DE102004015745A1

DE102004015745A1 - Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Nadelhubsensor

Info

Publication number: DE102004015745A1
Application number: DE200410015745
Authority: DE
Inventors: Bernd Berghaenel; Frank Bossert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-13
Also published as: WO2005095789A1

Abstract

Es wird eine Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff vorgeschlagen, bei der die Schließstellung und die Öffnungsstellung einer Düsennadel 8 mithilfe einer Detektionsspannung zwischen zwei elektrischen Kontakten 31 und 33 einfach detektiert werden kann, ohne dass das Betriebsverhalten der Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff sich nennenswert ändert.

Description

Einrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine sind in verschiedensten Bauarten bekannt. So werden beispielsweise bei konventionellen Einspritzsystemen Einspritzdüsen eingesetzt, während bei Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen sogenannte Injektoren dazu dienen, den Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Andere Konzepte sind die sogenannten Pumpe-Düse-Einheiten (PDE) oder Pumpe-Leitung-Düse-Einheiten (PLDE). Allen diesen Einrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff ist gemeinsam, dass sie ein Gehäuse mit einem Ventilsitz, sowie eine Düsennadel und eine Düsenfeder aufweisen. Solange die Düsennadel von der Düsenfeder auf dem Ventilsitz gepresst wird, ist die Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff geschlossen. Sobald die Düsennadel vom Ventilsitz abhebt, ist die Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff geöffnet und es wird Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.

Heutzutage werden nahezu alle Kraftstoffeinspritzsysteme durch ein elektronisches Steuergerät gesteuert. Dabei werden unterschiedlichste Betriebsparameter, wie die Drehzahl und Temperatur der Brennkraftmaschine, die Temperatur und Feuchtigkeit der angesaugten Verbrennungsluft, der Lastzustand und anderes mehr berücksichtigt, um ein bezüglich Leistungsabgabe, Betriebsverhalten, Emissionsverhalten und spezifischem Brennstoffverbrauch optimales Verhalten der Brennkraftmaschine zu erreichen.

Bei Dieselmotoren werden zusätzlich oft eine oder mehrere Voreinspritzungen und eine oder mehrere Nacheinspritzungen vor und nach der eigentlichen Haupteinspritzung vorgesehen, um die gesetzlichen Anforderungen bezüglich Geräuschentwicklung und Emissionsverhalten zu erreichen.

Allen Motorenbauarten und Einspritzsystemen ist gemeinsam, dass mit zunehmend strengeren Abgasgrenzwerten und zur Erreichung optimaler Wirkungsgrade die hochpräzise Einspritzung kleinster Einspritzmengen ebenso wie großer Einspritzmengen erforderlich ist. Dazu ist es unbedingt erforderlich, das dynamische Betriebsverhalten der Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff im realen Betrieb zu kennen, um die Kennfelder des Steuergeräts bestmöglich auf die Einrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff und die Brennkraftmaschine abstimmen zu können. Dazu ist es unter anderem erforderlich, die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Düsennadel während des Betriebs und bei verschiedensten Lastzuständen der Brennkraftmaschine so genau wie möglich zu kennen.

Bis zum heutigen Tag ist es nur mit sehr großem apparativen Aufwand möglich, den Nadelhub der Düsennadel während des Betriebs der Brennkraftmaschine zu messen. Außerdem ist aus dem Stand der Technik keine Einrichtung zum Messen des Nadelhubs bekannt, die einfach aufgebaut ist und das Betriebsverhalten der Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nicht oder nur minimal beeinflusst.

Bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer Düsennadel, mit einem Gehäuse, wobei die Düsennadel in einer Längsbohrung des Gehäuses geführt ist, und mit einer Düsenfeder, wobei sich die Düsenfeder einenends gegen das Gehäuse und anderenends gegen die Düsennadel abstützt und wobei die Düsenfeder die Düsennadel in einen Ventilsitz des Gehäuses presst, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Düsennadel elektrisch gegen das Gehäuse isoliert ist, dass eine mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Spitze der Düsennadel elektrisch leitend ist, dass zwischen der Düsennadel und dem Gehäuse eine elektrische Detektionsspannung angelegt wird, und dass die Detektionsspannung und/oder der Strom zwischen der Düsennadel und dem Gehäuse zur Detektion einer Einspritzung und/oder eines Hubs der Düsennadel ausgewertet wird.

Vorteile der Erfindung

Dadurch, dass die Düsennadel elektrisch gegen das Gehäuse isoliert ist und nur im Bereich der Spitze der Düsennadel eine elektrisch leitende Verbindung zu dem Ventilsitz des Gehäuses hergestellt werden kann, kann das Ventilglied neben seiner eigentlichen Funktion auch als Schaltelement eines elektrischen Schalters eingesetzt werden. Dies bedeutet, dass immer dann, wenn zwischen Gehäuse und der Düsennadel kein Potentialunterschied vorhanden ist, die Düsennadel auf dem Ventilsitz aufliegt und somit die Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff geschlossen ist. Sobald die Düsennadel vom Ventilsitz abhebt, ist die Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff geöffnet und es stellt sich ein Potentialunterschied zwischen der Düsennadel und dem Gehäuse ein. In anderen Worten: Aus dem Verlauf der Detektionsspannung kann unmittelbar und mit hoher Präzision der Öffnungs- und der Schließzeitpunkt der Düsennadel ermittelt werden.

Da die Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff im Inneren nahezu unverändert bleibt, wird durch die erfindungsgemäße Isolierung der Düsennadel gegenüber dem Gehäuse das Betriebsverhalten der Einrichtung nicht nennenswert beeinträchtigt, so dass die gemessenen Öffnungszeitpunkte und Schließzeitpunkte der Einrichtung zum Einspritzen ohne größere Fehler auf baugleich ausgeführte und in Großserie gefertigte Einrichtungen zum Einspritzen übertragen werden können, deren Düsennadel, wie üblich, aus Stahl besteht und die elektrisch leitend im Gehäuse der Einrichtung zum Einspritzen geführt ist.

Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, das Betriebsverhalten verschiedenster Einrichtungen zum Einspritzen unter sehr realen Bedingungen zu erfassen und so das Steuergerät der Einspritzanlage optimal auf das dynamische Betriebsverhalten der Einrichtung zum Einspritzen abzustimmen.

Es hat sich als einfach ausführbar und deshalb besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Düsennadel und/oder das Gehäuse im Bereich der Längsbohrung mit Kohlenstoff beschichtet ist. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die elektrische Isolierung von Düsennadel und Gehäuse mit Hilfe einer Kohlenstoffbeschichtung beschränkt, sondern es sind auch andere Beschichtungen möglich und vom Erfindungsgedanken umfasst, die eine elektrische Trennung der Düsennadel und des Gehäuses ermöglichen.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Düsenfeder und dem Gehäuse eine Kontaktscheibe vorgesehen, welche die Düsenfeder elektrisch vom Gehäuse isoliert und bei der die Düsenfeder elektrisch leitend mit der Düsennadel verbunden ist.

Dadurch, dass neben der Düsennadel auch die Düsenfeder vom Gehäuse isoliert ist, wird die Düsennadel vollständig elektrisch von dem sie umgebendenden Gehäuse isoliert, so dass nur an der Spitze der Düsennadel und am Ventilsitz des Gehäuses eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Düsennadel und dem Gehäuse hergestellt werden kann. Dadurch wird die Detektion der Stellung der Düsennadel relativ zum Ventilsitz weiter vereinfacht.

