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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Insbesondere den in der
DE 10 2004 015 745 A1 und der
DE 103 13 623 A1 vorgeschlagenen Injektorlösungen liegt hierbei die Aufgabe zugrunde, die Position der Ventilnadel bei Betrieb des Kraftstoffinjektors überwachen und somit verlässliche Aussagen über einen Zustand des Kraftstoffinjektors – insbesondere auch zum Zwecke der Ableitung von Steuergrößen – ermöglichen zu können, z. B. die Öffnungs- und Schließzeitpunkte oder den Nadelhub des Nadelventils zu erfassen.
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Eine genaue Kenntnis des realen Betriebsverhaltens des Injektors ist generell anzustreben, als dadurch sowohl eine hochpräzise und wirkungsgradsteigernde Einspritzung von Kraftstoff und somit ein effizienter Betrieb der Einspritzanlage ermöglicht ist, andererseits auch deshalb, da die Steuerung bzw. ein Steuergerät unter Berücksichtigung realer Betriebsparameter ausgelegt werden kann.
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Hier sind die bekannten Lösungen insoweit verbesserungsfähig, als zwar der Zeitpunkt des Nadelöffnens und Schließens über eine Nadelsitzkontaktmessung und/oder aus dem im Injektor gemessenen Druck ermittelbar ist, jedoch für die Bestimmung der Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten der Nadel ein aufwändiger Algorithmus nötig wird. Zudem kann der Druck, insbesondere bei kleinbauenden Injektoren, direkt im Düsenbereich nicht in beabsichtigter Weise ermittelt werden.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor vorzuschlagen, welcher die Nachteile des Standes der Technik überwindet und eine genauere Erfassung tatsächlicher Betriebsparameter mit geringem Aufwand ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine, wobei der Kraftstoffinjektor dazu vorgesehen ist, unter hohem Druck stehenden Kraftstoff, welcher aus einem Kraftstoffspeicher zuführbar ist, in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzuspritzen.
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Der Kraftstoffinjektor weist hierbei einen Düsenkörper auf, welcher vorzugsweise in einem Gehäuse des Kraftstoffinjektors angeordnet ist, wobei im Inneren des Düsenkörpers, insbesondere in einer Längsbohrung desselben, eine Ventilnadel längsverschieblich aufgenommen, insbesondere auch geführt ist. Die Ventilnadel ist Bestandteil eines Ventils (Düsen- bzw. Nadelventils) des Kraftstoffinjektors, welches mittels zweier Ventil- bzw. Dichtungspartner in Form sowohl der Ventilnadel als auch eines damit zusammenwirkenden Ventilsitzes gebildet ist, insbesondere ausschließlich.
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Das Ventil ermöglicht, den Kraftstoff-Strömungspfad hin zu wenigstens einer Einspritzdüse des Kraftstoffinjektors, welcher durch den Durchgang des Ventils hindurch führt, zum Zwecke einer dosierten Kraftstoffabgabe gesteuert öffnen und schließen zu können, korrespondierend mit einem Abheben der Ventilnadel von einem Ventilsitz des Ventils bzw. einem Aufsitzen an demselben.
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Auf vorteilhafte und einfache Weise wird im Rahmen der Erfindung die Bildung einer druckempfindlichen und äußerst klein bauenden Sensorik direkt benachbart zur Einspritzdüse ermöglicht, indem eine mit dem jeweils anderen Ventilpartner zur Bildung des Ventils zusammenwirkende Fläche eines Ventilpartners eine Beschichtung aufweist, deren elektrischer Widerstand in Abhängigkeit einer Flächenpressung mittels des jeweils anderen Ventilpartners veränderlich ist.
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Die beschichtete Fläche eines Ventilpartners ist hierbei vorzugsweise eine Fläche der Ventilnadel, welche gegen den Ventilsitz bzw. im Ventilsitz zur Anlage gelangen kann bzw. diesen kontaktiert, in der Regel eine der Nadelspitze benachbarte Fläche. Diese kann bei der Herstellung der Ventilnadel auf einfache Weise beschichtet werden, z. B. durch Dampfabscheidung, Kathodenzerstäubung oder weitere Beschichtungsverfahren. Alternativ ist die beschichtete Fläche z. B. an dem Düsenkörper aufgebracht, d. h. am Ventilsitz durch die Ventilnadel kontaktierbar. Denkbar ist auch, die Beschichtung am Ventilsitz und an der Ventilnadel vorzusehen.
