EP2640955B1 - Kraftstoffinjektor - Google Patents

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EP2640955B1
EP2640955B1 EP11772952.5A EP11772952A EP2640955B1 EP 2640955 B1 EP2640955 B1 EP 2640955B1 EP 11772952 A EP11772952 A EP 11772952A EP 2640955 B1 EP2640955 B1 EP 2640955B1
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EP
European Patent Office
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fuel injector
sensor arrangement
fuel
diaphragm
force
Prior art date
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Active
Application number
EP11772952.5A
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English (en)
French (fr)
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EP2640955A1 (de
Inventor
Holger Rapp
Helmut Clauss
Wolfgang Stoecklein
Changyi Wang
Bernd Berghaenel
Marco Beier
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2640955A1 publication Critical patent/EP2640955A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2640955B1 publication Critical patent/EP2640955B1/de
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    • 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
    • F02M57/00—Fuel-injectors combined or associated with other devices
    • F02M57/005—Fuel-injectors combined or associated with other devices the devices being sensors
    • 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
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • 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
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/16—Sealing of fuel injection apparatus not otherwise provided for
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M2200/21—Fuel-injection apparatus with piezoelectric or magnetostrictive elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M2200/24—Fuel-injection apparatus with sensors
    • F02M2200/244—Force sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/24—Fuel-injection apparatus with sensors
    • F02M2200/247—Pressure sensors

Definitions

  • the invention relates to a fuel injector for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine having the features of the preamble of claim 1.
  • a fuel injector comprises a hubbewegliche nozzle needle, on the lifting movement at least one injection port is releasable or closable, also a control valve for controlling the lifting movement of nozzle needle.
  • the nozzle needle is acted upon in the closing direction with a hydraulic pressure in a control chamber, which is variable in dependence on the respective switching position of the control valve. If the hydraulic pressure in the control room decreases, the nozzle needle is able to open. In contrast, when the hydraulic pressure in the control room increases, the nozzle needle is returned to its seat.
  • the fuel injector described herein includes a switching valve for actuating an injection valve member.
  • the switching valve has a closing element which can be actuated by a magnetic actuator comprising a magnet assembly and an armature.
  • the armature is movably guided on a guide element adjoining the closing element.
  • the guide of the closing element assumes a guide pin received in the guide element and in the closing element.
  • Guide pin and closing element limit a pressure chamber, which communicates with the control room via a drainage channel. In the closed position of the switching valve, the hydraulic pressure in the pressure chamber corresponds to the control pressure in the control chamber.
  • a device for determining a performance of an injection valve of an injection system of an internal combustion engine which comprises a piezo film sensor which can be used to determine the closing time of the injection valve in the injection valve.
  • the piezo film sensor By means of the piezo film sensor, the impact of the valve needle on its valve seat is advantageously determined. In this way it can be detected whether a predicted time for the stop of the valve needle corresponds to the actual time for the stop. If a deviation can be detected, the control parameters of a control device of the injection system can be adjusted accordingly, so that in future injection operations, the closing time corresponds to the desired time.
  • a fuel injector is known with a pressure sensor that measures the hydraulic force on an anchor bolt. From the DE 10 2009 000 983 A1
  • Another fuel injector is known, which has a measuring unit for measuring the pressure in the high-pressure region of the injector and for this purpose detects the deformation of a fuel-loaded membrane.
  • the present invention has the object to provide a fuel injector with a sensor arrangement for Nadelsch spazeitticianerkennung that is simple and inexpensive to produce.
  • the proposed fuel injector comprises a liftable nozzle needle, via the lifting movement of which at least one injection opening can be opened or closed, and a control valve for controlling the lifting movement of the nozzle needle. Furthermore, the fuel injector comprises a sensor arrangement for needle closing timing detection. According to the invention, the sensor arrangement is arranged in the low-pressure region of the fuel injector in a space that is sealed off from the fuel-carrying region. The sealing of the room is via a membrane made of a fuel-resistant, electrically conductive Material causes, so that the membrane is also used to implement a ground connection.
  • the advantage therefore, is that two functions are realized in a component through the membrane, namely the function of the seal and the function of the ground connection, if the sensor arrangement requires such.
