aktoreinheit kann somit bei Ansteuerung die Düsennadel direkt betätigen. Durch diese Anordnung ergibt sich der weitere Vorteil, dass der im Brennraum entstehende Druck (Druckkraft) direkt auf den als Cartridge ausgebildeten Düsenkörper einwirkt. Die Druckkraft bewirkt wegen der begrenzten Steifigkeit des Düsenkörpers und/oder auch der in ihr geführten Düsenadel eine Stauchung des Materials, die auf das untere Ende der piezoelektrischen Aktoreinheit übertragen wird. Dadurch wird auch die piezoelektrischen Aktoreinheit verkürzt und dabei wegen des per se bekannten inversen Piezoeffektes eine druckabhängige Spannung erzeugt, die an den Ausgangsklemmen der Aktoreinheit abgreifbar ist. Die Spannung verhält sich somit proportional zum Druck im Brennraum der Brennkraftmaschine. Dadurch kann der Kraftstoffinjektor nicht nur zur Einspritzung von Benzin oder Dieselöl verwendet werden, sondern auch zur Erfassung des Gasdrucks im Brennraum der Brennkraftmaschine, ohne dass ein zusätzlicher Drucksensor montiert werden muss.

Zur Auswertung des Spannungssignals wird eine Auswertevorrichtung verwendet, mit der das ermittelte Drucksignal von dem Ansteuersignal für den Aktor separiert und herausgefiltert werden kann. Erfindungsgemäß wird ein Steuergerät, das mit dem piezoelektrischen Aktor verbunden ist, während der Bestimmung des Drucksignals durch die Auswertevorrichtung von der piezoelektrischen Aktoreinheit getrennt oder hochohmig geschaltet. Dadurch wird eine Verfälschung des Drucksignals vermieden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruche 1 angegebenen Kraftstoffinjektors gegeben.

Eine sehr einfache Möglichkeit zur Ermittlung des Drucksignals wird darin gesehen, dass der Druck im Brennraum in einer Phase des Verbrennungszyklus gemessen wird, wenn der piezoelektrische Aktor nicht angesteuert wird. Damit ist es möglich, das Drucksignal unabhängig von der Steuerspannung für den Aktor zu ermitteln. Auf eine aufwändige Filterung kann in vorteilhafter Weise verzichtet werden.

Eine Trennung von der Ansteuerspannung kann beispielsweise auch dadurch erzielt werden, wenn eine Ansteuer-Endstufe des Steuergerätes zur Bestimmung des Drucks im Brennraum während der Messphase von der Aktoreinheit getrennt oder zumindest hochohmig geschaltet ist. Dazu ist lediglich erforderlich, die Ansteuer-Endstufe so zu modifizieren, dass sie quasi in einen „abgeklemmten Zustand" geschaltet werden kann, weil erst dieser Zustand eine empfindliche Ladungsmessung am Aktor ermöglicht.

Um die Steuerung der Düsennadel zu vereinfachen, ist vorgesehen, die Düsennadel als ein nach außen öffnendes Ventil auszubilden. Die Düsennadel ist daher an ihrem unteren Ende mit einem Teller ausgebildet, dessen korrespondierender Sitz in die untere Spitze der Cartridge eingeschliffen ist.

Zur Verbesserung der Biegesteifigkeit und zur Vermeidung eines hohen Vibrationspegels quer zu Injektorachse ist vorgesehen, die Düsennadel wenigstens teilweise als Hohlzylinder auszubilden. Die Biegeschwingungen mit ihren Biegeresonanzen würden beim Aktor zu einer Störspannung führen, die dem Drucksignal in unerwünschter Weise überlagert sind und somit das Drucksignal verfälschen können.

Eine gute Steifigkeit für die Düsennadel wird bei einer möglichst großen Bohrung erreicht, so dass sich an der Düsennadel eine dünnwandige Mantelfläche ausbildet.

Am unteren Ende der Düsennadel wird ein entsprechend ausgebildeter Teller vorzugsweise durch Schweißung angebracht.

Dieser Teller kann anschließend mit der Düsennadel aufgebohrt werden.

