WO2017153064A1 - Kraftstoffeinspritzventil - Google Patents

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WO2017153064A1
WO2017153064A1 PCT/EP2017/050323 EP2017050323W WO2017153064A1 WO 2017153064 A1 WO2017153064 A1 WO 2017153064A1 EP 2017050323 W EP2017050323 W EP 2017050323W WO 2017153064 A1 WO2017153064 A1 WO 2017153064A1
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WO
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nozzle needle
nozzle
nozzle body
fuel injection
injection valve
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/050323
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English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Leukert
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • F02M65/005—Measuring or detecting injection-valve lift, e.g. to determine injection timing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M57/005—Fuel-injectors combined or associated with other devices the devices being sensors
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/90—Selection of particular materials
    • F02M2200/9038—Coatings

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection valve, as it is preferably used for the injection of fuel directly into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the fuel injection nozzle has a nozzle body, in which a pressurable space which can be filled with high pressure fuel is formed.
  • a nozzle needle is arranged, which cooperates with a nozzle body seat for opening and locking at least one injection opening.
  • a sealing seat is formed by the contact of the nozzle needle with the nozzle body seat to interrupt the fuel flow through an injection port into a combustion chamber of an internal combustion engine when needed.
  • the nozzle needle has a guide section, with which it is guided in a guide region of the pressure chamber in the radial direction.
  • DLC diamond like carbon
  • This impact stress is superimposed in addition, however, due to the high pressure located in the nozzle body and the associated possible slight deformation with a sliding stress.
  • High mechanical loads of the nozzle needle are the consequence, which not only the func- Affect onweise of the fuel injection valve, but can shorten the life of the nozzle needle.
  • the movement of the nozzle needle is controlled in the known fuel injectors by an electric actuator, for example a piezo actuator or an electromagnet.
  • the electric actuator thus also controls the timing and duration of the fuel injection.
  • the electrical actuator is usually controlled by a control unit, which can take into account various input signals via sensors and determines from these the optimum time for the fuel injection.
  • the actual position and thus the movement of the nozzle needle is not detected by the control unit.
  • a precise determination of the actual position of the nozzle needle is advantageous, since a time delay occurs both during the opening process and during the closing operation between the electrical signal of the electric actuator and the actual movement of the nozzle needle.
  • the determination of the time at which the nozzle needle is seated on the nozzle body seat can be determined via an electrical signal which is generated via an electrical contact between the nozzle body seat and the nozzle needle.
  • the nozzle body is provided with an electrical contact and a voltage is applied between the electrical contacts. Upon contact of the nozzle needle with the nozzle body seat, hence the nozzle body, an electrical circuit is closed.
  • the findings described above are used and further developed to allow precise determination of the current needle position at any one time.
  • the nozzle body and the nozzle needle are contactable and the nozzle needle has a guide region with an electrical contact resistance between the nozzle body and the nozzle needle, wherein the electrical contact resistance is dependent on the stroke of the nozzle needle.
  • This continuous dependency enables a precise indication of the needle position and thus allows a precise control of an electric actuator for optimum injection in the desired operating state.
  • the nozzle body and / or the nozzle needle has an insulation layer in the guide region and forms an electrical contact resistance between the nozzle body and the nozzle needle in the guide region. It may be provided that the insulation layer as
  • the layer height of the insulating layer on the nozzle body and / or the nozzle needle is variable in the longitudinal direction.
  • the layer height of the insulating layer on the nozzle body and / or the nozzle needle decreases in the stroke direction of the nozzle needle.
  • the insulating layer on the nozzle body may have conductive liquid and / or solid state inclusions. The number of these so-called conductive droplets increase in the stroke direction of the nozzle needle.
  • Nozzle body and the nozzle needle depending on the needle stroke which at a suitable layer height leads to a clear relationship between the contact resistance and the needle stroke, so that the contact resistance is a measure of the needle position.
  • the nozzle body has at least one further guide region for the nozzle needle, which is electrically insulated.
  • the one guide region has a variable layer height of the insulation layer, which forms a variable electrical contact resistance between the nozzle body and the nozzle needle, whereas the or the other guide region is practically completely electrically insulated and thus forms an electrical contact resistance between the nozzle body and the nozzle needle , which is much larger than the electrical contact resistance in the guide region with the variable layer height of the insulating layer in order to avoid an overlap of the resulting signals.
  • the nozzle needle in the region of the sealing surface on a coating which is formed as a DLC layer.
  • the nozzle needle when sitting on the nozzle body seat and thus in its closed position, an electrical contact between the Nozzle body and the nozzle needle ago.
  • the fuel injection valve is advantageously associated with a device, via which an electrical voltage between the nozzle body and the nozzle needle can be applied.
  • the device is designed as a control device and preferably further comprises an upstream resistor. This allows tapping electrical signals to this resistor due to which the electrical resistance between the nozzle needle and the nozzle body can be determined.
  • an electrical voltage is applied between the nozzle body and the nozzle needle and the electrical voltage dropping at the upstream electrical resistance is measured. From this electrical voltage, the position of the nozzle needle and / or its speed can be determined in an advantageous manner.
  • FIG. 4b shows the section A of FIG. 1 in a cutaway view
  • an inventive fuel injection valve is shown in longitudinal section.
  • the fuel injection valve has an injector housing 1 and a nozzle body 2, in which a high-pressure chamber 3 is formed, which can be filled with high-pressure fuel.
