Kraftstoffinjektor mit einem solchen Nadelhubschalter

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nadelhubschalter und einen Kraftstoffinjektor mit einem solchen Nadelhubschalter.

In Brennkraftmaschinen wie Dieselmotoren oder auch Benzinmotoren wird in der Regel über einen Injektor Kraftstoff mit einer bestimmten Menge und für eine bestimmte Zeitdauer in einen Brennraum eingespritzt. Dabei ist es aufgrund der sehr geringen Einspritzdauern, die im Mikrosekundenbereich liegen, erforderlich, die Austrittsöffnung des Injektors mit einer sehr hohen Frequenz zu öffnen beziehungsweise zu schließen. Für eine genaue Ansteuerung dieser Schließzeiten und zum genauen Erfassen eines Injektorzustands ist es erforderlich, eine

Injektorzustandsdetektion vorzusehen, damit eine übergeordnete Steuereinheit sämtliche Informationen eines einzelnen Injektors erhält, insbesondere Informationen bezüglich seiner Schließ- oder Öffnungszeiten. Ein solcher Injektor verfügt typischerweise über eine Düsennadel (auch:

Injektornadel), die einen mit einem hohen Druck beaufschlagten Kraftstoff bei Freigeben eines Austrittslochs des Injektors nach außen treten lässt. Diese Düsennadel wirkt im Zusammenspiel mit dieser Austrittsöffnung wie ein Pfropfen, der bei einem Anheben ein Austreten des Kraftstoffs ermöglicht. Demnach ist es also erforderlich, diese Nadel in relativ kurzen Zeitabständen anzuheben und nach einer kurzen Zeit erneut in die Austrittsöffnung zurückgleiten zu lassen. Dabei können hydraulische Servoventile verwendet werden, die das Auslösen dieser Bewegung ansteuern. Solche Ventile wiederum werden mithilfe eines Elektromagneten angesteuert. Alternativ dazu kann ein Piezoelement verwendet werden, das schneller als das mittels Elektromagneten angesteuerte Ventil reagiert.

Aufgrund der hohen Einspritzdrücke von über 2500 bar ist es nicht möglich, die Düsennadel direkt mithilfe eines Magnetventils anzusteuern beziehungsweise zu bewegen. Hierbei wäre die erforderliche Kraft zum Öffnen und Schließen der Düsennadel zu groß, sodass ein solches Verfahren nur mithilfe von sehr großen Elektromagneten realisierbar wäre. Eine solche Konstruktion scheidet aber aufgrund des nur beschränkt zur Verfügung stehenden Bauraums in einem Motor aus.