  • a separately formed ground connection can therefore be omitted.
  • the sealing function ensures protection of the active elements of the sensor arrangement and / or their contact with fuel.
  • a fuel-resistant material is chosen as the material for the membrane, which is also electrically conductive.
  • a material is particularly suitable metal, such as steel. This has a high strength and is therefore suitable to endure under certain operating conditions pressure oscillations.
  • steel In addition to steel but other materials can be used.
  • the membrane is connected on the one hand directly or indirectly to the sensor arrangement and on the other hand to a housing part of the fuel injector.
  • the housing-side terminal serves as a ground connection and can be made for example on a serving as a support plate housing part.
  • the sensor arrangement is supported on the housing part.
  • the housing part can serve to support individual components of the control valve.
  • the connection is preferably carried out by means of welding or soldering, so that a cohesive connection is achieved.
  • the connection can also be achieved by means of clamps or a press fit, so that at least one non-positive and / or positive connection is effected.
  • the sensor arrangement comprises a force-sensitive converter operating according to a piezoelectric principle, which can be acted upon indirectly by an axial force via an axially displaceable force transmission member, which is proportional to the hydraulic pressure in the control space, at least during a limited time interval. Since the control chamber pressure at the time of the needle closing has a significant minimum, the electrical signal output from the transducer will also have a significant characteristic.
  • the voltage output by the element can be evaluated, which has an extreme at the closing time of the nozzle needle. Alternatively, such Element also short-circuited via a resistor and the current output by it are evaluated. The current profile will typically have a zero crossing at the closing time of the nozzle needle.
  • the control valve is designed as a solenoid valve and comprises an axially displaceable anchor bolt, which can be used as a power transmission member.
  • the anchor bolt is preferably a sleeve-shaped valve closing element of the solenoid valve, wherein in the closed position of the solenoid valve, the valve closing element and the anchor bolt limit a pressure chamber which is in hydraulic communication with the control chamber. This ensures that in the closed position of the solenoid valve, the hydraulic pressure in the pressure chamber corresponds to the control pressure in the control chamber.
  • the armature bolt thus applied hydraulic pressure is transmitted via the anchor bolt on the force-sensitive transducer of the sensor assembly.
  • a force distributor be arranged between the force transmission member, preferably the anchor bolt, and the sensor arrangement.
  • the force distributor causes the force exerted by the force transmission member axial force is introduced with substantially homogeneous surface pressure in the force-sensitive transducer, which would not be the case with direct contact usually designed with a convex face anchor bolt on the converter.
  • the force distributor can be connected to the membrane and thus also serve to seal the space in which the sensor assembly is received.
  • the force distributor consists of an electrically conductive material.
  • the membrane is elastic, preferably form-elastic.
  • the membrane is able to absorb pressure oscillations which are transmitted from the force distributor to the membrane.
  • the elasticity of the formula can be effected, for example, by the membrane having at least one leveling sheet. That is to say that the membrane is preferably designed wavy with one or more compensation bends. In the case of several compensation bends, these are preferably concentric with one another.
  • the Indian Fig. 1 shown known Kraftstoffinjektor has a nozzle body 14 in a liftable guided nozzle needle 1, to which a valve piston 15 is attached as an extension.
  • the valve piston 15 is also guided in a liftable manner in an injector body 16 and accommodated at its end facing away from the nozzle needle 1 in a valve piece 17.
  • a control chamber 3 is limited by the valve piston 15, in which in the closed position of a solenoid valve designed as a control valve 2, a valve piston 15 and thus the nozzle needle 1 in the closing direction acting hydraulic pressure prevails.
  • the hydraulic pressure in the control chamber 3 acting on the nozzle needle 1 in the closing direction is ensured by an inlet throttle 18, which is in communication with a high-pressure port 19 for the supply of high-pressure fuel.
  • the high pressure port 19 is also in communication with a high pressure bore 20 through which the fuel under high pressure is supplied to the sealing seat between the nozzle body 14 and nozzle needle 1 and from there with an open sealing seat at least one injection port of the fuel injector.
