Steuerventilanordnung

Die Erfindung steht im Zusammenhang mit Steuerventilanordnungen an einem Steuerraum, insbesondere eines Kraftstoffinjektors, mit einem die Ventilanordnung betätigenden elektromagnetischen Aktor.

Stand der Technik

Bei einem aus der DE 10 2007 060 395 AI bekannten Kraftstoffinjektor ist zur Steuerung der Einspritzdüsen eine Düsennadel vorgesehen, deren düsenfernes Ende nach Art eines Plungers ausgebildet und verdrängerwirksam in einem Steuerraum angeordnet ist, der über eine Zulaufdrossel mit der Hochdruckseite des Kraftstoffinjektors kommuniziert und über eine Steuerventilanordnung mit der Niederdruckseite des Kraftstoffinjektors verbindbar ist. Dabei ist der Steuerraum bei geschlossener Steuerventilanordnung nur mit der Hochdruckseite des Kraftstoffinjektors verbunden, während der Druck im Steuerraum bei geöffneter Steuerventilanordnung infolge der dann vorhandenen Verbindung mit der Niederdruckseite absinkt. Bei Hochdruck im Steuerraum wird die Düsennadel in ihre Schließlage geschoben. Dagegen wird die Düsennadel vom Druck an den Düsen in ihre Offenlage geschoben, wenn das Schaltventil geöffnet ist. Bei dem Kraftstoffinjektor der DE 10 2007 060 395 AI besitzt der Steuerraum einen zur Niederdruckseite eines Ventilkörpers ausmündenden Auslasskanal, welcher durch die Steuerventilanordnung gesteuert wird. Zu diesem Zweck besitzt die Steuerventilanordnung einen hülsenförmigen Schließkörper, welcher auf einer zum Auslasskanal glei- chachsigen Führungsstange verschiebbar angeordnet ist, wobei der Ringspalt zwischen dem Außenumfang der Führungsstange und dem Innenumfang des hülsenförmigen Schließkörpers als praktisch leckagefreier Dichtspalt ausgebildet ist. Der hülsenförmige Schließkörper wirkt mit einem zur Mündung des Auslasskanals konzentrischen Sitz zu- sammen und ist mit einem Anker verbunden, der seinerseits mit einer zur Führungsstange gleichachsigen Elektromagnetanordnung zusammenwirkt. Bei elektrischer Bestromung der Elektromagnetanordnung wird der Anker zusammen mit dem hülsen- förmigen Schließkörper in Richtung der Elektromagnetanordnung gezogen, so dass der Schließkörper von seinem Sitz abhebt. Im elektrisch nicht bestromten Zustand der Elektromagnetanordnung wird der Schließkörper von einer Schließfeder in seine Schließlage gestellt, wobei sich der Anker von der Elektromagnetanordnung entfernt.

Grundsätzlich ist es erwünscht, die Betriebsphasen eines Kraftstoffinjektors genau erfassen zu können, um eine optimale Motorsteuerung zu ermöglichen. Durch Verschleißerscheinungen am Kraftstoffinjektor wird eine Drift der Schließzeitpunkte der Düsennadel verursacht, mit der Folge, dass sich die Einspritzmengen des Kraftstoffes entsprechend verändern und der jeweilige Motor nicht mehr optimal arbeitet. Ebenso weisen die Injektoren auf Grund unvermeidlicher Bauteilstreuungen auch eine Exemplarstreuung der Einspritzmenge bei gleicher Ansteuerung auf.

Offenbarung der Erfindung

Mit der Erfindung soll nun bei geringem konstruktivem Aufwand eine Erfassung der Schließzeiten ermöglicht werden.

Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Steuerraumdruck ein elastisch verformbares oder gegen elastischen Widerstand bewegliches Teil, welches das Magnetfeld des Aktors führt oder bündelt, belastet, wobei bewegungs- bzw. verformungsabhängige elektrische oder magnetische Parameter des Aktors zur Ermittlung von mit dem Steuerraumdruck korrelierten Betriebszeitpunkten oder -parametern ausgewertet werden.

