Titel:

Verfahren zur Ermittlung des Drucks in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, Kraftstoffinjektor

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Drucks in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei dem Verfahren findet ein Kraftstoffinjektor Verwendung. Die Erfindung betrifft daher ferner einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, der zugleich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Stand der Technik Der Druck im Brennraum einer Brennkraftmaschine vor, während und nach einer Einspritzung stellt eine wichtige Einsteilgröße für die Einspritzung dar. Ist ferner das Brennraumvolumen als weitere wichtige Einsteilgröße bekannt, kann die Einspritzung und damit die Verbrennung von Kraftstoff im Brennraum dahingehend optimiert werden, dass der Wirkungsgrad steigt und schädliche Emissionen reduziert werden. Durch eine kontinuierliche Überwachung und Analyse des Brennraumdrucks über die Lebenszeit können zudem Alterungseffekte, wie beispielsweise eine Verkokung der Dü- senspritzlöcher, und/oder veränderte Einspritzmengen detektiert werden, so dass eine Korrektur möglich ist. Der Brennraumdruck kann unter Zuhilfenahme von Sensoren ermittelt werden, die jedoch bei Anordnung im Brennraum der Brennkraftmaschine hohen Temperaturen und hohen Drücken ausgesetzt sind. Die Lebensdauer derartiger Sensoren ist somit in der Regel beschränkt. Daher wurde im Stand der Technik bereits vorgeschlagen, den Sensor in einen Kraftstoffinjektor zu integrieren. Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2013 016 703 AI geht beispielsweise ein Kraftstoffinjektor mit einem optischen Drucksensor zur Ermittlung des Drucks im Brennraum hervor, der in einer konischen Sitzbohrung im Düsenkörper aufgenommen und mittels Keilstücken fixiert ist. Der Sensorkopf des Drucksensors ist dem Brennraum zugewandt und demzufolge mit Brennraumdruck beaufschlagbar.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2005 036 826 AI ist ferner ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, der auch zur Messung des Brennraumdrucks einsetzbar ist, so dass ein separater Drucksensor entbehrlich ist. Der Kraftstoffinjektor ist hierzu als Direktschalter mit einer piezoelektrischen Aktoreinheit ausgeführt. Wird der Kraftstoffinjektor mit Brennraumdruck beaufschlagt, erfährt er eine Stauchung, die als Verkürzung auf die piezoelektrisch Aktoreinheit übertragen wird. Die Verkürzung der piezoelektrischen Aktoreinheit erzeugt dabei ein Spannungssignal, das proportional zum vorherrschenden Brennraumdruck ist. Zur Auswertung des Spannungssignals wird vorzugsweise eine Auswertevorrichtung verwendet, mit der das ermittelte Drucksignal von dem Ansteuersignal separiert und herausgefiltert werden kann. Um auf ein aufwändiges Herausfiltern zu verzichten, kann der Brennraumdruck auch in einer Phase des Verbrennungszyklus gemessen werden, in der die piezoelektrische Aktoreinheit nicht angesteuert wird. Das Drucksignal kann in diesem Fall unabhängig von der Steuerspannung der Aktoreinheit ermittelt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine anzugeben, das einfach und sicher ausführbar ist. Bei dem Verfahren soll ein Kraftstoffinjektor verwendet werden, der beliebig ansteuerbar ist.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie der Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Offenbarung der Erfindung

Bei dem Verfahren zur Ermittlung des Drucks in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine wird ein Kraftstoffinjektor verwendet, der einen Düsenkörper mit mindestens einem Spritzloch und eine in einer Hochdruckbohrung des Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommene Düsennadel zum Freigeben und Verschließen des mindestens einen Spritzlochs umfasst. Erfindungsgemäß wird der Druck im Brennraum über einen piezoresistiven Drucksensor ermittelt, der in den Kraftstoffinjektor integriert ist und über die Hubbewegung der Düsennadel geschaltet wird.

Durch Integration des piezoresistiven Drucksensors in den Kraftstoffinjektor kann der Kraftstoffinjektor selbst als Drucksensor verwendet werden. Ein separater Brennraum- drucksensor ist somit entbehrlich. Ferner kann der Drucksensor in der Weise in den Kraftstoffinjektor integriert werden, dass er dem Brennraum entzogen ist und demzufolge einer geringeren Belastung ausgesetzt ist. In der Folge steigt die Robustheit des Drucksensors.