Um die durch den Druck im Brennraum entstandene Verkürzung der Düsenadel und der Cartridge möglichst uneingeschränkt auf den Aktor übertragen zu können, ist zwischen einem Kopfende der piezoelektrischen Aktoreinheit und einer Kopfplatte des Injektorgehäuses ein Hydro-Kompensator spielfrei angeordnet. Durch den Hydro-Kompensator können insbesondere temperaturbedingte Längenänderungen im Injektor sehr einfach kompensiert werden.

Zur Schwingungsdämpfung in Querrichtung können weitere Dämpfungsmaßnahmen ergriffen werden. Vorzugsweise kann ein dämpfendes Fluid mit anisotropen Eigenschaften oder eine geeignete Abstützung zur Beeinflussung des Modenspektrums zu höheren Frequenzen hin vorgesehen werden.

Durch Ermittlung des aktuellen Drucks im Brennraum kann das Drucksignal beispielsweise bei einem Benzin- oder Dieselmotor insbesondere im Hinblick auf einen reduzierten Verbrauch und/oder günstigere Abgas- und Geräuschemissionen optimal genutzt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor.
Der in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor 10 weist im Wesentlichen ein Injektorgehäuse 1 auf, das mit einer axialen Bohrung 9, 9a ausgebildet ist. Die Bohrung 9, 9a ist vorzugsweise abgestuft und bis in den unteren Teil des Injektorgehäuses 1 geführt. Am oberen Ende des Kraftstoffinjektors 10 ist eine Kopfplatte 1a angeordnet, die das Injektorgehäuse 1 nach oben hin abschließt. Die Kopfplat te 1a weist eine Kabeldurchführung mit Leitungen a, b für die elektrische Versorgung einer piezoelektrischen Aktoreinheit (3) sowie einen Kraftstoffzulauf 20 und einen Kraftstoffrücklauf 21 auf.
Ein unterer Teil des Injektorgehäuses 1 ist mit einem verringerten Außendurchmesser ausgebildet. Dieser Teil, ein Düsenkörper (Cartridge) 8, umfasst das eigentliche Einspritzventil und wird später bei der Brennkraftmaschine bis zu einem ausgeformten Anschlag am Injektorgehäuses 1 in eine entsprechende Bohrung des Zylinderkopfes 16 bis in einen Brennraum 15 eingeführt. Die Befestigung des Kraftstoffinjektors 10 am Zylinderkopf erfolgt mit einer entsprechenden Spannpratze (in der Figur nicht dargestellt).
In die axiale Bohrung 9 wird von oben her zunächst eine Düsennadel 5 eingeführt, die im wesentlichen im unteren Teil in der engeren Bohrung 9a aufgenommen und geführt wird. Die untere Spitze der Düsennadel 5 ist durch eine weitere Bohrung in dem Düsenkörper 8 bis nach außen geführt und von außen her mit einem Ventilteller 7 abgeschlossen. Der Ventilteller 7 wird zum Beispiel durch Schweißung mit dem Schaft der Düsennadel 5 verbunden. Der Ventilteller 7 ist vorzugsweise kegelförmig ausgebildet. Des Weiteren ist ein Ventilsitz 6 in die untere Spitze des Düsenkörpers 8 eingeschliffen, die auf den Ventilteller 7 angepasst ist, so dass die Austrittsöffnung für den Kraftstoff verschlossen werden kann. Dadurch ergibt sich ein nach außen öffnendes Einspritzventil. Die Düsennadel 5 wird durch eine in der Figur nicht dargestellte Rückstellfeder nach oben gedrückt, so dass das Einspritzventil im nicht angesteuerten Zustand kraftstoffdicht geschlossen ist.
Innerhalb des Injektorgehäuses 10 ist eine Hochdruckleitung angeordnet, die den unter Druck stehenden Kraftstoff von dem Kraftstoffzulauf 20 bis zur unteren Düsenspitze leitet, so dass der Kraftstoff beim Abheben des Ventiltellers 7 vom Ventilsitz 6 austreten kann. Der Kraftstoff kann alternativ ent lang der Wandung der Bohrungen 9, 9a zur Düsenspitze geführt werden.