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass sich der Steuerraumdruck am Beginn und am Ende der Einspritzphase eines Kraftstoffinjektors signifikant ändert. Indem nun erfindungsgemäß ein zum Steuerraumdruck analoger Eingriff in das Magnetfeld des Aktors erfolgt, kann durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Spannung oder des elektrischen Stroms am Aktor der Betriebsablauf des Kraftstoffinjektors mit hoher Präzision erfasst und überwacht werden. Der Aktor übernimmt also eine Doppelfunktion, indem er nicht nur zur Betätigung der Steuerventilanordnung sondern auch als Sensor für die Betriebsphasen des Kraftstoffinjektors dient. Gemäß einer konstruktiv bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die erfindungsgemäße Steuerventilanordnung einen auf einer Führungsstange verschiebbar geführten hülsenförmigen Schließkörper, welcher mit einem Anker einer den Aktor bildenden Elektromagnetanordnung verbunden ist. Dabei ist des weiteren vorgesehen, dass der innerhalb des hülsenförmigen Schließkörpers vorliegende Fluiddruck über die Füh- rungsstange auf das verformbare bzw. bewegliche Teil abtragbar ist.

Hier bleibt also die aus der DE 10 2007 060 395 AI an sich bekannte Konstruktion der Steuerventilanordnung weitestgehend unverändert, im Wesentlichen erhält nur die Führungsstange eine Doppelfunktion, indem sie auch die Übertragung der fluidischen Druckkräfte auf ein das Magnetfeld des Aktors führendes bzw. bündelndes, mittels der

Druckkräfte verformbares oder bewegbares Teil übernimmt.

Dieses Teil kann als verformbares oder bewegliches Teil eines zur Stangenachse radialen Bodens einer Polschuhanordnung des als Aktor dienenden Elektromagnets aus- gebildet sein. Durch Verformung bzw. Verlagerung dieses Bodens kann die Relativlage der Polschuhe verändert werden, wobei gleichzeitig die elektrischen bzw. magnetischen Parameter des Elektromagnets verändert werden.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben werden.

Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen ausschnittsweisen Axialschnitt eines Kraftstoffinjektors,

Fig. 2 ein Diagramm, welches den zeitlichen Verlauf des Düsennadelhubs sowie des Steuerraumdrucks darstellt,

Fig. 3 einen Axialschnitt des Kraftstoffinjektors im Bereich des elektromagnetischen Aktors,

Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform,

Fig. 5 eine Darstellung einer weiteren Abwandlung, Fig. 6 eine nochmals abgewandelte Ausführungsform, Fig. 7 eine zusätzliche Variante und Fig. 8 eine weitere Variante. Ausführungsformen der Erfindung

Gemäß Fig. 1 ist innerhalb eines Injektorkörpers 1 ein Hochdruckraum 2 sowie ein Niederdruckraum 3 angeordnet. Diese beiden Räume sind voneinander durch ein Ventilstück 4 getrennt.

