WO2004097210A1 - Einspritzventil mit sitzkontaktschalter - Google Patents

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WO2004097210A1
WO2004097210A1 PCT/EP2004/002671 EP2004002671W WO2004097210A1 WO 2004097210 A1 WO2004097210 A1 WO 2004097210A1 EP 2004002671 W EP2004002671 W EP 2004002671W WO 2004097210 A1 WO2004097210 A1 WO 2004097210A1
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WO
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valve
valve needle
injection
needle
switch
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/002671
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Baranowski
Wolfgang Bloching
Wolfgang Gerber
Christian Hoffmann
Manfred Weigl
Jörg WONESCH
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Filing date
Publication date
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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
    • 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
    • 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
    • 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
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • 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
    • F02M2200/24—Fuel-injection apparatus with sensors
    • F02M2200/245—Position sensors, e.g. Hall sensors

Definitions

  • the invention relates to an injection valve for internal combustion engines, with a valve seat in a nozzle body made of electrically conductive material and an insulated conductive valve needle guided in this body, the nozzle-side end of which is assigned to the valve seat and which also forms an electrical seat contact switch with the valve seat, which switches one over the Nozzle body and the valve needle-guided circuit interrupts when the valve needle lifts off the valve seat.
  • the invention also relates to an injection system with such an injection valve.
  • a generic injection valve is already known from DE 34 45 721 AI.
  • compensation of the scatter in series operation requires a sufficiently precise detection or determination of the point in time and the actual amount of the individual injection.
  • Such a check can be carried out, for example, in a diesel piezo injector with diesel Engine control system, not directly, but only indirectly by detecting the actual movement of the valve needle in the injection valve and a calculation of the injection quantity based thereon.
  • needle lift sensors For the purpose of recording the actual movement of the valve needle, needle lift sensors have become known in the past few years, which operate contactlessly, for example on the basis of optical elements or Hall elements.
  • installing a needle stroke sensor increases the risk of leaks.
  • an increased amount of circuitry may be required for the control and signal evaluation, which either must also be accommodated in the injector or requires additional space in the control unit.
  • a needle lift sensor with limited monitoring options in the form of a valve needle / valve seat contact switch has also been known for a long time, for example from the above-mentioned published specification actual injection duration can be measured.
  • the known switch function requires, apart from the point of contact of the tip of the valve needle with the valve seat formed in the nozzle body, an insulation between the valve needle and the nozzle body.
  • this insulation is realized on the one hand by an insulating layer between the valve needle and a guide in the nozzle body and on the other hand by further insulation which is arranged above the upper (valve-soapy) end face of the valve needle in order to prevent this end face from ending a valve lift an undefined, apparently disturbing the injection duration measurement comes into contact with the nozzle body.
  • the actual injection quantity can be determined or estimated.
  • the invention is therefore based on the object of developing an injection valve of the type specified at the outset, in particular a piezo injector, in such a way that a more precise statement about the actual injection quantity is possible without great computation effort.
  • a double switch formed from the nozzle body and valve needle which consists of the seat contact switch and a stop switch which is formed on the valve-side end of the valve needle and an associated stop surface in the nozzle body. It is further provided that the stop switch connected in parallel to the seat contact switch closes the circuit interrupted by the seat contact switch as soon as the valve needle strikes the stop surface and interrupts it again as soon as the valve needle lifts off the stop surface.
  • the start and end of the needle movement are no longer recorded, as was previously the case, but, at least in the relevant operating states, the start and end of the needle stop, that is to say the points in time with the reaching and the beginning of the reduction in the maximum injection rate can be equated. Since the cycle of the needle movement described in more detail below with reference to FIG. 3 in a needle stroke-time diagram describes a triangular course for short actuation times and a trapezoidal course for long actuation times, knowledge of the maximum four times per needle cycle that can be recorded according to the invention enables the Needle movement can be reconstructed relatively well.
  • the adjusting washer and the stroke adjusting bolt should have an insulating, abrasion-resistant and at least part of the non-contact surfaces, an insulating coating that does not inhibit the movement of the parts, such as. B. have an insulation layer.
  • the stop switch can conveniently be integrated within existing constructive structures of injectors in that the nozzle body is designed as an intermediate disk above the valve-side end of the valve needle and that an axial annular shoulder is formed on the valve-side end of the valve needle, which shoulder shoulder is formed on the underside of the intermediate disk is assigned as a stop surface.
  • an AC voltage or a pulsating DC voltage is applied as the operating voltage U B in order to determine the switching state of the double switch in each case by measuring the voltage drop in the circuit.
  • the activation of the measuring circuit takes place periodically and begins at the same time with the periodic energization of the electric drive. The full information content of the detection of the needle movement, which is based on four points in time, can be ensured in that the activation of the measuring circuit ends with a delay compared to the end of the energization of the electric drive only after the valve needle returns to the valve seat and at the beginning of the next energization of the electric drive begins again.
