EP2510216A1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit nadelpositionsbestimmung - Google Patents
Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit nadelpositionsbestimmungInfo
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Definitions
- the force sensor is a piezoelectric sensor.
- the piezoelectric sensor can be constructed in one or more layers.
- the use of a piezoelectric sensor as a force sensor allows a small overall height and thus a compact construction.
- Figure 1 is a schematic sectional view of a
- the actuator 3 is a multilayer piezoelectric actuator.
- Nozzle needle 2 is an outwardly opening nozzle needle, which on a
- Figure 2 shows a plan view of the force sensor 6, which is designed as an annular disc.
- the middle of the force sensor 6 comprises a cylindrical
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, umfassend eine Düsennadel (2), einen Aktor (3) zur Betätigung der Düsennadel (2), einen Kraftsensor (6) zur Erfassung einer durch den Aktor (3) aufgebrachten Kraft, und eine Steuereinheit (11), welche mit dem Kraftsensor (6) verbunden ist, wobei der Kraftsensor (6) der Steuereinheit (11) Signale zuführt und wobei die Steuereinheit (11) ausgelegt ist, basierend auf dem zugeführten Signal eine Positionsbestimmung der Düsennadel (2) und eine präzise Bestimmung einer eingespritzten Kraftstoffmenge auszuführen.
Description
Beschreibung Titel
Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit Nadelpositionsbestimmung Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Nadelpositionsbestimmung zur exakten Bestimmung einer Nadelposition und insbesondere einer hochpräzisen Bestimmung einer eingespritzten
Kraftstoffmenge.
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik in
unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Neben Magnetinjektoren werden auch piezoelektrische Vielschichtaktoren verwendet. Hierbei ist ein Vorteil von Piezoaktoren, dass sie sehr schnell und präzise Auslenkungen bei gleichzeitiger Ausübung hoher Kräfte ausführen können. Ein Nachteil derartiger Piezoaktoren ist jedoch, dass aufgrund der Eigenschaftsdegradation der keramischen Bauteile des Piezoaktors als Funktion der elektrischen Zyklenzahl eine direkte Korrelation der anliegenden Spannung mit der Dehnung des Piezoaktors nicht möglich ist. Somit lässt sich eine tatsächliche Nadelposition einer Düsennadel der
Kraftstoffeinspritzvorrichtung (Nadelflugverhalten) zu jedem Zeitpunkt des Einspritzvorgangs nicht exakt bestimmen. Ferner wird die tatsächliche
Düsennadelposition im Düsensitz durch Verschleiß, Verkokung, etc., beeinflusst, was in herkömmlichen Kraftstoffeinspritzvorrichtungen nicht detektiert werden kann. Daher wird vor einem Einbau des Piezoaktors für jeden Piezoaktor jeweils eine Vermessung und Codierung vorgenommen. Mit Hilfe dieser Information wird das jeweilige individuelle Hubvermögen eines einzelnen Piezoaktors ermittelt. Dadurch kann eine theoretische Einspritzmengendosierung für jeden Piezoaktor errechnet werden. Da jedoch jeder einzelne Piezoaktor vermessen werden muss, ergibt sich ein erheblicher fertigungstechnischer Aufwand. Ferner müssen die einzelnen Steuereinheiten für die Kraftstoffeinspritzvorrichtung dann ebenfalls
individuell an den Piezoaktor angepasst werden. Darüber hinaus kann auch der theoretisch ermittelte Wert signifikant von einem späteren tatsächlichen
Nadelflugverhalten in eingebautem Zustand des Piezoaktors abweichen. Von daher kommt es zu Ungenauigkeiten bei der eingespritzten Kraftstoffmenge. Es wäre daher wünschenswert, eine Möglichkeit einer exakten Nadelposition zu jedem Zeitpunkt des Einspritzvorgangs zu haben und dann daraus eine jeweilige Einspritzmenge zu berechnen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie mittels eines Sensor zu jedem Zeitpunkt eines Einspritzvorgangs eine exakte Position einer
