DE10228353A1

DE10228353A1 - Piezo-Sensors-System zur Detektion des Nadelhubs einer Einspritzdüse eines Common-Rail-Injektors

Info

Publication number: DE10228353A1
Application number: DE10228353A
Authority: DE
Inventors: Nicholas Dr.-Ing. Fekete; Tobias Dr. Flämig-Vetter; Dirk Dipl.-Ing. Herbstritt
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2004-01-15
Also published as: EP1516117A2; WO2004007951A3; WO2004007951A2; US20060151628A1; WO2004007951B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Düsennadel 4 einer Einspritzdüse 1, die innerhalb eines Injektorgehäuses angeordnet und gegen eine Gehäuseschulter 5 über eine Feder 2 vorgespannt ist. Zwischen der Feder 2 und der Gehäuseschulter 5 ist ein Piezo-Element 7 zur Ermittlung des Düsennadel-Wegs beim Öffnen bzw. Schließen der Düsenöffnung 3 angeordnet. Das Piezo-Element 7 weist hierzu zwei elektrische Anschlüsse 8.1, 8.2 im Bereich der jeweiligen Stirnseiten 7.1, 7.2 auf.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzdüse für einen Common-Rail-Injektor mit einer über eine Feder vorgespannten, eine Düsenöffnung verschließenden Düsennadel, wobei die Feder zwischen einer Gehäuseschulter und einer Anlagefläche der Düsennadel angeordnet ist.
Die Einspritzmenge und der Einspritzbeginn sind wichtige Kenngrößen für den optimalen Betrieb von Dieselmotoren. Deren Erfassung ermöglicht die last- und drehzahlabhängige Einstellung des Einspritzvorgangs in einem geschlossenen Regelkreis. Die derzeitigen Methoden zur Bestimmung des Nadelhubs sind ungenau, da der Nadelhub räumlich weit entfernt von der Düsenöffnung bzw. Düsennadelspitze detektiert wird. Der Einfluß eines Steuerkolbens bzw. einer Schubstange zwischen einem Stellglied und der Düsennadel verfälscht das Ergebnis.

Es ist bereits eine Einspritzdüse für Kraftstoff aus der US 6,235,736 B1 bekannt. Die Einspritzdüse weist eine Düsennadel sowie einen axial zur Düsennadel angeordneten Steuerkolben auf. Der Steuerkolben ist über eine erste Feder nach oben hin vorgespannt und wird über ein Piezo-Element in axiale Richtung gestellt. Die Düsennadel ist über eine zweite Feder nach unten hin, also entgegengesetzt zum Steuerkolben, vorgespannt und verschließt in der unteren Stellung die Düsenöffnung. Durch eine Bewegung des Steuerkolbens aufgrund einer Stellbewegung des Piezo- Elements, gibt dieser eine Durchflußöffnung für Kraftstoff frei, so daß die Düsennadel entgegen der Federkraft nach oben aus ihrem Sitz bewegt wird. Nach einem Hub (h) stößt die Düsennadel mit ihrer oberen Stirnseite an eine untere Stirnseite des Steuerkolbens an und generiert damit eine zusätzliche Stellkraft nach oben. Sobald das Piezo-Element stromlos geschaltet wird, fährt der Steuerkolben zurück in seine obere Endlage und verschließt die Durchflußöffnung. Die Düsennadel ist dann wieder im Druckkräfte-Gleichgewicht, so daß die resultierende Federkraft die Schließbewegung ausführt und die Düsenöffnung schließt. Die Stellung der Düsennadel wird über die Stellung des Steuerkolbens detektiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einspritzdüse derart auszubilden und anzuordnen, daß eine optimale Detektion der Bewegung der Düsennadel gewährleistet wird.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß zwischen der Gehäuseschulter und der Feder ein Piezo-Element zur Erfassung der Federkraft vorgesehen ist. Hierdurch wird erreicht, daß über die aus Federvorspannung und Düsennadelhub resultierende Federkraft und damit die Stellbewegung der Düsennadel auf einfache Weise ermittelt wird. Das Piezo-Element kann direkt hinter der Feder angeordnet werden, so daß keine weiteren Kosten durch Konstruktionsänderungen entstehen.

Vorteilhaft ist es, dass zwischen der Anlagefläche der Düsennadel und der Feder ein Piezo-Element vorgesehen ist. Mittels der Anordnung des Piezo-Elements zwischen der Düsennadel und der Feder wird ebenfalls die resultierende Federkraft und damit die Stellbewegung der Düsennadel ermittelt.

Hierzu ist es vorteilhaft, dass das Piezo-Element ringförmig oder als Toroid mit einer ersten Stirnseite und einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite ausgebil det ist und im Bereich der ersten Stirnseite einen ersten elektrischen Anschluß und im Bereich der zweiten Stirnseite einen zweiten elektrischen Anschluß aufweist. Das Piezo-Element ist somit zwischen den Krafteinleitungspunkten der Feder und der Gehäuseschulter bzw. der Anlagefläche angeordnet, so dass über den ersten und den zweiten elektrischen Anschluß die belastungsabhängige Ladungsverschiebung des Piezo-Elements ermittelt wird.

Ferner ist es vorteilhaft, dass der Stellweg x der Düsennadel über die Funktion

ermittelbar ist, wobei Q die Ladung des Piezo-Elements, d_P den piezoelktrischen Koeffizient und D die Federsteifigkeit der Feder darstellt.

Durch die Anordnung des Piezo-Elements innerhalb des sehr dickwandigen metallischen Einspritz-Injektors wird eine Einstreuung von magnetischen und elektrischen Wechselfeldern auf das Meßsignal stark gedämpft.