  • the injection system comprises an injection valve of the type described above. It is advantageous if the injection valve is designed as a piezo injector connected to a central pressure accumulator for the fuel, the electrical activation of which takes place by means of a control unit, the control unit, at least in individual phases of certain operating states of the internal combustion engine, the four points in time defined by the switching states of the double switch of the start, the reaching and then leaving the maximum and the end of a single injection on the basis of the measurement of the voltage drop. if determined in the measuring circuit and from this an actual injection quantity relevant for an injection rate control is calculated.
  • 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 an electrical equivalent circuit diagram
  • FIG. 3 shows a diagram of the needle stroke and a diagram of the associated voltage drop in the measuring circuit, in each case as a function of time.
  • FIG. 1 shows in longitudinal section, by way of 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 control by means of an external control unit (ECU).
  • the piezo actuator itself is usually located in the upper part of the injector, not shown here.
  • the lower part of the injection valve is mainly made of electrically conductive materials and is 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, which together with the valve seat 4 forms a seat contact switch S1 which is closed when the valve is closed and open when the valve is open.
  • the upper section of the valve needle 5, which is enlarged in cross section, is guided closely in the nozzle body 2, an insulating layer being provided between this section of the valve needle 5 and the nozzle body 2 in a manner known per se.
  • a high-pressure chamber 13 is provided with fuel (via an inlet, not shown), from which the supply of fuel along the valve needle 5, via the valve seat 4, to the nozzle opening 3 can take place.
  • sufficient 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 in this embodiment separates a nozzle-side high-pressure region of the fuel injection valve from a valve-side low-pressure region and which is connected in an electrically conductive manner to the further regions of the nozzle body 2 arranged above and below it.
  • the nozzle holding spring 8 is supported downwards on the top of a stroke adjustment bolt 9 designed as a T-piece, which is guided through a bore in the intermediate piece 6 and presses with its underside onto the upper end face of the valve needle 5.
  • the nozzle holding spring 8 is supported on an adjusting disk 10 which is insulated from the injector body 15 and which is electrically connected through a bore leading outwards to a connection contact 11 insulated from the injector body 15.
  • a control piston 12 is guided axially through the nozzle holding spring 8 and presses with one end on the upper side of the stroke adjustment bolt 9 and extends into the upper part of the injector body 15 with the opposite end.
  • the functioning of this construction is based on the fact that, as long as the injector is not actuated, the high fuel pressure is present simultaneously at the tip of the valve needle 5 and in a control chamber arranged on the upper end face of the control piston 12 there, because of the larger area, but with a greater effective pressure force and thus closes the valve.
  • 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 upwards and opens the servo valve.
  • the injector or a solenoid valve is energized when the valve closes.
  • 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 stroke adjustment bolt 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.
  • the stop switch S2 is closed, the seat contact switch S1 and the valve are open.
  • the nozzle needle 5 and the nozzle body 2 (housing) of the described injection valve form a double switch, which acts as follows:
  • Switch S1 is made up of the tip of valve needle 5 and valve seat 4
  • switch S2 is made up of the valve-side end of valve needle 5 and the associated stop surface on the underside of washer 6.
  • the nozzle body 2 is connected to ground potential and the connection contact 11 is connected to a voltage source U B via a measuring resistor.
  • a high voltage drop across the measuring resistor R meSs can be measured when S1 or S2 are closed, that is, when the valve needle 5 is either seated on the valve seat 4 or strikes the intermediate disk 6, thus permitting current flow.
  • the voltage is fed to the adjusting disk 10 of the nozzle holding spring 8 and passed on to the valve needle 5 via the nozzle holding spring 8. It should be noted that all current-carrying parts except the contact points are sufficiently well insulated from the nozzle body 2.
  • the electrical equivalent circuit diagram shown in FIG. 2 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 switches 1 and 2 connected in parallel and the resistor R Mess - Sl connected in series with Sl and S2 denotes the Seat contact switch and S2 the stop switch. Ri and R 2 are the associated contact resistances.
  • Rj .S o denotes the insulation resistance of the insulation layer and R FG the contact resistance between the guide of the valve needle 5 and the nozzle body 2.
  • Ri «R 2 « (Riso + RF G ) • Ü B supplies this arrangement with voltage
  • R MeSs the measuring resistor whose voltage drop U Mess generated by the current flow is used for evaluation.
  • the operating voltage U B is designed as an AC voltage or pulsating DC voltage.
  • the circuit is put into operation at the same time as or shortly before the piezo actuator is energized, on the one hand to reduce the energy required for permanent energization and on the other hand to reduce the risk of corrosion due to contact erosion and / or galvanic processes.
  • it is necessary to set the current end of the circuit after the time of the repeated closing of S1.
  • the total stroke can be, for example, 0.25 mm and a needle free flight phase takes about 350 ⁇ s, depending on the system pressure.
  • the information content of the contact switch which is designed as a double switch, can be greatly increased and the computing effort in the control unit (ECU) for determining the injection process and the injection quantity can be greatly reduced.