Oberhalb der Düsennadel 5 ist eine piezoelektrische Aktoreinheit 3 angeordnet. Die piezoelektrische Aktoreinheit 3 ist als Vielschichtaktor mit mehreren Hundert Piezo-Keramikscheiben aufgebaut und mit einer Rohrfeder 4 ummantelt. Die Rohrfeder 4 ist so vorgespannt, dass sie bei Abschaltung der Steuerspannung für den Aktor die Rückkehr in seine Ausgangsposition unterstützt. Die piezoelektrische Aktoreinheit 3 steht spielfrei in direktem mechanischen Kraftfluss mit der Düsennadel 5 und ist nach unten hin in axialer Richtung beweglich ausgebildet. Im Normalbetrieb des Kraftstoffinjektors 10 dient die Aktoreinheit 3 als Antriebseinheit für die Düsennadel 5. Ein Steuerraum oder ein Servoventil zur Betätigung der Düsennadel ist nicht erforderlich.
Zwischen einem Kopfteil der Aktoreinheit 3 und der Kopfplatte 1a ist ein Hydro-Kompensator 2 angeordnet. Der Hydro-Kompensator 2 ist vorzugsweise mit der Kopfplatte 1a fest verbunden und drückt mit seinem unteren Ende gegen die Kopfplatte der Aktoreinheit 3. Der Hydro-Kompensator 2 hat die Aufgabe, ein mechanisches Spiel, das im Antriebsstrang beispielsweise durch Temperatureinfluss, mechanische Spannungen oder Verschleiß auftreten kann, auf hydraulischem Wege auszugleichen. Dadurch ist das System wartungsfrei und muss nicht nachgestellt werden. Der Hydro-Kompensator 2 ist per se bekannt und kann als offenes oder geschlossenes System ausgebildet sein.
Zur Ansteuerung der Aktoreinheit 3 wird an die elektrischen Leitungen a, b ein Steuergerät 13 angeschlossen, das mit einer Ansteuer-Endstufe 12 und einer Auswerteeinrichtung 14 für die Bestimmung des Brennraumdrucks P ausgebildet ist.
Erfindungswesentlich ist, dass der oben beschriebene Kraftstoffinjektor 10 nicht nur als Antriebselement zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum 15 verwendet werden kann, sondern zusätzlich auch als Drucksensor, mit dem ein aktueller Druck P, insbesondere der Druck des Brenngases im Brennraum 15 erfasst und gemessen werden kann. Dazu wird – physikalisch gesehen – der inverse Piezoeffekt genutzt. Bei einem Druck P im Brennraum 15, der als Kraft auf das untere bewegliche Ende der Aktoreinheit 3 übertragen wird, erzeugt die Aktoreinheit 3 eine elektrische Ladung, die als druckabhängige Spannung an den elektrischen Leitungen a, b abgreifbar und auswertbar ist. Dieser Effekt tritt immer gleichzeitig auf mit dem normalen Piezo-Effekt, bei dem sich die Aktoreinheit 3 beim Anlegen einer Spannung auslängt und dabei das Einspritzventil öffnet.
Auf Grund des inversen Piezo-Effektes lässt sich die Spannung an den Leitungen a, b für diverse sensorische Funktionen nutzen. Insbesondere kann somit beispielsweise bei einem Ottomotor eine Druckkraft im Brennraum 15 direkt gemessen werden, da der Düsenkörper 8 in den Brennraum 15 hineinragt und somit dem vorherrschenden Druck ausgesetzt ist. Die im Brennraum 15 sowohl auf den Düsenkörper 8 als auch auf den Ventilteller 7 wirkende Kraft (Druck P) führt zu einer Stauchung des Düsenkörpers 8 und der Düsennadel 5 insbesondere in axialer Richtung.
Die Stauchungslänge und damit auch die Verkürzung der Aktoreinheit 3 kann wie folgt abgeschätzt werden. Es wird angenommen, dass der maximale Druck P im Brennraum 15 eines Benzinmotors, wenn der Einspritzvorgang abgeschlossen und die Düsennadel 5 mit ihrem Ventilteller 7 auf dem Ventilsitz 6 aufliegt, ca. 50 bar beträgt. Bei einem von dem Ventilteller 7 und dem Rand des Düsenkörpers 8 gebildete Durchmesser mit ca. 8 mm ergibt sich eine Querschnittsfläche von ca. 50 mm², auf die der Druck P im Brennraum 15 einwirkt, da der Düsenkörper 8 in den Brennraum 15 hinragt. Insgesamt ergibt sich somit eine Kraft auf den Düsenkörper 8 und die Düsennadel 5 von ca. 250 N. Die Düsennadel 5 und der Düsenkörper 8 haben eine Gesamtsteifigkeit von ca. 180 N/μm, so dass eine Stauchung des Düsenkörpers 8 und der Düsennadel 5 von ca. 1,4 μm auftritt, wenn man die Stauchung des sehr steifen Injektorgehäuses 1 vernachlässigt.
