EP1656499A1 - Einspritzventil mit kapazitivem ventilhubsensor - Google Patents

Einspritzventil mit kapazitivem ventilhubsensor

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Publication number
EP1656499A1
EP1656499A1 EP04742011A EP04742011A EP1656499A1 EP 1656499 A1 EP1656499 A1 EP 1656499A1 EP 04742011 A EP04742011 A EP 04742011A EP 04742011 A EP04742011 A EP 04742011A EP 1656499 A1 EP1656499 A1 EP 1656499A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
needle
nozzle
injector
injection valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04742011A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Gerber
Uwe Leuteritz
Martin Neumaier
Jörg WONESCH
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1656499A1 publication Critical patent/EP1656499A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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

  • the invention relates to an injection valve with a capacitive valve lift sensor for internal combustion engines.
  • needle lift sensors For the purpose of detecting the actual movement of the valve needle, needle lift sensors have become known in recent years which are non-contact, for example on the
  • a needle stroke sensor with limited monitoring options in the form of a needle tip / valve seat contact switch is known, the two switching positions tion are correlated with the times of closing or opening of the valve needle, so that the actual injection duration, but not the exact injection course or the actual injection quantity, can be measured.
  • Seat contact switches also require good electrical contact between the tip of the valve needle and the valve seat in the closed position, i.e. when the valve needle hits the valve seat, while newer efforts tend to reduce the high impact stresses in operation.
  • the invention is therefore based on the object of realizing a valve of the type specified at the outset as an injection valve, in particular as a piezo injector.
  • an injection valve of the type mentioned at the outset that there is an electrically conductive injector body connected to the circuit, on which a nozzle body with a valve seat is formed, and that the closure member is designed as a valve needle, which on its side Valve seat opposite, valve-facing end surface is connected to the circuit.
  • the invention is based on the premise of a valve needle which, apart from an electrical contact point at the end opposite the valve seat, is completely insulated from the nozzle body (housing).
  • Valve needle and housing form a capacitor.
  • the movement of the valve needle changes the distance between the tip of the valve needle and the valve seat, while the distance between the needle guide and the housing remains constant.
  • the valve needle and nozzle body are both electrically conductive and in particular by an insulating de layer are separated from one another, they fulfill the characteristic of a capacitor with a variable capacitance value, the capacitance being indirectly proportional to the distance between the valve seat and valve needle tip.
  • the voltage connection of the capacitor circuit is carried out via a conductor which is insulated in an axial bore in the injector body and which is connected to an electrically conductive contact spring which is arranged insulated in the injector body which is supported in a contact-making manner on the underside of the head of a conductive injector piston which is pressed in a contact-making manner against the end face of the valve needle facing away from the valve.
  • the injector body is designed as an intermediate disk above the end face of the valve needle facing away from the valve, and that an electrically conductive contact part for the electrical connection between the conductor and the contact spring is provided on the side of the intermediate disk facing away from the valve is electrically insulated from the injector body and the washer and on which the contact spring is supported with its valve-side end. It is also advantageous to provide a seal at the beginning and end of the axial bore.
  • a nozzle holding spring which is arranged in an electrically insulated manner in the injector body and which presses the valve needle against the valve seat, where the nozzle holding spring is supported with an end facing away from the valve on an adjusting disk, which is electrically connected to a further connection contact, and is supported on the valve side on a conductive injector piston which is pressed in a contacting manner against the end face of the valve needle facing away from the valve.
  • the electrical insulation can be ensured or improved in a simple manner, in that in particular the valve needle and the injector piston have an insulating layer on at least part of the surfaces which are not used for contacting.
  • the capacitive valve lift sensor can advantageously be integrated in that the injector body is designed as an intermediate disk above the end face of the valve needle facing away from the valve and that an axial annular shoulder is formed on the end face of the valve needle, which shoulder shoulder is formed on the underside of the intermediate disk Counter shoulder is assigned as a stop surface, wherein the underside of the washer can be provided with an insulating layer at least in the region of the stop surface.
  • valve lift present in each case is ascertainable by measuring the voltage U- ⁇ dropping at the valve seat (R 2 + C va r), the operating voltage being voltage U B an AC voltage is applied.
