EP1925813B1 - Kraftstoffinjektor mit einer Messeinrichtung - Google Patents

Description

Stand der Technik
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist beispielsweise durch die DE-A-31 37 761 bekannt geworden.
• Kraftstoffinjektoren der hier interessierenden Art finden insbesondere Anwendung bei Brennkraftmaschinen, welche derartige Injektoren dafür nutzen, ein dosiertes Einspritzen des zu verbrennenden Kraftstoffs in eine Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
• Brennkraftmaschinen können mit verschiedenartig ausgebildeten Kraftstoffinjektoren ausgeführt sein, wobei Kraftstoffinjektoren in solche unterschieden werden können, welche als magnetisch betriebene Injektoren bezeichnet werden, und solche, welche als piezoelektrisch betriebene Injektoren zu bezeichnen sind. Magnetisch betriebene Injektoren umfassen einen Elektromagneten, welcher einen Anker bewegen kann, und die über eine Druckstange eine Magnetventilanordnung betätigen. Die Öffnungs- und Schließbewegung der Bewegunnseinrichtung betrifft dabei einen Ventilkolben, dessen Hubbewegung in einer Bewegungsachse auf eine Düsennadel übertragen wird. Die Düsennadel öffnet und schließt den Kraftstofffluss durch kleine Einspritzbohrungen, welche am Düsenkörper des Kraftstoffinjektors angebracht sind und den Kraftstoff in einen Brennraum einspritzen.
• Piezoelektrisch betriebene Injektoren weisen hingegen einen Piezoaktor auf, um über eine nachgeschaltete Ventilanordnung die Öffnungs- und Schließbewegung der Düsennadel auszulösen. Die Bewegungseinrichtung bei piezoelektrisch betriebenen Injektoren kann sich daher auf die Öffnungs- und Schließbewegung der Düsennadel beschränken, wobei die Bewegungseinrichtung durch die dem Piezoaktor nachgeschaltete Ventilanordnung durch eine entsprechende Fluidbeaufschlagung eine Öffnungs- und Schließbewegung ausführt.
• Aus der Offenlegungsschrift DE 199 37 559 A1 ist ein magnetisch betriebener Injektor bekannt, welcher für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einem Magnetventil ausgeführt ist, das den Abfluss von Kraftstoff durch einen Abflusskanal aus einem Ventilsteuerraum steuert, wobei das Magnetventil Mittel zum Verschließen des Abflusskanals, einen von einen Elektromagneten betätigbaren und mit den Mitteln zum Verschließen des Abflusskanals in Wirkverbindung stehenden Anker sowie eine erste Ventilfeder und eine zweite Ventilfeder und einen ersten Hubendanschlag aufweist. Die erste Ventilfeder beaufschlagt den Anker mit einer größeren Federkraft in Schließrichtung, wobei von der Schließstellung des Magnetventils zum Erreichen des ersten Hubendanschlags die zweite Ventilfeder den Anker in Öffnungsrichtung mit einer kleineren Federkraft beaufschlagt. Dabei ist je eine Feder auf jeder Seite des Ankers angeordnet, um den Kraftstoffinjektor kompakt aufzubauen und ein verbessertes Betriebsverhalten bei verschiedenen Frequenzen zu erzielen. Jedoch bietet ein Kraftstoffinjektor der hierin offenbarten Art nicht die Möglichkeit, die Bewegung des Ankers zu messen, um mit den erfassten Messdaten eine mögliche Ansteuerung des Elektromagneten derart positiv zu beeinflussen, dass das Betriebsverhalten insbesondere hinsichtlich der eingespritzten Kraftstoffmenge und des genauen Zeitpunktes der Kraftstoffeinspritzung zu optimieren.
• In der Offenlegungsschrift DE 10 2004 015 744 A1 ist ein Kraftstoffinjektor nach Art eines piezoelektrisch betriebenen Injektors offenbart. Der Kraftstoffinjektor betrifft insbesondere einen Common- Rail- Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Der Kraftstoffinjektor umfasst ein Injektorgehäuse, das einen Kraftstoffzulauf aufweist, der mit einer zentralen Kraftstoffhochdruckquelle außerhalb des Injektorgehäuses und mit einem Druckraum innerhalb des Injektorgehäuses in Verbindung steht, aus dem in Abhängigkeit von der Stellung eines Steuerventils mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff eingespritzt wird. Dabei erfolgt eine Hubbewegung einer Düsennadel, welche innerhalb einer Führungsbohrung in einem Düsenkörper geführt ist. Die Düsennadel erreicht im Öffnungszeitpunkt einen Hubendanschlag, und kann ggf. von diesem abprallen bzw. eine Schwingbewegung auslösen. Gleichermaßen kann die Düsennadel auch im Schließzeitpunkt, in dem diese in der Spitze die Spritzlöcher zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum verschließt, ein Schwingverhalten auslösen. Das Schwingverhalten wird immer genau dann eingeleitet, wenn die Düsennadel bzw. die Bewegungseinrichtung des Kraftstoffinjektors den Hubendanschlag bzw. den Schließsitz erreicht. Eine Kontrolle bzw. eine Rückkopplung des Öffnungs- und Schließverhaltens der Düsennadel zur Ansteuerung des Piezoaktors zur Auslösung der Öffnungs- und Schließbewegung der Düsennadel ist nicht möglich. Lediglich ein Ansteuern des Piezoaktors kann verändert werden, wobei eine Rückkopplung der Öffnungs- und Schließbewegung der Düsennadel nicht ausgewertet werden kann.
