Stand der Technik
[0001] Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] Ein Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der nachveröffentlichten
DE 10 2014 209330 A1 der Anmelderin bekannt. Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor wird insbesondere zur
Erkennung des Zeitpunkts des Schließens der Düsennadel, bei dem diese auf ihren Sitz
im Injektorgehäuse auftrifft und dadurch im Injektorgehäuse ausgebildete Einspritzöffnung
zumindest mittelbar verschließt, eine Messeinrichtung mit einem Sensorelement verwendet,
das im Bereich einer Versorgungsbohrung am Injektorgehäuse angeordnet ist. Die Versorgungsbohrung
versorgt einen Hochdruckraum, in dem auch die Düsennadel angeordnet ist, mit unter
Hochdruck stehendem Kraftstoff. Insbesondere weist das Injektorgehäuse im Bereich
der Messeinrichtung einen Verformungsbereich auf, der in Abhängigkeit des Kraftstoffdrucks
in der Versorgungsbohrung elastisch deformierbar ausgebildet ist. Bei einer Druckerhöhung
in der Versorgungsbohrung wölbt sich der Verformungsbereich nach außen hin, was mittels
des Sensorelements detektierbar ist. Das Sensorelement ist mittels einer Klebeverbindung
mit dem Verformungsbereich verbunden und dazu ausgebildet, in dem Kontaktbereich zum
Injektorgehäuse auftretende Dehnungen bzw. Zugspannungen zu erfassen, wobei die Größe
bzw. Höhe der Dehnungen in Abhängigkeit von dem Druck in der Versorgungsbohrung ist.
Charakteristisch beim angesprochenen Verschließen der Einspritzöffnungen durch die
Düsennadel ist es, dass dadurch ein (relativ starker bzw. schneller) Druckanstieg
in der Versorgungsleitung stattfindet, da kein Kraftstoff mehr über die Einspritzöffnungen
abgegeben wird, wobei der Druckanstieg mittels des Sensorelements erfasst wird.
[0003] Während des Betriebs der Brennkraftmaschine ist die Klebeverbindung nicht nur unterschiedlichen
Temperaturen ausgesetzt, sondern auch anderen Umwelteinflüssen wie insbesondere Verschmutzungen
oder Gasen, die je nach Zusammensetzung die Dauerfestigkeit der Klebeverbindung negativ
beeinflussen können.
Offenbarung der Erfindung
[0004] Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, den Bereich der Klebeverbindung zwischen dem Verformungsbereich und dem
Sensorelement derart vor äußeren Einflüssen bzw. Medien zu schützen, dass gegenüber
dem Stand der Technik eine verbesserte Haltbarkeit, insbesondere über die Lebensdauer
des Kraftstoffinjektors betrachtet, erzielt wird.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zumindest der Bereich der Klebeverbindung
zwischen dem Verformungsbereich und dem Sensorelement von einem Gehäuseelement umschlossen
ist, das zumindest den Bereich der Klebeverbindung gegenüber der äußeren Umgebung
mediendicht abdichtet. Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Gehäuseelement wird insbesondere
der Bereich der Klebeverbindung des Sensorelements vor Umwelteinflüssen wie Schmutz,
Feuchtigkeit, Öl oder ähnlichen Medien geschützt.
[0006] Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den
Unteransprüchen angeführt.
[0007] Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn das Gehäuseelement in dem Bereich zwischen
dem Gehäuseelement und der Klebeverbindung mit einem inerten Gas gefüllt ist. Als
inerte Gase kommen z.B. Edelgase (Ne, Ar) oder chemisch besonders träge Gasverbindungen
(CO
2, SF
6, o.ä.) in Frage. Besonders bevorzugt ist es dabei, das inerte Gas während des Produktionsprozesses
in das Gehäuseelement einzubringen. Insbesondere kann es dabei vorgesehen sein, dass
das Gehäuseelement mittels einer Schweißverbindung mit dem Injektorgehäuse verbunden
wird, wobei das Schweißen in der gewünschten Inertatmosphäre stattfindet.
[0008] In alternativer Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass das Gehäuseelement in
dem Bereich zwischen dem Gehäuseelement und der Klebeverbindung evakuiert ist. Auch
hier ist es wiederum vorteilhaft, das Evakuieren während des Herstellprozesses des
Kraftstoffinjektors, insbesondere während der Verbindung des Gehäuseelements mit dem
Injektorelement dadurch auszugestalten, dass das Verbinden (Verschweißen oder Verkleben)
des Gehäuseelements mit dem Injektorgehäuse unter Vakuum erfolgt.