  • the change in the complex resistance R 2 + C var is measured in a predetermined time window in order to determine the position of the nozzle needle or the valve lift.
  • the insulating layers can preferably be formed, at least in places, as diamond-like-carbon (DLC) or aluminum oxide or as a zirconium oxynitrite layer which, in addition to its insulating properties, is distinguished by high abrasion resistance and resistance to impact and does not move due to the movement of the corresponding parts Friction inhibits.
  • DLC diamond-like-carbon
  • aluminum oxide aluminum oxide
  • zirconium oxynitrite layer which, in addition to its insulating properties, is distinguished by high abrasion resistance and resistance to impact and does not move due to the movement of the corresponding parts Friction inhibits.
  • the valve stroke H of the nozzle needle present can be determined by measuring the voltage falling across the complex resistor R 2 + C var , an AC voltage being applied as the operating voltage U B and the complex resistor being essentially formed between the nozzle needle and the nozzle body.
  • the axial position of the nozzle needle depends on the determined capacity and the resistance between the injector body and at least one valve part.
  • the point in time at which the nozzle needle is lifted off the valve seat depends on the determined change in the capacity between the nozzle needle and the nozzle body and can be determined in particular by the determined reduction in capacity.
  • the wear of the insulating layer between the nozzle needle and the nozzle body depends on the determined ohmic resistance between the nozzle needle and the nozzle body, a reduction in the resistance (R 2 ) preferably being associated with increased wear.
  • FIG. 1 schematically shows a longitudinal section through the part of an injection valve on the nozzle side according to the invention
  • FIG. 2 shows another embodiment of an injection valve according to the invention in the illustration according to FIG. 1,
  • Figure 3 is an electrical equivalent circuit diagram of the capacitor circuit used for the capacitive determination of the valve lift.
  • FIG. 1 shows in longitudinal section, for example, a piezoelectrically driven injection valve which, together with other piezo injectors, can be connected in a manner known per se to a central pressure accumulator (common rail) for diesel fuel, not shown, and its electrical actuation by means of an external one Control unit (ECU) takes place.
  • the piezo actuator itself is usually located in the upper part of the injector body 14, which is not shown here.
  • the lower part of the injection valve shown is mainly made of electrically conductive materials and is preferably rotationally symmetrical with respect to the valve axis 1. It has a nozzle body 2, at the nozzle opening 3 of which a valve seat 4 is formed, on which a valve needle 5 is seated.
  • the upper section of valve needle 5, which is enlarged in cross-section, is guided closely in nozzle body 2, an insulating layer 22 r, however, providing abrasion-resistant and low-friction insulation between this section of valve needle 5 and nozzle body 2.
  • a high-pressure fuel via an inlet, not shown
  • Pressure chamber 13 is provided, from which the supply of fuel can take place along the valve needle 5, via the valve seat 4, to the nozzle opening 3.
  • sufficient electrical insulation to the nozzle body 2 is normally already provided along the lower section of the valve needle 5.
  • the upper end face of the valve needle 5 borders on an intermediate disk 6, which, together with the narrow guidance of the valve needle 5, in this embodiment separates a valve-side high-pressure region of the fuel injection valve from a low-pressure region located above it and the others with those arranged above and below it Areas of the nozzle body 2 and the injector body 14 is conductively connected.
  • a spring space 7, which is open at the end and in which a nozzle holding spring 8 is arranged, is recessed in the injector body 14.
  • the nozzle holding spring 8 is supported downwards on the upper side of an injector piston 9 designed as a T-piece, which is guided through a bore in the intermediate piece 6 and with it
  • the nozzle holding spring 8 is supported on an adjusting disk 10 which is insulated from the injector body 14 and is electrically connected by a bore leading outwards to a connection contact 11 insulated from the injector body 14.
  • a control piston 12 is guided axially through the nozzle holding spring 8 and presses with one end surface on the upper side of the injector piston 9 and extends with the opposite end into the upper part of the injection valve.
  • the mode of operation of this construction is based on the fact that, as long as the injector is not actuated, the high fuel pressure is simultaneously applied to the tip of the valve needle 5 and in one to the upper end face of the control piston 12. orderly control room is present there, because of the larger area, but expresses itself with a greater effective pressure force and thus closes the valve. If the injector is actuated, the expanding piezo actuator opens a fuel return from the control chamber, as a result of which the pressure at the tip of the valve needle 5 becomes overweight, pushes the valve needle 5 upward and opens the nozzle valve. In principle, however, other designs are also possible according to the invention in which a piezo actuator or a solenoid valve is energized when the valve is closed.
