DE19930530B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Regeln der Einspritzung von Kraftstoff durch einen Kraftstoffinjektor in einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Regeln der Einspritzung von Kraftstoff durch einen Kraftstoffinjektor in einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Im Kraftstoffinjektor ist in einer Steuerkammer 4 ein Ventilkörper 20 beweglich angeordnet, wobei der Ventilkörper über eine Wirkverbindung 16 von einer Stelleinrichtung 18 mit seiner Dichtfläche 22 vom Ventilsitz 43 abgehoben werden und der Hub des Ventilkörpers dabei variabel eingestellt werden kann, so daß der Kraftstofffluß von der Steuerkammer in einem Rücklauf 14 durch den Hub des Ventilkörpers festgelegt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für einen Kraftstoffinjektor zum Regeln der Einspritzung von Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Regeln der Einspritzung von Kraftstoff durch einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der EP 0 826 876 A1 bekannt.
  • Für die Kraftstoffversorgung von Brennkraftmaschinen werden zunehmend Speichereinspritzsysteme verwendet, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Solche Einspritzsysteme sind als Common-Rail-Systeme für Dieselmotoren und HPDI-Einspritzsysteme für Ottomotoren bekannt und zeichnen sich dadurch aus, daß der Kraftstoff mit einer Hochdruckpumpe in einen allen Zylindern der Brennkraftmaschine gemeinsamen Hochdruckspeicher gefördert wird, von dem aus die Kraftstoffinjektoren, die in den einzelnen Zylindern vorgesehen sind und die Einspritzung durchführen, versorgt werden.
  • Das Öffnen und Schließen der Kraftstoffinjektoren wird dabei in der Regel mit Hilfe einer elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigten Steuervorrichtung durchgeführt. Eine solche Steuervorrichtung weist im allgemeinen einen Aktuator und ein Steuerventil auf, das zwischen einer beweglichen Düsennadel im Kraftstoffinjektor und dem Aktuator angeordnet ist, um hydraulisch das Öffnen und Schließen der Düsennadel zu bewirken. Das Steuerventil soll dabei zeitlich möglichst exakt den Beginn und das Ende des Einspritzvorgangs festlegen und eine genaue Kontrolle der eingespritzten Kraftstoffmenge ermöglichen.
  • Bei der oben genannten EP 0 826 876 A1 wird als Steuerventil ein stempelförmiger Ventilkörper eingesetzt, der mit dem Aktuator verbunden ist und sich in eine Steuerkammer im Kraftstoffinjektor erstreckt, wobei der Ventilkörper eine Dichtfläche aufweist, die im Ruhezustand von einer Feder auf einem Ventilsitz in der Steuerkammer gehalten wird. In diesem geschlossenen Zustand des Steuerventils steht in der Steuerkammer im wesentlichen der volle Systemdruck am hinteren Ende einer beweglichen Düsennadel im Kraftstoffinjektor an, so daß die Düsennadel gegen den in einer Düsenkammer im Kraftstoffinjektor herrschenden Kraftstoffdruck nach unten gedrückt wird und Einspritzlöcher verschließt. Bei einer Betätigung des Steuerventils durch den Aktuator hebt das Steuerventil mit seiner Dichtfläche vom Ventilsitz in der Steuerkammer ab und bringt die Steuerkammer mit einem Kraftstoffrücklauf in Verbindung. Dadurch fällt die in der Steuerkammer auf die Düsennadel wirkende Druckkraft im Vergleich zu der Druckkraft, die in der Düsenkammer auf die Düsennadel ausgeübt wird, ab, so daß die Düsennadel von der in der Düsenkammer ausgeübten Druckkraft geöffnet und Kraftstoff über die Einspritzlöcher eingespritzt wird.
