Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kraftstoffeinspritzvorrichtungen und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Bewegung eines Rückschlagelements über eine Druckabfühlung.

Emissionen sind weiterhin ein Hauptantrieb für die Motorentwicklung, und die exakte Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bzw. eines Kraftstoffinjektors wird immer wichtiger. Durch die Steuerung wie und wann Kraftstoff eingespritzt wird, wird die Verbrennung verbessert und Emissionen werden reduziert. Kraftstoffeinspritzvorrichtungen bzw. -injektoren haben sich über die letzten Jahre wesentlich verbessert und insbesondere mit der Entwicklung des direkt gesteuerten Rückschlagelements, aber eine weitergehende Steuerung ist immer noch notwendig. Obwohl das Rückschlagelement nun direkt gesteuert wird, wäre es beispielsweise vorteilhaft, eine Rückkopplung hinsichtlich der exakten Bewegung des Rückschlagelements zu besitzen.

In dem US-Patent 6,253,736 B1, von Crofts et al., ist ein Rückschlagelement-Rückkopplungssystem dargestellt. Insbesondere erfordert das '736 Patent die Verwendung eines Piezobetätigers, der in direktem Kontakt mit einem Steuerventil steht, das einen Druck auf die Oberseite des Nadelventils steuert. Das Steuerventil muss in enger Nähe zu dem Nadelventil positioniert sein, so dass in der maximal geöffneten Position des Steuerventils das Nadelventil berührt, was dann eine Axialkraft erzeugt, die zu dem Piezobetätiger zurück übertragen wird. Die Axialkraft drückt einige der Piezoelemente zusammen, was eine Spannung erzeugt, und eine Spitze in der Spannungskurve verursacht. Durch Überwachung der Spannungskurve kann das Steuersystem dann bestimmen, wann sich das Nadelventil in der maximal geöffneten Position befindet. Wie zu erkennen ist, besitzt dieses System viele Einschränkungen, die Folgendes aufweisen das Erfordernis eines Piezobetätigers, der einen wesentlichen Raum innerhalb der Einspritzvorrichtung bzw. des Injektors erfordern kann, die Anordnung des Steuerventils in der Nähe des Nadelventils und die Tatsache, dass es nur ein Feedback bzw. eine Rückmeldung gibt, wenn das Steuerventil tatsächlich das Nadelventil in der maximal geöffneten Position berührt.

Ferner wird auf die WO 01/73282 verwiesen, welche ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Raildrucks in einem Einspritzventil mit einem piezoelektrischen Betätiger zeigt. Insbesondere ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem Hauptkörper gezeigt, der eine Bohrung, eine Zumessöffnung und einen Kraftstoffdurchlass in Strömungsmittelverbindung mit der Zumessöffnung besitzt. Ein Nadelventil ist innerhalb der Bohrung des Hauptkörpers angeordnet, wobei das Nadelventil bewegbar ist zwischen einer ersten Position, in der eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Zumessöffnung und dem Kraftstoffdurchlass blockiert ist, und einer zweiten Position, in der eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Zumessöffnung und dem Kraftstoffdurchlass geöffnet ist. Ferner ist ein piezoelektrischer Betätiger zum Betätigen des Nadelventils über einen hydraulischen Koppler gezeigt. Der Druck, der innerhalb des hydraulischen Kopplers wirkt, steht in Verbindung mit dem Raildruck des Einspritzventils und wird während Zeiten in denen keine Einspritzung stattfindet bestimmt, mittels einer Spannung, die in dem piezoelektrischen Betätiger induziert wird, um die Bestimmung des Raildrucks zu ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben genannten Probleme zu überwinden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung bzw. ein -injektor nach Anspruch 1 vorgesehen. Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.