  • the cross section of the upper section of the valve needle 5 is somewhat larger than the cross section of the bore provided in the intermediate disk 6 for the injector piston 9.
  • an axial ring shoulder is formed on the upper end surface of the valve needle 5, which is assigned a counter shoulder formed on the underside of the intermediate disk 6 as a stop surface.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the injection valve according to the invention which differs in contact from the embodiment shown in FIG. 1.
  • the voltage connection takes place via a connection 15 and an axial bore 19 in the injector body 14, through which an insulated conductor (wire) 16 is guided.
  • an electrically conductive contact part 18 is incorporated, which is electrically insulated from the intermediate disk 6 and the injector body 14, for example by an insulating insert, and has a fixed electrical connection to the conductor 16.
  • An electrically conductive contact spring 17 is supported on the contact part 18, which is supported at its other end on the underside of the head of the injector piston 9 and thus transfers the voltage to the injector piston 9.
  • the injector piston 9 is electrically decoupled and to reduce the parasitic capacitances with respect to the control piston 12 on the head surface and the side surfaces of the head with an electrically risch insulating layer 21 provided.
  • the voltage is passed to the valve needle 5 (which is laterally insulated to the nozzle body 2) via the valve-side end of the stroke adjustment bolt 9.
  • Advantages of this contacting variant are the simpler installation in the engine compartment and the possibility of continuing the connection 15 in the injection valve upwards and thus in particular creating an electrical connection to the plug of the piezo actuator.
  • the bore 19 should, as shown, be sealed from the inside to the outside and from the outside to the inside by means of a seal 20 in order to avoid the penetration of foreign substances or a loss of pressure.
  • the nozzle needle 5 and the injector body 14 (housing) of the described injection valve form a capacitor connected in a circuit, which acts as a capacitive valve lift sensor as follows:
  • the nozzle body 2 is connected to ground potential and the connection contact 11 is connected via a series resistor R before to a voltage source U B.
  • the drop in voltage U ⁇ nj at R 2 + C var is measured directly and for evaluation, z. B. used as part of a central control unit (ECU).
  • the voltage U B is fed to the adjusting disk 10 of the nozzle holding spring 8 or the connection 15 and, depending on the contact variant, is passed on to the valve needle 5. It should be noted that all current-carrying parts apart from the contact points are sufficiently well insulated from the nozzle body 2.
  • a sputtered diamond-like-carbon (DLC) - or an aluminum oxide or a zirconium oxynitrite layer which has a high abrasion resistance and a low electrical conductivity and is therefore also suitable as an insulation layer, even if leakage currents cannot be excluded .
  • An insulating layer must in particular which are provided at the locations of the shim 10 and the stroke adjustment bolt 9, at which there is a narrow guide to the nozzle body 2. With this insulating layer, it is also advantageous if it also has a very low coefficient of friction, which guarantees good running properties of the moving parts.
  • the electrical equivalent circuit diagram shown in FIG. 3 also makes the resistance conditions in the injector clear and shows the simple structure of the measuring circuit with the voltage source U B , the capacitor C var and the resistor R VOr -R 2 connected in series with C var is the ohmic resistance component, C var is the corresponding capacitive reactive component between the nozzle needle and the valve seat.
  • R IS0 denotes the insulation resistance of the insulating layer and R FG the contact resistance between the guidance of the valve needle 5 and the nozzle body 2.
  • R 2 «(Riso + R FG ) applies.
  • C var and R 2 essentially represent the complex resistance between the Valve seat is represented by the nozzle needle tip 4 and the associated inside of the nozzle body 2.
  • the operating voltage U B is designed as an alternating voltage.
  • the total stroke of the valve needle 5 can be, for example, 100-250 ⁇ .
  • the electrical evaluation can also be based on another electrical principle or also in
  • Combination with a suitable coil can be realized by detuning the resonance frequency.
  • the electrical evaluation must take into account the fact that the relatively small changes in capacitance to be measured are also due to capacitances connected in parallel, cf. C
  • the position of the valve needle 5 can be detected in a direct manner with relatively simple means, in particular without major mechanical outlay.