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Zur vorteilhaft einfachen Bestimmung des Drucks bzw. einer Flächenpressung zwischen den Ventilpartnern wird vorgeschlagen, am Kraftstoffinjektor einen Strompfad einer Messeinrichtung des Kraftstoffinjektors über die (wenigstens eine) beschichtete Fläche des einen Ventilpartners sowie den anderen Ventilpartner zu führen. Mit anderen Worten wird ein Strom zur Messsignalerzeugung durch die beschichtete Fläche hindurch sowie den daran zur Anlage bringbaren Ventilpartner gezwungen. Mittels dieser Anordnung kann die druckempfindliche Sensorik vorteilhaft auch als Schalter wirken bzw. einen solchen bilden.
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Der derart ausgebildete Strompfad, welcher vorzusweise mit einem durch die Messeinrichtung voreingestellten Strom beaufschlagt ist, erlaubt insofern das einfache Erzeugen eines druckabhängigen Messsignals, als der Widerstand der Beschichtung in Abhängigkeit des Drucks zwischen den Ventilpartnern entsprechend einer Flächenpressung, variiert und somit z. B. auch eine die Flächenpressung repräsentierende Messspannung an der mit dem Strompfad verbundenen Messeinrichtung.
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Eine solche Flächenpressung stellt sich insbesondere ein, solange die Ventilnadel im Ventilsitz sitzt. Da die Flächenpressung bzw. der Druck der Ventilnadel gegen den Ventilsitz jedoch maßgeblich von dem die Ventilnadel gegen den Ventilsitz drängenden Kraftstoffdruck abhängt, kann somit (mittelbar) auch der Kraftstoffdruck (Raildruck) auf einfache Weise präzise ermittelt werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich hierbei daraus, dass das vom druckabhängig veränderlichen Widerstand der Beschichtung abhängige Ausgangssignal auch eine Änderung des Druckes über die Zeit ausdrückt, welche zur Ermittlung der Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten herangezogen werden kann.
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Der Strompfad ist bevorzugt derart ausgebildet, dass dieser durch ein Abheben und Aufsetzen der Ventilnadel vom bzw. am Ventilsitz selektiv unterbrechbar ist, i. e. entsprechend einem Schalter. Hierdurch sind in einem Messsignal insbesondere Öffnungs- und Schließzeitpunkte des Ventils genau erkennbar, da der sich der an der Beschichtung einstellende Widerstand sowohl bei vollständigem Abheben der Nadel von der Beschichtung als auch bei Aufsitzen daran erkennbar und insofern zeitlich bestimmbar ändert. Insofern ist auch eine Offen- und Schließstellungsdauer des Ventils auf einfache Weise ermittelbar.
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Bevorzugt kann der Kraftstoffinjektor derart ausgebildet sein, dass ein erster Teil des Strompfads entlang der Ventilnadel in Richtung Ventilsitz führt, und ein zweiter Teil des Strompfads der Messschaltung über den Düsenkörper zum Ventilsitz führt, wobei der (weiterhin je mit der Messeinrichtung bzw. je einem Pol derselben elektrisch verbundene) erste und der zweite Teil des Strompfads ausschließlich im Ventilsitz über die beschichtete Fläche zusammenführbar sind (im Sinne eines Stromkreises). Entlang ihres Weges durch den Injektor sind der erste und der zweite Teil des Strompfads ansonsten gegeneinander elektrisch isoliert.
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Zur Ausbildung des Strompfads ist z. B. das Aufbringen von Isoliermaterial, insbesondere einer Isolierschicht entlang eines die Ventilnadel führenden Teils der Längsbohrung des Düsenkörpers vorgesehen sowie die Verwendung eines Isolierkörpers und einer Ventilnadelhülse, welche den zweiten Teil des Strompfads durch die Ventilnadel über die Hülse, den Isolierkörper und z. B. ein Anschlusskabel zur Messeinrichtung fortsetzen. Der erste Teil des Strompfads kann hierbei auf einfache Weise von der Messeinrichtung über das Gehäuse des Injektors an den Düsenkörper geführt sein.
