DE102014226811A1 - Einspritzventil zur Injektion eines Fluids, Verwendung eines Einspritzventils und Verfahren zur Herstellung eines Einspritzventils - Google Patents

Einspritzventil zur Injektion eines Fluids, Verwendung eines Einspritzventils und Verfahren zur Herstellung eines Einspritzventils Download PDF

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Abstract

Es wird ein Einspritzventil zur Injektion eines Fluids, insbesondere ein Kraftstofffluid, vorgeschlagen, wobei das Kraftstofffluid in einen Ansaugkanal oder in einen Verbrennungsraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wobei das Einspritzventil einen elektronmagnetischen Aktor umfassend einen Magnetkreis aufweist, wobei der Magnetkreis eine Magnetspule, einen Innenpol und einen mit der Magnetspule und dem Innenpol zusammenwirkenden Magnetanker aufweist, wobei der Magnetkreis zur Erzeugung einer geregelten Kraftwirkung zwischen dem Innenpol auf den Magnetanker konfiguriert ist, wenn der elektromagnetische Aktor mittels eines Steuerstroms und/oder einer Steuerspannung angesteuert wird, wobei das Einspritzventil im Bereich zwischen dem Innenpol und dem Magnetanker einen Spalt aufweist, wobei das Einspritzventil eine Ventilhülse aufweist, wobei die Ventilhülse – entweder durchgängig – sowohl im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenpol und dem Magnetanker – paramagnetische Materialeigenschaften aufweist, – oder im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenpol und dem Magnetanker paramagnetische Materialeigenschaften und außerhalb dieses Bereichs ferromagnetische Materialeigenschaften aufweist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil zur Injektion eines Fluids, insbesondere ein Kraftstofffluid, in einen Ansaugkanal oder in einen Verbrennungsraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, wobei das Einspritzventil einen elektronmagnetischen Aktor, umfassend einen Magnetkreis, aufweist.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Einspritzventils und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Einspritzventils.
  • Elektromagnetisch betätigte Einspritzventile der vorstehend genannten Art können ganz allgemein zur Zumessung von Fluiden eingesetzt werden. Diese Einspritzventile werden bevorzugt in Kraftstoffsystemen von Brennkraftmaschinen zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum oder in einen Ansaugkanal (eines Zylinders) der Brennkraftmaschine verwendet, wobei die Brennkraftmaschine typischerweise eine Mehrzahl von Zylindern umfasst. Die präzise Einhaltung einer vorgegebenen Einspritzmenge ist für das Emissionsverhalten und Verbrauchsverhalten der Brennkraftmaschine von entscheidender Bedeutung. Die eingespritzte Kraftstoffmenge hängt unter anderem von einer Öffnungsdauer des Ventils und damit insbesondere auch von einem tatsächlichen hydraulischen Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Ventils ab, der sich bei realen Ventilen deutlich von einem elektrischen Ansteuerbeginn des Aktors unterscheiden kann. Allein unter Kenntnis des elektrischen Ansteuerbeginns und -endes kann daher eine präzise Fluidzumessung in der Regel nicht erfolgen. Zwar ist es grundsätzlich bekannt, die elektrische Ansteuerung von Einspritzventilen geregelt durchzuführen, jedoch sind typischerweise heutige Einspritzventile auf einen rein gesteuerten Betrieb hin ausgelegt, bei der eine elektronische Steuereinheit eine feste Ansteuerzeit vorgibt und das Einspritzventil über seinen Magnetkreis darauf reagiert (d.h. für die Einspritzung von Kraftstoff öffnet). Die magnetischen Eigenschaften werden dabei so ausgelegt, dass der Magnetkreis möglichst kurze Schaltzeiten und kleine Toleranzen bei der Einspritzung ermöglicht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Einspritzventil zur Injektion eines Fluids, insbesondere ein Kraftstofffluid, in einen Ansaugkanal oder in einen Verbrennungsraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine anzugeben, wobei das Einspritzventil auf einen geregelten Betrieb hin optimiert ist. Bei einem geregelten Betrieb des Einspritzventils wird der elektromagnetische Aktor des Einspritzventils geregelt angesteuert, insbesondere in einer Weise, die auf das jeweilige Einspritzventil individuell abgestimmt ist. Hierbei wird der zeitliche Verlauf wenigstens einer elektrischen Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors – insbesondere während einer, insbesondere auch wiederholt durchführbaren, Testansteuerung des Einspritzventils – erfasst und hierdurch Informationen über wenigstens einen Betriebszustand des Einspritzventils und/oder über wenigstens eine Zustandsänderung des Einspritzventils erhalten. Durch die Erfassung von mindestens einem Rückmeldesignal sind verschiedene Merkmale des Einspritzvorgangs detektierbar, insbesondere die Bestimmung des Öffnungszeitpunkts und/oder des Schließzeitpunkts des Einspritzventils. Aufgabe der Erfindung ist es daher, zu einer Verbesserung der Merkmalserkennung im Rückmeldesignal beizutragen, so dass anhand einer Analyse von erfassten Signalen bzw. insbesondere des Rückmeldesignals wenigstens ein Betriebszustand des Einspritzventils und/oder wenigstens eine Zustandsänderung des Einspritzventils besser, insbesondere genauer oder mit einem geringeren Signalauswerteaufwand, detektierbar ist. Anhand der Rückmeldung des spezifischen Ventilverhaltens (beispielsweise die Zeitpunkte der Ventilöffnung oder Schließung oder auch weiterer Systemfunktionen wie Abbremsungen zur Geräuschminimierung) wird dann auf die Sollgröße hin geregelt und damit die Genauigkeit erhöht.