Typischerweise werden anstelle der direkten Ansteuerung sogenannte Servoventile verwendet, die die Düsennadel ansteuern und selbst über ein Elektromagnetventil bzw. Piezoventil gesteuert werden. Dabei wird in einem mit der Düsennadel zusammenwirkenden Steuerraum mithilfe des unter hohem Druck zur Verfügung stehenden Kraftstoffs ein Druckniveau aufgebaut, das auf die Düsennadel in Verschlussrichtung wirkt. Dieser Steuerraum, bzw. dieses Steuerventil ist typischerweise über eine Zulaufdrossel mit dem Hochdruckbereich des Kraftstoffs verbunden. Ferner weist dieser Steuerraum eine kleine verschließbare Ablaufdrossel auf, aus der der Kraftstoff hin zu einem Niederdruckbereich entweichen kann. Tut er dies, ist der Druck in dem Steuerraum und die auf die Düsennadel wirkende Verschlusskraft verringert, da der unter hohem Druck stehende Kraftstoff des Steuerraums abfließen kann. Dadurch kommt es zu einer Bewegung der Düsennadel, welche die Austrittsöffnung an der Injektorspitze freigibt. Um die Bewegung der Düsennadel steuern zu können, wird also die Ablaufdrossel des Ventils mithilfe eines Ankerelements wahlweise verschlossen oder geöffnet. Da das allgemeine Prinzip eines Injektors zum Einspritzen von Kraftstoff dem Fachmann bekannt ist, wird nachfolgend nicht tiefergehender auf die Funktionalität dieses Bauteils eingegangen. Wie bereits oben kurz angerissen, ist die Injektorzustandsdetektion von hoher Wichtigkeit für ein geregeltes Betreiben des Injektors. Bei bisherigen Injektoren ist es dabei nicht notwendig oder sehr aufwendig eine Sitzplatte des Injektors vorzusehen, die vom Injektorgehäuse elektrisch getrennt ist und Strom an bestimmten Stellen durchleitet, damit das darunter angeordnete Steuerventil und die Düsennadel mit der darüber angeordneten Injektorspule verbunden sind. Die Fähigkeit ein elektrisches Signal durch die Sitzplatte durchzuleiten ist aber hinsichtlich einer Zustandserkennung von Vorteil, da somit bei geschlossenem Injektor ein elektrischer Kreis über die den Kontakt der Düsennadel in dem Düsennadelsitz des Injektors erzeugbar ist. Voraussetzung hierfür ist natürlich, dass dieser elektrische Kreis nicht an einer anderen Stelle bereits geschlossen wird, so dass unter anderem die Sitzplatte gegenüber dem Injektorgehäuse elektrisch isoliert sein muss. Das Schließen des elektrischen Kreises darf nur über die Düsennadel und den Düsennnadelsitz erfolgen. Die Sitzplatte des Injektors ist demnach ein Bauteil, das nach der Erfindung sowohl als Kontaktelement zum Durchleiten eines elektrischen Signals genutzt wird und gleichzeitig gegen das Injektorgehäuse isoliert sein muss. Ferner enthält die Sitzplatte einen von oben nach unten verlaufenden Durchgang, der die Ablaufdrossel eines Injektors darstellt. Durch Aufsetzen eines Ankerelements und Abdichten des Durchgangs füllt sich der darunter liegende Steuerraum über einen Zulauf mit unter hohem Druck befindlichen Kraftstoff, sodass die Düsennadel in ihre Verschlussposition gedrängt wird. Bei einem Abheben des Ankerelements von einer Durchgangsöffnung strömt der unter hohem Druck gespeicherte Kraftstoff ab und verringert den auf die Düsennadel wirkenden Krafteinfluss, sodass sich diese von ihren Auslassöffnungen abhebt und hierdurch Kraftstoff ausströmen kann. Die nähere Funktionsweise eines Injektors ist beispielsweise in der DE 10 2017 116 383.2 wiedergegeben.

Bisher ist es bekannt, eine Isolierung der Sitzplatte mittels einer auf der Sitzplatte angebrachten DLC-Schicht (DLC steht dabei für „diamond-like carbon“) umzusetzen, wobei sich jedoch gezeigt hat, dass die Robustheit einer solchen DLC-Schicht nicht für anspruchsvolle Injektorkonzepte ausreichend ist. Insbesondere dann, wenn die Sitzplatte mittels einer Schraube axial vorgespannt wird, ist eine verbesserte Robustheit der Isolierschicht erforderlich.

So haben Langzeittests gezeigt, dass diese Schichten die Tendenz aufweisen unter mechanischer Belastung elektrisch leitfähig zu werden. Dies ist auf ihren mechanischen Verschleiß zurückzuführen, so dass keine fortwährende elektrische Isolation über die übliche Lebensdauer eines Injektors gewährleistet werden kann.

Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Nadelhubschalter zu schaffen, der den aufgeführten Nachteil überwindet und auch bei herausfordernden Injektorkonzepten verwendet werden kann.

Dies gelingt mit einem Nadelhubschalter für einen Injektor nach dem Anspruch 1 .

Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass der Nadelhubschalter für einen Kraftstoffinjektor eine Sitzplatte mit einem plattenartigen Grundkörper und einem die beiden flächigen Seite des plattenartigen Grundkörpers verbindenden Durchgang, ein Ankerelement, das von dem Durchgang der Sitzplatte abhebbar und darauf dichtend aufsetzbar ist, und ein Steuerventil umfasst, das an der zum Ankerelement gegenüberliegenden Seite der Sitzplatte angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, mit einer Düsennadel zusammenzuwirken, wobei die Sitzplatte gegenüber einem sie umgebenden Injektorgehäuse elektrisch isoliert und eine elektrische Verbindung mit dem Injektorgehäuse nur über die mit der Sitzplatte zusammenwirkende Düsennadel verwirklichbar ist. Ferner ist der Nadelhubschalter dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein die Sitzplatte kontaktierendes Keramik- und/oder Kunststoffteil vorhanden ist, um die Isolierung der Sitzplatte gegenüber dem sie umgebenden Injektorgehäuse zu erzeugen.