  • the injection course which is approximated by a trapezoidal course as in the upper diagram in FIG. 3 and which is the basis for the further evaluation, is due to the four successive points in time:
  • the running time of the valve needle 5 between the opening of the seat contact switch S1 (can be equated with the start of injection) and the impact on the stop surface of the switch 2 (can be equated with reaching the maximum) can be very precisely
  • the control can typically be used in operating modes with relatively large injection quantities (e.g.> 25 mm 3 ) per injection, while, for example, purely ballistic operation of the valve needle, i.e. a triangular needle stroke curve, in idle or part-load range, cf. the line 14 in FIG. 3 above can be present, the control which is then still possible with one contact point (S1), that is to say with two points in time, being sufficient to disperse the relatively small (1-25 mm 3 ) injection quantities reduce over 50 percent.
  • relatively large injection quantities e.g.> 25 mm 3
  • relatively large injection quantities e.g.> 25 mm 3
  • purely ballistic operation of the valve needle i.e. a triangular needle stroke curve, in idle or part-load range, cf. the line 14 in FIG. 3 above
  • the insulation layer also has an electrically good insulating effect in addition to a very low coefficient of friction, which guarantees good running properties of the moving parts. This makes it possible to isolate all live components except the contact points in a correspondingly good and inexpensive manner against the nozzle body 2 or the injector body 15 or the housing of the injection valve.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein aus Düsenkörper (2) und Ventilnadel (5) gebildeter Doppelschalter, der aus einem Sitzkontaktschalter (S1) und einem Anschlagschalter (S2) besteht, welcher am ventilseitigen Ende der Ventilnadel (5) und einer zugeordneten Anschlagfläche im Düsenkörper (2) gebildet ist. Der parallel zum Sitzkontaktschalter (S1) geschaltete Anschlagschalter (S2) schliesst den vom Sitzkontaktschalter (S1) unterbrochenen Stromkreis, sobald die Ventilnadel (5) an der Anschlagfläche anschlägt und unterbricht ihn wieder, sobald die Ventilnadel (5) von der Anschlagfläche abhebt.

Description

Beschreibung
Einspritzventil mit Sitzkontaktschalter
Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil für Brennkraftmaschinen, mit einem Ventilsitz in einem Düsenkörper aus elektrisch leitendem Material und einer isoliert in diesem Körper geführten leitenden Ventilnadel, deren düsenseitiges Ende dem Ventilsitz zugeordnet ist und die ferner mit dem Ventilsitz einen elektrischen Sitzkontaktschalter bildet, welcher einen über den Düsenkörper und die Ventilnadel geführten Stromkreis unterbricht, wenn die Ventilnadel vom Ventilsitz abhebt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Einspritzsystem mit einem derartigen Einspritzventil.
Ein gattungsgemäßes Einspritzventil ist bereits aus der DE 34 45 721 AI bekannt.
Im Zusammenhang mit den wachsenden Anforderungen an ein gere- geltes Motor-Einspritzsystem wird es zunehmend wichtiger, ein stabiles Regelsystem zur präzisen Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge aufbauen zu können. Der Regelungsbedarf ergibt sich insbesondere auch aus der Notwendigkeit der Kompensation von Einspritzmengenstreuungen, die bei serienmäßig gefertigten Einspritzventilen — verursacht durch relativ große Toleranzfenster — unvermeidlich auftreten. Eine Kompensation dieser Streuungen durch Ausmessen der Betriebspunkte der einzelnen Einspritzdüsen am Ende der Fertigung und anschließende Set-Bildung passender, d. h. in den Betriebspunkten sich ähnelnder Injektoren ist zwar möglich, jedoch sehr aufwändig.
Andererseits setzt eine Kompensation der Streuungen im Serienbetrieb eine ausreichend genaue Erfassung bzw. Ermittlung des Zeitpunktes und der tatsächlichen Menge der einzelnen Einspritzung voraus. Eine derartige Kontrolle kann, beispielsweise in einem Diesel Piezo-Inj ektor mit Diesel- Motorsteuerungssystem, nicht direkt, sondern nur mittelbar durch Erfassung der tatsächlichen Bewegung der Ventilnadel im Einspritzventil und einer darauf aufbauenden Berechnung der Einspritzmenge erfolgen.
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, arbei- ten. Es ist jedoch — auch unter Kostengesichtspunkten — nicht unproblematisch, derartige Sensoren mit relativ hohem Raumbedarf in einen ohnehin eng dimensionierten Injektor, gegebenenfalls in eine Umgebung, in der Kraftstoffdrücke bis zu 2000 bar herrschen, einzubauen. Zum anderen bedingt der Ein- bau eines Nadelhubsensors ein erhöhtes Risiko von Undichtigkeiten. Darüber hinaus kann für die Ansteuerung und die Signalauswertung ein erhöhter Schaltungsaufwand erforderlich werden, der entweder ebenfalls im Injektor untergebracht werden muss, oder zusätzlichen Platz im Steuergerät benötigt.