Der Hochdruckraum 2 kommuniziert über einen Zulaufkanal 5 mit einer nicht dargestellten Hochdruckquelle für Kraftstoff, in der Regel ein so genanntes Common Rail. Der Niederdruckraum 3 ist über eine nicht dargestellte Rücklaufleitung oder dergleichen mit einem Kraftstofftank oder dergleichen verbunden. Der Hochdruckraum 2 ist über nicht dargestellte Einspritzdüsen mit dem Brennraum eines ebenfalls nicht dargestellten Verbrennungsmotors verbindbar. Die Einspritzdüsen werden in bekannter Weise mittels einer Düsennadel gesteuert, von der in Fig. 1 nur das düsenferne Ende, welches als Plunger 6 ausgebildet ist, dargestellt ist. Der Plunger 6 ist verdrängerwirksam in einem im Ventilstück 4 angeordneten Steuerraum 7 angeordnet. Dieser Steuerraum kommuniziert über eine Zulaufdrossel 8 mit dem Hochdruckraum 2 und über eine Ablaufdrossel 9 mit dem Niederdruckraum 3, wobei die Ablaufdrossel 9 mittels einer Steuerventilanordnung 10 gesteuert wird. Wenn die Ablaufdrossel 9 mittels der Steuerventilanordnung 10 abgesperrt wird und die Düsennadel sich in ihrer Schließlage befindet, stellt sich im Steuerraum 7 der gleiche Hochdruck wie im Hochdruckraum 2 ein, mit der Folge, dass der Plunger 6 in Fig. 1 nach abwärts ge- presst wird und die damit verbundene Düsennadel in ihrer die Einspritzdüsen absperrenden Schließlage gehalten wird. Wird der Ablaufkanal 9 mittels der Steuerventilanordnung 10 geöffnet, stellt sich im Steuerraum 7 ein gegenüber dem Hochdruck im Hochdruckraum 2 stark verminderter Druck ein, und der Plunger 6 verschiebt sich zusammen mit der Düsennadel in Fig. 1 in Aufwärtsrichtung, das heißt die Düsennadel wird in deren Offenlage gestellt, so dass Kraftstoff durch die Einspritzdüsen in den Brennraum eingespritzt wird.

Die Steuerventilanordnung 10 besitzt einen hülsenförmigen Schließkörper 11, der von einer Schließfeder 12, die als Schraubendruckfeder ausgebildet ist, gegen einen zur Auslassmündung des Ablaufkanals 9 konzentrischen Sitz gespannt wird. Im Beispiel der Fig. 1 ist der Sitz als Planfläche ausgebildet, auf der der hülsenförmige Schließkörper 11 mit einer linienförmigen Ringkante aufsitzt. Grundsätzlich kann jedoch auch ein anders geformter Sitz vorgesehen sein.

Der hülsenförmige Schließkörper 11 ist auf einer zur Längsachse 100 des Injektorkörpers 1 gleichachsigen Führungsstange 13 axial verschiebbar geführt, wobei der Ringspalt zwischen dem Innenumfang des Schließkörpers 11 und dem Außenumfang der Führungsstange 13 als praktisch leckagefreier Drosselspalt ausgebildet ist. Wenn der Schließkörper 11 die in Fig. 1 dargestellte Schließlage einnimmt, wird der innerhalb des Schließkörpers 11 gebildete Druckraum 14, welcher über den Ablaufkanal 9 mit dem Steuerraum 7 kommuniziert und dementsprechend gleichen Fluiddruck wie der Steuer- räum 7 aufweist, gegenüber dem Niederdruckraum 3 abgesperrt. Am Schließkörper 11 ist ein sternförmiger Anker 15 einer Elektromagnetanordnung 16 angeordnet, der als Aktor zur Betätigung der Steuerventilanordnung 10 vorgesehen ist. Die Elektromagnetanordnung 16 besitzt in bekannter Weise eine Magnetspule 17, die innerhalb einer zur Führungsstange 13 konzentrischen Polschuhanordnung mit einem ringförmigen Außenpol 18 und einem ringförmigen Innenpol 19 angeordnet ist. Wird die Magnetspule 17 elektrisch bestromt, wird der Anker 15 von den Polen 18 und 19 magnetisch angezogen, so dass der Schließkörper 11 gegen die Kraft der Schließfeder 12 von seinem Sitz abgehoben und die Steuerventilanordnung 10 geöffnet wird.