Nach der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass das mindestens eine Keramik- und/oder Kunststoffteil ein Vollkeramikteil ist. So ist Keramik insbesondere unter hoher und auch pulsierender Druckbelastung formstabil und zeigt eine herausragende Verschleißbeständigkeit.

Weiter kann nach der Erfindung das mindestens eine Keramik- und/oder Kunststoffteil lösbar zu der Sitzplatte ausgeführt sein. Demnach ist klar, dass das Keramik- und/oder Kunststoffteil nicht lediglich eine Beschichtung der Sitzplatte darstellt sondern ein zur Sitzplatte separates Teil ist.

Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Düsennadelgrundkörper aus einem elektrisch leitenden Material ist, bspw. einem Metall, und vorzugsweise die Kunststoff- und/oder Keramikhülse aus einem elektrischen Isolator ist, der bspw. die Bestandteile AI ₂ O3 _, Zr ₂ Ü3 und/oder ShNh umfasst oder aus mindestens einem dieser Bestandteile besteht. Insbesondere Zirkonoxid ist hier im Einsatz vorteilhaft, da es einen sehr ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu Stahl hat und sich dadurch auch gut für Pressverbände eignet. Durch das annähernd gleiche Wärmeausdehnungsverhalten lassen sich auch Pressverbände für Anwendungen mit hohen

Temperaturschwankungen (beispielsweise bei Einspritzdüsen) realisieren. Zirkonoxid ist im Vergleich zu anderen keramischen Werkstoffen sehr zäh und kann daher insbesondere vorteilhaft bei schlagartigen oder pulsierenden

Beanspruchungen, wie sie durch Druckwellen im Injektor auftreten, eingesetzt werden. Tribologisch hat Zirkonoxid deutliche Vorteile im Vergleich zum Aluminiumoxid, weil es kaum Verschleiß an den Kontaktpartnern hervorruft.

Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass das mindestens eine Keramik- und/oder Kunststoffteil eine Hülsenform, insbesondere eine Ringform oder eine Zylindermantelform, aufweist, die zum radialen Umgeben der Sitzplatte geeignet ist, wobei vorzugsweise die Sitzplatte in das hülsenförmige Keramik- und/oder Kunststoffteil eingesetzt ist, um eine radiale Zentrierung der Sitzplatte zu erreichen und eine elektrische Isolierung zwischen Sitzplatte und Injektorgehäuse zu bilden.

Dieses hülsenförmige Keramik- und/oder Kunststoffteil dient im Wesentlichen dazu, die stromführende Sitzplatte von einem direkten elektrischen Kontakt mit dem die Sitzplatte umgebenden Injektorgehäuse zu schützen. Eine Kontaktierung mit dem Injektorgehäuse soll ausschließlich über die Düsennadel und den die Düsennadel im geschlossenen Zustand des Injektors aufnehmenden Düsennadelsitz erfolgen, um auf einfache Art und Weise zu erfassen, ob der Injektor offen oder geschlossen ist.

Dabei kann vorgesehen sein, dass das hülsenförmige Keramik- und/oder Kunststoffteil zum radialen Umgeben der Sitzplatte fest mit dem Injektorgehäuse verbunden ist, vorzugsweise durch eine Stoff- oder formschlüssige Verbindung wie Kleben oder Löten.

Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Keramik- und/oder Kunststoffteil ein Sitzteil ist, das mit dem Ankerelement zusammenwirkt und auf den Durchgang der Sitzplatte dichtend aufsetzbar ist, wobei vorzugsweise das Sitzteil eine Zylinderform aufweist.

Dabei kann das Sitzteil zum Aufsetzen auf den Durchgang der Sitzplatte abgerundete Ecken aufweisen, um ein Ausbrechen der Kanten zu vermeiden, wobei vorzugsweise zum Fertigen der abgerundeten Ecken das Gleitschleifverfahren genutzt wird. Das Vorsehen von abgerundeten Ecken ist vorteilhaft, da somit ein Ausbrechen der Kanten im Betrieb vermieden werden kann.