• Lediglich zu Forschungs- und Entwicklungszwecken sind Messeinrichtungen zur Erfassung der Bewegung der Bewegungseinrichtungen innerhalb eines Kraftstoffinjektors bekannt, welche jedoch zur genauen Detektion des Zeitpunktes zur Erreichung des Hubendanschlags bzw. des Endanschlags im Schließsitz der Düsennadel bzw. der Bewegungseinrichtung ungeeignet sind. Diese Messeinrichtungen basieren auf einer kapazitiven Abstandsmessung, welche nicht geeignet ist, um größere Hubbewegungen einer Bewegungseinrichtung innerhalb eines Kraftstoffinjektors zu messen.
• Aus der eingangs genannten DE-A-3137 761 ist eine Kraftstoff-Einspritzdüse mit einer Messeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit nach innen öffnender Ventilnadel bekannt, bei welcher im Schließfederraum eine Induktionsspule angeordnet ist, welche zusammen mit einem von der Ventilnadel beeinflussten Anker einen Signalgeber für ein Messgerät zur Ermittlung des Einspritzbeginns und gegebenenfalls weiterer Daten des Einspritzvorganges bildet. Der Luftspalt des magnetischen Kreises der Induktionsspule ist zwischen dem Anker und einem Spulenkern gebildet, gegen den sich der Anker beim Öffnungshub der Ventilnadel bewegt. Dadurch lässt sich ein kleiner Anfangsluftspalt und eine große prozentuale Luftspaltänderung erzielen. Diese Messanordnung eignet sich besonders für Messschaltungen, bei denen an die Induktionsspule eine Gleichspannung gelegt wird und die infolge der Luftspaltänderungen in der Induktionsspule induzierten Spannungen sich der angelegten Gleichspannung überlagern.
• Es ist demgegenüber die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Kraftstoffinjektor der eingangs genannten Art eine andere Ausbildung der Messeinrichtung anzugeben. Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Erfindungsgemäß ist der Kraftstoffinjektor als piezoelektrisch betriebener Injektor mit einer fluidisch angesteuerten Düsennadel ausgebildet. Folglich muss der Messkörper in Form z. B. eines Magnetjochs in Höhe der Düsennadel angeordnet sein, wobei die Düsennadel in einem Düsenkörper längsbeweglich aufgenommen ist, so dass gemäß einer möglichen Ausführungsform die Messeinrichtung im Düsenkörper selbst eingebaut ist, und das Magnetjoch die Düsennadel oder mit der Düsennadel bewegte Teile umschließt. Piezoelektrisch betriebene Injektoren weisen keinen Ventilkolben auf, der sich durch den Injektor selbst in länglicher Richtung erstreckt. Jedoch ist eine genaue Messung des Hubes der Düsennadel an bzw. mit der Düsennadel selbst mit der Messeinrichtung möglich. Die Düsennadel grenzt an einen Düsennadelsteuerraum endseitig an, welcher mit einer Dichthülse abgedichtet ist, wobei die Messeinrichtung durch die Dichthülse und die in Bewegungsrichtung der Düsennadel ausgebildete Geometrieänderung durch das an den Düsennadelsteuerraum angrenzende Ende der Düsennadel gebildet ist. Somit kann die Messeinrichtung und die Dichthülse zur Abdichtung des Düsennadelsteuerraums als einziges Konstruktionsbauteil ausgeführt sein. Als quasi - Durchmessersprung dient die Stirnseite der Düsennadel selbst, d.h. es erfolgt ein "Durchmessersprung auf Null".
• Um die Messeinrichtung ortsfest anzuordnen, wird diese entweder in dem Injektorkörper oder im Düsenkörper eingebaut. Der Injektorkörper und der Düsenkörper bilden jeweils den haltekörperfesten Teil des Injektors, wobei der Injektorkörper und der Düsenkörper selbst als magnetisches Material die Induktivität der Messeinrichtung beeinflussen. Zur Vermeidung von Wirbelströmen an den haltekörperfesten Teilen kann der das Feld führende haltekörperfeste Magnetkern radial geschlitzt sein, wobei der Haltekörper beispielsweise aus dem Injektorkörper oder dem Düsenkörper besteht. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass dieser aus einem Material mit einem hohen spezifischen Widerstand ausgeführt ist. Derartige Materialien können ein Pulververbundmaterial, ein Ferritmaterial oder dergleichen betreffen. Die Messeinrichtung selbst umfasst einen Spulenkörper, welcher im Magnetjoch eingebettet ist. Der Spulenkörper kann entweder eine voneinander getrennte Erreger- und Sensorspule umfassen, wobei der Spulenkörper auch zugleich als Erreger- und Sensorspule ausgebildet sein kann.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Spulenkörper elektrische Anschlussleitungen auf, welche aus dem Aufnahmebereich der Messeinrichtung, also aus dem Injektorkörper oder aus dem Düsenkörper, herausgeführt werden müssen. Die Versiegelung der Anschlussleitungen in dem Körper, aus dem diese herausgeführt werden, kann nach Art einer Glaseinschmelzung ausgebildet sein. Somit findet die Glaseinschmelzung der elektrischen Anschlussleitungen aus dem Magnetjoch und/oder aus dem Injektorkörper und/oder aus dem Düsenkörper statt, wobei zugleich eine entsprechende Richtung erzielbar ist. Besonders vorteilhaft ist die Wahl von Kontaktstiften, die den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das einschmelzende Glasmaterial hat, beispielsweise Molybdän.
• Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Zeichnung
• Es zeigt:

Figur 1

eine Ansicht eines nicht erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors in einem Querschnitt, wobei der Kraftstoffinjektor als magnetisch betriebener Injektor ausgebildet ist, und die Messeinrichtung einen Ventilkolben innerhalb des Kraftstoffinjektors umschließt;

Figur 2

eine schematisierte Ansicht eines erfindungsgemäßen piezoelektrisch betriebenen Kraftstoffinjektors, wobei die Messeinrichtung einteilig mit der Dichthülse ausgeführt ist, welche einen endseitig an der Düsennadel angrenzenden Düsennadelsteuerraum abdichtet;

Figur 3

in einem Diagramm einen Verlauf einer Öffnungs- und Schließbewegung einer Düsennadel und ein zugehöriges Messsignal, welches durch die erfindungsgemäße Messeinrichtung ausgegeben wird.

• Die Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines nicht erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 1 in einer quergeschnittenen Darstellung. Dieser erstreckt sich in länglicher Richtung um eine Bewegungsachse 2, so dass die hubbeweglichen Bewegungseinrichtungen in der Bewegungsachse 2 bewegbar aufgenommen sind. Die hubbeweglichen Bewegungseinrichtungen zur Erzeugung einer Öffnungs- und Schließbewegung umfassen zunächst einen Ventilkolben 7, welcher längsbeweglich innerhalb des Injektorkörpers 12 aufgenommen ist. Der Ventilkolben 7 steht in Wirkverbindung mit der ebenfalls in der Bewegungsachse 2 längsbeweglich aufgenommenen Düsennadel 9, welche längsbeweglich innerhalb eines Düsenkörpers 13 geführt ist. Der Düsenkörper 13 ist angrenzend an den Injektorkörper 12 angeordnet, wobei sämtliche die Bewegungseinrichtung bildenden Komponenten wie der Ventilkolben 7 und die Düsennadel 9 innerhalb der gleichen Bewegungsachse 2 längsbeweglich geführt sind. Bei einer Hubbewegung der Düsennadel 9 werden innerhalb des Düsenkörpers 13 eingebrachte Kraftstoffeinspritzöffnungen 3 bei einer Hubbewegung kurzzeitig geöffnet und wieder verschlossen. Diese Hubbewegung wird von allen die Bewegungseinrichtung bildenden Komponenten ausgeführt. So ist etwa die Hubbewegung im Ventilkolben 7 analog zur Hubbewegung der Düsennadel 9.
• Konzentrisch um den Ventilkolben 7 erstreckt sich eine Messeinrichtung 5. Beispielhaft ist der Injektorkörper 12 geteilt dargestellt, um eine Montagemöglichkeit der Messeinrichtung 5 anzudeuten. Diese ist innerhalb des Injektorkörpers 12 aufgenommen, so dass die Messeinrichtung 5 keine Hubbewegung ausführt und gegenüber dem Ventilkolben 7 eine ruhende Position einnimmt. In der Höhe der Messeinrichtung 5 weist der Ventilkolben 7 einen Durchmesserabsatz 8 auf, so dass aufgrund der verschiedenen Durchmesser des Ventilkolbens 7 der Magnetkreis in Abhängigkeit von der Längsposition des Ventilkolbens 7 in Richtung der Bewegungsachse 2 seine Induktivität ändert. Die Messeinrichtung 5 besteht im Wesentlichen aus einem Magnetjoch 6, welches ringförmig ausgebildet ist und einen U-förmigen Querschnitt aufweist. Die Öffnung der U-Form weist dabei nach innen in Richtung des Ventilkolbens 7, wobei der Durchmesserabsatz 8 an zumindest einen Ende des Magnetjochs 6 angrenzt, um eine maximale Änderung der Induktivität hervorzurufen. Innerhalb des Magnetjochs 6 ist ein Spulenkörper 14 aufgenommen, welcher über eine Anschlussleitung 15 extern kontaktierbar ist. Führt nunmehr der Ventilkolben 7 eine Hubbewegung entlang der Bewegungsachse 2 aus, welche durch einen - nicht näher dargestellten - Elektromagneten eingeleitet wird, so öffnet die Düsennadel 9 die Kraftstoffeinspritzöffnungen 3, so dass Kraftstoff in den Brennraum 4 eingespritzt werden kann. Die Hubbewegung bewirkt gleichermaßen eine Ortsänderung des Durchmesserabsatzes 8 relativ zum Magnetjoch 6, so dass sich die Induktivität des Magnetkreises ändert. Diese Änderung wird über eine Auswerteeinheit analysiert und gibt eine direkte Information über die Hubbewegung der Bewegungseinrichtung