  • a longitudinally displaceable nozzle needle 4 is arranged in this high-pressure chamber 3 and has at least one guide section 7 ', 7 ", with which it is guided in a guide region 8 of the high-pressure chamber 3.
  • the nozzle needle 4 has a largely on its end facing a combustion chamber a conical sealing surface 9, which cooperates with a nozzle body seat 12, which is formed at the combustion chamber end of the high-pressure chamber 3.
  • the combustion chamber facing the end of the high-pressure chamber 3 is formed as a blind hole 10, from which at least one injection opening 11 goes out, which in the installed position of the The sealing surface 9 of the nozzle needle 4 and the nozzle body 12 in interaction control a flow of fuel from the high-pressure chamber 3 via the blind hole 10 in the direction of the at least one injection opening 11.
  • the nozzle needle 4 rests against the nozzle body seat 12
  • the means in the closed position of the nozzle needle 4 the at least one injection opening 11 is closed and thus blocks a flow of fuel from the high-pressure chamber in the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the combustion chamber facing away from the end of the nozzle needle 4 is received in a sleeve member 29, wherein this sleeve member 29 rests against a formed in the injector 1 throttle plate 30.
  • a return spring 5 is arranged in the high-pressure chamber 3, which is supported on the one hand on a shoulder 28 formed on the nozzle needle 4 and on the other hand on the sleeve element 29.
  • This return spring 5 presses the nozzle needle 4 under application of force into the nozzle body seat 12 and thus blocks the at least one injection opening 11.
  • an actuation element for example a piezoactuator
  • Control valve 27 is actuated, whereby a pressure reduction is generated in the high-pressure chamber, resulting in that the nozzle needle 4 lifts in the longitudinal direction of the nozzle body seat 12 and so a fuel flow from the high-pressure chamber 3 via the at least one injection opening 11 outwardly into the combustion chamber allows light.
  • fuel injection valves 3 is a pressure in the high-pressure chamber of more than 2000 bar possible. This ensures that the fuel is finely atomized on leaving the at least one injection opening 11, so that it is prepared for combustion in a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the nozzle needle 4 is provided with a first electrical contact 15, via which the nozzle needle 4 is connected to a voltage source, a control unit 16 upstream electrical resistance R2 and the control unit 16 itself.
  • a second electrical contact 25 connects the control unit 16 with the nozzle body 2.
  • the nozzle needle 4 is mounted in the nozzle body 2 so that when lifting the nozzle needle 4 from the nozzle body seat 12, the electrical contact between the nozzle needle 4 and the nozzle body.
  • FIG. 2 shows in an equivalent circuit diagram all the relevant resistances as well as the control unit and the voltage source. This electrical
  • the applied constant electrical voltage Uo is composed essentially of the voltage U2 dropping at the upstream electrical resistor R2 and the falling voltage ( ⁇ 3 at the electrical resistors Ri and R3 connected in parallel.)
  • the voltage L / 13 can be determined according to the known ohmic Law with a total electric current k can be calculated as follows:
  • the guide region 8 of the nozzle needle 4 and / or the guide section 7 "of the nozzle body 2 is coated with a so-called DLC layer (diamond-like carbon) .
  • This layer consists mainly of carbon which, due to its highly crosslinked structure, is particularly strong and wear-resistant Figure 4a shows such a coating 19, 20 in a ver representativeten representation of the designated B, C section of Figure 1.
  • R3 variable contact resistance
  • the thickness of the layer decreases in the stroke direction h in order to allow a decrease of the contact resistance R3 depending on the needle stroke .Exaggerated layer thicknesses have been shown for the sake of clarity in Figure 4.
  • Variations in the layer thickness are due to layer thicknesses which are typically less than 5 ⁇ , preferably 1 to 2 ⁇ , technically very challenging. Therefore, alternative concepts are conceivable, such as the Verwen tion of a sleeve.
  • an additional component in the form of a sleeve between the nozzle needle 4 and the nozzle body 2 is arranged, for example by an adhesive process.
  • liquid and / or solid state inclusions are present in the insulation layer 19, 20.
  • These so-called droplets 31 are conductive and are therefore suitable for varying the conductivity of the insulation layer 19, 20 by varying the density of the droplets 31. If the density of the droplets 31 in the stroke direction h of the nozzle needle 4 is increased, the contact resistance R3 also decreases depending on the needle stroke.
  • the guide section 7 ' which was virtually completely insulated in the above embodiment, may also comprise an insulating layer 19, 20 with a variable layer height or an insulating layer 19, 20 with liquid and / or solid state inclusions.
  • the guide section 7 "is then virtually completely insulated and thus forms a very high electrical resistance. Resistance between the nozzle body 2 and the nozzle needle 4, in order to avoid a possible superposition of this electrical resistance with that on the guide portion 7 '. Otherwise, this would impair the determination of the current position of the nozzle needle 4.
  • the sealing surface 7 of the nozzle needle 4 is also coated with a DLC layer 18 (see FIG. so that in the region of the nozzle body seat 12 no electrical contact between the nozzle body
  • the contact resistance fii would be correspondingly high.
  • the DLC layer changes its physical properties in such a way that the resistance drops by several orders of magnitude and thus becomes practically electrically conductive.
  • the contact resistance fii decreases so much that an electrical contact between the nozzle needle 4 and the nozzle body 2 is made possible and a clearly measurable electric current flows between the nozzle needle 4 and the nozzle body 2.
  • This resistance change in fii provides a clear electrical signal, so that the time at which the nozzle needle 4 is seated on the nozzle body seat 12, can be measured accurately.
