INJEKTOR

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Injektor mit einem Injektorkörper 1, der zumindest eine druckbeaufschlagte oder von mechanischen Spannungen verformbare Fläche aufweist, wobei an dem Injektorkörper 1 ein Sensor 16 zur Detektierung einer Veränderung der Fläche angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird ein Injektor mit zumindest einem Sensor 16 zur Erfassung einer Oberflächenverformung an dem Injektor angegeben, wobei der Sensor so an dem Injektorkörper 1 angebaut sein soll, dass eine zuverlässige Funktion des Injektors und des Sensors sichergestellt ist. Erreicht wird dies dadurch, dass ein Druckstab 15 an dem Injektorkörper 1 angeordnet ist und der Sensor 16 an dem Druckstab 15 angeklebt ist. Dabei ist der Druckstab 15 zwischen einem an dem Injektorkörper 1 befestigten Widerlager 12 und dem Injektorkörper 1 im Bereich einer an die Fläche angrenzenden membranförmigen Wandung insbesondere angrenzend an eine Hochdruckleitung 10 angeordnet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Injektor mit einem Injektorkörper und einem Düsenkörper, wobei der Injektor eine ein Fluid führende Hochdruckleitung und eine von dem Fluid druckbeaufschlagte oder von mechanischen Spannungen verformbare Fläche aufweist, wobei der Injektor einen Sensor zur Detektierung einer Veränderung, insbesondere einer Verformung der Fläche aufweist.

Stand der Technik

[0002] Ein derartiger Injektor ist aus der EP 1 042 603 B1 bekannt. Dieser Injektor ist ein Kraftstoffinjektor zur Einspritzung eines Kraftstoffs, wobei in dem Injektor eine Bohrung zur Führung einer eine Düsenöffnung beherrschenden Düsenadel angeordnet ist. Der Düsenöffnung ist über eine Hochdruckleitung der Kraftstoff zuführbar. Bei einer Öffnungsbewegung oder Schließbewegung der Düsennadel zur Steuerung des durch die Düsenöffnung gespritzten Kraftstoffs werden in dem Kraftstoff Druckänderungen, die sich auf den Injektor beziehungsweise eine Fläche des Injektors übertragen, ausgelöst, die eine Verformung der Fläche bewirken und die wiederum von einem Sensor aufgenommen werden kann. Der Sensor ist in eine ringförmige Ausnehmung in dem Injektor eingelassen und beispielsweise in der Ausnehmung festgeklebt.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor mit zumindest einem Sensor zur Erfassung einer Veränderung einer Fläche, insbesondere einer Verformung der Fläche, an dem Injektor anzugeben, wobei der Sensor so an dem Injektor angebaut sein soll, dass eine zuverlässige Funktion des Injektors und des Sensors sichergestellt ist.

Offenbarung der Erfindung

[0004] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Druckstab an dem Injektor angeordnet oder angebunden ist und dass der Sensor an dem Druckstab angeordnet ist. Dabei kann eine von dem Sensor erfasste Verformung des Fläche aufgrund dynamischer Druckänderungen beziehungsweise unterschiedlicher Druckveränderungen in dem Injektor entstanden sein. Die erfassten charakteristischen Verläufe der beispielsweise Verformung können über entsprechende Auswertealgorithmen mit einer entsprechenden Auswerteeinrichtung analysiert und bewertet werden. Entsprechend der Auswerteergebnisse können Parameter an der Einrichtung, zu der der Injektor gehört, verändert und optimiert werden. Der Sensor befindet sich erfindungsgemäß nicht direkt in oder an der sich verändernden Fläche des Injektors, sondern kann im Grunde an einer beliebigen Position des Druckstabs angeordnet sein, der wiederum an dem Injektor bevorzugt in einem Bereich einer deutlich feststellbaren Veränderung oder Verformung der Fläche angeordnet ist. Durch die konstruktive sowie materialtechnische Ausgestaltung des Druckstabs kann eine gleichbleibende Signalqualität sichergestellt werden. Zudem ist durch diese Ausgestaltung kein signifikanter Eingriff in den Injektor notwendig.