Seit längerem ist, beispielsweise aus der oben genannten Of- fenlegungsschrift, auch ein Nadelhubsensor mit eingeschränkten Überwachungsmöglichkeiten in Form eines Ventilnadel / Ventilsitz-Kontaktschalters bekannt, dessen zwei Schaltposi- tionen mit den Zeitpunkten des Schließens bzw. Öffnens der Ventilnadel korreliert sind, so dass die tatsächliche Einspritzdauer gemessen werden kann. Die bekannte Schalterfunktion setzt, außer am Kontaktpunkt der Spitze der Ventilnadel mit dem im Düsenkörper ausgebildeten Ventilsitz, eine Isolie- rung zwischen der Ventilnadel und dem Düsenkörper voraus.
Diese Isolierung wird beim bekannten Einspritzventil einerseits durch eine Isolierschicht zwischen der Ventilnadel und einer Führung im Düsenkörper und andererseits durch eine weitere Isolierung realisiert, die oberhalb der oberen (ventil- seifigen) Endfläche der Ventilnadel angeordnet ist, um zu verhindern, dass diese Endfläche am Ende eines Ventilhubs auf eine nicht definierte, die Einspritzdauermessung offenbar störende Weise mit dem Düsenkörper in Kontakt kommt.
Durch Messung des Spannungsabfalls in einem den Kontaktschal- ter enthaltenden Stromkreis des bekannten Einspritzventils ist es demnach möglich, anhand von Anfang und Ende eines Zyklus der Ventilnadelbewegung eine Aussage über die Dauer des Einspritzvorgangs zu gewinnen. Solange jedoch über die Details des Einspritzverlaufs keine weiteren Informationen vor- liegen, kann aus der Einspritzdauer nicht mit vertretbarem
Rechenaufwand, bzw. nicht mit ausreichender Genauigkeit, die tatsächliche Einspritzmenge ermittelt bzw. abgeschätzt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Einspritzventil der eingangs angegebenen Art, insbesondere einen Piezo-Injektor, so weiterzubilden, dass ohne großen Rechenaufwand eine genauere Aussage über die tatsächliche Einspritzmenge möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Einspritzventil gemäß Anspruch 1 gelöst. Weiterhin betrifft die erfindungsgemäße Lösung ein Einspritzsystem gemäß Anspruch 7 mit einem Einspritzventil. Weiterbildungen und bevorzugte Maßnahmen er- geben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist bei einem Einspritzventil der eingangs genannten Art demnach vorgesehen, dass ein aus Düsenkörper und Ventilnadel gebildeter Doppelschalter vorgesehen ist, der aus dem Sitzkontaktschalter und einem Anschlagschalter besteht, welcher am ventilseitigen Ende der Ventilnadel und einer zugeordneten Anschlagfläche im Düsenkörper gebildet ist. Weiter ist vorgesehen, dass der parallel zum Sitzkontaktschalter geschaltete Anschlagschalter den vom Sitzkontakt- Schalter unterbrochenen Stromkreis schließt, sobald die Ventilnadel an der Anschlagfläche anschlägt und wieder unterbricht, sobald die Ventilnadel von der Anschlagfläche abhebt. Gemäß der Erfindung werden demnach nicht mehr wie bisher nur Anfang und Ende der Nadelbewegung erfasst, sondern, wenigstens in den relevanten Betriebszuständen, zusätzlich der Be- ginn und das Ende des Nadelanschlags, also die Zeitpunkte, die mit dem Erreichen und dem Beginn der Verringerung der maximalen Einspritzrate gleichsetzbar sind. Da der weiter unten anhand von Figur 3 in einem Nadelhub-Zeit-Diagramm näher beschriebene Zyklus der Nadelbewegung einen dreieckigen Verlauf für kurze Ansteuerdauern und einen trapezförmigen Verlauf für lange Ansteuerdauern beschreibt, kann mit der Kenntnis der gemäß der Erfindung maximal erfassbaren vier Zeitpunkte pro Nadelzyklus die Nadelbewegung relativ gut rekonstruiert werden. Da auch Raildruck (durch einen Hochdrucksensor) und die Durchflussmenge der Düse (aus den Fertigungsdaten) bekannt sind, können aus den reproduzierbar und dokumentierbar detek- tierten Zeitsignalen der Einspritzverlauf und die Einspritzmenge berechnet werden. Dadurch kann für den Serienbetrieb ein stabiles Regelsystem zur Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge aufgebaut werden.
