Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ein derartiger Kraftstoffinjektor umfasst eine hubbewegliche Düsennadel, über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung freigebbar oder verschließbar ist, ferner ein Steuerventil zum Steuern der Hubbewegung der Düsennadel. Hierzu wird die Düsennadel in Schließrichtung mit einem hydraulischen Druck in einem Steuerraum beaufschlagt, der in Abhängigkeit von der jeweiligen Schaltstellung des Steuerventils veränderbar ist. Nimmt der hydraulische Druck im Steuerraum ab, vermag die Düsennadel zu öffnen. Steigt der hydraulische Druck dagegen im Steuerraum an, wird die Düsennadel zurück in ihren Sitz gestellt.

Ein derartiger Kraftstoffinjektor geht beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 060 395 A1 hervor. Der hierin beschriebene Kraftstoffinjektor umfasst ein Schaltventil zur Betätigung eines Einspritzventilgliedes. Das Schaltventil weist ein Schließelement auf, das durch einen Magnetaktor, umfassend eine Magnetbaugruppe und einen Anker, ansteuerbar ist. Der Anker ist beweglich auf einem sich an das Schließelement anschließenden Führungselement geführt. Die Führung des Schließelementes übernimmt ein im Führungselement und im Schließelement aufgenommener Führungsstift. Führungsstift und Schließelement begrenzen einen Druckraum, der über einen Ablaufkanal in Verbindung mit dem Steuerraum steht. In Schließstellung des Schaltventils entspricht der hydraulische Druck im Druckraum dem Steuerdruck im Steuerraum.

Ferner ist bekannt, dass das Betriebsverhalten von Kraftstoffinjektoren über ihre Lebensdauer nicht gleichbleibend ist. Beispielsweise kann sich das Öffnungsund Schließverhalten aufgrund von Verschleiß an den beweglichen und/oder dynamisch belasteten Bauteilen ändern. Da die Öffnungsdauer der Düsennadel jedoch einen entscheidenden Einfluss auf die eingespritzte Kraftstoffmenge hat, gilt es derartige Änderungen zu erkennen und diesen gegenzusteuern.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 063 103 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Betriebsverhaltens eines Einspritzventils einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine bekannt, welche einen Piezofoliensensor umfasst, der zur Ermittlung des Schließzeitpunkts des Einspritzventils in das Einspritzventil einsetzbar ist. Mittels des Piezofoliensensors wird vorteilhafterweise das Anschlagen der Ventilnadel an ihrem Ventilsitz ermittelt. Auf diese Weise kann erfasst werden, ob ein vorhergesagter Zeitpunkt für den Anschlag der Ventilnadel dem tatsächlichen Zeitpunkt für den Anschlag entspricht. Ist eine Abweichung erkennbar, können die Ansteuerparameter einer Ansteuervorrichtung der Einspritzanlage entsprechend angepasst werden, so dass bei zukünftigen Einspritzvorgängen der Schließzeitpunkt dem gewünschten Zeitpunkt entspricht.

Aus der WO 2010/127889 A1 ist weiterhin ein Kraftstoffinjektor bekannt mit einem Drucksensor, der die hydraulische Kraft auf einen Ankerbolzen misst. Aus der DE 10 2009 000 983 A1 ist ein weiterer Kraftstoffinjektor bekannt, der eine Mess-Einheit zur Messung des Drucks im Hochdruckbereich des Injektors aufweist und dazu die Verformung einer vom Kraftstoff beaufschlagten Membran erfasst.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor mit einer Sensoranordnung zur Nadelschließzeitpunkterkennung anzugeben, der einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.

Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine hubbewegliche Düsennadel, über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung freigebbar oder verschließbar ist, sowie ein Steuerventil zum Steuern der Hubbewegung der Düsennadel. Ferner umfasst der Kraftstoffinjektor eine Sensoranordnung zur Nadelschließzeitpunkterkennung. Erfindungsgemäß ist die Sensoranordnung im Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors in einem Raum angeordnet, der gegenüber dem kraftstoffführenden Bereich abgedichtet ist. Die Abdichtung des Raumes wird über eine Membran aus einem kraftstoffbeständigen, elektrisch leitenden Werkstoff bewirkt, so dass die Membran ferner zur Realisierung einer Masseverbindung einsetzbar ist. Der Vorteil besteht demnach darin, dass durch die Membran zwei Funktionen in einem Bauteil realisiert werden, nämlich die Funktion der Abdichtung und die Funktion der Masseverbindung, sofern die Sensoranordnung eine solche erfordert. Eine separat ausgebildete Masseverbindung kann demnach entfallen. Ferner ist durch die abdichtende Funktion der Schutz der aktiven Elemente der Sensoranordnung und / oder ihrer Kontaktierung vor Kraftstoff sichergestellt. Um einen dauerhaften Schutz zu gewährleisten, wird als Werkstoff für die Membran ein kraftstoffbeständiger Werkstoff gewählt, der zugleich elektrisch leitend ist. Als Werkstoff eignet sich insbesondere Metall, beispielsweise Stahl. Dieser weist eine hohe Festigkeit auf und ist somit geeignet, unter bestimmten Betriebsbedingungen auftretende Druckschwingungen zu ertragen. Neben Stahl sind aber auch andere Werkstoffe einsetzbar. Erfindungsgemäß ist die Membran einerseits unmittelbar oder mittelbar mit der Sensoranordnung und andererseits mit einem Gehäuseteil des Kraftstoffinjektors verbunden. Der gehäuseseitige Anschluss dient als Masseverbindung und kann beispielsweise an einem als Abstützplatte dienenden Gehäuseteil vorgenommen werden. Vorzugsweise ist an dem Gehäuseteil die Sensoranordnung abgestützt. Des Weiteren kann das Gehäuseteil der Abstützung einzelner Komponenten des Steuerventils dienen. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise mittels Schweißen oder Löten, so dass eine stoffschlüssige Verbindung erreicht wird. Alternativ oder ergänzend kann die Verbindung auch mittels Klemmen oder einer Presspassung erzielt werden, so dass zumindest eine kraft- und / oder formschlüssige Verbindung bewirkt wird.

Weiterhin umfasst die Sensoranordnung einen nach einem piezoelektrischen Prinzip arbeitenden kraftempfindlichen Wandler, der mittelbar über ein axial verschiebbares Kraftübertragungsglied von einer Axialkraft beaufschlagbar ist, die zumindest während eines begrenzten Zeitintervalls proportional zum hydraulischen Druck im Steuerraum ist. Da der Steuerraumdruck zum Zeitpunkt des Nadelschließens ein signifikantes Minimum aufweist, wird auch das vom Wandler ausgegebene elektrische Signal ein signifikantes Merkmal aufweisen. Im Falle eines nach einem piezoelektrischen Prinzip arbeitenden Wandlers kann zum einen die vom Element ausgegebene Spannung ausgewertet werden, welche zum Schließzeitpunkt der Düsennadel ein Extrem aufweist. Alternativ kann ein solches Element auch über einen Widerstand kurzgeschlossen und der von ihm ausgegebene Strom ausgewertet werden. Der Stromverlauf wird typischerweise zum Schließzeitpunkt der Düsennadel einen Nulldurchgang aufweisen.

Als Kraftübertragungsglied dient vorzugsweise ein axial verschiebbarer Ankerbolzen, der Bestandteil des Steuerventils ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher das Steuerventil als Magnetventil ausgebildet und umfasst einen axial verschiebbaren Ankerbolzen, der als Kraftübertragungsglied einsetzbar ist. Der Ankerbolzen dient vorzugsweise einem hülsenförmig ausgebildeten Ventilschließelement des Magnetventils, wobei in Schließstellung des Magnetventils das Ventilschließelement und der Ankerbolzen einen Druckraum begrenzen, der in hydraulischer Verbindung mit dem Steuerraum steht. Dadurch ist gewährleistet, dass in Schließstellung des Magnetventils der hydraulische Druck im Druckraum dem Steuerdruck im Steuerraum entspricht. Der am Ankerbolzen somit anliegende hydraulische Druck wird über den Ankerbolzen auf den kraftempfindlichen Wandler der Sensoranordnung übertragen.

Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Kraftübertragungsglied, vorzugsweise dem Ankerbolzen, und der Sensoranordnung ein Kraftverteiler angeordnet ist. Der Kraftverteiler bewirkt, dass die vom Kraftübertragungsglied ausgeübte Axialkraft mit weitgehend homogener Flächenpressung in den kraftempfindlichen Wandler eingeleitet wird, was bei direkter Anlage des üblicherweise mit konvexer Stirnfläche ausgeführten Ankerbolzens am Wandler nicht der Fall wäre. Ferner kann der Kraftverteiler mit der Membran verbunden werden und somit ebenfalls der Abdichtung des Raums dienen, in dem die Sensoranordnung aufgenommen ist. Um eine Masseverbindung der Sensoranordnung über den Kraftverteiler und die Membran herzustellen, besteht vorzugsweise auch der Kraftverteiler aus einem elektrisch leitenden Werkstoff.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Membran elastisch, vorzugsweise formelastisch, ist. Somit ist die Membran in der Lage, Druckschwingungen aufzunehmen, die von dem Kraftverteiler auf die Membran übertragen werden. Die Formelastizität kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass die Membran wenigstens einen Ausgleichsbogen besitzt. D.h., dass die Membran vorzugsweise wellig mit einem oder mit mehreren Ausgleichsbögen gestaltet ist. Bei mehreren Ausgleichsbögen liegen diese vorzugsweise konzentrisch zueinander.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

