Verfahren zur Steuerung eines Kraftstoff-Einspritzinjektors für eine

Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Kraftstoff-Einspritzinjektors für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In der DE 10 2011 051 903 AI wird ein Kraftstoff-Einspritzinjektor für eine Brennkraftmaschine beschrieben, dessen Ventilglied von einer Düsennadel gebildet ist, die durch die Kraft eines Federelementes in die Schließposition kraftbeaufschlagt ist. Die Düsennadel ist in einem

Hochdruckraum eines Düsenkörpers axial verstellbar, in dem sich unter Hochdruck stehender

Kraftstoff befindet. Zur Durchführung des Einspritzvorgangs wird ein elektromagnetischer Aktor bestromt und eine vom Aktor beaufschlagte Ankerstange angehoben, woraufhin eine

Strömungsverbindung zwischen einem Steuerraum in einer Steuerraumbuchse, die die

Düsennadel umgreift, und der Niederdruckseite des Injektors freigegeben wird. Durch den reduzierten Druck im Steuerraum wird die Düsennadel aus dem Dichtsitz angehoben und von der Schließ- in die Öffnungsposition verstellt, woraufhin der Kraftstoff an der Düsennadelspitze austreten kann.

Die Ankerstange ist von einem Federelement in Richtung auf die Steuerraumbuchse

kraftbeaufschlagt. Um sicherzustellen, dass die Steuerraumbuchse dichtend an einem

Ankerstangenführungsbauteil des Injektors anliegt und ein unerwünschtes Abfließen des Kraftstoffs ins Leckagesystem des Kraftstoffs verhindert wird, muss die Kraft der

Düsennadelfeder zuzüglich der hydraulischen Druckkraft gegen die Steuerraumbuchse größer sein als die Schließkraft des Federelementes, das die Ankerstange in Richtung auf die

Steuerraumbuchse drückt. Hierdurch ergibt sich eine Limitierung des zulässigen Systemdrucks oder der Ventilquerschnittsfläche, die zur Entdrosselung des vollständig geöffneten Pilotventils bei festgelegtem Hub möglichst groß sein sollte. Des Weiteren besteht für das Federelement der Ankerstange eine Abhängigkeit von der Auslegung der Düsennadelfeder, die ihrerseits von der Druckstufenauslegung der Düsennadel abhängig ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Kraftstoff-Einspritzinjektor mit einfachen Maßnahmen eine präzise Steuerung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge bei hohen Drücken zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Das Verfahren bezieht sich auf die Steuerung eines Kraftstoff-Einspritzinjektors für eine Brennkraftmaschine, der eine verstellbar angeordnete Düsennadel aufweist, welche zur

Durchführung eines Einspritzvorgangs eine Hubbewegung ausführt. Die Düsennadel wird von einer Düsennadelfeder und dem Druck im Steuerraum in ihre Schließposition gedrängt. Der Kraftstoff-Einspritzinjektor ist mit einem Steuer- bzw. Pilotventil ausgestattet, über das die Hubbewegung der Düsennadel steuerbar ist. Das Pilotventil umfasst eine Ankerstange, die von einer Pilotfeder in Richtung auf die Düsennadel kraftbeaufschlagt ist. Zur Durchführung des

Einspritzvorgangs wird die Ankerstange gegen die Kraft der Pilotfeder von einem bestrombaren Aktor angehoben, der vorzugsweise als elektromagnetischer Aktor ausgeführt ist. In Betracht kommen auch andere elektrisch betätigbare Aktoren, beispielsweise Piezo-Aktoren. Vorteilhafterweise beaufschlagt die Ankerstange des Pilotventils eine Steuerraumbuchse, die auf der Düsennadel aufsitzt, wobei zwischen der Stirnseite der Düsennadel und der Innenseite der Steuerraumbuchse ein Steuerraum liegt, der über einen Kanalabschnitt, insbesondere einen Drosselkanal, mit einem Hochdruckraum strömungsverbunden ist. Ein weiterer Kanalabschnitt bzw. Drosselkanal in der Steuerraumbuchse wird im geschlossenen Zustand von der

Ankerstange versperrt und ist bei angehobener Ankerstange mit der Niederdruckseite des