[0009] In konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung des Gehäuseelements ist dieses becherförmig
ausgebildet und umgibt die Messeinrichtung vollständig, mit Ausnahme des Verformungsbereichs.
Dadurch wird nicht nur der unmittelbare Bereich der Klebeverbindung zwischen dem Verformungsbereich
und dem Sensorelement vor unerwünschten Umwelteinflüssen geschützt, sondern insgesamt
gesehen die Messeinrichtung.
[0010] Um zwischen dem Gehäuseelement und dem Injektorgehäuse auf besonders einfache Art
und Weise eine haltbare, feste und mediendichte Verbindung auszubilden, kann es vorgesehen
sein, dass das Gehäuseelement einen flanschartig umlaufenden Bereich mit einer Verbindungsfläche
aufweist, wobei die Verbindungsfläche mittels einer Schweiß- oder Klebeverbindung,
vorzugsweise mittels einer Laserschweißnaht, mit dem Injektorgehäuse verbunden ist.
Wie oben bereits erläutert findet das Verschweißen des Gehäuseelements mit dem Injektorgehäuse
bevorzugt entweder unter einer inerten Atmosphäre oder aber unter Vakuum statt.
[0011] Zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements ist es erforderlich, dieses mit
entsprechenden Anschlusselementen bzw. Anschlussleitungen zu verbinden. Hierzu ist
es in einer weiteren konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass in
einer Wand des Gehäuseelements wenigstens ein Durchbruch zur Durchführung einer elektrischen
Kontaktierung des Sensorelements ausgebildet ist, wobei der wenigstens eine Durchbruch
abgedichtet ausgebildet ist. Insbesondere in Verbindung mit einer Schweißverbindung
zwischen dem Gehäuseelement und dem Injektorgehäuse, die unter Vakuum ausgebildet
wird, wird dadurch der besondere Vorteil erzielt, dass eine in der Richtung auf das
Sensorelement gerichtete Kraft erzeugt wird, die zusätzlich zur Kontaktierung genutzt
werden kann.
[0012] In Weiterbildung des zuletzt genannten Erfindungsgedankens kann es vorgesehen sein,
dass innerhalb des Gehäuses wenigstens ein der elektrischen Kontaktierung des Sensorelements
dienendes, elastisch angeordnetes Kontaktelement vorgesehen ist, das in elektrischer
Wirkverbindung mit dem Sensorelement, insbesondere mit der der Klebeverbindung gegenüberliegenden
Seite des Sensorelements, verbunden ist. Durch das wenigstens eine elastisch angeordnete
Kontaktelement wird dabei eine stetige Anlage des Kontaktelements an dem Sensorelement
ermöglicht, auch wenn dieses im Verformungsbereich bei einer Druckerhöhung relativ
stark ausgelenkt wird, wodurch der Abstand zwischen dem Sensorelement und dem Durchbruch
beispielsweise verringert ist.
[0013] Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Sensorelement als Piezoelement ausgebildet
ist. Eine Ausbildung des Sensorelements als Piezoelement hat den Vorteil, dass derartige
Piezoelemente mit relativ geringen Kosten herstellbar sind und bezüglich der Auflösung
bzw. Messgenauigkeit sowie Tastrate sich sehr gut zur Detektion der in Frage kommenden
Deformationen des Verformungsbereichs eignen.
[0014] Besonders bevorzugt ist die Anordnung des Verformungsbereichs im Bereich der Versorgungsbohrung
oder eines mit der Versorgungsbohrung in Wirkverbindung angeordneten Abzweigs. Dies
hat den Vorteil, dass die Verbindungsstelle zwischen dem Verformungsbereich und dem
Sensorelement in einem relativ brennraumfernen Bereich angeordnet werden kann, in
dem insbesondere während des Betriebs der Brennkraftmaschine geringere Temperaturen
herrschen als in einem relativ brennraumnahen Bereich des Injektorgehäuses. Dadurch
wird insbesondere auch die Verbindung zwischen den angesprochenen Bauteilen thermisch
relativ wenig beansprucht. Bei Verwendung eines Abzweigs wird darüber hinaus der besondere
Vorteil erzielt, dass trotz der brennraumfernen Anordnung des Sensorelements dieses
an nahezu beliebigem Ort in Umfangsrichtung des Injektorgehäuses angeordnet werden
kann. Bevorzugt ist darüber hinaus eine konstruktive Ausbildung des Verformungsbereichs
im Bereich einer sacklochförmigen Vertiefung oder einer Abflachung des Injektorgehäuses.