  • Erfindungsgemäß ist das Einspritzventil derart ausgelegt, dass die Rückmeldung des Einspritzventils – detektierbar mittels des Rückmeldesignals bzw. durch die Erfassung des zeitlichen Verlaufs wenigstens einer elektrischen Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors, insbesondere auf den Strom- und Spannungsverlauf – verbessert wird. Eine bessere Detektion des Öffnungs- und Schließzeitpunktes kann dann zu einer Erhöhung der Genauigkeit der Regelung herangezogen werden, bzw. ermöglicht diese erst.
  • Das erfindungsgemäße Einspritzventil, die erfindungsgemäße Verwendung des Einspritzventils und das Verfahren zur Herstellung eines Einspritzventils gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine verbesserte Merkmalsausprägung in dem Rückmeldesignal bzw. in dem Strom- bzw. Spannungssignal für das Öffnen bzw. das Schließen des Einspritzventils bzw. der Ventilnadel durch gezielte Maßnahmen am Einspritzventil herbeigeführt werden kann. Dabei stehen die elektromagnetischen Eigenschaften des Einspritzventils im Vordergrund. Ziel der Maßnahmen ist insbesondere, den Anteil des magnetischen Flusses durch den Spalt (bzw. den Arbeitsluftspalt) des Ventils möglichst zu erhöhen bzw. auch die Rückstellkraft der Ventilfeder zu erhöhen, um kürzere Einspritzzeiten bzw. kürzere Öffungszeitintervalle des Einspritzventil zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass das Einspritzventil nicht wie gemäß dem Stand der Technik als alleinstehende Komponente optimiert wird, sondern für das Zusammenspiel mit dem geregelten Betrieb bzw. einer geregelten Betriebsweise. Die Ausprägung der für die Durchführung der Regelung notwendigen Merkmale (erfassten Signal des Einspritzventils bzw. im Rückmeldesignal) spielt hier die zentrale Rolle. Das Einspritzventil wird nicht – wie gemäß dem Stand der Technik – bezüglich der Eigenschaften einer alleinstehenden Komponente optimiert, sondern für das Zusammenspiel mit der Regelung bzw. mit dem geregelten Betrieb. Der zentrale Aspekt stellt die Maximierung des magnetischen Flusses in dem Spalt des magnetischen Aktors (Arbeitsluftspalt) dar. Dadurch wird die Wirkung der Anker- bzw. Nadelbewegung auf die Strom- und Spannungssignale in Form von Stärke des Knicks im Signal maximiert. Erfindungsgemäß wird es toleriert, dass einzelne Maßnahmen die Ventileigenschaften (wie zum Beispiel die Genauigkeit der Mengenzumessung) – betrachtet unter dem Blickwinkel der herkömmlich benutzten rein gesteuerten Betriebsweise des Einspritzventils – zunächst verschlechtern. Durch den geregelten Betrieb des Einspritzventils ist es jedoch möglich, die Genauigkeit, Reproduzierbarkeit sowie Lebensdauerstabilität der Ventileigenschaften insgesamt zu verbessern.
