Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor wie er beispielsweise verwendet wird, um Kraftstoff unter Hochdruck in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einzubringen.

Die Erfindung geht von einem Kraftstoffinjektor aus, wie er beispielsweise aus der DE 10 2014 204 629 A1 bekannt ist. Ein solcher Kraftstoffinjektor weist ein Gehäuse auf, in dem ein Hochdruckbereich ausgebildet ist, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist. Der dort befindliche komprimierte Kraftstoff wird über Einspritzöffnungen in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingebracht, wobei das Öffnen und Schließen der Einspritzöffnungen über eine Düsennadel geschieht, die längsverschiebbar im Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors angeordnet ist. Die Düsennadel kann dabei entweder direkt oder über einen servohydraulischen Mechanismus bewegt werden, so dass die Einspritzöffnungen nur dann freigegeben werden, wenn Kraftstoff in den Brennraum eingebracht werden soll. Die Steuerung der Düsennadelbewegung geschieht mittels eines Steuerventils, beispielsweise eine Piezoaktors oder eines Magnetaktors, wobei es für eine saubere Verbrennung unerlässlich ist, dass die Einspritzung sehr präzise stattfindet, d. h. in der gewünschten Menge zum genau richtigen Zeitpunkt. Dazu muss der elektrische Aktor, also der Piezoaktor oder Magnetaktor, entsprechend präzise angesteuert werden.

Um dies zu ermöglichen ist es von großer Wichtigkeit, die tatsächliche Bewegung der Düsennadel zu kennen, insbesondere den Zeitpunkt, zudem die Düsennadel die Einspritzöffnungen verschließt oder öffnet, da es eine zeitliche Verzögerung zwischen der Aktivierung des elektrischen Aktors und der dadurch initiierten Bewegung der Düsennadel gibt. Hierzu ist aus der DE 10 2014 204 629 A1 bekannt, einen Sensor vorzusehen, der Druckschwankungen innerhalb des Hochdruckbereichs des Kraftstoffinjektors detektiert. Dies hat folgenden Hintergrund: Öffnet die Düsennadel die Einspritzöffnungen, so sinkt der Druck im Hochdruckbereich etwas ab, da Kraftstoff aus den Einspritzöffnungen ausströmt und nur mit etwas zeitlicher Verzögerung komprimierter Kraftstoff nachgeführt wird. Beim Ende der Einspritzung, also wenn die Düsennadel die Einspritzöffnungen wieder verschließt, erhöht sich der Druck erneut, was ebenfalls über den Drucksensor ermittelt werden kann. Hierbei wird der Druck im Hochdruckbereich nicht direkt ermittelt, sondern es wird die Verformung einer Restwand gemessen, die durch den Innendruck im Hochdruckbereich elastisch verformt wird. Der Sensor weist dazu ein Piezoelement auf, das mit der Restwand so verbunden ist, dass durch die Verformung der Restwand auch der Sensor verformt wird und ein entsprechendes elektrisches Signal liefert, das ausgewertet werden kann. Aus diesem Signal kann schließlich die Öffnungs- und Schließbewegung der Düsennadel errechnet werden.

Der Verformungssensor umfasst ein piezoelektrisches Sensorelement, das die Verformung der Restwand misst, indem es durch die Verformung der Restwand ebenfalls verformt wird. Um ein starkes und damit gut auswertbares Signal am Piezoelement abgreifen zu können, muss die Restwand möglichst dünn ausgebildet sein, damit durch den schwankenden Innendruck eine relativ große wechselnde Verformung der Restwand und damit des Piezoelements stattfindet. Ist jedoch die Verformung zu stark, so werden die in das Sensorelement eingebrachten mechanischen Verformungen unter Umständen zu hoch, was zu einem Versagen des Sensorelements führen kann, da piezoelektrische Elemente sehr spröde sind und insbesondere unter Zugbeanspruchungen leicht versagen. Wird die Restwand hingegen entsprechend dick gebaut, um eine übermäßige Verformung des Sensorelements zu verhindern, so ist das Signal unter Umständen nur schwer auszuwerten und die Signalauswertung entsprechend fehleranfällig, was ein präzises Ansteuern des Injektors erschwert.