Zur mechanischen und elektrischen Realisierung ist es gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, den Stromkreis über eine isoliert im Düsenkörper angeordnete Düsenhal- tefeder zu führen, welche die Ventilnadel gegen den Ventilsitz drückt, wobei sich die Düsenhaltefeder ventilseitig an einer Einstellscheibe, die mit einem weiterführenden Anschlusskontakt elektrisch verbunden ist, und düsenseitig an einem leitenden Hubeinstellbolzen abstützt, der gegen die Ventilnadel gedrückt ist. Gleichzeitig sollte die Einstellscheibe und der Hubeinstellbolzen mindestens an einem Teil der nicht zur Kontaktgabe dienenden Flächen eine isolierende, abriebfeste und die Bewegung der Teile nicht durch Reibung hemmende isolierende Beschichtung wie z. B. eine Isolations- Schicht aufweisen. Innerhalb bestehender konstruktiver Aufbauten von Injektoren kann der Anschlagschalter günstigerweise dadurch integriert werden, dass der Düsenkörper oberhalb des ventilseitigen Endes der Ventilnadel als Zwischenscheibe ausgebildet ist, und dass am ventilseitigen Ende der Ventilnadel eine axiale Ringschulter ausgebildet ist, der eine an der Unterseite der Zwischenscheibe ausgebildete Gegenschulter als Anschlagfläche zugeordnet ist.
Im Hinblick auf die Vermeidung von Korrosion ist es günstig, wenn als Betriebsspannung UB eine Wechselspannung oder eine pulsierende Gleichspannung angelegt wird, um den jeweils vorliegenden Schaltzustand des Doppelschalters durch Messung des Spannungsabfalls im Stromkreis zu ermitteln. Dabei ist es bei elektrisch angesteuerten Ventilen von besonderem Vorteil, wenn die Aktivierung des Mess-Stromkreises periodisch erfolgt und jeweils zeitgleich mit der periodischen Bestromung des e- lektrischen Antriebs beginnt. Der volle Informationsgehalt der auf vier Zeitpunkte gestützten Erfassung der Nadelbewe- gung kann dabei dadurch gesichert werden, dass die Aktivierung des Mess-Stromkreises mit einer Verzögerung gegenüber dem Ende der Bestromung des elektrischen Antriebs jeweils erst nach Rückkehr der Ventilnadel zum Ventilsitz endet und mit Beginn der nächsten Bestromung des elektrischen Antriebs wieder beginnt.
Das erfindungsgemäße Einspritzsystem umfasst ein Einspritzventil der oben beschriebenen Art. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Einspritzventil als ein mit einem zentralen Druck- Speicher für den Kraftstoff verbundener Piezo-Injektor ausgebildet ist, dessen elektrische Ansteuerung mittels eines Steuergerätes erfolgt, wobei das Steuergerät, mindestens in einzelnen Phasen bestimmter Betriebszustände der Brennkraftmaschine, die durch die Schalt zustände des Doppelschalters definierten vier Zeitpunkte des Beginns, des Erreichens und anschließenden Verlassens des Maximums und des Endes einer einzelnen Einspritzung anhand der Messung des Spannungsab- falls im Mess-Stromkreis ermittelt und daraus eine für eine Einspritzratenregelung relevante Ist-Einspritzmenge errechnet .
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 ein elektrisches Ersatzschaltbild,
Figur 3 ein Diagramm des Nadelhubs und ein Diagramm des zugehörigen Spannungsabfalls im Mess-Stromkreis, jeweils in Abhängigkeit von der Zeit.
Figur 1 zeigt im Längsschnitt beispielhalber ein piezoelekt- risch 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 Injektors.
Der untere Teil des Einspritzventils ist hauptsächlich aus e- lektrisch leitenden Materialien hergestellt und bezüglich der Ventilachse 1 rotationssymmetrisch ausgebildet. Er weist einen Düsenkörper 2 auf, an dessen Düsenöffnung 3 ein Ventilsitz 4 ausgebildet ist, auf welchem eine Ventilnadel 5 sitzt, die zusammen mit dem Ventilsitz 4 einen bei geschlossenem Ventil geschlossenen und bei geöffnetem Ventil offenen Sitz- kontaktschalter Sl bildet. Die Ventilnadel 5 ist in ihrem oberen, im Querschnitt vergrößerten Abschnitt eng im Düsenkörper 2 geführt, wobei in an sich bekannter Weise eine Isolierschicht 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 Hochdruckkammer 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 Isolierung zum Düsenkörper 2 gegeben.
Die obere Endfläche der Ventilnadel 5 grenzt an eine Zwi- schenscheibe 6, die bei dieser Ausführungsform einen düsen- seitigen Hochdruckbereich des Kraftstoff-Einspritzventils von einem ventilseitigen Niederdruckbereich trennt und die mit den darüber und darunter angeordneten weiteren Bereichen des Düsenkörpers 2 elektrisch leitend verbunden ist. Oberhalb der Zwischenscheibe 6 ist im Injektorkörper 15 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 Hubeinstellbolzens 9 ab, der durch eine Bohrung 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 15 isoliert angeordneten Einstellscheibe 10 ab, die durch eine nach außen führende Bohrung mit einem gegenüber dem Injektorkörper 15 isolierten Anschlusskontakt 11 elektrisch verbunden ist.