  • Erfindungsgemäß ist es vor diesem Hintergrund vorgesehen, dass die Ventilhülse entweder durchgängig – sowohl im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenpol und dem Magnetanker – paramagnetische Materialeigenschaften aufweist, oder aber im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenpol und dem Magnetanker paramagnetische Materialeigenschaften und außerhalb dieses Bereichs ferromagnetische Materialeigenschaften aufweist, wobei es erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass der hierfür betriebene Aufwand vergleichsweise gering ist, d.h. eine solche Ventilhülse kostengünstig herstellbar ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Ventilhülse als ein Tiefziehteil ausgebildet ist und durchgängig (d.h. im Wesentlichen über ihre gesamte Länge) paramagnetische Materialeigenschaften aufweist und durchgängig nicht geglüht ist, insbesondere nicht in einem Temperaturbereich zwischen 350 °C und 700 °C geglüht ist. Hierdurch ist die Ventilhülse besonders kostengünstig herstellbar und dennoch wird der magnetische Fluss im Arbeitsluftspalt (durch die insgesamt paramagnetischen Eigenschaften der Ventilhülse) vergrößert bzw. jedenfalls nicht verkleinert. Weiterhin ist es insbesondere erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen, dass die Ventilhülse als ein Tiefziehteil realisiert ist, wobei die Ventilhülse im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenpol und dem Magnetanker paramagnetische Materialeigenschaften und außerhalb dieses Spaltbereichs ferromagnetische Materialeigenschaften aufweist, wobei die Ventilhülse außerhalb des Spaltbereichs geglüht ist, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 350 °C und 550 °C geglüht ist, wobei der Spaltbereich während des Glühvorgangs eine Kühlung erfährt, insbesondere mittels gekühltem Stickstoff. Insgesamt wird hierdurch in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Ventilhülse im Bereich des Luftspalts – in einer vergleichsweise kostengünstigen Weise – so behandelt wird, dass der magnetische Widerstand dort erhöht wird, so dass der magnetische Fluss im Bereich des Luftspalts erhöht wird, weil lediglich ein geringerer Anteil des magnetischen Flusses (wegen des höheren magnetischen Widerstandes des Materials der Ventilhülse) über das Material der Ventilhülse verloren geht (Bypass) und damit nicht im Luftspalt wirkt.
  • Gemäß einer alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Einspritzventils – welche jedoch mit Vorteil auch kumulativ mit den Maßnahmen zur Gestaltung der Materialeigenschaften der Ventilhülse realisiert werden können – ist es vorgesehen, dass das Einspritzventil eine Ventilfeder aufweist, wobei die Federkraft der Ventilfeder größer als 4 N, insbesondere größer als 4,5 N ist. Hierdurch ist es in besonders vorteilhafter Weise erfindungsgemäß möglich, dass die Fluidmenge bzw. Kraftstoffmenge bei einer oder mehreren Ansteuerdauern des Einspritzventils möglichst exakt zugemessen werden kann. Durch eine vergleichsweise große Federkraft der Ventilfeder ist es vorteilhaft möglich, dass ein vergleichsweise großer linearer Zumessbereich realisierbar ist, so dass die Federkraft für die Linearität optimal eingestellt werden kann und die Genauigkeit der Fluidmenge bzw. Kraftstoffmenge durch die Regelung sichergestellt werden kann.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der elektromagnetische Aktor geregelt angesteuert wird, indem der zeitliche Verlauf wenigstens einer elektrischen Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors erfasst wird und hierdurch Informationen über wenigstens einen Betriebszustand des Einspritzventils und/oder über wenigstens eine Zustandsänderung des Einspritzventils erhalten werden, so dass durch die Erfassung von mindestens einem Rückmeldesignal verschiedene Merkmale des Einspritzvorgangs detektierbar sind, insbesondere die Bestimmung des Öffnungszeitpunkts und/oder des Schließzeitpunkts des Einspritzventils. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass insgesamt die Genauigkeit beim Betrieb des Einspritzventils erhöht werden kann, obwohl durch einzelne konstruktive Maßnahmen die Reproduzierbarkeit bei der Herstellung des Einspritzventils verringert bzw. die Streuung hinsichtlich der Bauteiltoleranzen vergrößert wird.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines erfindungsgemäßen Einspritzventils in einem Verfahren zum Betrieb des Einspritzventils, wobei der elektromagnetische Aktor geregelt angesteuert wird, indem der zeitliche Verlauf wenigstens einer elektrischen Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors – insbesondere während einer Testansteuerung des Einspritzventils – erfasst wird und hierdurch Informationen über wenigstens einen Betriebszustand des Einspritzventils und/oder über wenigstens eine Zustandsänderung des Einspritzventils erhalten werden, so dass durch die Erfassung von mindestens einem Rückmeldesignal verschiedene Merkmale des Einspritzvorgangs detektierbar sind, insbesondere die Bestimmung des Öffnungszeitpunkts und/oder des Schließzeitpunkts des Einspritzventils.
