DE102008001602A1 - Verfahren zum Ansteuern eines Steuerventils eines Kraftstoff-Injektors sowie Kraftstoff-Einspritzsystem - Google Patents

Verfahren zum Ansteuern eines Steuerventils eines Kraftstoff-Injektors sowie Kraftstoff-Einspritzsystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Steuerventils (2) eines Kraftstoff-Injektors, insbesondere eines Common-Rail-Injektors, mit einem mittels eines Aktuators (10) zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung verstellbaren Steuerventilelement (1). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Aktuator (10) derart bestromt wird, dass das Steuerventilelement (1) in einer quasi-stationären Zwischenstellung stabilisiert wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftstoff-Einspritzsystem.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Steuerventils eines Kraftstoff-Injektors, insbesondere eines Common-Rail-Injektors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Kraftstoff-Einspritzsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
  • Die Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten hat bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren die höchste Priorität. Gerade Common-Rail-Einspritzsysteme haben einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung der Schadstoffe geleistet. Für die Einhaltung zukünftiger Abgaswerte ist insbesondere bei Diesel-Motoren eine weitere signifikante Erhöhung des Einspritzdruckes notwendig. Da Kraftstoff bei niedrigen Drehzahlen und niedriger Last nicht mit dem vollen zur Verfügung stehenden Rail-Druck von 600 bar oder höher in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann, muss ein Druckabbau des Kraftstoffdrucks im Kraftstoff-Injektor erfolgen. Zur Realisierung eines schnellen Druckabbaus gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten. Entweder wird ein kostenintensives Druckregelventil eingesetzt, oder es werden sogenannte „Blank Shots” realisiert. Letzteres bedeutet, dass das Steuerventil des Kraftstoff-Injektors kurz voll angesteuert wird, so dass eine kurzfristige Öffnung des Steuerventils resultiert, wobei die Öffnungszeit so kurz bemessen ist, dass eine Einspritzung gerade noch nicht zustande kommt, während der Systemdruck im Kraftstoff-Injektor über die Absteuermenge reduziert wird. Insbesondere bei neueren Kraftstoff-Injektoren, bei denen dem Einspritzventilelement keine Niederdruckstufe zugeordnet ist, also der Kraftstoff-Injektor nahezu leckagefrei ist, werden zur Realisierung eines ausreichenden Druckabbaus eine Vielzahl von nacheinander durchzuführenden „Blank Shots” benötigt, was zu einer nicht unerheblichen Materialbeanspruchung führt. Insbesondere kommt es durch die Vielzahl notwendiger Ansteuervorgänge zu einem erhöhten Verschleiß. „Blank Shots” setzen generell voraus, dass die gesamte Hydraulik des Kraftstoff-Injektors so langsam abgestimmt ist, dass eine beträchtliche Absteuermenge die Steuerkammer verlässt, ohne dass das Einspritzventilelement öffnet. Eine solch langsame Abstimmung hat jedoch deutliche Nachteile bei der Mehrfacheinspritzung. Insbesondere lassen sich nah angelagerte Voreinspritzungen mit einem derartigen, langsam reagierenden Kraftstoff-Injektor nicht realisieren. Besonders problematisch ist die Realisierung von „Blank Shots” bei Kraftstoff-Injektoren mit in axialer Richtung druckausgeglichenen Steuerventilen, da derartige Kraftstoff-Injektoren besonders schnell abgestimmt sind.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Technische Aufgabe
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Ansteuern eines Steuerventils eines Kraftstoff-Injektors vorzuschlagen, mit dem ein ausreichender Druckabbau im Kraftstoff-Injektor auch bei schnell abgestimmten Kraftstoff-Injektoren realisiert werden kann, ohne dass die Notwendigkeit besteht, ein kostenintensives Druckregelventil vorzusehen. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein entsprechend optimiertes Kraftstoff-Einspritzsystem vorzuschlagen.
