EP1516117A2 - Piezo-sensor-system zur detektion des nadelhubs einer einspritzdüse eines common-rail-injektors - Google Patents

Piezo-sensor-system zur detektion des nadelhubs einer einspritzdüse eines common-rail-injektors

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Publication number
EP1516117A2
EP1516117A2 EP03763896A EP03763896A EP1516117A2 EP 1516117 A2 EP1516117 A2 EP 1516117A2 EP 03763896 A EP03763896 A EP 03763896A EP 03763896 A EP03763896 A EP 03763896A EP 1516117 A2 EP1516117 A2 EP 1516117A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piezo element
nozzle
spring
nozzle needle
face
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03763896A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nicholas Fekete
Tobias FLÄMIG-VETTER
Dirk Herbstritt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1516117A2 publication Critical patent/EP1516117A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M65/00—Testing fuel-injection apparatus, e.g. testing injection timing ; Cleaning of fuel-injection apparatus
    • F02M65/005—Measuring or detecting injection-valve lift, e.g. to determine injection timing

Definitions

  • Piezo sensor system for detection of the needle stroke of an injection nozzle of a common rail injector
  • the invention relates to an injection nozzle for a common rail injector with a nozzle needle biased by a spring and closing a nozzle opening, the spring being arranged between a housing shoulder and a contact surface of the nozzle needle.
  • the injection quantity and the start of injection are important parameters for the optimal operation of diesel engines. Their detection enables the load and speed-dependent setting of the injection process in a closed control loop.
  • the current methods for determining the needle stroke are imprecise, since the needle stroke is detected spatially far from the nozzle opening or nozzle needle tip. The influence of a control piston or a push rod between an actuator and the nozzle needle falsifies the result.
  • the injection nozzle for fuel is already known from US Pat. No. 6,235,736 B1.
  • the injection nozzle has a nozzle needle and a control piston arranged axially to the nozzle needle.
  • the control piston is biased upwards via a first spring and is set in the axial direction via a piezo element.
  • the nozzle needle is biased downwards by a second spring, i.e. opposite to the control piston, and closes the nozzle opening in the lower position.
  • the upper end face of the nozzle needle abuts a lower end face of the control piston and thus generates an additional actuating force upwards.
  • the control piston moves back to its upper end position and closes the flow opening.
  • the nozzle needle is then again in the pressure force equilibrium, so that the resulting spring force executes the closing movement and closes the nozzle opening.
  • the position of the nozzle needle is detected via the position of the control piston.
  • the object of the invention is to design and arrange an injection nozzle in such a way that optimal detection of the movement of the nozzle needle is ensured.
  • a piezo element is provided between the housing shoulder and the spring for detecting the spring force. This ensures that the spring force resulting from spring preload and nozzle needle stroke and thus the actuating movement of the nozzle needle is determined in a simple manner.
  • the piezo element can be arranged directly behind the spring, so that no further costs arise from design changes.
  • a piezo element is provided between the contact surface of the nozzle needle and the spring.
  • the piezo element is designed in a ring shape or as a toroid with a first end face and a second end face opposite the first end face det and has a first electrical connection in the region of the first end face and a second electrical connection in the region of the second end face.
  • the piezo element is thus arranged between the force introduction points of the spring and the housing shoulder or the contact surface, so that the load-dependent charge shift of the piezo element is determined via the first and the second electrical connection.
  • the displacement charge can be determined in a simple manner by integrating the displacement current of the piezo element during a movement.
  • the intermediate values for the travel path x can be interpolated between the two end positions of the travel path x of the nozzle needle.
  • Both the resulting spring force and the piezo element are linear with respect to the displacement x or the actuating force and have a very low hysteresis effect.
  • the decrease _dex. Stiffness of the spring due to signs of aging or fatigue of the piezo element can be corrected taking into account the drift of the measured values.
  • the influence of the temperature leads to an expansion of the nozzle needle and the injector housing and to a change in the piezo element characteristic. This temperature dependency is calculated over the maximum stroke and taken into account accordingly.
  • the dead time due to the inertia of the spring between the control signal for the actuator of the nozzle needle and the actuating signal of the nozzle needle according to the invention can be used for decoupling the control signal.
  • the housing shoulder and the piezo element have a common opening which is arranged concentrically with the piezo element.
  • An actuator (not shown) for the nozzle needle is arranged in this opening.
  • a section of an injection nozzle ' 1 is shown within a partially illustrated injector housing with a housing shoulder 5 and a lower housing part 1.1.
  • a nozzle opening 3 is provided, which is opened or closed via a nozzle needle 4.
  • the nozzle needle 4 has a contact surface 6 with which the nozzle needle 4 bears against a spring 2.
  • a piezo element 7 is provided as a counter bearing on the side of the spring 2 opposite the nozzle needle 4, which in turn bears against the housing shoulder 5.
  • the nozzle needle 4 is on its contact surface 6 with the spring 2 relative to the piezo element 7 and the housing shoulder -5 biased.
  • the piezo element 7 is cylindrical and has an average diameter that corresponds to the average diameter of the spring 2.
  • the piezo element 7 has a first end face 7.1 resting against the spring 2 and a second end face 7.2 resting against the housing shoulder 5.
  • the first end faces 7.1 have a first electrical connection 8.1 and the second end face 7.2 has a second electrical connection 8.2.
  • the charge displacement current I within the piezo element 7 is tapped via the electrical connections 8.1, 8.2.
  • the opening movement x emanating from a closed, possibly prestressed, position of the nozzle needle 4 generates an increase in force on the piezo element 7 which is proportional to the travel path x, the proportionality factor corresponding to the spring constant D.
  • the travel x of the nozzle needle 4 can thus be determined by the formula

