Stand der Technik
[0001] Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
[0002] Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist aus der nachveröffentlichten
DE 10 2014 209 330 A1 der Anmelderin bekannt. Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor ist es vorgesehen, das
Sensorelement einer Messeinrichtung in einer Ausnehmung des Injektorgehäuses anzuordnen.
Mittels des als Piezoelement ausgebildeten Sensorelements lässt sich beispielsweise
der Schließzeitpunkt einer Düsennadel erfassen, um damit die Ansteuerung des Kraftstoffinjektors
zu optimieren. Das bekannte Sensorelement ist mittels einer Klebeverbindung mit der
Ausnehmung verbunden und weist darüber hinaus elektrische Anschlussleitungen auf,
die mit dem Sensorelement verbunden sind. Insbesondere der Bereich der Klebeverbindung
zwischen dem Injektorgehäuse und dem Sensorelement stellt einen zu schützenden Bereich
dar, welcher vor dem Zutritt von Medien geschützt werden muss, die ansonsten die Haltbarkeit
der Klebeverbindung, insbesondere über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors betrachtet,
herabsetzen können.
[0003] Weiterhin ist es bekannt, medienempfindliche Bauteile im Bereich einer Schnittstelle
zwischen metallischen Werkstoffen und einer Kunststoffumspritzung, wie sie beispielsweise
bei einem als Kraftstoffinjektor ausgebildeten Bauteilverbund vorkommen, technisch
aufwändig zu schützen. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, durch separate Bauteile
wie O-Ringe, Verschweißungen, Glasumschmelzungen oder ähnliches einen derartigen mediendichten
Bauteilverbund auszubilden. Hintergrund für diese Maßnahmen ist die nicht vollständige
Abdichtung zwischen einem aus metallischem Material bestehenden Element und Kunststoff,
welche sich beispielsweise durch Kriechspalte sowie des Nichtanhaftens von Komponenten
äußert.
[0004] Aus der ebenfalls nachveröffentlichten
DE 10 2015 201 970 A1 der Anmelderin ist es bekannt, ein mit der Oberfläche des Injektorgehäuses verbundenes
Sensorelement mit einem Abdeckelement zu überdecken. Innerhalb des Abdeckelements
ist ein vulkanisierendes Medium angeordnet, das den Zutritt von Medien zu dem Sensorelement
verhindert. Weiterhin ist das Abdeckelement von einer zusätzlichen, insbesondere aus
Kunststoff bestehenden und im Spritzgussverfahren aufgebrachten äußeren Umhüllung
umgeben.
Offenbarung der Erfindung
[0005] Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, das mit der Oberfläche des Injektorgehäuses über eine Klebeverbindung verbundene
Sensorelement auf möglichst einfache Art und Weise gegenüber dem Zutritt von die Funktionalität
und die Haltbarkeit beeinträchtigenden Medien zu schützen.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Messeinrichtung mit einer Schutzeinrichtung
zumindest bereichsweise überdeckt ist, die den Zutritt von Medien an das Sensorelement
verhindert, dass die Schutzeinrichtung als Vergussmasse oder als Kunststoffumspritzung
ausgebildet ist, und dass die Vergussmasse oder Kunststoffumspritzung auf der dem
Sensorelement abgewandten Seite in unmittelbarer Wirkverbindung mit der äußeren Umgebung
angeordnet ist oder von einem Abdeckelement umgeben ist, das auf der dem Sensorelement
abgewandten Seite in unmittelbarer Wirkverbindung mit der äußeren Umgebung angeordnet
ist.
[0007] Es ist somit erfindungsgemäß vorgesehen, das Sensorelement zumindest mit einer Vergussmasse
bzw. einer Kunststoffumspritzung zu überdecken, die das Sensorelement vor dem Einfluss
insbesondere aggressiver Medien (Gase und Flüssigkeiten) schützt. Das Vorsehen einer
derartigen Vergussmasse bedeutet vorrichtungstechnisch einen relativ geringen Aufwand,
insbesondere, wenn die Vergussmasse bzw. das Sensorelement beispielsweise in einer
Vertiefung bzw. Ausnehmung des Injektorgehäuses angeordnet ist. So sind dadurch keine
zusätzlichen mechanischen Bauelemente bzw. Konstruktionen erforderlich, welche üblicherweise
einen zusätzlichen Herstell- bzw. Montageaufwand benötigen. Vielmehr wird die Schutzeinrichtung
im einfachsten Fall alleine durch die Vergußmasse bzw. die Kunststoffumspritzung gebildet.
