DE3515476A1

DE3515476A1 - Einspritzventil mit nadelhubsensor

Info

Publication number: DE3515476A1
Application number: DE19853515476
Authority: DE
Inventors: Eberhard Linz Mausner
Original assignee: Voestalpine AG
Current assignee: Voestalpine Metal Forming GmbH
Priority date: 1984-06-13
Filing date: 1985-04-29
Publication date: 1985-12-19
Also published as: ATA192884A; US4667511A; AT390651B

Description

Voest-Alpine Aktiengesellschaft
A-4020 Linz

Einspritzventil mit Nadelhubsensor

Die Erfindung bezieht sich auf ein Einspritzventil mit Nadel hubsensor, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bei welchen innerhalb einer Düseneinheit eine Ventilnadel vorgesehen ist, die mittels einer Feder gegen den Druck der einzuspritzenden Flüssigkeit in Richtung ihrer Schließstellung belastet ist, mit einem innerhalb der Düseneinheit vorgesehenen, auf die Lage der Ventilnadel ansprechenden Sensorelement, dem ein Blendenteil zugeordnet ist, der an dem von dem Ventilsitz abgewandten Ende der Ventilnadel bzw. an einem an deren Ende befestigten Federabstützteller od.dgl. angeordnet ist.

Bei Brennkraftmaschinen mit Treibstoffeinspritzungen, insbesondere bei Dieselmotoren, werden Einspritzventile verwendet, deren Ventilnadel bei Erreichen eines gewissen Druckes des von der Einspritzpumpe gelieferten Treibstoffes gegen die Kraft der Ventilfeder öffnet und nach Druckabfall wieder schließt. Hiebei ist die Kenntnis des genauen Einspritzzeitpunktes und der Einspritzdauer wünschenswert, da über diese Größen die Messung des Brennstoffverbrauches möglich ist. Dieser kann einerseits für diverse Anzeigen (Brennstoffverbrauch, Restaktionsradius), andererseits für die Regelung (z.B.: auf geringen Treibstoffverbrauch, geringe Abgasschadstoffwerte und optimale Belastung) benützt werden.

Ein Ventil der eingangs genannten Art ist aus der DE-ÜS 29 20 öO9 bekannt geworden. Bei diesem ist an dem am oberen Ende der Ventilnadel befestigten Federabstützteller ein Blendenteil aus weichmagnetischem Werkstoff befestigt. Der Blendenteil kann sich zwischen einem Permanentmagnet und einem Hailplättchen

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so bewegen, daß je nach Lage der Ventilnadel das Hallelement dem Magnetfeld des Permanentmagnetes ausgesetzt bzw. von diesem abgeschirmt ist.

Bei einem ähnlichen Ventil (US-PS 4.366.706) ist an dem l'ederabstützteller ein kleiner Permanentmagnet befestigt, der einem Hallelement gegenüberliegt. Das Hallelement wird von einem zylindrischen, von der Ventilfeder umgebenden Einsatz getragen.

Aus der DIi-OS 30 04 424 geht ein Ventil als bekannt hervor, bei dem ein Zapfen am oberen Ende der Ventilnadel als Kern einer feststehenden, zylindrischen Spule wirkt. Eine Bewegung der Ventilnadel und somit des Zapfens ändert die Induktivität der Spule, wodurch auf die Lage der Ventilnadel geschlossen werden kann.

in den beiden erstgenannten Fällen liefert das Hallelement eine Ausgangsspannung, die von der Lage des Magnetes und damit der Ventilnadel abhängt. Durch Auswertung dieses Ausgangssignales ist es möglich, Beginn und Dauer des Einspritzvorganges festzustellen. Diese bekannte Lösung weist allerdings einige Nachteile auf. Zunächst sind Hallelemente teure und empfindliche Bauelemente. Insbesondere die mit dem Betrieb einer Brennkraftmaschine verbundene Erhitzung und die auftretenden Erschütterungen wirken sich auf Betriebssicherheit und Lebensdauer ebenso ungünstig aus, wie auf die Genauigkeit der Messung. Auf Grund des Meßprinzipes stellen auch elektrische und magnetische Störfelder, die in einem Kraftfahrzeug unvermeidbar sind, eine ständige mögliche Fehlerquelle der Messung dar. Das Ausgangssignal ist konstruktionsbedingt analog, daher ist eine besondere Auswerteschaltung ebenso erforderlich wie ein Justieren von Magnet und Hallelement.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Einspritzventil,