Beide Varianten lassen sich herstellungstechnisch besonders einfach und genau herstellen
und ermöglichen darüber hinaus auf relativ einfache Art und Weise die Ausbildung einer
ebenen Fläche zur Anbringung des Sensorelements mittels der Klebeverbindung.
[0015] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
[0016] Diese zeigt in:
- Fig. 1
- eine stark vereinfachte, teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors mit einer Messeinrichtung zur zumindest mittelbaren Erfassung
des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffinjektor und
- Fig. 2
- einen Längsschnitt im Verbindungsbereich zwischen der Messeinrichtung und dem Injektorgehäuse
in vergrößerter Darstellung.
[0017] Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den
gleichen Bezugsziffern versehen.
[0018] Der in der Fig. 1 stark vereinfacht dargestellte Kraftstoffinjektor 10 ist als sogenannter
Common-Rail-Injektor ausgebildet, und dient dem Einspritzen von Kraftstoff in den
nicht gezeigten Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden
Brennkraftmaschine.
[0019] Der Kraftstoffinjektor 10 weist ein im Wesentlichen aus Metall bestehendes, ggf.
mehrteilig ausgebildetes Injektorgehäuse 11 auf, in dem auf der dem Brennraum der
Brennkraftmaschine zugewandten Seite wenigstens eine, vorzugsweise mehrere Einspritzöffnungen
12 zum Einspritzen des Kraftstoffs eingeordnet sind. Innerhalb des Injektorgehäuses
11 bildet dieses einen Hochdruckraum 15 aus, in dem eine als Einspritzglied dienende
Düsennadel 16 in Richtung des Doppelpfeils 17 hubbeweglich angeordnet ist. In der
dargestellten, abgesenkten Stellung der Düsennadel 16 bildet diese zusammen mit der
Innenwand des Hochdruckraums 15 bzw. des Injektorgehäuses 11 einen Dichtsitz aus,
so dass die Einspritzöffnungen 12 zumindest mittelbar verschlossen sind, derart, dass
das Einspritzen von Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 15 in den Brennraum der Brennkraftmaschine
vermieden wird. In der anderen, nicht dargestellten, von dem Dichtsitz abgehobenen
Position der Düsennadel 16 gibt diese die Einspritzöffnungen 12 zum Einspritzen des
Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine frei. Die Bewegung der Düsennadel
16, insbesondere zum Freigeben der Einspritzöffnungen 12, erfolgt auf eine an sich
bekannte Art und Weise mittels eines nicht dargestellten Aktuators, der über eine
Spannungsversorgungsleitung 18 von einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine
ansteuerbar ist. Bei dem Aktuator kann es sich insbesondere um einen Magnetaktuator
oder aber um einen Piezoaktuator handeln.
[0020] Die Versorgung des Hochdruckraums 15 mit unter Hochdruck (Systemdruck) stehendem
Kraftstoff erfolgt über eine innerhalb des Injektorgehäuses 11 angeordnete bzw. in
Bauteilen des Kraftstoffinjektors 10 ausgebildete Versorgungsbohrung 19, die insbesondere
exzentrisch zur Längsachse 21 des Injektorgehäuses 11 in einem Randbereich des Kraftstoffinjektors
10, zumindest im Wesentlichen parallel zur Längsachse 21, verläuft. Die Versorgungsbohrung
19 ist darüber hinaus über einen nicht dargestellten Kraftstoffanschlussstutzen mit
einer Kraftstoffleitung 22 verbunden, welche wiederum mit einem Kraftstoffspeicher
25 (Rail) gekoppelt ist.
[0021] In einem von den Einspritzöffnungen 12 bzw. dem Brennraum axial relativ weit beabstandeten
Bereich des Injektorgehäuses 11 ist in dessen Außenwand 23 beispielhaft eine sacklochförmige
Vertiefung 24 ausgebildet, so dass die Wanddicke des Injektorgehäuses 11 im Bereich
der Vertiefung 24 reduziert ist. Ergänzend wird erwähnt, dass anstelle einer sacklochförmigen
Vertiefung 24 das Injektorgehäuse 11 auch eine Abflachung aufweisen kann, in deren
Bereich die Wanddicke des Injektorgehäuses 11 reduziert ist.