  • a control chain can also be built, which uses a few arithmetic steps to infer the actual injection quantity from the measured values, compares this with the setpoints predefined according to the operating mode, and adjusts the control parameters accordingly by evaluating the differences.

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Abstract

Bei einem Einspritzventil, bei dem die bewegbaren Ventilteile und der Ventilsitz (4) jeweils Elektroden eines in einem Stromkreis angeschlossenen Kondensators bilden, dessen Kapazität sich mit dem Ventilhub des Verschlussglieds ändert, wird vorgeschlagen, dass der Ventilsitz (4) in einem elektrisch leitenden, an den Stromkreis angeschlossenen Düsenkörper (2) ausgebildet ist, und dass das Verschlussglied als Ventilnadel (5) ausgebildet ist, die an ihrer dem Ventilsitz (4) entgegengesetzten Endfläche an den Stromkreis angeschlossen ist.

Description

Beschreibung
Einspritzventil mit kapazitivem Ventilhubsensor
Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil mit kapazitivem Ventilhubsensor für Brennkraftmaschinen.
Ein derartiges Einspritzventil ist bereits aus der DE 198 30 667 AI bekannt.
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 Ven- tilnadel im Einspritzventil und einer darauf aufbauenden Berechnung der Einspritzmenge.
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, gegebe- nenfalls in eine Umgebung, in der Kraftstoffdrücke bis zu
2000 bar herrschen, einzubauen. Zum anderen bedingt der Einbau eines Nadelhubsensors ein erhöhtes Risiko von Undichtigkeiten.
Aus der DE 31 17 779 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. Sitz- kontaktschalter 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 Be- trieb zu mindern.
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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Einspritzventil gemäß Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen und bevorzugte Maßnahmen ergeben sich aus den Unteransprüchen .
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 aus- gebildet ist, die an ihrer dem Ventilsitz entgegengesetzten, ventilabgewandten Endfläche an den Stromkreis angeschlossen ist .
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 Ven- tilsitz, während der Abstand zwischen Nadelführung und Gehäuse konstant bleibt. Da Ventilnadel und Düsenkörper beide e- lektrisch 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. Mit- tels eines elektrischen Signals gelingt es erfindungs emäß 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 Serienbe- trieb ein stabiles Regelsystem zur Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge aufgebaut werden.
Zur weiteren mechanischen und elektrischen Realisierung ist es gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung vorteil- haft, 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 Un- terseite 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 Zwischen- Scheibe 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.
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 An- schlusskontakt elektrisch verbunden ist, und ventilseitig an einem leitenden Injektorkolbens abstützt, der kontaktgebend gegen die ventilabgewandte Endfläche der Ventilnadel gedrückt ist.
Die elektrische Isolierung kann bei diesen Ausführungsformen in einfacher Weise sichergestellt bzw. verbessert werden, in- dem insbesondere die Ventilnadel und der Injektorkolben mindestens an einem Teil der nicht zur Kontaktgabe dienenden Flächen eine isolierende Schicht aufweisen.
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.
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 Anschlägfläche zugeordnet ist, wobei die Unterseite der Zwischenscheibe mindestens im Bereich der Anschlagfläche mit einer isolierenden Schicht versehen sein kann.
Mit Blick auf die Vermeidung von Leckströmen und von Korrosi- on ist es günstig, dass der jeweils vorliegende Ventilhub durch Messung der jeweils an dem Ventilsitz (R2 + Cvar) abfallenden Spannung U-^ 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.
Die isolierenden Schichten können bevorzugt, zumindest stellenweise, als Diamond-Like-Carbon (DLC)- oder Aluminiumoxidoder als Zirkonoxynitrit-Schicht ausgebildet sein, die sich neben ihren isolierenden Eigenschaften durch hohe Abriebfes- tigkeit und Abschlagfestigkeit auszeichnet und die Bewegung der entsprechenden Teile nicht durch Reibung hemmt.
Der jeweils vorliegende Ventilhub H der Düsennadel ist durch Messung der jeweils an dem komplexen Widerstand R2 + Cvar ab- fallenden Spannung ermittelbar, wobei als Betriebsspannung UB eine Wechselspannung angelegt ist und der komplexe Widerstand im Wesentlichen zwischen Düsennadel und Düsenkörper gebildet wird.
