DE102010000827A1

DE102010000827A1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102010000827A1
Application number: DE102010000827A
Authority: DE
Inventors: Nestor 70372 Rodriguez-Amaya; Siegfried 71155 Ruthardt; Holger 71254 Rapp; Wolfgang 71332 Stoecklein; Bernd 75428 Berghaenel; Marco 70469 Beier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2011-07-14
Also published as: CN102713234A; WO2011085867A1; US9328707B2; EP2524132A1; CN102713234B; US20120325936A1

Abstract

Einem Steuerraum, dessen Druck die Hübe bzw. Stellungen einer Düsennadel bestimmt, ist ein Kraft- oder Drucksensor zugeordnet, um den Verlauf des Steuerraumdruckes zu erfassen. Da sich der Steuerraumdruck beim Schließen der Düsennadel signifikant ändert, lassen sich aus den Sensordaten die Betriebsphasen des Injektors exakt ermitteln und einer Motorsteuerung zuführen.

Description

Die Erfindung steht im Zusammenhang mit Kraftstoffinjektoren mit von einer Düsennadel oder dergleichen gesteuerten Einspritzdüsen und einem mit einer Hoch- und einer Niederdruckseite des Injektors kommunizierenden Steuerraum, welcher als Arbeitsraum eines mit der Düsennadel antriebsgekoppelten Verdrängers ausgebildet und mittels einer Steuerventilanordnung zwischen einem Schließdruck, bei dem die Düsennadel vom Verdränger in ihre Schließlage gestellt wird, und einem Öffnungsdruck umsteuerbar ist, bei dem die Düsennadel mit dem Verdränger in die Offenlage übergeht.
Stand der Technik
Bei einem aus der DE 10 2007 060 395 A1 bekannten Kraftstoffinjektor besitzt die Düsennadel ein nach Art eines Plungers ausgebildetes düsenfernes Ende, welches verdrängerwirksam im Steuerraum angeordnet ist. Dieser kommuniziert über eine Zulaufdrossel mit der Hochdruckseite des Kraftstoffinjektors und ist über die Steuerventilanordnung mit der Niederdruckseite des Kraftstoffinjektors verbindbar. Bei geschlossener Steuerventilanordnung ist der Steuerrau nur mit der Hochdruckseite des Injektors verbunden, während der Druck im Steuerraum bei geöffneter Steuerventilanordnung infolge der dann zusätzlich vorhandenen Verbindung des Steuerraums mit der Niederdruckseite absinkt. Bei diesem bekannten Kraftstoffinjektor besitzt der Steuerraum einen zur Niederdruckseite eines Ventilkörpers ausmündenden Auslasskanal, welcher durch einen hülsenförmigen Schließkörper der Steuerventilanordnung gesteuert wird. Dieser hülsenförmige Schließkörper ist auf einer zum Auslasskanal gleichachsigen Führungsstange verschiebbar angeordnet, wobei der Ringspalt zwischen dem Außenumfang der Führungsstange und dem Innenumfang des hülsenförmigen Schließkörpers als praktisch leckagefreier Dichtspalt ausgebildet ist Der hülsenförmige Schließkörper wirkt mit einem zur Mündung des Auslasskanals konzentrischen Sitz zusammen und ist mit einem Anker verbunden, der seinerseits mit einer zur Führungsstange gleichachsigen Elektromagnetanordnung zusammenwirkt. Bei elektrischer Bestromung der Elektromagnetanordnung wird der Anker zusammen mit dem hülsenförmigen Schließkörper in Richtung der Elektromagnetanordnung gezogen, so dass der Schließkörper von seinem Sitz abhebt. Im elektrisch nicht bestromten Zustand der Elektromagnetanordnung wird der Schließkörper von einer Schließfeder in seine Schließlage gestellt, wobei sich der Anker von der Elektromagnetanordnung entfernt.
Grundsätzlich ist es erwünscht, die Betriebsphasen eines Kraftstoffinjektors exakt erfassen zu können, um eine optimale Motorsteuerung zu ermöglichen. Durch Verschleißerscheinungen am Kraftstoffinjektor wird eine Drift der Schließzeitpunkte der Düsennadel verursacht, mit der Folge, dass sich die Einspritzmengen des Kraftstoffs entsprechend verändern und der jeweilige Motor nicht mehr optimal arbeitet, wenn keine Adaption von Kraftstoffinjektor und Motor an die geänderten Betriebsumstände möglich ist. Außerdem weisen die Injektoren auf Grund unvermeidlicher Bauteilstreuungen auch eine Exemplarstreuung ihrer Einspritzmenge bei jeweils gleicher Ansteuerung auf.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung soll ein Kraftstoffinjektor geschaffen werden, bei dem die Schließzeitpunkte der Düsennadel und damit die Betriebsphasen der Kraftstoffeinspritzung exakt ermittelbar sind.
Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass dem Steuerraum ein Kraft- oder Drucksensor zur Erfassung charakteristischer Druckänderungen beim Schließen bzw. Öffnen der Düsennadel zugeordnet ist.
Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass sich der Steuerraumdruck am Beginn und am Ende der Einspritzphase des Kraftstoffinjektors signifikant ändert. Indem nun der Steuerraumdruck registriert wird, kann der Betriebsablauf des Kraftstoffinjektors mit hoher Präzision überwacht werden. Dies erfolgt erfindungsgemäß über eine Druckmessung, die trotz des geringen Bauvolumens eines Kraftstoffinjektors vergleichsweise leicht durchführbar ist. Somit wird eine konstruktiv aufwändige Erfassung des Hubweges der Düsennadel erübrigt.
In konstruktiv besonders bevorzugter Weise ist vorgesehen, dass eine niederdruckseitige Auslaufmündung des Steuerraums des Kraftstoffinjektors mittels eines hülsenförmigen Schließkörper steuerbar ist, der auf einer zur Auslaufmündung gleichachsigen Führungsstange verschiebbar angeordnet ist, und dass die Führungsstange mit ihrem mündungsfernen Ende mit einer Drucksensoranordnung gekoppelt ist. Hier wird also die aus der eingangs genannten DE 10 2007 060 395 A1 bekannte und bewährte Bauweise eines Kraftstoffinjektors prinzipiell übernommen, wobei die Führungsstange zur Abtragung des Steuerraumdruckes auf eine Kraft- bzw. Drucksensoranordnung genutzt wird.
Hierbei ist vorteilhaft, dass die Kraft- bzw. Drucksensoranordnung entfernt vom Steuerraum im fluidischen Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors angeordnet sein kann, so dass eine dauerhafte Isolation der in der Regel elektrischen Elemente der Kraft- bzw. Drucksensoranordnung ohne weiteres möglich ist.
Die Erfindung bietet außerdem die Möglichkeit, die Signale der Kraft- bzw. Drucksensoranordnung zur Ermittlung des Druckes einer den Kraftstoffinjektoren zugeordneten Hochdruckquelle für Kraftstoff, in der Regel ein Common Rail, auszunutzen. Dabei ist einerseits vorteilhaft, dass eine bisher übliche gesonderte Druckerfassung an der Hochdruckquelle entfallen kann. Außerdem wird mit der Erfindung ohne weiteres eine mehrfach redundante Druckerfassung möglich, weil Motoren mit Einspritzsystemen regelmäßig mehrere Kraftstoffinjektoren aufweisen, so dass mit den erfindungsgemäß an den Kraftstoffinjektoren vorgesehenen Kraft- bzw. Drucksensoren auch mehrere Signalquellen zur Druckermittlung zur Verfügung stehen.
Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausführungsführungsformen der Erfindung näher beschrieben werden.
Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen, sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der in der Beschreibung aufgeführten oder in den Zeichnungen dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigt:
1 einen ausschnittsweisen Axialschnitt eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors, und
2 Diagramme, welche den zeitlichen Verlauf des Düsennadelhubes sowie des Steuerraumdruckes darstellen.
Ausführungsform der Erfindung
Gemäß 1 ist innerhalb eines Injektorkörpers 1 ein Hochdruckraum 2 sowie ein Niederdruckraum 3 angeordnet. Diese beiden Räume sind voneinander durch ein Ventilstück 4 getrennt.
Der Hochdruckraum 2 kommuniziert über einen Zulaufkanal 5 mit einer nicht dargestellten Hochdruckquelle für Kraftstoff, in der Regel ein sogenanntes Common Rail. Der Niederdruckraum 3 ist über eine Rücklaufleitung 21 oder dergleichen mit einem Kraftstofftank oder dergleichen verbunden.