Um Messungen einfach und problemlos durchführen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, am Gehäuse einen ersten elektrischen Kontakt vorzusehen und an der Kontaktscheibe, der Düsenfeder oder der Düsennadel einen zweiten elektrischen Kontakt vorzusehen. Die bereits genannte Detektionsspannung kann dann zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt angelegt werden. Dadurch kann an diesen zwei elektrischen Kontakten festgestellt werden, ob die sich im Inneren des Gehäuses befindliche Düsennadel auf dem Ventilsitz aufliegt oder nicht.

Es ist vorteilhaft, wenn der zweite elektrische Kontakt an der Kontaktscheibe angebracht wird, da sich diese nicht relativ zum Gehäuse bewegt und somit die Gefahr minimiert wird, dass der zweite elektrische Kontakt aufgrund der Bewegung der Düsennadel abbricht. Es ist jedoch auch möglich, den zweiten elektrischen Kontakt an einer Wicklung der Düsenfeder anzubringen oder sogar auch im Bereich der Düsennadel.

Um nicht nur das Öffnen der Einrichtung zum Einspritzen mit Hilfe der Detektionsspannung detektieren zu können, kann auch ein elektrisch leitend mit dem Gehäuse verbundener Hubanschlag vorgesehen werden und weiter vorgesehen werden, dass die Düsennadel oder ein mit ihr elektrisch und mechanisch verbundenes Bauteil dort wo es bei vollständig geöffneter Düsennadel an dem Hubanschlag aufliegt, elektrisch leitend ist. Dadurch haben auch der Hubanschlag und das entsprechende Gegenstück an der Düsennadel die Funktion eines elektrischen Schalters, so dass sowohl bei geschlossener Düsennadel als auch bei voll geöffneter kein Potentialunterschied zwischen der Düsennadel und dem Gehäuse mehr vorhanden ist. Somit kann auf einfachste Weise nicht nur das Öffnungs- und Schließverhalten der zu untersuchenden Einrichtung erfasst werden, sondern es kann auch mit hoher Präzision und ohne Beeinträchtigungen des Betriebsverhaltens festgestellt werden, wann die Düsennadel ihren maximalen Hub, der vom Hubanschlag vorgegeben wird, erreicht.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine kann als Einspritzdüse, Injektor für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem, Pumpe-Düse-Einheit oder Pumpe-Leitung-Düse-Einheit ausgebildet sein. Mit der erfindungsgemäßen elektrischen Isolierung der Düsennadel gegenüber dem Gehäuse und dem erfindungsgemäßen Anlegen einer Detektionsspannung kann bei allen genannten und noch weiteren nicht genannten Bauarten von Einrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine das Abheben der Düsennadel vom Ventilsitz sicher und mit hoher Präzision erkannt werden. Gleiches gilt für das Erreichen des Maximalhubs der Düsennadel, wenn diese an einem Hubanschlag in Anlage kommt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Zeichnungen
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff im Längsschnitt,
2 eine Kontaktscheibe in verschiedenen Ansichten, und
3 die Detektionsspannung in Abhängigkeit des Düsennadelhubs.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist beispielhaft für eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff ein Injektor dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Injektoren beschränkt, sondern ist bei allen Bauarten von Einrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff anwendbar. Deshalb wird nachfolgend stets von einem „Injektor" gesprochen, obwohl damit auch Einspritzdüsen, PDE, PLDE und andere Bauarten von Einrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff gemeint sind.