das bei möglichst einfachem und billigem Aufbau zuverlässige Meßwerte liefert und den thermischen und mechanischen Belastungen während des Betriebes standhält. Die Auswertung des von dem Sensorelement gelieferten Signales soll mit geringem Aufwand möglich sein.

Dieses Ziel läßt sich mit einem Einspritzventil der oben erwähnten Art erreichen, bei welchem erfindungsgemäß dem als optische Blende ausgebildeten Blendenteil ein Lichtschranken zugeordnet ist, von dessen beiden optischen Finden in an sich bekannter Weise Glasfaserleitungen aus der Oüseneinheit geführt sind.

Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, daß innerhalb der Düseneinheit keine durch magnetische oder elektrische Störfelder beinflußbare Bauelemente vorhanden sind. Die benötigten Bauteile sind unempfindlich gegen hohe Temperaturen und Erschütterungen, das Ausgangssignal ist eindeutig und kann mit einfachsten Mitteln ausgewertet werden; aufwendige Justierarbeiten sind nicht erforderlich. Besonders hervorzuheben ist der Umstand, daß dank der Erfindung keine elektrischen Bauteile in Motornähe vorgesehen werden müssen, sondern in gewünschter Entfernung vom Motor zusammengefaßt sein können.

In der obgenannten DE-OS 29 20 669 findet sich die Feststellung, daß optoelektronische Geber unbrauchbar seien, da Störungen durch öltropfen und Luftblasen oder Schaum auftreten. Diese Feststellung bezieht sich wahrscheinlich auf einen optoelektronischen Sensor, der über luftgefüllte Kanäle mit dem Lichtgeber verbunden ist. Dabei können tatsächlich Störungen durch Blasen oder Schaum auftreten, wenn das Lichtsignal über eine größere Wegstrecke durch diese Atmosphäre geführt wird.

Im Gegensatz dazu sind bei der Erfindung Glasfaserleitungen

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vorgesehen, die eben diesen Nachteil vermeiden, da Störungen von dem Lichtstrahl ferngehalten werden. Der Lichtstrahl kommt nur im Schlitz des Lichtschranken mit der Atmosphäre in Berührung, sodaß dort Blasen, falls sie überhaupt auftreten können, nicht stören. Hier sei angemerkt, daß aus der DE-OS 32 41 390 die Verwendung einer Glasfaserleitung in Zusammenhang mit einer Düseneinheit bekannt geworden ist und zwar zum Zwecke der Weiterleitung des Lichtes der Verbrennungsflamme.

Γη Hinblick auf den länglichen und sehr kompakten Aufbau der Düseneinheit ist es zweckmäßig, wenn der Lichtschranken zwei Dreiecksprismen aufweist, wobei je einer der kurzen Schenkel mit je einer der Glasfaserleitungen verbunden ist und die anderen kurzen Schenkel einander parallel und in Abstand gegenüberliegen, und der Blendenteil zwischen den gegenüberliegenden Schenkeln geführt ist.

Eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtschranken als Dachkantprisma ausgebildet ist, das in seinem Firstbereich einen parallelen zum First ausgebildeten Schlitz aufweist, in dem der Blendenteil bewegbar ist, wobei die Glasfaserleitungen an der Basisfläche des Prismas je im Bereich einer Dachfläche angeschlossen sind. Iliedurch ist der Lichtschranken einteilig ausgeführt, was den Einbau und die Herstellung erleichtert und sicherstellt, daß die einmal vorgegebene Geometrie immer erhalten bleibt.

Einen in optischer Hinsicht unkritischen Aufbau, bei dem Drehungen der Ventilnadel ungehindert vor sich gehen können, erhält man, wenn der plattenförmig ausgebildete Blendenteil in dem Federabstützteller der Ventilnadel bezüglich deren Längsachse drehbar gelagert ist.