Während der geschlossenen Phase der mit dem Plunger 6 verbundenen Düsennadel, das heißt bei geschlossenen Einspritzdüsen, ist die Steuerventilanordnung 10 geschlossen, und im Druckraum 14 sowie im Steuerraum 7 liegen gleiche Fluiddrucke vor. Unmittelbar vor dem Schließzeitpunkt der Düsennadel sinkt der Druck im Steuerraum 7 wegen des zu diesem Zeitpunkt geringen Drucks unter dem Düsensitz der Düsennadel und der damit einhergehenden Schließbewegung des Plungers 6 unter den Hochdruck im Zulaufkanal 5 ab. Unmittelbar nach dem Schließen der Düsennadel kommt es wegen des nun stillstehenden Plungers 6 zu einem steilen Anstieg des Drucks im Steuerraum 7, wobei der Steuerraumdruck auf den Druck im Zulaufkanal 5 ansteigt. Der Druck im Steuerraum 7 und der damit praktisch identische Druck im Druckraum 14 weisen folglich zum Schließzeitpunkt der Düsennadel ein ausgeprägtes Minimum auf. In Fig. 2 ist der Verlauf des Düsennadelhubs im Diagramm A und der Verlauf des Steuerraumdrucks im Diagramm B beispielhaft dargestellt. Da der Druck des Steuerraums 7 auch im Druckraum 14 vorliegt, wird die Führungsstange 13 innerhalb des Schließkörpers 11 bei geschlossener Steuerventilanordnung 10 stirnseitig immer vom Steuerraumdruck belastet.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, den Steuerraumdruck mittels der Führungsstange 13 auf eine in Fig. 1 nur schematisch dargestellte Übertragung 20 abzutragen, die elektromagnetische Parameter der Elektromagnetanordnung 16 verändert, derart, dass die Schließzeitpunkte der Düsennadel durch entsprechende Auswertung des elektrischen Strom-Spannungsverlaufs an der Magnetspule 17 erkannt werden können. Damit übernimmt die Elektromagnetanordnung 16 zusätzlich zu ihrer Aktorfunktion auch Sen- sorfunktionen, und die Führungsstange 13 hat zusätzlich zu ihrer Führungsfunktion für den Schließkörper 11 die Aufgabe eines Steuerelements zur Veränderung von Parametern der Elektromagnetanordnung 16.

Die Fig. 3 zeigt nun ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Möglichkeit der Veränderung der Parameter der Elektromagnetanordnung 16. Die vom Druck im Druckraum 14 abhängige Axialkraft der Führungsstange 13 wird auf einen elastisch biegbaren Boden 21 abgetragen, der einen Teil der Polschuhanordnung bildet und mit den Polen 18 und 19 verbunden ist. Entsprechend der Verbiegung des Bodens 21 ändert sich der Luftspalt zwischen dem Innenpol 19 und dem Anker 15, das heißt bei einer Erhöhung des Drucks im Steuerraum 7 und der damit einhergehenden Erhöhung des Drucks im Druckraum 14 wird der Luftspalt zwischen Anker 15 und Innenpol 19 vergrößert. Wenn nun der Steuerraumdruck unmittelbar nach dem Schließzeitpunkt der Düsennadel ansteigt, steigt zu diesem Zeitpunkt auch die auf den Boden 21 wirkende Axialkraft der Führungsstange 13 und bewirkt eine Erhöhung des Luftspalts zwischen Innenpol 19 und Anker 15. Ist zu diesem Zeitpunkt ein Restfluss im Magnetkreis vorhanden, so bewirkt die Vergrößerung des vorgenannten Luftspalts eine Veränderung der Spulenspannung (bei verschwindendem Spulenstrom) oder eine Änderung des Spulenstroms (bei verschwindender Spulenspannung). Sollte kein hinreichender magnetischer Restfluss vorhanden sein, so wird vor dem erwarteten Schließzeitpunkt der Düsennadel die Magnetspule 12 schwach bestromt, um erneut Magnetfluss aufzubauen. Dabei wird das Maß der Bestromung so gering gewählt, dass der Schließkörper 11 in seiner Schließlage bleibt.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist der Boden 21 auf seiner vom Innenpol 19 abgewandten Seite stationär abgestützt. Außerdem ist der Außenpol 18 separat vom Boden 21 stationär im Injektorkörper 1 angeordnet, wobei zwischen dem Boden 21 und dem Außenpol 18 ein Luftspalt 22 verbleibt. Dieser Luftspalt verändert sich in Abhängigkeit von der Axialkraft der Führungsstange 13. Die damit einhergehenden Änderungen des magnetischen Flusses der Elektromagnetanordnung 16 eröffnen somit wiederum die Möglichkeit, den Schließzeitpunkt der Düsennadel genau zu erfassen. Bei der Ausführungsform der Fig. 5 bilden der Innenpol 19 sowie der Außenpol 18 eine vom biegsamen Boden 21 getrennte Polschuhanordnung, deren Brückenbereich zwischen den Polen 18 und 19 mit vergleichsweise kleinem Querschnitt ausgebildet ist. Am Außenumfang liegt der aus ferromagnetischem Material bestehende Boden 21 an einem zugewandten Ringsteg der Polschuhanordnung an, derart, dass ein Luftspalt 23 erzeugt wird. Dieser Luftspalt verändert sein Spaltmaß in Abhängigkeit von der elastischen Verbiegung des Bodens 21 und dementsprechend in Abhängigkeit von der Axialkraft der Führungsstange 13. Damit verändert sich der magnetische Widerstand, der dem magnetischen Fluss zwischen den Polen 19 und 20 entgegensteht. Die damit verbundenen Rückwirkungen auf den elektrischen Strom-Spannungsverlauf an der Magnetspule 17 bieten wiederum die Möglichkeit, den Schließzeitpunkt der Düsennadel zu erkennen.

