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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
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Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist aus der
DE 10 2010 001 960 A1 der Anmelderin bekannt. Bei den in den
6 und
7 der genannten Schrift offenbarten Ausführungsbeispielen findet eine von einer Spule eines Aktuators separate Spule Verwendung, die zumindest mittelbar mit einem Anker verbunden ist. Der Anker, der über den angesprochenen Aktuator bzw. dessen Spule bei einer Bestromung der Spule bewegbar ist, dient der Beeinflussung des Drucks in einem Steuerraum, über den wiederum die Bewegung eines Einspritzglieds (Düsennadel) beeinflussbar ist. Bei einer Bewegung des Ankers infolge einer Bestromung des Aktuators findet auch eine Beeinflussung des Magnetfelds der separaten Spule statt, so dass über einen geänderten Spannungs- bzw. Stromwert auf eine Bewegung des Ankers und somit indirekt auch auf eine Bewegung des Einspritzglieds geschlossen werden kann. Eine genaue Positionsbestimmung des Einspritzglieds ist mittels des bekannten Kraftstoffventils jedoch nicht möglich.
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Bei modernen Kraftstoffinjektoren hat neben dem Einspritzdruck die Öffnungsdauer der Düsennadel (Einspritzglied) einen entscheidenden Einfluss auf die eingespritzte Kraftstoffmenge. Diese Öffnungsdauer ergibt sich indirekt aus der Ansteuerdauer bzw. aus der Bestromungsdauer des Aktuators (Magnet- oder Piezoakuator) und dem dynamischen Verhalten der Hochdruckhydraulik. Bei Common-Rail-Injektoren für die Dieseleinspritzung ist zudem das durch den Aktuator betätigte Schaltventil als Servoventil ausgeführt. Dieses steuert zunächst eine nachgeschaltete Hochdruckhydraulik an, welche dann wiederum die Öffnungs- bzw. Schließbewegung des Einspritzglieds steuert, wie dies aus der genannten
DE 10 2010 001 960 A1 bekannt ist. Bei derartigen Injektoren wird die Öffnungsdauer des Einspritzglieds zusätzlich durch das dynamische Verhalten des Servoventils beeinflusst.
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Innerhalb der Schaltkette vom Aktuator über das Servoventil und die Hochdruckhydraulik bis zum Einspritzglied kommt es durch unvermeidliche Streuungen von Bauteileeigenschaften sowie durch variable Randbedingungen zu Abweichungen, wodurch sich der Öffnungs- und Schließzeitpunkt der Düsennadel verändert. Als mögliche Randbedingung ist z.B. der Verschleiß der Bauteile zu nennen, aber auch Fertigungstoleranzen sowie hydraulische Druckwellen innerhalb des Einspritzventils. Es ist daher ein Kraftstoffinjektor wünschenswert, bei dem eine Messung der genauen Position des Einspritzglieds mit relativ wenig Aufwand ermöglicht wird, um insbesondere über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors betrachtet durch eine entsprechende Beeinflussung der Ansteuerparameter des Kraftstoffinjektors stets die gewünschte Einspritzmenge bereitstellen zu können.
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Aus dem Stand der Technik sind darüber hinaus Lösungen bekannt, bei denen mittels eines Drucksensors innerhalb des Hochdruckbereichs der Druckverlauf im Hochdruckbereich gemessen wird. Aus dem Druckverlauf kann indirekt auf die Bewegung bzw. Stellung des Einspritzglieds geschlossen werden. Diese Lösungen haben jedoch den Nachteil, dass durch die Anordnung des Sensorelements innerhalb des Hochdruckbereichs eine zusätzliche Dichtstelle erforderlich ist. Des Weiteren erfolgt die Informationsweitergabe der Bewegung des Einspritzglieds über ein flüssiges Medium. Da die Schallgeschwindigkeit in flüssigen Medien jedoch stark von der Temperatur und von dem Druck abhängig ist, kommt es hierbei zu Messabweichungen bzw. Messungenauigkeiten.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass mit möglichst geringem Aufwand und unter Vermeidung von zusätzlichen Hochdruckdichtstellen eine unmittelbare Messung der Position bzw. Stellung des Einspritzglieds ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Einspritzglied Bestandteil des elektromagnetischen Kreises ist, zu dem auch die von dem Aktuator separate elektrische Spule gehört. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die (separate) Spule dazu ausgebildet ist, eine Änderung des Magnetkreises bzw. der Magnetfeldstärke durch eine Positionsänderung des Einspritzglieds zu detektieren, um hierdurch unmittelbar die Position des Einspritzglieds bestimmen zu können. Da die Position des Einspritzglieds somit unmittelbar das Magnetfeld der separaten Spule beeinflusst, sind die aus dem Stand der Technik zwangsläufig entstehenden Messungenauigkeiten, beispielsweise durch eine Druckübertragung in einem Medium usw. nicht vorhanden. Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor ermöglicht damit eine hochgenaue Positionsbestimmung des Einspritzglieds.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen angeführt.
