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DE102005054739B4 - Injector for injecting fuel into combustion chambers of internal combustion engines, in particular piezoactuator-controlled common rail injector - Google Patents

Injector for injecting fuel into combustion chambers of internal combustion engines, in particular piezoactuator-controlled common rail injector Download PDF

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Abstract

Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen mit in einem Injektorkörper angeordneten Steuermitteln, mit einem Düsenkörper, an dessen brennraumseitigem freien Ende ein Düsenaustritt ausgebildet ist, und mit einer Düsennadel (11) die in einer Längsausnehmung des Düsenkörpers axial beweglich bzw. betätigbar angeordnet ist, wobei Mittel zum geschlossenen Regeln der Kraftstoff-Einspritzmenge und -rate über eine Erfassung und Regelung des Düsennadelhubes eingerichtet sind, und wobei Mittel zum Nachweis der Düsennadelbewegung zum wechselweisen Erfassen von konstruktiver und destruktiver Interferenz der Lichtwelle einer Laserdiode (10) eingerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel einen koaxial zur Düsennadel (11) angeordneten Laserresonator (10, 16, 17) mit beidseitig je einem Endspiegel (16 bzw. 17) umfassen, derart, dass das aus diesem austretende Laserlicht (18) auf die rückseitige Stirnfläche (19) der Düsennadel (11) trifft, dort reflektiert wird und im Zusammenwirken mit dem düsennadelseitigen Endspiegel (17) ein externer Resonator (17, 18, 19) gebildet wird.Injector for injecting fuel into combustion chambers of internal combustion engines with arranged in an injector body control means, with a nozzle body, at whose brennraumseitigem free end a nozzle outlet is formed, and with a nozzle needle (11) which is axially movable or actuated in a longitudinal recess of the nozzle body wherein means are provided for closedly controlling the fuel injection amount and rate via detection and control of the nozzle needle stroke, and wherein means for detecting the nozzle needle movement for alternately detecting constructive and destructive interference of the lightwave of a laser diode (10) are arranged, characterized in that the control means comprise a laser resonator (10, 16, 17) arranged coaxially with the nozzle needle (11), each having an end mirror (16 or 17) on both sides, such that the laser light (18) exiting therefrom acts on the rear end face (19 ) of the nozzle needle (11) t rifft, there is reflected and in cooperation with the nozzle needle side end mirror (17), an external resonator (17, 18, 19) is formed.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an injector according to the preamble of patent claim 1.

Ein CR-Injektor der vorbezeichneten Art ist durch die DE 199 36 668 A1 bekannt geworden. Ein CR-Injektor, bei dem der Übersetzerkolben durch einen Piezoaktor betätigt wird, geht aus der DE 195 19 191 C2 hervor.A CR injector of the aforementioned kind is by the DE 199 36 668 A1 known. A CR injector, in which the booster piston is actuated by a piezoelectric actuator, goes out of the DE 195 19 191 C2 out.

Die Mechanik moderner Hochdruck-Einspritzsysteme wird im Betrieb, z. B. im Fahrbetrieb von Kraftfahrzeugen, stark beansprucht. Hierdurch war es bislang faktisch unmöglich, Systeme herzustellen, deren Verhalten während der gesamten Lebensdauer hinreichend konstant bleibt.The mechanics of modern high-pressure injection systems is in operation, z. B. in the driving of motor vehicles, heavily stressed. As a result, it has been practically impossible to produce systems whose behavior remains sufficiently constant throughout their lifetime.

Abhilfe würde eine geschlossene Regelung der Kraftstoff-Einspritzmenge schaffen. Das Problem besteht jedoch in der Bereitstellung einer geeigneten Sensorik.Remedy would provide a closed control of the fuel injection quantity. The problem, however, is the provision of suitable sensors.

Eine besondere Bedeutung erlangt die Notwendigkeit einer Anpassung der Kraftstoff-Einspritzmenge bei direkt angesteuerten Piezo-Injektoren, weil die Einspritzrate hier direkt durch den Aktorhub bestimmt wird. Aktoralterung führt dazu, dass der Zusammenhang zwischen Spannung und Aktorhub im Verlauf der Lebensdauer nicht konstant bleibt, so dass die Ansteuerung des Injektors an den Zustand des Aktors angepasst werden sollte.Of particular importance is the need to adapt the fuel injection quantity for directly controlled piezo injectors, because the injection rate is determined directly by the actuator stroke here. Actuator aging means that the relationship between voltage and actuator stroke does not remain constant over the service life, so that the activation of the injector should be adapted to the state of the actuator.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit für eine Regelung der vom Injektor zur Verfügung gestellten Kraftstoff-Einspritzmenge zu finden.The object of the invention is to find a way to control the fuel injection quantity provided by the injector.

