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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
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Ein Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der nachveröffentlichten
DE 10 2014 222 811 A1 der Anmelderin bekannt. Der bekannte Kraftstoffinjektor weist ein als Piezoelement ausgebildetes Sensorelement auf, das über eine Klebeverbindung am Grund einer Vertiefung aufliegt, wobei der Grund einen Verformungsbereich begrenzt, der zur zumindest mittelbaren Erfassung des Drucks in einem Hochdruckraum des Injektorgehäuses dient. Über die Erfassung des Drucks in dem Hochdruckraum des Injektorgehäuses lässt sich insbesondere der Schließzeitpunkt eines Einspritzglieds (Düsennadel) erfassen. Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor ist darüber hinaus vorgesehen, mittels einer Stützeinrichtung, die auf der der Klebeverbindung gegenüberliegenden Stirnseite an einem Randbereich des Sensorelements aufliegt, eine axiale Vorspannkraft auf das Sensorelement zu erzeugen. Dadurch wird beim bekannten Stand der Technik die Zuverlässigkeit der Messeinrichtung erhöht, selbst wenn die Qualität der Klebeverbindung, insbesondere über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors betrachtet, nachlässt. Weiterhin ist es bei dem bekannten Kraftstoffinjektor vorgesehen, die Stützeinrichtung mittels einer vorzugsweise als Laserschweißnaht ausgebildeten Schweißnaht mit dem Injektorgehäuse zu verbinden. Das Ausbilden einer derartigen Laserschweißnaht ist insofern relativ aufwändig, als dass während des Ausbildens der Laserschweißnaht die Stützeinrichtung mit einer entsprechenden Axialkraft in Richtung des Sensorelements beaufschlagt werden muss. Aufgrund der Größe des Sensorelements bzw. der Abstützeinrichtung und deren Form ist das Ausbilden bzw. Anordnen einer zur Beaufschlagung der Abstützeinrichtung mit der Axialkraft erforderlichen Halteeinrichtung relativ aufwändig. Ferner ergibt sich beim Ausbilden der Laserschweißnaht eine zusätzliche thermische Belastung auf die Bauteile der Messeinrichtung.
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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 nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine herstellungstechnisch vorteilhafte, die Bauteile der Messeinrichtung insbesondere thermisch wenig belastenden Montage der Messeinrichtung an dem Injektorgehäuse ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass ein Teilbereich des Injektorgehäuses zur Erzeugung der axialen Vorspannkraft deformiert und in Wirkverbindung mit der Messeinrichtung angeordnet ist.
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Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass es erfindungsgemäß vorgesehen ist, anstelle einer Laserschweißnaht oder sonstigen Bauteilen wie der aus dem Stand der Technik bekannten Stützeinrichtung zur Erzeugung der axialen Vorspannkraft auf die Messeinrichtung die axiale Vorspannkraft durch eine bereichsweise Deformation des Injektorgehäuses zu erzeugen, wobei die Deformation derart ausgebildet ist, dass die in Richtung des Verformungsbereichs erforderlich axiale Vorspannkraft erzeugt wird. Unter Deformieren im Sinne der Erfindung wird insbesondere ein Verstemmen oder ähnlicher, spanloser Umformprozess mittels eines Werkzeugs verstanden, der einen Teil des metallischen Injektorgehäuses verformt, ohne Material des Injektorgehäuses zu entfernen. Ein derartiger Kraftstoffinjektor hat insbesondere den Vorteil, dass während der Deformation des Injektorgehäuses keine axiale Vorspannkraft auf das Sensorelement bzw. die Messeinrichtung durch eine externe zusätzliche Einrichtung wie beim eingangs erwähnten Stand der Technik erforderlich ist, sondern dass die axiale Vorspannkraft durch die Deformation des Teilbereichs des Injektorgehäuses selbst erzeugt wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In einer konstruktiv bevorzugten Umsetzung des allgemeinen Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass das Sensorelement in einer Vertiefung des Injektorgehäuses angeordnet ist, und dass ein die Vertiefung begrenzender Randbereich des Injektorgehäuses zumindest bereichsweise gegen einen Abschnitt der Messeinrichtung umgeformt ist. Eine derartige Ausbildung des Kraftstoffinjektors hat insbesondere den Vorteil, dass die Messeinrichtung das Injektorgehäuse in der Höhe nicht überragt, so dass die Baugröße des Kraftstoffinjektors gegenüber dem Stand der Technik bzw. einen Kraftstoffinjektor ohne eine Messeinrichtung nicht vergrößert ist.
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Um die benötigte axiale Vorspannkraft auf das Sensorelement aufzubringen, ist es in Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags vorgesehen, dass die Messeinrichtung ein deckelförmiges Element aufweist, das auf der dem Verformungsbereich abgewandten Seite mit dem Sensorelement verbunden ist, und dass der Randbereich des Injektorgehäuses gegen das deckelförmige Element umgeformt ist. Es ist somit möglich, an sich bekannte Piezoelemente bzw. Sensorelemente zu verwenden, welche mit einem zusätzlichen deckelförmigen Element versehen werden, das dazu dient, die axialen Vorspannkräfte möglichst gleichmäßig auf das Sensorelement zu übertragen. Hierzu ist es insbesondere vorgesehen, dass das deckelförmige Element auf der dem Sensorelement zugewandten Seite vollflächig auf dem Sensorelement aufliegt, damit eine gleichmäßige Flächenpressung auf das Sensorelement erzeugt wird.