In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung Folgendes auf: einen unteren Körper, eine Spitze mit einer Außenfläche und einer Innenfläche, welche eine Bohrung bildet, eine Zumessöffnung, die innerhalb der Spitze angeordnet ist, und die zu den Innen- und Außenflächen geöffnet ist, und ein Kraftstoffdurchlass, der in der Spitze angeordnet ist und in Strömungsmittelverbindung mit der Zumessöffnung steht. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist auch ein Nadelventil auf, das innerhalb der Bohrung angeordnet ist, und das bewegbar ist zwischen einer ersten Position, in der eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Zumessöffnung und dem Kraftstoffdurchlass blockiert ist, und einer zweiten Position, in der eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Zumessöffnung und den Kraftstoffdurchlässen geöffnet ist. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung umfasst auch eine Brennstoffkammer, die in der Spitze angeordnet ist, und einen Drucksteuerraum, der in dem unteren Körper angeordnet ist, und der in der Lage ist, ein unter Druck stehendes Strömungsmittel bzw. ein Druckströmungsmittel aufzunehmen. Das Nadelventil besitzt eine erste Oberfläche, die zu dem Drucksteuerraum geöffnet ist, und das Nadelventil ist zu der ersten Position strömungsmittelmäßig vorgespannt durch Druckströmungsmittel, das auf die erste Oberfläche wirkt. Das Nadelventil besitzt auch eine zweite Oberfläche und ist strömungsmittelmäßig zu einer zweiten Position vorgespannt durch Druckströmungsmittel, das auf eine zweite Oberfläche wirkt. Zusätzlich umfasst die Kraftstoffeinspritzvorrichtung einen Sensor, der in dem unteren Körper angeordnet ist, und der in der Lage ist, einen Druck innerhalb des Drucksteuerraums zu messen.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist ein Verfahren zur Zeitsteuerung eines Nadelventils in einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung die Schritte des Abfühlens eines Drucks in einem Drucksteuerraum, das Liefern eines Rückkopplungssignals, ansprechend auf den Abfühlschritt und das Einstellen des Nadelventiltimings bzw. der Zeitsteuerung, ansprechend auf das Rückkopplungssignal, auf.

1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

2 ist eine Kurvendarstellung, die eine Strom-, Einspritzraten- und Drucksignalbeziehung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 20. Insbesondere ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 20 eine hydraulisch betätigte, elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzvorrichtung. Ein erster Abschnitt der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 20 umfasst ein Steuerventil 22, das durch einen Elektromagneten 24 betätigt wird. Wenn der Elektromagnet 24 erregt ist, wird ein Anker 26, der an dem Steuerventil 22 befestigt ist, gezogen, was bewirkt, dass das Steuerventil 22 entweder einen Betätigungsströmungsmitteleinlass 28 oder einen Betätigungsströmungsmittelauslass 30 öffnet.

Innerhalb des oberen Körpers 40 der Einspritzvorrichtung 20 werden ein Kolben 34, eine Kolbenrückführfeder 36 und ein Plunger 38 verwendet, um Kraftstoff, der in der Druckkammer 44 vorhanden ist, unter Druck zu setzen. Insbesondere tritt Kraftstoff über den Kraftstoffeinlass 42 in die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 20 ein. Während unter niedrigem Druck stehender Kraftstoff in die Kraftstoffeinspritzvorrichtung eintritt, geht er an dem Rückschlagventil 90 vorbei, und füllt die Kraftstoffdruckkammer 44. Um den Kraftstoff unter Druck zu setzen, muss das Steuerventil 22 in einer ersten Position positioniert sein, so dass Hochdruckbetätigungsströmungsmittel von dem Betätigungsströmungsmitteleinlass 28 mit dem Betätigungsströmungsmitteldurchlass 32 in Verbindung treten kann, und dadurch den Kolben 34 betätigen kann. Wenn Hochdruckströmungsmittel in dem Betätigungsströmungsmitteldurchlass 32 vorhanden ist, dann wirkt es auf die Oberseite des Kolbens 34, wodurch bewirkt wird, dass der Kolben die Kolbenrückholfeder 36 zusammendrückt, und den Plunger 38 nach unten drückt, um dadurch den Kraftstoff innerhalb der Kraftstoffdruckkammer 44 für die Einspritzung unter Druck zu setzen. Sobald eine Einspritzung erfolgt ist, wird das Steuerventil 22 zu einer zweiten Position bewegt, in der der Betätigungsströmungsmitteleinlass 28 blockiert und der Betätigungsströmungsmitteldurchlass 32 zur Verbindung mit dem Betätigungsströmungsmittelauslass 30 geöffnet wird. Wenn dies auftritt, wird der Druck in dem Betätigungsströmungsmitteldurchlass 32 abgelassen und die Kolbenrückführfeder 36 bewirkt, dass der Plunger 38 und der Kolben 34 zu ihren Ursprungspositionen zurückkehren.

