DE102015225733A1

DE102015225733A1 - Kraftstoffeinspritzdüse

Info

Publication number: DE102015225733A1
Application number: DE102015225733.9A
Authority: DE
Inventors: Mark-Florian Fellmann; Wilhelm Christ; Gerhard Suenderhauf; Ulrich May; Werner Teschner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-06-22
Also published as: WO2017102208A1; EP3390805A1; KR20180094048A; US20180372018A1

Abstract

Kraftstoffeinspritzdüse mit einem Düsenkörper (1), in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum (2) ausgebildet ist, in welchem eine Düsennadel (3) längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einer Dichtfläche (7) mit einem Düsensitz (8) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (11) zusammenwirkt. Dabei weist die Düsennadel (3) einen Führungsabschnitt (5) auf, mit der sie in einem Führungsbereich (6) des Druckraums (2) in radialer Richtung geführt ist. Die Düsennadel (3) weist zumindest im Bereich der Dichtfläche (7) eine Beschichtung (20) auf, wobei die Beschichtung eine DLC-Schicht (DLC = diamond like carbon) ist. In ihrer Öffnungsstellung ist die Düsennadel (3) gegen den Düsenkörper (1) elektrisch isoliert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse, wie Sie vorzugsweise zur Einspritzung von Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwendung findet.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Einspritzdüse zur Einspritzung von flüssigem Kraftstoff unter hohem Druck in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine beispielsweise aus der WO 2006/117266 A1 bekannt. Eine solche Kraftstoffeinspritzdüse weist einen Düsenkörper auf, in dem ein Druckraum ausgebildet ist, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Im Druckraum ist eine Düsennadel längsverschiebbar angeordnet, die mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung zusammenwirkt. Dabei kommt es zwischen der Düsennadel und dem Düsensitz zu einer Berührung, um einen Dichtsitz zu bilden und den Kraftstofffluss zu den Einspritzöffnungen bei Bedarf zu unterbrechen. Die Belastung zwischen der Düsennadel und dem Düsensitz ist im Wesentlichen eine Schlagbeanspruchung, der sich jedoch auf Grund des hohen Drucks im Düsenkörper und der damit verbundenen leichten Verformung eine Gleitbeanspruchung überlagern kann. Dies führt zu einer hohen mechanischen Belastung an der Düsennadel und an dem Düsensitz, so dass es dort zu Verschleiß kommen kann, der die Funktion der Kraftstoffeinspritzdüse im Laufe Ihrer Lebensdauer beeinträchtigen kann. Zur Vermeidung eines übermäßigen Verschleißes zwischen der Düsennadel und dem Düsensitz ist aus der WO 2006/117266 A1 bekannt, die Dichtfläche der Düsennadel mit einer sogenannten DLC-Schicht zu versehen (diamond like carbon), die besonders hart ist und geeignet, den Verschleiß in diesem Bereich zu vermindern.
Bei modernen Kraftstoffeinspritzsystemen wird die Bewegung der Düsennadel und damit Zeitpunkt und Dauer der Einspritzung durch einen elektrischen Aktor gesteuert, beispielsweise durch einen Piezo-Aktor oder einen Elektromagneten. Die Düsennadel kann dabei entweder direkt bewegt werden, indem der entsprechende elektrische Aktor – ggf. unter Zwischenschaltung eines mechanischen oder hydraulischen Kopplers – direkt auf die Düsennadel einwirkt oder indem die Düsennadel servohydraulisch bewegt wird. Dabei ist ein hydraulischer Steuerraum vorhanden, der eine hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel ausübt. Durch das Absenken des Drucks in diesem Steuerraum wird die Düsenadel durch die hydraulischen Kräfte im Druckraum bewegt und kann durch erneutes Anheben des Drucks im Steuerraum wieder in ihre Schließstellung befördert werden. Für das einwandfreie Funktionieren der Brennkraftmaschine ist es essentiell, dass Zeitpunkt und Dauer der Kraftstoffeinspritzung genau an den gewünschten Betriebszustand angepasst werden. Die Steuerung des elektrischen Aktors erfolgt deshalb über ein Steuergerät, das verschiedene Eingangssignale, beispielsweise von Sensoren berücksichtigen kann und damit den optimalen Einspritzzeitpunkt ermittelt.