  • the voltage L / 2 is determined, which drops at one of the device, for example, a control unit, upstream resistor R2.
  • the already described course of L / 2 as a function of the time t is in this embodiment linear to the nozzle needle stroke h (see FIG. 3).
  • the actual speed of the nozzle needle 4 can also be determined using suitable mathematical methods. This concrete inference to the actual position of the nozzle needle 4 makes it possible to correct the time and the duration of the injection in order to optimize the combustion.
  • the nozzle needle 4 except in the region of the nozzle body seat 12 against the nozzle body 2 must be electrically isolated, especially in the region of the guide portion However, this is ensured in the closed position of the nozzle needle 4, that is to say when the nozzle needle 4 rests on the nozzle body seat 12, because due to the DLC layer this area is electrically insulated because of a corresponding mechanical pressure load insulated insulating layer 17 against the injector 1 and the nozzle body 2 to prevent a short circuit between the nozzle body 2 and the nozzle needle 4.
  • the nozzle body 2 is grounded and is thus connected to a ground terminal 26.
  • the voltage U is then measured between the nozzle needle 4 and the mass.

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Abstract

Kraftstoffeinspritzventil mit einem Injektorgehäuse (1) und einem Düsenkörper (2), welcher einen Hochdruckraum (3) ausbildet, welcher mit unter Hochdruck stehenden Kraftstoff befüllbar ist. In diesem Hochdruckraum (3) ist eine hubbeweglich ausgebildete Düsennadel (4) angeordnet, die mit einer Dichtfläche (9) mit einem Düsenkörpersitz (12) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (11) zusammenwirkt. Dabei weist die Düsennadel (4) einen Führungsabschnitt (7") auf, mit welchem sie in einem Führungsbereich (8) des Hochdruckraums (3) in radialer Richtung geführt ist, und dabei im Führungsbereich (8) einen elektrischen Übergangswiderstand (R 3 ) zwischen dem Düsenkörper (2) und der Düsennadel (4) ausbildet. Der Düsenkörper (2) und die Düsennadel (4) sind elektrisch kontaktierbar, so dass zwischen dem Düsenkörper (2) und der Düsennadel (4) eine elektrische Spannung (U) angelegt werden kann. Der elektrische Übergangswiderstand (R 3 ) ist vom Hub der Düsennadel (4) abhängig.

Description

Beschreibung Kraftstoffeinspritzventil
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil, wie es vorzugsweise zur Einspritzung von Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwendung findet.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist zum Beispiel aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 102015225733 AI ein Kraftstoffeinspritzventil zur Einspritzung von flüssigem und unter Hochdruck stehendem Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt. Dabei weist die Kraftstoffeinspritzdüse einen Düsenkörper auf, in welchem ein mit unter Hochdruck stehenden Kraftstoff befüllbarer Druckraum ausgebildet ist. In dem Druckraum ist eine Düsennadel angeordnet, welche mit einem Düsenkörpersitz zum Öffnen und Sperren wenigstens einer Einspritzöffnung zusammenwirkt. Dabei wird durch die Berührung der Düsennadel mit dem Düsenkörpersitz ein Dichtsitz gebildet, um bei Bedarf den Kraftstofffluss durch eine Einspritzöffnung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine zu unterbrechen. Die Düsennadel weist einen Führungsabschnitt auf, mit welchem sie in einem Führungsbereich des Druckraums in radialer Richtung geführt ist. Außerdem weist die Düsennadel im Bereich der Dichtfläche eine sogenannte DLC-Schicht (DLC=diamond like carbon) auf, da es besonders im Bereich der Dichtfläche durch das kontinuierliche Öffnen und Sperren der wenigstens einen Einspritzöffnung zu einem erhöhten Verschleiß kommen kann. Diese Schlagbeanspruchung überlagert sich zusätzlich jedoch aufgrund des im Düsenkörper befindlichen hohen Drucks und der damit verbundenen möglichen leichten Verformung mit einer Gleitbeanspruchung. Hohe mechanische Belastungen der Düsennadel sind die Folge, welche nicht nur die Funkti- onsweise des Kraftstoffeinspritzventils beeinträchtigen, sondern auch die Lebensdauer der Düsennadel verkürzen kann. Durch den Einsatz einer DLC- Schicht kann der Verschleiß im Bereich des Dichtsitzes effektiv vermindert werden.
Die Bewegung der Düsennadel wird bei den bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen durch einen elektrischen Aktor gesteuert, zum Beispiel einen Piezo-Aktor oder einen Elektromagneten. Der elektrische Aktor steuert damit auch Zeitpunkt und Dauer der Kraftstoffeinspritzung. Zur Steigerung der Effizienz des gesamten Kraftstoffeinspritzsystems ist es entscheidend, Zeitpunkt und Dauer der Einspritzung genau zu steuern und mit dem gewünschten Betriebszustand in Einklang zu bringen. Der elektrische Aktor wird für gewöhnlich über ein Steuergerät gesteuert, welches über Sensoren verschiedene Eingangssignale berücksichtigen kann und aus diesen den optimalen Zeitpunkt für die Kraftstoffeinspritzung ermittelt.