Innerhalb des unteren Körpers 72 der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 20 steuert ein direkt betätigtes Nadelventil 82 die Einspritzung von Hochdruckkraftstoff von der Spitze 74 in die Brennkammer (nicht gezeigt). Insbesondere tritt Hochdruckkraftstoff von der Kraftstoffdruckkammer 44 in die Hochdruckkraftstoffleitung 46 ein. Kraftstoff von der Hochdruckkraftstoffleitung 46 füllt den Kraftstoffraum bzw. Hohlraum 48 und steht in Verbindung mit dem direkt betätigten Rückschlagventil 60 über einen Hochdruckkraftstoffdurchlass 64. Das Nadelventil 82 ist aus einem Rückschlagelement 50, einem Rückschlagelementabstandshalter 52 und einem Rückschlagelementkolben 54 aufgebaut, und ist nach unten bzw. in eine geschlossene Position durch eine Rückschlagelementfeder 62 vorgespannt. In der geschlossenen Position kann Kraftstoff von dem Kraftstoffraum 48 nicht mit der Zumessöffnung 76 in Verbindung kommen, die in der Spitze 74 angeordnet ist. Das Nadelventil 82 wird geöffnet durch Hochdruckkraftstoff in dem Kraftstoffraum 48, der auf eine Öffnungsfläche 84 des Rückschlagelements 50 wirkt. Wenn die Kraft des Hochdruckkraftstoffs auf die Öffnungsfläche 84 größer ist als die Kraft, die durch die Rückschlagelementfeder 62 ausgeübt wird und die Kraft, die durch den Kraftstoff in dem Raum 70 ausgeübt wird darauf ansprechend, dass der Kolben 38 den Kraftstoff unter Druck setzt, bewegt sich das Nadelventil nach oben oder in eine geöffnete Position, wodurch eine Kraftstoffverbindung zwischen dem Kraftstoffraum 48 und der Zumessöffnung 76 erlaubt wird.

Um eine bessere Steuerung über das Nadelventil 82 zu erhalten, kann Hochdruckkraftstoff auf die Oberseite des Rückschlagelementkolbens 54 aufgebracht werden, um besser die Zeitsteuerung bzw. das Timing des Nadelventils 82 zu steuern. Insbesondere steuert ein direkt betätigtes Rückschlagventil 60 (DOC-Ventil, DOC = direkt operated check = direkt betätigtes Rückschlagelement) die Strömung von Hochdruckkraftstoff von dem Hochdruckkraftstoffdurchlass 64 zu dem Drucksteuerraum 70 über den DOC-Strömungsmitteldurchlass 68. Das DOC-Ventil 60 ist an einem DOC-Anker 58 befestigt. Ein DOC-Elektromagnet 56 kann erregt werden, um das DOC-Ventil 60 zwischen seiner geöffneten und seiner geschlossenen Position zu bewegen. In seiner ersten Position erlaubt das DOC-Ventil 60 eine Strömungsmittelverbindung zwischen dem Hochdruckkraftstoffdurchlass 64 und dem Drucksteuerraum 70. Wenn Hochdruckkraftstoff in dem Drucksteuerraum 70 vorhanden ist, dann wirkt der Hochdruckkraftstoff auf eine Schließfläche 86 des Rückschlagkolbens 54, um dadurch der Kraft des Hochdruckkraftstoffs, der auf die Öffnungsfläche 84 wirkt, entgegenzuwirken. In diesem Zustand ist das Nadelventil 82 druckausgeglichen und wird in einer geschlossenen Position durch die Rückschlagelementfeder 62 gehalten. Wenn eingespritzt werden soll, dann wird der DOC-Elektromagnet 56 erregt, um dadurch den DOC-Anker 58 anzuziehen, und das DOC-Ventil 60 zu einer zweiten Position zu bewegen, in der der Hochdruckströmungsmitteldurchlass 64 blockiert ist, und eine Strömungsmittelverbindung zwischen dem Drucksteuerraum 70 und dem DOC-Ablauf 60 über den DOC-Strömungsmitteldurchlass 68 geöffnet ist. Wenn der Drucksteuerraum 70 zum DOC-Ablauf 66 geöffnet ist, um dadurch den gesamten Hochdruck, der auf die Schließfläche 86 wirkt abzulassen, dann wird das Nadelventil 82 geöffnet infolge des Hochdruckkraftstoffs, der auf die Öffnungsfläche 84 wirkt, und die Vorspannkraft der Rückschlagelementfeder 62 überwindet. Wenn sich das Nadelventil 82 zu der geöffneten Position bewegt, tritt eine Einspritzung durch die Zumessöffnung 76 auf. Wenn die Einspritzung unterbrochen bzw. angehalten werden soll, dann wird der DOC-Elektromagnet 56 entregt um dadurch den DOC-Auslass 66 zu blockieren, und um wieder eine Strömungsmittelverbindung zwischen dem Hochdruckkraftstoffdurchlass 64 und dem Drucksteuerraum 70 zu erlauben.