Das in 1 im Längsschnitt dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors weist ein insgesamt mit 1 bezeichnetes Gehäuse auf. Das Gehäuse 1 umfasst einen Düsenkörper 2, der mit seinem unteren freien Ende in den Brennraum (nicht dargestellt) der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragt, und ein Ventilstück 3. Mit seiner oberen, brennraumfernen Stirnfläche ist der Düsenkörper 2 mittels einer Spannmutter 5 axial gegen einen Haltekörper 4 verspannt. Auch der Haltekörper 4 ist Teil des Gehäuses 1.
An dem Haltekörper 4 ist ein innen umlaufender Steg 26 ausgebildet. An dem Steg 26 stützt sich ein Ventilstück 3 mit einem Bund ab.
In dem Düsenkörper 2 ist eine gestufte Längsbohrung 6 ausgespart. In der Längsbohrung 6 ist eine Düsennadel 8 axial verschiebbar aufgenommen. An der Spitze 9 der Düsennadel 8 ist eine Dichtfläche ausgebildet, die mit einem Dichtsitz (ohne Bezugszeichen) zusammenwirkt, der an dem Düsenkörper 2 ausgebildet ist. Die Spitze 9 und der Dichtsitz sind elektrisch leitend.
Wenn sich die Spitze 9 der Düsennadel 8 mit ihrer Dichtfläche in Anlage an dem Dichtsitz befindet, sind die Spritzlöcher 10 in dem Düsenkörper 2 verschlossen. In Folge dessen ist der Injektor geschlossen. Wenn die Düsennadelspitze 9 von ihrem Sitz abhebt, wird der Injektor geöffnet und es wird mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff (nicht dargestellt) durch die Spritzlöcher 10 in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine eingespritzt.
Ausgehend von der Spitze 9 weist die Düsennadel 8 drei Bereiche mit unterschiedlichen Durchmessern d₁, d₂ und d₃ auf. Der Durchmesser d₂ ist am größten und die Durchmesser d₁ und d₃ sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel gleich groß, können aber auch unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Die Düsennadel 8 wird mit ihrem Durchmesser d₂ in der Längsbohrung 6 des Düsenkörpers 2, der ein Teil des Gehäuses ist, geführt.
Das brennraumferne Ende der Düsennadel 8 mit dem Durchmesser d₃ bildet einen Steuerzapfen 12, der in einer zentralen Bohrung 14 in dem Ventilstück 3 axial verschiebbar geführt ist. Dort wo die Düsennadel 8 in der Bohrung 6 geführt sind, ist die Düsennadel 8 und/oder der Düsenkörper 2 mit einer Beschichtung versehen, so dass die Düsennadel 8 elektrisch vom Düsenkörper 2 getrennt ist. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen zum Zwecke der elektrischen Isolierung eine Beschichtung aus Kohlenstoff (C₂) auf der Düsennadel 8 und/oder dem Düsenkörper 2 aufzubringen. Entsprechendes gilt für den Steuerzapfen 12. Auch er ist, beispielsweise durch eine Kohlenstoff-Beschichtung, elektrisch von dem Ventilstück 3 getrennt.
Die Bohrung 14 und die Stirnfläche des Steuerzapfens 12 der Düsennadel 8 begrenzen einen Steuerraum 15. Der Steuerraum 15 ist über einen Kraftstoffablauf 16 mit einem (nicht dargestellten) Entlastungsraum verbindbar. In dem Kraftstoffablauf 16 ist eine Ablaufdrossel 17 vorgesehen. Mit Hilfe eines Ventilgliedes 18 kann der Kraftstoffablauf 16 geöffnet und geschlossen werden.
Durch eine Zulaufdrossel 19 kann Kraftstoff in den Steuerraum 15 gelangen. Die Zulaufdrossel 19 verbindet den Steuerraum 15 mit einem Düsenfederraum 20. Der Düsenfederraum 20 steht mit einem Kraftstoffzulauf 24 in Verbindung durch den mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff von dem (nicht dargestellten) Common-Rail in den Düsenfederraum 20 gelangt.
In dem Düsenfederraum 20 ist eine Düsenfeder 21 angeordnet. Die Düsenfeder 21 stützt sich mit ihrem einen Ende mittelbar an einem Steg 26 des Haltekörpers 4 ab. Zwischen der Düsenfeder 21 und dem Steg ist eine Kontaktscheibe 29 vorhanden. Die Kontaktscheibe 29 ist nahezu vollständig mit einer elektrischen Isolationsschicht (siehe 2) überzogen, so dass zwischen Düsenfeder 26 und dem Gehäuse 1, bzw. dem Ventilstück 3, keine elektrisch leitende Verbindung besteht.