Axial durch die Düsenhaltefeder 8 hindurch ist ein Steuerkolben 12 geführt, der mit einem Ende auf die Oberseite des Hub- einstellbolzens 9 drückt und mit dem gegenüberliegenden Ende in den oberen Teil des Injektorkörpers 15 hineinreicht. Die in den mechanisch-hydraulischen Aspekten an sich bekannte Funktionsweise dieser Konstruktion beruht darauf, dass, solange 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 angeordneten 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 Servoventil öffnet. Grundsätzlich sind erfindungsgemäß jedoch auch andere Ausführungen möglich, bei denen der Injektor oder ein Magnetventil beim Schließen 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 Hubeinstellbolzen 9 vor- gesehenen 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. Im dargestellten Zustand liegt die Ringschulter an der Gegenschulter an: der Anschlagschalter S2 ist geschlossen, der Sitzkontaktschalter Sl und das Ventil sind geöffnet.
Die Düsennadel 5 und der Düsenkörper 2 (Gehäuse) des beschriebenen Einspritzventils bilden einen Doppelschalter, der wie folgt wirkt:
Schalter Sl setzt sich zusammen aus der Spitze der Ventilnadel 5 und dem Ventilsitz 4, Schalter S2 aus dem ventilseitigen Ende der Ventilnadel 5 und der zugeordneten Anschlagflä- ehe an der Unterseite der Zwischenscheibe 6. Schalter 1 ist geschlossen (Sl=l) bei nicht angesteuertem Injektor und offen (S1=0) bei angesteuertem Injektor. Schalter 2 ist in seiner Funktion invers zu Schalter 1, wobei nach dem Umschalten von Sl bis zum Schließen von S2, sowie nach dem Öffnen von S2 bis zum Schließen von Sl, eine zeitliche Verzögerung auftritt, die jeweils exakt der Nadelbewegungsdauer entspricht. Dies bedeutet, dass im elektrischen Signal zwischen dem Zeitpunkt T(S1 öffnen) und dem Zeitpunkt T(S2 schließen) beide Schalter geöffnet sind (S1=S2=0) .
Bei kurzer Ansteuerdauer, d. h. wenn der Schließvorgang be- reits vor Auftreffen der Ventilnadel 5 auf der Zwischenscheibe 6 eingeleitet wird, befindet sich die Ventilnadel 5 im rein ballistischen Betrieb und S2 kann nicht schließen (S2=0) .
Um ein elektrisches Signal zu erhalten, das die Zeiten anzeigt, bei denen die Schalter 1 und 2 geöffnet und geschlossen werden, wird der Düsenkörper 2 auf Masse-Potential gelegt und der Anschlusskontakt 11 wird über einen Messwiderstand mit einer Spannungsquelle UB verbunden. Bei dieser in Figur 2 dargestellten Schaltungsanordnung ist ein hoher Spannungsabfall an dem Messwiderstand RmeSs messbar, wenn Sl oder wenn S2 geschlossen sind, wenn die Ventilnadel 5 also entweder auf dem Ventilsitz 4 aufsitzt oder an der Zwischenscheibe 6 anschlägt und so jeweils den Stromfluss ermöglicht. Die Span- nung wird der Einstellscheibe 10 der Düsenhaltefeder 8 zugeführt und über die Düsenhaltefeder 8 zur Ventilnadel 5 weitergeleitet. Dabei ist zu beachten, dass alle stromführenden Teile außer den Kontaktstellen ausreichend gut gegenüber dem Düsenkörper 2 isoliert sind. Dies wird durch eine Isolations- Schicht gewährleistet, die neben einer hohen Abriebfestigkeit auch einen niedrigen elektrischen Leitwert besitzt und sich daher auch als Isolationsschicht hervorragend eignet. Diese uss insbesondere an den Stellen der Einstellscheibe 10 und des Hubeinstellbolzens 9 vorgesehen werden und der Ventilna- del 5 an der Stelle an der eine Engführung zum Düsenkörper 2 hin besteht. Das in Figur 2 dargestellte elektrische Ersatzschaltbild macht ferner die Widerstandsverhältnisse im Injektor deutlich und zeigt den einfachen Aufbau des Messkreises mit der Spannungsquelle UB, den parallel geschalteten Schaltern 1 und 2 und dem in Reihe zu Sl und S2 geschalteten Widerstand RMess- Sl bezeichnet den Sitzkontaktschalter und S2 den Anschlagschalter. Ri und R2 sind die dazugehörigen Übergangswiderstände. Rj.So bezeichnet den Isolationswiderstand der Isolationsschicht und RFG den Übergangswiderstand zwischen der Führung der Ventilnadel 5 und dem Düsenkörper 2. Dabei gilt Ri « R2 « (Riso + RFG) • ÜB versorgt diese Anordnung mit Spannung, RMeSs ist der Messwiderstand, dessen durch den Stromfluss erzeugten Spannungsabfall UMess zur Auswertung herangezogen wird.
