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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
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Ein Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
EP 1 042 603 B1 bekannt. Der bekannte Kraftstoffinjektor weist innerhalb seines Injektorgehäuses einen Sensor auf, der im Bereich einer Ablaufbohrung zwischen einem Steuerraum des Kraftstoffinjektors und einem Niederdruckbereich angeordnet ist. Insbesondere umgibt der Sensor die Ablaufbohrung an einem hülsenförmigen Abschnitt eines Bauteils, in dem die Ablaufbohrung ausgebildet ist. In den Steuerraum des Kraftstoffinjektors ragt ein Endabschnitt eines als Düsennadel ausgebildeten Einspritzglieds hinein. Über eine Beeinflussung des Drucks in dem Steuerraum wird in bekannter Art und Weise die Bewegung des Einspritzglieds gesteuert, um zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine im Injektorgehäuse ausgebildete Einspritzöffnungen freizugeben. Der Druck im Steuerraum wird über den Abfluss von Kraftstoff aus dem besagten Steuerraum in den Niederdruckbereich über die Ablaufbohrung bewirkt, wobei die Ablaufbohrung mittels eines Schließglieds im Niederdruckbereich des Injektorgehäuses, welches wiederum mit einem Aktuator, beispielsweise einem Magnetaktuator oder einem Piezoaktuator betätigbar ist, verschlossen werden kann. In der abgesenkten Position des Einspritzglieds herrscht in dem Steuerraum und somit auch in der Ablaufbohrung ein relativ hoher (hydraulischer) Druck. Beim Entlasten des Steuerraums fließt hingegen Kraftstoff aus dem Steuerraum in den Niederdruckbereich ab, wobei sich der hydraulische Druck in der Ablaufbohrung reduziert. Der bekannte Sensor ist dazu ausgebildet, den Druck bzw. Druckschwankungen in der Ablaufbohrung, verursacht durch das Öffnen des Schließglieds aus dem Steuerraum, zu erfassen, woraus auf die Stellung des Einspritzglieds (Düsennadel) geschlossen werden kann. Nachteilig bei der bekannten Anordnung ist es, dass der Sensor im Hochdruckbereich des Injektorgehäuses angeordnet ist und somit konstruktiv relativ aufwendig gestaltet sein muss. Darüber hinaus ist der zur Verfügung stehende Bauraum für einen derartigen Sensor im Injektorgehäuse eingeschränkt, so dass spezielle konstruktive Lösungen, die insbesondere auch mit Blick auf die Festigkeit des Injektorgehäuses kritisch sind, gewählt werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte Konstruktion ermöglicht wird, die insbesondere innerhalb des Injektorgehäuses keine oder zumindest nur unwesentliche konstruktive Änderungen, verursacht durch den Sensor, mit den ansonsten auftretenden Nachteilen erforderlich machen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Bohrung, in der die Druckänderungen des Kraftstoffs erfasst werden, die Zulaufbohrung ist, über die der Hochdruckraum des Injektorgehäuses mit Kraftstoff versorgt wird, dass der Sensor an einer Außenfläche des Injektorgehäuses angeordnet ist, und dass der Sensor zwischen der Außenfläche des Injektorgehäuses und einer das Injektorgehäuse im Bereich des Sensors zumindest bereichsweise umgebenden Spanneinrichtung angeordnet ist, wobei zwischen dem Sensor und der Spanneinrichtung auf der der Spanneinrichtung zugewandten Seite ein Zwischenelement angeordnet ist.
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Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass in Abkehr vom bekannten Stand der Technik der Sensor nicht mehr innerhalb des Injektorgehäuses, sondern außerhalb desselben angeordnet ist. Eine derartige Anordnung ermöglicht zum einen eine besonders robuste bzw. eine besonders hohe Festigkeit aufweisende Ausbildung und Anordnung der Bauteile innerhalb des Injektorgehäuses und darüber hinaus einen relativ einfach bzw. robust ausgebildeten Drucksensor zu verwenden, da dieser nicht mehr von dem unter hohem Druck (beispielsweise einem Druck von 2000bar oder mehr) stehenden Kraftstoff beaufschlagt wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung des Sensors ist es vorgesehen, dass der Sensor ein vorgespanntes Piezoelement aufweist, das zwischen der Außenfläche des Injektorgehäuses und einer das Injektorgehäuse im Bereich des Piezoelements zumindest bereichsweise umgebenden Spanneinrichtung angeordnet ist. Eine derartige Anordnung des Sensors ermöglicht in besonders einfacher Art und Weise die Erfassung einer Druckschwankung in der kraftstoffführenden Bohrung.