Ferner kann dabei das Sitzteil ein Keramikteil sein, das vorzugsweise durch heißisostatisches Pressen hergestellt ist. Keramik zeigt zudem auch dann eine hervorragende Verschleißbeständigkeit, wenn im Kraftstoff kleine Festkörperpartikel enthalten sind, die bei einem Entlangströmen an dem Sitzteil eine abrasive Wirkung erzielen. Insbesondere wenn der Injektor Kraftstoff einspritzt und das Sitzteil von dem Durchgang der Sitzplatte abgehoben ist, strömt Kraftstoff mit sehr hoher Geschwindigkeit aus dem Durchgang heraus und kommt dabei mit dem Sitzteil in Kontakt.

Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass das Sitzteil die Sitzplatte zum Ankerelement und zu einer Ankerführung des Ankerelements elektrisch isoliert.

Eine weitere vorteilhafte Fortbildung der Erfindung sieht vor, dass das mindestens eine Keramik- und/oder Kunststoffteil eine Sitzplattenauflage ist, die auf der zum Ankerelement gewandten flächigen Seite des plattenartigen Grundkörpers der Sitzplatte angeordnet ist, und die Sitzplatte von einer Ankerführung des Ankerelements bzw. dem Injektorgehäuse elektrisch isoliert.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die Sitzplattenauflage auf der zum Ankerelement gewandten flächigen Seite des plattenartigen Grundkörpers der Sitzplatte aufliegt und vorzugweise eine Ringform aufweist.

Durch die Sitzplattenauflage wird ein leitender Kontakt von der Ankerführung auf die Sitzplatte unterbunden, so dass diese gegenüber dieser elektrisch isoliert ist.

Die Erfindung betrifft ferner einen Kraftstoffinjektor mit einem Nadelhubschalter nach einer der vorhergehenden Varianten.

Dabei kann vorgesehen sein, dass der Kraftstoff! njektor über eine Injektorzustandserkennung verfügt, die einen Injektorzustand eines geschlossenen Injektors anhand eines durch Düsennadel und Injektorgehäuse fließenden Stroms erkennt.

Weiter ist von der Erfindung ein Motor mit einem Kraftstoff! njektor nach einer der vorstehenden Varianten umfasst. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden aufgrund der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellungen zum Erläutern des vorbekannten

Stands der Technik,

Fig. 2: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

Fig. 3: eine vergrößerte Darstellung eines erfindungsgemäßen

Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 zeigt eine Teilschnittansicht eines Injektors 10 aus dem Stand der Technik. Man erkennt den Injektor 10, der ein Gehäuse 14 aufweist, in den mehrere Injektorkomponenten angeordnet sind. Wesentlich für die Funktion des Injektors 10 sind dabei die Injektornadel 15, das durch Anker 11 und Sitzplatte 1 gebildete Ventil sowie der Elektromanget 12, 13, der eine Spulenwicklung 16, einen inneren Magnetpol 12 und einem äußeren Magnetpol 13 aufweist. Darüber hinaus ist in den inneren Magnetpol 12 eine Ausnehmung zum Anordnen der Feder 17 vorgesehen, die das Ankerelement 11 in Richtung des Ventils drückt, um die Ablaufdrossel des Ventils in einem unbestromten Zustand des Elektromagneten 12, 13 fluiddicht zu verschließen.

Aktiviert man den Elektromagnet 12, 13, zieht dieser mit Hilfe von Magnetkraft das Ankerelement 11 von dem Ventil weg, sodass aus einem durch das Ventil verschließbaren Steuerraum unter hohem Druck stehender Kraftstoff aus dem Durchgang 6 ausströmen kann. Da sich hierdurch der Druck in dem Steuerraum verringert, der auf die Injektornadel 15 wirkt, kann diese aus einer Schließposition herausgleiten und ermöglicht das Abgeben von Kraftstoff aus dem Injektor 10. Versetzt man hingegen den Elektromagneten 12, 13 in einen unbestromten Zustand, so lässt die auf das Ankerelement 11 wirkende Magnetkraft nach, sodass das Federelement 17 das Ankerelement 11 auf die Austrittsöffnung des Ventils drückt und den Steuerraum bzw. den Durchgang 6 abdichtet. Dadurch steigt der auf die Injektornadel 15 wirkende Druck, wodurch diese wieder in ihre Schließposition gedrückt wird. Es kommt demnach nicht mehr zu einem Ausströmen von Kraftstoff aus der Austrittsöffnung des Injektors 10.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines Injektors 10 mit einem erfindungsgemäßen Nadelhubschalter 20.