  • Die Geschwindigkeit, mit der sich die Düsennadel öffnet, hängt dabei vom Kraftstoffabfluß aus der Steuerkammer bei geöffnetem Steuerventil ab. Dieser Kraftstofffluß wird wiederum vom Spalt zwischen der Dichtfläche des Steuerventils und dem Ventilsitz und damit vom Hub des Steuerventils bestimmt. Bei der EP 0 826 876 A1 wird als Aktuator zum Betätigen des Steuerventils ein Piezoelement eingesetzt, bei dem ein vorgegebener Spannungsstoß eine elektrische Aufladung und damit eine Längendehnung erzeugt, die den Hub des Steuerventils bewirkt. Fertigungstoleranzen, insbesondere beim Steuerventil und beim Piezoelement, sowie Streuungen in den elektrischen Eigenschaften der Ansteuerschaltung des Piezoelements haben jedoch merklichen Einfluß auf den Hub des Steuerventils und damit auf den Einspritzverlauf des Kraftstoffinjektors. Es besteht deshalb die Gefahr, daß dieser Einspritzverlauf unerwünsch terweise von Kraftstoffinjektor zu Kraftstoffinjektor variiert.
  • Aus der DE 42 37 509 A1 ist weiterhin eine Steuereinrichtung für einen Piezo-Aktuator bekannt, bei dem der Spannungsverlauf an Aktuator gemessen und eine entsprechende Anpassung der Aufladung des Aktuators gemäß einem gewünschten Verlauf vorgenommen wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Steuervorrichtung und ein Verfahren zum Regeln der Kraftstoffeinspritzung durch einen Kraftstoffinjektor bereitzustellen, die eine genaue Einstellung des Einspritzverlaufes des Kraftstoffinjektors ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Steuervorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 4 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß der Erfindung wird eine Stelleinrichtung in einem Kraftstoffinjektor so ausgelegt, daß über eine Wirkverbindung der Hub eines Ventilkörpers beim Abheben seiner Dichtfläche von einem Ventilsitz in einer Steuerkammer variabel eingestellt werden kann, wodurch der Kraftstofffluß von der Steuerkammer in einen Rücklauf im Kraftstoffinjektor festgelegt wird. Durch die Möglichkeit der variablen Hubeinstellung läßt sich der Kraftstofffluß aus der Steuerkammer und damit der Druckabbau in dieser Steuerkammer genau festlegen. Dies ermöglicht wiederum, die vom Druckabbau in der Steuerkammer bestimmte Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel und damit den Einspritzverlauf der Düsennadel exakt einzustellen.
  • Als Stelleinrichtung wird gemäß der Erfindung ein piezoelektrischer Aktuator eingesetzt, der mit einer Ladungsregelung verbunden ist, um seine Längendehnung so einzustellen, daß über die Wirkverbindung zwischen dem piezoelektrischen Aktua tor und dem Steuerventil ein gewünschter Hub des Ventilkörpers erzielt wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders genaue Regelung des Ventilhubs und damit des Einspritzverlaufs.
  • Weiterhin wird gemäß der Erfindung bei einem piezoelektrischen Aktuator als Stelleinrichtung mit Hilfe einer Detektorschaltung fortlaufend die Spannung am piezoelektrischen Aktuator erfaßt, wobei aus dem zeitlichen Verlauf der gemessenen Spannung der zeitlichen Verlauf der Kraftstoffeinspritzung bestimmt und die Aufladung des piezoelektrischen Aktors entsprechend einem gewünschten zeitlichen Verlauf dieser Einspritzung angepaßt wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine laufende Anpassung des Einspritzverlaufs im Kraftstoffinjektor, so daß sich ein optimaler Verbrennungsverlauf erzielen läßt.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigt
  • 1 schematisch einen Kraftstoffinjektor mit einer Steuervorrichtung zum Regeln der Kraftstoffeinspritzung;
  • 2 eine Detailansicht der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung mit einer ersten Ausführungsform des Ventilkörpers;
  • 3A eine zweite Ausführungsform des Ventilkörpers für das Steuerventil der 2;
  • 3B eine dritte Ausführungsform des Ventilkörpers für das Steuerventil der 2;
  • 4 den zeitlichen Verlauf der Spannung an einem piezoelektrischen Aktuator und den damit korrelierten Düsennadelhub bei einem Kraftstoffinjektor der 1; und
  • 5 das elektrische Blockschaltbild eines Regelkreises für einen piezoelektrischen Aktuator in einem Kraftstoffinjektor der 1.