Andererseits muß man auf Drehungen der Ventilnadel nicht Bedacht

nehmen, wenn der Blendenteil als zylindrischer Stift ausgebildet ist.

Die Erfindung samt ihren weiteren Vorteilen und Merkmalen ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Düseneinheit gemäß der Erfindung, Fig. 2 in vergrößerter Darstellung, gleichfalls in einem Längsschnitt einen zylindrischen Einsatz mit einem Dachkantprisma, Fig. 3 in einem Längsschnitt einen zylindrischen Einsatz mit Dachkantprisma und den oberen Teil einer Ventilnadel mit Blendenteil, Fig. 4 in schematischer Darstellung das Meßprinzip, Fig. 5 die Anordnung nach Fig. 3, jedoch in schau-

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bildlicher, teilweise geschnittener Darstellung, Fig. t> im Längsschnitt ein Detail des Ventils mit zylindrischem Blendenteil, Fi.«. 7 eine andere Ausführungsform des Lichtschrankens im Längsschnitt und Fig. 8 eine weitere Ausführungsform des Lic.itschrankens, gleichfalls im Längsschnitt.

Fig. 1 zeigt ein Hinspritzventil nach der lirfindung, dessen mechanische Bauteile größtenteils herkömmlicher Bauart sind. Innerhalb einer Düseneinheit 1 ist eine in ihrer Längsrichtung verschiebbare Ventilnadel 2 gelagert. Dem unteren konischen linde der Ventilnadel 2 ist ein Ventilsitz 3 zugeordnet. Die einzuspritzende Flüssigkeit bzw. der Brennstoff wird über einen Brennstoffkanal 4 bis zu dem Ventilsitz 3 geführt. Mit dem Brennstoffkanal 4 steht in bekannter Weise ein Ringkanal 5 im Bereich einer Kegelfläche 6 der Düsennadel 2 in Verbindung. An ihrem oberen Ende sitzt auf der Ventilnadel 2 ein Federabstützteller 7, auf dem das untere Ende einer Schraubendruckfeder 8 abgestützt ist. Innerhalb der Feder 8 ist ein zylindrischer Einsatz 9 angeordnet, der an seinem oberen Ende einen Stützkragen IO besitzt, an dem das obere Ende der Feder 8 abgestützt ist.

Iis ist ersichtlich, daß auf Grund dieser Anordnung die Ventilnadel 2 unter der Kraft der Feder 8 gegen den Ventilsitz 3 gepreßt ist, wogegen der Einsatz 9 durch die Feder 8 stationär gegen das obere Ende der die Feder 8 und den Einsatz 9 aufnehmenden Bohrung 11 der Düseneinheit 1 gehalten ist. Bei Beaufschlagung des Brennstoffkanals 4 mit genügend hohem Flüssigkeitsdruck hebt die Nadel 2 wegen des auf die Kegelflüche 6 wirkenden Druckes von dem Ventilsitz 3 ab und führt eine Hubbewegung nach oben aus. Nach Abfall des Brennstoffdruckes kehrt die Nadel 2 wieder in ihre Schließstellung zurück.

Um den Nadel hub bzw. die Lage der Nadel 2 (offen oder geschlossen) feststellen zu können, ist in Einklang mit der Erfindung an dem oberen Ende der Ventilnadel 2 bzw. an dem Federabstützteller

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ein Blendenteil 12 vorgesehen, dem ein Lichtschranken 13 im Einsatz 9 zugeordnet ist. In weiter unten näher beschriebener Weise sind Glasfaserleitungen 14, 15 mit den optischen Enden des Lichtschrankens 13 verbunden und aus der Düseneinheit 1 geführt.