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Als widerstandsveränderliche Beschichtung für die Anlagefläche des einen Ventilpartners, welche mit dem anderen Ventilpartner zur Bildung des Ventils zusammenwirkt, ist eine piezoresistive bzw. piezorestistiv wirkende Schicht vorgesehen, welche insbesondere bei Druckbeaufschlagung piezoresistiv wirkt. Insbesondere ist eine Beschichtung vorgesehen, deren elektrischer Widerstand korrespondierend mit abnehmender Flächenpressung durch die Ventilnadel ansteigt (alternativ: absinkt), z. B. proportional hierzu.
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Im Rahmen der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, die Beschichtung als eine amorphe, insbesondere diamantähnliche Kohlenstoffschicht oder eine Schicht aus Kohlenstoffverbindungen auszubilden, i. e. als piezoresistiv wirkende Kohlenstoffschicht, deren elektrische Widerstandsänderung unter Druckbeaufschlagung messbar ist. Eine geeignete amorphe Kohlenstoff-Beschichtung kann z. B. eine DLC-Schicht sein (DLC Diamond-Like Carbon), eine Wasserstofffreie i-C-Schicht, eine Kohlenwasserstoffschicht (a-C:H-Schicht) oder z. B. Kombinationen daraus. Eine Dicke für die Beschichtung kann vorteilhaft dünn im Nano- oder Mikrometerbereich gewählt sein.
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Derartige Schichten sind verschleißbeständig und weisen zudem gute Gleiteigenschaften auf, wie sie im Ventilsitz von Vorteil sein können. Zudem ist deren elektrischer Widerstand auch durch den eingestellten Messstrom beeinflussbar, so dass in Abhängigkeit desselben die Empfindlichkeit der Beschichtung und somit einer hierdurch gebildeten Sensorik einstellbar ist.
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Die elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften einer wie vorstehend beschriebenen piezoresistiv wirkenden Kohlenstoffschicht können ferner mittels Zudotierung weiterer Elemente präzise eingestellt werden, wobei generell sämtliche metallische oder nichtmetallischen Elemente zudotiert werden können – vorausgesetzt die Beschichtung kann weiter piezoresistiv wirken. Insbesondere die Widerstandseigenschaften können durch Dotierung mit z. B. Metallatomen in gewünschter Weise beeinflusst werden, wobei in Abhängigkeit der Dotierung z. B. spezifische Widerstandswerte in der Größenordnung von 1012 Ω·cm (undotiert) bis 104 Ω·cm (dotiert) erzielbar sind.
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Von der Erfindung mit umfasst ist auch das Aufbringen mehrerer piezorestistiv wirkender Schichten, z. B. über- oder nebeneinander, wobei Eigenschaften einer oder mehrerer Schichten z. B. mittels einer Dotierung vorgegeben werden können.
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Für die Beschichtung ist im Rahmen der Erfindung z. B. eine Ringform vorgesehen, welche z. B. der Ventilsitzfläche folgt oder dem Umfang der Ventilnadel, so dass eine stets einwandfreie Kontaktierung derselben durch den daran zur Anlage bringbaren weiteren Ventilpartner ermöglicht ist. Alternativ können z. B. auch Segmente vorgesehen sein oder allgemein nur eine partielle Beschichtung einer Dichtfläche wenigstens eines Ventilpartners. Hierbei sollte sichergestellt sein, dass der Strompfad zwischen den Ventilpartnern am Ventilsitz durch die Beschichtung, i. e. ausschließlich hierüber, ermöglicht ist.
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Vorgeschlagen wird auch ein Verfahren zur Bestimmung des Kraftstoffdrucks an dem Kraftstoffinjektor, wobei in einem ersten Schritt ein Messsignal mittels des Strompfads über die Beschichtung in Abhängigkeit einer durch die Ventilpartner verursachten Flächenpressung an der Beschichtung erfasst wird, wobei das Messsignal in einem zweiten Schritt mit einem Referenzsignal korreliert wird.
