DE102011051765A1

DE102011051765A1 - Einspritzinjektor, insbesondere für Hubkolben-Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102011051765A1
Application number: DE102011051765A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ziegler; René Teuber; Klaus Weible; Andreas Schön
Original assignee: LOrange GmbH
Current assignee: LOrange GmbH
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2013-01-17

Abstract

Bei einem Einspritzinjektor (1) mit in Abhängigkeit vom Druck in einem Steuerraum (16) beaufschlagter und zum Steuerraum (16) wandbegrenzender Düsennadel (10) werden die Einspritzparameter in Abhängigkeit vom Druck im Steuerraum (16) erfasst und/oder gesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Einspritzinjektor, insbesondere für Hubkolben-Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie ein Kraftstoff-Einspritzsystem, bei dem insbesondere ein solcher Einspritzinjektor eingesetzt ist.
Bei Einspritzinjektoren zur Einspritzung von Kraftstoff auf die Brennräume von Brennkraftmaschinen ist es bekannt, in der hochdruckseitigen Verbindung von einer Hochdruckquelle, beispielsweise einem Common Rail, zu den über eine Düsennadel gesteuerten Einspritzöffnungen gegebene Drücke und/oder Druckschwankungen zur Ermittlung von Einspritzparametern zu nutzen. Solche Einspritzparameter sind beispielsweise Spritzbeginn und Spritzende des Injektors, Öffnungs- und Schließdauer der Düsennadel sowie auch deren Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit. Dies beispielsweise auch, um Funktionen und Verschleiß einzelner Injektoren zu überprüfen, oder deren Gleichstellung bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Einspritzinjektoren. Erfasst werden hierzu druckbedingte Änderungen an den Versorgungsleitungen und/oder am Injektorkörper oder Teilen des Injektors, die in der hochdruckseitigen Verbindung von Hochdruckquelle zu den Einspritzöffnungen liegen.
So ist es beispielsweise aus der DE 31 22 553 C2 bekannt, am die Düsennadel führenden Düsenkörper benachbart zu einem in der hochdruckseitigen Verbindung liegenden Druckkanal eine Messstreifenanordnung umfangsseitig zum Düsenkörper vorzusehen. Diese Messstreifenanordnung wird in einer umfangsseitigen Vertiefung des Düsenkörpers, und damit in geringem Abstand zum axial auf die von der Düsennadel durchsetzte Druckkammer ausmündenden Druckkanal, angeordnet.
Bezogen auf einen axial segmentierten und über eine Düsenspannmutter zusammengehaltenen Einspritzinjektor mit einer zwischen einem Aktor und einem Düsenkörper liegenden Steuerplatte, die ein Steuerventil aufnimmt und gegen den Düsenkörper im Überdeckungsbereich zur Düsennadel einen Steuerraum begrenzt, ist es aus der DE 10 2005 024 194 A1 bekannt, zur Erfassung des in der hochdruckseitigen Verbindung zwischen Hochdruckquelle und Einspritzöffnungen, zu der der Steuerraum über eine Zulaufdrossel in Verbindung steht, an der Versorgungsleitung im Übergang zwischen Hochdruckquelle und Einspritzinjektor und/oder auch am Düsenkörper in dessen von der Düsennadel durchsetzten, frei auslaufenden Bereich einen Sensor zur Erfassung druckbedingter Spannungen und dadurch bedingter Dehnungen vorzusehen. Als weitere Möglichkeit ist die Anordnung eines Drucksensors am Körper des Einspritzinjektors in dem diesen axial durchsetzenden, einen Abschnitt der hochdruckseitigen Verbindung bildenden Versorgungskanal vorzusehen.
