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Die
Erfindung betrifft ein Einspritzventil mit kapazitivem Ventilhubsensor
für Brennkraftmaschinen.
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Im
Zusammenhang mit den wachsenden Anforderungen an ein geregeltes
Motor-Einspritzsystem wird es zunehmend wichtiger, ein stabiles
Regelsystem zur präzisen
Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge aufbauen zu können. Im
Serienbetrieb, beispielsweise in einem Diesel Piezo-Injektor mit
Diesel-Motorsteuerungssystem,
kann eine ausreichend genaue Erfassung bzw. Ermittlung des Zeitpunktes
und der tatsächlichen
Menge der einzelnen Einspritzung nicht direkt erfolgen, sondern
nur mittelbar durch Erfassung der tatsächlichen Bewegung der Ventilnadel
im Einspritzventil und einer darauf aufbauenden Berechnung der Einspritzmenge.
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Zum
Zweck der Erfassung der tatsächlichen Bewegung
der Ventilnadel sind in den letzten Jahren bereits Nadelhubsensoren
bekannt geworden, die berührungslos,
beispielsweise auf der Basis von optischen Elementen oder von Hall-Elementen,
arbeiten. Es ist jedoch – auch
unter Kostengesichtspunkten – nicht
unproblematisch, derartige Sensoren mit relativ hohem Raumbedarf
in einen ohnehin eng dimensionierten Injektor, gegebenenfalls in
eine Umgebung, in der Kraftstoffdrücke bis zu 2000 bar herrschen,
einzubauen. Zum anderen bedingt der Einbau eines Nadelhubsensors
ein erhöhtes
Risiko von Undichtigkeiten.
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Aus
der
DE 31 17 779 A1 ist
ein Nadelhubsensor mit eingeschränkten Überwachungsmöglichkeiten
in Form eines Nadelspitze/Ventilsitz-Kontaktschalters bekannt, dessen
zwei Schaltposi tionen mit den Zeitpunkten des Schließens bzw. Öffnens der Ventilnadel
korreliert sind, so dass die tatsächliche Einspritzdauer, nicht
jedoch der genaue Einspritzverlauf, bzw. die tatsächliche
Einspritzmenge, gemessen werden kann. Sitzkontaktschalter setzen
darüber hinaus
in der Schließposition,
also beim Auftreffen der Ventilnadel auf den Ventilsitz, einen guten
elektrischen Kontakt zwischen der Spitze der Ventilnadel und dem
Ventilsitz voraus, während
neuere Bestrebungen eher dahin gehen, die hohen Schlagbeanspruchungen
im Betrieb zu mindern.
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Aus
DE 197 51661 C2 ist
eine Vorrichtung zur Bestimmung der Öffnungs- und Schließzeitpunkte
eines Gaswechselventils bekannt, bei der ein elektrischer Stromkreis
vorgesehen ist, in dem mindestens eine elektrische Größe von der
jeweiligen Stellung des Ventilschließgliedes beeinflussbar und
von einer Auswerteeinheit erfassbar ist. Dabei ist das Verschlussglied
elektrisch isoliert geführt
und bildet eine Elektrode eines Kondensators. Die andere Elektrode
des Kondensators bildet der Ventilsitz.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, in einfacher Weise
ein Ventil der eingangs angegebenen Art als Einspritzventil, insbesondere als
Piezo-Injektor, zu realisieren.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Einspritzventil gemäß Anspruch
1 gelöst.
Weiterbildungen und bevorzugte Maßnahmen ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist bei
einem Einspritzventil der eingangs genannten Art demnach vorgesehen, dass
ein an den Stromkreis angeschlossener, elektrisch leitender Injektorkörper vorhanden
ist, an dem ein Düsenkörper mit
einem Ventilsitz ausgebildet ist, und dass das Verschlußglied als
Ventilnadel ausgebildet ist, die an ihrer dem Ventilsitz entgegengesetzten,
ventilabgewandten Endfläche
an den Stromkreis angeschlossen ist.