Zur Vermeidung von Korrosion der an Sl und S2 offenliegenden Kontaktflächen wird die Betriebsspannung UB als Wechselspannung oder pulsierende Gleichspannung ausgelegt. In beiden Fällen wird die Schaltung zeitgleich mit oder auch kurz vor der Bestromung des Piezo-Aktors in Betrieb gesetzt, um zum einen den für eine dauerhafte Bestromung erforderlichen Energiebedarf zu senken und zum anderen die Gefahr der Korrosion durch Kontaktabbrand und/oder galvanische Prozesse herabzusetzen. Um den vollen Informationsgehalt der Schalteranordnung zu erhalten ist es nötig, das Bestromungsende der Schal- tung nach dem Zeitpunkt des wiederholten Schließens von Sl zu setzen. Um den richtigen Zeitpunkt zum Abschalten der Schaltung zu wählen, ist dabei zu beachten, dass zwischen Entladungsende des Piezo-Aktors und dem Bewegungsbeginn der Ventilnadel 5 wegen des Druckaufbaus in der Steuerkammer zusätz- lieh zur Laufzeit der Ventilnadel 5 im Schließvorgang eine weitere Verzögerung auftritt. Dementsprechend kann ein ausreichend großes zeitliches Messfenster abgeschätzt werden, in dem die beiden Zeitpunkte T(S1 öffnet) und T(S2 wieder geschlossen) mit Sicherheit enthalten sind.
Figur 3 zeigt im oberen Diagramm beispielhalber einen (im mittleren Abschnitt) trapezförmigen Nadelhub-Verlauf mit ei- ner ersten Sitzkontakt-Phase (Sl=l, S2=0) , einer anschließenden ersten Nadel-Freiflug-Phase (Sl=0, S2=0), einer darauf folgenden Nadelanschlag-Phase (S1=0, S2=l) und einer anschließenden zweiten Nadel-Freiflug-Phase (S1=0, S2=0) . Der Gesamthub kann beispielsweise 0,25 mm betragen und eine Nadel-Freiflug-Phase dauert, abhängig vom Systemdruck, etwa 350 μs.
Durch die Einführung eines — durch den Anschlagschalter rea- lisierten — zweiten Kontaktpunktes kann der Informationsgehalt des als Doppelschalter ausgelegten Kontaktschalters stark erhöht und dabei der Rechenaufwand im Steuergerät (ECU) zur Ermittlung des Einspritzverlaufs und der Einspritzmenge stark verringert werden. Der durch einen trapezförmigen Ver- lauf wie im oberen Diagramm in Figur 3 modellmäßig angenähert erfasste Einspritzverlauf, der der weiteren Auswertung zugrunde gelegt wird, ist durch die vier aufeinander folgenden Zeitpunkte:
- Ti: Abheben der Ventilnadel aus dem Ventilsitz,
- T2: Auftreffen der Ventilnadel auf der Anschlagfläche,
- T3: Abheben der Ventilnadel von der Anschlagfläche,
- T : Auftreffen der Ventilnadel im Ventilsitz,
definiert. Diese Zeitpunkte werden mit Hilfe der in Figur 2 gezeigten Messschaltung im Serienbetrieb mittels des im unteren Diagramm in Figur 3 dargestellten elektrischen Signals, das mit den vier Zeitpunkten Ti bis T4 genau korrespondiert, erfasst .
Durch die zeitliche Auswertung des zweiten Kontaktpunktes lässt sich sehr genau die Laufzeit der Ventilnadel 5 zwischen dem Öffnen des Sitzkontaktschalters Sl (gleichsetzbar mit Einspritzbeginn) und dem Auftreffen auf der Anschlagfläche des Schalters 2 (gleichsetzbar mit Erreichen der maximalen
Einspritzrate) ermitteln. Weiterhin kann auch der umgekehrte Vorgang (S2 Öffnen, Sl Schließen) genauestens betrachtet wer- den. Mit diesem Informationsgehalt kann eine Regelung eingeführt werden, die aus den gemessenen Werten über wenige Rechenschritte auf die tatsächliche Einspritzmenge schließt, diese mit den nach Betriebsart vordefinierten Sollwerten ver- gleicht und über eine Auswertung der Differenzen die Ansteuerparameter entsprechend anpasst. Im wesentlichen wird dabei in der ECU zunächst das Zeitintegral über die vom Nadelhub abhängige Einspritzrate gebildet, um die tatsächliche Einspritzmenge zu erhalten. Dies gelingt in guter Näherung, auch wenn während der Freiflug-Phasen der Nadel deren Position nicht kontinuierlich verfolgt, sondern, vgl. das obere Diagramm in Figur 3, für die Berechnung ein idealisierter linearer Verlauf unterstellt wird. Die Regelung kann typischerweise in Betriebsarten mit relativ großen Einspritzmengen (z. B. > 25 mm3) pro Einspritzung zum Zuge kommen, während beispielsweise im Leerlauf oder Teillastbereich ein rein ballistischer Betrieb der Ventilnadel, also ein dreieckiger Nadelhub-Verlauf, vgl. die Linie 14 in Figur 3 oben, vorliegen kann, wobei die dann noch mögliche Regelung mit einem Kon- taktpunkt (Sl) , also mit zwei Zeitpunkten, bereits ausreichend ist, um die Streuung der relativ kleinen (1-25 mm3) Einspritzmengen um über 50 Prozent zu reduzieren.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass die Isolationsschicht au- ßer einem sehr niedrigen Reibbeiwert, der eine gute Laufeigenschaft der bewegten Teile garantiert, auch eine elektrisch gut isolierende Wirkung aufweist. Dadurch ist es möglich, alle spannungsführenden Komponenten außer den Kontaktstellen entsprechend gut und preisgünstig gegen den Düsenkörper 2 o- der Injektorkörper 15 bzw. das Gehäuse des Einspritzventils zu isolieren.