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Das Referenzsignal ist z. B. als Kennlinie hinterlegt und wird z. B. als Kalibrierkurve aufgezeichnet. Z. B. kann als Messsignal ein Spannungsverlauf (alternativ z. B. ein Stromverlauf) mittels des Strompfads über die Beschichtung am Ventil mittels der Messeinrichtung für bekannten Kraftstoffdruck, z. B. einmalig und individualisiert, aufgezeichnet werden. Das erhaltene Referenzsignal setzt somit einen Kraftstoffdruck mit einer die Flächenpressung repräsentierenden Messgröße in Beziehung, z. B. einem Spannungsverlauf (alternativ einem Stromverlauf), welcher im Betrieb des Kraftstoffinjektors zur Bestimmung des aktuellen Kraftstoffdrucks als Messsignal ermittelt werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 exemplarisch und schematisch eine abgebrochene Schnittansicht eines Injektors mit einem Strompfad und einer Messeinrichtung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
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1a eine vergrößerte Teilansicht aus 1; und
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2 bis 4 exemplarisch Signalverläufe in Abhängigkeit je des Ventilnadeldrucks und der Nadelstellung.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Die 1 zeigt eine abgebrochene Schnittansicht eines Kraftstoffinjektors 1 eines Common-Rail-Einspritzsystems für eine Brennkraftmaschine. Der Kraftstoffinjektor 1 weist ein Gehäuse 2 auf, welches als Haltekörper und zur Aufnahme weiterer Komponenten des Kraftstoffinjektors 1 dient. In dem Gehäuse 2 angeordnet ist ein elektrisch leitfähiger Düsenkörper 3, innerhalb dessen sich eine Längsbohrung 4 erstreckt, in welcher eine elektrisch leitfähig gebildete Ventilnadel 5 längsverschieblich aufgenommen ist.
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Im Düsenkörper 3 ist – als ein erster Ventilpartner – ferner ein Ventilsitz 6 gebildet, welcher mit der Ventilnadel 5 – als zweitem Ventilpartner – zur Bildung eines Ventils 7 (Nadel- bzw. Einspritzventil) des Kraftstoffinjektors 1 zusammenwirkt. In Abhängigkeit der Relativstellung von Ventilnadel 5 und Ventilsitz 6 ist der Strömungsweg durch einen Ventildurchgang des Ventils 7 hin zu einer Einspritzdüse 8 am Düsenkörper 3 selektiv freigebbar. Zum Verschluss des Ventildurchgangs taucht die Ventilnadel 5 mit einer außenumfangsseitigen Anlagefläche 5a (Dichtfläche) in den Ventilsitz 6 ein, wobei sie gegen diesen zur Anlage bzw. mit diesem dichtend in Eingriff gelangt, zum Öffnen des Ventils 7 wird die Ventilnadel 5 aus dem Ventilsitz 6 abgehoben bzw. außer Eingriff gebracht.
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Die Anlagefläche 5a der Ventilnadel 5 ist hierbei als ringförmiges Kegelmantelflächensegment gebildet, z. B. 1a, die Anlagefläche bzw. die Sitzfläche des Ventilsitzes 6 damit korrespondierend als ringförmiges Hohlkegelmantelflächensegment. Andere, insbesondere ringförmige Ausgestaltungen für korrespondierende Anlageflächen von Ventilnadel 5 und Ventilsitz 6 sind daneben denkbar.
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An dem der Einspritzdüse 8 abgewandten Längsende 3a ist der Düsenkörper 3 mit einem Isolierkörper 9 gedeckelt. Der Isolierkörper 9, welcher scheibenförmig gebildet ist, liegt mit einer dem Düsenkörper 3 abgewandten Seite ferner an einer Zwischenplatte 10 an. Eine Hochdruckbohrung 11 erstreckt sich durch den Isolierkörper 9 und die Zwischenplatte 10, wobei die Hochdruckbohrung 11 mit der Längsbohrung 4 in Fluidkommunikation steht. Mittels der Hochdruckbohrung 11 ist hochdruckbeaufschlagter Kraftstoff aus einem Hochdruckspeicher in einen mittels der Längsbohrung gebildeten Druckraum 12 (Hochdruckkanal) entlang der Ventilnadel 5 verbringbar.