Zur Isolierung der Sitzplatte 1 sind mehrere aus Keramik und/oder Kunststoff bestehende Teile vorgesehen, von denen jedes mit der Sitzplatte 1 in Kontakt steht.

Um die umlaufende Randfläche der etwa plattenartig ausgestalteten Sitzplatte 1 von einem elektrisch leitfähigen Kontakt mit dem Injektorgehäuse zu schützen, ist ein hülsenförmiges Keramik- und/oder Kunststoffteil 3 vorgesehen, das die Sitzplatte in radialer Umfangsrichtung umgibt. Die Hülse 3 kann dabei mit dem Injektorgehäuse fest verbunden sein, insbesondere verklebt oder verlötet sein. Neben der elektrischen Isolation dient die Hülse 3 zur radialen Zentrierung der Sitzplatte 1 .

Daneben ist in Fig. 2 ein Sitzteil 4 zu erkennen, das vorzugsweise aus Keramik (bspw. AI2O3 oder ShNh) besteht, und mit dem Ankerelement 11 so zusammenwirkt, dass es den Durchgang 6 der Sitzplatte verschließen kann. Wird das Ankerelement 11 von der Sitzplatte 1 angezogen, öffnet sich auch der Durchgang 6 der Sitzplatte 1 und es kommt zu einem Ausströmen von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff, so dass der Druck im Steuerraum sinkt und es zu einem Abheben der Düsennadel 15 aus ihrem Düsennadelsitz kommt.

Um nun eine elektrische Isolierung der Sitzplatte gegenüber dem Ankerelement 11 zu erreichen, der in der Regel auf den Durchgang 6 der Sitzplatte 1 aufgesetzt wird, ist nun zwischen Ankerelement 11 und Sitzplatte ein isolierendes Sitzteil 4 vorgesehen. Dieses in der Regel zylinderförmige Element kann abgerundete Kanten besitzen und ist aufgrund der dynamisch schlagenden Beanspruchung auf Rissfreiheit zu prüfen. Ferner ist es von Vorteil, wenn es über heißisostatisches Pressen hergestellt ist. Für das Sitzteil ist es von besonderem Vorteil, wenn es aus Keramik gefertigt ist, da Keramik eine ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit aufweist und insbesondere auch gegen die abrasive Wirkung von im Kraftstoff vorhandenen Festteilchen haltbar ist. So strömt an der Unterseite des Sitzteils 4 Kraftstoff mit hoher Geschwindigkeit, falls der Injektor in seiner geöffneten Position ist.

Das Sitzteil 4 isoliert die Sitzplatte 1 elektrisch gegen das Ankerelement 11 und die Ankerführung bzw. dem Injektorgehäuse. Als weiteres Keramik- und/oder Kunststoffteil ist eine Sitzplattenauflage 5 gezeigt, die die Sitzplatte 1 an ihrer zum Ankerelement 11 zugewandten Seite von der Ankerführung bzw. dem Injektorgehäuse 14 trennt.

Auch hier gilt aufgrund der pulsierenden Druckbeanspruchung, dass die Sitzplattenauflage vorteilhafterweise aus Keramik ist. Keramik bleibt auch unter hoher Druckbelastung formstabil, so dass eine die Ankerhubeinstellung verändernde Verformung nicht auftreten kann.

Die Sitzplattenauflage 5 ist vorteilhafterweise in Ring, der einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der Außendurchmesser des Sitzteils 4 ist. Schließlich liegen beide Keramik- und/oder Kunststoffteile 4, 5 an der zum Ankerelement 11 zugewandten flächigen Seite der Sitzplatte 1 an.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung aus Fig. 2, aus welcher man die Keramik- und/oder Kunststoffteile besonders gut erkennen kann.