• In Figur 2 ist schematisch ein erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 1 gezeigt, welcher nach Art eines piezoelektrisch betriebenen Injektors ausgeführt ist. Die Darstellung zeigt lediglich einen Teilschnitt des Kraftstoffinjektors 1 unterhalb des Zwischenstückes 16. Über die Verbindungskanäle 17, 18 und 19 findet eine entsprechende Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung eines Düsennadelsteuerraums 10 statt, so dass die Düsennadel 9 die erforderliche Hubbewegung zur Öffnung der Kraftstoffeinspritzöffnungen 3 zur Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum 4 ausführt. Die Düsennadel 9 ist auch bei einem Kraftstoffinjektor 1 mit einem piezoelektrischen Betrieb innerhalb eines Düsenkörpers 13 aufgenommen, wobei zur Abdichtung des Düsennadelsteuerraums 10 eine Dichthülse 11 vorgesehen ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung bildet die Düsenhülse 11 zugleich das Magnetjoch 6 der Messeinrichtung 5. Dargestellt ist die Dichthülse 11 in einer Ringform, welche außenseitig den Spulenkörper 14 aufnimmt. Die elektrische Kontaktierung erfolgt auch gemäß dieses Ausführungsbeispiels über Anschlussleitungen 15, welche aus dem Düsenkörper 13 herausgeführt sind. Die Änderung der Induktivität des Magnetkreises basiert auf der Endfläche der Düsennadel 9 angrenzend an den Düsennadelsteuerraum 10, so dass der Durchmessersprung als ein Sprung auf "Durchmesser Null" betrachtet werden kann. Jedenfalls ändert sich die Induktivität bei einer Hubbewegung der Düsennadel 9, so dass die Messeinrichtung 5 den Öffnungsendanschlag sowie den Schließanschlag der Düsennadel 9 in ein entsprechendes elektrisches Signal umwandeln kann.
• Das elektrische Messsignal, welches durch die Messeinrichtung 5 ausgegeben wird, ist in Figur 3 dargestellt. Die jeweiligen Abszissen stellen die Zeit dar, wobei im oberen Diagramm die Ordinate den Hub des Ventilkolbens darstellt, und die Ordinate im unteren Diagramm das Messsignal ausgibt. Mit der analogen Bewegung des Ventilkolbens und der Düsennadel ist die Ordinate im oberen Diagramm mit VK gekennzeichnet, was den Ventilkolben beschreibt. Die Ordinate im unteren Diagramm ist mit einem m bezeichnet, welches das Messsignal andeutet. Öffnet der Kraftstoffinjektor durch eine Hubbewegung des Ventilkolbens, so verläuft die Kurve, welche im oberen Diagramm die Bewegung des Ventilkolbens darstellt, von der Position I zur Position II. Die Zeit, welche vergeht, in der sich der Ventilkolben von I bis II bewegt, stellt die Öffnungsphase dar. Der Zeitverlauf von II bis III zeigt die vollständig geöffnete Phase des Ventilkolbens und damit der Düsennadel, wonach von III bis IV die Schließphase folgt. Damit beschreibt I den Öffnungsbeginn, II das Öffnungsende, III den Schließbeginn und IV das Schließende. Zwischen dem Öffnungsbeginn I und dem Schließende IV verläuft die Einspritzzeit. Gemäß dem Verlauf der Öffnungs- und Schließbewegung des Ventilkolbens VK zeigt das Messsignal m zwischen dem Öffnungsbeginn I und dem Öffnungsende II einen Signalanstieg, wobei bei Erreichen des Öffnungsendes II das Signal schlagartig auf Null abfällt bzw. sich durch eine gedämpfte periodische Schwingbewegung auf ein Null-Signal einstellt. Damit ist der Zeitpunkt des Erreichens des Öffnungsendes II sehr exakt detektierbar. Analog zur Detektion des Öffnungsendes II kann auch das Schließende IV detektiert werden. Aus der Änderung der periodischen Ventilkolben- und/oder Düsennadelbewegung ist eine Änderung mittels des Messsignals m ableitbar, wobei sich die Änderung des mittels der Messeinrichtung ausgegebenen Messsignals m in Form einer Unstetigkeit ergibt, wobei mittels der Unstetigkeit die Hubendanschlags- oder Schließzeitpunkte periodisch aufeinander folgender Öffnungs- und Schließzyklen ermittelt werden.
• Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Insbesondere sei angemerkt, dass die Position der Messeinrichtung 5 nicht auf die dargestellten Anordnungen begrenzt ist. Die Messeinrichtung 5 kann an einer beliebigen Stelle entlang der gesamten Bewegungsseinrichtung angeordnet werden, wobei die Bewegungseinrichtung nicht lediglich auf den Ventilkolben 7 sowie die Düsennadel 9 begrenzt ist.