  • Technische Lösung
  • Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zum Ansteuern eines Kraftstoff-Injektors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Kraftstoff-Einspritzsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale auch als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Aktuator zur Betätigung des Steuerventils (Servoventil) des Kraftstoff-Injektors, insbesondere unter Einsatz einer geeigneten Steuereinrichtung, derart zu bestromen, dass die aus der Bestromung resultierende, in Öffnungsrichtung wirkende, Aktuatorkraft das, insbesondere axial, verstellbare Steuerventilelement des Steuerventils in einer quasi-stationären Zwischenstellung stabilisiert. Dabei befindet sich die Zwischenstellung (Zwischen-Hubstellung) in einem, insbesondere axial, zwischen der Schließstellung und einer maximalen Öffnungsstellung befindlichen, Hub-Bereich. Anders ausgedrückt ist erfindungsgemäß vorgesehen, durch eine geeignete Bestromung des Aktuators das Steuerventilelement über einen längeren Zeitraum in einer teilweise (nicht maximal) geöff neten Position zu halten, so dass über einen längeren Zeitraum eine (vergleichbar geringe) Kraftstoff-Steuermenge in den Niederdruckbereich abgesteuert werden kann. Im Gegensatz zu der bekannten „Blank-Shot”-Methode wird ein verhältnismäßig geringer Volumenstrom kontinuierlich abgesteuert – diese kontinuierliche Absteuerung führt zu einem schnellen Druckabfall im Kraftstoff-Injektor. Auf ein vielfaches, maximales Ansteuern, d. h. auf ein vielfaches, maximales Bestromen des Aktuators, wie dieses bei der „Blank-Shot”-Methode notwendig ist, kann mit Vorteil verzichtet werden. Hieraus resultiert der Vorteil, dass die Anzahl der Schaltvorgänge auf ein Minimum reduziert wird, was wiederum zu einer Minimierung von Verschleißerscheinungen führt. Vorteilhaft ist weiterhin, dass der Aktuator zur Stabilisierung des Steuerventilelementes in der quasi-stationären Zwischenstellung mit einem vergleichsweise geringen Stromniveau angesteuert werden kann, mit der Folge, dass der Energieverbrauch und die Erwärmung des Kraftstoff-Injektors gering sind. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich grundsätzlich auf sämtliche Arten von mit einem Steuerventil ausgestatteten Kraftstoff-Injektoren anwenden. Bevorzugt ist der Einsatz bei Kraftstoff-Injektoren mit einem elektromagnetischen oder piezoelektrischen Aktuator. Besonders vorteilhaft kann das Verfahren bei schnell abgestimmten Kraftstoff-Injektoren für nah angelagerte Einspritzintervalle eingesetzt werden. Von ganz besonderem Vorteil ist der Einsatz bzw. die Realisierung des Ansteuerverfahrens bei Kraftstoff-Injektoren ohne dem Einspritzventilelement zugeordneter Niederdruckstufe.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Aktuator, insbesondere mit Hilfe einer geeignet ausgebildeten Steuereinrichtung, derart bestromt wird, dass die Aktuatorkraft während der kontinuierlichen Absteuerung in der Zwischenstellung, zumindest näherungsweise, konstant bleibt. Nach Erreichen der Zwischenstellung und nach Kompensation der in Schließrichtung wirkenden Kräfte kann hierzu der Aktuatorstrom, zumindest näherungsweise, konstant bleiben.
  • Bevorzugt wird durch geeignete Bestromung des Aktuators eine Zwischenstellung des Steuerventilelementes eingestellt, in der bereits eine minimale Änderung des Hubs des Steuerventilelementes in eine öffnende oder schließende Richtung eine Änderung der auf das Steuerventilelement wirkenden hydraulischen Schließkraft und/oder hydraulischen Öffnungskraft zur Folge hat, so dass der Hub des Steuerventilelementes automatisch wieder auf den ursprünglichen Wert (Zwischenstellung) zurückgestellt wird. Die Abhängigkeit zwischen Hub und in Öffnungsrichtung wirkender Hydraulikkraft ist durch den Druckabfall hinter einer sich im Zulauf zum Steuerventil befindlichen Ablaufdrossel begründet. Öffnet das Steuerventil, wird der Hub des Steuerventilelementes also größer, fällt mehr Druck am Steuerventil ab, wodurch auch die in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft reduziert wird, mit der Folge, dass sich die resultierende, in Schließrichtung wirkende Kraft erhöht.
  • Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der eine Zwischenstellung des Steuerventilelementes eingestellt wird, in der eine, insbesondere starke, Drosselung des Kraftstoffs in dem zwischen dem Steuerventilelement und dem Steuerventilsitz gebildeten Spalt resultiert. Die insbesondere starke Drosselung führt zu einer geringen Absteuerrate, die notwendig ist, um zu verhindern, dass das Ein spritzventilelement unbeabsichtigt während der kontinuierlichen Absteuerung öffnet.
  • Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform des Verfahrens, bei der die Zwischenstellung so gewählt wird, dass maximal so viel Kraftstoff abgesteuert wird, dass der resultierende Druckabfall in einer von dem Einspritzventilelement, vorzugsweise stirnseitig begrenzten, Steuerkammer nicht ausreicht, um das Einspritzventilelement von seinem Einspritzventilelementsitz abzuheben, wodurch eine Einspritzung trotz kontinuierlicher Absteuerung unterbleibt.
  • Um, insbesondere bei in axialer Richtung druckausgeglichenen Steuerventilen, die in Öffnungsrichtung wirkende Hydraulikkraft zu minimieren, ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die in einem Ablaufkanal zwischen einer Steuerkammer und dem Steuerventil angeordnete Ablaufdrossel in der Zwischenstellung, insbesondere massiv, kavitiert. Hierdurch lässt sich erleichtert ein Kräftegleichgewicht zwischen der Aktuatorkraft und der in Schließrichtung wirkenden Kraft erzielen.
  • Um das Steuerventilelement über einen längeren Zeitraum zur Realisierung einer kontinuierlichen Absteuerung in der Zwischenstellung zu halten bzw. um die Zwischenstellung quasistationär zu machen, ist eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei der der Aktuator derart bestromt wird, dass die aus der Bestromung resultierende Aktuatorkraft eine, ggf. aus mehreren Kräften resultierende, in Schließrichtung auf das Steuerventilelement wirkende Schließkraft kompensiert.
  • Im Hinblick auf die konkrete Ausgestaltung des Steuerventils gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Gemäß einer ersten möglichen Alternative handelt es sich bei dem Steuerventil um ein nicht-druckausgeglichenes Ventil, beispielsweise mit einem kugelförmigen, mittels eines Ankers verstellbaren, Steuerventilelement. Zur Erzielung einer quasi-stationären Zwischenstellung des Steuerventilelementes ist es bei einer derartigen Steuerventilform bevorzugt, den Aktuator derart zu bestromen, dass die erzielte Aktuatorkraft die in Schließrichtung auf das Steuerventilelement wirkende Schließkraft kompensiert. Bei einem derartig ausgebildeten Steuerventil resultiert die auf das Steuerventilelement wirkende Schließkraft bevorzugt aus einer hydraulischen Öffnungskraft und einer Schließfederkraft, die von einer auf das Steuerventilelement wirkenden Steuerfeder verursacht wird.
  • Gemäß einer zweiten Alternative handelt es sich bei dem Steuerventil um ein in seiner Schließstellung in axialer Richtung druckausgeglichenes Steuerventil ohne eine in den Hochdruckbereich ragende, eine hydraulische Schließkraft verursachende Druckstufe. Bei einer derartigen Steuerventilvariante wird der Aktuator bevorzugt derart bestromt, dass die in Öffnungsrichtung wirkende Aktuatorkraft eine Schließkraft kompensiert, die im Wesentlichen von einer Schließfederkraft einer Steuerschließfeder erzeugt wird. Es ist auch möglich, das Steuerventilelement nur näherungsweise in axialer Richtung druckausgeglichen auszubilden, indem beispielsweise eine Niederdruckstufe realisiert wird, die zur Minimierung von Prellern beim Schließen des Steuerventilelementes eine in Schließrichtung auf das Steuerventilelement wirkende Kraft erzeugt. Bei einer derartigen Ausführungsform muss die Aktuatorkraft zusätzlich zu der Schließfederkraft diese hydraulische Schließkraft in der Zwischenstellung kompensieren.