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Um eine besonders hohe Empfindlichkeit des Sensors zu ermöglichen, ist es in einer Weiterbildung der Spanneinrichtung vorgesehen, dass diese zumindest im Wesentlichen als starres Bauteil ausgebildet ist und ein bandartiges Spannelement aufweist.
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Konstruktiv besonders einfach lässt sich eine derartige Spanneinrichtung ausbilden, wenn diese das Injektorgehäuse im Bereich des Sensors ringförmig umgibt. Dadurch wird insbesondere eine relativ einfache Befestigung der Spanneinrichtung am Injektorgehäuse ermöglicht, wobei die Spanneinrichtung gleichzeitig ein relativ starres Bauteil ausbildet.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung der Spanneinrichtung, bei der diese Spannmittel zur Einstellung einer auf den Sensor wirkenden Vorspannkraft aufweist, wobei die Spannmittel plastisch deformierbar sind. Dadurch lassen sich eine einfache Anpassung des Sensors an unterschiedliche Kraftstoffinjektoren sowie eine einfache Montage der Spanneinrichtung erzielen.
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Zum besseren Schutz der Spanneinrichtung sowie des Sensors bzw. des Piezoelements ist es darüber hinaus von besonderem Vorteil, wenn die Spanneinrichtung zumindest bereichsweise mit einer Umspritzung versehen ist. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Umspritzung den Bereich des Sensors umgibt. Auch kann eine derartige Umspritzung eine nachträgliche Verstellung bzw. Manipulation der Vorspannkraft auf das Sensorelement (bei Verwendung eines Piezoelements) verhindern.
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Von besonderem Vorteil ist es darüber hinaus, wenn die Außenfläche des Injektorgehäuses im Bereich des Sensors mit einer ebenen Anlagefläche in Form einer Abflachung durch Materialabtrag an dem Injektorgehäuse für den Sensor ausgebildet ist. Damit wird zum einen eine besonders gute Übertragung von Bauteilespannungen auf den Sensor ermöglicht, und zum anderen wird durch die Abflachung der Abstand zwischen dem Sensor und der kraftstoffführenden Bohrung verringert, so dass über die Ausbildung und Geometrie der Anlagefläche darüber hinaus eine Beeinflussung der auftretenden Spannungen, die vom Sensor erfasst werden, ermöglicht wird. Dadurch kann die Empfindlichkeit des Sensors erhöht werden. Das zwischen der kraftstoffführenden Bohrung und dem Sensor verbleibende Material des Injektorgehäuses kann somit in Art einer elastisch flexiblen Membran wirken.
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Um einerseits den Sensor thermisch möglichst wenig zu belasten, und andererseits hinsichtlich der Einbausituation des Kraftstoffinjektors in der Brennkraftmaschine den Kraftstoffinjektor möglichst ohne bauliche Veränderungen an der Brennkraftmaschine einzubauen, ist es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Sensor in einem dem Brennraum des Injektorgehäuses abgewandten Bereich angeordnet ist.
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Wenn die Zulaufbohrung in Bezug zu einer Längsachse des Injektorgehäuses schräg angeordnet ist, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn der Sensor in einem axialen Bereich des Injektorgehäuses angeordnet ist, in dem die Zulaufbohrung zumindest im Wesentlichen einen minimalen Abstand zur Außenseite des Injektorgehäuses aufweist. Auch dadurch wird eine größere Spannungsdifferenz an dem Sensor bei einer Druckänderung und somit eine höhere Empfindlichkeit des Sensors erzeugt.
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Eine besonders hohe Empfindlichkeit des Sensors bzw. die Verwendung eines relativ robusten Sensors wird weiterhin dadurch erreicht, dass der Sensor in Bezug zu einer Längsachse des Injektorgehäuses in einer Winkellage des Injektorgehäuses angeordnet ist, in der die Zulaufbohrung zumindest im Wesentlichen einen minimalen Abstand zur Außenseite des Injektorgehäuses aufweist. Eine derartige Ausbildung ist insbesondere mit Blick auf eine in Bezug auf eine Längsachse des Injektorgehäuses schräg in dem Injektorgehäuse ausgebildete Zulaufbohrung bevorzugt.