Die tatsächliche Position und damit die Bewegung der Düsennadel wird jedoch nicht über das Steuergerät erfasst. Eine präzise Bestimmung der tatsächlichen Position der Düsennadel ist jedoch von Vorteil, da sowohl beim Öffnungsvorgang als auch beim Schließvorgang zwischen dem elektrischen Signal des elektrischen Aktors und der tatsächlichen Bewegung der Düsennadel eine zeitliche Verzögerung auftritt. Die Bestimmung des Zeitpunktes, zu dem die Düsennadel auf dem Düsenkörpersitz aufsitzt, kann über ein elektrisches Signal bestimmt werden, welches über einen elektrischen Kontakt zwischen dem Düsenkörpersitz und der Düsennadel erzeugt wird. Dabei wird neben der Düsennadel auch der Düsenkörper mit einem elektrischen Kontakt versehen und zwischen den elektrischen Kontakten eine Spannung angelegt. Bei Berührung der Düsennadel mit dem Düsenkörpersitz, folglich dem Düsenkörper, wird ein elektrischer Stromkreis geschlossen. Beim Abheben der Düsennadel von dem Düsenkörpersitz wird der Stromkreis unterbrochen. Dies setzt jedoch voraus, dass jede weitere elektrische Verbindung zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel ausgeschlossen ist. Aus der DE 102015225733 AI ist bereits bekannt, dass ein mit DLC-Schicht beschichteter Düsenkörpersitz als elektrischer Isolator wirkt, so dass zur Bestimmung der Nadelposition diese Technik nicht angewandt werden kann. Die elektrischen Eigenschaften der DLC-Schicht ändern sich jedoch unter starkem Druck. Der von einem Steuerraum ausgeübte Druck auf eine Düsennadel, welche in einen Düsenkörpersitz gedrückt wird, reicht aus, um die DLC-Schicht elektrisch leitend zu machen. Der elektrische Widerstand zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel kann somit als Indikator für das Aufsetzen der Düsennadel auf den Düsenkörpersitz verwendet werden.
Somit kann jedoch lediglich bestimmt werden, ob die Düsennadel auf dem Düsensitz aufsitzt oder nicht. Aufgrund immer höher werdender Anforderungen an das Einspritzsystem, beispielsweise Emissionswerte sowie Lebensdauerein- flüsse oder Korrekturen in der Einspritzmenge mittels Softwarefunktionen, ist es von Vorteil möglichst viele Informationen über die aktuelle Position der Düsennadel zu kennen, idealerweise die aktuelle Position der Düsennadel.
Vorteile der Erfindung
In der vorliegenden Erfindung werden die oben beschriebenen Erkenntnisse verwendet und weiterentwickelt, um eine präzise Bestimmung der aktuellen Nadelposition zu jedem Zeitpunkt zu ermöglichen. Dazu sind der Düsenkörper und die Düsennadel kontaktierbar und die Düsennadel weist einen Führungsbereich mit einem elektrischen Übergangswiderstand zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel auf, wobei der elektrische Übergangswiderstand vom Hub der Düsennadel abhängig ist. Diese kontinuierliche Abhängigkeit ermöglicht eine genaue Angabe der Nadelposition und erlaubt so eine präzise Ansteuerung eines elektrischen Aktors für eine optimale Einspritzung beim gewünschten Betriebszustand.
In vorteilhafter Weise weist der Düsenkörper und/ oder die Düsennadel im Führungsbereich eine Isolationsschicht auf und bildet dabei im Führungsbereich einen elektrischen Übergangswiderstand zwischen dem Düsenkörper und der Dü- sennadel aus. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Isolationsschicht als
DLC-Schicht ausgebildet ist. Diese wirkt ohne starke mechanische Druckbelastungen elektrisch isolierend und führt darüber hinaus zu einer Reduzierung des Verschleißes. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass die Schichthöhe der Isolationsschicht am Düsenkörper und/ oder der Düsennadel in Längsrichtung variabel ist. Vorzugsweise nimmt die Schichthöhe der Isolationsschicht am Düsenkörper und/ oder der Düsennadel in Hubrichtung der Düsennadel ab. Vorteilhafterweise kann die Isolationsschicht am Düsenkörper leitfähige Flüssigkeits- und/ oder Festkörpereinschlüsse besitzen. Die Anzahl dieser sogenannten leitfähigen Droplets nehmen in Hubrichtung der Düsennadel zu. Sowohl durch die Variierung der Schichthöhe der Isolationsschicht als auch durch die Veränderung der Dichte der Droplets in der Isolationsschicht ändert sich im Führungsbereich der elektrische Übergangswiderstand zwischen dem
Düsenkörper und der Düsennadel abhängig vom Nadelhub, was bei geeigneter Schichthöhe zu einer eindeutigen Beziehung zwischen dem Übergangswiderstand und dem Nadelhub führt, so dass der Übergangswiderstand ein Maß für die Nadelposition ist.
In vorteilhafter Weise weist der Düsenkörper mindestens einen weiteren Führungsbereich für die Düsennadel auf, der elektrisch isoliert ist. Dabei weist der eine Führungsbereich eine variable Schichthöhe der Isolationsschicht auf, welche einen variablen elektrischen Übergangswiderstand zwischen dem Düsenkör- per und der Düsennadel ausbildet, wohingegen die oder der andere Führungsbereich praktisch vollständig elektrisch isoliert ist und somit einen elektrischen Übergangswiderstand zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel ausbilden, welcher sehr viel größer ist als der elektrische Übergangswiderstand im Führungsbereich mit der variablen Schichthöhe der Isolationsschicht, um eine Überlagerung der daraus resultierenden Signale zu vermeiden.