Aus der DE 197 43 156 A1 ist ein Lage- und Wegsensor bekannt, mit dessen Hilfe beispielsweise die Düsennadelbewegung eines Einspritzsystems gemessen werden kann. Aus der AT 501 574 B1 ist ebenfalls ein optisches Messverfahren für Düsennadeln bekannt und aus DE 38 26 194 A1 eine optische Vorrichtung zur Längenmessung. Aus der DE 197 12 374 A1 ist darüber hinaus eine Vorrichtung zur Messung der Düsennadelbewegung bekannt, die auf Basis eines Hohlraumresonators arbeitet.From the DE 197 43 156 A1 a position and displacement sensor is known, with the aid of which, for example, the nozzle needle movement of an injection system can be measured. From the AT 501 574 B1 is also known and an optical measuring method for nozzle needles DE 38 26 194 A1 an optical device for length measurement. From the DE 197 12 374 A1 In addition, a device for measuring the nozzle needle movement is known which operates on the basis of a cavity resonator.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Ausgehend von der Erkenntnis, dass die Einspritzrate eines Injektors der in Rede stehenden Art sich durch die Position der Düsennadel bestimmt, wird die Aufgabe gemäß der Erfindung bei einem Injektor der eingangs bezeichneten Gattung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.Based on the finding that the injection rate of an injector of the type in question determined by the position of the nozzle needle, the object is achieved according to the invention in an injector of the type described by the characterizing features of claim 1.

Da die Düsennadel, zumindest bei Einspritzventilen für Brennkraftmaschinen im Kraftfahrzeugbereich, optisch zugänglich ist, wird vorgeschlagen, die Düsennadelbewegung durch ein optisches Messverfahren zu erfassen. Sie beruht auf der interferometrischen Erfassung des Düsennadelhubs. Zur Messung der Düsennadelbewegung braucht lediglich die Anzahl der überstrichenen Interferenzen bestimmt zu werden. Ein großer Vorteil dieses Messverfahrens besteht darin, dass keine zusätzlichen bewegten Teile in den Injektor integriert werden müssen. Da die Signalhöhe der Interferenzen nicht benutzt wird, werden keine analogen Signale verarbeitet. Das sich hierdurch darstellende Messverfahren ist sehr robust. Die aus der Messung erhaltene Düsennadelposition ist absolut, weil sich die Messung auf die Position der Düsennadel im geschlossenen Zustand des Ventils bezieht.Since the nozzle needle, at least in injection valves for internal combustion engines in the automotive sector, is optically accessible, it is proposed to detect the nozzle needle movement by an optical measuring method. It is based on the interferometric detection of the nozzle needle lift. To measure the nozzle needle movement, only the number of swept interferences needs to be determined. A big advantage of this measurement method is that no additional moving parts have to be integrated into the injector. Since the signal level of the interference is not used, no analog signals are processed. The resulting measuring method is very robust. The nozzle needle position obtained from the measurement is absolute, because the measurement relates to the position of the nozzle needle in the closed state of the valve.

Zeichnungdrawing

Zur näheren Veranschaulichung der Erfindung dienen Ausführungsbeispiele, die in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden detailliert beschrieben sind. Es zeigt (jeweils in schematischer Blockschaltbild-Darstellung):To illustrate the invention in more detail serve exemplary embodiments, which are illustrated in the drawings and described in detail below. It shows (each in schematic block diagram representation):

1 eine Ausführungsform einer optischen Messanordnung unter Verwendung einer handelsüblichen Laserdiode, und 1 an embodiment of an optical measuring arrangement using a commercially available laser diode, and

2 eine gegenüber 1 abgewandelte, nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer Messanordnung. 2 one opposite 1 modified, non-inventive embodiment of a measuring arrangement.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