Gemäß Fig. 2 ist in das untere Ende des Einsatzes 9 ein Dachkantprisma 16 eingekittet, das als Lichtschranken 13 dient. Hiezu ist in dem Firstbereich des Prismas 16 ein parallel zum First verlaufender Schlitz 17 ausgebildet. Je eine Glasfaser-{"■>,' leitung 14, 15 ist an der Basisfläche 18 des Prismas 16 je im Bereich einer Dachfläche 19, 20 angeschlossen. Eine der beiden Glasfaserleitungen 14 führt zu einer Lichtquelle 21, z.B. einer lichtemittierende Diode, die andere Leitung 15 zu einem Photodetektor 22, z.B. zu einer Photodiode (Fig. 4). Der Strahlengang ist strichliert eingezeichnet, er durchsetzt den Schlitz 17. Innerhalb dieses Schlitzes 17 kann sich der Blendenteil 12 bewegen, wobei dessen Länge so bemessen ist, da(J der Lichtstrahl bei geschlossener Ventilnadel 2 ungehindert den Schlitz 17 durchsetzen kann, wogegen er bei offener Ventilnadel 2 unterbrochen ist.

Die Ausführung nach Fig. 3 zeigt gleichfalls die Verwendung eines Dachkantprismas 16, doch ist hier - im Gegensatz zur Ausführung nach Fig. 2 - das untere Ende des Einsatzes 9 den Dachflächen des Prismas 16 angepaßt und weitgehend geschlossen, sodaß das Prisma 16 gut geschützt liegt. Bei allen Ausführungsformen kann der oberhalb des Prismas 16 verbleibende zylindrische Hohlraum des Einsatzes 9 mit einer Kunststoffmasse ausgegossen sein, wodurch das Prisma 16 und die Leitungen 14, 15 sehr gut gegen mechanische Einflüße geschützt sind.

Aus Fig. 3 ist weiters ersichtlich, daß der Blendenteil 12 in dem Federabstützteller 7 drehbar gelagert sein kann. Zu diesem Zweck ist der Blendenteil 12 an seinem unteren Ende mit einem tellerförmigen Fuß 23 versehen, der in einer entsprechenden

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Ausnehmung des Tellers 7 drehbar, in Längsrichtung jedoch im wesentlichen unverschieblich gelagert ist. Diese Ausgestaltung nimmt auf die Drehbewegungen der Ventilnadel 2 während des Betriebes Rücksicht, d.h. die Nadel 2 kann sich ungehindert verdrehen, wogegen der plattenförmig ausgebildete Blendenteil 12 in dem Schlitz 17 bzw. in einem entsprechendem Schlitz des unteren Abschlusses des Einsatzes 9 geführt ist und somit immer seine richtige Lage beibehält. Fig. 5 zeigt diese Ausführung zur besseren Veranschaulichung in schaubildlicher Darstellung.

Bei der in Hg. ö dargestellten Ausführung ist der Blendenteil 12 als zylindrischer Stift ausgebildet, der fest mit dem Federabstützteller 7 verbunden ist. Wegen der zylindrischen Ausführung des Blendenteils ändern Drehungen der Ventilnadel 2 nichts an der optischen Geometrie.

In Fig. 7 ist eine andere Ausbildung des Lichtschrankens für den Blendenteil 12 dargestellt. Hier sind zwei Dreiecksprismen 25, 26 vorgesehen, die mittels einer Halterung 27 innerhalb des Hinsatzes 9 so angeordnet sind, daß je einer der kurzen Schenkel mit je einer der beiden Glasfaserleitungen 14, 15 verbunden ist, wogegen die anderen kurzen Schenkel einander gegenüber liegen. Zwischen diesen Schenkeln ist der Blendenteil 12 innerhalb des Schlitzes 17 bewegbar.

Eine andere Möglichkeit der Ausbildung des Lichtschrankens ist in Fig. 8 angedeutet. Hiebei werden keine Prismen zur Strahlenumlenkung benötigt, vielmehr sind die beiden Glasfaserleitungen 14, 15 innerhalb einer Halterung 28 so umgebogen und z.B. eingegossen, daß ihre Enden in den beiden einander gegenüberliegenden Flächen des Schlitzes 17 liegen. Gegebenenfalls können an den Enden der Glasfaserleitungen 14, 15 planparallel zueinander angeordnete Endstücke aus Glas od.dgl. sitzen (nicht gezeigt). Bei geöffneter Ventilnadel 2 ist der zwischen den Enden der Glasfaserleitungen 14, 15 verlaufende Lichtstrahl unterbrochen.