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An ihrem dem Isolierkörper 9 zugewandten Längsende 5b ist die Ventilnadel 5 in einer elektrisch leitfähig gebildeten Hülse 13 relativ zu dieser verschieblich und diese elektrisch leitfähig kontaktierend geführt, wobei die Hülse 13 einerseits an dem Isolierkörper 9 und anderseits mittels einer Schraubenfeder 14 federelastisch an einer Ringschulter 5c der Ventilnadel 5 abgestützt ist. Mittels der Hülse 13 ist ein Steuerraum 15 gebildet, welcher über einen Ablaufkanal 15a (mit Ablaufdrossel) sowie ein Pilotventil 16 (nur schematisch angedeutet) druckentlastbar ist und welcher über eine Zulaufdrossel (nicht dargestellt) mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff seitens des Hochdruckspeichers via der Hochdruckbohrung 11 befüllbar ist. In Abhängigkeit der Druckverhältnisse in der Steuerkammer 15 kann die Ventilnadel 5 auf an sich bekannte, gewünschte Weise bewegt werden. Entsprechende Fluidverbindungen zum Steuerraum inkl. der jeweiligen Drossel (Ablauf- und Zulaufkanal) sind hierbei sowohl durch die Zwischenplatte 10 als auch den Isolierkörper 9 bereitgestellt.
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Durch die Zwischenplatte 10 hin zu dem Isolierkörper 9 erstreckt sich eine weitere Bohrung 17, innerhalb derer ein elektrisches Leiterelement in Form eines Leiterkabels 18 aufgenommen und elektrisch an den – mit Ausnahme einer Isolierschicht – elektrisch leitfähig gebildeten Isolierkörper 9 ankontaktiert ist. Das Leiterkabel 18 ist weiterhin elektrisch mit einer Messeinrichtung 19 verbunden, i. e. mit dem Minuspol der Messeinrichtung 19, ansonsten gegenüber dem Kraftstoffinjektor 1 isoliert.
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Bei dieser Anordnung kontaktiert der Isolierkörper 9 die Hülse 13 sowie das Leiterelement 18 elektrisch leitfähig, ist ansonsten jedoch gegenüber den weiteren Komponenten des Kraftstoffinjektors 1 (insbesondere der Zwischenplatte 10, dem Düsenkörper 3 sowie dem Gehäuse 2) elektrisch isoliert. Hierzu ist der Isolierkörper 9 an seinen Außenflächen mit einer elektrisch isolierenden Isolierschicht, Bz. 9a, geeignet beschichtet.
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Neben dem Isolierkörper 9 weist der Kraftstoffinjektor 1 eine elektrisch isolierende Isolierschicht 20 in der Längsbohrung 4 benachbart zur Ventilnadel 5 auf, insbesondere in einem Bereich 4a, in welchem die Ventilnadel 5 die Längsbohrungsumfangswand kontaktierfähig geführt ist. Zur Bildung der Isolierschicht 20 ist ein verschleißarmes Graphitmaterial auf die Innenseite der Längsbohrung aufgebracht.
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Mittels der Isolierschicht 20 und dem Isolierkörper 9 ist – insbesondere in Verbindung mit der (elektrisch leitfähig gebildeten) Ventilnadel 5, der Hülse 13 sowie dem Leiterkabel 18 – ein erster Teil 21a eines Strompfads 21 am Kraftstoffinjektor 1 vorgegeben, welcher von der Messeinrichtung 19 bzw. deren Minuspol zu einer Beschichtung 22 der Fläche 5a am ventilseitigen Ende (korrespondierend mit der Spitze) der Ventilnadel 5 geführt ist, deren elektrischer Widerstand in Abhängigkeit einer Flächenpressung veränderlich ist. Die piezorestistiv wirkende Beschichtung 22 an der Anlagefläche 5a ist vorliegend mittels einer amorphen Kohlenstoffschicht vorteilhaft verschleißarm gebildet, wobei sie zudem gute Gleiteigenschaften aufweist.
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Ein zweiter Teil 21b des Strompfads 21 ist von der Messeinrichtung 19 bzw. dessen Pluspol über das elektrisch leitfähig gebildete Gehäuse 2 sowie den dieses elektrisch leitfähig kontaktierenden Düsenkörper 3 an den Ventilsitz 6 geführt, i. e. an dessen Sitzfläche, gegen welche die Ventilnadel 5 mit ihrer druckempfindlich beschichteten Fläche 5a zur Anlage gelangen kann. Hierbei ist beachtlich, dass die Ventilnadel 5 die Sitzfläche des Ventilsitzes ausschließlich mittels der Beschichtung 22 elektrisch kontaktieren kann, so dass der erste Teil 21a des Strompfads 21 und der zweite Teil 21b des Strompfads (jeweils Bestandteil eines Stromkreises über die Messeinrichtung 19) via Beschichtung 22 zusammengeführt werden. Ein Strom seitens der Messeinrichtung 19 über den aus erstem und zweitem Teil 21a, 21b gebildeten Strompfad 21 ist insofern genötigt, den Weg über (durch) die Beschichtung 22 zu nehmen. Dies ist stets dann ermöglicht, sobald die Ventilnadel 5 mit ihrer Beschichtung 22 im Ventilsitz 6 aufsitzt.