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Die
Erfindung beruht auf der Voraussetzung einer Ventilnadel, die bis
auf einen elektrischen Kontaktpunkt am dem Ventilsitz entgegengesetzten
Ende vollständig
gegenüber
dem Düsenkörper (Gehäuse) isoliert
ist. Ventilnadel und Gehäuse
bilden einen Kondensator. Durch die Bewegung der Ventilnadel ändert sich
der Abstand zwischen der Spitze der Ventilnadel und dem Ventilsitz,
während
der Abstand zwischen Nadelführung
und Gehäuse
konstant bleibt. Da Ventilnadel und Düsenkörper beide elektrisch leitend
sind und insbesondere durch eine isolieren de Schicht voneinander
getrennt sind, erfüllen
sie die Charakteristik eines in seinem Kapazitätswert veränderlichen Kondensators, wobei
die Kapazität
indirekt proportional zum Abstand zwischen Ventilsitz und Ventilnadelspitze
ist. Mittels eines elektrischen Signals gelingt es erfindungsgemäß Bewegungsanfang und
Position während
der Bewegung der Ventilnadel reproduzierbar und dokumentierbar zu
detektieren. Aus diesen Signalen können der Einspritzverlauf und die
Einspritzmenge berechnet werden. Dadurch kann für den Serienbetrieb ein stabiles
Regelsystem zur Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge aufgebaut
werden.
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Zur
weiteren mechanischen und elektrischen Realisierung ist es gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung vorteilhaft, dass die Spannungsanbindung des Kondensator-Stromkreises über einen
isoliert in einer axialen Bohrung im Injektorkörper geführten Leiter erfolgt, der mit
einer isoliert im Injektorkörper
angeordneten, elektrisch leitenden Kontaktfeder verbunden ist, die
sich kontaktgebend an der Unterseite des Kopfes eines leitenden
Injektorkolbens abstützt,
der kontaktgebend gegen die ventilabgewandte Endfläche der
Ventilnadel gedrückt
ist. Im Einzelnen ist es bei dieser Ausführungsform vorteilhaft, dass
der Injektorkörper
oberhalb der ventilabgewandten Endfläche der Ventilnadel als Zwischenscheibe
ausgebildet ist, und dass auf der ventilabgewandten Seite der Zwischenscheibe
ein elektrisch leitendes Kontaktteil zur elektrischen Verbindung
zwischen dem Leiter und der Kontaktfeder vorgesehen ist, das gegenüber dem
Injektorkörper
und der Zwischenscheibe elektrisch isoliert ist und auf dem sich
die Kontaktfeder mit ihrem ventilseitigen Ende abstützt. Dabei
ist es ferner vorteilhaft, am Anfang und Ende der axialen Bohrung
jeweils eine Abdichtung vorzusehen.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist es von Vorteil, den Kondensator-Stromkreis über eine
elektrisch isoliert im Injektorkörper
angeordnete Düsenhaltefeder
zu führen,
welche die Ventilnadel gegen den Ventilsitz drückt, wo bei sich die Düsenhaltefeder
mit einem ventilabgewandten Ende an einer Einstellscheibe, die mit
einem weiterführenden
Anschlusskontakt elektrisch verbunden ist, und ventilseitig an einem
leitenden Injektorkolbens abstützt,
der kontaktgebend gegen die ventilabgewandte Endfläche der
Ventilnadel gedrückt
ist.
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Die
elektrische Isolierung kann bei diesen Ausführungsformen in einfacher Weise
sichergestellt bzw. verbessert werden, indem insbesondere die Ventilnadel
und der Injektorkolben mindestens an einem Teil der nicht zur Kontaktgabe
dienenden Flächen
eine isolierende Schicht aufweisen.
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Im
Hinblick auf eine elektrische Entkoppelung von bewegbaren Ventilteilen
bzw. von ventilseitigen Bereichen des Einspritzventils vom Kondensator,
ist es von besonderem Vorteil, einen Steuerkolben vorzusehen, der
mit seiner ventilseitigen Endfläche
auf den zentralen Bereich der ventilabgewandten Kopffläche des
Injektorkolbens drückt,
wobei gleichzeitig an der Kopffläche
des Injektorkolbens eine isolierende Schicht vorzusehen ist.