  • 1 zeigt schematisch einen Kraftstoffinjektor, wie er in einem Common-Rail-System eingesetzt wird. Der Kraftstoff injektor weist eine Steuerkammer 4 auf, die von einem Hochdruckspeicher (nicht gezeigt) über eine Hochdruckbohrung 1 und eine Zulaufbohrung 2, die eine Zulaufdrossel 3 beinhaltet, mit Kraftstoff unter Systemdruck versorgt wird. In der Steuerkammer 4 wirkt der Kraftstoffdruck auf das hintere Ende einer beweglichen Düsennadel 6. Die Düsennadel 6 weiterhin öffnet und verschließt mit ihrem vorderen Ende Einspritzlöcher 7, die zu einem Brennraum (nicht gezeigt) einer Brennkraftmaschine führen.
  • Die Hochdruckbohrung 1 im Kraftstoffinjektor verbindet den Hochdruckspeicher weiterhin mit einer Düsenkammer 8, die am vorderen Ende der Düsennadel 6 ausgebildet ist. Wenn sowohl in der Steuerkammer 4 als auch in der Düsenkammer 8 der volle Systemdruck des Kraftstoffs anliegt, wird die Düsennadel 6 aufgrund der größeren Wirkfläche in der Steuerkammer 4 nach unten gedrückt und verschließt die Einspritzlöcher 7. An die Steuerkammer 4 im Kraftstoffinjektor ist ein Steuerventil 10 in Form eines 2/2-Wegeventils angeschlossenen, in das eine Ablaufdrossel 11 integriert ist. Vom Steuerventil 10 geht weiterhin ein druckloser Kraftstoffrücklauf 14 zu einem Kraftstofftank (nicht gezeigt) ab. Das Steuerventil 10 wird über einen Stempel 16 von einer Stelleinrichtung 18, vorzugsweise einem piezoelektrischen Aktuator, angesteuert und betätigt. Das Steuerventil 10 steuert den Druck, der in der Steuerkammer 4 auf die bewegliche Düsennadel 6 ausgeübt wird.
  • In 2 ist eine Detailansicht des Kraftstoffinjektors mit einer möglichen Ausführungsform des Steuerventils 10 dargestellt. Das Steuerventil 10 ist dabei unmittelbar angrenzend an die Steuerkammer 4 angeordnet. Dazu ist an die Steuerkammer 4 anschließend eine Aussparung 41 ausgebildet, die einer Rückseite 61 der Düsennadel 6 gegenüberliegt. In der Aussparung 41 ist ein Ventilkörper 20 des Steuerventils 10 eingesetzt. Die Aussparung 41 ist zur Steuerkammer 4 hin offen, so daß der in die Aussparung eingesetzte Ventilkörper 20 mit seiner Bodenfläche 21 in die Steuerkammer 4 ragt. Auf der der Steuerkammer 4 abgewandten Seite der Aussparung 41 ist eine Bohrung 42 vorgesehen, durch die der Stempel 16 verläuft, der die Wirkverbindung zwischen dem piezoelektrischen Aktuator 18 und dem Ventilkörper 20 des Steuerventils 10 herstellt. Der Durchmesser des Stempels 16 ist kleiner als der der Bohrung 42 ausgelegt, wobei die Bohrung 42 einen Teil des drucklosen Rücklaufes 14 bildet, durch den der Kraftstoff aus der Steuerkammer 4 bei geöffneten Steuerventil 10 in den Kraftstofftank zurückfließt.