Das Steuergerät steuert den Steuerstrom des elektrischen Aktors, der die Düsennadel direkt oder indirekt bewegt, erhält aber keine Rückmeldung über die tatsächliche Bewegung der Düsennadel, also den Beginn und das Ende der Einspritzung. Dies ist aber für eine präzise Einspritzsteuerung von Vorteil, da es zu einer zeitlichen Verzögerung zwischen dem elektrischen Signal des elektrischen Aktors und der tatsächlichen Bewegung der Düsennadel kommt, sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen derselben. Ein zuverlässiges elektrisches Signal, dass die tatsächliche Bewegung der Düsennadel anzeigt, ist dabei ein elektrischer Kontakt zwischen der Düsennadel und dem Düsensitz. Dies kann dadurch erreicht werden, dass sowohl die Düsennadel als auch der Düsenkörper mit einem elektrischen Kontakt versehen werden, wobei zwischen beide elektrische Kontakte eine Spannung angelegt wird. Kommt es zum Kontakt zwischen Düsennadel und Düsenkörper am Düsensitz, so fließt ein elektrischer Strom, während dann, wenn die Düsennadel vom Düsensitz abgehoben hat, dieser Strom unterbrochen ist. Voraussetzung dafür ist natürlich, dass eine elektrische Verbindung zwischen der Düsennadel mit dem Düsenkörper ausschließlich am Düsensitz erfolgt. Eine Beschichtung mit einer DLC-Schicht auf den Düsensitz wirkt jedoch als elektrischer Isolator, so dass dieser Mechanismus zur Detektion an der Düsennadelbewegung nicht ohne weiteres verwendbar ist.
Vorteile der Erfindung
Ein wesentlicher Punkt der vorliegenden Erfindung ist die Erkenntnis, dass eine DLC-Schicht unter einem starken Druck ihre elektrischen Eigenschaften ändert: Wird die an ihrer Spitze mit einer DLC-Schicht beschichtete Düsennadel durch den Druck in einem Steuerraum gegen einen Düsensitz gedrückt, so wird die DLC-Schicht elektrisch leitend, so dass der elektrische Widerstand zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper – trotz der dazwischen liegenden DLC-Schicht – als Indikator für das Aufsetzen der Düsennadel auf dem Düsensitz verwendet werden kann. Dazu ist bei der Düsennadel zumindest der Bereich der Dichtfläche mit einer DLC-Schicht versehen, wobei die Düsennadel in ihrer Öffnungsstellung elektrisch gegen den Düsenkörper isoliert ist. Damit kann der Effekt benutzt werden, dass die DLC-Schicht unter Druck elektrisch leitend wird und so ein deutliches elektrisches Signal zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper abgreifbar ist, das die Schließstellung der Düsennadel anzeigt.
In vorteilhafter Weise sind sowohl die Düsennadel als auch der Düsenkörper elektrisch kontaktierbar, so dass zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Dazu weist die Düsennadel in vorteilhafter Weise einen elektrischen Kontakt auf, ebenso wie der Düsenkörper. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Düsenkörper mit einer Masse verbunden wird, so dass eine elektrische Kontaktierung der Düsennadel ausreicht und der zweite elektrische Kontakt über die Masse hergestellt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Düsennadel in einem Führungsabschnitt des Düsenkörpers geführt und auch in diesem Bereich mit einer DLC-Schicht beschichtet. Da die DLC-Schicht ohne eine entsprechend starke mechanische Druckbelastung elektrisch isolierend wirkt, kann diese auch im Führungsabschnitt der Düsennadel benutzt werden, um dort den Verschleiß zu reduzieren, ohne dass es dort zu einem unerwünschten elektrischen Kontakt zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper kommen. Auf diese Weise kann in vorteilhafter Weise auch die gesamte Oberfläche der Düsennadel mit einer DLC-Schicht beschichtet werden, was insbesondere bei Verfahren, bei denen die Düsennadeln als Schüttgut beschichtet werden, kostenmäßig vorteilhaft ist, da nicht Teile der Düsennadeln abgedeckt werden müssen, um die Ausbildung einer Beschichtung in einigen Bereichen der Düsennadeln zu verhindern.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Einspritzdüse wird zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper eine elektrische Spannung angelegt und gleichzeitig die Stromstärke des zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper fließenden Stroms gemessen. Aus diesen beiden Werten kann ein elektrischer Widerstand bestimmt werden, der in vorteilhafter Weise als Eingangsgröße für die Steuerung der Einspritzung des Kraftstoffeinspritzventils Verwendung finden kann.