Es bezeichnet 10 eine – z. B. handelsübliche – Laserdiode und 11 eine Düsennadel eines Injektors zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen. (Die weiteren Bestandteile des Injektors, wie Gehäuse, Düsenkörper, Steuermittel etc., sind der besseren Übersichtlichkeit halber in der Zeichnung weggelassen worden.) Die Laserdiode 10 ist zur Energieversorgung an einen elektrischen Stromkreis 12 angeschlossen, der Instrumente 13 zur Messung der Spannung (U) und der Stromstärke (I) aufweist. Die Laserdiode 10 ist koaxial zur Düsennadel 11 angeordnet, derart, dass das von der Laserdiode 10 – beidseitig – emittierte Laserlicht – 14, 15 (1) bzw. 14, 15a (2) – ebenfalls koaxial zur Düsennadel 11 ausgerichtet ist.It designates 10 a - z. B. commercially available - laser diode and 11 a nozzle needle of an injector for injecting fuel into combustion chambers of internal combustion engines. (The other components of the injector, such as housing, nozzle body, control means, etc., have been omitted for clarity in the drawing.) The laser diode 10 is for powering an electrical circuit 12 connected, the instruments 13 for measuring the voltage (U) and the current (I). The laser diode 10 is coaxial with the nozzle needle 11 arranged such that by the laser diode 10 - both sides - emitted laser light - 14 . 15 ( 1 ) respectively. 14 . 15a ( 2 ) - also coaxial with the nozzle needle 11 is aligned.

Bei der Ausführungsform nach 1 ist in Achsrichtung beidseitig der Laserdiode 10 je ein Endspiegel 16 bzw. 17 angeordnet. Zusammen mit den beiden Endspiegeln 16, 17 bildet die Laserdiode 10 einen Laserresonator. Ein Teil 18 des von der Laserdiode 10 in Richtung der Düsennadel 11 ausgesandten Laserlichts 15 durchdringt den zweiten Endspiegel 17 und trifft auf eine – mit 19 bezifferte – rückwärtige Stirnfläche der Düsennadel 11 auf, wo er reflektiert wird. Die Reflexion des Laserlichts 18 an der Düsennadel 11 führt zur Ausbildung eines zweiten, externen optischen Resonators 17–19. In diesen kann nur dann Energie transferiert werden, wenn eine Mode des externen Resonators 17–19 mit der des Laserresonators 14–17 zusammenfällt (konstruktive Interferenz). Der hierbei auftretende zusätzliche Energieverlust des Laserresonators 14–17 muss von der Stromversorgung 12 des Lasers 10 kompensiert werden.In the embodiment according to 1 is in the axial direction on both sides of the laser diode 10 one end mirror each 16 respectively. 17 arranged. Together with the two end mirrors 16 . 17 forms the laser diode 10 a laser resonator. A part 18 of the laser diode 10 in the direction of the nozzle needle 11 emitted laser light 15 Penetrates the second end mirror 17 and meets one - with 19 numbered - rear face of the nozzle needle 11 on where it is reflected. The reflection of the laser light 18 at the nozzle needle 11 leads to the formation of a second, external optical resonator 17 - 19 , In these, only energy can be transferred if a mode of the external resonator 17 - 19 with the laser resonator 14 - 17 coincides (constructive interference). The case occurring additional energy loss of the laser resonator 14 - 17 needs from the power supply 12 the laser 10 be compensated.

Bewegt sich die Düsennadel 11 nun (in Schließrichtung 20 bzw. in Öffnungsrichtung 21), so werden nacheinander die einzelnen Resonatormoden des externen Resonators 17–19 in Resonanz gebracht. Dies führt zu einem wechselnden Strombedarf der Laserdiode 10, der dann anhand der Regelspannung der Stromquelle nachgewiesen werden kann (s. Bezugszeichen 13). Die Auflösung des Verfahrens ist durch die Resonanzbedingung bestimmt und beträgt damit die halbe Wellenlänge des benutzten Lichts.Moves the nozzle needle 11 now (in the closing direction 20 or in the opening direction 21 ), then successively the individual resonator modes of the external resonator 17 - 19 brought into resonance. This leads to an alternating current requirement of the laser diode 10 , which can then be detected by the control voltage of the power source (s 13 ). The resolution of the method is determined by the resonance condition and is thus half the wavelength of the light used.

Der gemessene Intensitätsverlauf rührt her aus der Einkopplung des Laserlichts in den externen Resonator 17–19, der aus dem (zweiten) Endspiegel 17 und der reflektierenden rückwärtigen Stirnfläche 19 der Düsennadel 11 gebildet wird, und den hieraus resultierenden zusätzlichen Verlusten.The measured intensity profile results from the coupling of the laser light into the external resonator 17 - 19 coming out of the (second) end mirror 17 and the reflective rear face 19 the nozzle needle 11 is formed and the resulting additional losses.

Aus den gemäß vorstehender Schilderung gemessenen Daten lässt sich unschwer der Düsennadelhub und die dadurch bestimmte Einspritzmenge und -rate ermitteln. Die ermittelten Werte dienen als Regelgröße zur Ansteuerung der Steuermittel (z. B eines Magnetsteuerventils) des Injektors.From the data measured according to the above description, it is easy to determine the nozzle needle stroke and the injection quantity and rate determined thereby. The determined values serve as control variable for controlling the control means (eg a magnetic control valve) of the injector.