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In konstruktiv besonders bevorzugter, da kompakt bauender Ausbildung wird vorgeschlagen, dass die wenigstens eine Spule das Einspritzglied radial umfasst. Dadurch wird die erforderliche Baulänge des Kraftstoffinjektors nicht vergrößert, so dass ein derartiger Kraftstoffinjektor ohne Änderungen in der Aufnahme des Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine anstelle eines konventionellen Kraftstoffinjektors verwendet werden kann.
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In einer ersten konkreten Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass lediglich eine einzige Spule vorgesehen ist. Bei Verwendung einer einzigen Spule kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Änderung der Position des Einspritzglieds durch Anlegen eines periodischen Spannungs- oder Stromsignals an die Spule und Auswertung des Phasenunterschieds zwischen dem Spannungs- und Stromverlauf erfolgt, wobei der Phasenunterschied ein Maß für die Induktivität der Anordnung, welche wiederum von der Position des Einspritzglieds abhängt, darstellt. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass durch Anlegen einer konstanten Spannung oder eines konstanten Stroms an die einzige Spule es bei einer Änderung der Position des Einspritzglieds zu einer Änderung des magnetischen Flusses (durch die Spule) kommt, was wiederum zu einer Ausgleichsreaktion im Stromsignal bzw. im Spannungssignal führt.
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Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass der Kraftstoffinjektor eine ein Magnetfeld erzeugende erste Spule und eine als Messspule dienende zweite Spule aufweist, und dass die beiden Spulen vorzugsweise einander radial umfassen. Bei einer derartigen Anordnung dient die erste Spule lediglich der Erzeugung des Magnetfelds, und die zweite Spule, die unbestromt ist, dient der Erfassung der Position des Einspritzglieds, da in der unbestromten Messspule bei einer Änderung der Position des Einspritzglieds eine entsprechende Spannung induziert wird. Weiterhin wird durch die radiale Anordnung von erster Spule und Messspule der axiale Bauraum bzw. die axiale Baulänge des Kraftstoffinjektors nicht vergrößert.
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Das Magnetfeld kann auch über wenigstens ein Permanentmagnetelement erzeugt werden, so dass die ggf. einzige Spule nicht bestromt werden muss.
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Zur Ausbildung des Magnetkreises kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass radial innerhalb der wenigstens einen Spule ein nichtmagnetischer Druckring angeordnet ist. Dadurch wird eine Führung der Magnetfeldlinien des Magnetkreises durch die Düsennadel im Bereich der wenigstens einen Spule ermöglicht.
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In konstruktiv alternativer Ausgestaltung kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass sich an die wenigstens eine Spule in axialer Richtung eine nichtmagnetische Druckscheibe anschließt. Eine derartige Ausbildung hat den Vorteil, dass die mechanische Belastung auf die magnetische Trennung zwischen den Bauteilen reduziert wird.
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In konstruktiv konkreter Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Einspritzglied in einem Düsenkörper radial geführt ist, und dass sich die wenigstens eine Spule axial an dem Düsenkörper, ggf. unter Zwischenlage einer nichtmagnetischen Druckscheibe, anschließt.
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Eine ganz besonders gute Auflösung und somit hohe Genauigkeit hinsichtlich der Position des Einspritzglieds wird erzielt, wenn sich auf der dem Düsenkörper abgewandten Seite der wenigstens einen Spule eine Drosselplatte anschließt, wobei das Einspritzglied auf der der wenigstens einen Einspritzöffnung abgewandten Seite in einer Steuerraumhülse radial geführt ist, und wobei zwischen der der Drosselplatte zugewandten Stirnfläche des Einspritzglieds und der Drosselplatte ein von der Position des Einspritzglieds abhängiger Arbeitsluftspalt für den elektromagnetischen Kreis ausgebildet ist. Bei einer derartigen Ausbildung wird über die Änderung des Arbeitsluftspalts und der damit einhergehenden Änderung des Magnetkreises auf eine Positionsänderung des Einspritzglieds geschlossen.