Kraftstoff-Einspritzinjektors strömungsverbunden. Somit kann bei angehobener Ankerstange Kraftstoff, der unter Hochdruck steht, aus dem Steuerraum zur Niederdruckseite abfließen, woraufhin die Düsennadel von dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoff im Hochdruckraum angehoben und der Einspritzvorgang durchgeführt wird. Das Anheben der Ankerstange erfolgt gegen die Kraft der Pilotfeder durch Bestromung des Aktors.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise beim Start der Brennkraftmaschine ein- oder mehrmalig und vor dem Beginn des Kraftstoff-Einspritzens die Ankerstange verstellt, indem der Aktor mit einem Aktivierungsstrom beaufschlagt wird. Durch die Aktivierung des Aktors und damit einhergehend das Anheben der Ankerstange ist sichergestellt, dass die

Düsennadelfeder, welche die Düsennadel in Richtung der Schließposition kraftbeaufschlagt und die Steuerraumbuchse gegen die Ankerstange drückt, entlastet wird, so dass die

Steuerraumbuchse in eine Kontakt- bzw. Anschlagsposition mit einem die Ankerstange des Pilotventils aufnehmenden Anker Stangenführung steil gelangt und insbesondere die

Strömungsverbindung zur Niederdruckseite versperrt ist. Daraufhin kann in dem

Hochdruckraum des Kraftstoff-Einspritzinjektors der gewünschte Hochdruck des Kraftstoffs aufgebaut werden. Die Steuerraumbuchse dichtet die Niederdruckseite des Kraftstoff- Einspritzinjektors ab, so dass in dieser Phase ein unerwünschtes Abströmen des Kraftstoffs zur Niederdruckseite verhindert wird.

Es genügt, die Ankerstange vor dem Beginn des Kraftstoff-Einspritzens einmalig gegen die Kraft der Pilotfeder anzuheben, um die Strömungsverbindung zur Niederdruckseite zu versperren und den Aufbau des gewünschten Hochdrucks zu ermöglichen. Es ist aber auch möglich, mehrmals hintereinander, beispielsweise zweimal oder dreimal hintereinander den Aktor mit einem

Aktivierungsstrom in gleicher oder unterschiedlicher Höhe zu beaufschlagen, vorzugsweise jeweils mit gleicher oder auch mit unterschiedlicher Zeitdauer, und die Ankerstange vor dem Beginn des Kraftstoff-Einspritzens gegen die Kraft der Pilotfeder anzuheben, wobei zwischen zwei aufeinander folgenden Bestromungen des Aktors der Aktivierungsstrom entweder auf null oder auf einen Wert größer als null zurückgeht.

Die Höhe des Aktivierungsstroms ist vorteilhafterweise so bemessen, dass die Ankerstange soweit angehoben wird, dass die Steuerraumbuchse in die Kontakt- bzw. Anschlagsposition mit dem Ankerstangenführungsteil gelangt und die Strömungsverbindung zur Niederdruckseite versperrt ist. Der Kanalabschnitt bzw. der Drosselkanal in der Steuerraumbuchse bleibt in der Phase vor dem beginn des Einspritzvorgangs verschlossen und ist noch nicht mit der

Niederdruckseite des Kraftstoff-Einspritzinjektors Strömung sverbunden. Erst mit dem Beginn des Einspritzvorgangs wird der Aktor mit einem Einspritzstrom beaufschlagt, der vorzugsweise höher ist als der Aktivierungsstrom, wodurch die Ankerstange soweit angehoben wird, dass der Kanalabschnitt bzw. der Drosselkanal in der Steuerraumbuchse geöffnet und mit der

Niederdruckseite des Kraftstoff-Einspritzinjektors Strömung sverbunden wird.

Durch die dem Kraftstoff-Einspritzen vorgeschaltete Betätigung des Aktors und damit einhergehend das Anheben der Ankerstange wird zumindest weitgehend Unabhängigkeit von der Auslegung der Pilotfeder erreicht. Es können insbesondere auch Pilotfedern verwendet werden, die bei gleicher Auslenkung eine höhere Federkraft als die entgegengerichtete Düsennadelfeder erzeugen, beispielsweise durch eine höhere Federkonstante, so dass sich ohne Betätigung des Aktors ein Kräftegleichgewicht einstellt, bei dem zwischen der Steuerraumbuchse und der Anschlagsfläche am Ankerstangenführungsbauteil ein Spalt klafft, über den eine

Strömungsverbindung zur Niederdruckseite freigegeben ist. Die Auslegung der Pilotventilfeder mit höherer Federkraft bzw. Federkonstante erlaubt einen höheren Systemdruck des

einzuspritzenden Kraftstoffes. Der entstehende Spalt zwischen der Steuerraumbuchse und der Anschlagsfläche am Ankerstangenführungsbauteil wird durch die vorgeschaltete Betätigung des Aktors mit dem Aktivierungsstrom und der Anhebung der Ankerstange geschlossen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung wird der Aktor so lange mit dem Aktivierungsstrom beaufschlagt, bis die Steuerraumbuchse auf Kontakt mit der Kontaktfläche des