Aus der EP 3 018 337 A1 ist darüber hinaus ein Kraftstoffinjektor mit einem Sensorelement bekannt, das mit einer Restwand des Kraftstoffinjektors verklebt ist und das durch als Druckfedern ausgebildete Kontaktelemente kontaktiert werden kann.

Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein gutes Signal des Sensorelements und damit eine hohe Empfindlichkeit bei der Messung des Drucks innerhalb des Kraftstoffinjektors möglich ist, ohne dass es zu einem mechanischen Versagen des Sensorelements kommt. Dazu weist der Kraftstoffinjektor einen Hochdruckbereich innerhalb eines Injektorgehäuses auf, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist, und eine Düsennadel, die längsbeweglich in diesem Hochdruckbereich aufgenommen ist und die durch ihre Längsbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung öffnet und schließt, so dass durch die wenigstens eine Einspritzöffnung Kraftstoff austreten kann. Weiterhin weist das Injektorgehäuse eine Restwand auf, die den Hochdruckbereich begrenzt und die durch den innendruck im Hochdruckbereich nach außen elastisch verformbar ist. Weiter umfasst der Injektor einen Sensor zur Detektion einer Restwandverformung, wobei der Sensor ein piezoelektrisches Sensorelement umfasst. Das Sensorelement weist eine erste Seitenfläche und eine der ersten Seitenfläche gegenüberliegende zweite Seitenfläche auf, wobei die erste Seitenfläche mittels einer Klebeverbindung mit der Restwand flächig verbunden ist und die zweite Seitenfläche über ein elastisches Federelement mit einer Vorspannkraft beaufschlagt ist. Zwischen dem Federelement und der zweiten Seitenfläche ist eine Kraftübertragungsscheibe angeordnet, wodurch die Vorspannkraft des Federelements gleichmäßig auf das Sensorelement übertragen werden kann.

Durch die Verformung der Restwand wird das Sensorelement ebenfalls verformt, da es über die Klebeverbindung unmittelbar mit dieser verbunden ist. Durch die Verformung, die im Wesentlichen ein Nach-außen-Wölben ist, wird an der anliegenden ersten Seitenfläche eine Druckspannung induziert und auf der gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche eine Zugspannung. Durch das Federelement wird nun eine Vorspannkraft über die zweite Seitenfläche auf das Sensorelement ausgeübt, was die Zugspannung auf der zweiten Seitenfläche reduziert, so dass das Sensorelement insgesamt eine größere Verformung der Restwand toleriert als dies ohne das elastische Federelement der Fall wäre. Damit kann die Restwand relativ dünn ausgebildet werden und damit ein relativ großes Signal mit entsprechend guter Auswertemöglichkeit am Sensorelement abgegriffen werden.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist das Sensorelement scheibenförmig ausgebildet, wobei die Vorspannkraft des Federelements in Richtung der Restwand ausgerichtet ist. Dabei ist das Sensorelement vorzugsweise ringscheibenförmig ausgebildet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kraftübertragungsscheibe aus einem elektrisch nichtleitenden Material, so dass auf weitere Maßnahmen zur Abschirmung des elastischen Federelements gegenüber dem Sensorelement verzichtet werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Sensorelement von einem Sensorgehäuse umgeben, was mit dem Injektorgehäuse verbunden ist, vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung. Dadurch ist das Sensorelement gegenüber Umwelteinflüssen weitgehend geschützt, insbesondere gegenüber Gasen und Flüssigkeiten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist am Sensorgehäuse ein Führungsdorn ausgebildet, auf dem das Federelement geführt ist. Dadurch ist das Federelement örtlich fixiert innerhalb des Sensorgehäuses, so dass die Kraft immer an der gleichen Stelle auf das Sensorelement ausgeübt wird, vorzugsweise mittig.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Sensorgehäuse eine oder mehrere Durchführungen auf, durch die elektrische Kontakte geführt werden können. Hierbei ist das Sensorelement vorzugsweise über diese elektrischen Kontakte verbunden, die ihrerseits wiederum mit einer Auswerteeinheit verbunden sein können.

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor schematisch dargestellt. Es zeigt:

Figur 1

einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor in schematischer Darstellung und

Figur 2

eine vergrößerte Darstellung des Kraftstoffinjektors im Bereich des Sensorelements, ebenfalls im Längsschnitt.