Die Ermittlung des Brennraumdrucks mittels eines piezoresistiven Drucksensors beruht auf dem piezoresistiven Effekt, der die Veränderung des elektrischen Widerstands eines Materials unter Druckeinwirkung beschreibt. Das heißt, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Druck anhand eines sich verändernden elektrischen Widerstands ermittelt wird. Im Unterschied zu einem Drucksensor, der - analog dem eingangs genannten Stand der Technik - auf dem piezoelektrischen Effekt beruht, wird dabei keine elektrische Spannung erzeugt. Die Ermittlung des Brennraumdrucks kann somit unabhängig vom Betrieb einer piezoelektrischen Aktoreinheit erfolgen, sofern eine solche überhaupt vorgesehen ist. Denn ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneter Kraftstoffinjektor kann eine beliebige Aktorik zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel aufweisen. Beispielsweise kann anstelle einer piezoelektrischen Aktoreinheit eine elektromagnetische Aktoreinheit vorgesehen sein. Darüber hinaus kann die Düsennadel des Kraftstoffinjektors direkt oder indirekt über ein Servoventil ansteuerbar sein. Hieraus ergeben sich größere Freiheiten in der Auslegung des Kraftstoffinjektors. Da der piezoresistive Drucksensor selbst keine elektrische Spannung erzeugt, ist eine Anbindung an eine externe Spannungsquelle vorzusehen. Denn der zur Ermittlung des Brennraumdrucks erforderliche elektrische Widerstand ist nur messbar, wenn Strom fließt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird an die Düsennadel eine elektrische Spannung angelegt und zum Schalten des piezoresistiven Drucksensors ein elektrischer Kontakt der Düsennadel mit dem Düsenkörper hergestellt. Das heißt, dass über den elektrischen Kontakt der Düsennadel mit dem Düsenkörper ein Stromkreis geschlossen wird, der das Messen des elektrischen Widerstands ermöglicht. Die Düsennadel und der Düsenkörper wirken demnach als elektrischer Schalter zusammen.

Der elektrische Kontakt der Düsennadel mit dem Düsenkörper kann über ein beliebiges Material hergestellt werden, sofern es elektrisch leitend ist und unter Druckeinwirkung seinen elektrischen Widerstand ändert, d. h. piezoresistive Eigenschaften im Sinne der vorliegenden Anmeldung aufweist. Die Änderung des elektrischen Widerstands kann dabei auch auf eine elastische Verformung mindestens eines Kontaktpartners (makroskopische Verformung) und/oder auf eine elastische Verformung von Rauigkeitsspitzen (mikroskopische Verformung) unter Druckeinwirkung beruhen. Der elektrische Kontakt ist somit auch über zwei metallische Kontaktpartner herstellbar. Entscheidend ist lediglich, dass der elektrische Widerstand im Kontaktbereich eine eindeutige Abhängigkeit zur Druckkraft besitzt.

Vorzugsweise wird der elektrische Kontakt der Düsennadel mit dem Düsenkörper über ein Material mit piezoresistiven Eigenschaften hergestellt, mit dem die Düsennadel im Bereich einer mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Dichtfläche und/oder der Ventilsitz beschichtet ist. Für die Beschichtung kann dann ein piezoresistives Material gewählt werden, das eine deutliche Änderung seines elektrischen Widerstands unter Druckeinwirkung erfährt, so dass man ein starkes Messsignal erhält. Fährt die Düsennadel beim Schließen in den Ventilsitz, wird nicht nur der zum Messen des elektrischen Widerstands erforderliche elektrische Kontakt zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper hergestellt, sondern ferner die Dichtfläche der Düsennadel bzw. der Ventilsitz einer erhöhten Druckbelastung ausgesetzt. Aufgrund der Beschichtung der Dicht- fläche bzw. des Ventilsitzes mit einem piezoresistiven Material ändert sich der elektrische Widerstand, so dass über die Analyse des elektrischen Widerstands auf die anliegenden Kräfte geschlossen werden kann.

In Schließstellung der Düsennadel wirken einerseits hydraulische Kräfte, die mit dem bekannten Druck im Kraftstoffinjektor korrelieren, sowie die Federkraft einer Feder, welche die Düsennadel in Richtung des Ventilsitzes beaufschlagt. Anderseits wirkt ausschließlich der Brennraumdruck, der als Messgröße bestimmt werden soll. Auf die Dichtfläche wirkt somit eine Druckkraft, die der Differenz aus hydrostatischer Kraft und Federkraft sowie der Druckkraft aus dem Brennraum entspricht, die diesen Kräften entgegenwirkt. Demzufolge kann aus dem gemessenen elektrischen Widerstand und den bekannten Kräften der Brennraumdruck errechnet werden.