  • Die Bohrung 42 hat weiterhin einen kleineren Durchmesser als die Aussparung 41. Der Übergang von der Bohrung 42 in die Aussparung 41 ist als konischer Ventilsitz 43 ausgebildet, auf dem der Ventilkörper 20 mit einer kegelförmigen Dichtfläche 22 an der Oberseite des Ventilkörpers 20 abdichtend zur Anlage kommt. Der Ventilkörper 20 weist weiterhin einen kleineren Durchmesser als die Aussparung 42 auf, so daß zwischen der Außenwandung des Ventilkörpers 20 und der Innenwandung der Aussparung 41 ein Ringkanal 44 bleibt. Dieser Ringkanal 44 stellt eine ständige Verbindung zwischen der Steuerkammer 4 und einer Ventilkammer 45, die durch eine stufenförmige Einschnürung 25 an der Oberseite des Ventilkörpers angrenzend an die Dichtfläche 22 gebildet wird, her. Die Einschnürung 25 des Ventilkörpers 20 weist bezüglich des in der Ventilkammer 45 herrschenden Kraftstoffdrucks, der dem Druck in der Steuerkammer 4 entspricht, eine ringförmige Wirkfläche auf. Diese ringförmige Wirkfläche der Einschnürung 25 ist der Bodenfläche 21, an der auch der in der Steuerkammer 4 herrschende Kraftstoffdruck anliegt, gegenüberliegend angeordnet, wobei die Wirkfläche die Einschnürung 25 jedoch kleiner als die der Bodenfläche 21 ausgebildet ist. Auf der Bodenfläche 21 schlägt weiterhin eine Feder 9 an, die in einer Aussparung 62 in der Düsennadelrückseite 61 abgestützt ist.
  • Der in 1 und 2 gezeigte Kraftstoffinjektor arbeitet wie folgt:
    Im Ausgangszustand, bei nicht angesteuertem piezoelektrischen Aktuator 18 übt der Stempel 16 keine Kraft auf die Oberseite des Ventilkörpers 20 auf. Der Ventilkörper 20 wird dann durch den vom Kraftstoff in der Steuerkammer 4 auf die Bodenfläche 21 ausgeübten Druck, der aufgrund der größeren Wirkfläche wesentlich größer ist als Gegendruck auf die Wirkfläche der Einschnürung 25 an der Oberseite des Ventilkörpers 20, mit seiner Dichtfläche 22 auf den Ventilsitz 43 gedrückt. In dieser Stellung ist die Verbindung zwischen der Steuerkammer 4 und dem Rücklauf 14 unterbrochen.
  • In Ausgangszustand, bei geschlossenem Steuerventil 10, wird auch die Rückseite 61 der Düsennadel 6 mit dem vollen Systemdruck der Steuerkammer 4 beaufschlagt, so daß die Düsennadel 6 aufgrund der größeren Wirkfläche der Düsennadelrückseite 61 gegenüber der Wirkfläche in der Düsenkammer 8 nach unten gedrückt wird. In dieser Stellung der Düsennadel 6 ist die Verbindung zwischen der Düsenkammer 8 und den Einspritzlöchern 7 unterbrochen, so daß kein Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Die zwischen der Bodenfläche 21 des Ventilkörpers 20 und der Rückseite 61 der Düsennadel 6 angeordnete Feder 9 dient dazu, in der Startphase der Brennkraftmaschine, bei der der Kraftstoff in der Steuerkammer 4 erst unter einem geringen Systemdruck steht, dafür zu sorgen, daß der Ventilkörper 20 bzw. die Düsennadel 6 mit einer ausreichenden Kraft auf ihre jeweiligen Ventilsitze gedrückt werden, um für eine zuverlässige Abdichtung gegen Kraftstoffleckage zu sorgen.