  • Dieses erfindungsgemäße Prinzip ermöglicht im Rahmen der erfindungsgemäßen Testansteuerung beziehungsweise Testansteuerungen eine besonders präzise Feststellung des Auftretens eines zu beobachtenden Betriebszustands beziehungsweise einer Betriebszustandsänderung des Einspritzventils. Auf diese Weise kann unter Vorgabe entsprechender charakterisierender Merkmale insbesondere auch ein tatsächlicher hydraulischer Öffnungszeitpunkt des Ventils ermittelt werden.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Einspritzventils, wobei die Ventilhülse im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenpol und dem Magnetanker paramagnetische Materialeigenschaften und außerhalb dieses Bereichs ferromagnetische Materialeigenschaften aufweist, wobei die Ventilhülse außerhalb des Spaltbereichs geglüht wird, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 350 °C und 55 °C geglüht wird, wobei der Spaltbereich während des Glühvorgangs gekühlt wird, insbesondere mittels gekühltem Stickstoff.
  • Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass der Bereich der Ventilhülse, in dem die Ausbildung eines ferromagnetischen Verhaltens (bzw. einer entsprechenden Materialeigenschaft) vermieden wird, weitgehend auf den Bereich des Spalts (bzw. des Arbeitsluftspalts) reduzierbar ist, beispielsweise in der Größenordnung von zwischen 0,5 mm bis 3 mm, bevorzugt zwischen 0,8 mm und 1,2 mm, wobei der Spalt (bzw. der Arbeitsluftspalt des Magnetaktors) im Wesentlichen zentriert angeordnet ist bezüglich des Bereichs, in welchem die Ausbildung eines ferromagnetischen Verhaltens vermieden wird.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit mehreren erfindungsgemäß betriebenen Einspritzventilen.
  • 2a und 2b zeigen schematisch eine Detailansicht eines Einspritzventils aus 1 in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen.
  • 3 zeigt schematisch einen zeitlichen Verlauf verschiedener Betriebsgrößen des erfindungsgemäß betriebenen Einspritzventils.
  • 4 zeigt schematisch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Einspritzventils.
  • Ausführungsform der Erfindung
  • Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Tank 12, aus dem ein Fördersystem 14 Kraftstoff in ein Verteilsystem 16 fördert, bei dem es sich beispielsweise um ein Common Rail handelt. An dieses sind mehrere elektromagnetisch betätigte Einspritzventile 18 angeschlossen, die den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume 20 oder auch in Ansaugrohre der Brennräume 20 einspritzen. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 22 gesteuert beziehungsweise geregelt, die unter anderem auch die Einspritzventile 18 ansteuert.
  • Die 2a und 2b zeigen schematisch das Einspritzventil 18 gemäß 1 in zwei verschiedenen Betriebszuständen. Das Einspritzventil 18 weist einen elektromagnetischen Aktor auf, der eine Magnetspule 26 und einen mit der Magnetspule 26 zusammenwirkenden Magnetanker 30 besitzt. Der Magnetanker 30 ist mit einer Ventilnadel 28 des Einspritzventils 18 wirkverbunden, beispielsweise so, dass der Magnetanker 30 bezogen auf eine in 2a vertikale Bewegungsrichtung der Ventilnadel 28 axial mit einem nichtverschwindenden mechanischen Spiel relativ zu der Ventilnadel 28 bewegbar ist. Dadurch ergibt sich beispielsweise ein zweiteiliges Massensystem 28, 30, welches den Antrieb der Ventilnadel 28 durch den elektromagnetischen Aktor 26, 30 bewirkt. Durch diese zweiteilige Konfiguration wird die Montierbarkeit des Einspritzventils 18 verbessert und ein