  • Gemäß einer dritten Alternative handelt es sich bei dem Steuerventil um ein in axialer Richtung druckausgeglichenes Ventil mit einer in den Hochdruckbereich ragenden Druckstufe, die eine in Schließrichtung auf das Steuerventilelement wirkende hydraulische Schließkraft erzeugt. Dabei wird der Aktuator derart bestromt, dass die Aktuatorkraft in der Schließstellung eine Schließkraft kompensiert, die im Wesentlichen aus der erwähnten hydraulischen Schließkraft und einer Schließfederkraft zusammengesetzt ist.
  • Die Erfindung führt auch auf ein Kraftstoff-Einspritzsystem mit mindestens einem, ein Steuerventil (Servoventil) aufweisenden Kraftstoff-Injektor. Zur Ansteuerung des Aktuators des Steuerventils ist eine Steuereinrichtung vorgesehen. Die Steuereinrichtung ist bevorzugt derart ausgebildet, dass mit dieser das zuvor beschriebene Verfahren ausführbar ist. Die Steuereinrichtung muss den Aktuator also derart bestromen, dass das Steuerventilelement in einer quasi-stationären Zwischenstellung stabilisiert wird, um so bei Bedarf eine kontinierliche, d. h. länger, beispielsweise mehrere Sekunden oder Minuten, andauernde Absteuerung von Kraftstoff zu erzielen.
  • Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Einspritzsystems, bei der das einteilig oder mehrteilig ausgebildete Einspritzventilelement des Kraftstoff-Injektors niederdruckstufenfrei ausgebildet ist. Bei dem Steuerventilelement des Steuerventils kann es sich entweder um ein in seiner Schließstellung in axialer Richtung nichtdruckausgeglichenes, insbesondere als 2/2-Wege-Ventil aus gebildetes, Servoventil handeln. Alternativ ist das Steuerventilelement in axialer Richtung druckausgeglichen, was bevorzugt durch den Einsatz eines hülsenförmigen Steuerventilelementes erreicht wird. Ein in axialer Richtung in seiner Schließstellung druckausgeglichenes Ventil kann dabei eine Druckstufe aufweisen, die vorzugsweise derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie ausschließlich bei geöffnetem Steuerventilelement eine in Schließrichtung wirkende hydraulische Schließkraft verursacht.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
  • 1 ein Diagramm, das zum einen den Verlauf einer hydraulischen Öffnungskraft und zum anderen den Verlauf einer resultierenden Schließkraft bei einem in seiner Schließstellung in axialer Richtung nicht druckausgeglichenen Steuerventilelement zeigt,
  • 2a ein Diagramm, das den Verlauf einer hydraulischen Öffnungskraft bei einem in seiner Schließstellung in axialer Richtung druckausgeglichenen Steuerventil zeigt,
  • 2b–2e unterschiedliche, in 2a eingetragene Öffnungszustände (Hubzustände) eines in axialer Richtung druckausgeglichenen Steuerventilelementes,
  • 3 eine Ausführungsform eines in axialer Richtung druckausgeglichenen Steuerventils mit einer in den Hochdruckbereich hineinragenden Druckstufe, die ausschließlich bei geöffnetem Steuerventil in Schließrichtung eine hydraulische Kraft erzeugt und
  • 4 einen Hydraulikkraftverlauf bei einem Kraftstoff-Injektor mit einem Steuerventil gemäß 3.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • In 1 ist ein Diagramm gezeigt, das in einem oberen Abschnitt den Verlauf einer auf ein Steuerventilelement 1 wirkenden hydraulischen Öffnungskraft FHyd-Öff und darunter den Verlauf einer resultierenden Schließkraft FSchließ zeigt, wobei die hydraulische Schließkraft FHyd-Schließ im Wesentlichen aus der Differenz zwischen einer Schließfederkraft FFed und der hydraulischen Öffnungskraft FHyd-Öff resultiert.