An dem Gehäuse 1 ist ein erster elektrischer Kontakt 31 vorgesehen. Dieser erste elektrische Kontakt 31 hat in 1 die Polarität "minus".
An der Kontaktscheibe 29 ist ein zweiter elektrischer Kontakt 33 vorhanden, der die Polarität "plus" hat. Die zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 31 und dem zweiten elektrischen Kontakt 33 angelegte Spannung wird im Zusammenhang mit der Erfindung als "Detektionsspannung" bezeichnet.
Wenn, wie in 1 dargestellt, die Düsennadel 8 mit ihrer elektrisch leitenden Spitze 9 am Dichtsitz des Düsenkörpers 2 aufliegt, dann ist zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 31 und dem zweiten elektrischen Kontakt 33 kein Potentialunterschied vorhanden, das heißt die Detektionsspannung ist gleich null. Der Potentialausgleich zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 31 und dem zweiten elektrischen Kontakt 33 geschieht einerseits über das Gehäuse 1 mit dem Düsenkörper 2, der Spannmutter 5, dem Haltekörper 4 und dem Ventilstück 3 sowie über die Düsennadel 8, den Federteller 22 und die Düsenfeder 21 bis zur Kontaktscheibe 29.
Da die Düsennadel 8 mit Ausnahme der Spitze 9 der Düsennadel, ebenso wie die Düsenfeder 21, gegen das Gehäuse elektrisch isoliert ist, kann die elektrische Spannung nur den zuvor skizzierten Weg gehen.
Mit ihrem anderen Ende stützt sich die Düsenfeder 21 an einem Federteller 22 ab. Die Vorspannkraft der Düsenfeder 21 wird von dem Federteller 22 auf die Düsennadel 8 übertragen. Zu diesem Zweck ist an der Düsennadel 8 zwischen dem Steuerzapfen 12 mit dem Durchmesser d₃ und dem Abschnitt der Düsennadel 8 mit dem Durchmesser d₂ eine Stufe 23 ausgebildet. Der Federteller 22 und die Düsenfeder 21 sind so bemessen, dass sie mit ihren Außendurchmessern nicht in Kontakt mit dem Haltekörper 4 gelangen können.
In dem Abschnitt der Düsennadel 8 mit dem Durchmesser d₂ ist eine Abflachung 25 ausgebildet. Die Abflachung 25 schafft eine Verbindung zwischen dem Düsenfederraum 20 und einem Druckraum 27, der ein Kraftstoffreservoir bildet. Wenn der Kraftstoffablauf 16 durch das Ventilglied 18 verschlossen ist, herrscht in dem Steuerraum 15 und dem Druckraum 27 der gleiche Druck wie im Common-Rail. Die Vorspannkraft der Düsenfeder 21 sorgt dann dafür, dass die Spitze 9 der Düsennadel 8 an ihrem zugehörigen Sitz in Anlage an dem Düsenkörper 2 bleibt. In dieser Stellung der Düsennadel 8 findet keine Einspritzung statt und es besteht eine elektrische Verbindung zwischen Düsennadel 8 und Düsenkörper 2.
Wenn das Ventilglied 18 den Kraftstoffablauf 16 öffnet, sinkt der Druck in dem Steuerraum 15 ab. In dem Druckraum 27 herrscht nach wie vor Raildruck. Das führt dazu, dass die Düsennadel 8 mit ihrer Spitze 9 von dem zugehörigen Sitz abhebt, und Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Wenn das Ventilglied 18 den Kraftstoffablauf 16 wieder schließt, steigt der Druck in dem Steuerraum 15 an, was dazu führt, dass die Düsennadel 8 schließt.
Das Ventilstück 3 und das Ventilglied 18 bilden ein Servoventil. Das Servoventil kann als einfach- oder doppelschaltendes Ventil ausgeführt sein. Als Steller können ein Magnet oder ein Piezo-Aktor eingesetzt werden. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die Zulaufdrossel 19 in dem Ventilstück 3. Aus Fertigungs- und Kostengründen kann die Zulaufdrossel auch in einem anderen Bauteil, z.B. der Düsennadel 8, ausgebildet sein. Wichtig ist, dass sich die Düsenfeder 21 außerhalb des Steuerraums 15 befindet. Die Vorspannung beziehungsweise der Hub können durch die Dicke des Federtellers 22 eingestellt werden. Statt der einen Abflachung 25 können auch mehrere Abflachungen an der Düsennadel 8 angebracht sein. Der aus den Abflachungen resultierende Durchflussquerschnitt stimmt mit der Zulaufbohrung einer herkömmlichen Düse überein.