unerwünschtes Zurückprellen der Ventilnadel 28 bei dem Auftreffen in ihrem Ventilsitz 38 wird verringert. Bei der vorliegend in 2a veranschaulichten Konfiguration wird das axiale Spiel des Magnetankers 30 auf der Ventilnadel 28 durch zwei Anschläge 32 und 34 begrenzt. Ventilnadel 28 wird von einer Ventilfeder 36 wie in 2a abgebildet mit einer entsprechenden Federkraft gegen den Ventilsitz 38 im Bereich des Gehäuses beaufschlagt. In 2a ist das Einspritzventil 18 in seinem geschlossenen Zustand gezeigt, in dem keine Kraftstoffeinspritzung stattfindet. Um eine Kraftstoffeinspritzung zu bewirken, wird der Aktor 26, 30 über eine vorgebbare Ansteuerdauer hinweg mit einem Ansteuerstrom beaufschlagt. Durch diese Bestromung der Magnetspule 26 wird der Magnetanker 30 in 2b nach oben bewegt, so dass er unter Eingreifen in den Anschlag 32 die Ventilnadel 28 gegen die Federkraft aus ihrem Ventilsitz 38 herausbewegt. Dadurch kann Kraftstoff 42 von dem Einspritzventil 18 in den Brennraum 20 (1) eingespritzt werden. Sobald die Bestromung der Magnetspule 26 durch das Steuergerät 22 (1) am Ende der vorgegebenen Ansteuerdauer beendet wird, bewegt sich die Ventilnadel 28 unter Einwirkung der von der Ventilfeder 36 ausgeübten Federkraft wieder auf ihren Ventilsitz 38 zu und nimmt den Magnetanker 30 mit. Eine Kraftübertragung von der Ventilnadel 28 auf den Magnetanker 30 erfolgt hierbei wiederum durch den oberen Anschlag 32. Wenn die Ventilnadel 28 ihre Schließbewegung mit dem Auftreffen auf dem Ventilsitz 38 beendet, kann sich der Magnetanker 30 aufgrund des axialen Spiels in 2b nach unten weiterbewegen, bis er an dem zweiten Anschlag 34 anliegt. Dies entspricht wieder dem in 2a abgebildeten Schließzustand des Einspritzventils 18.
  • Erfindungsgemäß wird ein Betriebsverfahren durchgeführt, um Informationen über mindestens einen Betriebszustand bzw. eine Zustandsänderung des Einspritzventils 18 zu erhalten. In einem ersten Schritt wird mindestens eine Testansteuerung durchgeführt, während der der Aktor 26, 30 mit einem vorgebbaren Ansteuerstrom I beaufschlagt wird. Bevorzugt zeitgleich zu der Durchführung der Testansteuerung wird mindestens ein zeitlicher Verlauf mindestens einer elektrischen Betriebsgröße des Aktors 26, 30 während der Testansteuerung erfasst. Hierbei werden im Falle des elektromagnetischen Aktors 26, 30 insbesondere ein zeitlicher Verlauf einer an der Magnetspule 26 des Aktors anliegenden Spannung und/oder ein zeitlicher Verlauf des durch die Magnetspule fließenden Stroms I berücksichtigt. Anschließend werden die erfassten Zeitverläufe ausgewertet auf das Vorhandensein eines einen vorgebbaren Betriebszustand und/oder eine vorgebbare Betriebszustandsänderung des Einspritzventils 18 charakterisierenden Merkmals. Ein Merkmal im Sinne der vorliegenden Erfindung kann dabei insbesondere ein lokales Extremum und/oder ein Abfolge mehrere lokaler Extrema und/oder ein sonstiger besonderer zeitlicher Verlauf der Betriebsgrößen Strom und/oder Spannung sein. Das interessierende charakterisierende Merkmal wird während der Auswertung aufgefunden und die gewonnenen Informationen über den Betriebszustand beziehungsweise den Betriebszustandswechsel weiter verwendet, beispielsweise zur Regelung eines zukünftigen Betriebs des Einspritzventils 18. Erfindungsgemäß sind auch eine Mehrzahl von Testansteuerungen möglich. Insbesondere ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, einen tatsächlichen hydraulischen Öffnungszeitpunkt des Einspritzventils 18 zu ermitteln.