Ähnliche Lösungen zeigt auch die WO 2007/054407 A1 , womit, wie bei den vorgenannten Lösungen, der konstruktive Gestaltungsrahmen, und damit die Anpassungsmöglichkeiten an unterschiedliche Einbausituationen teilweise beschränkt ist, insbesondere aber auch nur Gegebenheiten erfasst werden können, die sich als von der Regel abweichend aus Veränderungen in der hochdruckseitigen Verbindung erkennen lassen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den konstruktiven Freiraum hinsichtlich der Anordnung der die Spannungsänderungen erfassenden Sensorik am Injektor zu erweitern und dadurch auch die Möglichkeiten der Anpassung des Injektors an die jeweiligen Einbauverhältnisse, und dies insbesondere in Verbindung mit einer besonders exakten Erfassung der Einspritzparameter zu einem möglichst frühen Zeitpunkt.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht. Die Unteransprüche stellen zweckmäßige Weiterbildungen dar.
Dadurch, dass die Sensorik so angeordnet ist, dass sie unmittelbar aus dem im Steuerraum gegebenen Steuerraumdruck resultierende Spannungen und/oder Verformungen am Injektor erfasst oder abgreift, verarbeitet die Sensorik zum frühestmöglichen Zeitpunkt Informationen, die den weiteren Ablauf bestimmen, da beispielsweise erst mit Öffnen des Steuerventils sich der Steuerraumdruck ändert und erst mit Änderung des Steuerraumdruckes auch die aus dem Steuerraumdruck auf die Ventilnadel ausgeübte Stellkraft sich ändert. Neben einer Erfassung von Einspritzparametern zum frühestmöglichen Zeitpunkt, und unbeeinflusst von Schwingungen in der Hochdruckzuführung, lassen sich diese auch besonders genau und unverfälscht erfassen, und zwar unter Verwendung einfacher und robuster Sensoriken, wie beispielsweise Messstreifenanordnungen.
Für die Platzierung der Sensorik erweist es sich als zweckmäßig, diese an einem umfangsseitigen, hochdruckbeaufschlagten Wandteil des Injektorkörpers vorzusehen, der insbesondere membranartig gestaltet sein kann, so dass sich auch kleinere Druckunterschiede auf kleiner Fläche gut erfassen lassen und dies mit gebräuchlichen Messeinrichtungen oder Messmethoden, so beispielsweise mit Messstreifenanordnungen oder auf spannungsoptischer Basis.
Um bezüglich der wechselseitigen Zuordnung des Steuerraums zum hochdruckbeaufschlagten Wandteil möglichst ungebunden zu sein, erweist es sich als zweckmäßig, wenn der vom Druck im Steuerraum beaufschlagte Wandteil über einen Messkanal, insbesondere einen Stichkanal angeschlossen ist, wobei für den Stichkanal nur kleine Querschnitte erforderlich sind und wobei ein solcher Stichkanal, der bevorzugt ausschließlich der Verbindung der Messstelle am umfangsseitigen Wandteil zum Steuerraum dient, insbesondere ohne Beeinträchtigung der sonstigen Konstruktion einfach eingebracht werden kann. Dies insbesondere, wenn der Injektorkörper axial segmentiert aufgebaut und der Steuerraum im Übergang zwischen aufeinander folgenden Segmenten des Injektorkörpers ausgebildet ist, so dass der Messkanal beispielsweise ausgehend vom Steuerraum gebohrt werden kann. Damit ist auch die Möglichkeit geschaffen, den vom Druck im Steuerraum beaufschlagten Wandteil bezogen auf den Umfang des Injektors nahezu beliebig zu platzieren und dadurch besonders gute Anschlussmöglichkeiten zu erreichen.
Bei einem derartigen Grundaufbau erweist es sich als zweckmäßig, wenn der Steuerraum stirnseitig angrenzend an oder stirnseitig eingreifend in eine ein Segment des Injektorkörpers bildende Ventilplatte vorgesehen wird, zu der umfangsseitig die Sensorik angeordnet, insbesondere vertieft angeordnet ist. Insbesondere bei einer derartigen Ausgestaltung und axialer Verspannung der Segmente des Ventilkörpers über eine axial übergreifende Spannmutter liegt die Sensorik auch geschützt.