[0008] Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den
Unteransprüchen aufgeführt.
[0009] Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors, bei der
die Vergussmasse derart mit dem Sensorelement verbunden ist, dass von der Vergussmasse
bzw. der Kunststoffumspritzung eine in Richtung auf das Sensorelement wirkende Druckspannung
in Art einer Vorspannkraft erzeugt wird. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise
dadurch erzielbar, wenn die Vergussmasse bzw. die Kunststoffumspritzung mit einem
bestimmten Anspritzdruck auf das Sensorelement aufgebracht wird, wobei die Vergussmasse
bzw. die Kunststoffumspritzung gleichzeitig über ihre Verbindung zu dem Injektorgehäuse
zur Übertragung entsprechender Druckspannungen auf das Sensorelement beiträgt. Eine
derartige Ausführungsform mit auf das Sensorelement wirkenden Druckspannungen ist
insbesondere deshalb besonders vorteilhaft, da bekannt ist, dass die üblicherweise
bei den Sensorelement verwendeten Piezokeramiken sehr empfindlich auf interne mechanische
Zugspannungen sind, welche zur Zerstörung der Keramik führen können. Mechanische Druckspannungen
können hingegen sehr gut ertragen werden. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Druckspannungen
wirken daher ggf. auftretenden oder vorhandenen Zugspannungen entgegen bzw. überkompensieren
diese, so dass eine besonders hohe Zuverlässigkeit des Sensorelements, insbesondere
über die gesamte Betriebsdauer des Kraftstoffinjektors betrachtet, erzielbar ist.
[0010] In bevorzugter Ausgestaltung der Vergussmasse ist diese als Elastomer, vorzugsweise
Silikon enthaltend, ausgebildet.
[0011] Wie bereits oben erläutert, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Sensorelement
in einer Vertiefung des Injektorgehäuses angeordnet ist. Dadurch lässt sich zum einen
eine besonders gute Anbindung und ein mechanischer Schutz der Vergussmasse innerhalb
der Vertiefung erzielen, und zum anderen ist auch das Sensorelement selbst mechanisch
relativ gut geschützt angeordnet.
[0012] Um beim Handling bzw. beim Einbau beispielsweise des Kraftstoffinjektors in eine
Brennkraftmaschine eine mechanische Beschädigung der Vergussmasse zu vermeiden, ist
es darüber hinaus bevorzugt vorgesehen, dass die Vergussmasse bzw. die Kunststoffumspritzung
die Vertiefung in der Höhe nicht überragt.
[0013] Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Vergussmasse bzw. die Kunststoffumspritzung
die Vertiefung in der Höhe überragt und außerhalb der Vertiefung mit der Oberfläche
des Injektorgehäuses verbunden ist. Eine derartige Anordnung ermöglicht eine verbesserte
Übertragung bzw. die Erzeugung besonders hoher Druckspannungen auf das Sensorelement
durch eine vergrößerte Verbindungsfläche der Vergussmasse bzw. der Kunststoffumspritzung
mit dem Injektorgehäuse.
[0014] In wiederum alternativer Ausgestaltung bei Verwendung eines Abdeckelements kann es
vorgesehen sein, dass das Abdeckelement mit einem die Vertiefung begrenzenden Bereich
des Injektorgehäuses verbunden ist, vorzugsweise durch eine Laserstrahlverschweißung.