  • In einem oberen Abschnitt des Diagramms sind mögliche Stellungen des kraftbeaufschlagten Steuerventilelementes 1 eines Steuerventils 2 für einen Kraftstoff-Injektor gezeigt. Bei dem in drei Stellungen gezeigten Steuerventil 2 handelt es sich um ein in axialer Richtung nicht druckausgeglichenes Steuerventil, wobei das Steuerventilelement 1 als Kugel ausgebildet ist, die mit Hilfe eines Ankers 3, der mit einem nicht gezeigten elektromagnetischen Aktuator zusammenwirkt, zwischen der in der Zeichnungsebene links gezeigten geschlossenen Stellung und der in der Zeichnungsebene rechts gezeigten Öffnungsstellung verstellt werden kann. Auf den Anker 3 und damit auf das Steuerventilelement 1 wirkt eine als Druckfeder ausgebildete Steuerschließfeder 4, die die in Schließrichtung wirkende Schließfederkraft FFed erzeugt. Dieser wirkt die hydraulische Öffnungskraft FHyd-Öff entgegen, die verursacht wird von dem aus einer nicht gezeigten Steuerkammer durch einen Ablaufkanal 5 zum Steuerventil 2 strömenden Kraftstoff. Im Ablaufkanal 5 ist eine Ablaufdrossel 6 vorgesehen.
  • Wie sich aus der in 1 linken Darstellung des Steuerventils 2 ergibt, entspricht der Druck p von im Ablaufkanal 5 befindlichem Kraftstoff bei geschlossenem Steuerventil 2 im Wesentlichen dem Rail-Druck pRail. Bei geschlossenem Steuerventil 2 ist in der Folge die hydraulische Öffnungskraft FHyd-Öff maximal. Die Schließfederkraft FFed ist in sämtlichen gezeigten Zuständen, zumindest näherungsweise, konstant. In einem das Steuerventilelement 1 umgebenden Niederdruckbereich herrscht Rücklaufdruck pRück (hier etwa 0,1 bis 5 bar).
  • Wird der Elektromagnet des nicht gezeigten elektromagnetischen Aktuators voll bestromt, ändert sich der Hub x des Steuerventilelementes 1, also der Abstand zwischen dem Steuerventilelement 1 und einem Steuerventilsitz 7. In der maximalen Öffnungsstellung (maximaler Hub x) ist der auf das Steuerventilelement 1 wirkende Druck p wesentlich kleiner als der Rail-Druck pRail, so dass auch in der Folge die hydraulische Öffnungskraft FHyd-Öff minimal ist.
  • In einer zwischen der Schließstellung und der maximalen Öffnungsstellung befindlichen, aus der mittleren Darstellung des Steuerventils 2 ersichtlichen, Zwischenstellung ist der Druck p, der auf das Steuerventilelement 1 wirkt, größer als bei vollständig geöffnetem Steuerventil 2 und kleiner als bei geschlossenem Steuerventil 2. In der gezeigten Zwischenstellung kompensiert die vom Aktuator in Öffnungsrichtung auf das Steuerventilelement 1 wirkende Kraft die auf das Steuerventilelement 1 wirkende, aus der Differenz der Federkraft FFed und der hydraulischen Öffnungskraft FHyd-Öff resultierende Schließkraft FSchließ. Auf diese Weise wird die Zwischenstellung bzw. das Steuerventilelement 1 in der Zwischenstellung stabilisiert. In der Zwischenstellung kommt es zu einer massiven Drosselung von Kraftstoff im Spalt 8 zwischen dem Steuerventilelement 1 und dem Steuerventilsitz 7, so dass die Absteuerrate gering gehalten wird. Hieraus resultiert ein Druckabfall in der in der Zeichnungsebene unten an den Ablaufkanal 5 anschließenden, nicht gezeigten, stirnseitig von dem ebenfalls nicht gezeigten Einspritzventilelement begrenzten Steuerkammer, wobei der Druckabfall jedoch nicht ausreicht, um ein Öffnen des Einspritzventilelementes zu bewirken. Auf diese Weise kann der Systemdruck des Kraftstoff-Injektors kontinuierlich abgebaut werden.