Mit einem derartig gestalteten Einspritzinjektor, insbesondere unter Verwendung eines solchen Einspritzinjektors in einem Kraftstoffeinspritzsystem lässt sich dieses in einfacher Weise dahingehend gestalten, dass die Einspritzparameter durch Erfassung des Druckverlaufs im Steuerraum des Einspritzinjektors ermittelt und/oder überprüft werden können, womit auch Möglichkeiten eröffnet werden, ein solches Kraftstoff-Einspritzsystem mit mehreren auf Brennräume einspritzenden Kraftstoff-Einspritzinjektoren für die Injektoren hinsichtlich des Spritzbeginns, des Spritzendes, der Öffnungs- und Schließzeiten wie auch der Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten ihrer Düsennadeln zu überwachen und aufeinander abzustimmen. Hierbei bietet die erfindungsgemäße Erfassung des im Steuerraum gegebenen Steuerraumdruckes auch die Möglichkeit, eventuelle Unregelmäßigkeiten, insbesondere Leckagen des Steuerventils als Druckveränderungen zu erfassen, womit sich auch Fehler in der Auswertung des eingespritzten Volumens, und damit Verbrauchs- und/oder Leistungsbeeinträchtigungen vermeiden lassen. Insbesondere besteht bei der erfindungsgemäßen Lösung auch die Möglichkeit der gleichstellenden Regelung von Injektoren, im Bedarfsfall auch eines gegenteiligen Vorgehens, um die Laufruhe von mit solchen Injektoren ausgerüsteten Brennkraftmaschinen zu optimieren.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den dieser zugrunde liegenden zeichnerischen Darstellungen und den Ansprüchen. Von den Darstellungen zeigen:
1 in einem Längsschnitt den auf die Einspritzöffnungen auslaufenden unteren Teil eines Einspritzinjektors,
2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes II in 1, und
3 ein schematisiertes Diagramm, in dem, in Zuordnung zum Hub der Düsennadel eines Kraftstoff-Einspritzinjektors über der Zeit bei einem Einspritzvorgang, über der Zeit der Druckverlauf im Steuerraum als Drucksignal über der Düsennadel, korrespondierend hierzu der Einspritzratenverlauf, Spritzbeginn und Spritzende sowie bezogen auf Spritzbeginn und Spritzende die Nadelöffnungsdauer und die Nadelschließdauer veranschaulicht sind.
Im Schnitt gemäß 1 ist der untere Teil eines Einspritzinjektors 1 gezeigt. Dieser weist einen Injektorkörper 2 auf, der axial segmentiert ist und anschließend an das nur teilweise dargestellte Kopfteil 3 ein Steuerteil 4 und eine Düse 5 aufweist. In dieser Segmentierung, die zwar vorteilhaft ist, aber nur als Beispiel dient, sind das Kopfteil 3, das Steuerteil 4 und die Düse 5 über eine Düsenmutter 6 axial zusammengespannt, welche den Düsenkörper 7 im Übergangsbereich zu seinem halsförmigen Ansatz 8 hintergreift und gegen das Kopfteil 3 verschraubt ist.
Der Düsenkörper 7 weist eine zentrale Bohrung 9 auf, in der die Düsennadel 10 geführt ist und die auf im Düsenkörper 7 vorgesehene Einspritzöffnungen 11 ausläuft und gegenüberliegend mit einem Schaft 12 versehen ist, auf dem über eine Feder 13 abgestützt eine Buchse 14 geführt ist.
Die Buchse 14 ist über die Feder 13 in Richtung auf die Steuerplatte 15 des Steuerteils 4 abgestützt und umgrenzt mit ihrem über den Schaft 12 hinausragenden und an der Steuerplatte 15 anliegenden Ringbereich einen Steuerraum 16, bei axialer Abgrenzung dieses Steuerraums 16 durch die Steuerplatte 15 und den die Buchse 14 führenden Schaft 12 der Düsennadel 10.
Dem zum Düsenkörper 7 axial gegenüberliegenden Kopfteil 3 sind, was nicht dargestellt ist, die hoch- und niederdruckseitigen Versorgungsanschlüsse des Einspritzinjektors 1 zugeordnet, die, bezogen auf die Darstellung gemäß 1, mit einem hochdruckseitigen Versorgungskanal 17 und einem niederdruckseitigen Versorgungskanal 18 in Verbindung stehen, welche durch das Kopfteil 3 verlaufen und von denen der hochdruckseitige Versorgungskanal 17 das Steuerteil 4 durchsetzend über die Bohrung 9 im Düsenkörper 7 auf die über die Düsennadel 10 gesteuerten Einspritzöffnungen 11 ausläuft.