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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. Das Piezo-Element 7 weist hierzu zwei elektrische Anschlüsse 8.1, 8.2 im Bereich der jeweiligen Stirnseiten 7.1, 7.2 auf.

Description

Piezo-Sensor-Syste zur Detektion des Nadelhubs einer Einspritzdüse eines Common-Rail-Injektors
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 Bl 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 Durchflußδffnung. 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 P'iezo-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
dp D
ermittelbar ist, wobei Q die Ladung des Piezo-Elements, dP 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 _dex . 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 Ladungsver- schiebungsstrom 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
x =- Q dP D
auf einfache Weise ermitteln, wobei Q der durch die Kraftänderung entstehende Ladungsverschiebung innerhalb des Piezo-Elements 7 entspricht und dp den piezo- elektrischen Koeffizienten darstellt .

Claims

Patentansprüche
1. 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen der Feder (2) und der Gehäuseschulter (5) oder zwischen der Feder (2) und der Anlagefläche (6) ein Piezo-Element (7) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung insbesondere nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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.
3 „ Vorrichtung nach Anspruch 1- oder 2 , d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Stellweg x der Düsennadel (4) über die Funktion
x- ß dp D ermittelbar ist, wobei Q die Ladung des Piezo-Elements (7) , dp den piezoelektrischen Koeffizient und D die Federsteifigkeit darstellt .
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass durch Integration des VerschiebungsStroms des Piezo-Elements (7) während einer Bewegung die Verschiebungsladung Q bestimmbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen beiden Endlagen des Stellwegs x der Düsennadel (4) die Zwischenwerte für den Stellweg x interpolierbar sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Gehäuseschulter (5) und das Piezo-Element (7) eine gemeinsame konzentrisch zum Piezo-Element (7) angeordnete Öffnung (9) aufweisen.
EP03763896A 2002-06-25 2003-05-06 Piezo-sensor-system zur detektion des nadelhubs einer einspritzdüse eines common-rail-injektors Withdrawn EP1516117A2 (de)

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