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor im Längsschnitt dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 1 weist ein Gehäuse auf, das einen Haltekörper 2 und einen Düsenkörper 3 umfasst, die mittels einer Spannmutter 5 gegeneinander flüssigkeitsdicht verspannt sind. Innerhalb des Gehäuses 2, 3 ist ein Hochdruckbereich 7 ausgebildet, der eine Hochdruckbohrung 15 und einen Druckraum 6 umfasst, wobei die Hochdruckbohrung 15 im Haltekörper 3 und der Druckraum 6 im Düsenkörper 3 ausgebildet sind. Der Hochdruckbereich 7 ist über eine Hochdruckleitung 16 mit einem Hochdruckspeicher 17 verbunden, so dass im Hochdruckbereich 7 stets Kraftstoff unter hohem Druck anliegt.

Im Druckraum 6 innerhalb des Düsenkörpers 3 ist eine kolbenförmige Düsennadel 8 längsverschiebbar angerordnet, die mit ihrem dem Brennraum zugewandten Ende mit einem Düsensitz 10 zusammenwirkt, so dass eine oder mehrere Einspritzöffnungen 11, die im Düsenkörper 3 ausgebildet sind, mit dem Druckraum 6 verbunden sein können oder von diesem durch die Düsennadel 8 getrennt werden. Befindet sich die Düsennadel 8 in ihrer Schließstellung, d. h. in Anlage am Düsensitz 10, so werden die Einspritzöffnungen 11 verschlossen, während dann, wenn die Düsennadel 8 im Düsensitz 10 abgehoben hat, Kraftstoff zwischen der Spitze der Düsennadel 8 und dem Düsensitz 10 hindurch aus dem Druckraum 6 zu den Einspritzöffnungen 11 strömt und durch diese unter hohem Druck ausgespritzt wird.

Am Haltekörper 2 ist eine Ausnehmung 18 ausgebildet, in der ein Sensor 19 angeordnet ist. Zwischen dem Grund der Ausnehmung 18 und der Hochdruckbohrung 15 verbleibt eine Restwand 22, wobei der Sensor 19 dazu ausgebildet ist, die elastische Verformung der Restwand 22 zu erfassen. Zur Auswertung des Signals des Sensors 19 ist dieser über eine erste Signalleitung 23 und eine zweite Signalleitung 24 mit einer Auswerteeinheit 25 verbunden, in der die Auswertung des Sensorsignals erfolgt.

Zum genauen Aufbau des Sensors 19 zeigt Figur 2 eine vergrößerte Darstellung von Figur 1 im Bereich des Sensors 19 im Längsschnitt, wobei die Darstellung gegenüber der Figur 1 um 90° nach links gedreht ist. Der Sensor 19 umfasst ein Sensorelement 20, das hier scheibenförmig ausgebildet ist und das eine erste Seitenfläche 120 und eine der ersten Seitenfläche 120 gegenüberliegende zweite Seitenfläche 220 aufweist. Zwischen der ersten Seitenfläche 120 und der Restwand 22 ist eine Klebeverbindung 21 ausgebildet, so dass das Sensorelement 20 vollflächig mit der Restwand 22 verklebt ist und damit bei einer Verformung der Restwand 22 ebenfalls verformt wird.

Das Sensorelement 20 ist als piezoelektrisches Element ausgebildet, das bei einer mechanischen Verformung eine elektrische Spannung innerhalb des Sensorelements 20 erzeugt, die über die Signalleitungen 23, 24 abgegriffen werden kann. Diese elektrische Spannung ist ein Maß für die Verformung des Sensorelements 20 und kann somit verwendet werden, um die Verformung der Restwand 22 zu erfassen.

Das Sensorelement 20 ist innerhalb eines topfförmigen Sensorgehäuses 27 angeordnet, das über eine Schweißverbindung 29 gas- und flüssigkeitsdicht mit der Restwand 22 bzw. dem Haltekörper 3 verbunden ist. Das Sensorgehäuse 27 weist dem Sensorelement 20 gegenüberliegend einen Führungsdorn 28 auf, auf dem ein Federelement 32 geführt ist. Das Federelement 32 ist unter Druckvorspannung zwischen dem Sensorgehäuse 27 und dem Sensorelement 20 angeordnet, wobei auf der zweiten Seitenfläche 220 eine Kraftübertragungsscheibe 30 aufliegt, über die das Federelement 32 die Druckvorspannung auf das Sensorelement 20 ausübt. Die Kraftübertragungsscheibe 30 bewirkt eine gleichmäßige Verteilung der Vorspannkraft des Federelements 32 auf das Sensorelement 20 und verhindert so lokal überhöhte mechanische Spannungen.