Die Federsteifigkeit der Aktoreinheit 3 ist nur etwa halb so groß wie die der Düsennadel 5, so dass die Aktoreinheit 3 bei dem angenommenen Druck von 50 bar nur um etwa 0,9 μm gestaucht wird.
Andererseits errechnet sich bei einer Aktoreinheit 3, die bei einer Steuerspannung von 160 V eine Auslenkung von etwa 70 μm aufweist, bei einer Stauchung um 0,9 μm eine Klemmenspannung von etwa 2 V bei offenen Klemmen. Das bedeutet, dass die Empfindlichkeit des zuvor beschriebenen Kraftstoffinjektors 10 auf den Brennraumdruck einen Wert von 40 mV/bar erreicht. Als besonders vorteilhaft wird dabei angesehen, dass bei einer Kapazität der Aktoreinheit 3 von ca. C = 2 μF das so gewonnene Drucksignal ausgesprochen robust gegenüber elektrische Störungen wie etwa Funken der Zündkerze ist, die im Bereich des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine auftreten.
Besonders vorteilhaft insbesondere im Hinblick auf die Auswertung des Messsignals ist des Weiteren, dass das Drucksignal in einer Phase des Verbrennungszyklus auftritt, in der der Kraftstoffinjektor 10 nicht mehr angesteuert wird. Damit ist es möglich, das Sensor-Signal bei einer hochohmig geschalteten Ansteuer-Endstufe zu messen, so dass auf eine aufwändige Signal-Analyse verzichtet werden kann. Das Sensor-Signal muss also nicht aus dem überlagerten Ansteuersignal und dem ladungsinduzierten Drucksignal extrahiert werden. Es genügt, dass die Endstufe so modifiziert wird, dass sie während der Messung in einen quasi abgeklemmten Zustand geschaltet oder getrennt werden kann, damit nicht die empfindliche Ladungsmessung an der Aktoreinheit 3 gestört wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 10 können auf Grund des hohen Vibrationspegels und der relativ geringen Biegesteifigkeit quer zur Injektorachse Biegeschwingungen mit einer Resonanzfrequenz um die 350 Hz entstehen, die als uner wünschte Störkraft einen entsprechenden Eintrag auf die Aktoreinheit 3 ausübt. Diese Störkraft bewirkt an den Leitungen a, b eine entsprechende Störspannung, die eine Erkennung und Auswertung des Drucksignals (Sensorsignals) erschweren kann. Dieses Problem kann durch folgende Lösungen umgangen werden.
Um die Dämpfung von Biegeschwingungen im Antriebsstrang zu verbessern, kann die Spannpratze, mit der der Kraftstoffinjektor 10 am Zylinderkopf 16 befestigt wird, so modifiziert werden, dass die Anregungen quer zur Injektorachse nur schwach an den Kraftstoffinjektor 10 angekoppelt werden.
Als weitere Maßnahme zur Erhöhung der Steifigkeit des Düsennadel 5 ist vorgesehen, die Düsennadel 5 als Hohlnadel mit einem möglichst großen Außendurchmesser und dünnwandig auszubilden. Alternativ kann die Düsennadel 5 nach der Schweißung des Ventiltellers 7 hohlgebohrt werden.
Des Weiteren ist vorgesehen, die Schwingungen quer zur Injektorachse mittels eines dämpfenden Fluids mit anisotropen Eigenschaften zu dämpfen.
Eine weitere Möglichkeit zur Dämpfung besteht darin, das Modenspektrum durch Abstützung der Düsennadel 5 zu höheren Frequenzen hin zu beeinflussen.
Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor 10 ist ebenfalls für einen Dieselmotor geeignet, wenn ein solcher Motor mit einem direkt angetriebenen Kraftstoffinjektor ausgerüstet werden kann.