  • Wie sich weiterhin aus 1 (unten) ergibt, ist die Lage des Steuerventilelementes 1 im gesamten, schraffierten Bereich stabil. In diesem Bereich hat die kleinste Änderung des Hubs x in die öffnende (+) oder schließende (–) Richtung eine Änderung der resultierenden Schließkraft FSch1ieß zur Folge, die den Hub x wieder in Richtung des Idealwertes (Zwischenstellung) zurückstellt. Die Abhängigkeit zwischen dem Hub x und der hydraulischen Öffnungs-/Schließkraft FHyd-Öff, FHyd-Schließ ist durch den Druckabfall hinter der Ablaufdrossel 6 begründet, durch den die hydraulische Öffnungskraft FHyd-Öff reduziert wird.
  • Anhand der 2a bis 2e wird der Kräfteverlauf und daraus die benötigte Aktuatorkraft FAkt bei einem in axialer Richtung druckausgeglichenen Steuerventilelement 1 deutlich. Dabei wird der Kräfteverlauf anhand eines beispielhaft hülsenförmig ausgebildeten Steuerventilelementes 1 erläutert, das einstückig mit einer Ankerplatte 9 ausgebildet ist, also zusammen mit der Ankerplatte 9 den Anker 3 bildet, der mit einem elektromagnetischen Aktuator 10 zusammenwirkt. Zur Führung des Steuerventilelementes 1 ist ein Führungsbolzen 11 vorgesehen, der als ein von dem den Steuerventilsitz 7 aufweisenden Bauteil separates Bauteil ausgebildet ist, das sich in axialer Richtung an einem nicht gezeigten Bauteil, insbesondere einem Injektordeckel, abstützt.
  • In dem Diagramm gemäß 2a ist der Verlauf einer auf das Steuerventilelement 1 wirkenden hydraulischen Öffnungskraft FHyd-Öff dargestellt, wobei die einzelnen, dem Verlauf zugeordneten, Stellungen des Steuerventilelementes 1 in den 2b bis 2e erläuternd skizziert sind.
  • Wie sich aus einer Zusammenschau von 2a und 2b ergibt, wirkt selbst bei einem druckausgeglichenen Steuerventilelement 1 im geschlossenen Zustand eine kleine hydraulische Öffnungskraft FHyd-Öff, die durch eine druckbedingte Aufweitung des hülsenförmigen Steuerventilelementes 1 begründet ist, die wiederum zu einer kleinen Druckstufe führt. Öffnet das Steuerventil 2, hebt also das Steuerventilelement 1 vom Steuerventilsitz 7 ab, wird das Steuerven tilelement 1 vollständig mit Druck p, der zunächst im Wesentlichen dem Raildruck pRail entspricht, unterwandert, so dass die öffnende hydraulische Kraft FHyd-Öff gerade bei Öffnungsbeginn besonders groß ist. Mit zunehmendem Hub x nimmt die hydraulische Öffnungskraft FHyd-Öff bei gleichzeitig zunehmender Entdrosselung des Spaltes 8 zwischen dem Steuerventilsitz 7 und Einspritzventilelement 1 ab, was letztendlich auf den Druckabfall hinter der Ablaufdrossel 5 zurückzuführen ist. Erst wenn der Spalt 8, wie in 2d gezeigt, vollständig entdrosselt ist und die Ablaufdrossel 6 massiv kavitiert, verschwindet der in Öffnungsrichtung wirkende Hydraulikdruck p nahezu vollständig. In dieser Position (Zwischenstellung) kann eine stabile Lage (Zwischenstellung) realisiert werden, wenn die vom elektromagnetischen Aktuator 10 erzeugte Aktuatorkraft FAkt die in Schließrichtung wirkende Kraft FSch1ieß kompensiert, die im Wesentlichen auf die Schließfederkraft FFed zurückzuführen ist. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass in 2e der maximale Hub x des Steuerventilelementes 1 gezeigt ist.
  • Analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 stellt sich die stabile Zwischenstellung des Steuerventilelementes 1 im gesamten schraffierten Bereich bei konstanter Bestromung des Aktuators 10 automatisch wieder ein, da eine geringe Hubänderung des Steuerventilelementes 1 unmittelbar eine in die Gegenrichtung wirkende hydraulische Kraft zur Folge hat.
  • In 3 ist ein besonders vorteilhaftes Steuerventil 2 dargestellt. Zu erkennen ist, dass das hülsenförmige, in axialer Richtung druckausgeglichene Steuerventilelement 1 an einem Führungsbolzen 11 geführt ist, der eine innerhalb des Steuerventilelementes 1 gebildete Ventilkammer 12 in axialer Richtung nach oben abdichtet. Ausgehend von einer Dichtkante 13 des Steuerventilelementes 1, die mit einem innenkegelförmigen Steuerventilsitz 7 zusammenwirkt, erstreckt sich in radialer Richtung in den Hochdruckbereich hinein, also bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in radialer Richtung nach innen, eine Druckstufe 14, die derart beschaffen ist, dass diese bei vollständig geschlossenem Steuerventilelement 1 keine resultierende hydraulische Kraft erzeugt. Bei geöffnetem Steuerventilelement 1 beginnt jedoch der Kraftstoff im Bereich der Dichtkante 13 mit hoher Geschwindigkeit zu strömen. Aufgrund des Bernoulli-Effektes sinkt hierdurch der statische Druck in einem Bereich unterhalb der Druckstufe 14, wohingegen der statische Druck in einem Bereich oberhalb der Druckstufe 14, zumindest näherungsweise, konstant bleibt, zumindest jedoch weniger stark absinkt als unterhalb der Druckstufe 14, was in einer hydraulischen Schließkraft FHyd-Schließ resultiert, die lediglich bei geöffnetem Steuerventilelement 1 wirkt. Der Verlauf der aus einer Addition der hydraulischen Öffnungskraft FHyd-Öff und der hydraulischen Schließkraft FHyd-schließ resultierenden hydraulischen Kraft FHyd-res ist in dem Diagramm gem. 4 dargestellt. Zum Erzielen einer stabilen Zwischenstellung muss der Aktuator 10 derart bestromt werden, dass die Aktuatorkraft FAkt die Summe (resultierende Schließkraft FSchließ) aus der zuvor erläuterten resultierenden, dann in Schließrichtung wirkenden, hydraulischen Kraft FHyd-res und der von einer Steuerschließfeder erzeugten Schließfederkraft FFed kompensiert. Aufgrund des großen hydraulischen Schließkraftniveaus lässt sich das Steuerventilelement 1 in der abfallenden Kraftflanke sehr einfach stabilisieren. Die Aktuatorkraft FAkt muss lediglich etwas grö ßer gewählt werden als die hydraulische Öffnungskraft FHyd-Öff.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Ansteuern eines Steuerventils (2) eines Kraftstoff-Injektors, insbesondere eines Common-Rail-Injektors, mit einem mittels eines Aktuators (10) zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung verstellbaren Steuerventilelement (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (10) derart bestromt wird, dass das Steuerventilelement (1) in einer quasi-stationären Zwischenstellung stabilisiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (10) derart bestromt wird, dass die aus der Bestromung resultierende Aktuatorkraft (FAkt) in der Zwischenstellung konstant bleibt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenstellung durch eine entsprechende Bestromung des Aktuators (10) derart gewählt wird, dass ausgehend von der Zwischenstellung bereits eine minimale Änderung des Hubs (x) des Steuerventilelementes (1) eine resultierende, hydraulische öffnende oder schließende Kraft (FHyd-Öff, FHyd-Schließ) zur Folge hat, die das Steuerventilelement (1), vorzugsweise ohne eine Änderung der Bestromung des Aktuators (10), wieder in die Zwischenstellung bewegt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenstellung durch eine entsprechende Bestromung des Aktuators (10) derart gewählt wird, dass eine, insbesondere starke, Drosselung des Kraftstoffs in dem in der Zwischenstellung zwischen dem Steuerventilelement (1) und einem Steuerventilsitz (7) gebildeten Spalt (8) resultiert.