Ein Drucksensor 78 ist innerhalb des unteren Körpers des Injektors 20 angeordnet, und ist in der Lage, einen Druck innerhalb des Drucksteuerraums 70 zu messen. Der Drucksensor 78 kann an den unterschiedlichsten Orten platziert sein, aber idealerweise wäre der Sensor 78 in dem Drucksteuerraum 70 oder zwischen dem Drucksteuerraum 70 und dem DOC-Ventil 60 angeordnet, z.B. innerhalb des DOC-Strömungsmitteldurchlasses 68. Der Drucksensor 78 ist mit einem elektronischen Steuermodul (ECM = electronic control module) 80 über einen Draht 88 verbunden.

Das ECM 80 steuert auch das Timing der Betätigung des DOC-Elektromagneten 56 und des Elektromagneten 24. Beide Elektromagneten sind mit dem ECM 80 über Drähte (nicht gezeigt) verbunden. Wenn der Kolben 34 oder das DOC-Ventil 60 betätigt werden soll, sendet das ECM 80 ein geeignetes Signal zum Betätigen entweder des Elektromagneten 24 oder des DOC-Elektromagneten 56.

Die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung ist wesentlich beim Reduzieren von Emissionen in heutigen Motoren. Motorhersteller entwickeln stetig neue Einspritzstrategien, welche multiple Einspritzungen und ein genaues Timing dieser Einspritzungen erfordern. Ferner trägt das Einspritzprofil, wie beispielsweise eine Rampe (ramp), ein Quadrat bzw. ein Rechteck (square) oder ein Schuhprofil (boot) bzw. Rampen-Quadrat-Profil auch erheblich zur Emissionssteuerung bei. Ein Weg zum Erhalten einer besseren Steuerung der Einspritzvorgänge und der Einspritzratenformen ist die direkte Steuerung des Nadelventils 82. Insbesondere erlaubt das Steuern wann sich das Nadelventil 82 öffnet, und zwar unabhängig vom Unterdrucksetzen des Kraftstoffs eine größere Flexibilität sowohl hinsichtlich des Einspritztimings als auch der Form der Einspritzrate. Selbst wenn eine direkte Steuerung des Nadelventils 82 erreicht wird, ist es jedoch möglich, noch weiter die Einspritzvorrichtungsleistung zu verbessern, indem man weiß, wann das Nadelventil 82 tatsächlich geöffnet ist. Durch die Verwendung des Drucksensors 78 innerhalb der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 20 zum Messen des Drucks innerhalb des Drucksteuerraums 70 kann die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 20 eingestellt bzw. getrimmt werden, um noch weiter die Leistung zu verbessern. Das Trimmen stellt das Timing der Ventilbewegung ein, um sich noch genauer an das gewünschte Timing anzunähern.