Die axiale Position der Düsennadel hängt ab von der ermittelten Kapazität und dem Widerstand zwischen dem Injektorkörper und mindestens einem Ventilteil.
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.
Der Verschleiß der Isolierschicht zwischen Düsennadel und Dü- senkörper hängt ab von dem ermittelten ohmschen Widerstand zwischen Düsennadel und Düsenkörper, wobei vorzugsweise bei erhöhtem Verschleiß eine Reduzierung des Widerstands (R2) einhergeht.
Die Innenseite des Düsenkörpers und die Düsennadel sind dabei zumindest im Bereich des Ventilsitzes beschichtet. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung des in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt :
Figur 1 schematisch einen Längsschnitt durch den düsenseiti- gen Teil eines Einspritzventils gemäß der Erfindung,
Figur 2 eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einspritzventils in der Darstellung gemäß Figur 1,
Figur 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild des zur kapazitiven Bestimmung des Ventilhubs herangezogenen Kondensator- Stromkreises .
Figur 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 An- steuerung mittels eines externen Steuergerätes (ECU) erfolgt. Der Piezo-Aktuator selbst befindet sich üblicherweise im hier nicht dargestellten oberen Teil des Injektorkörpers 14.
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 r 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 .
Die obere Endfläche der Ventilnadel 5 grenzt an eine Zwischenscheibe 6, die, zusammen mit der engen Führung der Ven- tilnadel 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 Boh- rung 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 Boh- rung mit einem gegenüber dem Injektorkörper 14 isolierten Anschlusskontakt 11 elektrisch verbunden ist.
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.
Die in den mechanisch-hydraulischen Aspekten an sich bekannte Funktionsweise dieser Konstruktion beruht darauf, dass, so- lange 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 Kraft- stoffrücklauf 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 Schlie- ßen des Ventils bestromt wird.
Wie in Figur 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 vorge- sehenen 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.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ein- spritzventils, die sich in der Kontaktierung von der in Figur 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 ventilseiti- ge 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.
Die Düsennadel 5 und der Injektorkörper 14 (Gehäuse) des be- schriebenen 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 ver- bundenen 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 Figur 3 dargestellten Schaltungsanordnung wird direkt der Abfall der Spannung Uιnj 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 beach- ten, 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.
Das in Figur 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. RIS0 bezeichnet den Isolations- widerstand 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.
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.
Der Gesamthub der Ventilnadel 5 kann beispielsweise 100-250 μ 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.
Bei der elektrischen Auswertung muss die Tatsache beachtet werden, dass die zu messenden, relativ kleinen Kapazitätsänderungen einer — auch durch parallel geschaltete Kapazitäten bedingten, vgl. C|<onst und zugehörigen Ri in Figur 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.
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 .

Claims

Patentansprüche
1. Einspritzventil mit kapazitivem Ventilhubsensor für Brennkraftmaschinen, mit einem Ventilsitz (4) und bewegbaren Ven- tilteilen, die ein dem Ventilsitz (4) zugeordnetes längsgeführtes Verschlußglied umfassen, das elektrisch isoliert geführt ist, wobei das Verschlußglied und der Ventilsitz (4) jeweils Elektroden eines in einem Stromkreis angeschlossenen Kondensators bilden, dessen Kapazität sich mit dem Ventilhub des Verschlußglieds ändert, dadurch gekennzeichnet, dass ein an den Stromkreis angeschlossener, elektrisch leitender Injektorkörper (14) vorgesehen ist, an dem ein Düsenkörper (2) mit einem Ventilsitz (4) ausgebildet ist, und dass das Verschlußglied als Ventilnadel (5) ausgebildet ist, die an ihrer dem Ventilsitz (4) entgegengesetzten, ventilabgewandten Endfläche an den Stromkreis angeschlossen ist.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsanbindung des
Stromkreises über einen isoliert in einer axialen Bohrung (19) im Injektorkörper (14) geführten Leiter (16) erfolgt, der mit einer isoliert im Injektorkörper (14) angeordneten, elektrisch leitenden Kontaktfeder (17) verbunden ist, die sich kontaktgebend an der Unterseite des Kopfes eines leitenden Injektorkolbens (9) abstützt, der kontaktgebend gegen die ventilabgewandte Endfläche der Ventilnadel (5) gedrückt ist.
3. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektorkörper (14) oberhalb der ventilabgewandten Endfläche der Ventilnadel (5) als Zwischenscheibe (6) ausgebildet ist, und dass auf der ventilabgewandten Seite der Zwischenscheibe (6) ein elektrisch leitendes Kontaktteil (18) zur elektrischen Verbindung zwischen dem Leiter (16) und der Kontaktfeder (17) vorgesehen ist, das gegenüber dem Injektorkörper (14) und der Zwischenscheibe (6) elektrisch isoliert ist und auf dem sich die Kontaktfeder (17) mit ihrem ventilseitigen Ende abstützt.
4. Einspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, das am Anfang und Ende der axialen Bohrung (19) jeweils eine Abdichtung (20) vorgesehen ist.
5. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkreis über eine elekt- risch isoliert im Injektorkörper (14) angeordnete Düsenhaltefeder (8) führt, welche die Ventilnadel (5) gegen den Ventilsitz (4) drückt, wobei sich die Düsenhaltefeder (8) mit einem ventilabgewandten Ende an einer Einstellscheibe (10) , die mit einem weiterführenden Anschlusskontakt (11) elektrisch ver- bunden ist, und ventilseitig an einem leitenden Injektorkolbens (9) abstützt, der kontaktgebend gegen die ventilabgewandte Endfläche der Ventilnadel (5) gedrückt ist.
6. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (5) und der Injektorkolben (9) mindestens an einem Teil der nicht zur Kontaktgabe dienenden Flächen eine isolierende Schicht aufweisen.
7. Einspritzventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerkolben (12) vorgesehen ist, der mit seiner ventilseitigen Endfläche auf den zentralen Bereich der ventilabgewandten Kopffläche des Injektorkolbens (9) drückt, und dass an der Kopffläche des Hubeinstell- bolzens (9) eine isolierende Schicht vorgesehen ist.
8. Einspritzventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektorkörper (14) oberhalb der ventilabgewandten Endfläche der Ventilnadel (5) als Zwi- schenscheibe (6) ausgebildet ist, und dass an der Endfläche der Ventilnadel (5) eine axiale Ringschulter ausgebildet ist, der eine an der Unterseite der Zwischenscheibe (6) ausgebil- dete Gegenschulter als Anschlagfläche zugeordnet ist, wobei die Unterseite der Zwischenscheibe (6) mindestens im Bereich der Anschlagfläche mit einer isolierenden Schicht versehen ist.
9. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht als Diamond-Like-Carbon (DLC)- oder Aluminiumoxidoder als Zirkonoxynitrit-Schicht ausgebildet ist.
10. Einspritzventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils vorliegende Ventilhub (H) durch Messung der jeweils an dem komplexen Widerstand
(R2 + Cvar) abfallenden Spannung Uinj ermittelbar ist, wobei als Betriebsspannung UB eine Wechselspannung angelegt ist und der komplexe Widerstand im Wesentlichen zwischen Düsennadel und Düsenkörper gebildet wird.
11. Einspritzventil nach einem der vorherigen Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die axiale Position der Düsennadel
(5) abhängt von der ermittelten Kapazität (Cvar) und Widerstand (R2) zwischen dem Injektorkörper (14) und mindestens einem Ventilteil (5, 6, 9, 12) .
12. Einspritzventil nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Abhebens der Düsennadel vom Ventilsitz abhängt von der ermittelten Änderung der Kapazität zwischen Düsennadel und Düsenkörper und insbesondere erfassbar ist durch die ermittelte Verringerung der Kapazität.
13. Einspritzventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschleiß der Isolierschicht zwischen Düsennadel und Düsenkörper abhängt von dem ermittelten ohmschen Widerstand (R2) zwischen Düsennadel (5) und Dü- senkörper (2) und vorzugsweise bei erhöhtem Verschleiß eine Reduzierung des Widerstands (R2) einhergeht.
14. Einspritzventil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite des Düsenkörpers (2) und die Düsennadel (5) zumindest im Bereich des Ventilsitzes (4) beschichtet sind.
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