Die nicht erfindungsgemäße Variante nach 2 zeichnet sich gegenüber der im Vorstehenden beschriebenen Ausführungsform nach 1 durch die Besonderheit aus, dass der rückseitige Anschliff (Stirnfläche 19) der Düsennadel 11 selbst als „Endspiegel” eines Laserresonators 10, 16, 19 benutzt wird. Es kommt hier also eine Laserdiode 10 zum Einsatz, die nur einen einzigen Endspiegel (16) besitzt, und zwar an ihrer (von der Düsennadel 11 abgewandten) Rückseite. Ein Anschwingen des Lasers ist bei dieser Ausführungsform nur dann möglich, wenn der Abstand (Doppelpfeil A) zwischen dem Endspiegel 16 der Laserdiode 10 und dem Anschliff (Stirnfläche 19) der Düsennadel 11 ein ganzzahliges Vielfaches der halben Laserwellenlänge ist.The variant not according to the invention 2 distinguishes itself from the embodiment described above 1 by the peculiarity that the back-ground bevel (end face 19 ) of the nozzle needle 11 even as the "end mirror" of a laser resonator 10 . 16 . 19 is used. So here comes a laser diode 10 used only a single end mirror ( 16 ), at its (from the nozzle needle 11 facing away) back. An oscillation of the laser is only possible in this embodiment if the distance (double arrow A) between the end mirror 16 the laser diode 10 and the bevel (end face 19 ) of the nozzle needle 11 is an integer multiple of half the laser wavelength.

Wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform nach 1 lässt sich auch bei der Variante nach 2 die zum Aufbau der Lichtwelle nötige Leistungsaufnahme im Strom-Spannungssignal (13) der Diode 10 beobachten. Die Umwandlung in eine zur Ansteuerung der Steuermittel des Injektors geeignete Regelgröße erfolgt ebenfalls entsprechend der Ausführungsform nach 1 (s. o.).As in the embodiment described above 1 can be synonymous with the variant 2 the power required to build up the light wave in the current voltage signal ( 13 ) of the diode 10 observe. The conversion into a suitable for controlling the control means of the injector control variable also takes place according to the embodiment according to 1 (so).

Claims (1)

Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen mit in einem Injektorkörper angeordneten Steuermitteln, mit einem Düsenkörper, an dessen brennraumseitigem freien Ende ein Düsenaustritt ausgebildet ist, und mit einer Düsennadel (11) die in einer Längsausnehmung des Düsenkörpers axial beweglich bzw. betätigbar angeordnet ist, wobei Mittel zum geschlossenen Regeln der Kraftstoff-Einspritzmenge und -rate über eine Erfassung und Regelung des Düsennadelhubes eingerichtet sind, und wobei Mittel zum Nachweis der Düsennadelbewegung zum wechselweisen Erfassen von konstruktiver und destruktiver Interferenz der Lichtwelle einer Laserdiode (10) eingerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel einen koaxial zur Düsennadel (11) angeordneten Laserresonator (10, 16, 17) mit beidseitig je einem Endspiegel (16 bzw. 17) umfassen, derart, dass das aus diesem austretende Laserlicht (18) auf die rückseitige Stirnfläche (19) der Düsennadel (11) trifft, dort reflektiert wird und im Zusammenwirken mit dem düsennadelseitigen Endspiegel (17) ein externer Resonator (17, 18, 19) gebildet wird.Injector for injecting fuel into combustion chambers of internal combustion engines with control means arranged in an injector body, with a nozzle body, at whose combustion chamber side free end a nozzle outlet is formed, and with a nozzle needle ( 11 ) which is arranged axially movable or actuatable in a longitudinal recess of the nozzle body, wherein means for closed-loop control of the fuel injection amount and rate are set up by detecting and regulating the Düsennadelhubes, and wherein means for detecting the nozzle needle movement for the alternate detection of constructive and destructive interference of the light wave of a laser diode ( 10 ), characterized in that the control means are coaxial with the nozzle needle ( 11 ) arranged laser resonator ( 10 . 16 . 17 ) with a respective end mirror on both sides ( 16 respectively. 17 ), such that the laser light emerging therefrom ( 18 ) on the back face ( 19 ) of the nozzle needle ( 11 ), where it is reflected and in cooperation with the nozzle needle end mirror ( 17 ) an external resonator ( 17 . 18 . 19 ) is formed.
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