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Das mit dem Sensor zusammenwirkende Zwischenelement ist insbesondere als ein den Sensor bereichsweise umgebendes Isolationselement ausgebildet. Das Isolationselement weist zum einen die Eigenschaft auf, in Richtung zur Spanneinrichtung hin eine elektrische Isolierung des Sensors zu bewirken, und andererseits eine Anpassung der Form des Sensors an die Spanneinrichtung zu ermöglichen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Spanneinrichtung in Form eines Spannbandes ausgebildet ist, so dass eine möglichst gleichmäßige Anlagekraft des Spannbands an den Sensor erwünscht ist. Hierzu ist es von Vorteil, wenn das Isolationselement beispielsweise aus einem elastisch verformbaren Material besteht, das eine entsprechende Formanpassung ermöglicht. Dadurch werden insbesondere auch mechanische Spannungsspitzen von der Spanneinrichtung auf den Sensor vermieden, so dass der Sensor mechanisch relativ wenig belastet wird bzw. Vorschädigungen bei der Montage der Spanneinrichtung vermieden werden können.
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Schaltungstechnisch besonders einfach bzw. mit relativ wenig Aufwand verbunden ist es, wenn der Sensor zur Ausbildung einer Masseverbindung unmittelbar an der aus Metall bestehenden Außenfläche des Injektorgehäuses anliegt. Somit benötigt der Sensor lediglich einen einzigen elektrischen Anschluss zur Übermittlung einer Signalspannung an eine Steuereinrichtung.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor mit einem Sensor zur Erfassung von Druckschwankungen in einer unter Hochdruck stehenden Versorgungsleitung,
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2 einen Schnitt in der Ebene II-II der 1 und
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3 Diagramme des Verlaufs über der Zeit bezüglich des Hubs eines Einspritzventilglieds sowie des Drucks in einer Versorgungsleitung während des Öffnens bzw. Schließens des Einspritzventilglieds.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In den 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor 10 dargestellt, wie er als Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Einspritzsystems zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine dient. Insbesondere weist das Common-Rail-Einspritzsystem hierbei ein Systemdruck von mehr als 2000bar auf.
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Der Kraftstoffinjektor 10 umfasst ein Injektorgehäuse 11, das im dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen aus drei, in Axialrichtung aneinander anschließenden Bauteilen besteht: Auf der dem nicht gezeigten Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Seite weist das Injektorgehäuse 11 einen Düsenkörper 12 auf, an den sich eine Zwischenplatte 13, und an diese wiederum auf der dem Düsenkörper 12 abgewandten Seite ein Haltekörper 14 anschließt. Die erwähnten Bauteile des Injektorgehäuses 11 sind insbesondere unter Verwendung einer in der 1 nicht dargestellten Düsenspannmutter, wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt, axial miteinander druckdicht verspannt.
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In dem Düsenkörper 12 ist wenigstens eine, vorzugsweise jedoch mehrere Einspritzöffnungen 15 zum Einspritzen des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine ausgebildet. Der Düsenkörper 12 bildet in einer sacklochförmigen Ausnehmung 16 einen Hochdruckraum 17 aus, der über einen Zuströmkanal 18 hydraulisch mit einem Sitzraum 19 der Ausnehmung 16 verbunden ist. Innerhalb der Ausnehmung 16 ist ein in Richtung des Doppelpfeils 21 hubbeweglich angeordnetes Einspritzglied in Form einer Düsennadel 25 angeordnet. In der in der 1 dargestellten abgesenkten Stellung der Düsennadel 25 verschließt diese die Einspritzöffnungen 15. Demgegenüber werden die Einspritzöffnungen 15 in einer angehobenen Position der Düsennadel 25 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine freigegeben.
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Die Düsennadel 25 ist im Hochdruckraum 17 innerhalb eines Haltekörpers 27 radial geführt, wobei zwischen dem Haltekörper 27 und einem Bund 28 der Düsennadel 25 eine als Schließfeder ausgebildete Druckfeder 29 angeordnet ist, die die Düsennadel 25 in Richtung ihrer Schließstellung kraftbeaufschlagt.