Zeichnungen
In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinspritzdüse dargestellt. Es zeigt
1 eine erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse im Längsschnitt,
1a der mit A bezeichnete Ausschnitt aus 1 in einer geschnittenen Darstellung und
2a und 2b den Übergangswiderstand zwischen Düsennadel und Düsenkörper im zeitlichen Verlauf während eines Einspritzvorgangs, wobei
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der 1 der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse im Längsschnitt dargestellt. Die Kraftstoffeinspritzdüse weist einen Düsenkörper 1 auf, in dem ein Druckraum 2 ausgebildet ist, der über eine im Düsenkörper 1 ausgebildete Hochdruckbohrung 12 mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllt werden kann. Im Druckraum 2 ist eine kolbenförmige Düsennadel 3 längsverschiebbar angeordnet, die einen Führungsabschnitt 5 aufweist, mit dem sie in einem Führungsbereichs 6 des Druckraums 2 geführt ist. Der Düsenkörper 1 bildet dabei in der Regel einen Teil eines Kraftstoffinjektors, der auch entsprechende Ansteuereinrichtungen aufweist, um die Bewegung der Düsennadel 3 zu steuern. Die Düsennadel 3 weist dabei an ihrem dem Brennraum zugewandten Ende eine Dichtfläche 7 auf, die weitgehend konisch ausgebildet ist und die mit einem am brennraumseitigen Ende des Druckraums 2 ausgebildeten Düsensitz 8 zusammenwirkt. Am brennraumseitigen Ende geht der Druckraum 8 in ein Sackloch 10 über, von dem eine oder mehrere Einspritzöffnungen 11 ausgehen. Durch die Dichtfläche 7 der Düsennadel 3 und den Düsensitz 8 wird eine Abdichtung gebildet, die den Fluss des Kraftstoffs aus dem Druckraum 2 in das Sackloch 10 und von dort in die Einspritzöffnungen 11 steuert. Befindet sich die Düsennadel 3 in Anlage am Düsensitz 8, so verschließt diese einen Kraftstofffluss zwischen dem Druckraum 2 und dem Sackloch 10 und damit den Einspritzöffnungen 11. Hebt die Düsennadel 3 durch eine Längsbewegung vom Düsensitz 8 ab, so wird ein Durchflussquerschnitt zwischen der Dichtfläche 7 und dem Düsensitz 8 aufgesteuert und Kraftstoff fließt aus dem Druckraum 2 durch diesen Durchflussquerschnitt in das Sackloch 10 und wird von dort durch die Einspritzöffnung 11 nach außen gedrückt. Auf Grund des hohen Drucks im Druckraum 2 der bei den heutigen gebräuchlichen Kraftstoffeinspritzdüsen über 2000 bar betragen kann, wird der Kraftstoff beim Austritt aus den Einspritzöffnungen 11 fein zerstäubt, so dass er für eine Verbrennung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine aufbereitet ist.
Die Düsennadel 3 ist mit einem ersten elektrischen Kontakt 14 versehen, über den die Düsennadel 3 mit einer elektrischen Spannungsquelle 16 verbunden ist. Der Düsenkörper 1 ist mit einem zweiten elektrischen Kontakt 15 versehen, der ebenfalls mit der Spannungsquelle 16 verbunden ist, so dass zwischen der Düsennadel 3 und dem Düsenkörper 1 eine elektrische Spannung U angelegt werden kann. Die Düsennadel 3 ist dabei so im Düsenkörper gelagert, dass beim Abheben der Düsennadel 3 vom Düsensitz 8 kein elektrischer Kontakt zwischen der Düsennadel 3 und dem Düsenkörper 1 vorhanden ist. Zur Messung des Stroms I ist eine Messeinrichtung 18 im Stromkreis zwischen Düsennadel 3 und Düsenkörper 1 vorgesehen, so dass aus der angelegten Spannung und der Stromstärke der elektrische Übergangswiderstand R zwischen Düsennadel 3 und Düsenkörper 1 berechnet werden kann nach der bekannten Beziehung R = U/I.
Die Dichtfläche 7 der Düsennadel 3 ist mit einer sogenannten DLC-Schicht 20 beschichtet (diamond like carbon), also einer Schicht, die hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht, der hochvernetzt ist und dadurch eine sehr harte und damit verschleißbeständige Schicht bildet. 1a zeigt dazu diese Schicht 20 in einer Vergrößerten Darstellung des mit A bezeichneten Ausschnitts der 1, wobei die Dicke der Schicht 20 in dieser Darstellung stark übertrieben gezeichnet ist. Die tatsächliche Dicke der Schicht beträgt in aller Regel weniger als 5 µm, vorzugsweise 1 bis 2 µm.