Düsennadel bestimmen kann (Nadelflugverhalten). Basierend auf der exakten Position der Düsennadel kann eine präzise Bestimmung einer
Kraftstoffeinspritzmenge ausgeführt werden. Hierdurch wird erfindungsgemäß eine Grundlage für eine weitere Effizienzsteigerung bei Brennkraftmaschinen geschaffen, da eine extrem genaue Bestimmung einer eingespritzten
Kraftstoffmenge möglich ist, welche sich signifikant von den bisher im Stand der Technik bekannten Möglichkeiten abhebt. Ein weiterer Vorteil liegt in einer erweiterten Diagnosefähigkeit des Injektors, da mechanische Fehler, wie z.B. eine Verklemmung, und/oder ein Verschleiß, z.B. durch Verkokung, detektierbar sind. Darüber hinaus können Ressourcen in der Steuereinheit der
Kraftstoffeinspritzvorrichtung eingespart werden und es ist ein verbesserter Schutz gegenüber einem unerwünschten Tuning der Brennkraftmaschine möglich, da das Dazwischenschalten eines Tuning-Steuergeräts zur
Leistungserhöhung der Brennkraftmaschine und somit zur Änderung einer Sollmenge für die Einspritzung erschwert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Kraftstoffeinspritzvorrichtung einen Kraftsensor zur Erfassung einer durch einen Aktor aufgebrachten Kraft sowie eine Steuereinheit umfasst. Die Steuereinheit ist in dem Kraftsensor verbunden und ausgelegt, um basierend auf den zugeführten Signalen des Kraftsensors eine
Positionsbestimmung der Nadel auszuführen. Mit der Positionsbestimmung wird dann eine präzise Bestimmung einer eingespritzten Kraftstoffmenge
durchgeführt. Der Kraftsensor dient somit zur Erfassung der Aktorkraft, welche bei Piezoaktoren mit einer einhergehenden Längenänderung des Piezoaktors
korreliert. Bei Magnetinjektoren korreliert die Kraft des Magnetaktors mit der Bewegung des Magnetaktors. Daher kann die erfindungsgemäße Idee unabhängig von der Art des Aktors, bei Magnetinjektoren als auch Piezoaktoren eingesetzt werden, wobei aufgrund der großen Vereinfachungsmöglichkeiten eine Verwendung bei Piezoaktoren besonders sinnvoll ist.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt ist der Kraftsensor ein piezoelektrischer Sensor. Dabei kann der piezoelektrische Sensor einlagig oder mehrlagig aufgebaut sein. Weiterhin ermöglicht die Verwendung eines piezoelektrischen Sensors als Kraftsensor eine kleine Bauhöhe und somit einen kompakten Aufbau.
Besonders bevorzugt ist der Aktor der Kraftstoffeinspritzvorrichtung ein piezoelektrischer Aktor. Hierbei ergeben sich neben den bekannten Vorteilen der
Verwendung von piezoelektrischen Aktoren die oben erwähnten
fertigungstechnischen Vorteile, so dass die Piezoaktoren ohne zusätzliche Vermessung direkt eingebaut werden können und Steuergeräte nicht individuell an die Piezoaktoren angepasst werden müssen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Kraftsensor eine Durchgangsöffnung, wobei eine Düsennadel der
Kraftstoffeinspritzvorrichtung durch die Durchgangsöffnung hindurchgeführt ist. Der Kraftsensor ist mit einer Rückstellfeder für den Aktor verbunden und erfasst eine von der Rückstellfeder bereitgestellte Rückstellkraft, welche entsprechend der Aktorkraft aufgebaut wird. Durch diese Ausgestaltung des Kraftsensors kann insbesondere eine axiale Baulänge der Kraftstoffeinspritzvorrichtung unverändert beibehalten werden, da kein zusätzliches Bauteil zwischen der Düsennadel und dem Aktor in axialer Richtung vorgesehen werden muss.
Gemäß einer bevorzugten Alternative der Erfindung ist der Kraftsensor im Kraftfluss zwischen dem Aktor und der Düsennadel angeordnet. Hierdurch ergibt sich zwar eine um die Dicke des Kraftsensors größere axiale Baulänge, jedoch kann der Kraftsensor direkt eine Aktorkraft aufnehmen. Besonders bevorzugt ist der Kraftsensor dabei in Scheibenform ausgebildet, um eine möglichst kurze axiale Länge aufzuweisen.