Ankerstangenführungsbauteils liegt. In dieser Position der Steuerraumbuchse ist der

Strömungsweg zur Niederdruckseite versperrt, so dass der erforderliche Kraftstoff-Systemdruck aufgebaut werden kann.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung erfolgt die Bestromung des Aktors mit dem Aktivierungsstrom erst für den Fall, dass die Brennkraftmaschine während des

Anschleppvorgangs, welcher über eine Startvorrichtung durchgeführt wird, einen

Drehzahlgrenzwert erreicht hat. Bei dem Drehzahlgrenzwert handelt es sich vorzugsweise um die Anlass- bzw. Schleppdrehzahl der Brennkraftmaschine. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Aktivierung des Aktors zeitnah vor dem ersten Einspritzvorgang erfolgt und die Zeitdauer, mit dem der Aktor mit Aktivierungsstrom beaufschlagt wird, auf ein Minimum begrenzt ist.

Die Zeitdauer, über die der Aktor mit Aktivierungsstrom betätigt wird, kann entweder für einen festgelegten Zeitraum aufrechterhalten oder in Abhängigkeit des Kraftstoffdrucks im

Hochdruckraum gesteuert werden. Im letztgenannten Fall bleibt der Aktivierungsstrom vorteilhafterweise so lange aufrechterhalten, bis der Kraftstoffdruck um ein definiertes Maß angestiegen ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass mit dem ansteigenden Kraftstoffdruck die

Steuerraumbuchse auf Kontakt zum Ankerstangenführungsbauteil bleibt und kein erneuter Spalt zwischen Steuerraumbuchse und Ankerstangenführungsbauteil auftritt. Es kann ausreichend sein, die Höhe des Aktivierungsstroms geringer zu wählen als ein

Haltestrom des Aktors, mit dem dieser bei den Einspritzvorgängen während der maximalen Öffnung der Düsennadel bestromt wird. Diese Höhe des Aktivierungsstroms reicht aus, um die Steuerraumbuchse so weit anzuheben, dass der Spalt zum Ankerstangenführung sb auteil geschlossen wird. Gegebenenfalls kann es zweckmäßig sein, in den Verlauf des

Aktivierungsstroms einen erhöhten Boostabschnitt zu integrieren, an den sich ein Abschnitt geringerer Stromhöhe anschließt. Während des Boostabschnittes erfolgt die Überführung der Ankerstange in die angehobene Position mit geschlossenem Spalt, die während des Abschnittes geringerer Stromhöhe gehalten wird. Vorteilhafterweise wird der Boostabschnitt über eine kürzere Zeitspanne aufrechterhalten als der sich an den Boostabschnitt anschließende Abschnitt geringerer Stromhöhe.

Die gesamte Zeitdauer, über die der Aktivierungsstrom aufrechterhalten wird, liegt vorzugsweise zwischen 0.1 s und 1 s.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung schließt sich der Einspritzstromverlauf, mit dem der Aktor während eines Einspritzvorgangs bestromt wird, unmittelbar an den Verlauf des Aktivierungsstrom an. Während der Aktivierung bleibt die Ankerstange bzw. die Ventilkugel in Kontakt mit der Buchse. Mit dem Aufbringen des Einspritzstroms wird die Ankerstange bis in ihre Endposition mit maximalem Ventilhub gezogen.

Der Einspritzstromverlauf kann drehzahlsynchron auf den Aktor aufgeschaltet werden. Mit dem Erreichen des Start- bzw. Systemdruckes beginnt der Kraftstoff-Einspritzinjektor automatisch den Einspritzvorgang.

Gemäß einer alternativen Ausführung schließt sich der Einspritzstromverlauf, mit dem der Aktor während eines Einspritzvorgangs bestromt wird, mit zeitlicher Verzögerung an den Verlauf des Aktivierungsstroms an. Die zeitliche Verzögerung entspricht vorteilhafterweise der Zeitdauer, bis ein definierter Startdruck des Kraftstoffs im Hochdruckraum erreicht worden ist.