Diese Schicht 20 weist unter Normalbedingungen einen relativ hohen elektrischen Widerstand R auf, so dass es zwischen der Düsennadel 3 und dem Düsenkörper 1 im Bereich des Düsensitzes 8 zu keinem elektrischen Kontakt zwischen Düsennadel 3 und Düsenkörper 1 kommt, wenn die Düsennadel 3 einfach auf dem Düsensitz 8 aufliegt, und der Übergangswiderstand R ist entsprechend hoch. Wird die Düsennadel 3 jedoch mit einer hohen Kraft in den Düsensitz 8 gedrückt, so ändert die DLC-Schicht 20 ihre physikalische Eigenschaft dahingehend, dass ihr Widerstand sehr stark abfällt, in der Regel um mehrere Größenordnungen, so dass die DLC-Schicht 20 elektrisch leitend wird. Dadurch sinkt der Übergangswiderstand R zwischen der Düsennadel 3 und dem Düsenkörper 1 ebenfalls um mehrere Größenordnungen, was sich bei einer angelegten elektrischen Spannung U zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 14 und dem zweiten elektrischen Kontakt 15 in einer deutlichen Erhöhung der Stromstärke I bemerkbar mach, was gleichbedeutend ist mit einem starken Abfall des elektrischen Widerstands R. Damit kann der Zeitpunkt, zu dem die Düsennadel 3 auf dem Düsensitz 8 aufsitzt, mit hoher Präzision gemessen werden und kann als Eingangsgröße für die Steuerung der Einspritzung einer Kraftstoffeinspritzdüse dienen, bei der die Bewegung der Düsennadel 3 durch einen elektrischen Aktor erfolgt.
Wie bereits erwähnt muss die Düsennadel 3 außer im Bereich des Düsensitzes 8 gegen den Düsenkörper 1 elektrisch isoliert sein, insbesondere auch im Bereich des Führungsabschnitts 5. Da der Führungsabschnitt 5 jedoch beim Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils keine Druckbeanspruchung erfährt, kann dieser Bereich mit einer DLC-Schicht 20 versehen werden, die mangels einer entsprechenden mechanischen Belastung in diesem Bereich elektrisch isolierend wirkt. Damit kann auch die gesamte Düsennadel 3 mit einer DLC-Schicht 20 versehen werden, die im Bereich, in dem nur eine kleine mechanische Beanspruchungen auftreten, den gewünschten verschleißmindernden Effekt hat, jedoch elektrisch isolierend wirkt.
In 2a ist der zeitliche Verlauf des Übergangswiderstands R und des Hubs h der Düsennadel 3 schematisch dargestellt. Vor dem Zeitpunkt t₀ ist die Düsennadel 3 in ihrer Schließposition in Anlage am Düsensitz 8. Der elektrische Übergangswiderstand R ist gering, da die DLC-Schicht unter einer starken Belastung steht. Zum Zeitpunkt t₀ beginnt die Düsennadel ihre Öffnungsbewegung, wobei vor dem Abheben der Düsennadel vom Düsensitz 8 bereits der Widerstand R ansteigt, da sich die Kraft auf die DLC-Schicht 20 vermindert, und schließlich einen konstanten und deutlich höheren Wert annimmt, sobald die Düsennadel 3 vom Düsensitz 8 abgehoben hat. Der Widerstand R ist dabei endlich, da über den Führungsabschnitt 5 nach wie vor ein geringer Stromfluss möglich ist. Zum Zeitpunkt t₂ hat die Düsennadel 3 ihren maximalen Öffnungshub erreicht, indem sie an einem Hubanschlag zur Anlage kommt. Da auch über den Hubanschlag ein gewisser Stromfluss stattfindet, sinkt der Übergangswiderstand R wieder etwas ab. Zum Zeitpunkt t₃ setzt die Schließbewegung der Düsennadel 3 ein, und der Widerstand erhöht sich wieder, da der Hubanschlag verlassen wird. Sobald die Düsennadel zum Zeitpunkt t₄ auf dem Düsensitz 8 aufsitzt, fällt der Widerstand stark ab, bis die Kraft auf die Düsennadel und damit auf die DLC-Schicht 20 maximal wird. Das leichte Unterschwingen des Widerstands R ist auf den Aufschlagimpuls der Düsennadel 3 zurückzuführen.