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Allen gezeigten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daIi dem mit der Ventilnadel 2 verbundenen Blendenteil 12 ein Lichtschranken 13 zugeordnet ist, dessen optische Enden über (ilasfaserleitungen 14, 15 aus der Düseneinheit 1 geführt sind. Bei geschlossener Nadel 2 gelangt ein Teil des Lichtes der Lichtquelle 21 über die Lichtleitung 14, die Lichtschrankenstrecke (Schlitz 17) und die Lichtleitung 15 zu dem Photodetektor 22, der dementsprechend ein gewisses Ausgangssignal abgibt. Bei geöffneter Ventilnadel 2 ist die Lichtstrecke zumindest weitgehend unter- ^•v brochen und das Ausgangssignal des Photodetektors 22 ist dem-'■*" entsprechend geringer. Eine einfache Auswerteschaltung, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, liefert eindeutige binäre Signale, die für den Zustand der Nadel 2 (offen - geschlossen) repräsentativ sind. Diese Signale können zur Regelung des Motors herangezogen werden, z.B. zur Verstellung des Einspritzzeitpunktes. Da verschiedenen Öffnungszeiten des Einspritzventils in eindeutiger Weise bestimmte Kraftstoffverbrauchswerte zugeordnetpind, kann ein Rechner, der die entsprechende Abhängigkeit in einem Speicher enthält, aus den Ausgangssignalen den jeweiligen Verbrauch bestimmen, der z.B. an einer Anzeigeeinrichtung abgelesen werden kann.

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Claims

Zipse&Habersack Ratentanwälte

Kemnatenstraße 49, D-8000 München 19 beim Europäischen Patentamt

Telefon (089) 17 0186, Telex (07) 81307 zugelassene Vertreter

VOEST-ALPINE AG MG 05

A-4020 Linz 26. Apr.1985

Patentansprüche :

My Einspritzventil mit Nadelhubsensor, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bei welchen innerhalb einer Düseneinheit eine Ventilnadel vorgesehen ist, die mittels einer Feder gegen den Druck der einzuspritzenden Flüssigkeit in Richtung ihrer Schließstellung belastet ist, mit einem innerhalb der Düseneinheit vorgesehenen, auf die Lage der Ventilnadel ansprechenden Sensorelement, dem ein Blendenteil zugeordnet ist, der an dem von dem Ventilsitz abgewandten Ende der Ventilnadel bzw. an einem an deren Ende befestigten Federabstützteller od. dgl. angeordnet ist, λ

dadurch gekennzeichnet, daß dem als optische Blende ausgebildeten Blendenteil (12) ein Lichtschranken (13) zugeordnet ist, von dessen beiden optischen Enden in an sich bekannnter Weise Glasfaserleitungen (14, 15) aus der Düseneinheit (1) geführt sind.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtschranken (13) zwei Dreiecksprismen (25, 26) aufweist, wobei je einer der kurzen Schenkel mit je einer der Glasfaserleitungen (14, 15) verbunden ist und die anderen kurzen Schenkel einander parallel und in Abstand gegenüberliegen, und der Blendenteil (12) zwischen den gegenüberliegenden Schenkeln geführt ist (Fig. 7).
3. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtschranken als Dachkantprisma (16) ausgebildet ist, das in seinem Firstbereich einen parallel zum First ausgebildeten Schlitz (17) aufweist, in dem der Blendenteil (12) bewegbar ist, wobei die Glasfaserleitungen (14, 15)

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an der Basisfläche (18) des Prismas (16) je im Bereich einer Dachfläche (19, 20) angeschlossen sind (Fig. 2 bis 6)
4. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der plattenförmig ausgebildete Blendenteil (12) in dem Federabstützteller (7) der Ventilnadel (2) bezüglich deren Längsachse drehbar gelagert ist (Fig. 3, 5).
5. liinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Blendenteil (12) als zylindrischer Stift ausgebildet ist (Fig. 6).

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