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Besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn wenigstens ein Bauteil des elektromagnetischen Kreises aus einem magnetisch mittelharten oder harten Material besteht. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass bei Verwendung einer einzigen Spule, die als Messspule dient, diese lediglich zeitweise mit einer Spannungsquelle verbunden werden muss, da nach der Trennung der Spannungsquelle von der Spule aufgrund des magnetisch mittelharten oder harten Materials ein lang anhaltender Remanenzfluss erzeugt werden kann, sodass sich der magnetische Fluss durch die Spule relativ langsam abbaut. Dadurch muss eine Aufmagnetisierung des magnetischen Kreises beispielsweise erst wieder erfolgen, wenn das Spannungssignal bzw. die Messspannung einen bestimmten Mindestwert unterschreitet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen Längsschnitt durch einen Teilbereich eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors unter Verwendung einer einzigen (zusätzlichen) Spule zur Positionsbestimmung einer Düsennadel,
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2 eine abgewandelte Ausführungsform des Kraftstoffinjektors gemäß 1 unter Verwendung zweier Spulen, wobei die eine Spule als Messspule dient und die andere Spule der Erzeugung eines Magnetfelds dient,
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3 einen gegenüber 1 abgewandelten Kraftstoffinjektor unter Verwendung von Permanentmagnetelementen, ebenfalls im Längsschnitt,
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4 einen abgewandelten Kraftstoffinjektor, bei der die Spule Änderungen eines Arbeitsluftspalt erfasst, im Längsschnitt,
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5 einen gegenüber 4 abgewandelten Kraftstoffinjektor unter Verwendung einer nichtmagnetischen Druckscheibe,
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6 einen gegenüber 5 abgewandelten Kraftstoffinjektor unter Verwendung von Permanentmagnetelementen, ebenfalls im Längsschnitt,
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7 eine Prinzipdarstellung des Kraftstoffinjektors bei Verwendung einer Messspule sowie des zeitlichen Verlaufs der Ansteuerung des Aktuators und der Messspule des Kraftstoffinjektors und
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8 den Verlauf des Hubs einer Düsennadel und eines Messsignals an der Messspule bei einem Kraftstoffinjektor über die Zeit während eines Einspritztaktes.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ein erster erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor 10 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen nicht gezeigten Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 10 umfasst ein aus Metall bestehendes Injektorgehäuse 11, das im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Injektorkörper 12 und einen in axialer Richtung an den Injektorkörper 12 sich anschließenden Düsenkörper 13 umfasst. Der Injektorkörper 12 ist mit dem Düsenkörper 13 mittels einer aus dem Stand der Technik bekannten Düsenspannmutter 15 axial verspannt. Innerhalb des Injektorgehäuses 11 ist in einer Längsachse 17 ein in Richtung des Doppelpfeils 18 beweglich angeordnetes Einspritzglied in Form einer Düsennadel 20 angeordnet. Die Düsennadel 20 dient dem Verschließen bzw. Freigeben wenigstens einer in dem Düsenkörper 13 ausgebildeten Einspritzöffnung 21, um beim Freigeben der wenigstens einen Einspritzöffnung 21 unter Hochdruck stehenden Kraftstoff aus einem Hochdruckraum 22 in den Brennraum der Brennkraftmaschine abzugeben. In der in der 1 dargestellten Stellung der Düsennadel 20 verschließt dessen der wenigstens einen Einspritzöffnung 21 zugewandtes Ende unter Ausbildung eines Dichtsitzes die wenigstens eine Einspritzöffnung 21.
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Die Düsennadel 20 ist innerhalb des Düsenkörpers 13 zumindest bereichsweise radial geführt und über eine Betätigungsstange 23 mit einem im Einzelnen nicht dargestellten Aktuator 25 (hier über einen hydraulischen Koppler) verbunden, der der Betätigung der Düsennadel 20 in deren Öffnungsrichtung dient. Bei dem Aktuator 25 kann es sich beispielsweise um einen Magnetaktor handeln, um ein Servoventil oder um einen Piezoaktor.
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An einem Bund 26 innerhalb des Injektorkörpers 12 stützt sich eine Schließfeder 27 ab, deren dem Bund 26 gegenüberliegendes Ende sich wiederum an einem hülsenförmigen Führungsglied 28 abstützt. Bei nicht betätigtem Aktuator 25 dient die Schließfeder 27 dazu, die Düsennadel 20 in ihre in der 1 dargestellte Schließposition zu drücken, bei der die wenigstens eine Einspritzöffnung 21 verschlossen ist.