In 2b sind in gleicher Darstellung wie in 2a der zeitliche Verlauf von Nadelhub h und der Widerstand R dargestellt, wenn die Düsennadel 3 keinen durch einen mechanischen Hubanschlag begrenzten Maximalhub aufweist, sondern im sogenannten ballistischen Betrieb ist. Dabei wird eine – beispielsweise hydraulisch – erzeugte Schließkraft auf die Düsennadel ausgeübt, bevor sie sich in einer maximalen Öffnungsstellung befindet, und die Düsennadel dadurch abgebremst und zurück in ihre Schließstellung gedrückt. In diesem Fall bleibt der Widerstand R auf einem durchgehend hohen Niveau, sobald die Düsennadel 3 vom Ventilsitz 8 abgehoben hat.
Die Änderung des Widerstands R durch das Aufsetzen der Düsennadel 3 auf dem Ventilsitz 8 liefert ein sehr deutliches und gut elektronisch auswertbares Signal, da sich der Widerstand R in der Regel um mehrere Größenordnungen ändert. Zur Steuerung einer präzisen Einspritzung ist es von großem Vorteil, die tatsächliche Bewegung der Düsennadel zu kennen, da das Ansteuern der elektrischen Aktoren, die die Düsennadel direkt oder indirekt bewegen, keine präzisen Rückschlüsse auf die Bewegung der Düsennadel zulässt. Mit diesen Messwerten kann der Zeitpunkt und die Dauer der Einspritzung korrigiert werden, wenn dies notwendig ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass nur die Düsennadel 3 mit einem elektrischen Kontakt 14 versehen ist und der Düsenkörper 1 geerdet ist, also mit einem Masseanschluss 17 verbunden ist. Damit kann die elektrische Spannung U zwischen der Düsennadel 3 und der Masse gemessen werden, was ebenfalls ein auswertbares, elektrisches Signal ergibt, jedoch kann in diesem Fall auf einen zweiten elektrischen Kontakt 15, nämlich den elektrischen Kontakt des Düsenkörpers 1, verzichtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/117266 A1 [0002, 0002]

Claims

Kraftstoffeinspritzdüse mit einem Düsenkörper (1), in dem ein mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbarer Druckraum (2) ausgebildet ist, in welchem eine Düsennadel (3) längsverschiebbar angeordnet ist, die mit einer Dichtfläche (7) mit einem Düsensitz (8) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (11) zusammenwirkt, wobei die Düsennadel (3) einen Führungsabschnitt (5) aufweist, mit der sie in einem Führungsbereich (6) des Druckraums (2) in radialer Richtung geführt ist, und mit einer Beschichtung (20) der Düsennadel (3) zumindest im Bereich der Dichtfläche (7), wobei die Beschichtung eine DLC-Schicht (DLC = diamond like carbon) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (3) in ihrer Öffnungsstellung gegen den Düsenkörper (1) elektrisch isoliert ist.
Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (3) und der Düsenkörper (1) elektrisch kontaktierbar sind und dass zwischen der Düsennadel (3) und dem Düsenkörper (1) eine elektrische Spannung angelegt werden kann.
Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (3) mit einem ersten elektrischen Kontakt (14) verbunden ist, über den eine elektrische Spannung (U) an die Düsennadel (3) anlegbar ist.
Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (1) mit einem zweiten elektrischen Kontakt (15) verbunden ist, wobei zwischen dem ersten elektrischen Kontakt (14) und dem zweiten elektrischen Kontakt (15) eine elektrische Spannung (U) angelegt werden kann.
Kraftstoffeinspritzdüse nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (1) geerdet ist.
Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Führungsabschnitt (5) der Düsennadel (3) mit einer DLC-Schicht (20) beschichtet ist.
Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Oberfläche der Düsennadel (3) mit einer DLC-Schicht (20) beschichtet ist.
Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsensitz (8) mit einer DLC-Schicht (20) beschichtet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffeinspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Düsennadel (3) und dem Düsenkörper (1) eine elektrische Spannung (U) angelegt wird und gleichzeitig die Stromstärke (I) des zwischen der Düsennadel (3) und dem Düsenkörper (1) fließenden Stroms gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Spannung (U) und der Stromstärke (I) der elektrische Widerstand (R) zwischen der Düsennadel (3) und dem Düsenkörper (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des elektrischen Widerstands (R) als Eingangsgröße für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung verwendet wird.