Zur elektrischen Verbindung des Sensorelements 20 mit einer Auswerteeinheit 25 weist das Sensorelement 20 auf seiner zweiten Seitenfläche 220 elektrische Kontakte 40, 41 auf, auf denen teilweise auch die Kraftübertragungsscheibe 30 aufliegt. Zur elektrischen Verbindung dieser elektrischen Kontakte 40, 41 sind zwei Kontaktfedern 36, 37 vorgesehen, die zwischen den elektrischen Kontakten 40, 41 und einer ersten Durchführung 33 bzw. einer zweiten Durchführung 34 unter Druckvorspannung angeordnet sind, wobei die Durchführungen 33, 34 im Sensorgehäuse 27 ausgebildet sind. Dabei sind die Durchführungen 33, 34 sowohl gas- als auch flüssigkeitsdicht ausgeführt. Durch die Ausbildung der ersten Kontaktfeder 36 bzw. zweiten Kontaktfeder 37 ist sichergestellt, dass stets eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 40 bzw. dem zweiten elektrischen Kontakt 41 und einem ersten Anschluss 38 bzw. einem zweiten Anschluss 39 besteht, die durch die Durchführungen 33, 34 hindurchragen. Der erste elektrische Anschluss 38 und der zweite elektrische Anschluss 39 sind mit einer ersten Signalleitung 23 bzw. einer zweiten Signalleitung 24 verbunden, die mit der Auswerteeinheit 25 verbunden sind.

Innerhalb des Hochdruckbereichs 7 des Kraftstoffinjektors, also insbesondere auch innerhalb der Hochdruckbohrung 15, herrscht während des Betriebs des Kraftstoffinjektors ein wechselnder Kraftstoffdruck. Dies ergibt sich durch die Längsbewegung Düsennadel 8, die dadurch die Einspritzöffnungen 11 abwechselnd freigibt oder verschließt. Bei offenen Einspritzöffnungen 11 wird ein Kraftstofffluss innerhalb des Druckraums 6 erzeugt und damit einen Druckabfall, der sich bis in die Hochdruckbohrung 15 fortsetzt. Die durch den Kraftstoffdruck innerhalb der Hochdruckbohrung 15 nach außen elastisch verformte Restwand 22 ändert ihre Verformung je nach Kraftstoffdruck innerhalb der Hochdruckbohrung 15, wobei sich die Verformung der Restwand 22 über die Klebeverbindung 21 unmittelbar auf das Sensorelement 20 überträgt. Das Sensorelement 20 erfährt so zumindest in tangentialer Richtung des Kraftstoffinjektors bzw. des Düsenkörpers 3 an seiner ersten Seitenfläche 210 eine Druckspannung und an seiner gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche 220 eine Zugspannung. Um insbesondere die Zugspannung auf der zweiten Seitenfläche zu reduzieren, übt das elastisehe Federelement 32 über die Kraftübertragungsscheibe 30 eine Druckkraft auf das Sensorelement 20 in Richtung der Restwand 22 aus, so dass die Zugspannungen auf der zweiten Seitenfläche 220 des Sensorelements 20 reduziert werden. Dadurch wird die mechanische Beanspruchung des Sensorelements 20 insgesamt reduziert, so dass dieses auch bei einer stärkeren Verformung der Restwand 22 ein gutes Signal liefert, ohne dass die Gefahr einer mechanischen Überbeanspruchung und damit eines Versagens des Sensorelements 20 gegeben ist.

Es kann auch vorgesehen sein, dass das Federelement 32 nicht als Feder ausgebildet ist, beispielsweise als Schraubendruckfeder, wie in Figur 2 dargestellt, sondern dass ein elastischer Körper verwendet wird, beispielsweise ein Polymer, der bei entsprechender mechanischer Vorspannung mittels des Sensorgehäuses 27, ebenfalls eine Druckkraft über eine Kraftverteilungsplatte auf das Sensorelement 20 ausübt.