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Um die axiale Vorspannkraft auf das Sensorelement zu begrenzen bzw. möglichst einfach einstellen zu können, ist es darüber hinaus in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Vertiefung sacklochförmig ausgebildet ist und eine vorzugsweise radial umlaufende Schulter aufweist, gegen die die Messeinrichtung im Einbauzustand auf der dem Verformungsbereich zugewandten Seite zumindest bereichsweise anliegt. Eine derartige Ausbildung ermöglicht insbesondere die axiale Vorspannkraft zu begrenzen, da die maximale Vorspannkraft dann erreicht wird, wenn die Messeinrichtung an der Schulter aufliegt und eine weitere Verringerung des axialen Abstands zwischen dem deckelförmigen Element und dem Sensorelement bzw. dem Verformungsbereich dann nicht mehr möglich ist.
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Um das Sensorelement vor dem Zutritt von aggressiven Medien wie Gasen oder Flüssigkeiten zu schützen, die insbesondere über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors zu Funktionsbeeinträchtigungen führen können, wird vorgeschlagen, dass das deckelförmige Element die Vertiefung vollständig überdeckt, aus Kunststoff oder Blech besteht und Durchgangsöffnungen für Anschlussleitungen des Sensorelements aufweist. Unter einem vollständigen Überdecken im Sinne der Erfindung wird dabei verstanden, dass durch das deckelförmige Element ggf. zwischen der Vertiefung und dem deckelförmigen Element vorhandene Spalte oder ähnliches im Einbauzustand des deckelförmigen Elements vollständig verschlossen bzw. abgedichtet werden. Darüber hinaus ist es insbesondere vorgesehen, dass die Durchgangsöffnungen für die Anschlussdrähte ebenfalls abgedichtet sind, um zu verhindern, dass über die Durchgangsöffnungen ein Zutritt von Medien in den Bereich des Sensorelements erfolgt.
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In besonders einfacher und definierter Art und Weise lässt sich die axiale Vorspannkraft auf das Sensorelement erzeugen, wenn in unbelasteter Position des deckelförmigen Elements dieses auf der dem Verformungsbereich abgewandten Stirnseite des Sensorelements aufliegt, wobei zwischen dem deckelförmigen Element und der Schulter in der Vertiefung ein axialer Abstand ausgebildet ist. Dies hat zur Folge, dass beim Deformieren des Teilbereichs des Injektorgehäuses gegen das deckelförmige Element dieses in Richtung der Schulter bewegt wird, bis es an der Schulter aufliegt. Der Bewegungshub wird dabei durch den Abstand zwischen dem deckelförmigen Element und der Schulter im unbelasteten Zustand des deckelförmigen Elements definiert und somit auch die maximal mögliche axiale Vorspannkraft begrenzt.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors, bei der die axiale Vorspannkraft besonders zuverlässig und gleichmäßig auf das deckelförmige Element bzw. das Sensorelement übertragen wird, wird vorgeschlagen, dass das deckelförmige Element eine Schräge aufweist, gegen die ein Teilbereich des Injektorgehäuses anliegt.
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Um einerseits die axiale Vorspannkraft von dem deckelförmigen Element auf das Sensorelement zu übertragen, und andererseits bei einer Deformation des Verformungsbereichs die auf das Sensorelement wirkenden Druckspannungen zu begrenzen, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn das deckelförmige Element zumindest bereichsweise elastisch deformierbar ausgebildet ist.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors, wobei das Verfahren zumindest die Schritte umfasst, zuerst eine Messeinrichtung mit einem Sensorelement zur Erfassung einer elastischen Verformung eines zumindest mittelbar mit einer Versorgungsbohrung oder einem Hochdruckraum in Wirkverbindung angeordneten Verformungsbereich in einer Vertiefung des Injektorgehäuses derart zu positionieren, dass das Sensorelement in Wirkverbindung mit dem Verformungsbereich angeordnet ist. Anschließend umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt eines bereichsweisen Umformens des Injektorgehäuses gegen die Messeinrichtung, um eine in Richtung des Verformungsbereichs wirkende axiale Vorspannkraft auf das Sensorelement zu erzeugen.
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In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Umformen ein zumindest radiales Verdrängen von Material des Injektorgehäuses in Richtung der Vertiefung aufweist.
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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 eine stark vereinfachte, teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors mit einer Messeinrichtung zur zumindest mittelbaren Erfassung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffinjektor und
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2 und 3 einen Teilbereich des Kraftstoffinjektors im Bereich der Messeinrichtung während unterschiedlicher Phasen der Montage der Messeinrichtung in einer sacklochförmigen Vertiefung des Injektorgehäuses, jeweils im Längsschnitt.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Der in der 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.
