DE102012210134A1

DE102012210134A1 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE102012210134A1
Application number: DE102012210134A
Authority: DE
Inventors: Martin Mueller; Tilo Landenfeld; Ulrich Doebler; Cornelia Giessler; Michael Geiger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2013-12-19
Also published as: US20130341421A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum, umfassend ein Gehäuse (2) mit einer brennraumseitigen Spritzöffnung (7), eine im Gehäuse (2) linearbewegliche, nach außen öffnende Ventilnadel (3) zum Öffnen und Schließen der Spritzöffnung (7), einen Piezoaktor (4) zum Bewegen der Ventilnadel (3), eine brennraumzugewandte, erste Anschlagfläche (11) an der Ventilnadel (3), und eine der ersten Anschlagfläche (11) gegenüberliegende zweite Anschlagfläche (12) am Gehäuse, wobei bei einer maximal möglichen Bewegung der Ventilnadel (3) mit dem Piezoaktor (4) in Öffnungsrichtung (19) die erste Anschlagfläche (11) an der zweiten Anschlagfläche (12) anschlagbar ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil mit einer nach außen öffnenden Ventilnadel und einem Piezoaktor zum Bewegen der Ventilnadel. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des Brennstoffeinspritzventils.
Insbesondere im Bereich der Direkteinspritzung von Kraftstoff, beispielsweise für Kraftfahrzeugmotoren, werden Ventile eingesetzt, deren Ventilnadel von einem Piezoaktor gegen eine Schließerfeder so bewegt wird, dass eine gewünschte Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit gezielt direkt in den Brennraum eingebracht werden kann. Vorliegend von Interesse sind Einspritzventile, deren Ventilnadeln mit einem Piezoaktor bewegt werden. Mittels des Piezoaktors ist eine sehr präzise und schnelle Bewegung möglich. Des Weiteren werden nach außen öffnende Ventilnadeln betrachtet. "Nach außen öffnend" bedeutet, dass die Ventilnadel zum Öffnen des Einspritzventils in Richtung des Brennraums bewegt wird. Vorteil der nach außen öffnenden Ventilnadeln ist, dass der Hub der Ventilnadel stufenlos einstellbar ist. Der Piezoaktor wird dabei mit einer injektorindividuell ermittelten elektrischen Steuergröße (z.B. Ladung oder Spannung) so angesteuert, dass ein gewünschter Nennhub eingestellt und damit die gewünschte Kraftstoffmenge für den normalen Betrieb vorgegeben wird. Infolge von z.B. Verschleiß und Veränderung des Aktorhubes während des Betriebes verändert sich auch der Hub der Ventilnadel bzw. das Hubintegral. Infolgedessen verändert sich die dem Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit. Die Änderung des Hubes der Ventilnadel ist dabei u.a. gekennzeichnet durch eine Änderung des mittleren Nennhubes (auch: Hubplateau), oder des zeitlichen Nadelhubverlaufs (z.B. Verzugszeit und Hubgradienten). Die Ausprägung der Nadelhubänderung sowie die dafür erforderliche Betriebsdauer und Betriebsbedingungen sind ventilindividuell und somit nicht hinreichend genau empirisch zu bestimmen. Im Stand der Technik wird die Hubänderung und die damit verbundene Durchflussänderung motorisch durch das zylinderindividuelle Drehmoment der Brennkraftmaschine oder den Lambda-Wert bestimmt. Für beide Verfahren müssen zusätzliche definierte Betriebspunkte gefahren werden. Diese führen jedoch zu einer Erhöhung der Abgas- und Verbrauchswerte. Weiterhin liegt die Genauigkeit der vorbekannten Verfahren bei ca. 5% aufgrund der Bestimmung indirekter Regelgrößen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht es nun, den Hub des Piezoaktors bzw. der Ventilnadel, basierend auf einer direkten Regelgröße für die Nadelhubänderung einzustellen. Durch das direkte Detektieren des Anschlags einer ersten Anschlagfläche an einer zweiten Anschlagfläche wird die Nadelhubänderung am Ort der Entstehung erfasst und kann ventilindividuell nachgeregelt werden. Des Weiteren sind durch den Anschlag Teilhübe nicht eingeschränkt. Diese Vorteile werden erreicht