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Innerhalb
bestehender konstruktiver Aufbauten von Injektoren kann der kapazitive
Ventilhubsensor günstigerweise
dadurch integriert werden, dass der Injektorkörper oberhalb der ventilabgewandten Endfläche der
Ventilnadel als Zwischenscheibe ausgebildet ist, und dass an der
Endfläche
der Ventilnadel eine axiale Ringschulter ausgebildet ist, der eine an
der Unterseite der Zwischenscheibe ausgebildete Gegenschulter als
Anschlagfläche
zugeordnet ist, wobei die Unterseite der Zwischenscheibe mindestens
im Bereich der Anschlagfläche
mit einer isolierenden Schicht versehen sein kann.
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Mit
Blick auf die Vermeidung von Leckströmen und von Korrosion ist es
günstig,
dass der jeweils vorliegende Ventilhub durch Messung der jeweils
an dem Ventilsitz (R2 + Cvar)
abfallenden Spannung Uinj ermittelbar ist,
wobei als Betriebsspan nung UB eine Wechselspannung
angelegt ist. Dabei wird die Änderung
des komplexen Widerstands R2 + Cvar in einem vorgegebenen Zeitfenster gemessen,
um die Position der Düsennadel
bzw. den Ventilhub festzustellen.
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Die
isolierenden Schichten können
bevorzugt, zumindest stellenweise, als Diamond-Like-Carbon (DLC)-
oder Aluminiumoxid- oder
als Zirkonoxynitrit-Schicht ausgebildet sein, die sich neben ihren isolierenden
Eigenschaften durch hohe Abriebfestigkeit und Abschlagfestigkeit
auszeichnet und die Bewegung der entsprechenden Teile nicht durch
Reibung hemmt.
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Der
jeweils vorliegende Ventilhub H der Düsennadel ist durch Messung
der jeweils an dem komplexen Widerstand R2 +
Cvar abfallenden Spannung ermittelbar, wobei
als Betriebsspannung UB eine Wechselspannung
angelegt ist und der komplexe Widerstand im Wesentlichen zwischen
Düsennadel
und Düsenkörper gebildet
wird.
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Die
axiale Position der Düsennadel
hängt ab von
der ermittelten Kapazität
und dem Widerstand zwischen dem Injektorkörper und mindestens einem Ventilteil.
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Der
Zeitpunkt des Abhebens der Düsennadel
vom Ventilsitz hängt
ab von der ermittelten Änderung
der Kapazität
zwischen Düsennadel
und Düsenkörper und
ist insbesondere erfassbar durch die ermittelte Verringerung der
Kapazität.
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Der
Verschleiß der
Isolierschicht zwischen Düsennadel
und Düsenkörper hängt ab von
dem ermittelten ohmschen Widerstand zwischen Düsennadel und Düsenkörper, wobei
vorzugsweise bei erhöhtem
Verschleiß eine
Reduzierung des Widerstands (R2) einhergeht.
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Die
Innenseite des Düsenkörpers und
die Düsennadel
sind dabei zumindest im Bereich des Ventilsitzes beschichtet.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden
Beschreibung des in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 schematisch einen Längsschnitt
durch den düsenseitigen
Teil eines Einspritzventils gemäß der Erfindung,
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2 eine andere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Einspritzventils
in der Darstellung gemäß 1,
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3 ein elektrisches Ersatzschaltbild
des zur kapazitiven Bestimmung des Ventilhubs herangezogenen Kondensator-Stromkreises.
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1 zeigt im Längsschnitt
beispielhalber ein piezoelektrisch angetriebenes Einspritzventil, das,
zusammen mit anderen Piezo-Injektoren, in an sich bekannter Weise
mit einem nicht dargestellten zentralen Druckspeicher (Common Rail)
für Diesel-Kraftstoff
verbindbar ist und dessen elektrische Ansteuerung mittels eines
externen Steuergerätes (ECU)
erfolgt. Der Piezo-Aktuator selbst befindet sich üblicherweise
im hier nicht dargestellten oberen Teil des Injektorkörpers 14.