Mit Ausnahme für die Dauer einer Einspritzung, wenn die Düsennadel geöffnet ist, kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens während des gesamten Zyklus eines Zylinderkolbens der Druck im Brennraum der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Lediglich bei geöffneter Düsennadel, wenn kein elektrischer Kontakt gegeben ist, kann das Verfahren nicht ausgeführt werden. Ein über den Drucksensor empfangenes Signal kann somit auch als Indiz für eine geschlossene Düsennadel angesehen werden, so dass der piezoresistive Drucksensor zugleich als Nadelschließerkennungssensor einsetzbar ist.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC) als piezoresistives Material verwendet wird, mit dem die Dichtfläche der Düsennadel und/oder der Ventilsitz beschichtet ist. Da eine Beschichtung aus einem diamantähnlichen Kohlenstoff eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist, kann auf diese Weise die Robustheit des Kraftstoffinjektors und damit auch die Robustheit des Drucksensors weiter erhöht werden. Ferner kann über eine DLC-Beschichtung ein starkes Messsignal erzeugt werden.

Die Messwerte des piezoresistiven Drucksensors werden vorzugsweise in einem Steuergerät ausgewertet. Hierbei kann es sich insbesondere um das Steuergerät handeln, das der Ansteuerung des Kraftstoffinjektors dient. Die Messwerte können somit unmit- telbar als Eingangsgrößen bei der Ansteuerung des Kraftstoffinjektors eingesetzt werden, um die Einspritzung zu optimieren.

Darüber hinaus wird ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, der zugleich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Der Kraftstoffinjektor umfasst einen Düsenkörper mit mindestens einem Spritzloch und eine in einer Hochdruckbohrung des Düsenkörpers hubbeweglich aufgenommene Düsennadel zum Freigeben und Verschließen des mindestens einen Spritzlochs. Erfindungsgemäß ist in den Kraftstoffinjektor ein piezoresistiver Drucksensor zur Ermittlung des Drucks im Brennraum der Brennkraftmaschine integriert, der über die Hubbewegung der Düsennadel schaltbar ist.

Durch die Integration des Drucksensors in den Kraftstoffinjektor ist ein separater Brennraumdrucksensor entbehrlich. Auf diese Weise kann Bauraum eingespart werden. Ferner können die Kosten gesenkt werden. Dies gilt im Besonderen, da die Integration eines piezoresistiven Drucksensors leicht umsetzbar ist.

Ein piezoresistiver Drucksensor umfasst ein Material, das unter Druckeinwirkung seinen elektrischen Widerstand ändert. Über den elektrischen Widerstand kann dann auf den anliegenden Druck geschlossen werden. Voraussetzung ist, dass der Drucksensor in einen Stromkreis eingebunden ist, da er selbst keine elektrische Spannung unter Druckeinwirkung erzeugt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Düsennadel mit einer Spannungsquelle verbunden und zum Schalten des piezoresistiven Drucksensors ist ein elektrischer Kontakt der Düsennadel mit dem Düsenkörper herstellbar. Mit Herstellung des elektrischen Kontakts wird zugleich ein Stromkreis geschlossen, der die Messung des elektrischen Widerstands möglich macht.

Vorzugsweise ist die Düsennadel im Bereich einer mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Dichtfläche und/oder der Ventilsitz mit einem Material beschichtet, das piezo- resistive Eigenschaften besitzt. In Schließstellung der Düsennadel ist dann nicht nur ein elektrischer Kontakt der Düsennadel mit dem Düsenkörper über die Dichtfläche bzw. die piezoresistive Beschichtung der Dichtfläche hergestellt, sondern ferner die piezoresistive Beschichtung der Dichtfläche von einer Druckkraft beaufschlagt, die zu einem veränderten elektrischen Widerstand führt. Über die Analyse des elektrischen Widerstands kann auf die anliegenden Kräfte geschlossen werden bzw. hieraus der Brennraumdruck errechnet werden.

Bei dem piezoresistiven Material handelt es sich vorzugsweise um einen diamantähnlichen Kohlenstoff (DLC). Mittels einer hieraus gebildeten Beschichtung kann zugleich die Verschleißfestigkeit der Dichtfläche erhöht werden, so dass die Robustheit des Kraftstoffinjektors und damit des Drucksensors weiter steigt.