Für einen besonders kompakten Aufbau ist ferner der Kraftsensor vorzugsweise direkt mit dem Aktor in Kontakt oder in diesen integriert, indem vorzugsweise identische Piezokeramik für Aktor und Sensor verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung kann bei allen Arten von Kraftstoffeinspritzventilen verwendet werden, ist jedoch besonders bei Piezoaktoren vorteilhaft. Dabei ermöglicht die vorliegende Erfindung insbesondere bei Piezoaktoren eine weitere signifikante Verbilligung der Herstellung und eine exaktere Dosierung der Einspritzmenge, so dass sich eine neuartige Grundlage für eine weitere Effizienz- Steigerung und somit eine Kraftstoffeinsparung ergibt.
Zeichnung
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht einer
Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2 eine Draufsicht auf einen Kraftsensor von Figur 1,
Figur 3 eine schematische Schnittansicht einer
Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 4 eine schematische Schnittansicht einer
Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Figur 5 eine schematische Schnittansicht einer
Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 gemäß einem ersten bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 eine Düsennadel 2, welche direkt mit einem Aktor 3 verbunden ist. In diesem
Ausführungsbeispiel ist der Aktor 3 ein mehrschichtiger Piezoaktor. Die
Düsennadel 2 ist eine nach außen öffnende Düsennadel, welche an einem
Ventilsitz 10 eine Auslassöffnung freigibt bzw. verschließt. Die
Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 umfasst ferner ein Ventilgehäuse 4, einen hydraulischen Koppler 5 sowie eine Rückstellfeder 7. Die Rückstellfeder 7 dient zur Rückstellung des Aktors 3 nach Beendigung eines Einspritzvorgangs. Ferner umfasst die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 einen Kraftsensor 6. Der Kraftsensor
6 ist, wie aus Figur 1 ersichtlich ist, unmittelbar am düsennadelseitigen Ende des Piezoaktors angeordnet.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht des Kraftsensors 6, welcher als ringförmige Scheibe ausgebildet ist. In der Mitte umfasst der Kraftsensor 6 eine zylindrische
Durchgangsöffnung 9. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist ein aktorseitiges Ende der Düsennadel 2 durch den Kraftsensor 6, genauer durch die
Durchgangsöffnung 9 hindurchgeführt. Der Kraftsensor 6 ist zwischen dem Aktor 3 und der Rückstellfeder 7 angeordnet, wobei sich die Rückstellfeder 7 am Ventilgehäuse 4 abstützt. Somit wirkt eine Rückstellkraft der Rückstellfeder 7 bei einer Längenänderung des Piezoaktors über den Kraftsensor 6 auf den
Piezoaktor. Somit ist der Kraftsensor 6 nicht direkt im Kraftfluss zwischen der Düsennadel 2 und dem Piezoaktor angeordnet, wird jedoch trotzdem bei einer Längenänderung des Piezoaktors bewegt. In diesem Ausführungsbeispiel hat eine Auslenkung des Aktors 3 eine Längung des Aktors in Richtung der
Düsennadel 2 zur Folge, so dass die Rückstellfeder 7 über den Kraftsensor 6 komprimiert wird. Die dadurch aufgebaute Gegenkraft der Rückstellfeder 7 kann vom Kraftsensor 6 als Kraftsignal detektiert werden. Wie aus Figur 1 weiter ersichtlich ist, ist der Kraftsensor 6 mit einer Steuereinheit
11 verbunden. Dieser Steuereinheit 11 werden die vom Kraftsensor 6
aufgenommenen Signale zugeführt. Die Steuereinheit 11 ist dabei ausgelegt, dass sie, basierend auf den zugeführten Signalen des Kraftsensors 6, eine Positionsbestimmung der Nadel präzise ausführen kann. Basierend auf dieser Positionsbestimmung kann die Steuereinheit 6 dann eine eingespritzte
Kraftstoffmenge bestimmen. Hierbei ist es möglich, dass entweder der zugeführte Kraftstoff immer unter einem gleichbleibenden Druck zugeführt wird, oder alternativ oder redundant kann ein zusätzlicher Drucksensor Signale an die Steuereinheit übermittelt, von welcher der aktuelle Druck im Bereich einer Kraftstoffzuleitung 8 bzw. im Bereich vor der Düsennadel 2 erfasst wird.
Basierend auf dem Druck, einer Öffnungsdauer und der Nadelposition kann dann eine exakte Einspritzmenge berechnet werden, wobei mittels der Nadelposition ein Öffnungsquerschnitt zum Ausspritzen von Kraftstoff bestimmt werden kann.