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Die Düsennadel 20 ist axial zwischen dem Düsenkörper 13 und dem Injektorkörper 12 radial von einem nichtmagnetischen Druckring 30 umgeben, welcher wiederum radial von einer mit einer Spannungsquelle verbundenen Spule 32 umfasst ist, die sich axial bis in den Bereich einer im Querschnitt L-förmigen Ausnehmung 33 des Injektorkörpers 12 erstreckt. In der in der 1 dargestellten Stellung schließt die eine Stirnseite 34 der Spule 32 in etwa mit der Stirnfläche 35 der Düsennadel 20 auf der der Betätigungsstange 23 zugewandten Seite bündig ab. Bei einer Bestromung der Spule 32 wird innerhalb des Injektorgehäuses 11 ein geschlossener elektromagnetischer Kreis bzw. Magnetkreis erzeugt, wobei beispielhaft (geschlossene) Magnetfeldlinien 36, 37 der Erläuterung der Form des Magnetkreises dienen sollen. Wesentlich dabei ist, dass bei einer Änderung der Position der Düsennadel 20, d.h. im konkreten Fall bei einem Abheben der Düsennadel 20 aus ihrer die wenigstens eine Einspritzöffnung 21 verschließenden Stellung (in der Zeichnungsebene nach rechts), sich der magnetische Fluss durch die Spule 32 ändert, welcher durch eine entsprechende Messschaltung (Strom- oder Spannungsänderungen in der Spule 32) detektierbar ist, um daraus auf die genaue Position der Düsennadel 20, d.h. ihre augenblickliche Stellung schließen zu können.
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In der 2 ist ein modifizierter Kraftstoffinjektor 10a dargestellt, der sich von dem Kraftstoffinjektor 10 gemäß der 1 dadurch unterscheidet, dass zusätzlich zur bestrombaren Spule 32 beispielhaft radial innerhalb der Spule 32 eine zusätzliche Messspule 38 angeordnet ist. Bei dem Kraftstoffinjektor 10a ist die Spule 32 stets bestromt, während über die Messspule 38 Änderungen des Magnetflusses, verursacht durch unterschiedliche Stellungen der Düsennadel 20, erfasst werden.
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In der 3 ist ein wiederum gegenüber der 1 modifizierter Kraftstoffinjektor 10b dargestellt, bei dem in einer im Querschnitt L-förmigen Umfangsnut 39 an der der Messspule 38 zugewandten Stirnseite des Düsenkörpers 13 wenigstens ein Permanentmagnetelement 40 angeordnet ist. Das Permanentmagnetelement 40 dient der Erzeugung eines Magnetfeldes, wobei eine Änderung der Position der Düsennadel 20 zu einer Änderung des magnetischen Flusses bzw. der in die Messspule 38 induzierter Spannung führt.
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In der 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines Kraftstoffinjektors 10c dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 10c umfasst ein Servoventil, wobei innerhalb des Hochdruckraums 22 eine Steuerraumhülse 42 angeordnet ist, die das der wenigstens einen Einspritzöffnung 21 abgewandte Ende der Düsennadel 20 radial umfasst und einen Steuerraum 43 ausbildet. Die Steuerraumhülse 42 liegt axial an einer Drosselplatte 45 an, in der eine Ablaufbohrung 46 ausgebildet ist, die in bekannter Art und Weise der Druckentlastung des Steuerraums 43 zur Beeinflussung der Bewegung der Düsennadel 20 dient. Eine Schließfeder 47 stützt sich einerseits gegen die der Drosselplatte 45 abgewandten Stirnfläche der Steuerraumhülse 42, und andererseits an einem Bund 48 der Düsennadel 20 ab. Der Hochdruckraum 22 ist radial von einem nichtmagnetischen Druckring 49 umgeben, welcher wiederum radial von der Spule 32c umfasst ist. Die Spule 32c ist radial innerhalb der Düsenspannmutter 15 und axial zwischen der Drosselplatte 45 und dem Düsenkörper 13 angeordnet. Wesentlich dabei ist, dass eine Veränderung der Position der Düsennadel 20 die Größe eines Arbeitsluftspalts 50, der zwischen der der Drosselplatte 45 zugewandten Stirnseite der Düsennadel 20 und der Drosselplatte 45 von dem Steuerraum 43 ausgebildet ist, beeinflusst. Diese Veränderung der Größe des Arbeitsluftspalts 50 führt zu einer Veränderung des magnetischen Feldes, welches mittels der Spule 32c erfasst wird, wobei die Spule 32c in axialer Richtung des Kraftstoffinjektors 10c betrachtet sich im Bereich des Arbeitsluftspalts 50 befindet.