Wenn keine Einspritzung stattfindet, wird die Düsennadel 8 durch den Raildruck in den Sitz gepresst. Die Summe aus Steuerraum- und Düsenfederschließkraft überwiegt gegenüber der Sitzkraft am Nadelsitz. Die Einspritzung wird durch die Druckentlastung des Steuerraums 15 eingeleitet. Die Düsennadel 8 hebt sich aus dem Sitz und schlägt im Endhub mit dem Federteller 22 am Ventilstück 3 an. Sobald das Ventilglied 18 wieder schließt, steigt der Druck im Steuerraum 15 an, und die Düsennadel 8 geht in den Sitz zurück.
Der in 1 untere Teil des Ventilstücks 3 bildet einen Hubanschlag 35, der den maximalen Hub der Düsennadel 8 begrenzt. Dies geschieht dann, wenn die Düsennadel 8 um den Betrag h_max vom Dichtsitz abgehoben hat, so dass der Federteller 22 an dem Hubanschlag 35 aufliegt und somit die Düsennadel 8 nicht weiter öffnen kann. Wenn nun das Ventilstück 3 im Bereich des Hubanschlags 35 eine elektrisch leitende Oberfläche hat und auch der Federteller 22 elektrisch leitend ist, wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Düsennadel 8 und dem Ventilstück 3 hergestellt, sobald die Düsennadel 8 ihren maximalen Hub h_max erreicht hat. Infolgedessen ist auch in dieser Position der Düsennadel 8 zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt 33 kein Potentialunterschied mehr vorhanden. Diese Änderung der Detektionsspannung zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 31 und dem zweiten Kontakt 33 dient erfindungsgemäß dazu, um das Erreichen des maximalen Hubs h_max der Düsennadel 8 zu detektieren.
In 2 ist eine Kontaktscheibe 29 stark vergrößert dargestellt. Die Kontaktscheibe 29 ist ähnlich aufgebaut wie eine Unterlegscheibe mit einem Außendurchmesser D_a, einem Innendurchmesser D_i und einer Dicke d. Die 2a zeigt die Draufsicht auf eine Kontaktscheibe 29, die 2b zeigt eine Seitenansicht der Kontaktscheibe 29 und die 2c zeigt eine Ansicht von unten der Kontaktscheibe 29. Aus den 2a, 2b und 2c ergibt sich, dass die gesamte Kontaktscheibe 29 mit Ausnahme einer Kreisringfläche 37 auf der Unterseite der Kontaktscheibe 29 von einer elektrisch nicht leitenden Isolierschicht, wie zum Beispiel einer Schicht aus Kohlenstoff (C₂), umgeben ist. Zwischen dem zweiten elektrischen Kontakt 33 und der Kreisringfläche 37 auf der Unterseite der Kontaktscheibe 29 ist eine elektrische Verbindung durch die Kontaktscheibe 29 hindurch mit der Düsenfeder 21 und der Düsennadel 8 vorhanden.
Durch die nahezu allseitige elektrisch isolierende Beschichtung auf der Kontaktscheibe 29 ist gewährleistet, dass die Düsenfeder 21 (siehe 1) elektrisch keinen Kontakt mit dem Gehäuse oder dem Ventilstück 3 hat.
Dies bedeutet, dass ein elektrischer Strom, der beispielsweise über den zweiten elektrischen Kontakt 33 in die Kontaktscheibe 29 strömt, nur über die Düsenfeder 21, den Federteller 22 und die Düsennadel 8 zur Spitze 9 der Düsennadel 8 gelangen kann. Dort bildet sich ein elektrisch leitender Kontakt zwischen der Düsennadel 9 und dem Dichtsitz des Düsenkörpers 2, wenn die Düsennadel von der Düsenfeder 21 in den Dichtsitz gepresst wird. Somit ist ein Potentialausgleich zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 31 am Gehäuse 1 und dem zweiten elektrischen Kontakt 33 an der Kontaktscheibe 29 möglich.