  • Bei einer elektrischen Ansteuerung des piezoelektrischen Aktuators 18 wird im Aktuator eine Längendehnung hervorgerufen, die auf den Stempel 16 übertragen wird. Der Stempel 16 übt dann wiederum eine Kraft auf den Ventilkörper 20 aus, wodurch dieser mit seiner Dichtfläche 22 vom Ventilsitz 43 im Kraftstoffinjektor abgehoben wird. Da an der Wirkfläche der Einschnürung 25 durch den Systemdruck des Kraftstoffs in der Ventilkammer 45 bereits eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft angreift, braucht die vom Stempel 16 ausgeübte Kraft nur die Differenz zu der an der größeren Bodenfläche 21 des Ventilkörpers 20 angreifenden Kraft zu überwinden. Diese Auslegung hat den Vorteil, daß nur geringe Steuerkräfte zur Betätigung des Steuerventils 10 notwendig sind.
  • Beim Abheben des Ventilkörpers 20 mit seiner Dichtfläche 22 vom Ventilsitz 43 wird zwischen der Ventilkammer 45 und der Bohrung 42, die Teil des drucklosen Rücklaufes 14 zum Kraftstofftank ist, eine Verbindung hergestellt. Damit kann Kraftstoff aus der Steuerkammer 4 über den Ringkanal 44 zwischen dem Ventilkörper 20 und der Aussparung 41, die Ventilkammer 45 in die Bohrung 42 und damit in den Rücklauf 14 strömen. Der Durchfluß des Kraftstoffs von der Steuerkammer 4 zum Rücklauf 14 wird dabei vom Hub des Ventilkörpers 20, d. h. vom Spalt, der sich zwischen der Dichtfläche 22 des Ventilkörpers 20 und dem Ventilsitz 45 ergibt, bestimmt. Der durch den Hub des Ventilkörpers 20 hervorgerufene Spalt zwischen der Dichtfläche 22 des Ventilkörpers 20 und dem Ventilsitz 45 wirkt deshalb als Ablaufdrossel 11 im Steuerventil 10.
  • Der Kraftstofffluß durch die Zulaufdrossel 3 in die Steuerkammer 4 ist geringer als der Kraftstofffluß zwischen der Dichtfläche 22 des Ventilkörpers 20 und dem Ventilsitz 43 ausgelegt, so daß der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 4 abnimmt. Damit wird gleichzeitig die Rückseite 61 der Düsennadel 6 entlastet und der in der Düsenkammer 8 am vorderen Ende der Düsennadel 6 anstehende Systemdruck hebt die Düsennadel dann ab und gibt die Verbindung zu den Einspritzlöchern 7 frei, so daß Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
  • Mit dem Ende der Ansteuerung des piezoelektrischen Aktuators 18 zieht sich dieser wieder zusammen, so daß sich der Stempel 16 vom Ventilkörper 20 zurückzieht und der in der Steuerkammer 4 herrschende Kraftstoffdruck auf die Bodenfläche 21 des Ventilkörpers 20 den Ventilkörper wieder mit seiner Dichtfläche 22 auf dem Ventilsitz 43 drückt. Damit wird die Verbindung der Steuerkammer 4 zur Bohrung 42 und damit zum drucklosen Rücklauf 14 unterbrochen, so daß sich in der Steuerkammer 4 der volle Systemdruck aufbaut. Dieser Systemdruck, der an der Rückseite 61 der Düsennadel 6 ansteht, übersteigt dann wieder den Gegendruck in der Druckkammer 8, so daß die Düsennadel 6 in ihren Ventilsitz gedrückt wird und der Einspritzvorgang endet.
  • In den 3A und 3B sind mögliche weitere Ventilkörperformen für den Einsatz in einem Steuerventil 10 dargestellt. Bei der Ausführungsform gemäß 3A ist der Außenumfang des Ventilkörpers 20 im wesentlichen an den Innendurchmesser der Aussparung 41 angepaßt und wird von dieser Aussparung geführt. Die Verbindung zwischen der Ventilkammer 45 und der Steuerkammer 4 wird durch eine Durchgangsbohrung 27 hergestellt, die ausgehend von der Mitte der Bodenplatte 21 sich schräg durch den Ventilkörper 20 zur Einschnürung 25 erstreckt.