durch ein Brennstoffeinspritzventil, umfassend ein Gehäuse mit einer brennraumseitigen Spritzöffnung und eine im Gehäuse linear bewegliche, nach außen öffnende Ventilnadel zum Öffnen und Schließen der Spritzöffnung. Des Weiteren umfasst das Brennstoffeinspritzventil einen Piezoaktor zum Bewegen der Ventilnadel. In dem Piezoaktor sind entsprechende Piezoelemente angeordnet, die zum Bewegen der Ventilnadel bestromt werden. Erfindungsgemäß ist an der Ventilnadel eine erste Anschlagfläche ausgebildet. Diese erste Anschlagfläche ist dem Brennraum zugewandt. Der ersten Anschlagfläche liegt eine zweite Anschlagfläche am Gehäuse gegenüber. Der Piezoaktor ist so ausgelegt, dass bei einer maximal möglichen Bewegung der Ventilnadel mit dem Piezoaktor in Öffnungsrichtung die erste Anschlagfläche an der zweiten Anschlagfläche anschlägt. Dieser Anschlag kann unmittelbar an den elektrischen Signalen es Piezoaktors abgelesen werden. Beim Betrieb des Brennstoffeinspritzventils wird in regelmäßigen Abständen der Piezoaktor so stark angesteuert, dass der erste Anschlag am zweiten Anschlag anschlägt. Basierend auf dem detektierten Anschlag kann dann der Hub der Ventilnadel für den normalen Betrieb eingestellt werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt ist ein Spalt zwischen der ersten Anschlagfläche und der zweiten Anschlagfläche so eingestellt, dass im Normalbetrieb des Brennstoffeinspritzventils die erste Anschlagfläche nicht an der zweiten Anschlagfläche anschlägt. Es können also weiterhin die Vorteile des Brennstoffeinspritzventils mit einer nach außen öffnenden Ventilnadel und einem Piezoaktor genutzt werden. Die Ventilnadel ist durch den Piezoaktor äußerst schnell und präzise bewegbar. Im Normalbetrieb ist die Öffnungsbewegung der Ventilnadel stufenlos und anschlagsfrei einstellbar, um jede gewünschte Einspritzmenge zu ermöglichen.
Bevorzugt ist die erste Anschlagfläche und/oder die zweite Anschlagfläche als überfederter Hubanschlag zur Reduktion von Kraftspitzen und damit zur Verschleißreduktion der Anschlagflächen ausgebildet. Hierzu wird zwischen der ersten Anschlagfläche und einem Fixpunkt an der Ventilnadel eine Feder, insbesondere eine Spiralfeder, angeordnet. Zusätzlich oder alternativ kann auch zwischen der zweiten Anschlagfläche und einem Fixpunkt am Gehäuse eine Feder angeordnet werden.
Zur Ausbildung der ersten Anschlagfläche wird bevorzugt ein Ring auf die Ventilnadel aufgesteckt. Bei Verwendung der oben beschriebenen Feder ist der Ring entlang der Längsachse der Ventilnadel beweglich. Bei Ausbildung einer fixen ersten Anschlagfläche wird der Ring, insbesondere stoffschlüssig oder kraftschlüssig, mit der Ventilnadel verbunden. Der Anschlag wird möglichst nah am Ventilsitz bzw. der Spritzöffnung angebracht, um möglichst alle Einflussfaktoren zu kompensieren. Bevorzugt werden die beiden Anschlagflächen aus Verschleißgründen sehr hart ausgebildet. Hier kommt beispielsweise gehärteter Stahl zum Einsatz. Des Weiteren ist eine Oberflächenbeschichtung zur Vergrößerung der Oberflächenhärte und zur Verschleißreduzierung möglich. Die beiden Anschlagflächen bzw. der Ring an der Ventilnadel sind so ausgebildet, dass auch bei einem Anschlag der Kraftstoff an den beiden Anschlagflächen vorbeiströmen kann.
Des Weiteren ist bevorzugt eine Steuereinheit zum Ansteuern des Piezoaktors vorgesehen. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, anhand eines elektrischen Signals am Piezoaktor einen Anschlag der ersten Anschlagfläche auf der zweiten Anschlagfläche zu erfassen.
Als elektrische Signale zur Erfassung des Anschlags werden insbesondere der Strom und/oder die Ladung und/oder die Spannung am Piezoaktor genutzt.
Besonders bevorzugt misst die Steuereinheit die Zeit von einer Bestromung bzw. einer Aktivierung des Piezoaktors bis zum Anschlag. Basierend auf der Zeit, kann der Hub der Ventilnadel für den Normalbetrieb justiert werden.