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Der
dargestellte untere Teil des Einspritzventils ist hauptsächlich aus
elektrisch leitenden Materialien hergestellt und bezüglich der
Ventilachse 1 vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet.
Er weist einen Düsenkörper 2 auf,
an dessen Düsenöffnung 3 ein
Ventilsitz 4 ausgebildet ist, auf welchem eine Ventilnadel 5 sitzt.
Die Ventilnadel 5 ist in ihrem oberen, im Querschnitt vergrößerten Abschnitt
eng im Düsenkörper 2 geführt, wobei
eine Isolierschicht 22, in jedem Fall jedoch eine abriebfeste
und reibarme Isolierung, zwischen diesem Abschnitt der Ventilnadel 5 und
dem Düsenkörper 2 vorgesehen
ist. Am Übergang
des oberen zum unteren, im Querschnitt verengten Abschnitts der
Ventilnadel 5 ist eine (über einen nicht dargestellten
Zulauf) mit Kraftstoff versorgte Hoch druckkammer 13 vorgesehen,
von der aus die Zuführung
von Kraftstoff entlang der Ventilnadel 5, über den
Ventilsitz 4, zur Düsenöffnung 3 hin erfolgen
kann. Dadurch ist entlang des unteren Abschnittes der Ventilnadel 5 im
Normalfall bereits eine ausreichende elektrische Isolierung zum
Düsenkörper 2 gegeben.
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Die
obere Endfläche
der Ventilnadel 5 grenzt an eine Zwischenscheibe 6,
die, zusammen mit der engen Führung
der Ventilnadel 5, bei dieser Ausführungsform einen ventilseitigen
Hochdruckbereich des Kraftstoff-Einspritzventils von einem darüber befindlichen
Niederdruckbereich trennt und die mit den darüber und darunter angeordneten
weiteren Bereichen des Düsenkörpers 2 bzw.
des Injektorkörpers 14 leitend
verbunden ist. Oberhalb der Zwischenscheibe 6 ist im Injektorkörper 14 ein
stirnseitig offener Federraum 7 ausgespart, in dem eine
Düsenhaltefeder 8 angeordnet
ist. Die Düsenhaltefeder 8 stützt sich nach
unten hin auf die Oberseite eines als T-Stück ausgebildeten
Injektorkolbens 9 ab, der durch eine Bohrung im Zwischenstück 6 hindurchgeführt ist
und mit seiner Unterseite auf die obere Endfläche der Ventilnadel 5 drückt. Gegenüberliegend
stützt
sich die Düsenhaltefeder 8 an
einer gegenüber
dem Injektorkörper 14 isoliert
angeordneten Einstellscheibe 10 ab, die durch eine nach
außen
führende
Bohrung mit einem gegenüber
dem Injektorkörper 14 isolierten Anschlusskontakt 11 elektrisch
verbunden ist.
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Axial
durch die Düsenhaltefeder 8 hindurch ist
ein Steuerkolben 12 geführt,
der mit einer Endfläche
auf die Oberseite des Injektorkolbens 9 drückt und
mit dem gegenüberliegenden
Ende in den oberen Teil des Einspritzventils hineinreicht.
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Die
in den mechanisch-hydraulischen Aspekten an sich bekannte Funktionsweise
dieser Konstruktion beruht darauf, dass, solange der Injektor nicht
angesteuert wird, der hohe Kraftstoffdruck gleichzeitig an der Spitze
der Ventilnadel 5 und in einem an der oberen Endfläche des
Steuerkolbens 12 ange ordneten Steuerraum anliegt, sich
dort, wegen der größeren Fläche, jedoch
mit einer größeren wirksamen
Druckkraft äußert und
somit das Ventil schließt.