Die zweite Möglichkeit eines Potentialausgleichs zwischen erstem elektrischen Kontakt 31 und zweitem elektrischen Kontakt 33 besteht dann, wenn die Düsennadel 8 voll geöffnet ist, so dass der elektrisch leitende Federteller 22 am ebenfalls elektrisch leitenden Hubanschlag 35 des Ventilstücks 3 anliegt. Auch dann findet ein Potentialausgleich zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 31 und dem zweiten elektrischen Kontakt 33 statt.
Anhand der 3 wird nachfolgend der Zusammenhang zwischen einem Hub h der Düsennadel 8 und der Spannung U zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 31 und dem zweiten elektrischen Kontakt 33 erläutert.
Ausgehend vom Zeitpunkt T = 0 ist der Injektor geschlossen, das heißt die Düsennadel 8 liegt auf den Dichtsitz des Düsenkörpers 2 auf und es gibt keinen Potentialunterschied zwischen erstem elektrischen Kontakt 31 und zweitem elektrischen Kontakt 33. Somit ist die Detektions-Spannung U ist gleich null. Zum Zeitpunkt T₁ hebt die Düsennadel 8 vom Dichtsitz ab, so dass eine elektrische Trennung zwischen erstem Kontakt 31 und zweitem Kontakt 33 stattfindet. Infolgedessen steigt die Spannung U auf einen Wert, der von null verschieden ist, an. Wenn die Düsennadel 8 einen Hub h ausführt, der kleiner ist als der Hub h_max, wird die elektrische Verbindung zwischen der Düsennadel 8 und dem Gehäuse 1 so lange unterbrochen, bis die Düsennadel 8 wieder auf dem Dichtsitz im Düsenkörper 2 aufliegt. Dies ist im vorliegenden Beispiel zum Zeitpunkt T₂ der Fall. Zum Zeitpunkt T₂ bricht die Spannung U wieder zusammen, da über die Düsennadel 8 und den Düsenkörper 2 ein Potentialausgleich zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 31 und dem zweiten elektrischen Kontakt 33 stattfindet.
Zum Zeitpunkt T₃ hebt die Düsennadel 8 erneut vom Dichtsitz ab, so dass die Spannung U wieder ansteigt. Zum Zeitpunkt T₄ erreicht die Düsennadel 8 ihren maximalen Hub h_max, so dass der Federteller 22 am Hubanschlag 35 anliegt und auf diesem Weg ein Potentialausgleich zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 31 und dem zweiten elektrischen Kontakt 33 stattfindet. Infolgedessen bricht die Spannung U wieder zusammen, bis zum Zeitpunkt T₅ die Düsennadel 8 nicht mehr am Hubanschlag 35 anliegt. Zum Zeitpunkt T₆ hat die Düsennadel 8 wieder den Dichtsitz im Düsenkörper 2 erreicht, so dass die Spannung U erneut zusammenbricht.
Aus der Zusammenschau der in 3 dargestellten Diagramme des Hubs h der Düsennadel 8 und der Spannung U zwischen den ersten elektrischen Kontakten 31 und 33 lässt sich erkennen, dass durch eine Auswertung der Spannung U eindeutig detektiert werden kann, ob die Düsennadel 8 auf dem Dichtsitz oder am Hubanschlag 35 aufliegt.
Da, mit Ausnahme der Kontaktscheibe 29, keine baulichen Änderungen am Injektor vorzunehmen sind, beeinträchtigt die erfindungsgemäße Erfassung der Stellung beziehungsweise der Position der Düsennadel 8 im Gehäuse 1 das Betriebsverhalten des Injektors nicht. An der Kontaktscheibe 29 müssen lediglich eine isolierende Beschichtung und ein elektrischer Kontakt 33 angebracht werden. Deshalb ist es relativ kostengünstig möglich, einen in Serie gefertigten Injektor, eine Einspritzdüse, eine PDE oder eine PLDE erfindungsgemäß so umzurüsten, dass die Schließstellung und die Öffnungsstellung der Düsennadel mit Hilfe der Detektionsspannung U erkannt werden kann.
Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Erfassung der Stellung der Düsennadel 8 nicht auf den in 1 dargestellten Injektor beschränkt ist, sondern bei verschiedensten Einrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff entsprechend eingesetzt werden kann.