[0005] Die Fläche ist bevorzugt eine äußere Oberfläche des Injektors, insbesondere des Injektorkörpers und/oder gegebenenfalls des Düsenkörpers. Dies hat den Vorteil, dass der Injektor als solches nicht oder nur in sehr geringem Umfang geändert werden muss, um den Druckstab mit dem Sensor an dem Injektor zu positionieren. Vielmehr kann der Druckstab mit dem Sensor in geeigneter Weise an dem Injektor außen befestigt sein. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, den Druckstab mit dem Sensor in den Injektor in geeigneter Weise einzubauen, indem beispielsweise der Druckstab in eine entsprechende Ausnehmung in dem Injektor eingesetzt wird.

[0006] In Weiterbildung der Erfindung ist der Sensor zumindest angenähert mittig des Druckstabs angeordnet. Dies ist aufgrund der symmetrischen Anordnung die bevorzugte Ausgestaltung, wobei dadurch eine gleichbleibende Signalqualität sichergestellt wird.

[0007] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Druckstab zwischen dem Injektor und einem mit dem Injektor zusammenwirkenden Widerlager eingespannt. Das Widerlager ist beispielsweise als ein topfförmiges Gehäuse ausgebildet und nimmt in dem topfförmigen Innenraum den Druckstab mit dem Sensor auf. Das topfförmige Widerlager kann beispielsweise mittels eines umlaufenden Befestigungsflansches an dem Injektor befestigt, beispielsweise festgeschraubt oder angeschweißt sein. Die Verbindung des topfförmigen Widerlagers mit dem Bauteil kann je nach Anforderung hermetisch dicht ausgebildet sein, so dass in der topfförmigen Ausnehmung ein konstantes Luftvolumen eingeschlossen ist, das gleichbleibende Messbedingungen sicherstellt und ein Verschmutzen des Messaufbaus verhindert. Das eingeschlossene Luftvolumen muss aber nicht zwingend hermetisch dicht zur Umgebung abgetrennt sein, sondern dient einmal dem Schutz des Messaufbaus gegenüber beispielsweise von außen einwirkenden mechanischen Beeinträchtigungen und gleichzeitig als starres Widerlager des Druckstabs. Das Widerlager ist so ausgestaltet, dass es die entstehenden Verformungen der Fläche, die durch die Druckkräfte aus den Druckschwingungen und der daraus resultierenden Druckspannung in dem Druckstab über die Lebensdauer des Injektors aufnehmen kann. Eine denkbare Dämpfung des Signals aufgrund von Steifigkeitsverlusten ist so gering wie möglich zu halten, da diese das Messsignal abschwächen und möglicherweise verstimmen können. Entsprechend sind auch geeignete Materialpaarungen im Aufbau bestehend aus dem Druckstab und dem Widerlager bezüglich der Steifigkeit und der Temperaturausdehnungskoeffizienten der Bauteile zu wählen und gegebenenfalls zu berücksichtigen. Ein innerhalb der topfförmigen Ausnehmung verbauter Temperaturfühler kann als zusätzliches Kalibrierhilfsmittel für eine Auswertesoftware dienen.

[0008] In Weiterbildung der Erfindung ist der Druckstab zumindest abschnittsweise mit einer genau definierten Geometrie, nämlich insbesondere zylinderförmig ausgebildet. Die Ausbildung des Druckstabes beziehungsweise seine Abmessungen mit insbesondere der Länge des Druckstabes, des Durchmessers des Druckstabes und einer mittigen Verjüngung des Druckstabes ergeben sich aus der Größe des aufzunehmenden Signals, wie Amplitude und Frequenz, welche aus der verformten Fläche in den Druckstab eingeleitet werden. Ein in regelmäßigen Abständen durchgeführter Abgleich des "Ruhe-Druckniveaus" ist zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Systems sinnvoll, um beispielsweise Temperatureinflüsse erfassen und korrigieren zu können. Aus funktioneller Sicht ist dies jedoch nicht zwingend erforderlich, da das Messprinzip auf einer einfachen Druckänderung und nicht der absoluten Druckänderung beruht. In vorteilhafter Ausgestaltung weist der Druckstab eine mittige und zylindrische Verjüngung auf, die von gegenüberliegenden sich konisch erweiternden Endabschnitten eingefasst ist. Dabei ist der zumindest eine Sensor im Bereich der Verjüngung angeordnet. Diese Ausgestaltung hat sich als besonders geeignet für eine zuverlässige Signalaufnahme erwiesen.