Wird der Injektor angesteuert, so öffnet der sich ausdehnende
Piezo-Aktuator einen Kraftstoffrücklauf
vom Steuerraum, wodurch der Druck an der Spitze der Ventilnadel 5 das Übergewicht
erhält,
die Ventilnadel 5 nach oben drückt und das Düsenventil öffnet. Grundsätzlich sind
erfindungsgemäß jedoch auch
andere Ausführungen
möglich,
bei denen ein Piezo-Aktor oder ein Magnetventil beim Schließen des
Ventils bestromt wird.
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Wie
in 1 erkennbar, ist
der Querschnitt des oberen Abschnittes der Ventilnadel 5 etwas
größer als
der Querschnitt der in der Zwischenscheibe 6 für den Injektorkolben 9 vorgesehenen
Bohrung. Auf diese Weise ist an der oberen Endfläche der Ventilnadel 5 eine
axiale Ringschulter gebildet, der eine an der Unterseite der Zwischenscheibe 6 ausgebildete Gegenschulter
als Anschlagfläche
zugeordnet ist.
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2 zeigt eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Einspritzventils,
die sich in der Kontaktierung von der in 1 gezeigten Ausführungsform unterscheidet. Die
Spannungsanbindung erfolgt, wie erkennbar, über einen Anschluss 15 und eine
axiale Bohrung 19 im Injektorkörper 14, durch die
ein isolierter Leiter (Draht) 16 geführt wird. Auf der ventilabgewandten
Seite der Zwischenscheibe (Anschlagscheibe) 6 wird ein
elektrisch leitendes Kontaktteil 18 eingearbeitet, das
gegenüber
der Zwischenscheibe 6 und dem Injektorkörper 14, z.B. durch
eine isolierende Einlage, elektrisch isoliert ist, und eine feste
elektrische Verbindung zum Leiter 16 hat. Auf das Kontaktteil 18 stützt sich
eine elektrisch leitende Kontaktfeder 17, die sich an ihrem
anderen Ende an der Unterseite des Kopfes des Injektorkolbens 9 abstützt und
so die Spannung an den Injektorkolben 9 weiterführt. Der
Injektorkolben 9 ist zur elektrischen Entkopplung und zur
Verringerung der parasitären
Kapazitäten
gegenüber
dem Steuerkolben 12 an der Kopffläche und den Seitenflächen des
Kopfes mit einer elekt risch isolierenden Schicht 21 versehen. Über das
ventilseitige Ende des Hubeinstellbolzens 9 wird die Spannung
zur Ventilnadel 5 (die seitlich isoliert zum Düsenkörper 2 geführt ist)
geleitet. Vorteile dieser Kontaktierungsvariante sind die einfachere Verbaubarkeit
im Motorraum und die Möglichkeit, den
Anschluss 15 im Einspritzventil nach oben weiterzuführen und
damit insbesondere eine elektrische Anbindung an den Stecker des
Piezo-Aktors zu schaffen. Die Bohrung 19 sollte, wie dargestellt,
von innen nach außen
sowie von außen
nach innen mittels einer Abdichtung 20 abgedichtet sein,
um ein Eindringen von Fremdstoffen bzw. einen Druckverlust zu vermeiden.
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Die
Düsennadel 5 und
der Injektorkörper 14 (Gehäuse) des
beschriebenen Einspritzventils bilden einen in einem Stromkreis
angeschlossenen Kondensator, der wie folgt als kapazitiver Ventilhubsensor
wirkt:
Um ein mit der Position der Ventilnadel 5 und
dem damit verbundenen Ventilhub H korrespondierendes elektrisches
Signal zu erhalten, wird der Düsenkörper 2 auf
Massepotenzial gelegt und der Anschlusskontakt 11 wird über einen
Vorwiderstand Rvor mit einer Spannungsquelle
UB verbunden. Bei dieser in 3 dargestellten Schaltungsanordnung wird
direkt der Abfall der Spannung Uinj an R2 + Cvar gemessen und
zur Auswertung, z. B. im Rahmen einer zentralen Steuereinheit (ECU),
herangezogen. Die Spannung UB wird der Einstellscheibe 10 der
Düsenhaltefeder 8 oder
dem Anschluss 15 zugeführt
und, je nach Kontaktvariante, zur Ventilnadel 5 weitergeleitet.