Die Ausführungsform der Fig. 6 unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 5 im Wesentlichen nur dadurch, dass der biegsame Boden 21 auf einem Ringsteg auf der Rückseite des Innenpols 19 aufliegt und bei elastischer Verbiegung des Bodens 21 ein Luftspalt 24 verändert wird. Funktionsmäßig gelten somit für die Ausführungsform der Fig. 6 die Ausführungen zur Ausführungsform der Fig. 5.

Bei der Ausführungsform der Fig. 7 sind der Innenpol 19 und der Außenpol 18, die jeweils aus einem magnetisierbaren, insbesondere ferromagnetischen Material bestehen, miteinander über einen Steg 25 aus amagnetischem Material verbunden. Dieser Steg 25 ist im Beispiel der Fig. 7 auf der von dem Anker 15 abgewandten Stirnseite der Magnetspule 17 vorgesehen. Der biegsame Boden 21 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass er bei verschwindender Axialkraft der Führungsstange 13, das heißt bei entsprechend geringem Druck im Steuerraum 7 bzw. im Druckraum 14, auf den zugewandten Stirnseiten der Pole 18 und 19 aufliegt. Damit bildet der Boden 21, welcher aus einem magnetisch gut leitfähigem Material besteht, eine magnetisch gut leitfähige Verbindung zwischen den Polen 18 und 19. Sobald die Führungsstange 13 mit größerer Axialkraft gegen den Boden 21 gespannt wird, hebt dieser vom Innenpol 19 unter Bildung eines Luftspalts 26 ab, so dass der magnetische Widerstand für den magnetischen Fluss zwischen den Polen 18 und 19 signifikant vergrößert wird. Eine funktional gleichartige Ausführungsform ist in Fig. 8 dargestellt. Diese Ausfüh- rungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 7 lediglich dadurch, dass der amagnetische Steg 25' auf der dem Anker 15 zugewandten Seite der Magnetspule 17 angeordnet ist. Wenn die Führungsstange 13 axial kraftfrei ist, liegt der Boden 21 wiederum auf den zugewandten Stirnseiten der Pole 18 und 19 auf, und bei entsprechender Axialkraft der Führungsstange 13 wird am Innenpol der Luftspalt 26' gebildet.