Die Erfindung umfasst im Weiteren ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffeinspritzventils. Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und die Unteransprüche finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte: (i) Bereitstellen eines Brennstoffeinspritzventils mit einem Gehäuse, einer nach außen öffnenden Ventilnadel und einem Piezoaktor zum Betätigen der Ventilnadel, wobei an der Ventilnadel eine erste Anschlagfläche ausgebildet ist und an dem Gehäuse eine zweite Anschlagfläche ausgebildet ist, (ii) Bestromen des Piezoaktors zum Bewegen der Ventilnadel, (iii) Erfassen eines Anschlags der ersten Anschlagfläche auf der zweiten Anschlagfläche anhand zumindest eines elektrischen Signals am Piezoaktor, und (iv) Einstellen eines Hubes der Ventilnadel, basierend auf dem erfassten Anschlag. Es erfolgt eine injektorindividuelle Erfassung von Zeit bzw. Hub bis zum Anschlag im Neuzustand und Übermittlung an das Steuergerät.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass im Normalbetrieb des Brennstoffeinspritzventils die erste Anschlagfläche nicht an der zweiten Anschlagfläche anschlägt. Lediglich zum Justieren des Hubes wird die Ventilnadel so weit bewegt, dass es zum Anschlag kommt.
Im Neuzustand wird jedes Brennstoffeinspritzventil mit einer injektorindividuell ermittelten elektrischen Steuergröße betrieben, so dass der Hubanschlag sicher erreicht wird. Die Zeitspanne zwischen Beginn der Aktorbestromung und dem
Erreichen des Anschlags wird ermittelt und dem Steuergerät übergeben. In Kombination dazu kann zusätzlich der Nadelhub oder die elektrische Steuergröße bis zum Anschlag erfasst und dem Steuergerät übermittelt werden. Dadurch gibt es einen für das Brennstoffeinspritzventil individuellen Wert im Neuzustand. Nach einer gewissen Verwendungszeit des Brennstoffeinspritzventils in einem Motor wird der Motor in einem bestimmten Betriebspunkt betrieben und der Piezoaktor erneut derart angesteuert, dass es zum Anschlag kommt. Die dabei ermittelten Werte können mit den Werten aus dem Neuzustand verglichen werden. Die Änderungen werden anschließend für jedes Brennstoffeinspritzventil bestimmt und in eine effektive Nadelhubänderung umgerechnet. Um diese Nadelhubänderung zu regeln, kann die erforderliche elektrische Größe für den Piezoaktor oder alternativ die Einspritzdauer angepasst werden.
Die Überprüfung der Werte muss nur selten, bei einem Kraftfahrzeug z. B. alle tausend Kilometer, ermittelt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Anschlagflächen nicht verschleißen, der Weg zum Erreichen des Anschlags über die Lebensdauer konstant bleibt und damit die Genauigkeit der Nachregelung sichergestellt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und
2 ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Brennstoffeinspritzventil 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Das Brennstoffeinspritzventil 1 umfasst ein Gehäuse 2. In dem Gehäuse 2 ist eine Ventilnadel 3 entlang einer Längsachse 18 längsbeweglich geführt. An einer brennraumzugewandten Seite 6 ist eine Spritzöffnung 7 im Gehäuse 2 ausgebildet. An einer brennraumabgewandten Seite ist ein Piezoaktor 4 zum Bewegen der Ventilnadel 3 entlang der Längsachse 18 angeordnet. 1 zeigt den geschlossenen Zustand des Brennstoffeinspritzventils 1. In diesem Zustand bildet die Ventilnadel 3 mit der Spritzöffnung 7 einen Dichtsitz 8.
Bei einer entsprechenden Bestromung des Piezoaktors 4 wird die Ventilnadel 3 in der eingezeichneten Öffnungsrichtung 19 bewegt. Dadurch öffnet sich die Spritzöffnung 7 und Brennstoff kann den Innenraum des Gehäuses 2 entlang der eingezeichneten Flussrichtung 15 durchströmen und über die Spritzöffnung 7 direkt in den Brennraum gelangen.
Auf der Ventilnadel 3 ist ein Ring 9 aufgesteckt und mittels eines stoffschlüssigen Verbindung 13, z.B. einer Schweißnaht, mit der Ventilnadel 3 verbunden. Auf der dem Brennraum zugewandten Seite des Rings 9 ist eine erste Anschlagfläche 11 ausgebildet. Im Gehäuse 2 ist ein Absatz 10 ausgebildet. Auf dem Absatz 10 ist eine der ersten Anschlagfläche 11 gegenüberliegende zweite Anschlagfläche 12 vorgesehen. Zwischen den beiden Anschlagflächen 11, 12 ist ein Spalt 14 vorgesehen. Der Spalt 14 ist so groß gewählt, dass im normalen Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 die erste Anschlagfläche 11 nicht mit der zweiten Anschlagfläche 12 in Kontakt kommt. Lediglich zur Überprüfung und Einstellung des Hubes der Ventilnadel 3 wird der Piezoaktor 4 derart bestromt, dass es zum Anschlag der ersten Anschlagfläche 11 auf der zweiten Anschlagfläche 12 kommt.