Claims

Patentansprüche
1. Einspritzventil für Brennkraftmaschinen, mit einem Ventilsitz (4) in einem Düsenkörper (2) aus elektrisch leitendem Material und einer isoliert in diesem Körper (2) geführten leitenden Ventilnadel (5) , deren düsenseitiges Ende dem Ventilsitz (4) zugeordnet ist und die ferner mit dem Ventilsitz (4) einen elektrischen Sitzkontaktschalter (Sl) bildet, welcher einen über den Düsenkörper (2) und die Ventilnadel (5) geführten Stromkreis unterbricht, wenn die Ventilnadel (5) vom Ventilsitz (4) abhebt, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus Düsenkörper (2) und Ventilnadel (5) gebildeter Doppelschalter vorgesehen ist, der aus dem Sitzkontaktschal- ter (Sl) und einem Anschlagschalter (S2) besteht, welcher am ventilseitigen Ende der Ventilnadel (5) und einer zugeordneten Anschlagfläche im Düsenkörper (2) gebildet ist, und dass der parallel zum Sitzkontaktschalter (Sl) angeordnete Anschlagschalter (S2) den vom Sitzkontaktschalter (Sl) unter- brochenen Stromkreis schließt, sobald die Ventilnadel (5) an der Anschlagfläche anschlägt und wieder unterbricht, sobald die Ventilnadel (5) von der Anschlagfläche abhebt.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkreis über eine isoliert im Düsenkörper (2) angeordnete Düsenhaltefeder (8) führt, welche die Ventilnadel (5) gegen den Ventilsitz (4) drückt, wobei sich die Düsenhaltefeder (8) ventilseitig an einer Einstellscheibe (10), die mit einem weiterführenden An- schlusskontakt (11) elektrisch verbunden ist, und düsenseitig an einem leitenden Hubeinstellbolzen (9) abstützt, der gegen die Ventilnadel (5) gedrückt ist, und dass die Einstellscheibe (10) und der Hubeinstellbolzen (9) mindestens an einem Teil der nicht zur Kontaktgabe dienenden Flächen eine Isola- tionsschicht aufweisen.
3. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (2) oberhalb des ventilseitigen Endes der Ventilnadel (5) als Zwischenscheibe (6) ausgebildet ist, und dass am ventilseitigen Ende der Ventilnadel (5) eine axiale Ringschulter ausgebildet ist, der eine an der Unterseite der Zwischenscheibe (6) ausgebildete Gegenschulter als Anschlagfläche zugeordnet ist.
4. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils vorliegende Schalt- zustand des Doppelschalters (Sl, S2) durch Messung des Spannungsabfalls im Stromkreis ermittelbar ist, wobei als Betriebsspannung UB eine Wechselspannung oder eine pulsierende Gleichspannung angelegt ist.
5. Einspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (5) elektrisch angetrieben ist, und dass die Bestromung des Mess- Stromkreises periodisch erfolgt und jeweils zeitgleich mit der periodischen Bestromung des elektrischen Antriebs be- ginnt.
6. Einspritzventil nach Anspruch auf 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung des Mess- Stromkreises mit einer Verzögerung gegenüber dem Ende der Bestromung des elektrischen Antriebs jeweils erst nach Rückkehr der Ventilnadel (5) zum Ventilsitz (4) endet und mit Beginn der nächsten Bestromung des elektrischen Antriebs wieder beginnt .
7. Einspritzsystem mit einem Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzventil als ein mit einem zentralen Druckspeicher für den Kraftstoff verbundener Piezo-Injektor ausgebildet ist, dessen elektrische Ansteue- rung mittels eines Steuergerätes (ECU) erfolgt, wobei das Steuergerät, mindestens in einzelnen Phasen bestimmter Be- triebszustände der Brennkraftmaschine, die durch die Schalt- zustände des Doppelschalters (Sl, S2) definierten vier Zeitpunkte des Beginns, des Erreichens und anschließenden Verlas- sens des Maximums und des Endes einer einzelnen Einspritzung anhand der Messung des Spannungsabfalls im Mess-Stromkreis ermittelt und daraus eine für eine Einspritzratenregelung relevante Ist-Einspritzmenge errechnet.
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