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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.
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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.
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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.
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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 in Wirkverbindung mit der Versorgungsbohrung 19 angeordnet. 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.
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Zur Detektion des augenblicklichen 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 als Piezoelement 31 ausgebildetes Sensorelement 32.
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Das Piezoelement 31 weist entsprechend der Darstellung der 2 und 3 auf seinen gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils eine Elektrodenschicht 33, 34 auf. Die Elektrodenschichten 33, 34 sind wiederum von jeweils einer Isolationsschicht 35, 36 vollständig überdeckt. Während die eine Isolationsschicht 35 vorzugsweise unmittelbar am Grund 26 der Vertiefung 24 anliegt, ist die andere Isolationsschicht 36 von einem scheiben- bzw. deckelförmigen Element 40 überdeckt. Das vorzugsweise aus Kunststoff oder aus Blech bestehende Element 40, das bereichsweise in die Vertiefung 24 hineinragt und an seiner Oberseite kegelstumpfförmig ausgebildet ist, weist beispielhaft zwei in einem Winkel zu einer Längsachse 41 angeordnete Durchgangsöffnungen 42, 43 auf, in denen Anschlussdrähte 44, 45 geführt sind, welche wiederum auf gegenüberliegenden Seiten mit der jeweiligen Elektrodenschicht 33, 34 elektrisch verbunden sind. Über die Anschlussleitungen 44, 45, die vorzugsweise in den Durchführungen 42, 43 mit einer Vergussmasse 46, 47 umgeben sind, um einen Zutritt von Medien in Richtung des Sensorelements 32, zu vermeiden, werden bei einer Deformation des Verformungsbereichs 27 die von dem Piezoelement 31 erzeugten Spannungssignale einer Auswerteeinrichtung zugeführt.
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Die Vertiefung 24 weist auf der dem Verformungsbereich 27 bzw. dem Grund 26 abgewandten Seite eine radial umlaufende Schulter 48 auf. Das im Wesentlichen zylindrisch bzw. rotationssymmetrisch zur Längsachse 41 (mit Ausnahme der Durchführungen 42, 43) ausgebildete Element 40 weist einen vorzugsweise mit lediglich geringem radialen Montagespiel zur Vertiefung 24 ausgebildeten Abschnitt 49 auf, der in den Bereich der Vertiefung 24 unterhalb der Schulter 48 in Richtung zum Verformungsbereich 27 hineinragt. Im Bereich der Schulter 48 weist das Element 40 einen flanschartig ausgebildeten, radial umlaufenden Befestigungsabschnitt 50 auf, der ebenfalls mit lediglich minimalem radialen Montagespiel im Bereich der Vertiefung 24 oberhalb der Schulter 48 angeordnet ist.
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In dem in der 2 dargestellten Zustand der Messeinrichtung 30 liegt das Element 40 mit seiner dem Piezoelement 31 bzw. dem Sensorelement 32 zugewandten Unterseite auf dem Piezoelement 31 bzw. der Isolationsschicht 36 auf. Weiterhin erkennt man, dass zwischen der Unterseite des Befestigungsabschnitts 50 und der Schulter 48 ein Abstand a ausgebildet ist. Darüber hinaus ist zwischen der Oberseite des Befestigungsabschnitts 50 und der Außenwand 23 im Bereich der Vertiefung 24 ein Abstand b ausgebildet, d.h., dass der Befestigungsabschnitt 50 etwas unterhalb der Außenwand 23 verläuft. Der Befestigungsabschnitt 50 weist auf der der Außenwand 23 zugewandten Seite eine radial umlaufende Schräge 51 auf.
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In der 2 ist der Zustand der Messeinrichtung 30 dargestellt, bei der die Messeinrichtung 30 zusammen mit dem Element 40 in der Vertiefung 24 montiert sind, derart, dass das Piezoelement 31 bzw. die Isolationsschicht 35 an dem Verformungsbereich 27 aufliegt. Anschließend wird zur Befestigung bzw. Erzeugung einer axialen Vorspannkraft F auf das Sensorelement 32 mittels einer in der 3 lediglich symbolisch dargestellten, beispielhaft hülsenförmigen Umformeinrichtung 60, insbesondere in Form eines Pressstempels oder ähnlichem, ein Teilbereich 61 des Injektorgehäuses 11 in Richtung des Elements 40, insbesondere in Richtung der Schräge 51 umgeformt bzw. deformiert. Die Deformation des Teilbereichs 61 bewirkt, dass der Teilbereich 61 zumindest in radialer Richtung gegen die Schräge 51 verdrängt wird und dabei gleichzeitig den Befestigungsabschnitt 50 zusammen mit dem Element 40 in Richtung des Verformungsbereichs 27 bewegt. Dabei wird durch Deformation des Elements 40 auf das Piezoelement 31 die gewünschte axiale Vorspannkraft F erzeugt. Dieser Zustand ist in der 3 dargestellt.
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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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- DE 102014222811 A1 [0002]