Claims (4)

1. Kraftstoffinjektor (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einer Düsennadel (9), welche eine Öffnungs- und Schließbewegung in einer Bewegungsachse (2) zur Öffnung und Schließung wenigstens einer Kraftstoffeinspritzöffnung (3) zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum (4) ausführt, wobei der Kraftstoffinjektor (1) eine Messeinrichtung (5) aufweist, die als ein Induktivsensor ausgebildet ist und einen Messkörper umfasst, der die Düsennadel (9) im Bereich einer in Bewegungsrichtung ausgebildeten Geometrieänderung wenigstens teilweise umschließt, um das Ende des Einspritzens in den Brennraum und/oder den Endanschlag des Öffnungshubes zu erfassen,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass der Kraftstoffinjektor (1) als piezoelektrisch betriebener Injektor mit einer fluidisch angesteuerten Düsennadel (9) ausgebildet ist, und dass die Düsennadel (9) an einen Düsennadelsteuerraum (10) endseitig angrenzt, welcher mit einer Dichthülse (11) abgedichtet ist, wobei die Messeinrichtung (5) durch die Dichthülse (11) und die in Bewegungsrichtung der Düsennadel (9) ausgebildete Geometrieänderung durch das an den Düsennadelsteuerraum (10) angrenzende Ende der Düsennadel (9) gebildet ist.
2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffinjektor (1) einen Injektorkörper (12) und einen an diesem angeordneten Düsenkörper (13) umfasst, und die Messeinrichtung (5) im Injektorkörper (12) und/oder im Düsenkörper (13) aufgenommen ist.
3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5) einen in einem Magnetjoch (6) eingebetteten Spulenkörper (14) umfasst, welcher als Erreger- und Sensorspule ausgebildet ist, wobei das Magnetjoch (6) radial geschlitzt ist und/oder ein Material mit einem hohen spezifischen Widerstand, umfassen ein Pulververbundmaterial und/oder ein Ferritmaterial, aufweist.
4. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper (14) elektrische Anschlussleitungen (15) aufweist, welche nach Art einer Glaseinschmelzung aus dem Magnetjoch (6) und/oder aus dem Injektorkörper (12) und/oder aus dem Düsenkörper (13) herausgeführt und abgedichtet sind.

Images