[0022] Der ebene ausgebildete Grund 26 der Vertiefung 24 bildet einen Teil eines Verformungsbereichs
27 aus. Auf der der Vertiefung 24 abgewandten Seite des Injektorgehäuses 11 ist das
Injektorgehäuse 11 beispielhaft in Wirkverbindung mit einem Abzweig 28 angeordnet,
der wiederum in der Versorgungsbohrung 19 mündet. Dadurch wirkt der in der Versorgungsbohrung
19 augenblicklich herrschende Kraftstoffdruck auch in dem Injektorgehäuse 11 auf der
der Vertiefung 24 abgewandten Seite. Dadurch, dass die Wanddicke des Injektorgehäuses
11 im Bereich der Vertiefung 24 reduziert ist, wirkt der Wandabschnitt 29 des Injektorgehäuses
11 auf der der Vertiefung 24 zugewandten Seite als Verformungsbereich 27 in Art einer
elastisch verformbaren Membran, wobei die Verformung, welche sich als Wölbung ausbildet,
umso größer ist, je höher der augenblickliche Kraftstoffdruck in der Versorgungsbohrung
19 bzw. dem Abzweig 28 ist.
[0023] Zur Detektion des zeitlichen Verlaufs des Kraftstoffdrucks in dem Abzweig 28 bzw.
in der Versorgungsbohrung 19 und damit auch in dem Hochdruckraum 15, welcher als Indiz
für die augenblickliche Stellung der Düsennadel 16 zur Ansteuerung der Düsennadel
16 verwendet wird, weist der Kraftstoffinjektor 10 eine Messeinrichtung 30 auf. Die
Messeinrichtung 30 umfasst ein als Piezoelement 31 ausgebildetes Sensorelement 32.
[0024] Das Piezoelement 31 ist mit dem Verformungsbereich 27 über eine stoffschlüssige Verbindung
in Form einer Klebeverbindung 34 verbunden. Die Klebeverbindung 34 ist über einen
Teilbereich der Fläche des Grunds 26 der Vertiefung 24 ausgebildet, derart, dass zwischen
der Klebeverbindung 34 und einer die Vertiefung 24 begrenzenden Umfangswand 35 ein
radial umlaufender, klebstofffreier Bereich 36 ausgebildet ist. Das insbesondere einen
runden Querschnitt aufweisende Piezoelement 31 bzw. die Messeinrichtung 30 ist mittels
eines topf- bzw. becherförmig ausgebildeten Gehäuses 40 mit vorzugsweise rundem Querschnitt
gegen äußere Umwelteinflüsse geschützt bzw. mediendicht angeordnet. Hierzu weist das
Gehäuse 40 auf der dem Grund 26 der Vertiefung 24 zugewandten Seite beispielhaft einen
flanschartig umlaufenden Randbereich 41 auf, der mit dem Grund 26 der Vertiefung 24
in dem klebstofffreien Bereich 36 verbunden ist. Besonders bevorzugt zur Verbindung
des Gehäuses 40 mit dem Injektorgehäuse 11 bzw. dem Grund 26 der Vertiefung 24 ist
die Ausbildung einer Schweißverbindung, insbesondere einer Laserschweißverbindung,
derart, dass eine vollständig umlaufende Laserschweißnaht 42 erzeugt wird. Das Ausbilden
der Schweißverbindung bzw. der Laserschweißnaht 42 findet erfindungsgemäß in einer
inerten Atmosphäre, oder unter Vakuum statt, sodass in dem Innenraum 44 des Gehäuses
40, d.h. insbesondere in dem Bereich zwischen dem Gehäuse 40 und der Klebeverbindung
34 entweder ein inertes Gas, oder aber Vakuum ausgebildet ist.
[0025] Weiterhin weist das insbesondere aus Metall bestehende Gehäuse 40 in einer etwa parallel
zur Oberfläche des Sensorelements 32 angeordneten Wand 45 zwei Durchbrüche 46, 47
auf, durch die entweder abgedichtet angeordnete elektrische Anschlussleitungen 48,
49 geführt sind, die mit dem Sensorelement 32 bzw. dem Piezoelement 31 verbunden sind,
oder aber zwei Steckerelemente, die auf der dem Piezoelement 31 zugewandten Seite,
d.h. innerhalb des Innenraums 45 des Gehäuses 40, mit elastisch ausgebildeten Kontaktelementen
53, 54, beispielsweise in Form von Druckfedern, verbunden sind. Die Kontaktelemente
53, 54 liegen elektrisch leitend an der Oberfläche des Piezoelements 31 auf, und zwar
insbesondere im Bereich von dort angeordneten Elektroden des Piezoelements 31 (nicht
dargestellt) um die von dem Piezoelement 31 bei einer Verformung erzeugten Spannungen
über die Anschlussleitungen 48, 49 einer nicht dargestellten Steuer- bzw. Auswerteeinheit
zuzuführen.