Somit kann erfindungsgemäß zu jedem Zeitpunkt eine exakte Nadelposition bestimmt werden, so dass auch über die Bestromungsdauer des Piezoaktors eine exakte Einspritzmenge definiert werden kann. Hierdurch ist es auch möglich, dass während der Aktorfertigung die sogenannte "Aktor-Codierung", d.h., die individuelle Vermessung jedes einzelnen Aktors, entfallen kann, was zu einer signifikanten Kostenreduktion, auch bei den jeweiligen Steuergeräten, führt.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 3 eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel bezeichnet.
Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, ist im zweiten Ausführungsbeispiel im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel eine Position des Kraftsensors 6 verschieden. Genauer ist der Kraftsensor 6 derart in der Kraftstoffeinspritzvorrichtung angeordnet, dass in Axialrichtung die Rückstellfeder 7 zwischen dem Kraftsensor
6 und dem Aktor 3 angeordnet ist. Somit befindet sich der Kraftsensor 6 nicht mehr direkt mit dem Aktor in Berührung, sondern die Rückstellfeder 7 ist zwischengeschaltet. Dabei wirkt eine Federkraft der Rückstellfeder 7 in gleicher Weise bei einer Längenänderung des Aktors 3 auf den Kraftsensor 6, wie beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Die Figuren 4 und 5 zeigen ein drittes bzw. viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche Bezugszeichen technisch funktional gleiche Teile bezeichnen. Beim dritten und vierten Ausführungsbeispiel ist jeweils der Kraftsensor 6 im Kraftfluss zwischen dem Aktor 3 und der Düsennadel 2 angeordnet. Bei dem in Figur 4 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel liegt der Kraftsensor 6 zwischen dem Aktor 3 und der Düsennadel 2 und befindet sich in direktem Kontakt mit der Rückstellfeder 7. Der Kraftsensor 6 ist dabei als Scheibe ohne mittlere Durchgangsöffnung ausgeführt und eine Auslenkung des Aktors 3 hat wiederum eine Komprimierung der Rückstellfeder 7 zur Folge, was der Kraftsensor 6 erfassen kann, und dementsprechend ein entsprechendes Kraftsignal an die Steuereinheit 11 ausgibt. Der Kraftsensor 6 kann dabei, wie im dritten Ausführungsbeispiel beschrieben, in Figur 4 am nadelseitigen Ende des Aktors angeordnet werden, oder wie im vierten Ausführungsbeispiel von Figur 5 gezeigt, am nadelfernen Ende, benachbart zum hydraulischen Koppler 5 angeordnet sein. Ferner sei angemerkt, dass beim dritten und vierten
Ausführungsbeispiel selbstverständlich noch weitere Zwischenbauteile zwischen dem Aktor 3 und dem Kraftsensor 6 angeordnet sein können.
Claims
1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung, umfassend
eine Düsennadel (2),
einen Aktor (3) zur Betätigung der Düsennadel (2),
- einen Kraftsensor (6) zur Erfassung einer durch den Aktor (3)
aufgebrachten Kraft, und
eine Steuereinheit (11), welche mit dem Kraftsensor (6) verbunden ist, wobei der Kraftsensor (6) der Steuereinheit (11) Signale zuführt und wobei die Steuereinheit (11) ausgelegt ist, basierend auf dem zugeführten Signal eine Positionsbestimmung der Düsennadel (2) und eine präzise Bestimmung einer eingespritzten Kraftstoffmenge auszuführen.
2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (6) ein piezoelektrischer Sensor ist.
3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der Aktor (3) ein Piezoaktor ist.
4. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (6) eine Durchgangsöffnung (9) aufweist, wobei die Düsennadel (2) durch die Durchgangsöffnung (9) hindurchgeführt ist, und der Kraftsensor (6) mit einer Rückstellfeder (7) für eine Rückstellung des Aktors (3) in Verbindung steht und eine von der Rückstellfeder (7) bereitgestellte Rückstellkraft erfasst.
5. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (6) im Kraftfluss zwischen dem Aktor (3) und der Düsennadel (2) angeordnet ist. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (6) eine Scheibenform aufweist.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (6) direkt den Aktor (3) berührt oder dass der Kraftsensor in den Aktor integriert ist.
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