  • Alternativ zu der in 3A gezeigten Ausführungsform ist bei der Ausführungsform gemäß 3B eine Durchgangsbohrung 29 zum Verbinden der Steuerkammer 4 mit der Ventilkammer 45 T-förmig ausgebildet, wobei ein erster Längsabschnitt, der sich mittig von der Bodenfläche 21 ausgehend durch den Ventilkörper 20 erstreckt, in einen Querbereich mündet, der senkrecht zur Längsachse durch den Ventilkörper verläuft und in die Einschnürung 25 unterhalb der Dichtfläche 22 einmündet.
  • 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung am piezoelektrischen Aktuator 18 in Korrelation zum zeitlichen Verlauf des Nadelhubes H(t) der Düsennadel 6 im Kraftstoffinjektor. Die Spannung am piezoelektrischen Aktuator gibt dabei den jeweiligen Druck des Kraftstoffs in der Steuerkammer 4 wieder, der über dem Ventilkörper 20 und den Stempel 16 auf den piezoelektrischen Aktuator 18 wirkt.
  • Zum Aufladen wird der piezoelektrische Aktuator 18 an eine externe Spannungsversorgung angeschlossen und mit dem Zeitpunkt t1 beginnend und zum Zeitpunkt t2 endend mit einem definierten Spannungsstoß aufgeladen. Dann wird die externe Spannungsversorgung wieder vom piezoelektrischen Aktuator 18 abgekoppelt. Durch das Aufladen wird im piezoelektrischen Aktuator 18 eine Längendehnung hervorgerufen, die über den Stempel 16 auf dem Ventilkörper 20 übertragen wird, der hydraulisch die Düsennadel 6, wie beschrieben, öffnet. Die Bewegung der Düsennadel 6 setzt dann mit einer kurzen zeitlichen Verzögerung gegenüber der Aufladung des piezoelektrischen Aktuators 18 zum Zeitpunkt t3 ein. Vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 nimmt der Nadelhub H der Düsennadel im wesentlichen kontinuierlich zu, bis er zum Zeitpunkt t4 seinen Maximalwert erreicht hat und die Einspritzlöcher 7 vollständig offen sind. In der Zeitspanne vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 nimmt gleichzeitig die Spannung am piezoelektrischen Aktuator 18 einen Wert Ua an, der vom Druck in der Steuerkammer 4 bestimmt ist. Mit dem Erreichen der Maximalwerte des Nadelhubes H zum Zeitpunkt t4 beginnt der Druck in der Steuerkammer 4 dann abzusinken, da sich mit dem Erreichen des maximalen Nadelhubs die Düsennadel 6 nicht mehr in die Steuerkammer 4 hineinbewegt. Gleichzeitig mit dem Abnehmen des Drucks in der Steuerkammer 4 nimmt auch die Spannung am piezoelektrischen Aktuator 18 auf einen Wert Ub ab.
  • Das Ende der Kraftstoffeinspritzung am Kraftstoffinjektor wird dadurch eingeleitet, daß zum Zeitpunkt t5 der piezoelektrische Aktuator 18 kontrolliert entladen wird. Die Spannung U an piezoelektrischen Aktuator 18 fällt dann schnell auf null ab, und der piezoelektrische Aktuator 18 zieht sich wieder zusammen. Gleichzeitig übt dann der Stempel 16 keine Kraft mehr auf den Ventilkörper 20 aus und dieser schließt sich wieder. Mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung beginnt sich daraufhin auch die Düsennadel 6 wieder zu schließen. Vom Zeitpunkt t6 an nimmt der Nadelhub H ab, bis zum Zeitpunkt t7 die Düsennadel 6 wieder auf ihrem Ventilsitz aufliegt und der Einspritzvorgang beendet ist.