[0026] Beim Betrieb des Kraftstoffinjektors 10 verformt sich der Verformungsbereich 27 in
Abhängigkeit des in der Versorgungsbohrung 19 herrschenden Kraftstoffdrucks elastisch
nach außen. Diese Verformung überträgt sich über die Klebeverbindung 34 auf das Piezoelement
31 und erzeugt dort in Abhängigkeit der Verformung bzw. der Zugspannungen elektrische
Spannungen, die mittels einer geeigneten Auswerteschaltung dazu verwendet werden können,
zumindest mittelbar auf eine Stellung der Düsennadel 16 in dem Injektorgehäuse 11
zu schließen.
[0027] Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise
abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen, so kann
insbesondere die Form oder der Aufbau des Piezoelements 31 von den dargestellten Ausführungsformen
abweichen.
1. Kraftstoffinjektor (10), insbesondere Common-Rail-Injektor, mit einem Injektorgehäuse
(11), in dem ein Hochdruckraum (15) ausgebildet ist, der über eine im Injektorgehäuse
(11) angeordnete Versorgungsbohrung (19) mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgbar
ist, mit wenigstens einer zumindest mittelbar mit dem Hochdruckraum (15) verbundenen,
im Injektorgehäuse (11) ausgebildeten Einspritzöffnung (12) zum Einspritzen von Kraftstoff
in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem die wenigstens eine Einspritzöffnung
(12) freigebenden oder verschließenden Einspritzglied (16), und mit einer Messeinrichtung
(30) zur zumindest mittelbaren Erfassung des Drucks im Hochdruckraum (15) oder der
Versorgungsbohrung (19), wobei die Messeinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, eine
elastische Verformung eines zumindest mittelbar mit der Versorgungsbohrung (19) oder
dem Hochdruckraum (15) in Wirkverbindung angeordneten Verformungsbereichs (27) zu
erfassen, und wobei die Messeinrichtung (30) ein Sensorelement (32) aufweist, das
mit der Oberfläche des Verformungsbereichs (27) über eine Klebeverbindung (34) verbunden
ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest der Bereich der Klebeverbindung (34) zwischen dem Verformungsbereich (27)
und dem Sensorelement (32) von einem Gehäuseelement (40) umschlossen ist, das zumindest
den Bereich der Klebeverbindung (34) gegenüber der äußeren Umgebung mediendicht abdichtet.
2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuseelement (40) in dem Bereich zwischen dem Gehäuseelement (40) und der Klebeverbindung
(34) mit einem inerten Gas gefüllt ist.
3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuseelement (40) in dem Bereich zwischen dem Gehäuseelement (40) und der Klebeverbindung
(34) evakuiert ist.
4. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuseelement (40) becherförmig ausgebildet ist und die Messeinrichtung (30)
vollständig, mit Ausnahme des Bereichs des Verformungsbereichs (27), umgibt.
5. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuseelement (40) einen flanschartig umlaufenden Bereich (41) aufweist, der
mittels einer Schweiß- oder Klebeverbindung, vorzugsweise mittels einer Laserschweißnaht
(42), mit dem Injektorgehäuse (11) dicht verbunden ist.
6. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einer Wand (45) des Gehäuseelements (40) wenigstens ein Durchbruch (46, 47) zur
Durchführung einer elektrischen Kontaktierung des Sensorelements (32) ausgebildet
ist, und dass der Bereich des wenigstens einen Durchbruchs (46, 47) abgedichtet ausgebildet
ist.
7. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass innerhalb des Gehäuses (40) wenigstens ein der elektrischen Kontaktierung des Sensorelements
(32) dienendes, elastisch angeordnetes Kontaktelement (53, 54) vorgesehen ist, das
in elektrischer Wirkverbindung mit dem Sensorelement (32), insbesondere mit der der
Klebeverbindung (34) gegenüberliegenden Seite des Sensorelements (32), verbunden ist.
8. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Sensorelement (32) als Piezoelement (31) ausgebildet ist.
9. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verformungsbereich (27) im Bereich einer sacklochförmigen Vertiefung (24) oder
einer Abflachung des Injektorgehäuses (11) angeordnet ist.
10. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verformungsbereich (27) im Bereich der Versorgungsbohrung (19) oder eines mit
der Versorgungsbohrung (19) in Wirkverbindung angeordneten Abzweigs (28) angeordnet
ist.