  • Der hydraulische Öffnungszeitpunkt des Einspritzventils 18 ist dadurch bestimmt, dass die Ventilnadel 28 aus ihrem Ventilsitz 38 abhebt. Dieses Abheben der Ventilnadel 28 korreliert mit einem speziellen zeitlichen Verlauf der ersten zeitlichen Ableitung des Ansteuerstroms I durch die Magnetspule 26. 3 zeigt hierzu einen ersten zeitlichen Verlauf I1 eines Ansteuerstroms I, mit dem die Magnetspule 26 – ausgehend von dem in 2a abgebildeten Schließzustand des Ventils 18 – angesteuert wird, um das Einspritzventil 18 in seinen Öffnungszustand zu versetzen. Ein sich während der Ansteuerung mit dem ersten Ansteuerstrom I1 ergebender zeitlicher Verlauf h1 des Nadelhubs h ist ebenfalls in 3 abgebildet. Nach einem Beginn der Beaufschlagung des Aktors 26, 30 mit dem Ansteuerstrom I treten zum Zeitpunkt T1 erstmals nichtverschwindende Werte für den Hubverlauf h1 auf (d.h. eine Betriebszustandsänderung des Einspritzventils 18 von seinem Schließzustand zu seinem Öffnungszustand hin zu dem Zeitpunkt T1 erfolgt. Demgemäß wird zumindest der zeitliche Verlauf des Ansteuerstroms I1 erfasst und während des Auswertens die erste zeitliche Ableitung dl1 des zuvor erfassten ersten Ansteuerstroms I1 gebildet. Damit ist es unter Kenntnis des ermittelten Öffnungszeitpunkts T1 möglich, einen nachfolgenden Betrieb des Einspritzventils 18 geregelt durchzuführen, beispielsweise im Hinblick auf eine Gleichstellung der Einspritzcharakteristik mehrerer Einspritzventile 18. Sofern das lokale Minimum Min1 nicht bereits nach der Durchführung der ersten Testansteuerung detektiert wird, kann ggf. erneut eine Testansteuerung durchgeführt werden.
  • 3 zeigt zusätzlich zu dem ersten Ansteuerstrom I1 auch einen zeitlichen Verlauf eines zweiten Ansteuerstroms I2, wie er sich unter Ansteuerung des Aktors 26, 30 mit einer geringfügig verminderten Ansteuerspannung ergibt. Erwartungsgemäß erfolgt die den Übergang von dem Schließzustand in den Öffnungszustand charakterisierende Betriebszustandsänderung etwas später bezogen auf den Hubverlauf h1, der sich bei der Ansteuerung mit einer größeren Ansteuerspannung ergibt. Für den Ansteuervorgang unter Verwendung des zweiten Ansteuerstroms I2 kann als tatsächlicher hydraulischer Ansteuerbeginn, d.h. Öffnungszeitpunkt, erfindungsgemäß der Zeitpunkt T2 ermittelt werden, der wiederum mit einem lokalen Minimum Min2 in der ersten zeitlichen Ableitung dl2 des zweiten Ansteuerstroms I2 korrespondiert.
  • In der 4 ist beispielhaft ein elektromagnetisch betätigbares Einspritzventil 18 in der Form eines Brennstoffeinspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen dargestellt, beispielsweise zum Einsatz in gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Das Einspritzventil 18 besitzt einen von einer Magnetspule 1 umgebenen, als Innenpol und teilweise als Brennstoffdurchfluss dienenden weitgehend rohrförmigen Kern 2. Die Magnetspule 1 ist von einem äußeren, hülsenförmigen und gestuft ausgeführten, z. B. ferromagnetischen Ventilmantel 5, der ein als Außenpol dienendes äußeres Magnetkreisbauteil darstellt, in Umfangsrichtung vollständig umgeben. Die Magnetspule 1, der Kern 2 und der Ventilmantel 5 bilden zusammen ein elektrisch erregbares Betätigungselement bzw. einen Magnetkreis bzw. einen elektromagnetischen Aktor. Während die in einem Spulenkörper 3 eingebettete Magnetspule 1 mit einer Wicklung 4 eine Ventilhülse 6 von außen umgibt, ist der Kern 2 in einer inneren, konzentrisch zu einer Ventillängsachse 10‘ verlaufenden Öffnung 11 der Ventilhülse 6 eingebracht. Die Ventilhülse 6 ist langgestreckt und dünnwandig ausgeführt. Die Öffnung 11 dient u. a. als Führungsöffnung für eine entlang der Ventillängsachse 10 axial bewegliche Ventilnadel 28. Die Ventilhülse 6 erstreckt sich in axialer Richtung z.B. über ca. die Hälfte der axialen Gesamterstreckung des Einspritzventils. Die Ventilnadel 28 ist im Beispiel der 4 einstückig mit dem Anker 30 verbunden und wird von dem rohrförmigen Anker 30, einem ebenfalls rohrförmigen Nadelabschnitt und einem kugelförmigen Ventilschließkörper gebildet. Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise elektromagnetisch.
  • Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 14 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft der an der Ventilnadel 28 angreifenden Rückstellfeder 36 bzw. Schließen des Einspritzventils dient der elektromagnetische Kreis mit der Magnetspule 1, dem inneren Kern 2, dem äußeren Ventilmantel 5 und dem Anker 30. Der Anker 30 ist auf den Kern 2 ausgerichtet. Anstelle des Kerns 2 kann z.B. auch ein als Innenpol dienendes Deckelteil, das den Magnetkreis schließt, vorgesehen sein.