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Der Kraftstoffinjektor 10d gemäß der 5 unterscheidet sich von dem Kraftstoffinjektor 10c gemäß der 4 durch die Verwendung eines nichtmagnetischen Druckrings 52, der axial zwischen dem Düsenkörper 13 und der Drosselplatte 45 angeordnet ist. Die Spule 32c schließt sich axial an den Druckring 52 im Bereich der Drosselplatte 45 und axial zur Düsennadel 20 beabstandet an, wozu diese an seinem Außenumfang eine L-förmige Aussparung 53 aufweist. Bei dem Kraftstoffinjektor 10d ist die Spule 32c axial auf der der wenigstens einen Einspritzöffnung 21 abgewandten Seite der Düsennadel 20 bzw. des Arbeitsluftspalts 50 angeordnet.
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Zuletzt ist in der 6 ein Kraftstoffinjektor 10e dargestellt, der sich von dem Kraftstoffinjektor 10d der 5 dadurch unterscheidet, dass fluchtend zur Düsennadel 20 in dem Druckring 52 wenigstens ein Permanentmagnetelement 58 angeordnet ist. In diesem Fall wird anstelle einer bestromten Spule 32 eine Messspule 38e verwendet.
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Aus der 7 ist zum einen erkennbar, dass der Aktuator 25 des Kraftstoffinjektors 10 über einen Schalter 60 mit einer Spannungsquelle 61 verbunden ist. Ferner ist die Spule 32, welche als Messspule dient, mittels eines weiteren Schalters 63 mit einer Spannungsquelle 64 verbunden (wobei es sich bei den beiden Spannungsquellen 61, 64 um die gleiche Spannungsquelle 61, 64 handeln kann). Eine Messeinrichtung 65 erfasst die in der Spule 32 induzierte bzw. vorhandene Spannung U und führt diese einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtugn bei, die wiederum zumindest mittelbar der Ansteuerung des Kraftstoffinjektors 10 dient. Ferner ist anhand der 7 erkennbar, dass die durch den Kurvenverlauf S63 dargestellte Ansteuerung des Schalters 63 zeitlich immer vor der Ansteuerung des Aktuators 25 durch den Schalter 60 erfolgt, wobei die Ansteuerung des Aktuators 25 durch die Kurve S60 dargestellt ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass während der Bewegung der Düsennadel 20 die Spule 32 nicht mit der Spannungsquelle 61 verbunden ist. Vielmehr wird über die Messeinrichtung 65 die Spannung U in der Spule 32 erfasst, die sich aufgrund der Bewegung der Düsennadel 20 während ihrer Öffnungs- bzw. Schließbewegung ändert. Grundlage hierfür ist die Aufmagnetisierung der Spule 32 vor der Ansteuerung der Düsennadel 20.
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Darüber hinaus wird erläutert, dass die Verbindung der Spule 32 mit der Spannungsquelle 61 durch Schließen des Schalters 60 vorzugsweise nur dann erfolgt, wenn das Spannungssignal U der Spule 32 einen bestimmten Mindest- bzw. Grenzwert unterschreitet. Das bedeutet, dass die Spule 32 nicht nach jedem bzw. immer zwischen zwei Einspritzhüben der Düsennadel 20 mit der Spannungsquelle 61 verbunden werden muss. Das lediglich zeitweise erforderliche Anlegen bzw. Verbinden der Spule 32 mit der Spannungsquelle 61 wird durch die Verwendung eines mittelharten bzw. harten magnetischen Werkstoffes für den magnetischen Kreis 36, 37 begünstigt.
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In der 8 ist der Hub H der Düsennadel 20 sowie die Spannung U der Spule 32 während eines Öffnungs- und Schließhubs der Düsennadel 20 dargestellt. Bei der Darstellung der 8 wird davon ausgegangen, dass die Spule 32 während der Ansteuerung der Düsennadel 20 mit einem konstanten Sttrom angesteuert wird. Insbesondere erkennt man bei der Öffnungsbewegung der Düsennadel (Hub H wird größer) eine fallende Spannung U an der Spule 32, während bei der Schließbewegung der Düsennadel 20 die Spannung U an der Spule 32 ansteigt.
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Die soweit beschriebenen Kraftstoffinjektoren 10, 10a bis 10e können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es beispeilswesie denkbar, dass die beiden Spulen 32, 38 sich nicht radial umfassen, sondern axial hintereinander angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010001960 A1 [0002, 0003]