Insbesondere kann der Drucksensor 78 den Druck innerhalb des Drucksteuerraums 70 messen, und ein Rückkopplungssignal über den Draht 88 an das ECM 80 senden. Das ECM 80 kann dann bestimmen, ob das Nadelventil 82 sich in einer geöffneten oder geschlossenen Position befindet oder nicht, und zwar basierend auf dem Druck innerhalb des Steuerraums 70. Der Drucksensor 78 kann entweder ein digitales oder analoges Signal an das ECM 80 schicken. Ferner wäre jede Art von Drucksensor einsetzbar, aber der Drucksensor 78 ist vorzugsweise ein Drucksensor des Piezotyps.

Das ECM 80 untersucht das Rückkopplungssignal von dem Drucksensor 78, um zu bestimmen, ob das Nadelventil 82 geöffnet oder geschlossen ist. Das ECM 80 untersucht auch die Zeit, die mit dem Rückkopplungssignal des Drucksensors 78 assoziiert ist, um zu bestimmen, ob sich das Nadelventil 82 wie erwartet öffnet oder schließt. 2 veranschaulicht ein Beispiel der Beziehung zwischen dem Timing des ECM 80 für den Elektromagneten 24, den DOC-Elektromagneten 56, die Einspritzrate und die Druckabfühlung durch den Drucksensor 78. In diesem Beispiel ist das Drucksignal ein digitales Signal und bestimmt nur einen druckbeaufschlagten oder druckfreien Zustand, was die Verarbeitungsleistung reduzieren kann, welche durch das ECM 80 benötigt wird. Insbesondere veranschaulicht 2a den Ölstrom, der das Betätigungssignal des ECM 80 repräsentiert, welches an den Elektromagneten 24 geschickt wird, um den Kraftstoff unter Druck zu setzen. 2b ist der DOC-Strom, der das Betätigungssignal repräsentiert, das durch das ECM 80 an den DOC-Elektromagneten 56 geschickt wird, um das Öffnen und Schließen des Nadelventils 80 zu steuern. 2c veranschaulicht die Einspritzrate der Einspritzvorrichtung 20. 2d ist das Logiksignal, das durch den Drucksensor 78 an das ECM 80 geschickt wird, und das den Druck-/kein Druck-Zustand innerhalb des Steuerraums 70 repräsentiert. Bezüglich 2 ist der Anfang des Stroms 1 durch 100 dargestellt, und der Anfang der Einspritzung 1 ist durch 102 dargestellt. Das Ende des Stroms ist durch 104 dargestellt, und das Ende der Einspritzung 1 ist durch 106 dargestellt. Der Start des Stroms 2 wird durch 108 angezeigt, und der Start der Einspritzung 2 ist durch 110 angezeigt. Schlussendlich ist das Ende des Stroms 2 durch 112 dargestellt, und das Ende der Einspritzung 2 ist durch 114 dargestellt. Zusätzlich ist die Verweilzeit der Einspritzvorrichtung, d.h. die Zeit zwischen Einspritzungen durch 116 dargestellt.

Wenn das Timing des Nadelventils 82, das durch das Drucksignal von dem Drucksensor 78 dargestellt wird, nicht wie erwartet ist, kann das ECM 80 das Timing des Betätigungssteuersignals, das an den Betätiger in der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 20 gesendet wird verändern, um die Einspritzvorrichtungsleistung zu verbessern. Wenn z.B. sich das DOC-Ventil 60 langsamer öffnet als erwartet, was bedeutet dass der Drucksensor 78 keinen Druckabfall innerhalb des Steuerraums 70 detektiert, wenn dies vom ECM 80 erwartet wird, kann das ECM 80 das Timing des Betätigungssignals, das an den DOC-Elektromagneten 56 geschickt wird, vorschrieben, um den Druck innerhalb des Steuerraums 70 früher zu verringern, was eine raschere Einspritzung zur Folge hat.

Obwohl sich die Beschreibung auf eine hydraulisch betätigte elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzvorrichtung bezieht, könnte die vorliegende Erfindung in jedem anderen System implementiert werden, in dem Druck verwendet wird, um ein Ventil zu steuern, und zwar einschließlich Common-Rail-Einspritzvorrichtungen und mechanischen Pumpe-Düse-Einspritzvorrichtungen. Ferner bezieht sich die obige Beschreibung auf ein Nadelventil, es ist aber allgemein als ein Rückschlagventil bekannt. Der Fachmann wird erkennen, dass Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung durch ein Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der Ansprüche erhalten werden können.