[0009] In Weiterbildung der Erfindung sind vier Sensoren auf dem Umfang des Druckstabs verteilt angeordnet. Dies ist die optimale Ausgestaltung, wobei aber grundsätzlich auch nur ein einziger Sensor an dem Druckstab angeordnet sein kann. Der zumindest eine Drucksensor ist bevorzugt an dem Druckmessstab in geeigneter Weise festgeklebt. Die entsprechende Befestigung kann eine mechanische auf den Sensor einwirkende Vorspannung beinhalten. Zudem kann die Befestigung ein Feder- und/oder Dämpfungselement beinhalten. Wichtig ist dabei, dass die Kontaktflächen zwischen dem Druckstab und dem Sensor zu jedem Zeitpunkt Kontakt zueinander aufweisen und auch während einer dynamischen Druckänderung nicht voneinander abheben. Die Zuordnung der Bauteile zueinander sollte sich während des Betriebs nicht verändern, wobei eine Veränderung beispielsweise durch eine Verdrehung des Druckstabs gegeben wäre. Durch beispielsweise eine konstruktive Fixierung in der erforderlichen Position kann ein stabiles Signal über die Lebensdauer des Injektors erfasst und ausgewertet werden.

[0010] In Weiterbildung der Erfindung ist der Sensor ein Dehnmessstreifensensor. Dies ist die bevorzugte Ausführungsform, wobei entsprechende Dehnmessstreifensensoren in vielfältigen Ausführungen zur Verfügung stehen. In alternativer Ausgestaltung ist der Sensor ein MEMS-Druck-Dehnungs-Sensor (MEMS = Micro-Electro-Mechanical-System).

[0011] Weiterhin ist der Druckstab von einem fluidführenden Bereich, insbesondere der Hochdruckleitung, des Injektors getrennt. Der fluidführende Bereich beziehungsweise die Hochdruckleitung bewirkt beziehungsweise verursacht die eingangs genannte Druckbeaufschlagung. Dabei wirkt dann die Wand zwischen dem fluidführenden Bereich des Injektors und dem Druckstab als Membran, die eine von einer Druckänderung in dem Fluid hervorgerufene Verformung der Fläche auf den Druckstab überträgt.

[0012] Schließlich ist Injektor bevorzugt ein Kraftstoffinjektor als Bestandteil eines Kraftstoffeinspritzsystems oder ein Reduktionsmittelinjektor eines Abgasnachbehandlungssystems. Der Injektor dient folglich zur Injektion eines Kraftstoffs oder eines Reduktionsmittels. Ein solcher Injektor ist an einer Brennkraftmaschine verbaut und mittels beispielsweise des Kraftstoffinjektors wird Kraftstoff in einen zugeordneten Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Aufgrund der eingangs genannten und aufgenommenen charakteristischen Verläufe kann dann beispielsweise eine Ansteuerung des Kraftstoffinjektors oder einer Kraftstoffpumpe verändert und optimiert werden.

[0013] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.

[0014] Es zeigen:

Figur 1

eine Ansicht eines Injektors, mit einem teilweisen Längsschnitt durch den Injektor mit einer Darstellung der Positionierung eines topfförmigen Widerlagers, das einen Druckstab mit einem Sensor aufnimmt und

Figur 2

einen Querschnitt durch ein topfförmiges Widerlager mit darin angeordnetem Druckstab, an dem mehrere Sensoren befestigt sind.

[0015] Der in Figur 1 dargestellte Injektor ist bevorzugt ein Kraftstoffinjektor, mit dem unter Druck stehender Kraftstoff, der beispielsweise einem Hochdruckspeicher eines Common-Rail-Einspritzsystems entnommen wird, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, an der das Einspritzsystem verbaut ist, eingespritzt wird. Grundsätzlich kann der Injektor aber auch ein beliebiger anderer Injektor sein. An dem Injektor ist ein nachfolgend noch erläutertes topfförmiges Widerlager 12 angeordnet, das einen Druckstab 15 mit einem Sensor 16 zur Detektierung einer Veränderung einer druckbeaufschlagten oder von mechanischen Spannungen verformbaren Fläche des Injektors aufnimmt. Der Kraftstoff ist insbesondere Dieselkraftstoff und die Brennkraftmaschine ist bevorzugt eine selbstzündende Brennkraftmaschine. Der Injektor weist einen Injektorkörper 1 auf, der mit einem Düsenkörper 2 mittels einer Überwurfmutter 3 verschraubt ist. In dem Injektorkörper 1 und dem Düsenkörper 2 ist eine Bohrung 4, 4a eingearbeitet, in der eine Düsennadel 5 und eine mit der Düsennadel 5 zusammenwirkende Betätigungsstange 6 axial beweglich angeordnet sind. In einer Schließstellung der Düsennadel 5 wirkt eine Düsennadelspitze 7 der Düsennadel 5 mit einem Düsenkörpersitz 8 zusammen und verschließt zumindest eine Düsenöffnung 9, die in dem Düsenkörper 2 unterhalb des Düsenkörpersitzes 8 angeordnet ist.