Claims

Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Düsennadel (8), mit einem Gehäuse (1), wobei die Düsennadel (8) in einer Längsbohrung (6) des Gehäuses (1) geführt ist, und mit einer Düsenfeder (21), wobei sich die Düsenfeder (21) einenends gegen das Gehäuse (1) und anderenends gegen die Düsennadel (8) abstützt und wobei die Düsenfeder (21) die Düsennadel (8) in einen Ventilsitz des Gehäuses (1) presst, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (21) elektrisch gegen das Gehäuse (1) isoliert ist, dass eine mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Spitze (9) der Düsennadel (21) elektrisch leitend ist, dass zwischen der Düsennadel (8) und dem Gehäuse (1) eine elektrische Detektionsspannung angelegt wird, und dass die Detektionsspannung und/oder der Strom zwischen der Düsennadel (8) und dem Gehäuse (1) zur Detektion einer Einspritzung und/oder eines Hubs (h) der Düsennadel (8) ausgewertet wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (21) und/oder das Gehäuse (1) im Bereich der Längsbohrung (6) mit Kohlenstoff (C₂) beschichtet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Düsenfeder (21) und dem Gehäuse (1) eine Kontaktscheibe (29) vorgesehen ist, dass die Kontaktscheibe (29) die Düsenfeder (21) elektrisch vom Gehäuse (1) isoliert, und dass die Düsenfeder (21) elektrisch leitend mit der Düsennadel (8) verbunden ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) einen ersten elektrischen Kontakt (31) aufweist, dass die Kontaktscheibe (29), die Düsenfeder (21) oder die Düsennadel (8) einen zweiten elektrischen Kontakt (33) aufweist, und dass die Detektions-Spannung zwischen dem ersten elektrischen Kontakt (31) und dem zweiten elektrischen Kontakt (33) anliegt.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch leitend mit dem Gehäuse (1) verbundener Hubanschlag (35) vorhanden ist, und dass die Düsennadel (8) oder ein mit ihr verbundenes Bauteil (22) in einer Kontaktzone mit dem Hubanschlag (35) elektrisch leitend ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (8) an ihrem der Spitze (9) abgewandten Ende einen Steuerzapfen (12) aufweist, dass der Steuerzapfen (12) mit einer Bohrung (14) eines Ventilstücks (3) einen Steuerraum (15) begrenzen, und dass der Steuerzapfen (14) und/oder die Bohrung (14) elektrisch isoliert sind.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerzapfen (14) und/oder die Bohrung (14) mit Kohlenstoff (C₂) beschichtet ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung als Einspritzdüse, Injektor für ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem, Pumpe-Düse-Einheit oder Pumpe-Leitung-Düse-Einheit ausgebildet ist.