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Die Messeinrichtung 19 ist zur Messung einer jeweiligen Spannung ausgebildet, Messgerät 19a, welche sich in Abhängigkeit der Relativstellung zwischen den Ventilpartnern 5 und 6 als Messsignal einstellt. Die 2 bis 4 zeigen hierbei beispielhaft mögliche Messsignalverläufe in Abhängigkeit verschiedener Relativstellungen, wie nachfolgend erläutert ist.
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2 zeigt exemplarisch einen durch die Messeinrichtung 19 erfassten Messignalverlauf 23 (Y-Achse; Spannung U), welcher sich in Abhängigkeit des Hubs 24 der Ventilnadel 5 (Y-Achse; Weg) und des Hubs 25 des Pilotventils 16 einstellt (Y-Achse; Weg), über der X-Achse (Zeit) angetragen.
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Vor einem Abheben der Ventilnadel 5 aus dem Ventilsitz 6 wird diese durch die unterschiedlichen hydraulischen Kräfte zunächst im Sitz (i. e. noch im Ventilsitz 6 anliegend) entlastet. Hierbei erfährt die Beschichtung 22 an der Fläche 5a mit zunehmender Zeit und abnehmender hydraulischer Kraft eine geringere Flächenpressung, einhergehend mit einer Erhöhung des elektrischen Widerstands der Beschichtung 22. Mit zunehmender Entlastung steigt die Spannung U des Messsignals 23 folglich langsam an, insbesondere kontinuierlich, 2, Bz. 23a.
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Ab dem Zeitpunkt, ab dem die Ventilnadel 5 aus dem Sitz 6 vollständig abgehoben ist, steigt der Messsignalverlauf 23 sprunghaft an, Bz. 23b, da der erste Teil 21a des Strompfads 21 nunmehr vom zweiten Teil 21b elektrisch getrennt ist, so dass sich eine maximale Spannung 23c im Messignalverlauf einstellt (welche auch abhängig vom Vorwiderstand 19b der Messeinrichtung 19 ist).
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Bei einem Schließen des Ventils 7 einhergehend mit dem Beginn des Ventilnadelaufsitzens, Bz. 23d, sinkt die Spannung U zunächst wieder kontinuierlich ab, da nunmehr der Strompfad 21 über die Beschichtung 22 wieder geschlossen ist, Bz. 23e, und mit zunehmendem Hydraulikdruck die Flächenpressung, welche die Beschichtung 22 erfährt, steigt und insofern deren elektrischer Widerstand sinkt. Hat die hydraulische Kraft (beaufschlagt durch den Kraftstoff) ihr Maximum erreicht, übt die Ventilnadel 5 im Sitz 6 die maximale Flächenpressung aus, d. h. der elektrische Widerstand der Beschichtung 22 ist minimal, und das Messsignal 23 auf dem niedrigsten Niveau, Bz. 23f.
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3 zeigt Signalverläufe korrespondierend mit 2, wobei der Messsignalverlauf 23 im Unterschied zu 2 ein Nadelprellen der Ventilnadel 5 abbildet, Bz. 23g. Nadelprellen kann ggf. bei einer schnellen Abstimmung bzw. einem schnellen Nadelschließen auftreten. Zur Auswertung wird in diesem Falle der erste Nulldurchgang bzw. die erste abfallende Flanke im Messignal genutzt, Bz. 23h.
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4 zeigt Signalverläufe korrespondierend mit jenen der 2 und 3, wobei als Messsignal 23 eine Kalibrierkurve 27 dargestellt ist, welche für den Kraftstoffinjektor 1 individualisiert aufgezeichnet ist. Die Kalibrierkurve 27 bildet den Kraftstoffdruck über dem Spannungssignal U ab, wobei der Kraftstoffdruck hierbei exakt bestimmt bzw. bekannt ist. Durch Korrelation des aufgenommenen Signalverlaufs 27 mit einem weiteren, im Betrieb des Kraftstoffinjektors 1 erhältlichen Messsignal 23 gemäß z. B. 2 oder 3, Bz. 23i, kann nunmehr der Kraftstoffdruck bzw. Systemdruck (Düse) auf einfache Weise bestimmt werden.