Fig. 1

einen Längsschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektor,

Fig. 2

einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor mit einer Sensoranordnung,

Fig. 3

eine schematische Schnittdarstellung durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im Bereich der Sensoranordnung und

Fig. 4a-e

jeweils eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im Bereich der Sensoranordnung.

Der in der Fig. 1 dargestellte bekannte Kraftstoffinjektor weist eine in einem Düsenkörper 14 hubbeweglich geführte Düsennadel 1 auf, an welche ein Ventilkolben 15 als Verlängerung angesetzt ist. Der Ventilkolben 15 ist in einem Injektorkörper 16 ebenfalls hubbeweglich geführt und an seinem der Düsennadel 1 abgewandten Ende in einem Ventilstück 17 aufgenommen. Innerhalb des Ventilstücks 17 wird durch den Ventilkolben 15 ein Steuerraum 3 begrenzt, in welchem in Schließstellung eines als Magnetventil ausgebildeten Steuerventils 2 ein dem Ventilkolben 15 und damit die Düsennadel 1 in Schließrichtung beaufschlagender hydraulischer Druck herrscht. Der die Düsennadel 1 in Schließrichtung beaufschlagende hydraulische Druck im Steuerraum 3 wird durch eine Zulaufdrossel 18 sichergestellt, welche in Verbindung mit einem Hochdruckanschluss 19 für die Zuleitung von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff steht. Der Hochdruckanschluss 19 steht ferner in Verbindung mit einer Hochdruckbohrung 20, über welche der unter hohem Druck stehende Kraftstoff dem Dichtsitz zwischen Düsenkörper 14 und Düsennadel 1 und von dort bei geöffnetem Dichtsitz wenigstens einer Einspritzöffnung des Kraftstoffinjektors zugeführt wird.

Das als Magnetventil ausgebildete Steuerventil 2 umfasst einen Elektromagneten 21, der mit einem Ankerelement 22 zusammenwirkt. Im Ankerelement 22 ist ein Ankerbolzen 11 aufgenommen, der über eine Führung 23 hubbeweglich geführt ist. Der Ankerbolzen 11 ist zudem über ein Federelement 24 an dem Gehäuseteil 8 abgestützt. Gehäuseseitig ist ferner ein elektrischer Anschluss 25 vorgesehen.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem ähnlich aufgebauten Kraftstoffinjektor im Bereich des Steuerventils 2 bzw. einer Sensoranordnung 4. Die Sensoranordnung 4 ist einem Raum 5 aufgenommen, welcher über einen als Kraftverteiler 12 dienenden Körper gegenüber dem kraftstoffführenden Bereich 6 abgedichtet ist. Am Kraftverteiler 12 liegt ein Ankerbolzen 11 als Kraftübertragungsglied 10 an, dessen anderes Ende einen Druckraum begrenzt, der in hydraulischer Verbindung mit einem Steuerraum 3 steht (analog zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1). Da zum Nadelschließzeitpunkt der Steuerraumdruck ein signifikantes Minimum aufweist, ist aufgrund der Lastkette Ankerbolzen 11 und Kraftverteiler 12 dieser Wert auf die Sensoranordnung 4 übertragbar und somit der Nadelschließzeitpunkt über ein von der Sensoranordnung 4 ausgegebenes Signal erfassbar. Der Ankerbolzen 11 ist Bestandteil eines als Magnetventil ausgebildeten Steuerventils 2, das einen Elektromagneten 21 sowie einen mit dem Elektromagneten 21 zusammenwirkendes Ankerelement 22 umfasst. Der Elektromagnet 21 ist über ein Federelement 26 an einem Gehäuseteil 8 des Kraftstoffinjektors abgestützt, welches auch den Raum 5 zur Aufnahme der Sensoranordnung 4 ausbildet. Der Kraftverteiler 12 ist ebenfalls in das Gehäuseteil 8 eingesetzt und dichtet somit den Raum 5 gegenüber dem kraftstoffführenden Bereich 6 ab.