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Auf der dem Hochdruckraum 17 abgewandten Seite der Zwischenplatte 13 ist in dem Haltekörper 14 ein Niederdruckbereich 31 des Injektorgehäuses 11 ausgebildet. In dem Haltekörper 14 ist in einer Ausnehmung 34 ein Kopplerkolben 35 angeordnet, der auf der der Düsennadel 25 zugewandten Seite eine sacklochförmige Aufnahme 36 für einen zylindrisch ausgebildeten oberen Endabschnitt 37 der Düsennadel 25 ausbildet. Die Aufnahme 36 dient der radialen Führung des Endabschnitts 37, wobei in Abhängigkeit der Stellung des Endabschnitts 37 innerhalb eines Ausgleichsraums 39 in der Aufnahme 36 ein unterschiedliches Volumen ausgebildet ist. Der Ausgleichsraum 39 ist über eine Verbindungsbohrung 40 mit dem Niederdruckbereich 31 druckentlastbar verbunden.
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Der Kopplerkolben 35 ist radial von einer Kopplerhülse 42 umfasst, die sich über eine Beisskante 43 axial an der Zwischenplatte 13 abstützt. Die Kopplerhülse 42 ist mittels einer weiteren Druckfeder 44, die sich an der Unterseite eines Piezoaktors 50 abstützt, axial gegen die Zwischenplatte 13 kraftbeaufschlagt. Zwischen der der Zwischenplatte 13 zugewandten Seite des Kopplerkolbens 35, der Zwischenplatte 13 und der Kopplerhülse 42 ist ein Kopplerraum 45 ausgebildet. Der Piezoaktor 50 ist über Anschlussleitungen 51, 52 elektrisch mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden. Bei einer Bestromung des Piezoaktors 50 verändert sich dessen axiale Länge derart, dass der mit dem Piezoaktor 50 verbundene Kopplerkolben 35 in Richtung der Zwischenplatte 13 bewegt wird, wodurch Kraftstoff aus dem Ausgleichsraum 39 verdrängt wird, welcher über die Verbindungsbohrung 40 in den Niederdruckbereich 31 abströmt. Vom Niederdruckbereich 31 strömt der Kraftstoff über eine Rücklaufleitung 54 beispielsweise in einen Kraftstofftank 55 zurück. Durch die Bewegung des Kopplerkolbens 35 in Richtung der Zwischenplatte 13 kommt es zu einer Kompression des in dem Kopplerraum 45 befindlichen Kraftstoffs, wobei über die Differenzfläche zwischen einem Führungsbereich 46 der Düsennadel 25 im Bereich des Haltekörpers 27 und einem Bereich 47 der Düsennadel 25 im Hochdruckraum 17 eine in Öffnungsrichtung der Düsennadel 25 gerichtete hydraulische Druckkraft erzeugt wird, die ein Abheben der Düsennadel 25 aus ihrer gezeigten Schließstellung bewirkt. Dadurch wird Kraftstoff über die Einspritzöffnungen 15 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Die Versorgung des Hochdruckraums 17 mit Kraftstoff erfolgt über eine innerhalb der Zwischenplatte 13 und des Haltekörpers 14 in Bezug zu einer Längsachse 56 des Injektorgehäuses 11 schräg angeordnete Zulaufbohrung 57, die mit einer Kraftstoffquelle 58 (Rail) mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgt ist. Erfindungsgemäß wird der in der Zulaufbohrung 57 herrschende Druck des Kraftstoffs mittels eines Sensors 60 erfasst.
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Der Sensor 60 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als vorgespanntes Piezoelement 61 ausgebildet, das im Bereich einer Abflachung 62 des Haltekörpers 14 des Injektorgehäuses 11 an einer Außenfläche 63 anliegt. Durch die Abflachung 62 wird die Wanddicke des Injektorgehäuses 11 bzw. der Abstand zwischen der Zulaufbohrung 57 und dem Sensor 60 verkleinert, so dass eine Art elastisch flexible Membran im Bereich der Abflachung 62 ausgebildet wird. Insbesondere befindet sich der Sensor 60 in einem den Einspritzöffnungen 15 abgewandten, oberen Bereich 64 des Kraftstoffinjektors 10.