Der Hochdruckraum 2 ist über nicht dargestellte Einspritzdüsen mit dem Brennraum eines ebenfalls nicht dargestellten Verbrennungsmotors verbindbar. Die Einspritzdüsen werden in bekannter Weise mittels einer Düsennadel gesteuert, von der in 1 nur das düsenferne Ende, welches als Plunger 6 ausgebildet ist, dargestellt ist. Der Plunger 6 ist verdrängerwirksam in einem im Ventilstück 4 angeordneten Steuerraum 7 angeordnet. Dieser Steuerraum 7 kommuniziert über eine Zulaufdrossel 8 mit dem Hochdruckraum 2 und über einen vorzugsweise gedrosselten Ablaufkanal 9 mit dem Niederdruckraum 3, wobei der Ablaufkanal 9 mittels einer Steuerventilanordnung 10 gesteuert wird. Wenn der Ablaufkanal mittels der Steuerventilanordnung 10 abgesperrt wird und die Düsennadel sich in ihrer Schließlage befindet, stellt sich im Steuerraum 7 der gleiche Hochdruck wie im Hochdruckraum 2 ein, mit der Folge, dass der Plunger 6 in 1 nach abwärts gepresst und die damit verbundene Düsennadel in der die Einspritzdüsen absperrenden Schließlage gehalten wird. Wird der Ablaufkanal 9 mittels der Steuerventilanordnung 10 geöffnet, stellt sich im Steuerraum 7 ein gegenüber dem Hochdruck im Hochdruckraum 2 verminderter Druck ein, und der Plunger 6 verschiebt sich zusammen mit der Düsennadel in 1 in Aufwärtsrichtung, das heißt die Düsennadel wird in deren Offenlage gestellt, so dass Kraftstoff durch die Einspritzdüsen in den Brennraum eingespritzt wird.
Die Steuerventilanordnung 10 besitzt einen hülsenförmigen Schließkörper 11, der von einer Schließfeder 12, die als Schraubendruckfeder ausgebildet ist, gegen einen zur Auslassmündung des Ablaufkanals 9 konzentrischen Sitz gespannt wird. Im Beispiel der 1 ist der Sitz als Planfläche ausgebildet, auf der der hülsenförmige Schließkörper 11 mit einer linienförmigen Ringkante aufsitzt. Grundsätzlich kann jedoch auch ein anders geformter Sitz vorgesehen sein.
Der hülsenförmige Schließkörper 11 ist auf einer zur Längsachse 100 des Injektorkörpers 1 gleichachsigen Führungsstange 13 axial verschiebbar geführt, wobei der Ringspalt zwischen dem Innenumfang des Schließkörpers 11 und dem Außenumfang der Führungsstange 13 als praktisch leckagefreier Drossel- bzw. Dichtspalt ausgebildet ist. Wenn der Schließkörper 11 die in 1 dargestellte Schließlage einnimmt, wird der innerhalb des Schließkörpers 11 gebildete Druckraum 14, welcher über den Ablaufkanal 9 mit dem Steuerraum 7 kommuniziert und dann dementsprechend gleichen Fluiddruck wie der Steuerraum 7 aufweist, gegenüber dem Niederdruckraum 3 abgesperrt. Am Schließkörper 11 ist ein sternförmiger Anker 15 einer Elektromagnetanordnung 16 angeordnet, die als Aktor zur Betätigung der Steuerventilanordnung 10 vorgesehen ist. Diese Elektromagnetanordnung 16 besitzt in bekannter Weise eine Magnetspule 17, die innerhalb einer zur Führungsstange 13 konzentrischen Elektromagnetanordnung mit einem ringförmigen Außenpol 18 und einem ringförmigen Innenpol 19 angeordnet ist. Wird die Magnetspule 17 elektrisch bestromt, wird der Anker 15 von den Polen 18 und 19 magnetisch angezogen, so dass der Schließkörper 11 gegen die Kraft der Schließfeder 12 von seinem Sitz abgehoben und die Steuerventilanordnung 10 geöffnet wird.
Während der geschlossenen Phase der mit dem Plunger 6 verbundenen Düsennadel, das heißt bei geschlossenen Einspritzdüsen, ist die Steuerventilanordnung 10 geschlossen, und im Druckraum 14 sowie im Steuerraum 7 liegen gleiche Fluiddrucke vor. Unmittelbar vor dem Schließzeitpunkt der Düsennadel sinkt der Druck im Steuerraum 7 wegen des zu diesem Zeitpunkt geringen Drucks unter dem Düsensitz der Düsennadel und der damit einhergehenden Schließbewegung des Plungers 6 unter den Hochdruck im Zulaufkanal 5 ab. Unmittelbar nach dem Schließen der Düsennadel kommt es wegen des nun stillstehenden Plungers 6 zu einem steilen Anstieg des Drucks im Steuerraum 7, wobei der Steuerraumdruck auf den Druck im Zulaufkanal 5 ansteigt. Der Druck im Steuerraum 7 und der damit praktisch identische Druck im Druckraum 14 weisen folglich zum Schließzeitpunkt der Düsennadel ein ausgeprägtes Minimum auf.