Die Verfahrensschritte zur Steuerung des Kraftstoff-Einspritzinjektors werden vorteilhafterweise über ein Steuergerät bzw. eine Steuereinheit durchgeführt. Insbesondere das Beaufschlagen des Aktors mit einem Aktivierungsstrom vor dem Beginn des Einspritzvorgangs und mit einem Einspritzstrom während der Durchführung des Einspritzvorgangs werden im Steuergerät bzw. der Steuereinheit gesteuert.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der

Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kraftstoff-Einspritzinjektor für eine Brennkraftmaschine,

Fig.2 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Kraftstoff-Einspritzinjektor im Bereich einer Steuerraumbuchse, die unmittelbar benachbart zu einem Anker Stangenführung steil angeordnet ist,

Fig. 3 den Stromverlauf in Abhängigkeit der Zeit, mit dem ein elektromagnetischer Aktor im Kraftstoff-Einspritzinjektor beaufschlagt wird,

Fig. 4 ein weiterer zeitabhängiger Stromverlauf des Aktors in einer Ausführungsvariante.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein Kraftstoff-Einspritzinjektor 1 für eine Brennkraftmaschine dargestellt, der als Ventilglied eine axial verstellbare Düsennadel 2 aufweist, welche in einem Düsenkörper 3 verstellbar aufgenommen ist. Die Düsennadelspitze verschließt in Schließposition eine

Einspritzöffnung 4 im Düsenkörper 3. Bei angehobener Düsennadel 2 kann über die

Einspritzöffnung 4 Kraftstoff austreten.

Im Düsenkörper 3 befindet sich ein Hochdruckraum 5, in dem die Düsennadel 2 aufgenommen ist und die Hubbewegung während des Öffnens und Schließens ausführen kann. Der

Hochdruckraum 5, der sich entlang des Außenumfangs der Düsennadel 2 bis zur

Einspritzöffnung 4 erstreckt, ist mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff gefüllt und wird über eine Hochdruckleitung 6 mit Kraftstoff versorgt. Die Hochdruckleitung 6 erstreckt sich durch einen Injektorkörper 7 des Kraftstoff-Einspritzinjektors 1 sowie ein Anker Stangenführung steil 8, das zwischen dem Injektorkörper 7 und dem Düsenkörper 3 angeordnet und mit diesen beiden Bauteilen fest verbunden ist. Düsenkörper 3, Injektorkörper 7 und Anker Stangenführung steil 8 sind von einer Spannmutter 9 übergriffen. Axial verschieblich auf dem der Düsennadelspitze gegenüberliegenden Ende sitzt auf der Düsennadel 2 eine Steuerraumbuchse 10 auf. Die Steuerraumbuchse 10 stützt sich über eine Düsennadelfeder 11 an einem Absatz an der Mantelfläche der Düsennadel 2 ab, wodurch die Düsennadel 2 in Richtung ihrer Schließstellung gedrückt wird.

Die Steuerraumbuchse 10 ist von einer Ankerstange 12 in Richtung der Schließstellung der Düsennadel 2 beaufschlagt, wobei die Ankerstange 12 in dem Ankerstangenführung steil 8 koaxial zur Düsennadel 2 angeordnet und in Richtung der Düsennadellängsachse verstellbar gehalten ist. Die Ankerstange 12 ist Teil eines Pilotventils 13 zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel, wobei zum Pilotventil 13 auch ein elektromagnetischer Aktor 14 gehört, der die Stellbewegung der Ankerstange 12 steuert. Der in den Injektorkörper 7 integrierte

elektromagnetische Aktor 14 nimmt eine Pilotfeder 15 auf, die sich am Injektorkörper 7 abstützt und die Ankerstange 12 in Richtung auf die Steuerraumbuchse 10 beaufschlagt. Die Pilotfeder 15 kann eine höhere Federkraft aufbringen als die Düsennadelfeder 11, deren Federkraft entgegengesetzt gerichtet ist. Die Pilotfeder 15 und die Düsennadelfeder 11 sind in Reihe liegend angeordnet.

Wie der vergrößerten Darstellung gemäß Fig. 2 zu entnehmen, befindet sich zwischen der Stirnseite der Düsennadel 2 und der Innenseite der auf die Düsennadel 2 aufgesetzten

Steuerraumbuchse 10 ein Steuerraum 16, der über einen ersten, seitlich in die Steuerraumbuchse 10 eingebrachten Drosselkanal 17 mit dem umgebenden Hochdruckraum 5 Strömung sverbunden ist. In die Steuerraumbuchse 10 ist ein zweiter, axial verlaufender Drosselkanal 18 eingebracht, wobei die außen liegende Öffnung des Drosselkanals 18 von einem Schließkörper 19, beispielsweise einer Kugel verschlossen ist, die von der Ankerstange 12 gegen die Öffnung des Drosselkanals 18 gepresst wird.