In weiterer vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weist die Düsennadel im Bereich der Dichtfläche eine Beschichtung auf, welche als DLC-Schicht ausgebildet ist. Dadurch kann der Verschleiß am Düsenkörpersitz und der Düsennadel redu- ziert und deren Lebensdauer verlängert werden, da eine Beschichtung dem aufgrund einer hohen mechanischen Belastung gebildeten Verschleiß entgegenwirken kann.
In vorteilhafter Weise stellt die Düsennadel beim Aufsitzen auf den Düsenkörpersitz und damit in ihrer Schließstellung einen elektrischen Kontakt zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel her. Dabei ist dem Kraftstoffeinspritzventil vorteilhafterweise eine Vorrichtung zugeordnet, über welche eine elektrische Spannung zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel angelegt werden kann. Die Vorrichtung ist als ein Steuergerät ausgebildet und weist vorzugsweise weiterhin einen vorgeschalteten Widerstand auf. Dies ermöglicht ein Abgreifen elektrischer Signale an diesem Widerstand aufgrund dessen der elektrische Widerstand zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper bestimmbar ist.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffe insp ritz - ventils wird zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel eine elektrische Spannung angelegt und die an dem vorgeschalteten elektrischen Widerstand abfallende elektrische Spannung gemessen. Aus dieser elektrischen Spannung kann in vorteilhafter Weise die Position der Düsennadel und/ oder deren Geschwindigkeit bestimmt werden.
Zeichnungen
In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil dargestellt. Es zeigt in
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt,
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild für das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil,
Fig. 3 die elektrische Stromstärke /, den Nadelhub h und die elektrische
Spannung Lfe an dem vorgeschalteten elektrischen Widerstand in Abhängigkeit der Zeit t,
Fig. 4a der mit B, C bezeichnete Ausschnitt aus Fig. 1 in einer geschnittenen
Darstellung,
Fig. 4b der mit A bezeichnete Ausschnitt aus Fig. 1 in einer geschnittenen Darstellung,
Fig. 5 der mit B, C bezeichnete Ausschnitt aus Fig. 1 in einer geschnittenen
Darstellung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels In der Figur 1 der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil im Längsschnitt dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil weist ein Injektorgehäuse 1 und einen Düsenkörper 2 auf, in welchem ein Hochdruckraum 3 ausgebildet ist, welcher mit unter Hochdruck stehenden Kraftstoff befüllbar ist. In die- sem Hochdruckraum 3 ist eine längsverschiebbare Düsennadel 4 angeordnet, welche mindestens einen Führungsabschnitt 7', 7" aufweist, mit welchem sie in einem Führungsbereich 8 des Hochdruckraums 3 geführt ist. Weiterhin weist die Düsennadel 4 an ihrem einem Brennraum zugewandten Ende eine weitgehend konisch ausgebildete Dichtfläche 9 auf, welche mit einem Düsenkörpersitz 12 zu- sammenwirkt, welcher an dem brennraumseitigen Ende des Hochdruckraums 3 ausgebildet ist. Das brennraumzugewandte Ende des Hochdruckraums 3 ist als Sackloch 10 ausgebildet, von dem mindestens eine Einspritzöffnung 11 ausgeht, welche in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine führt. Die Dichtfläche 9 der Düsennadel 4 und der Düsenkör- persitz 12 steuern im Zusammenspiel einen Kraftstofffluss aus dem Hochdruckraum 3 über das Sackloch 10 in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 11. Bei Anlage der Düsennadel 4 am Düsenkörpersitz 12, das heißt in Schließstellung der Düsennadel 4, ist die wenigstens eine Einspritzöffnung 11 verschlossen und sperrt somit einen Kraftstofffluss aus dem Hochdruckraum in den Brenn- räum einer Brennkraftmaschine. Das brennraumabgewandte Ende der Düsennadel 4 ist in einem Hülsenelement 29 aufgenommen, wobei dieses Hülsenelement 29 an einer in dem Injektorgehäuse 1 ausgebildeten Drosselplatte 30 anliegt.
Um bei einem ausgeschalteten Kraftstoffeinspritzventil ein Kraftstoffeinfließen in den Brennraum der Brennkraftmaschine zu vermeiden, ist im Hochdruckraum 3 eine Rückstellfeder 5 angeordnet, welche sich einerseits an einem an der Düsennadel 4 ausgebildeten Absatz 28 und andererseits an dem Hülsenelement 29 abstützt. Diese Rückstellfeder 5 drückt die Düsennadel 4 unter Kraftbeaufschlagung in den Düsenkörpersitz 12 und sperrt so die wenigstens eine Einspritzöffnung 11. Mit Hilfe eines AnSteuerelements, beispielsweise eines Piezoaktors, wird ein
Steuerventil 27 betätigt, wodurch im Hochdruckraum eine Druckminderung erzeugt wird, was dazu führt, dass die Düsennadel 4 in Längsrichtung vom Düsenkörpersitz 12 abhebt und so einen Kraftstofffluss aus dem Hochdruckraum 3 über die wenigstens eine Einspritzöffnung 11 nach außen in den Brennraum ermög- licht. In modernen Kraftstoffeinspritzventilen ist im Hochdruckraum 3 ein Druck von mehr als 2000 bar möglich. Dadurch wird gewährleistet, dass der Kraftstoff beim Austritt aus der wenigstens einen Einspritzöffnung 11 fein zerstäubt wird, so dass er für eine Verbrennung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine aufbereitet ist.