[0015] Ein möglichst vollständiger bzw. umfassender Schutz des Sensorelements wird erzielt,
wenn die Vergussmasse bzw. die Kunststoffumspritzung das Sensorelement auf der dem
Injektorgehäuse abgewandten Stirnfläche sowie in Umfangsrichtung überdeckt. Dadurch
wird insbesondere der Zutritt von Medien in den Bereich der Klebeverbindung besonders
wirkungsvoll unterdrückt bzw. verhindert.
[0016] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
[0017] Diese zeigt in:
- Fig. 1
- eine stark vereinfachte, teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors und
- Fig. 2 bis Fig. 4
- jeweils Längsschnitte durch einen Teilbereich des Kraftstoffinjektors gemäß Fig. 1
im Bereich eines an dem Injektorgehäuse angeordneten Sensorelements bei unterschiedlichen
Ausführungsformen der Schutzeinrichtung.
[0018] Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den
gleichen Bezugsziffern versehen.
[0019] 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.
[0020] 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 angeordnet sind. Innerhalb des Injektorgehäuses
11 bildet dieses einen Hochruckraum 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.
[0021] 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.
[0022] 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.
[0023] Der ebene ausgebildete Grund 26 der Vertiefung 24 bildet einen Teil eines Verformungsbereichs
27 aus. 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 ist.
[0024] Zur Detektion des zeitlichen Verlaufs des Kraftstoffdrucks 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 beispielhaft als Piezoelement 31 ausgebildetes Sensorelement 32.
[0025] Die in den Figuren im Einzelnen nicht gezeigten Elektrodenschichten des Piezoelements
31 sind mit Anschlussleitungen 33, 34 verbunden, welche wiederum bei einer Deformation
des Verformungsbereichs 27 von einer nicht dargestellten Schaltung auswertbare Spannungssignale
erzeugen. Das im Wesentlichen zylindrisch bzw. plattenförmig ausgebildete Piezoelement
31 ist mit dem Grund 26 der Vertiefung 24 über eine Klebeverbindung 35 verbunden.
Die Klebeverbindung 35 in Form einer Klebstoffschicht ist derart ausgebildet, dass
einerseits eine sichere Befestigung des Piezoelements 31 an dem Injektorgehäuse 11
ermöglicht wird, und andererseits Deformationen des Verformungsbereichs 27 an das
Piezoelement 31 übertragen werden.
[0026] Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Piezoelement
31 sowohl auf seiner dem Grund 26 bzw. dem Injektorgehäuse 11 abgewandten Stirnfläche
36, als auch im Bereich seiner Umfangsfläche 37 vollflächig von einer Vergussmasse
40 (alternativ einer Kunststoffumspritzung) überdeckt. Die Vergußmasse 40 ist in unmittelbarer
Wirkverbindung mit der Umgebung angeordnet, d.h. dass sie frei liegt. Bei der Vergussmasse
40 handelt es sich insbesondere um ein Elastomer, vorzugsweise Silikon enthaltend.
Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel reicht die Vergussmasse 40
nicht ganz bis an den Umfang der Vertiefung 24 heran. Die Vergussmasse 40 umgibt nicht
nur das Piezoelement 31, sondern dient auch der Führung bzw. dem Schutz der Anschlussleitungen
33, 34, welche ebenfalls bereichsweise von der Vergussmasse 40 umgeben sind. Bei dem
in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel fluchtet die Oberseite 41 der Vergussmasse
40 in etwa mit der Außenwand 23 des Injektorgehäuses 11, das bedeutet, dass die Vergussmasse
40 die Vertiefung 24 in der Höhe nicht überragt.
[0027] Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Vergussmasse 40 derart in Wirkverbindung
mit dem Piezoelement 31 sowie dem Bereich des Grunds 26 der Vertiefung 24 aufgebracht
wird, dass von der Vergussmasse 40 eine in Richtung des Grunds 26 der Vertiefung 24
wirkende Druckkraft F bzw. Druckspannung auf das Piezoelement 31 erzeugt wird.
[0028] Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung überragt die
Vergussmasse 40a die Vertiefung 24 in der Höhe und ist mit der Außenwand 23 des Injektorgehäuses
11 an dem die Vertiefung 24 begrenzenden Randbereich verbunden.