Vom hochdruckseitigen Kanal 7 abgezweigt ist ein Verbindungskanal 19, der über eine Zulaufdrossel 20 auf den Steuerraum 16 ausmündet. Vom Steuerraum 16 geht weiter ein Verbindungskanal 21 aus, der über eine Ablaufdrossel 22 auf einen Ringraum 23 ausmündet, welcher stirnseitig zwischen der Steuerplatte 15 und einer diese überdeckenden Deckplatte 25 des Steuerteils 4 liegt und über ein Steuerventil 24 gegen eine Anschlussverbindung zum niederdruckseitigen Versorgungskanal 18 abzusperren ist.
Das Steuerventil 24 ist, wie in 2 vergrößert gezeigt, veranschaulicht durch einen Ringkörper 26, dessen zentrale Ringöffnung 28 in Überdeckung zu einem axialen, abströmseitigen Kanalabschnitt 27 liegt und über einen zum Ringkörper 26 umfangsseitigen Überströmweg 37 an den Ringraum 23 angeschlossen ist. Der Überströmungsweg 37 ist veranschaulicht durch umfangsseitig zum Ringkörper 26 vorgesehene Nuten, die über radiale, stirnseitig am Ringkörper 26 vorgesehene radiale Einschnitte auf die Ringöffnung 28 auslaufen. Anstelle der umfangsseitig vorgesehenen Nuten können auch Rippen vorgesehen sein. In beiden Fällen ist der Ringkörper 26 bevorzugt in eine stirnseitige Ausnehmung der Deckplatte 25 eingesetzt, insbesondere durch Kraftschluss mit dieser verbunden. Die Verbindung des Überströmweges 37 zum Ringraum 23 ist über den Stempel 29 eines Aktors 30 abzusteuern, der an der Ankerplatte 31 des Aktors 30 angebracht ist und in Richtung auf seine Sperrlage zur Ringöffnung 28 federbelastet ist.
Auf den Ringraum 23 mündet weiter eine Befüllbohrung 32 aus, und zwar über eine Befülldrossel 33, wobei die Befüllbohrung 32 mit dem hochdruckseitigen Versorgungskanal 17 im Bereich des Übergangs zwischen der Steuerplatte 15 und dem Düsenkörper 7 verbunden ist.
Vom Steuerraum 16 geht weiter ein Messkanal 34 insbesondere in Form eines Stichkanals aus, der beispielsweise als Bohrung in die Steuerplatte 15 eingebracht ist und der gegen eine Vertiefung 35 verläuft, die umfangsseitig in der Steuerplatte 15 vorgesehen ist und eine Sensorik 36 aufnimmt. Der Messkanal 34 endet benachbart zum Boden der Vertiefung 35, so dass deren Bodenbereich insbesondere als membranartige Zwischenwand gestaltet zwischen dem Messkanal 34 und der Sensorik 36 liegt.
Durch die über den Messkanal 34 geschaffene Verbindung zum Steuerraum 16 ergibt sich für den im Übergang zwischen der Vertiefung 35 und dem Messkanal 34 liegenden Bodenbereich der Vertiefung 35 eine dem Druck im Steuerraum 16 weitgehende entsprechende, zeitgleiche Druckbeaufschlagung, aus der entsprechende Spannungen in diesem Wandbereich, und gegebenenfalls auch Verformungen resultieren, die über die Sensorik 36 abgegriffen werden können, wobei als Sensorik beispielsweise bekannte Messstreifenanordnungen verwendet werden können.