  • In eine konzentrisch zu der Ventillängsachse 10‘ verlaufende Strömungsbohrung 28 des Kerns 2, die der Zufuhr des Brennstoffs in Richtung der Ventilsitzfläche 38 dient, ist außer der Rückstellfeder 36 ein Einstellelement in der Form einer Einstellhülse 29 eingeschoben. Die Einstellhülse 29 dient zur Einstellung der Federvorspannung der an der Einstellhülse 29 anliegenden Rückstellfeder 36, die sich wiederum mit ihrer gegenüberliegenden Seite an der Ventilnadel 28 im Bereich des Ankers 30 abstützt.
  • Erfindungsgemäß weist die Ventilhülse 6 entweder durchgängig – sowohl im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenpol 2 und dem Magnetanker 30 – paramagnetische Materialeigenschaften auf, oder sie weist im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenpol 2 und dem Magnetanker 30 paramagnetische Materialeigenschaften und außerhalb dieses Bereichs ferromagnetische Materialeigenschaften auf. Hierbei ist gemäß der ersten Alternative (paramagnetische Materialeigenschaften sowohl im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenpol 2 und dem Magnetanker 30) bevorzugt vorgesehen, dass die Ventilhülse 6 als ein Tiefziehteil realisiert ist, wobei die Ventilhülse 6 durchgängig paramagnetische Materialeigenschaften aufweist und durchgängig nicht geglüht ist, insbesondere nicht in einem Temperaturbereich zwischen 350 °C und 55 °C geglüht ist. Gemäß der zweiten Alternative (paramagnetische Materialeigenschaften im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenpol 2 und dem Magnetanker 30 und ferromagnetische Materialeigenschaften außerhalb dieses Bereichs) ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Ventilhülse 6 als ein Tiefziehteil realisiert ist, wobei die Ventilhülse 6 im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenpol 2 und dem Magnetanker 30 paramagnetische Materialeigenschaften und außerhalb dieses Spaltbereichs ferromagnetische Materialeigenschaften aufweist, wobei die Ventilhülse 6 außerhalb des Spaltbereichs geglüht ist, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 350 °C und 55 °C geglüht ist, wobei der Spaltbereich während des Glühvorgangs eine Kühlung erfährt, insbesondere mittels gekühltem Stickstoff.
  • Alternativ oder zusätzlich zu diesen Maßnahmen ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Einspritzventil 18 eine Ventilfeder 36 aufweist, wobei die Federkraft der Ventilfeder 36 größer als 4 N, insbesondere größer als 4,5 N ist.
  • Insgesamt kann hierdurch die Regelgüte des Einspritzventils durch eine Kombinatorik aus bestimmten Eigenschaften des Magnetkreises und einer Regelfunktion verbessert werden, so dass eine Regelfunktion für die Einspritzung eines Fluids durch das Einspritzventil realisierbar ist. So sind insbesondere der die Magnetspule umgebende Topf und die Hülse des Magnetkreises mit ihrem magnetischen Widerstand Rm entscheidend für die erfindungsgemäße Realisierung der Merkmalsausprägung im Rückmeldesignal des Einspritzventils. Bei herkömmlich benutzten, auf einer rein gesteuerten Betriebsweise beruhenden Einspritzventile werden diese Bauteile typischerweise geglüht, um einen verringerten magnetischen Widerstand Rm zu erhalten. Erfindungsgemäß wird eine solche Glühoperation bei der Herstellung des Einspritzventils vermieden, was die Ausprägung des Merkmals für die Regelung bzw. die Detektierbarkeit des Merkmals für die Regelung verbessert.

Claims (7)

  1. Einspritzventil (18) zur Injektion eines Fluids, insbesondere ein Kraftstofffluid, in einen Ansaugkanal oder in einen Verbrennungsraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, wobei das Einspritzventil einen elektronmagnetischen Aktor, umfassend einen Magnetkreis, aufweist, wobei der Magnetkreis eine Magnetspule (26), einen Innenpol (2) und einen mit der Magnetspule (26) und dem Innenpol (2) zusammenwirkenden Magnetanker (30) aufweist, wobei der Magnetkreis zur Erzeugung einer geregelten Kraftwirkung zwischen dem Innenpol (2) auf den Magnetanker (30) konfiguriert ist, wenn der elektromagnetische Aktor mittels eines Steuerstroms und/oder einer Steuerspannung angesteuert wird, wobei das Einspritzventil (18) im Bereich zwischen dem Innenpol (2) und dem Magnetanker (30) einen Spalt aufweist, wobei das Einspritzventil (18) eine Ventilhülse (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse (6) – entweder durchgängig – sowohl im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenpol (2) und dem Magnetanker (30) – paramagnetische Materialeigenschaften aufweist, – oder im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenpol (2) und dem Magnetanker (30) paramagnetische Materialeigenschaften und außerhalb dieses Bereichs ferromagnetische Materialeigenschaften aufweist.