  • the solenoid valve designed as a control valve 2 comprises an electromagnet 21 which cooperates with an anchor member 22.
  • an anchor bolt 11 is received, which is guided by a guide 23 hubbeweglich.
  • the anchor bolt 11 is also supported by a spring element 24 on the housing part 8.
  • an electrical connection 25 is further provided on the housing side.
  • Fig. 2 shows a section of a similarly constructed fuel injector in the region of the control valve 2 and a sensor assembly 4.
  • the sensor assembly 4 is accommodated in a space 5, which is sealed off by a serving as a force distributor 12 body relative to the fuel-carrying region 6.
  • a serving as a force distributor 12 body relative to the fuel-carrying region 6.
  • the power distributor 12 is an anchor bolt 11 as a power transmission member 10, the other end defines a pressure chamber which is in hydraulic communication with a control chamber 3 (analogous to the embodiment of Fig. 1 ). Since the control chamber pressure has a significant minimum at the time of needle closing, this value can be transmitted to the sensor arrangement 4 on account of the load chain anchor bolt 11 and force distributor 12, and thus the needle closing time point can be detected via a signal output by the sensor arrangement 4.
  • the anchor bolt 11 is part of a solenoid valve designed as a control valve 2, which comprises an electromagnet 21 and an armature element 22 cooperating with the electromagnet 21.
  • the electromagnet 21 is supported via a spring element 26 on a housing part 8 of the fuel injector, which also forms the space 5 for receiving the sensor arrangement 4.
  • the power distributor 12 is likewise inserted into the housing part 8 and thus seals the space 5 from the fuel-carrying area 6.
  • FIG. 3 shows a first preferred embodiment of a fuel injector according to the invention, which in the Fig. 3 also shown only in part.
  • the provided for actuating the nozzle needle 1 control valve 2 is also formed as a solenoid valve and includes an electromagnet 21 which cooperates with an anchor member 22.
  • the solenoid 21 indicated which is supported via a spring element 26 on a serving as a support plate housing part 8.
  • the control valve 2 further comprises an anchor bolt 11, which in turn can be used as a power transmission member 10, since it is supported with an end face on a standing in operative connection with a sensor assembly 4 force distributor 12 and with its other end face a pressure chamber, not shown limited, which is in hydraulic communication with a control chamber 3 (analogous to the embodiment of the Fig. 1 ).
  • a compressive force on the force distributor 12 can be transferred, which is received by the sensor assembly 4.
  • the sensor arrangement 4 comprises a force-sensitive transducer 9, which preferably operates according to a piezoelectric principle.
  • the sensor arrangement 4 is arranged in a housing 5 formed in the space 5, which is sealed by a thin metal membrane 7 with respect to a fuel-carrying region 6.
  • the metal diaphragm 7 also fulfills a further function, since it also serves the ground connection of the sensor arrangement 4.
  • the membrane 7 is formed of an electrically conductive material and connected on the one hand directly or indirectly with the sensor arrangement 4, on the other hand with the housing part 8. Preference is given to a cohesive connection, for example by means of welding.
  • the metal membrane 7 can also be pressed into the housing 8 or pressed onto the force distributor 12 or the sensor arrangement 4. The connection must be designed so that a ground connection is guaranteed.
  • the sensor arrangement 4 has a further ground connection 27.
  • the membrane 7 is designed to be elastic.
  • the elasticity of the membrane 7 is effected via at least one compensating sheet 13.
  • the design of the membrane 7 is not exhausted in the Fig. 4a-e shown concrete embodiments, so that they are freely modifiable.
  • modifications of a fuel injector according to the invention are possible to the effect that instead of an anchor bolt 11 another power transmission member 10 is used.
  • a fuel injector according to the invention has means for detecting the needle closing time, not only the dynamic behavior of the control valve 2 is taken into account in determining the injection duration and thus the injection quantity, but all possible inaccuracies within the entire switching chain from the actuator to the nozzle needle 1 it is possible To compensate for example variations of similar valves, as well as their drift over the life and the influence of variable influencing variables, such as the influence of pressure oscillations.
  • the injected amount of fuel is therefore determinable and adjustable with higher accuracy, which in turn has a favorable effect on fuel consumption and the associated emissions.