Ferner bevorzugt ist der piezoresistive Drucksensor mit einem Steuergerät zur Auswertung der Messwerte des Drucksensors und/oder zur Ansteuerung des Kraftstoffinjektors verbunden. Dient das Steuergerät sowohl der Auswertung als auch der Ansteue- rung können die Messwerte bzw. kann der aus den Messwerten ermittelte Brennraumdruck als Eingangsgröße bei der Ansteuerung des Kraftstoffinjektors eingesetzt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beige- fügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor in Schließstellung und Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch den Kraftstoffinjektor der Fig. 1 mit

Darstellung der auf die Düsennadel wirkenden Kräfte.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Der in der Fig. 1 lediglich schematisch dargestellte Kraftstoffinjektor 2 weist einen Düsenkörper 3 mit einer Hochdruckbohrung 5 auf, von der mindestens ein Spritzloch 4 abgeht. Über das Spritzloch 4 ist die Hochdruckbohrung 5 mit einem Brennraum 1 verbunden, welcher der Verbrennung von Kraftstoff dient, der zuvor mittels des Kraftstoffinjektors 2 in den Brennraum 1 eingespritzt wurde. Zum Freigeben und Verschließen des mindestens einen Spritzlochs 4 ist in der Hochdruckbohrung 5 eine hubbewegliche Düsennadel 6 aufgenommen. Über die Hubbewegung der Düsennadel 6 ist eine Dichtfläche 9 der Düsennadel 6 in dichtendem Kontakt mit einem Ventilsitz 15 bringbar, der innerhalb der Hochdruckbohrung 5 ausgebildet ist. Im Bereich der Dichtfläche 9 weist die Düsennadel 6 eine Beschichtung mit einem Material 8 auf, das piezoresistive Eigenschaften besitzt. Das heißt, dass das Material 8 unter Druckeinwirkung seinen elektrischen Widerstand ändert, vorausgesetzt, dass zwischen der Düsennadel 6 und dem Düsenkörper 3 ein elektrischer Strom fließt.

Die Düsennadel 6 ist hierzu an eine Spannungsquelle 11 angeschlossen, während der Düsenkörper 3 einen Anschluss an eine Masse 12 besitzt. Über eine in den Stromkreis ferner eingebundene Messeinrichtung 13 kann der elektrische Widerstand des piezore- sistiven Materials 8 gemessen werden, mit dem die Dichtfläche 9 der Düsennadel 6 beschichtet ist. Vorausgesetzt, dass der Stromkreis geschlossen ist. Dies ist in

Schließstellung der Düsennadel 6 der Fall.

Der über die Messeinrichtung 13 erfasste elektrische Widerstand wird in einem Steuergerät 10 ausgewertet. Da die Widerstandsänderung druckabhängig ist, kann über den gemessenen elektrischen Widerstand auf den Brennraumdruck geschlossen werden. Zugleich kann zur Optimierung der Einspritzung die Ansteuerung der Düsennadel 6 an den jeweiligen Brennraumdruck angepasst werden.

Der Kraftstoffinjektor 2 ist somit zugleich als Drucksensor 7 einsetzbar, der einen separaten Brennraumdrucksensor entbehrlich macht. Durch die Funktionsintegration kann Bauraum eingespart werden. In der Ausbildung als piezoresistiver Drucksensor 7, der über die Hubbewegung der Düsennadel 6 schaltbar ist, kann der Drucksensor 7 zudem zur Erkennung des Nadelschließzeitpunkts eingesetzt werden.

In der Fig. 2 sind die auf die Düsennadel 6 wirkenden Kräfte dargestellt. Einerseits, und zwar brennraumseitig, ist die Düsennadel 6 von der Druckkraft FB beaufschlagt, die das Produkt aus Brennraumdruck p und der mit Brennraumdruck p beaufschlagten Fläche A ist. Andererseits wirken auf die Düsennadel 6 die hydraulische Druckkraft FH SO- wie die Federkraft FF einer Feder 14, welche die Düsennadel 6 in Richtung des Ventilsitzes 15 vorspannt.

Während eines Einspritzvorgangs kann kein Brennraumdruck ermittelt werden, da zwi- sehen der Düsennadel 6 und dem Düsenkörper 3 kein elektrischer Kontakt über das piezoresistive Material 8 besteht.