In Abhängigkeit von der Empfindlichkeit der Sensorik 35 und der Gestaltung der Steuerplatte 15 können zum Druck im Steuerraum 16 korrespondierende Spannungszustände in der Steuerplatte 15 gegebenenfalls auch anderweitig erfasst werden, ungeachtet dessen, dass die vorgeschilderte Lösung besonders vorteilhaft ist und auch bei vergleichsweise geringem Aufwand für die Messsensorik 36 schon dem Druck im Steuerraum 16 entsprechende, deutliche Signale liefert.
Diese Signale ermöglichen, wie in 3 veranschaulicht, die zur hydraulischen Ansteuerung zeitgleiche Erfassung des Hubes der Düsennadel über der Zeit, und dies sowohl hinsichtlich des Spritzbeginns wie auch des Spritzendes sowie der Nadelöffnungsdauer und der Nadelschließdauer und des Druckverlaufs über der Düsennadel 10, wobei korrespondierend hierzu – im Messbetrieb – der Einspritzratenverlauf erfasst, gegebenenfalls aber auch errechnet werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3122553 C2 [0003]
DE 102005024194 A1 [0004]
WO 2007/054407 A1 [0005]

Claims

Einspritzinjektor, insbesondere für Hubkolben-Brennkraftmaschinen, mit einem Injektorkörper (2), mit hoch- und niederdruckseitigen Versorgungsanschlüssen, mit einer hubverstellbaren Düsennadel (10), mit einem mit der Hochdruckseite in Verbindung stehenden, gegen die Düsennadel offenen Steuerraum (16), mit über einen Aktor (30) verstellbarem, in der Verbindung des Steuerraums (16) zur Niederdruckseite liegenden Steuerventil (24), und mit einer aus der Druckbeaufschlagung in einem hochdruckseitig beaufschlagten Bereich des Injektorkörpers (2) resultierende, spannungsbedingte Änderungen erfassenden Sensorik (36), dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik (36) aus dem im Steuerraum (16) gegebenen Steuerraumdruck resultierende Spannungen und/oder Verformungen am Injektorkörper (2) erfassend, insbesondere abgreifend, angeordnet ist.
Einspritzinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik (36) einem hochdruckbeaufschlagten, umfangsseitigen Wandteil des Injektorkörpers (2) zugeordnet ist.
Einspritzinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik (36) an einem membranartig ausgebildeten Wandteil des Injektorkörpers (2) vorgesehen ist.
Einspritzinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik (36) durch eine Messstreifenanordnung gebildet und/oder als spannungsoptische arbeitende Erfassungseinrichtung ausgebildet ist.
Einspritzinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (16) einen zum membranartig ausgebildeten und vom Druck im Steuerraum (16) beaufschlagten Wandteil zulaufenden Messkanal (34), insbesondere einen auf das membranartige Wandteil auslaufenden Stichkanal aufweist.
Einspritzinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektorkörper (2) axial segmentiert aufgebaut und der Steuerraum (16) im Übergang zwischen aufeinander folgenden Segmenten des Injektorkörpers (2) ausgebildet ist.
Einspritzinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (16) stirnseitig angrenzend an eine ein Segment des Injektorkörpers (2) bildende Steuerplatte (15) vorgesehen ist, zu der umfangsseitig die Sensorik (36) angeordnet ist.
Einspritzinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik in einer umfangsseitigen Vertiefung (35), insbesondere einer Tasche der Steuerplatte (15) angeordnet ist, gegen deren, insbesondere membranartigen Boden der Messkanal (34) angrenzt, insbesondere in seiner Ausbildung als Stichkanal ausläuft.
Einspritzinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (34) durch eine von der zum Steuerraum (16) begrenzenden Stirnwand der Steuerplatte (15) ausgehende Bohrung gebildet ist.
Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit in Abhängigkeit vom Druck in einem Steuerraum (16) auf ihre Schließlage druckbeaufschlagter Düsennadel (10) und mit einem dem Steuerraum (16) zugeordneten, über einen Aktor (30) beaufschlagbaren Steuerventil (24), bei dem über die Ansteuerzeiten für das Steuerventil (24) Einspritzparameter vorgegeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzparameter durch Erfassung des Druckverlaufs im Steuerraum (16) ermittelt und/oder überprüft werden.