Dabei ist zu beachten, dass alle stromführenden Teile außer den
Kontaktstellen ausreichend gut gegenüber dem Düsenkörper 2 isoliert sind.
Dies wird durch eine aufgesputterte Diamond-Like-Carbon (DLC)- oder
eine Aluminiumoxid- oder eine Zirkonoxynitrit-Schicht gewährleistet, die neben einer
hohen Abriebfestigkeit auch einen niedrigen elektrischen Leitwert
besitzt und sich daher auch als Isolationsschicht eignet, auch wenn
Leckströme
nicht auszuschließen
sind. Eine Isolierschicht muss insbeson dere an den Stellen der Einstellscheibe 10 und
des Hubeinstellbolzens 9 vorgesehen werden, an denen eine
Engführung
zum Düsenkörper 2 hin
besteht. Bei dieser Isolierschicht ist es weiterhin von Vorteil,
wenn sie auch einen sehr niedrigen Reibbeiwert, der eine gute Laufeigenschaft
der bewegten Teile garantiert, aufweist.
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Das
in 3 dargestellte elektrische
Ersatzschaltbild macht ferner die Widerstandsverhältnisse im
Injektor deutlich und zeigt den einfachen Aufbau des Messkreises
mit der Spannungsquelle UB, dem Kondensator
Cvar und dem in Reihe zu Cvar geschalteten
Widerstand Rvor. R2 ist
der ohmische Widerstandsanteil, Cvar der
entsprechende kapazitive Blindanteil zwischen Düsennadel und dem Ventilsitz.
RISO bezeichnet den Isolationswiderstand
der Isolierschicht und RFG den Übergangswiderstand
zwischen der Führung
der Ventilnadel 5 und dem Düsenkörper 2. Dabei gilt
R2 « (RISO + RFG). Cvar
und R2 stellen im Wesentlichen den komplexen
Widerstand zwischen dem Ventilsitz dar, der durch Düsennadelspitze 4 und der
zugehörigen
Innenseite des Düsenkörpers 2 dar.
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Zur
Vermeidung von Korrosion durch Kontaktabbrand und/oder galvanische
Prozesse offenliegender Kontaktflächen und da an den Isolierschichten
Leckströme
zu erwarten sind, wird die Betriebsspannung UB als
Wechselspannung ausgelegt.
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Der
Gesamthub der Ventilnadel 5 kann beispielsweise 100–250 μm betragen.
Die elektrische Auswertung kann, abgesehen von der bereits beschriebenen
Messung des Spannungsabfalls Uinj, auch
nach einem anderen elektrischen Prinzip bzw. auch in Kombination
mit einer geeigneten Spule durch Verstimmung der Resonanzfrequenz
realisiert werden.
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Bei
der elektrischen Auswertung muss die Tatsache beachtet werden, dass
die zu messenden, relativ kleinen Kapazitätsänderungen einer – auch durch
parallel geschaltete Kapazitäten
bedingten, vgl. Ckonst und zugehörigen R1 in 3, – großen Gesamtkapazität gegenüberstehen.
Es ist deshalb vorteilhaft, die Gesamtkapazität insbesondere dadurch zu verringern,
dass zwischen der unteren Endfläche des
Steuerkolbens 12 und der oberen Endfläche des Injektorkolbens 9 eine
Isolierschicht eingefügt
wird, die die Gesamtkapazität
durch Reihenschaltung von Teilkapazitäten verringert.
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Erfindungsgemäß kann mit
relativ einfachen Mitteln, insbesondere ohne größerem mechanischen Aufwand,
die Position der Ventilnadel 5 in direkter Weise detektiert
werden. Daraus kann im Weiteren eine Regelkette aufgebaut werden,
die aus den gemessenen Werten über
wenige Rechenschritte auf die tatsächliche Einspritzmenge schließt, diese
mit den nach Betriebsart vordefinierten Sollwerten vergleicht und über eine
Auswertung der Differenzen die Ansteuerparameter entsprechend anpasst.