Mittels einer entsprechenden Steuereinheit kann der Piezoaktor 4 angesteuert werden, um den Anschlag auszulösen. Anhand eines entsprechenden Signals am Piezoaktor 4 wird der exakte Zeitpunkt des Anschlags detektiert. Dies ist möglich, da sich der durch den Anschlag auftretende Kraftimpuls bis in den Piezoaktor fortsetzt und im Piezoaktor anhand der elektrischen Signale, beispielsweise anhand einer Gradientenänderung, erfassbar ist.
Erfindungsgemäß ist also eine Möglichkeit gegeben, um mittels einer direkt ermittelten Regelgröße den Hub der Ventilnadel 3 einzustellen und somit einen Verschleiß auszugleichen. Gleichzeitig können erfindungsgemäß die Vorteile der nach außen öffnenden Ventilnadel und des Piezoaktors genutzt werden.
2 zeigt das Brennstoffeinspritzventil 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind in allen Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Übersichtlichkeit halber ist im zweiten Ausführungsbeispiel ein Teil des Gehäuses 2 ausgeblendet.
Im zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Hülse 16 fest auf der Ventilnadel 3 montiert. Der Ring 9 ist auf der Ventilnadel 3 entlang der Längsachse 18 verschiebbar angeordnet. Zwischen einem Absatz an der Hülse 16 und dem Ring 9 ist eine Feder 17 eingesetzt. Die Feder 17 stützt sich somit mit einem Ende gegen einen bezüglich der Ventilnadel 3 ortsfesten Punkt. Das andere Ende der Feder 17 stützt sich gegen den beweglichen Ring 19.
Im zweiten Ausführungsbeispiel wird der Anschlag zwischen den beiden Anschlagflächen 11, 12 durch die Feder 17 gedämpft. Dadurch wird der Verschleiß an den Anschlagflächen 11, 12 reduziert und die Belastung des gesamten Brennstoffeinspritzventils 1 durch den Kraftimpuls wird verringert.

Claims

Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum, umfassend: – ein Gehäuse (2) mit einer brennraumseitigen Spritzöffnung (7), – eine im Gehäuse (2) linearbewegliche, nach außen öffnende Ventilnadel (3) zum Öffnen und Schließen der Spritzöffnung (7), – einen Piezoaktor (4) zum Bewegen der Ventilnadel (3), – eine brennraumzugewandte, erste Anschlagfläche (11) an der Ventilnadel (3), und – eine der ersten Anschlagfläche (11) gegenüberliegende zweite Anschlagfläche (12) am Gehäuse, – wobei bei einer maximal möglichen Bewegung der Ventilnadel (3) mit dem Piezoaktor (4) in Öffnungsrichtung (19) die erste Anschlagfläche (11) an der zweiten Anschlagfläche (12) anschlagbar ist.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt (14) zwischen der ersten Anschlagfläche (11) und der zweiten Anschlagfläche (12) so eingestellt ist, dass im Normalbetrieb des Brennstoffeinspritzventils (1) die erste Anschlagfläche (11) nicht an der zweiten Anschlagfläche (12) anschlägt.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Feder (17) zwischen der ersten Anschlagfläche (11) und der Ventilnadel (3) und/oder eine weitere Feder zwischen der zweiten Anschlagfläche (12) und dem Gehäuse (2).
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anschlagfläche (11) an einem auf der Ventilnadel (3) steckenden Ring (9) ausgebildet ist, und/oder dass die zweite Anschlagfläche (12) an einem Absatz (10) im Gehäuse (2) ausgebildet ist.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit zum Ansteuern des Piezoaktors (4), wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, anhand eines elektrischen Signals am Piezoaktor einen Anschlag der ersten Anschlagfläche (11) auf der zweiten Anschlagfläche (12) zu erfassen.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Signal die Ladung und/oder den Strom und/oder die Spannung am Piezoaktor wiedergibt.
Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Zeit von einer Bestromung des Piezoaktors (4) bis zum Anschlag ermittelt.
Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit einen Hub der Ventilnadel (3) basierend auf der ermittelten Zeit anpasst.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffeinspritzventils (1), umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Brennstoffeinspritzventils (1) mit einem Gehäuse (2), einer nach außen öffnenden Ventilnadel (3) und einem Piezoaktor (4) zum Betätigen der Ventilnadel, – Bestromen des Piezoaktors (4), – Erfassen eines Anschlags einer ersten Anschlagfläche (11) der Ventilnadel (3) mit einer zweiten Anschlagfläche (12) des Gehäuses (2) anhand zumindest eines elektrischen Signals am Piezoaktor, und – Einstellen eines Hubes der Ventilnadel (3) basierend auf dem erfassten Anschlag während des Betriebes und im Neuzustand.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalbetrieb des Brennstoffeinspritzventils (1) die erste Anschlagfläche (11) nicht an der zweiten Anschlagfläche (12) anschlägt.