[0029] Zuletzt ist in der Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das
sich im Wesentlichen von der Ausführungsform der Fig. 2 und 3 dadurch unterscheidet,
dass die dem Piezoelement 31 abgewandte Oberseite 41 der Vergussmasse 40 von einem
beispielsweise aus Blech bestehenden und tiefgezogenen Abdeckelement 45 überdeckt
ist, das Öffnungen 46, 47 zum Durchführen der Anschlussleitungen 33, 34 aufweist.
Das deckel- bzw. topfförmig ausgebildete Abdeckelement 45 ist mit einem umfangsseitig
umlaufenden Flanschbereich 48 mit der Außenwand 23 des Injektorgehäuses 11 verbunden,
vorzugsweise durch eine Laserschweißnaht 49 und ist ansonsten in Wirkverbindung mit
der Umgebung des Kraftstoffinjektors 10 angeordnet. Das die Vertiefung 24 vollständig
überdeckende Abdeckelement 45 ist in seinem Innenraum von der Vergussmasse 40c ausgefüllt.
Das Anbringen des Abdeckelements 45 an dem Injektorgehäuse 11 kann entweder nach dem
Aufbringen bzw. Anordnen der Vergussmasse 40c erfolgen, oder aber vorab, wobei durch
eine nicht dargestellte Öffnung in dem Abdeckelement 45 die Vergussmasse 40c in den
von dem Abdeckelement 45 überdeckten Bereich eingebracht wird. Eine derartige Ausführung
hat darüber hinaus den besonderen Vorteil, dass das Einspritzen des Elastomers in
den von dem Abdeckelement 45 überdeckten Bereich unter erhöhtem Druck stattfinden
kann so dass dadurch über das Abdeckelement 45 auf die Vergussmasse 40c eine zusätzliche
Druckspannung erzeugt werden kann, die wiederum auf das Piezoelement 31 übertragen
wird.
[0030] Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise
abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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 (35) verbunden
ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messeinrichtung (30) von einer Schutzeinrichtung zumindest bereichsweise überdeckt
ist, dass die Schutzeinrichtung als Vergussmasse (40; 40a; 40c) oder Kunststoffumspritzung
ausgebildet ist, und dass die Vergussmasse (40; 40a; 40c) oder Kunststoffumspritzung
auf der dem Sensorelement (32) abgewandten Seite in unmittelbarer Wirkverbindung mit
der Umgebung angeordnet ist oder von einem Abdeckelement (45) umgeben ist, das auf
der dem Sensorelement (32) abgewandten Seite in unmittelbarer Wirkverbindung mit der
Umgebung angeordnet ist.
2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vergussmasse (40; 40a; 40c) oder Kunststoffumspritzung derart mit dem Sensorelement
(32) verbunden ist, dass von der Vergussmasse (40; 40a; 40c) oder Kunststoffumspritzung
eine in Richtung auf das Sensorelement (32) wirkende Druckkraft (F) bzw. Druckspannung
erzeugbar ist.
3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vergussmasse (40; 40a; 40c) ein Elastomer, vorzugsweise Silikon enthaltend, ist.
4. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Sensorelement (32) in einer Vertiefung (24) des Injektorgehäuses (11) angeordnet
ist.
5. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vergussmasse (40) oder Kunststoffumspritzung die Vertiefung (24) in der Höhe
nicht überragt.
6. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vergussmasse (40a) oder Kunststoffumspritzung die Vertiefung (24) in der Höhe
überragt und außerhalb der Vertiefung (24) mit dem Injektorgehäuse (11) verbunden
ist.
7. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Abdeckelement (45) mit einem die Vertiefung (24) begrenzenden Bereich des Injektorgehäuses
(11) verbunden ist, vorzugsweise durch eine Laserstrahlschweißnaht (49).
8. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vergußmasse (40; 40a; 40c) oder Kunststoffumspritzung das Sensorelement (32)
auf der dem Injektorgehäuse (11) abgewandten Stirnfläche (36) sowie an dessen Umfangsfläche
(37) überdeckt.