  • the fuel injector according to the invention compared to other fuel injectors, which comprise means for detecting the needle closing timing, simple and therefore inexpensive to produce.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ein derartiger Kraftstoffinjektor umfasst eine hubbewegliche Düsennadel, über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung freigebbar oder verschließbar ist, ferner ein Steuerventil zum Steuern der Hubbewegung der Düsennadel. Hierzu wird die Düsennadel in Schließrichtung mit einem hydraulischen Druck in einem Steuerraum beaufschlagt, der in Abhängigkeit von der jeweiligen Schaltstellung des Steuerventils veränderbar ist. Nimmt der hydraulische Druck im Steuerraum ab, vermag die Düsennadel zu öffnen. Steigt der hydraulische Druck dagegen im Steuerraum an, wird die Düsennadel zurück in ihren Sitz gestellt.
    • Stand der Technik
  • Ein derartiger Kraftstoffinjektor geht beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 060 395 A1 hervor. Der hierin beschriebene Kraftstoffinjektor umfasst ein Schaltventil zur Betätigung eines Einspritzventilgliedes. Das Schaltventil weist ein Schließelement auf, das durch einen Magnetaktor, umfassend eine Magnetbaugruppe und einen Anker, ansteuerbar ist. Der Anker ist beweglich auf einem sich an das Schließelement anschließenden Führungselement geführt. Die Führung des Schließelementes übernimmt ein im Führungselement und im Schließelement aufgenommener Führungsstift. Führungsstift und Schließelement begrenzen einen Druckraum, der über einen Ablaufkanal in Verbindung mit dem Steuerraum steht. In Schließstellung des Schaltventils entspricht der hydraulische Druck im Druckraum dem Steuerdruck im Steuerraum.
  • Ferner ist bekannt, dass das Betriebsverhalten von Kraftstoffinjektoren über ihre Lebensdauer nicht gleichbleibend ist. Beispielsweise kann sich das Öffnungsund Schließverhalten aufgrund von Verschleiß an den beweglichen und/oder dynamisch belasteten Bauteilen ändern. Da die Öffnungsdauer der Düsennadel jedoch einen entscheidenden Einfluss auf die eingespritzte Kraftstoffmenge hat, gilt es derartige Änderungen zu erkennen und diesen gegenzusteuern.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 063 103 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Betriebsverhaltens eines Einspritzventils einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine bekannt, welche einen Piezofoliensensor umfasst, der zur Ermittlung des Schließzeitpunkts des Einspritzventils in das Einspritzventil einsetzbar ist. Mittels des Piezofoliensensors wird vorteilhafterweise das Anschlagen der Ventilnadel an ihrem Ventilsitz ermittelt. Auf diese Weise kann erfasst werden, ob ein vorhergesagter Zeitpunkt für den Anschlag der Ventilnadel dem tatsächlichen Zeitpunkt für den Anschlag entspricht. Ist eine Abweichung erkennbar, können die Ansteuerparameter einer Ansteuervorrichtung der Einspritzanlage entsprechend angepasst werden, so dass bei zukünftigen Einspritzvorgängen der Schließzeitpunkt dem gewünschten Zeitpunkt entspricht.
  • Aus der WO 2010/127889 A1 ist weiterhin ein Kraftstoffinjektor bekannt mit einem Drucksensor, der die hydraulische Kraft auf einen Ankerbolzen misst. Aus der DE 10 2009 000 983 A1 ist ein weiterer Kraftstoffinjektor bekannt, der eine Mess-Einheit zur Messung des Drucks im Hochdruckbereich des Injektors aufweist und dazu die Verformung einer vom Kraftstoff beaufschlagten Membran erfasst.
  • Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor mit einer Sensoranordnung zur Nadelschließzeitpunkterkennung anzugeben, der einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine hubbewegliche Düsennadel, über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung freigebbar oder verschließbar ist, sowie ein Steuerventil zum Steuern der Hubbewegung der Düsennadel. Ferner umfasst der Kraftstoffinjektor eine Sensoranordnung zur Nadelschließzeitpunkterkennung. Erfindungsgemäß ist die Sensoranordnung im Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors in einem Raum angeordnet, der gegenüber dem kraftstoffführenden Bereich abgedichtet ist. Die Abdichtung des Raumes wird über eine Membran aus einem kraftstoffbeständigen, elektrisch leitenden Werkstoff bewirkt, so dass die Membran ferner zur Realisierung einer Masseverbindung einsetzbar ist. Der Vorteil besteht demnach darin, dass durch die Membran zwei Funktionen in einem Bauteil realisiert werden, nämlich die Funktion der Abdichtung und die Funktion der Masseverbindung, sofern die Sensoranordnung eine solche erfordert. Eine separat ausgebildete Masseverbindung kann demnach entfallen. Ferner ist durch die abdichtende Funktion der Schutz der aktiven Elemente der Sensoranordnung und / oder ihrer Kontaktierung vor Kraftstoff sichergestellt. Um einen dauerhaften Schutz zu gewährleisten, wird als Werkstoff für die Membran ein kraftstoffbeständiger Werkstoff gewählt, der zugleich elektrisch leitend ist. Als Werkstoff eignet sich insbesondere Metall, beispielsweise Stahl. Dieser weist eine hohe Festigkeit auf und ist somit geeignet, unter bestimmten Betriebsbedingungen auftretende Druckschwingungen zu ertragen. Neben Stahl sind aber auch andere Werkstoffe einsetzbar. Erfindungsgemäß ist die Membran einerseits unmittelbar oder mittelbar mit der Sensoranordnung und andererseits mit einem Gehäuseteil des Kraftstoffinjektors verbunden. Der gehäuseseitige Anschluss dient als Masseverbindung und kann beispielsweise an einem als Abstützplatte dienenden Gehäuseteil vorgenommen werden. Vorzugsweise ist an dem Gehäuseteil die Sensoranordnung abgestützt. Des Weiteren kann das Gehäuseteil der Abstützung einzelner Komponenten des Steuerventils dienen. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise mittels Schweißen oder Löten, so dass eine stoffschlüssige Verbindung erreicht wird. Alternativ oder ergänzend kann die Verbindung auch mittels Klemmen oder einer Presspassung erzielt werden, so dass zumindest eine kraft- und / oder formschlüssige Verbindung bewirkt wird.
  • Weiterhin umfasst die Sensoranordnung einen nach einem piezoelektrischen Prinzip arbeitenden kraftempfindlichen Wandler, der mittelbar über ein axial verschiebbares Kraftübertragungsglied von einer Axialkraft beaufschlagbar ist, die zumindest während eines begrenzten Zeitintervalls proportional zum hydraulischen Druck im Steuerraum ist. Da der Steuerraumdruck zum Zeitpunkt des Nadelschließens ein signifikantes Minimum aufweist, wird auch das vom Wandler ausgegebene elektrische Signal ein signifikantes Merkmal aufweisen. Im Falle eines nach einem piezoelektrischen Prinzip arbeitenden Wandlers kann zum einen die vom Element ausgegebene Spannung ausgewertet werden, welche zum Schließzeitpunkt der Düsennadel ein Extrem aufweist. Alternativ kann ein solches Element auch über einen Widerstand kurzgeschlossen und der von ihm ausgegebene Strom ausgewertet werden. Der Stromverlauf wird typischerweise zum Schließzeitpunkt der Düsennadel einen Nulldurchgang aufweisen.
  • Als Kraftübertragungsglied dient vorzugsweise ein axial verschiebbarer Ankerbolzen, der Bestandteil des Steuerventils ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher das Steuerventil als Magnetventil ausgebildet und umfasst einen axial verschiebbaren Ankerbolzen, der als Kraftübertragungsglied einsetzbar ist. Der Ankerbolzen dient vorzugsweise einem hülsenförmig ausgebildeten Ventilschließelement des Magnetventils, wobei in Schließstellung des Magnetventils das Ventilschließelement und der Ankerbolzen einen Druckraum begrenzen, der in hydraulischer Verbindung mit dem Steuerraum steht. Dadurch ist gewährleistet, dass in Schließstellung des Magnetventils der hydraulische Druck im Druckraum dem Steuerdruck im Steuerraum entspricht. Der am Ankerbolzen somit anliegende hydraulische Druck wird über den Ankerbolzen auf den kraftempfindlichen Wandler der Sensoranordnung übertragen.
  • Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Kraftübertragungsglied, vorzugsweise dem Ankerbolzen, und der Sensoranordnung ein Kraftverteiler angeordnet ist. Der Kraftverteiler bewirkt, dass die vom Kraftübertragungsglied ausgeübte Axialkraft mit weitgehend homogener Flächenpressung in den kraftempfindlichen Wandler eingeleitet wird, was bei direkter Anlage des üblicherweise mit konvexer Stirnfläche ausgeführten Ankerbolzens am Wandler nicht der Fall wäre. Ferner kann der Kraftverteiler mit der Membran verbunden werden und somit ebenfalls der Abdichtung des Raums dienen, in dem die Sensoranordnung aufgenommen ist. Um eine Masseverbindung der Sensoranordnung über den Kraftverteiler und die Membran herzustellen, besteht vorzugsweise auch der Kraftverteiler aus einem elektrisch leitenden Werkstoff.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Membran elastisch, vorzugsweise formelastisch, ist. Somit ist die Membran in der Lage, Druckschwingungen aufzunehmen, die von dem Kraftverteiler auf die Membran übertragen werden. Die Formelastizität kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass die Membran wenigstens einen Ausgleichsbogen besitzt. D.h., dass die Membran vorzugsweise wellig mit einem oder mit mehreren Ausgleichsbögen gestaltet ist. Bei mehreren Ausgleichsbögen liegen diese vorzugsweise konzentrisch zueinander.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektor,
    Fig. 2
    einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor mit einer Sensoranordnung,
    Fig. 3
    eine schematische Schnittdarstellung durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im Bereich der Sensoranordnung und
    Fig. 4a-e
    jeweils eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im Bereich der Sensoranordnung.
    Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Der in der Fig. 1 dargestellte bekannte Kraftstoffinjektor weist eine in einem Düsenkörper 14 hubbeweglich geführte Düsennadel 1 auf, an welche ein Ventilkolben 15 als Verlängerung angesetzt ist. Der Ventilkolben 15 ist in einem Injektorkörper 16 ebenfalls hubbeweglich geführt und an seinem der Düsennadel 1 abgewandten Ende in einem Ventilstück 17 aufgenommen. Innerhalb des Ventilstücks 17 wird durch den Ventilkolben 15 ein Steuerraum 3 begrenzt, in welchem in Schließstellung eines als Magnetventil ausgebildeten Steuerventils 2 ein dem Ventilkolben 15 und damit die Düsennadel 1 in Schließrichtung beaufschlagender hydraulischer Druck herrscht. Der die Düsennadel 1 in Schließrichtung beaufschlagende hydraulische Druck im Steuerraum 3 wird durch eine Zulaufdrossel 18 sichergestellt, welche in Verbindung mit einem Hochdruckanschluss 19 für die Zuleitung von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff steht. Der Hochdruckanschluss 19 steht ferner in Verbindung mit einer Hochdruckbohrung 20, über welche der unter hohem Druck stehende Kraftstoff dem Dichtsitz zwischen Düsenkörper 14 und Düsennadel 1 und von dort bei geöffnetem Dichtsitz wenigstens einer Einspritzöffnung des Kraftstoffinjektors zugeführt wird.
  • Das als Magnetventil ausgebildete Steuerventil 2 umfasst einen Elektromagneten 21, der mit einem Ankerelement 22 zusammenwirkt. Im Ankerelement 22 ist ein Ankerbolzen 11 aufgenommen, der über eine Führung 23 hubbeweglich geführt ist. Der Ankerbolzen 11 ist zudem über ein Federelement 24 an dem Gehäuseteil 8 abgestützt. Gehäuseseitig ist ferner ein elektrischer Anschluss 25 vorgesehen.
  • Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem ähnlich aufgebauten Kraftstoffinjektor im Bereich des Steuerventils 2 bzw. einer Sensoranordnung 4. Die Sensoranordnung 4 ist einem Raum 5 aufgenommen, welcher über einen als Kraftverteiler 12 dienenden Körper gegenüber dem kraftstoffführenden Bereich 6 abgedichtet ist. Am Kraftverteiler 12 liegt ein Ankerbolzen 11 als Kraftübertragungsglied 10 an, dessen anderes Ende einen Druckraum begrenzt, der in hydraulischer Verbindung mit einem Steuerraum 3 steht (analog zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1). Da zum Nadelschließzeitpunkt der Steuerraumdruck ein signifikantes Minimum aufweist, ist aufgrund der Lastkette Ankerbolzen 11 und Kraftverteiler 12 dieser Wert auf die Sensoranordnung 4 übertragbar und somit der Nadelschließzeitpunkt über ein von der Sensoranordnung 4 ausgegebenes Signal erfassbar. Der Ankerbolzen 11 ist Bestandteil eines als Magnetventil ausgebildeten Steuerventils 2, das einen Elektromagneten 21 sowie einen mit dem Elektromagneten 21 zusammenwirkendes Ankerelement 22 umfasst. Der Elektromagnet 21 ist über ein Federelement 26 an einem Gehäuseteil 8 des Kraftstoffinjektors abgestützt, welches auch den Raum 5 zur Aufnahme der Sensoranordnung 4 ausbildet. Der Kraftverteiler 12 ist ebenfalls in das Gehäuseteil 8 eingesetzt und dichtet somit den Raum 5 gegenüber dem kraftstoffführenden Bereich 6 ab.
  • Der Fig. 3 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors zu entnehmen, welcher in der Fig. 3 ebenfalls nur ausschnittsweise dargestellt ist. Das zur Betätigung der Düsennadel 1 vorgesehene Steuerventil 2 ist ebenfalls als Magnetventil ausgebildet und umfasst einen Elektromagneten 21, der mit einem Ankerelement 22 zusammenwirkt. Der Einfachheit halber ist in der Fig. 3 lediglich der Elektromagnet 21 angedeutet, der über ein Federelement 26 an einem als Abstützplatte dienenden Gehäuseteil 8 abgestützt ist. Das Steuerventil 2 umfasst ferner einen Ankerbolzen 11, der wiederum als Kraftübertragungsglied 10 einsetzbar ist, da er mit einer Stirnfläche an einem in Wirkverbindung mit einer Sensoranordnung 4 stehenden Kraftverteiler 12 abgestützt ist und mit seiner anderen Stirnfläche einen nicht näher dargestellten Druckraum begrenzt, der in hydraulischer Verbindung mit einem Steuerraum 3 steht (analog zur Ausführungsform der Fig. 1). Über den Ankerbolzen 11 ist somit eine Druckkraft auf den Kraftverteiler 12 übertragbar, die von der Sensoranordnung 4 aufgenommen wird. Hierzu umfasst die Sensoranordnung 4 einen kraftempfindlichen Wandler 9, der vorzugsweise nach einem piezoelektrischen Prinzip arbeitet. Die Sensoranordnung 4 ist in einem im Gehäuseteil 8 ausgebildeten Raum 5 angeordnet, welcher über eine dünne Metallmembran 7 gegenüber einem kraftstoffführenden Bereich 6 abgedichtet ist. Somit sind die empfindlichen Elemente der Sensoranordnung 4 vor Kraftstoff geschützt. Die Metallmembran 7 erfüllt darüber hinaus eine weitere Funktion, da sie zugleich der Masseverbindung der Sensoranordnung 4 dient. Hierzu ist die Membran 7 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff ausgebildet und einerseits unmittelbar oder mittelbar mit der Sensoranordnung 4, andererseits mit dem Gehäuseteil 8 verbunden. Bevorzugt wird eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise mittels Schweißen. Die Metallmembran 7 kann jedoch auch in das Gehäuse 8 ein- bzw. auf den Kraftverteiler 12 oder die Sensoranordnung 4 aufgepresst sein. Die Verbindung muss derart gestaltet sein, dass eine Masseverbindung gewährleistet ist. Neben der Membran 7 besitzt die Sensoranordnung 4 eine weitere Masseverbindung 27.