Zur Durchführung eines Einspritzvorgangs wird durch eine Bestromung des elektromagnetischen Aktors 14 die Ankerstange 12 gegen die Kraft der Pilotfeder 15 so weit angehoben, dass der Steuerraum 16 geöffnet wird und unter Druck stehender Kraftstoff im Steuerraum 16 über den Drosselkanal 18 entweichen kann. Auf ihrer hochdruckraumseitigen Fläche, welche von der Düsennadelfeder 11 und dem Systemdruck beaufschlagt ist und in Fig. 2 im unteren

Bildabschnitt in Draufsicht gezeigt ist, verschließt die Steuerraumbuchse 10 im geschlossenen Zustand - bei Anlage der Steuerraumbuchse 10 an das Anker Stangenführung steil 8 - die Niederdruckseite im Kraftstoff-Einspritzventil mit einem Niederdruckkanal 20. Hebt die Ankerstange 12 ab und löst sich der Schließkörper 19 aus seiner Schließposition, kann der unter Hochdruck stehende Kraftstoff aus dem Steuerraum 16 über den Drosselkanal 18 zur

Niederdruckseite abströmen.

Bei einer hohen Federkraft der Pilotfeder 15, die die Federkraft der Düsennadelfeder 11 übersteigt, stellt sich vor dem Beginn des Einspritzvorgangs ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem die Steuerraumbuchse 10 auf Abstand zur zugewandten Kontaktfläche 21 des

Ankerstangenführungsteils 8 liegt. Es entsteht ein Spalt s, über den Kraftstoff aus dem

Hochdruckraum 5 zur Niederdruckseite abgeleitet werden kann.

Um den Spalt s zu schließen, so dass die Verbindung zur Niederdruckseite geschlossen ist und der Einspritzvorgang ordnungsgemäß durchgeführt werden kann, wird zur Vorbereitung des Einspritzvorgangs während des Anschleppvorganges der Brennkraftmaschine ein- oder mehrmalig und noch vor dem Beginn des Einspritzvorgangs der elektromagnetische Aktor 14 mit einem Aktivierungsstrom I _A beaufschlagt, um die Ankerstange 12 anzuheben und somit den Spalt s gerade noch zu verschließen. Der Verlauf des Aktivierungsstroms I _A des Aktors 14 ist in den Fig. 3 und 4 in zwei Ausführungsbeispielen dargestellt. Der Aktivierungsstrom I _A ist so bemessen, dass die Ankerstange 12 nur soweit angehoben wird, dass der Spalt s geschlossen wird, jedoch der Schließkörper 19 in der den Drosselkanal 18 verschließenden Stellung verbleibt.

Gemäß Fig. 3 wird der Aktivierungsstrom I _A vorzugsweise zu einem Zeitpunkt aufgebracht, nachdem die Brennkraftmaschine während des Anschleppvorgangs einen Drehzahlgrenzwert erreicht hat, insbesondere die Anlass- bzw. Schleppdrehzahl. Der Aktivierungsstrom I _A steigt zunächst bis zu einem erhöhten Boostabschnitt an und fällt anschließend auf einen Abschnitt geringerer Stromhöhe ab. Die gesamte Zeitdauer, über die der Aktivierungsstrom I _A

aufrechterhalten wird, liegt vorzugsweise zwischen 0.1 s und 1 s. Im Boostabschnitt bewirkt der Aktivierungsstrom I _A im Aktor, dass die Ankerstange so weit angehoben wird, dass Spalt s zwischen der Steuerraumbuchse 10 und der Kontaktfläche 21 am Anker Stangenführung steil 8 gerade noch geschlossen wird. Mit dem Abfallen des Aktivierungsstroms I _A auf den Abschnitt geringerer Höhe bleibt die Steuerraumbuchse 10 in Anlage an dem Ankerstangenführungsteil 8. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 schließt sich unmittelbar an den Aktivierungsstrom I _A ein Einspritzstrom I _E an, mit dem der Aktor während des Einspritzvorganges beaufschlagt wird.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 beginnt dagegen der Einspritzstromverlauf I _E mit zeitlicher Verzögerung At nach dem Ende des Aktivierungsstrom I _A . Die zeitliche Verzögerung At entspricht beispielsweise derjenigen Zeitdauer, bis ein definierter Startdruck des Kraftstoffs im Hochdruckraum des Kraftstoff-Einspritzinjektors erreicht worden ist. Gegebenenfalls kann auch eine feste Zeitdauer At eingestellt werden.

Sowohl im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 als auch im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist der Aktivierungsstrom I _A sowohl im Boostabschnitt als auch in dem sich daran anschließenden Abschnitt geringerer Höhe kleiner als der Einspritzstromverlauf I _E .