  2. Einspritzventil (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse (6) als ein Tiefziehteil realisiert ist, wobei die Ventilhülse (6) durchgängig paramagnetische Materialeigenschaften aufweist und durchgängig nicht geglüht ist, insbesondere nicht in einem Temperaturbereich zwischen 350 °C und 700 °C geglüht ist.
  3. Einspritzventil (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse (6) als ein Tiefziehteil realisiert ist, wobei die Ventilhülse (6) im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenpol (2) und dem Magnetanker (30) paramagnetische Materialeigenschaften und außerhalb dieses Spaltbereichs ferromagnetische Materialeigenschaften aufweist, wobei die Ventilhülse (6) außerhalb des Spaltbereichs geglüht ist, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 350 °C und 700 °C geglüht ist, wobei der Spaltbereich während des Glühvorgangs eine Kühlung erfährt, insbesondere mittels gekühltem Stickstoff.
  4. Einspritzventil (18), insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Injektion eines Fluids, insbesondere ein Kraftstofffluid, in einen Ansaugkanal oder in einen Verbrennungsraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, wobei das Einspritzventil einen elektronmagnetischen Aktor, umfassend einen Magnetkreis, aufweist, wobei der Magnetkreis eine Magnetspule (26), einen Innenpol (2) und einen mit der Magnetspule (26) und dem Innenpol (2) zusammenwirkenden Magnetanker (30) aufweist, wobei der Magnetkreis zur Erzeugung einer Kraftwirkung zwischen dem Innenpol (2) auf den Magnetanker (30) konfiguriert ist, wenn der elektromagnetische Aktor mittels eines Steuerstroms und/oder einer Steuerspannung in geregelter Weise angesteuert wird, wobei das Einspritzventil (18) eine Ventilfeder (36) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft der Ventilfeder (36) größer als 4 N, insbesondere größer als 4,5 N ist.
  5. Einspritzventil (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Aktor geregelt angesteuert wird, indem der zeitliche Verlauf wenigstens einer elektrischen Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors erfasst wird und hierdurch Informationen über wenigstens einen Betriebszustand des Einspritzventils (18) und/oder über wenigstens eine Zustandsänderung des Einspritzventils (18) erhalten werden, so dass durch die Erfassung von mindestens einem Rückmeldesignal verschiedene Merkmale des Einspritzvorgangs detektierbar sind, insbesondere die Bestimmung des Öffnungszeitpunkts und/oder des Schließzeitpunkts des Einspritzventils (18).
  6. Verwendung eines Einspritzventils (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Verfahren zum Betrieb des Einspritzventils (18), wobei der elektromagnetische Aktor geregelt angesteuert wird, indem der zeitliche Verlauf wenigstens einer elektrischen Betriebsgröße des elektromagnetischen Aktors – insbesondere während einer Testansteuerung des Einspritzventils (18) – erfasst wird und hierdurch Informationen über wenigstens einen Betriebszustand des Einspritzventils (18) und/oder über wenigstens eine Zustandsänderung des Einspritzventils (18) erhalten werden, so dass durch die Erfassung von mindestens einem Rückmeldesignal verschiedene Merkmale des Einspritzvorgangs detektierbar sind, insbesondere die Bestimmung des Öffnungszeitpunkts und/oder des Schließzeitpunkts des Einspritzventils (18).
  7. Verfahren zur Herstellung eines Einspritzventils (18) gemäß Anspruch 1, wobei die Ventilhülse (6) im Bereich des Spaltes zwischen dem Innenpol (2) und dem Magnetanker (30) paramagnetische Materialeigenschaften und außerhalb dieses Bereichs ferromagnetische Materialeigenschaften aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse (6) außerhalb des Spaltbereichs geglüht wird, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 350 °C und 700 °C geglüht wird, wobei der Spaltbereich während des Glühvorgangs gekühlt wird, insbesondere mittels gekühltem Stickstoff.
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