In 2 ist der Verlauf des Düsennadelhubes im Diagramm A und der Verlauf des Steuerraumdrucks im Diagramm B beispielhaft dargestellt.
Da der Druck des Steuerraums 7 bei geschlossenem Schließkörper 11 auch im Druckraum 14 vorliegt, wird die Führungsstange 13 innerhalb des Schließkörpers 11 in dieser Ventilstellung stirnseitig immer vom Steuerraumdruck belastet. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, den Steuerraumdruck mittels der Führungsstange 13 auf einen in 1 schematisch dargestellten Kraft- oder Drucksensor 20 abzutragen, so dass eine nicht dargestellte, eingangsseitig mit dem Kraft- oder Drucksensor 20 verbundene Auswerteschaltung, die in die Motorsteuerung integriert sein kann, ständig Informationen über den Druck im Steuerraum 7 erhält und damit insbesondere die Schließzeitpunkte der Düsennadel „kennt”.
Bei dieser Konstruktion hat die Führungsstange 13 also eine Doppelfunktion, indem sie einerseits den hülsenförmigen Schließkörper 11 axial führt und andererseits als Kraftübertragungsglied zwischen dem Druckraum 14 bzw. dem damit kommunizierenden Steuerraum 7 und dem Kraft- oder Drucksensor 20 dient. Hier ist des weiteren vorteilhaft, dass der Kraft- oder Drucksensor 20 im Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors, im zeichnerisch dargestellten Beispiel nahe der Mündung einer dem Niederdruckraum 3 mit einem relativ drucklosem Kraftstofftank oder dergleichen verbindenden Rücklaufleitung 21 angeordnet ist. Der Kraft- oder Drucksensor 20 kann zweckmäßig als piezoelektrisches Element ausgebildet sein, an dem eine vom Andruck der Führungsstange 13 abhängige elektrische Spannung abgreifbar ist. Da der Kraft- oder Drucksensor 20 nur von unter Niederdruck stehendem Kraftstoff beaufschlagt werden kann, ergeben sich hinsichtlich der notwendigen elektrischen Isolation keinerlei Schwierigkeiten. Denn übliche Isolationsmaterialien sind hinreichend resistent gegenüber Kraftstoffen, die unter geringem Druck stehen. Andere Verhältnisse liegen bei Kraftstoffen unter Hochdruck vor. Hier sind keine langfristig stabilen Isolationsmaterialien bekannt, so dass eine direkte Druckbeaufschlagung eines elektrischen Elementes mit Kraftstoff unter Hochdruck nicht langfristig toleriert werden kann.
Abweichend von der dargestellten Ausführungsform, bei der als Aktor eine Elektromagnetanordnung 16 vorgesehen ist, können auch Kraftstoffinjektoren mit anderen Aktoren vorgesehen sein. Insbesondere sind piezoelektrische Aktoren denkbar, die ihre Länge in Abhängigkeit von einer anliegenden elektrischen Spannung zu ändern vermögen.
Die Druck- bzw. Kraftsensoren 20 können prinzipiell beliebige kraft- bzw. druckabhängige physikalische Effekte ausnutzen. Beispielsweise sind piezoelektrische Elemente geeignet, an denen eine elektrische Spannung abgreifbar ist, die von den auf das Element einwirkenden externen Kräften abhängt.
Statt dessen sind auch piezoresistive Elemente möglich und vorteilhaft, die dem sog. piezoresistiven Effekt ausnutzen, der darin besteht, dass viele Materialien ihren spezifischen elektrischen Widerstand unter der Einwirkung von Druck- oder Zugkräften ändern. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich also bei piezoresistiven Elementen um elektrische Widerstände, bei denen sich das Maß des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von externen Kräften ändert. In diesem Zusammenhang kann auf Siliziumelemente verwiesen werden, denn der piezoresistive Effekt ist bei diesem Material vergleichsweise ausgeprägt.