[0016] In einer Öffnungsstellung der Düsennadel 5 befindet sich die Düsennadelspitze 7 in einer beabstandeten Stellung zu dem Düsenkörpersitz 8 und gibt dann eine Strömungsverbindung durch eine in dem Injektorkörper 1 und dem Düsenkörper 2 eingelassene Hochdruckbohrung 10, 10a zu der zumindest einen Düsenöffnung 9 frei. In dieser Stellung wird beispielsweise aus dem Hochdruckspeicher in die Hochdruckleitung 10, 10a eingebrachter Kraftstoff durch die zumindest eine Düsenöffnung 9 in den zugeordneten Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.

[0017] Die Düsennadel 5 wird beispielsweise über die Betätigungsstange 6 von einem in dem Injektorkörper 1 eingebauten Aktor direkt oder indirekt in die Öffnungsstellung und die Schließstellung verstellt, wobei zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Aktor und einem Steuergerät eine Steuerleitung vorhanden ist, die durch eine Aktorkabelbohrung 11 durch den Injektorkörper 1 geführt ist. Alternativ wird die Düsennadel 5 über ein hydraulisches Steuersystem verstellt. Unterhalb der Aktorbohrung 11 ist ein topfförmiges Widerlager 12 an dem Injektorkörper 1 befestigt. Beispielsweise weist das topfförmige Widerlager 12 einen umlaufenden Befestigungsrand 13 auf, in dessen Bereich eine umlaufende Schweißnaht 14 das topfförmige Widerlager 12 dicht mit dem Injektorkörper 1 verbindet und die erforderlichen Widerlagekräfte aufnimmt und überträgt. In dem topfförmigen Widerlager 12 ist ein in Figur 2 näher erläuterter Druckstab 15 angeordnet, an welchem auf dem Umfang verteilt Sensoren 16 zur Aufnahme von Veränderungen angebracht sind. Die Veränderungen sind insbesondere eine Oberflächenverformung des Injektorkörpers 1 im Bereich der Hochdruckleitung 10. Dieser Bereich des Injektorkörpers stellt die zuvor beschriebene Fläche dar. Zur Aufnahme der Veränderung ist das topfförmige Widerlager 12 so an dem Injektorkörper 1 angeordnet, dass der Druckstab 15 genau senkrecht im Bereich der Hochdruckleitung 10 angeordnet beziehungsweise senkrecht zu dieser ausgerichtet ist.