Vorteilhaft ist es hierzu auch, dass durch Integration des Verschiebungsstroms des Piezo-Elements während einer Bewegung die Verschiebungsladung auf einfache Weise bestimmbar ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, dass zwischen beiden Endlagen des Stellwegs x der Düsennadel die Zwischenwerte für den Stellweg x interpolierbar sind. Sowohl die resultierende Federkraft als auch das Piezo-Element sind linear bezüglich des Stellwegs x bzw. der Stellkraft und weisen einen sehr geringen Hysterese-Effekt auf.

Die Abnahme der Steifigkeit der Feder durch Alterungserscheinungen bzw. eine Ermüdung des Piezo-Elements können unter Einbeziehung der Drift der Meßwerte korrigiert werden.

Der Einfluß der Temperatur führt zu einer Ausdehnung der Düsennadel und des Injektorgehäuses sowie zu einer Veränderung der Piezo-Element-Charakteristik. Diese Temperaturabhängigkeit wird über den maximalen Hub berechnet und entsprechend berücksichtigt.

Die durch die Massenträgheit der Feder bedingte Totzeit zwischen Ansteuersignal für das Stellglied der Düsennadel und dem erfindungsgemäßen Stellsignal der Düsennadel kann für eine Auskopplung des Stellsignals genutzt werden.

Vorteilhaft ist es auch, dass die Gehäuseschulter und das Piezo-Element eine gemeinsame konzentrisch zum Piezo-Element angeordnete Öffnung aufweisen. In dieser Öffnung ist ein nicht dargestelltes Stellglied für die Düsennadel angeordnet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in der Zeichnung dargestellt:
In der Zeichnung ist ein Ausschnitt einer Einspritzdüse 1 innerhalb eines teilweise dargestellten Injektor-Gehäuses mit einer Gehäuseschulter 5 und einem unteren Gehäuseteil 1.1 dargestellt. Im Gehäuseteil 1.1 ist eine Düsenöffnung 3, die über eine Düsennadel 4 geöffnet bzw. geschlossen wird vorgesehen. Die Düsennadel 4 weist eine Anlagefläche 6 auf, mit der die Düsennadel 4 gegen eine Feder 2 anliegt. Als Gegenlager auf der der Düsennadel 4 gegenüberliegenden Seite der Feder 2 ist ein Piezo-Element 7 vorgesehen, das wiederum gegen die Gehäuseschulter 5 anliegt. Somit ist die Düsennadel 4 über ihre Anlagefläche 6 mit der Feder 2 gegenüber dem Piezo-Element 7 und der Gehäuseschulter 5 vorgespannt. Das Piezo-Element 7 ist hierbei zylinderförmig ausgebildet und weist einen mittleren Durchmesser auf, der dem mittleren Durchmesser der Feder 2 entspricht.
Das Piezo-Element 7 weist eine an der Feder 2 anliegende erste Stirnseite 7.1 und eine gegen die Gehäuseschulter 5 anliegende zweite Stirnseite 7.2 auf. Die erste Stirnseiten 7.1 weist hierbei einen ersten elektrischen Anschluß 8.1 und die zweite Stirnseite 7.2 einen zweiten elektrischen Anschluß 8.2 auf. Über die elektrischen Anschlüsse 8.1, 8.2 wird der Ladungsverschiebungsstrom I innerhalb des Piezo-Elements 7 abgegriffen. Die von einer geschlossenen, ggf. vorgespannten, Stellung der Düsennadel 4 ausgehende Öffnungsbewegung x, generiert einen Kraftzuwachs auf das Piezo-Element 7, der proportional zum Stellweg x ist, wobei der Proportionalitätsfaktor der Federkonstante D entspricht. Der Stellweg x der Düsennadel 4 läßt sich somit durch die Formel
auf einfache Weise ermitteln, wobei Q der durch die Kraftänderung entstehende Ladungsverschiebung innerhalb des Piezo-Elements 7 entspricht und d_P den piezo- elektrischen Koeffizienten darstellt.

Claims

Einspritzdüse (1) für einen Common-Rail-Injektor mit einer über eine Feder (2) vorgespannten eine Düsenöffnung (3) der Einspritzdüse (1) verschließenden Düsennadel (4), wobei die Feder (2) zwischen einer Gehäuseschulter (5) und einer Anlagefläche (6) der Düsennadel (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Feder (2) und der Gehäuseschulter (5) oder zwischen der Feder (2) und der Anlagefläche (6) ein Piezo-Element (7) vorgesehen ist.
Vorrichtung insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezo-Element (7) ringförmig oder als Toroid mit einer ersten Stirnseite (7.1) und einer der ersten Stirnseite (7.1) gegenüberliegenden zweiten Stirnseite (7.2) ausgebildet ist, und im Bereich der ersten Stirnseite (7.1) einen ersten elektrischen Anschluß (8.1) und im Bereich der zweiten Stirnseite 7.2 einen zweiten elektrischen Anschluß (8.2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellweg x der Düsennadel (4) über die Funktion
ermittelbar ist, wobei Q die Ladung des Piezo-Elements (7), d_P den piezoelektrischen Koeffizient und D die Federsteifigkeit darstellt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Integration des Verschiebungsstroms des Piezo-Elements (7) während einer Bewegung die Verschiebungsladung Q bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen beiden Endlagen des Stellwegs x der Düsennadel (4) die Zwischenwerte für den Stellweg x interpolierbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseschulter (5) und das Piezo-Element (7) eine gemeinsame konzentrisch zum Piezo-Element (7) angeordnete Öffnung (9) aufweisen.