Der Fig. 3 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors zu entnehmen, welcher in der Fig. 3 ebenfalls nur ausschnittsweise dargestellt ist. Das zur Betätigung der Düsennadel 1 vorgesehene Steuerventil 2 ist ebenfalls als Magnetventil ausgebildet und umfasst einen Elektromagneten 21, der mit einem Ankerelement 22 zusammenwirkt. Der Einfachheit halber ist in der Fig. 3 lediglich der Elektromagnet 21 angedeutet, der über ein Federelement 26 an einem als Abstützplatte dienenden Gehäuseteil 8 abgestützt ist. Das Steuerventil 2 umfasst ferner einen Ankerbolzen 11, der wiederum als Kraftübertragungsglied 10 einsetzbar ist, da er mit einer Stirnfläche an einem in Wirkverbindung mit einer Sensoranordnung 4 stehenden Kraftverteiler 12 abgestützt ist und mit seiner anderen Stirnfläche einen nicht näher dargestellten Druckraum begrenzt, der in hydraulischer Verbindung mit einem Steuerraum 3 steht (analog zur Ausführungsform der Fig. 1). Über den Ankerbolzen 11 ist somit eine Druckkraft auf den Kraftverteiler 12 übertragbar, die von der Sensoranordnung 4 aufgenommen wird. Hierzu umfasst die Sensoranordnung 4 einen kraftempfindlichen Wandler 9, der vorzugsweise nach einem piezoelektrischen Prinzip arbeitet. Die Sensoranordnung 4 ist in einem im Gehäuseteil 8 ausgebildeten Raum 5 angeordnet, welcher über eine dünne Metallmembran 7 gegenüber einem kraftstoffführenden Bereich 6 abgedichtet ist. Somit sind die empfindlichen Elemente der Sensoranordnung 4 vor Kraftstoff geschützt. Die Metallmembran 7 erfüllt darüber hinaus eine weitere Funktion, da sie zugleich der Masseverbindung der Sensoranordnung 4 dient. Hierzu ist die Membran 7 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff ausgebildet und einerseits unmittelbar oder mittelbar mit der Sensoranordnung 4, andererseits mit dem Gehäuseteil 8 verbunden. Bevorzugt wird eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise mittels Schweißen. Die Metallmembran 7 kann jedoch auch in das Gehäuse 8 ein- bzw. auf den Kraftverteiler 12 oder die Sensoranordnung 4 aufgepresst sein. Die Verbindung muss derart gestaltet sein, dass eine Masseverbindung gewährleistet ist. Neben der Membran 7 besitzt die Sensoranordnung 4 eine weitere Masseverbindung 27.

Verschiedene Anbindungsbeispiele der Membran 7 an das Gehäuseteil 8 und die Sensoranordnung 4 bzw. den Kraftverteiler 12 sind in den Fig. 4a-e schematisch dargestellt. Um die Aufnahme von Druckschwingungen zu ermöglichen, ist die Membran 7 elastisch ausgeführt. Die Elastizität der Membran 7 wird über wenigstens einen Ausgleichsbogen 13 bewirkt. Die Ausgestaltung der Membran 7 erschöpft sich nicht auf die in den Fig. 4a-e dargestellten konkreten Ausführungsbeispiele, so dass diese beliebig abwandelbar sind. Ferner sind Abwandlungen eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors dahingehend möglich, dass anstelle eines Ankerbolzens 11 ein anderes Kraftübertragungsglied 10 eingesetzt wird. Es ist ferner nicht zwingend erforderlich, das Steuerventil 2 als Magnetventil auszubilden.

Dadurch, dass ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor Mittel zur Erfassung des Nadelschließzeitpunkts besitzt, finden bei der Ermittlung der Einspritzdauer und damit der Einspritzmenge nicht nur das dynamische Verhalten des Steuerventils 2 Berücksichtigung, sondern sämtliche etwaigen Ungenauigkeiten innerhalb der gesamten Schaltkette vom Aktor bis zur Düsennadel 1. Dadurch ist es möglich, sowohl Exemplarstreuungen gleichartiger Ventile auszugleichen, als auch deren Drift über die Lebensdauer sowie den Einfluss variabler Einflussgrößen, wie beispielsweise den Einfluss von Druckschwingungen. Die eingespritzte Kraftstoffmenge ist demnach mit höherer Genauigkeit bestimmbar und einstellbar, was sich wiederum günstig auf den Kraftstoffverbrauch und die damit einhergehenden Emissionen auswirkt. Zugleich ist der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor im Vergleich zu anderen Kraftstoffinjektoren, welche Mittel zur Erfassung des Nadelschließzeitpunkts umfassen, einfach aufgebaut und demzufolge kostengünstig herstellbar.