Claims

Kraftstoffinjektor mit einem Injektorgehäuse (1), in dem eine axiale Bohrung (9) zur Aufnahme einer piezoelektrischen Aktoreinheit (3) und einer Düsennadel (5) ausgebildet ist, wobei sich die Düsennadel (5) bei Aktivierung der piezoelektrischen Aktoreinheit (3) von ihrem am unteren Ende des Injektorgehäuses (5) angeordneten Düsensitz (6) abhebt und dabei der in der axialen Bohrung (9) unter Druck stehende Kraftstoff austritt, wobei die piezoelektrische Aktoreinheit (3) in der Bohrung (9) derart angeordnet ist, dass sie mit der Düsennadel (5) in direktem mechanischen Kraftfluss steht, wobei das untere Ende des Injektorgehäuses (1) als Düsenkörper (8) ausgebildet und in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einführbar ist und der Kraftstoffinjektor (10) als Drucksensor derart ausgebildet ist, dass der Düsenkörper (8) und/oder die Düsennadel (5) dem im Brennraum (15) auftretenden Druck (P) ausgesetzt sind und dabei eine durch Stauchung auftretende Verkürzung auf die piezoelektrische Aktoreinheit (3) übertragbar ist, wobei die piezoelektrische Aktoreinheit (3) elektrisch mit einer Auswertevorrichtung (12) verbunden ist, und wobei die Auswertevorrichtung (12) ausgebildet ist, den Druck (P) im Brennraum (15) aus dem Spannungssignal der piezoelektrischen Aktoreinheit (3) zu bestimmen, wobei ein Steuergerät vorgesehen ist, das mit der piezoelektrischen Aktoreinheit (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (13) während der Bestimmung des Drucks (P) im Brennraum (15) von der piezoelektrischen Aktoreinheit (3) elektrisch getrennt oder hochohmig geschaltet ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (P) in einer Phase des Verbrennungszyklus bestimmbar ist, in der die piezoelektrische Aktoreinheit (3) nicht angesteuert ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (13) eine Ansteuer-End-Stufe (12) aufweist und dass die Ansteuer-Endstufe (12) während der Bestimmung des Drucks (P) im Brennraum (15) von der piezoelektrische Aktoreinheit (3) elektrisch getrennt oder hochohmig geschaltet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (5) als ein nach außen öffnendes Ventil mit einem Teller (7) ausgebildet ist, der an einem korrespondierenden Sitz des Düsenkörpers (8) angepasst ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (5) wenigstens teilweise als Hohlzylinder ausgebildet ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (5) mit einer möglichst großen Bohrung und/oder dünnwandig ausgebildet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (7) durch Schweißung auf ein unteres Ende der Düsennadel (5) befestigt und vorzugsweise durchbohrt ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Kopfende der piezoelektrischen Aktoreinheit (3) und einer Kopfplatte (1a) des Injektorgehäuses (1) ein Hydro-Kompensator (2) spielfrei angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schwingungsdämpfung an der Aktoreinheit (3) und/oder der Düsenadel (5) quer zur Injektorachse Dämpfungsmaßnahmen, vorzugsweise ein dämpfendes Fluid mit anisotropen Dämpfungseigenschaften oder eine Abstützung zur Beeinflussung des Modenspektrums zu höheren Frequenzen hin vorgesehen ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Druck (P) zur Steuerung von Motorparametern, insbesondere zur Reduzierung des Verbrauchs und/oder der Abgas- und Geräuschemissionen verwendbar ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffinjektor (10) zur Einspritzung von Benzin oder Dieselöl in eine Brennkraftmaschine ausgebildet ist.