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (10) derart bestromt wird, dass der in der Zwischenstellung aus einer Steuerkammer in einen Niederdruckbereich abströmende Kraftstoffvolumenstrom maximal so groß ist, dass gerade noch ein Öffnen eines Einspritzventilelementes unterbleibt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenstellung durch eine entsprechende Bestromung des Aktuators (10) derart gewählt wird, dass eine zwischen einer Steuerkammer und dem Steuerventil (2) angeordnete Ablaufdrossel (6) kavitiert.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (10) derart bestromt wird, dass in der Zwischenstellung die vom Aktuator (10) verursachte, in Öffnungsrichtung auf das Steuerventilelement (1) wirkende Aktuatorkraft (FAkt) eine, ggf. aus mehren Kräften resultierende, in Schließrichtung auf das Steuerventilelement (1) wirkende, Schließkraft (FSchließ) kompensiert.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventilelement (1) in seiner Schließstellung in axialer Richtung nicht druckausgeglichen ist, und dass der Aktuator (10) derart bestromt wird, dass in der Zwischenstellung die von dem Aktuator (10) verursachte, in Öffnungsrichtung auf das Steuerventilelement (1) wirkende Aktuatorkraft (FAkt) die aus einer hydraulischen Öffnungskraft (FHyd-Öff) und einer Schließfederkraft (FFed) resultierende Schließkraft (FSchließ) kompensiert.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventilelement (1) in seiner Schließstellung in axialer Richtung, zumindest näherungsweise, druckausgeglichen ist und keine hochdruckseitige, eine hydraulische Schließkraft (FHyd-Schließ) verursachende Druckstufe (14) aufweist, und dass der Aktuator (10) derart bestromt wird, dass in der Zwischenstellung die von dem Aktuator (10) verursachte, in Öffnungsrichtung auf das Steuerventilelement (1) wirkende, Aktuatorkraft (FAkt) eine Schließfederkraft (FFed) kompensiert.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventilelement (1) in seiner Schließstellung in axialer Richtung druckausgeglichen ist und eine hochdruckseitige, vorzugsweise ausschließlich bei zumindest teilweise geöffnetem Steuerventil (2), eine hydraulische Schließkraft (FHyd-Schließ) verursachende Druckstufe (14) aufweist, und dass der Aktuator (10) derart bestromt wird, dass in der Zwischenstellung die von dem Aktuator (10) verursachte, in Öffnungsrichtung auf das Steuerventilelement (1) wirkende, Aktuatorkraft (FAkt) die aus der hydraulischen Schließkraft (FHyd-Schließ) und einer Schließfederkraft (FFed) resultierende Schließkraft (FSchleß) kompensiert.
  11. Kraftstoff-Einspritzsystem, insbesondere ausgebildet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem ein Steuerventil (2) aufweisenden Kraftstoff-Injektor, insbesondere Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei ein Steuerventilelement (1) des Steuerventils (2) mittels eines Aktuators (10) zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung verstellbar ist, und mit einer die Bestromung des Aktuators (10) steuernden Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass diese den Aktuator (10) derart bestromt, dass das Steuerventilelement (1) in einer quasi stationären Zwischenstellung stabilisiert wird.
  12. Kraftstoff-Einspritzsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein einteiliges oder mehrteiliges Einspritzventilelement des Kraftstoff-Injektors niederdruckstufenfrei ausgebildet ist.
  13. Kraftstoff-Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventilelement (1) in seiner Schließstellung in axialer Richtung nicht druckausgeglichen ist.
  14. Kraftstoff-Einspritzsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventilelement (1) in seiner Schließstellung in axialer Richtung druckausgeglichen ist und vorzugsweise eine hochdruckseitige Druckstufe (14) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass diese, vorzugsweise ausschließlich bei geöffnetem Steuerventil (2), eine auf das Steuerventilelement (1) wirkende hydraulische Schließkraft (FHyd-Schließ) verursacht.
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