Die Düsennadel 4 ist mit einem ersten elektrischen Kontakt 15 versehen, über welche die Düsennadel 4 mit einer Spannungsquelle, einem einem Steuergerät 16 vorgeschalteten elektrischen Widerstand R2 und dem Steuergerät 16 selbst verbunden ist. Ein zweiter elektrischer Kontakt 25 verbindet das Steuergerät 16 mit dem Düsenkörper 2. In Schließstellung der Düsennadel 4, also wenn diese auf dem Düsenkörpersitz 12 aufliegt, ist ein elektrischer Kontakt zwischen der Düsennadel 4 und dem Düsenkörper 2 hergestellt. Dies ermöglicht das Anlegen einer elektrischen Spannung U zwischen der Düsennadel 4 und dem Düsenkörper 2. Dabei ist die Düsennadel 4 im Düsenkörper 2 so gelagert, dass beim Ab- heben der Düsennadel 4 vom Düsenkörpersitz 12 der elektrische Kontakt zwischen der Düsennadel 4 und dem Düsenkörper 2 im Bereich der Dichtfläche 9 unterbrochen wird (elektrischer Übergangswiderstand Ri> >0) und lediglich im Führungsbereich 8 der Düsennadel 4 ein elektrischer Übergangswiderstand R3 vorhanden ist. Figur 2 zeigt dabei in einem Ersatzschaltbild alle relevanten Wi- derstände sowie das Steuergerät und die Spannungsquelle. Dieser elektrische
Übergangswiderstand R3 nimmt mit zunehmendem Düsennadelhub h immer weiter ab. Das heißt, der zeitliche Verlauf des elektrischen Übergangswiderstands R3 ändert sich eindeutig mit dem Nadelhub h. Dies führt zu einem Spannungsab¬
Figure imgf000009_0001
Die angelegte konstante elektrische Spannung Uo setzt sich im Wesentlichen aus der am vorgeschalteten elektrischen Widerstand R2 abfallenden Spannung U2 und der abfallenden Spannung (Λ3 an den parallel geschalteten elektrischen Widerständen Ri und R3 zusammen. Dabei kann die Spannung L/13 gemäß dem bekannten Ohm'schen Gesetz mit einer elektrischen Gesamtstromstärke k wie folgt berechnet werden:
Ul3 = l + T3 ' 10
Hebt die Düsennadel 4 nun von dem Düsenkörpersitz 12 ab, steigt der elektrische Übergangswiderstand fii an dem Düsenkörpersitz 12 sehr stark an und die Spannung (Λ3 berechnet sich aufgrund des veränderten elektrischen Übergangswiderstands Ri wie folgt:
U13 * R3 Io Das Abheben der Düsennadel 4 bewirkt somit einen Spannungsanstieg in Un.
Da jedoch eine konstante Spannung Uo angelegt wird, muss nach der bekannten Beziehung U0 = U13 + U2 für eine Reihenschaltung die Spannung Lfe am vorgeschalteten Widerstand R2 entsprechend abfallen.
Diese Abhängigkeit ist in Figur 3 gezeigt. Dabei ist die elektrische Stromstärke / des Ansteuerelements, der Düsennadelhub h und die elektrische Spannung U2 in
Abhängigkeit der Zeit i dargestellt. Zum Zeitpunkt io hebt die Düsennadel 4 vom Düsenkörpersitz 12 ab und öffnet somit die wenigstens eine Einspritzöffnung 11, wodurch ein Kraftstoffabfließen aus dem Hochdruckraum 3 zu der wenigstens einen Einspritzöffnung 11 ermöglicht wird. Dies führt aufgrund der oben beschrie- benen Verhältnisse zu einer Abnahme der Spannung U2. Bei einem konstanten
Übergangswiderstand R3 am Führungsbereich 8 der Düsennadel 4 (siehe durchgezogene Linie, Fig. 3) bliebe die Spannung U2 so lange auf diesem gefallenen Wert, bis die Düsennadel 4 wieder auf der Dichtfläche 9 aufsitzt und die wenigstens eine Einspritzöffnung 11 geschlossen ist. Mit Aufsitzen der Düsennadel 4 auf die Dichtfläche 9 spränge der Spannungswert von U2 wieder auf den ursprünglich konstanten Wert, welcher vor der Hubbewegung der Düsennadel 4 eingestellt war (zum Zeitpunkt £2).
Bei einem variablen Übergangswiderstand R3 (siehe gestrichelte Linie, Fig. 3) am Führungsbereich 8 der Düsennadel 4 erfolgt unmittelbar nach dem Spannungs- abfall in U2 mit Beginn des kontinuierlich steigenden Düsennadelhubs h eine lineare Spannungszunahme in U2. Mit Erreichen des maximalen Öffnungshubs (zum Zeitpunkt h) der Düsennadel 4 ist auch der maximale Spannungswert von U2 erreicht. Danach nehmen sowohl der Düsennadelhub h als auch die Spannung U2 so lange ab, bis die Düsennadel 4 wieder vollständig auf der Dichtfläche 9 auf- liegt und kein Kraftstoff mehr über die wenigstens eine Einspritzöffnung 11 aus dem Hochdruckraum 3 in den Brennraum der Brennkraftmaschine fließen kann. Mit Aufsetzen der Düsennadel 4 auf die Dichtfläche 9 ist der elektrische Kontakt zwischen der Düsennadel 4 und dem Düsenkörper 2 wieder hergestellt, was sich durch den Sprung des Spannungswerts von U2 auf den ursprünglich eingestellten Spannungswert vor Beginn der Einspritzung zeigt (zum Zeitpunkt £2). Typischerweise werden dabei konstante Spannungen Uo zwischen 5 und 10 V angelegt.