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Zur Bestimmung des Kraftstoffdrucks bzw. des Raildrucks mittels der Korrelation wird vorzugsweise eine Differenz in der Signalhöhe zwischen Kalbrierkurve 27 und betriebsaktuellem Messignal 23i ermittelt, welche über eine insbesondere direkte Proportionalitätsbeziehung eine Druckdifferenz repräsentiert, i. e. ΔMesssignal ~ Δp_Raildruck. Eine Korrelation des Messsignals 23h mit dem Referenz- bzw. Kalibriersignal kann durch die Messeinrichtung 19 oder z. B. einem Steuergerät erfolgen, in welchem auch die Kalibrierkurve 27 als z. B. Kennlinie geeignet abgelegt sein kann.
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Wie aus den Messsignalverläufen 23, 27 ersichtlich ist, kann als tatsächlicher Betriebsparameter neben dem jeweiligen Öffnungs- und Schließzeitpunkt 23b bzw. 23h des Ventils 7 die tatsächliche Flächenpressung mittels der aufsitzenden Ventilnadel 5 ermittelt werden, z. B. 23a, 23e. Zudem kann über die flächenpressungsabhängige Änderung des elektrischen Widerstands der Beschichtung 22 eine Druckänderung während des Aufsitzens oder Abhebens der Ventilnadel 5 ermittelt werden, z. B. Bz. 23a, 23e, insbesondere über die Zeit, korrespondierend mit Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten (dp/dt) des Ventils. Wie oben beschrieben kann zudem auf einfache Weise durch Korrelation mit einer Referenz auf den Kraftstoffdruck bzw. Raildruck geschlossen werden.
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Der derart ausgebildete Kraftstoffinjektor 1 ermöglicht eine genauere Aussage über seinen Betriebszustand und sein Betriebsverhalten, insbesondere eine genauere Aussage über die Ursache unterschiedlicher Einspritzmengen und Einspritzzeitpunkten, z. B. im Vergleich mit weiteren baugleichen Kraftstoffinjektoren. Der Kraftstoffinjektor 1 ermöglicht auch, einen Bauteilverschleiß zu kompensieren. Hierbei steuert ein Steuergerät – basierend auf den tatsächlich ermittelten Betriebsparametern – den Kraftstoffinjektor 1 unter Berücksichtigung der Soll-Ist-Abweichung geeignet an. Vorteilhaft gibt die Bestimmung der Öffnung- und Schließgeschwindigkeiten aus dem Messsignal 23 heraus auch Aufschluss über den Pilotventilverschleiß (z. B. Dichtheit und Timing) oder den Verschleiß der Drosseln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftstoffinjektor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Düsenkörper
- 3a
- Längsende 3
- 4
- Längsbohrung
- 4a
- Umfangswandabschnitt 4
- 5
- Ventilnadel
- 5a
- Anlagefläche 5
- 5b
- Längsende 5
- 5c
- Ringschulter 5
- 6
- Ventilsitz
- 7
- Ventil
- 8
- Einspritzdüse
- 9
- Isolierkörper
- 9a
- Isolierschicht 9
- 10
- Zwischenplatte
- 11
- Hochdruckbohrung
- 12
- Druckraum
- 13
- Hülse
- 14
- Schraubenfeder
- 15
- Steuerraum
- 15a
- Ablaufkanal
- 16
- Pilotventil
- 17
- Bohrung
- 18
- Steckkabel
- 19
- Messeinrichtung
- 19a
- Messgerät
- 19b
- Vorwiderstand
- 20
- Isolierschicht
- 21
- Strompfad
- 21a
- erster Teil Strompfad 21
- 21b
- zweiter Teil Strompfad 21
- 22
- Beschichtung
- 23
- Messsignal
- 24
- Nadelhub
- 25
- Hub Pilotventil 16
- 27
- Kalibrierkurve
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1907689 B1 [0002]
- DE 102004015745 A1 [0002, 0003]
- DE 10313623 A1 [0002, 0003]
- DE 10026595 A1 [0002]