Eine Auswertung der Messdaten der Kraft- bzw. Drucksensoren 20 ermöglicht nicht nur eine Bestimmung der Schließzeitpunkte der Düsennadel, vielmehr besitzen die Messwerte auch eine starke Korrelation mit dem Kraftstoffdruck im Zulauf 5. Da der Druck im Zulauf 5 seinerseits wiederum vom Druck der Kraftstoff-Hochdruckquelle des Einspritzsystems, in der Regel ein Common Rail, bestimmt wird, lässt sich aus den Messdaten der Sensoren 20 auch der jeweilige Betriebsdruck der Kraftstoff-Hochdruckquelle ermitteln. Dies gilt insbesondere während der Schließphase der Düsennadel, denn in dieser Phase sind strömungsdynamische Effekte am jeweiligen Injektor minimal, d. h. im Steuerraum 7 des Injektors und damit auch im Druckraum 14 steht ein Druck an, welcher weitestgehend dem Druck der Kraftstoff-Hochdruckquelle entspricht.
Da ein Verbrennungsmotor mit Einspritzsystem in der Regel mehrere Zylinder bzw. Brennräume und dementsprechend mehrere Injektoren besitzt, stehen die Druck- bzw. Kraftsensoren 20 von entsprechend mehreren Kraftstoffinjektoren zur Verfügung, so dass der Zuführdruck des Kraftstoffes bzw. der Kraftstoff-Hochdruckquelle mehrfach redundant ermittelt werden kann. Gleichzeitig kann die übliche, bisher der Kraftstoff-Hochdruckquelle gesondert zugeordnete Sensorik zur Drucküberwachung entfallen.
Eine mit den Kraft- bzw. Drucksensoren 20 kommunizierende Motorsteuerung „kennt” bei entsprechender Datenauswertung die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Düsennadel und dem jeweiligen Druck der Kraftstoff-Hochdruckquelle des Einspritzsystems.
Im Ergebnis ist damit eine besonders präzise Steuerung des Einspritzsystems eines Motors möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007060395 A1 [0002, 0007]

Claims

Kraftstoffinjektor mit von einer Düsennadel oder dergleichen gesteuerten Einspritzdüsen und einem mit einer Hoch- und einer Niederdruckseite des Injektors kommunizierenden Steuerraum (7), welcher als Arbeitsraum eines mit der Düsennadel antriebsgekoppelten Verdrängers (6) ausgebildet und mittels einer Steuerventilanordnung (10) zwischen einem Schließdruck, bei dem die Düsennadel vom Verdränger (6) in ihre Schließlage gestellt wird, und einem Öffnungsdruck umsteuerbar ist, bei dem die Düsennadel mit dem Verdränger (6) in die Offenlage übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steuerraum (7) ein Kraft- oder Drucksensor (20) zur Erfassung charakteristischer Druckänderungen beim Schließen und Öffnen der Düsennadel zugeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine niederdruckseitige Auslaufmündung (9) des Steuerraums (7) mittels eines hülsenförmigen Schließkörpers (11) steuerbar ist, der auf einer zur Auslaufmündung (9) gleichachsigen Führungsstange (13) verschiebbar angeordnet ist, und dass die Führungsstange (13) mit ihrem mündungsfernen Ende an einen Kraft- oder Drucksensor (20) gekoppelt ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerventilanordnung ein elektromagnetischer Aktor (16) zugeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor eine zur Führungsstange (13) konzentrische Magnetspule (17) mit ringförmigen Innen- und Außenpolen (18, 19) aufweist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Schließkörper (11) ein mit den Innen- und Außenpolen (18, 19) zusammenwirkender sternförmiger Anker angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mündungsferne Ende der Führungsstange einen piezoelektrischen Kraft- oder Drucksensor (20) beaufschlagt.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraft- oder Drucksensor (20) auf der Niederdruckseite angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraft- oder Drucksensor am Eingang einer relativ drucklosen Rücklaufleitung (21) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kraft- oder Drucksensor (20) ein piezoresistiver Sensor vorgesehen ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraft- oder Drucksensor (20) ausgangsseitig mit einer Signalauswertung bzw. Motorsteuerung kommuniziert, die die Sensorsignale zur Bestimmung von Schließzeitpunkten der Düsennadel und/oder des Druckes einer mit dem Kraftstoffinjektor kommunizierenden Kraftstoff-Hochdruckquelle auswertet.