  • Verschiedene Anbindungsbeispiele der Membran 7 an das Gehäuseteil 8 und die Sensoranordnung 4 bzw. den Kraftverteiler 12 sind in den Fig. 4a-e schematisch dargestellt. Um die Aufnahme von Druckschwingungen zu ermöglichen, ist die Membran 7 elastisch ausgeführt. Die Elastizität der Membran 7 wird über wenigstens einen Ausgleichsbogen 13 bewirkt. Die Ausgestaltung der Membran 7 erschöpft sich nicht auf die in den Fig. 4a-e dargestellten konkreten Ausführungsbeispiele, so dass diese beliebig abwandelbar sind. Ferner sind Abwandlungen eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors dahingehend möglich, dass anstelle eines Ankerbolzens 11 ein anderes Kraftübertragungsglied 10 eingesetzt wird. Es ist ferner nicht zwingend erforderlich, das Steuerventil 2 als Magnetventil auszubilden.
  • Dadurch, dass ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor Mittel zur Erfassung des Nadelschließzeitpunkts besitzt, finden bei der Ermittlung der Einspritzdauer und damit der Einspritzmenge nicht nur das dynamische Verhalten des Steuerventils 2 Berücksichtigung, sondern sämtliche etwaigen Ungenauigkeiten innerhalb der gesamten Schaltkette vom Aktor bis zur Düsennadel 1. Dadurch ist es möglich, sowohl Exemplarstreuungen gleichartiger Ventile auszugleichen, als auch deren Drift über die Lebensdauer sowie den Einfluss variabler Einflussgrößen, wie beispielsweise den Einfluss von Druckschwingungen. Die eingespritzte Kraftstoffmenge ist demnach mit höherer Genauigkeit bestimmbar und einstellbar, was sich wiederum günstig auf den Kraftstoffverbrauch und die damit einhergehenden Emissionen auswirkt. Zugleich ist der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor im Vergleich zu anderen Kraftstoffinjektoren, welche Mittel zur Erfassung des Nadelschließzeitpunkts umfassen, einfach aufgebaut und demzufolge kostengünstig herstellbar.

Claims (5)

  1. Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer hubbeweglichen Düsennadel (1), über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung freigebbar oder verschließbar ist, und einem Steuerventil (2) zum Steuern der Hubbewegung der Düsennadel (1), indem in Abhängigkeit von der jeweiligen Schaltstellung des Steuerventils (2) ein die Düsennadel (1) in Schließrichtung beaufschlagender hydraulischer Druck in einem Steuerraum (3) verändert wird, ferner mit einer Sensoranordnung (4) zur Nadelschließzeitpunkterkennung,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (4) im Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors in einem Raum (5) angeordnet ist, der gegenüber dem kraftstoffführenden Bereich (6) abgedichtet ist, und die Abdichtung des Raumes (5) über eine Membran (7) aus einem kraftstoffbeständigen, elektrisch leitenden Werkstoff bewirkt wird, wobei die Membran (7) einerseits unmittelbar oder mittelbar mit der Sensoranordnung (4) und andererseits mit einem Gehäuseteil (8) des Kraftstoffinjektors verbunden ist und die Membran (7) zugleich der Masseverbindung der Sensoranordnung (4) dient, und wobei die Sensoranordnung (4) einen nach einem piezoelektrischen Prinzip arbeitenden kraftempfindlichen Wandler (9) umfasst, der mittelbar über ein axial verschiebbares Kraftübertragungsglied (10) von einer Axialkraft beaufschlagbar ist, die proportional zum hydraulischen Druck im Steuerraum (3) ist..
  2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (2) als Magnetventil ausgebildet ist und einen axial verschiebbaren Ankerbolzen (11) umfasst, der als Kraftübertragungsglied (10) einsetzbar ist.
  3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kraftübertragungsglied (10) und der Sensoranordnung (4) ein Kraftverteiler (12) angeordnet ist.
  4. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (7) elastisch, vorzugsweise formelastisch, ist.
  5. Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (7) wenigstens einen Ausgleichsbogen (13) besitzt.
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