Der Führungsbereich 8 der Düsennadel 4 und/ oder der Führungsabschnitt 7" des Düsenkörpers 2 ist mit einer sogenannten DLC-Schicht (diamond like car- bon) beschichtet. Diese Schicht besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff, welcher aufgrund seiner hochvernetzten Struktur eine besonders starke und verschleißre sistente Schicht bildet. Figur 4a zeigt solch eine Beschichtung 19, 20 in einer ver größerten Darstellung des mit B, C bezeichneten Ausschnitts der Figur 1. Um beispielsweise einen variablen Übergangswiderstand R3 herzustellen, ist es mög lieh, die Schichtdicke der Beschichtung B, C zu variieren. Dabei nimmt die Dicke der Schicht in Hubrichtung h ab, um eine Abnahme des Übergangswiderstands R3 abhängig vom Nadelhub zu ermöglichen. In Figur 4 wurden der Übersichtlichkeit halber übertrieben starke Schichtdicken dargestellt. Variationen in der Schichtdicke sind aufgrund von Schichtdicken, welche typischerweise weniger als 5 μηη, vorzugsweise 1 bis 2 μηη, betragen, technisch sehr herausfordernd. Deshalb sind auch alternative Konzepte denkbar, wie beispielsweise die Verwen dung einer Hülse. Dabei wird ein zusätzliches Bauteil in Form einer Hülse zwischen der Düsennadel 4 und dem Düsenkörper 2 angeordnet, beispielsweise durch einen Klebevorgang.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung (siehe Fig. 5) sind in der Isolationsschicht 19, 20 Flüssigkeits- und/ oder Festkörpereinschlüsse vorhanden. Diese sogenannten Droplets 31 sind leitfähig und eignen sich daher, durch Variation der Dichte der Droplets 31 die Leitfähigkeit der Isolationsschicht 19, 20 zu verändern. Erhöht man die Dichte der Droplets 31 in Hubrichtung h der Düsennadel 4, so verringert sich ebenfalls der Übergangswiderstand R3 abhängig vom Nadelhub.
Alternativ kann auch der Führungsabschnitt 7', welcher im obigen Ausführungsbeispiel praktisch vollständig isoliert war, eine Isolationsschicht 19, 20 mit einer variablen Schichthöhe oder eine Isolationsschicht 19, 20 mit Flüssigkeits- und/ oder Festkörpereinschlüsse aufweisen. Dabei ist dann der Führungsabschnitt 7" praktisch vollständig isoliert und bildet somit einen sehr hohen elektrischen Wi- derstand zwischen dem Düsenkörper 2 und der Düsennadel 4 aus, um eine mögliche Überlagerung dieses elektrischen Widerstands mit dem am Führungsabschnitt 7' zu vermeiden. Dies würde sonst die Ermittlung der aktuellen Position der Düsennadel 4 beeinträchtigen.
Neben dem Führungsbereich 8 der Düsennadel 4 und/ oder dem Führungsabschnitt 7" des Düsenkörpers 2 ist auch die Dichtfläche 7 der Düsennadel 4 mit einer DLC-Schicht 18 beschichtet (siehe Figur 4b). Diese weist unter Normalbedingungen einen relativ hohen elektrischen Widerstand R auf, so dass im Bereich des Düsenkörpersitzes 12 kein elektrischer Kontakt zwischen dem Düsenkörper
2 und der Düsennadel 4 möglich ist, wenn die Düsennadel 4 einfach auf dem Dü- senkörpersitz 12 aufliegt. Der Übergangswiderstand fii wäre entsprechend hoch. Wird die Düsennadel 4 jedoch mit einer sehr hohen Kraft in den Düsenkörpersitz 12 gedrückt, so ändert die DLC-Schicht ihre physikalischen Eigenschaften dahin- gehend, dass der Widerstand um mehrere Größenordnungen abfällt und damit praktisch elektrisch leitend wird. Dadurch sinkt der Übergangswiderstand fii so stark ab, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der Düsennadel 4 und dem Düsenkörper 2 ermöglicht wird und ein deutlich messbarer elektrischer Strom zwischen der Düsennadel 4 und dem Düsenkörper 2 fließt. Diese Widerstands- änderung in fii liefert ein deutliches elektrisches Signal, so dass der Zeitpunkt, zu dem die Düsennadel 4 auf dem Düsenkörpersitz 12 aufsitzt, genau gemessen werden kann. Dabei wird die Spannung L/2 ermittelt, die an einem der Vorrichtung, beispielsweise einem Steuergerät, vorgeschalteten Widerstand R2 abfällt. Der bereits beschriebene Verlauf von L/2 in Abhängigkeit der Zeit t ist dabei in diesem Ausführungsbeispiel linear zu dem Düsennadelhub h (siehe Figur 3).
Dies ermöglicht eine präzise Bestimmung der Nadelposition zu jedem Zeitpunkt t. Außerdem lässt sich auch die tatsächliche Geschwindigkeit der Düsennadel 4 mit geeigneten mathematischen Verfahren bestimmen. Dieser konkrete Rückschluss auf die tatsächliche Position der Düsennadel 4 ermöglicht notwendige Korrektu- ren des Zeitpunkts und der Dauer der Einspritzung, um die Verbrennung zu optimieren.