  • Die Zeitspanne t1 bis t4 gibt also die Dauer der Ansteuerung des piezoelektrischen Aktuators 18 und damit des Kraftstof finjektors und die Zeitspanne t3 bis t7 die Einspritzdauer des Kraftstoffinjektors wieder. Die während der Zeitspanne t3 bis t7 eingespritzte Kraftstoffmenge hängt dabei wesentlich von der Geschwindigkeit ab, mit der sich die Düsennadel 6 öffnet, also von der Zeitspanne t3 bis t4. Die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 6 wird wiederum vom Durchfluß des Kraftstoffs aus der Steuerkammer 4 in den Rücklauf 14 bestimmt, der durch den als Ablaufdrossel 11 wirkenden Hub des Ventilkörpers 20 festgelegt ist. Der Hub des Ventilkörpers 20 dagegen wird von der Längendehnung des piezoelektrischen Aktuators 18 und damit dem definierten Spannungspuls bei der Aufladung bestimmt und beeinflußt. Durch Änderung des Spannungspulses auf den piezoelektrischen Aktuator 18 läßt sich deshalb der Hub des Ventilkörpers 20 und damit die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 6 genau einstellen. Es besteht somit die Möglichkeit einer variablen Regelung der Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 6 im Kraftstoffinjektor.
  • In 5 ist ein Prinzipschaltbild für einen Regelkreis zur Regelung der Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 6 dargestellt.
  • Der theoretisch einer gewünschten Öffnungsgeschwindigkeit entsprechende Regelungssollwert wird von einem Addierer 30 an den Eingang eines Reglers 32 angelegt. Das Ausgangssignal des Reglers 32 wird einer Endstufe 34 eingegeben, die dem piezoelektrischen Aktuator 18 des Kraftstoffinjektors eine entsprechende Ladung zuführt. Nach dieser Ladungszufuhr wird die Endstufe 34 wieder abgekoppelt. Gleichzeitig wird die am piezoelektrischen Aktuator 18 herrschende Spannung von einem Detektor 38 erfaßt und einer Steuerschaltung 39 in Form eines Mikroprozessors zugeleitet, an dem auch das Sollwertsignal vom Eingang des Regelkreises anliegt.
  • Aus dem während des Einspritzvorgang am piezoelektrischen Aktuator 18 von dem Detektor 38 aufgenommenen Spannungsverlauf, der im wesentlichen die in 4 gezeigte Form hat, be stimmt die Steuerschaltung 39 den Einspritzbeginn und die Nadelöffnungszeit und nimmt dann gegebenenfalls durch Änderung des Vorgabewerts am Addierer 30 Einfluß auf die Aufladung des piezoelektrischen Aktuators 18 und damit auf den Hub des Ventilkörpers 20, der wiederum die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 6 entsprechend anpaßt.
  • Mit Hilfe des dargestellten Regelkreises besteht also die Möglichkeit, laufend während des Einspritzvorgangs die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 6 entsprechenden einem gewünschten Verbrennungsverlauf anzupassen.