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Zur Ausbildung der Vorspannung des Piezoelements 61 wirkt dieses mit einer starren Spanneinrichtung 65 zusammen, die ein metallisches Spannband 66 aufweist. Das Spannband 66 umgibt das Piezoelement 61 sowie das Injektorgehäuse 11 im Bereich der Abflachung 62. Das Spannband 66 ist vorzugsweise als flaches Spannband 66 mit rechteckförmigem Querschnitt ausgebildet. Zur Einstellung einer auf das Piezoelement 61 wirkenden Vorspannkraft sowie zur Sicherstellung der Anlage des Piezoelements 61 an der metallischen Außenfläche 63 des Injektorgehäuses 11 ist das Spannband 66 plastisch deformierbar ausgebildet. In der 2 ist erkennbar, dass das Spannband 66 hierzu durch Deformation auf der dem Piezoelement 61 abgewandten Seite des Injektorgehäuses 11 in einem Deformationsbereich 67 die benötigte Spannkraft auf das Piezoelement 61 aufbringt. Anhand der 2 ist darüber hinaus erkennbar, dass das Piezoelement 61 zur Ausbildung einer Masseverbindung auf der dem Injektorgehäuse 11 zugewandten Seite unmittelbar, d.h. elektrisch leitend mit der Außenfläche 63 des Injektorgehäuses 11 verbunden ist, und auf der dem Injektorgehäuse 11 abgewandten Seite von einem beispielhaft im Querschnitt U-förmigen Isolationselement 70 umgeben ist. Das Isolationselement 70 dient als Zwischenelement zwischen dem Piezoelement 61 und dem Spannband 66 zur elektrischen Isolierung des Piezoelements 61 in Richtung zum Spannband 66 und zur gleichmäßigen Kraftübertragung der Vorspannkraft des Spannbands 66 auf das Piezoelement 61. Weiterhin erkennt man anhand der 2 ein aus dem Piezoelement 61 herausragendes elektrisches Anschlusselement in Form einer Kontaktfahne 71, die ebenfalls von dem Isolationselement 70 umgeben ist. Die Kontaktfahne 71 ist mit einer nicht dargestellten Steuereinrichtung zur zumindest mittelbaren Ansteuerung des Kraftstoffinjektors 10 verbunden und liefert der Steuereinrichtung ein von der Höhe des Drucks bzw. einer Druckschwankung in der Zulaufbohrung 57 abhängiges Spannungssignal als Eingangssignal. Weiterhin ist anhand der 2 erkennbar, dass der Bereich um den Sensor 60 bzw. des Piezoelements 61 (ggf. auch der Bereich des Spannbands 66) von einer aus Kunststoff bestehenden Umspritzung 72 umgeben sein kann.
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Bei einem Freigeben der Einspritzöffnungen 15 bzw. bei einem Abheben der Düsennadel 25 aus der in der 1 dargestellten Schließstellung strömt Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 17 über die Zuströmbohrung 18 und die Einspritzöffnungen 15 aus dem Injektorgehäuse 11 ab. Der damit einhergehende Druckabfall des Kraftstoffs in dem Hochdruckraum 17 bewirkt einen Druckabfall in der Zulaufbohrung 57. Der reduzierte (hydraulische) Druck in der Zulaufbohrung 57 bewirkt eine Verringerung der Bauteilespannung in der Außenfläche 63 des Injektorgehäuses 11 im Bereich der Abflachung 62 und somit auch eine geringere mechanische Spannung auf das Piezoelement 61. Diese verringerte Bauteilespannung wirkt sich in einer Veränderung des Ausgangssignals des Piezoelements 61 aus, die der (nicht dargestellten) Steuereinrichtung zuführbar ist. Ggf. kann das Ausgangssignal des Piezoelements 61 mittels einer ebenfalls nicht dargestellten elektronischen Schaltung aufbereitet werden. Die Steuereinrichtung weist einen Auswertealgorithmus auf, der aufgrund des Spannungssignals des Piezoelements 61 zumindest mittelbar einen Druck oder einen Druckverlauf in der Zulaufbohrung 57 ermittelt und daraus auf eine entsprechende Stellung der Düsennadel 25 schließt. Diese Zusammenhänge sind anhand der 3 erkennbar. Insbesondere ist dabei in dem oberen Diagramm der 3 der Hub H der Düsennadel 25 über der Zeit t während des Öffnens sowie sich des daran zeitlich nachfolgenden Schließens der Düsennadel 25 erkennbar. In der unteren Darstellung der 3 ist demgegenüber der zeitliche Druckverlauf des hydraulischen Drucks P in der Zulaufbohrung 57 erkennbar. Insbesondere erkennt man, dass der hydraulische Druck P zum Zeitpunkt t1 beim Beginn des Öffnens der Düsennadel 25 abfällt. Zum Zeitpunkt t2 beginnt die Düsennadel 25 wieder zu schließen, woraufhin ein zunächst langsam steigender Druck P in der Zulaufbohrung 57 herrscht, der sich nach dem Ende des Schließens der Düsennadel 25 zum Zeitpunkt t3 stark erhöht.
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Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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