[0018] Der in Figur 2 gezeigte Querschnitt durch einen Teilbereich des Injektorkörpers 1 und das daran angeschweißte topfförmige Widerlager 10 zeigt detailliert den Aufbau der Messeinrichtung. Das als Gehäuse ausgebildete topfförmige Widerlager 12 ist im Bereich umlaufenden Befestigungsrandes 13 mittels der Schweißnaht 14 mit dem Injektorkörper 1 verbunden. Das topfförmige Widerlager 12 kann im Bereich des Topfumfangs Versteifungsstrukturen aufweisen und ist insbesondere im Bereich des Topfbodens 17 besonders steif ausgebildet, wobei in dem von dem topfförmigen Widerlager 12 gebildeten Innenraum 18 eine versteifende Anbindeplatte 19 angeordnet ist. Zwischen der Anbindeplatte 19 und dem gegenüberliegenden Injektorkörper 1 beziehungsweise der der Anbindeplatte 19 gegenüberliegenden Fläche des Injektorkörpers 1 ist der Druckstab 15 eingespannt, der beispielsweise zueinander weisende konische beziehungsweis kegelförmige Endabschnitte 27 aufweist, die in ihrem mittleren Bereich eine definierte geometrische Verjüngung 26 beispielsweise in Form eines Zylinderabschnitts einfassen. Die konischen beziehungsweise kegelförmigen Endabschnitte 27 dienen insbesondere dazu, "weiche Übergänge" zu gewährleisten, während der Bereich der Verjüngung 26 in seiner Ausgestaltung auf die Belastungsfälle in Form und Querschnitt auf ein Optimum eingestellt werden kann. Im Bereich der zylindrisch ausgebildeten Verjüngung 26 sind an dem Druckstab 15 - auf dessen Umfang verteilt - vier Sensoren 16 angeordnet, insbesondere angeklebt, wobei die Sensoren 16 bevorzugt als Dehnmessstreifensensoren oder als MEMS-Druck-Dehnungs-Sensoren ausgebildet sind. Jeder der Sensoren 16 ist über Verkabelungen 20a, 20b mit Kontakten 21a, 21b verbunden. Über mit den Kontakte 21a, 21b verbundenen Leitungen wird eine elektrische Verbindung zu einer Auswerteinheit hergestellt. Jeder der vier Sensoren 16 kann eigene Kontakte 21a, 21b aufweisen oder aber alle vier Sensoren 16 sind mit gemeinsamen Kontakten 21a, 21b verbunden.

[0019] Wie schon zuvor ausgeführt worden ist, ist der Druckstab 15 senkrecht zu der sich verformenden Fläche ausgerichtet, wobei sich an die Hochdruckleitung 10 ein mit Hochdruck beaufschlagter Bereich 22 des Injektorkörpers 1 anschließt beziehungsweise der unter Hochdruck stehende Bereich 22 ist die Hochdruckleitung 10. Der Injektorkörper 1 weist insbesondere im Bereich des unter Hochdruck stehenden Bereichs 22 eine die Fläche bildende membranförmig sich verformende Wandung 23 auf, die sich innerhalb des strichlinierten Bereichs 24 (überzogen dargestellt) in Richtung des Druckstabs 15 verformen kann. Neben dem unter Hochdruck stehenden Bereich 22 weist der Injektorkörper 1 einen Wandbereich 25 mit reduzierten Spannungen auf. Die in der Hochdruckleitung 10 insbesondere bei einer Öffnungsbewegung der Schließbewegung der Düsennadel 5 auftretenden Druckveränderungen rufen die Bewegungen der membranförmigen Wandung 23 auf, die eine Stauchung und anschließende Längung des Druckstabs 15 und damit der Sensoren 16 verursachen. Die so mit der Messeinrichtung aufgenommen Veränderungen werden von der Auswerteinrichtung ausgewertet.

Ansprüche

1. Injektor mit einem Injektorkörper (1) sowie einem Düsenkörper (2), wobei der Injektor eine ein Fluid führende Hochdruckleitung (10. 10a) und eine von dem Fluid druckbeaufschlagte oder von mechanischen Spannungen verformbare Fläche aufweist, und wobei an dem Injektor ein Sensor (16) zur Detektierung einer Verformung der Fläche angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckstab (15) an dem Injektor im Bereich der verformbaren Fläche angeordnet ist, und dass der Sensor (16) an dem Druckstab (15) angeordnet ist.

2. Injektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) zumindest angenähert mittig des Druckstabs (15) angeordnet ist.

3. Injektor nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstab (15) zwischen dem Injektor und einem mit dem Injektor zusammenwirkenden Widerlager (12) eingespannt ist.

4. Injektor nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstab (15) zumindest abschnittsweise zylinderförmig ausgebildet ist.

5. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstab (15) eine mittig angeordnete Verjüngung (26) aufweist.

6. Injektor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung (26) zylindrisch ausgebildet ist.

7. Injektor nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstab (15) gegenüberliegende konische Endabschnitte (27) aufweist.

8. Injektor nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass vier Sensoren (16) auf dem Umfang des Druckstabs (15) verteilt angeordnet sind.

9. Injektor nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) ein Dehnmessstreifensensor ist.

10. Injektor nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) ein MEMS-Druck-Dehnungs-Sensor ist.

11. Injektor nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) an dem Druckstab (15) angeklebt ist.

Zeichnung