Damit diese deutliche Widerstandsänderung fii beim Abheben der Düsennadel 4 von dem Düsenkörpersitz 12 bzw. beim Aufsetzen der Düsennadel 4 auf den Dü- senkörpersitz 12 als Indikator für eine Unterbrechung des elektrischen Kontakts zwischen dem Düsenkörper 2 und der Düsennadel 4 bzw. als Indikator für einen elektrischen Kontakt zwischen dem Düsenkörper 2 und der Düsennadel 4 dient, muss die Düsennadel 4 außer im Bereich des Düsenkörpersitzes 12 gegen den Düsenkörper 2 elektrisch isoliert sein, insbesondere auch im Bereich des Führungsabschnitts 7". Dies ist jedoch in der Schließstellung der Düsennadel 4, also wenn die Düsennadel 4 auf dem Düsenkörpersitz 12 aufliegt, gewährleistet, da aufgrund der DLC-Schicht dieser Bereich mangels einer entsprechenden mechanischen Druckbelastung elektrisch isoliert ist. Weiterhin ist auch die Drosselplatte 30 mittels einer Isolationsschicht 17 gegen das Injektorgehäuse 1 und den Düsenkörper 2 isoliert, um einen Kurzschluss zwischen dem Düsenkörper 2 und der Düsennadel 4 zu unterbinden.
In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann es auch vorgesehen sein, dass der Düsenkörper 2 geerdet ist und somit mit einem Massean- schluss 26 verbunden ist. Dabei wird die Spannung U dann zwischen der Düsennadel 4 und der Masse gemessen.

Claims

Ansprüche
1. Kraftstoffeinspritzventil mit einem Injektorgehäuse (1) und einem Düsenkörper (2), welcher einen Hochdruckraum (3) ausbildet, welcher mit unter Hochdruck stehenden Kraftstoff befüllbar ist und in welchem Hochdruckraum (3) eine hubbeweglich ausgebildete Düsennadel (4) angeordnet ist, die mit einer Dichtfläche (9) mit einem Düsenkörpersitz (12) zum Öffnen und Schließen wenigstens einer Einspritzöffnung (11) zusammenwirkt, wobei die Düsennadel (4) einen Führungsabschnitt (7") aufweist, mit welchem sie in einem Führungsbereich (8) des Hochdruckraums (3) in radialer Richtung geführt ist, und dabei im Führungsbereich (8) einen elektrischen Übergangswiderstand (R3) zwischen dem Düsenkörper (2) und der Düsennadel (4) ausbildet, wobei der Düsenkörper (2) und die Düsennadel (4) elektrisch kontaktierbar sind und zwischen dem Düsenkörper (2) und der Düsennadel (4) eine elektrische Spannung (U) angelegt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Übergangswiderstand (R3) vom Hub der Düsennadel (4) abhängig ist.
2. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Düsenkörper (2) und/ oder die Düsennadel (4) im Führungsbereich (8) eine Isolationsschicht (19, 20) aufweist und dadurch im Führungsbereich (8) einen elektrischen Übergangswiderstand (R3) zwischen dem Düsenkörper (2) und der Düsennadel (4) ausbildet.
3. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Isolationsschicht (19, 20) als DLC-Schicht (DLC=diamond like carbon) ausgebildet ist.
4. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schichthöhe der Isolationsschicht (19, 20) am Düsenkörper (2) und/ o- der der Düsennadel (4) in Längsrichtung variabel ist.
5. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schichthöhe der Isolationsschicht (19, 20) am Düsenkörper (2) und/ o- der der Düsennadel (4) in Hubrichtung der Düsennadel (4) abnimmt.
6. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Isolationsschicht (19, 20) am Düsenkörper (2) und/ oder der Düsennadel (4) leitfähige Flüssigkeits- und/ oder Festkörpereinschlüsse (Droplet) (31) besitzt.
7. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anzahl der leitfähigen Droplets (31) in der Isolationsschicht (19, 20) in Hubrichtung der Düsennadel (4) zunimmt.
8. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Düsenkörper (2) mindestens einen weiteren Führungsbereich (8) für die Düsennadel (4) aufweist, der elektrisch isoliert ist.
9. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Düsennadel (4) im Bereich der Dichtfläche (9) eine Beschichtung (18) aufweist.
10. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Beschichtung (18) der Düsennadel (4) im Bereich der Dichtfläche (9) als DLC-Schicht (DLC=diamond like carbon) ausgebildet ist.
11. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
dass die Düsennadel (4) beim Aufsitzen auf den Düsenkörpersitz (12) und damit in ihrer Schließstellung einen elektrischen Kontakt (25) zwischen dem Düsenkörper (2) und der Düsennadel (4) herstellt.
12. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass dem Kraftstoffeinspritzventil eine Vorrichtung (16) zugeordnet ist, über welche eine elektrische Spannung (U) zwischen dem Düsenkörper (2) und der Düsennadel (4) angelegt werden kann.
13. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung (16) als Steuergerät ausgebildet ist und einen vorgeschalteten elektrischen Widerstand (R2) aufweist.
14. Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
Anlegen einer elektrischen Spannung (Uo) zwischen dem Düsenkörper (2) und der Düsennadel (4),
Messen der an dem vorgeschalteten elektrischen Widerstand (R2) abfallenden elektrischen Spannung (U2),
Ermitteln der Position der Düsennadel (4) und/ oder der Geschwindigkeit der Düsennadel (4) aus der elektrischen Spannung (Lfe).
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