Claims (4)

  1. Steuervorrichtung für einen Kraftstoffinjektor zum Regeln der Einspritzung von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine mit einer Steuerkammer (4), die mit einem Hochdruckspeicher in Verbindung steht, wobei der in der Steuerkammer herrschende Druck auf eine bewegliche Düsennadel (6) des Kraftstoffinjektors wirkt, die Einspritzlöcher (7) im Kraftstoffinjektor freigibt und verschließt, einem angrenzend an die Steuerkammer (4) beweglich angeordneten Ventilkörper (20), der eine mit einem Ventilsitz (43) zusammenwirkende Dichtfläche (22) aufweist, wobei der Ventilkörper durch Abheben seiner Dichtfläche vom Ventilsitz die Steuerkammer (4) mit einem Rücklauf (14) in Verbindung bringt, wobei der Kraftstofffluß von der Steuerkammer (4) in den Rücklauf (14) durch den Hub des Ventilkörpers (20) festgelegt wird, und einem piezoelektrischen Aktuator (18), der in einer Wirkverbindung (16) mit dem Ventilkörper (20) steht, um durch Betätigen des piezoelektrischen Aktuator (18) über die Wirkverbindung den Ventilkörper mit seiner Dichtfläche (22) von dem Ventilsitz abhebt, wobei durch variable Aufladung des piezoelektrische Aktuator eine Längendehnung des piezoelektrischen Aktuators entsprechend einem gewünschten Hub des Ventilkörpers (20) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektor (38) zum Erfassen des Spannungsverlaufs am piezoelektrischen Aktuator (18) während des Einspritzvorgangs, eine Steuerschaltung (39) zum Bestimmen der Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel (6) aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung am piezoelektrischen Aktuators, und eine Ladungsregelung (32, 34) zum Anpassen der Aufladung des piezolelektrischen Aktuators entsprechend einer gewünschten Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel vorgesehen sind.
  2. Steuervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (20) eine Ventilkammer (45) umfaßt, die der Steuerkammer (4) gegenüberliegend vor dem Ventilsitz (43) angeordnet ist und mit der Steuerkammer (4) in Verbindung (28, 29, 44) steht, wobei der Ventilkörper mit der Steuerkammer eine erste Wirkfläche (21) und mit der Ventilkammer eine zweite Wirkfläche (25) bildet, wobei die erste Wirkfläche und die zweite Wirkfläche im wesentlichen gegenüberliegend angeordnet sind und wobei die erste Wirkfläche größer als die zweite Wirkfläche ist.
  3. Steuervorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wirkfläche (25) des Ventilkörpers (20) durch eine Einschnürung (25) an der Oberseite des Ventilkörpers gebildet wird.
  4. Verfahren zum Steuern der Einspritzung von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine mittels eines Kraftstoffinjektors, der eine Steuerkammer (4), die mit einem Hochdruckspeicher in Verbindung steht, einen angrenzend an die Steuerkammer beweglich angeordneten Ventilkörper (20), der eine mit einem Ventilsitz (43) zusammenwirkende Dichtfläche (22) aufweist, und einem piezoelektrischen Aktuator (18), der in einer Wirkverbindung (16) mit dem Ventilkörper (20) steht, umfasst, wobei der in der Steuerkammer (4) herrschende Druck auf eine bewegliche Düsennadel (6) des Kraftstoffinjektors wirkt, die Einspritzlöcher (7) im Kraftstoffinjektor freigibt und verschließt, wobei der Ventilkörper (20) durch Abheben seiner Dichtfläche (22) vom Ventilsitz (43) die Steuerkammer (4) mit einem Rücklauf (14) in Verbindung bringt und der Hub des Ventilkörpers (20) beim Abheben seiner Dichtfläche (22) vom Ventilsitz den Kraftstofffluß von der Steuerkammer (4) in den Rücklauf (14) festlegt, und wobei durch Betätigen des piezoelektrischen Aktuators (18) über die Wirkverbindung (16) der Ventilkörper (20) mit seiner Dichtfläche (22) vom Ventilsitz (43) abhebt und der piezoelektrische Aktuator (18) dabei variabel so aufgeladen wird, dass die durch die Aufladung hervorgerufene Längendehnung des piezoelektrischen Aktuators über die Wirkverbindung (16) in einen entsprechenden Hub des Ventilkörpers (20) umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Einspritzvorgangs des Kraftstoffinjektors die Spannung am piezoelektrischen Aktuator (18) erfasst wird, aus dem zeitlichen Verlauf der Spannung am piezoelektrischen Aktuator (18) die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel (6) im Kraftstoffinjektor bestimmt wird, und die Aufladung des piezoelektrischen Aktuators (18) entsprechend einer gewünschten Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel angepaßt wird.
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