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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.
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Ein Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der nachveröffentlichten
DE 10 2014 209330 A1 der Anmelderin bekannt. Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor wird insbesondere zur Erkennung des Zeitpunkts des Schließens der Düsennadel, bei dem diese auf ihren Sitz im Injektorgehäuse auftrifft und dadurch im Injektorgehäuse ausgebildete Einspritzöffnungen zumindest mittelbar verschließt, eine Messeinrichtung mit einem Sensorelement in Form eines Piezoelements verwendet, das im Bereich einer Versorgungsbohrung am Injektorgehäuse angeordnet ist. Die Versorgungsbohrung versorgt einen Hochdruckraum, in dem auch die Düsennadel angeordnet ist, mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff. Insbesondere weist das Injektorgehäuse im Bereich der Messeinrichtung einen Verformungsbereich auf, der in Abhängigkeit des Kraftstoffdrucks in der Versorgungsbohrung elastisch deformierbar ausgebildet ist. Bei einer Druckerhöhung in der Versorgungsbohrung wölbt sich der Verformungsbereich konvex nach außen, was mittels des Piezoelements detektierbar ist. Das Piezoelement ist mittels einer Klebeverbindung mit dem Verformungsbereich verbunden und dazu ausgebildet, in dem Verformungsbereich auftretende Dehnungen bzw. Zugspannungen zu erfassen, wobei die Größe bzw. Höhe der Dehnungen in Abhängigkeit von dem Druck in der Versorgungsbohrung ist. Charakteristisch beim angesprochenen Verschließen der Einspritzöffnungen durch die Düsennadel ist es, dass dabei ein relativ starker bzw. schneller Druckanstieg in der Versorgungsleitung stattfindet, da kein Kraftstoff mehr über die Einspritzöffnungen abgegeben wird, wobei der Druckanstieg mittels des Piezoelements erfasst wird.
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Dadurch, dass die Klebstoffschicht sich nur auf der dem Verformungsbereich zugewandten Unterseite des Piezoelements befindet, wird das Piezoelement über eine Scher- bzw. Schubbelastung gedehnt und es stellt sich eine abgeminderte Verformung des Verformungsbereichs in der Sensorkeramik ein. Wesentlich dabei ist, dass eine parallel zur Bohrungsachse der Versorgungsbohrung angeordnete Fläche sich nicht eben verformt wird, sondern sich konkav nach außen wölbt. Diese Wölbung wird auf die Keramik des Piezoelements übertragen, was zu einer Zugspannung aufgrund einer Biegebelastung an der dem Verformungsbereich abgewandten Oberseite der Piezokeramik führt. Da der Kraftstoffinjektor im Bereich der Messeinrichtung in der Baugröße möglichst wenig vergrößert werden soll, führt dies tendenziell zu relativ geringen Wandstärken im Verformungsbereich, die üblicherweise gerade so groß gewählt wird, dass einerseits die Festigkeit der Versorgungsbohrung im Bereich des Verformungsbereichs aufgrund des Systemdrucks erfüllt wird. Darüber hinaus führt eine relativ geringe Wandstärke in wünschenswerter Weise auch zu einer relativ großen Verformung bzw. zur Möglichkeit, ein relativ hohes Spannungssignal durch das Piezoelement zu erzeugen. Jedoch sind, wie oben angeführt, die großen Verformungen mit Blick auf die Piezokeramik auf der dem Verformungsbereich abgewandten Seite als kritisch zu bewerten.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, trotz relativ geringer Wandstärken im Verformungsbereich des Kraftstoffinjektors eine Anordnung des Piezoelements derart zu ermöglichen, dass die auf die Piezokeramik des Sensorelements einwirkenden Zugkräfte von dem Piezoelement besser aufgenommen werden können. Insbesondere sollen Spannungsspitzen aufgrund von Zugspannungen vermieden werden bzw. eine homogenere Einleitung von Kräften in das Piezoelement ermöglicht werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, zwischen der Klebstoffschicht an dem Piezoelement und dem Verformungsbereich ein Verformungselement anzuordnen, wobei das Piezoelement über die Klebstoffschicht mit dem Verformungselement verbunden ist. Gleichzeitig ist das Verformungselement in einem Bereich außerhalb des Überdeckungsbereichs mit dem Piezoelement mit dem Injektorgehäuse verbunden. Eine derartige konstruktive Ausbildung bewirkt bei einer Deformation des Injektorgehäuses im Verformungsbereich, dass die aufgrund der Deformation entstehenden Kräfte bzw. Zugspannungen über das Verformungselement und die Klebstoffschicht in das Piezoelement eingeleitet werden. Insbesondere bewirkt eine derartige Anordnung mit dem Verformungselement, dass die auftretenden Zugspannungen wesentlich homogener bzw. gleichmäßiger über die Klebstoffschicht in das Piezoelement übertragen werden. Damit werden insbesondere Spannungsspitzen, die hinsichtlich der Lebensdauer des Piezoelements als kritisch zu bewerten sind, vermieden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Um insbesondere den Bereich der Klebstoffschicht vor die Dauerfestigkeit der Klebeverbindung negativ beeinflussenden Medien zu schützen, und darüber hinaus insgesamt gesehen einen geschützten Anbau der Sensoreinrichtung bzw. des Sensorelements am Kraftstoffinjektor zu ermöglichen, ist es von besonderem Vorteil, wenn das Sensorelement in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse von wenigstens einem das Sensorelement an seinem Umfang umgebenden und auf der dem Verformungsbereich abgewandten Seite überdeckenden, insbesondere topfartigen ersten Gehäuseteil und dem ein zweites Gehäuseteil ausbildenden Verformungselement gebildet ist.
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Dadurch, dass durch die erfindungsgemäße Einbeziehung des Verformungselements bei der Übertragung von Kräften auf das Piezoelement die auf der dem Verformungsbereich abgewandten Seite auf die Piezokeramik wirkenden Zugspannungen homogenisiert bzw. reduziert werden, kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass das Piezoelement in Richtung des Verformungsbereichs ohne eine in Richtung des Verformungsbereichs auf das Piezoelement wirkende axiale Vorspannkraft mit der Klebstoffschicht verbunden ist. Dies wird dadurch konstruktiv gelöst, dass zwischen dem Piezoelement und dem Gehäuse auf der dem Verformungsbereich abgewandten Seite ein Freiraum ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung hat den Vorteil, dass der Gehäuseaufbau relativ einfach gestaltet werden kann, da von dem Gehäuse keine axiale Vorspannkraft auf das Piezoelement übertragen werden muss. Insgesamt gesehen wird dadurch ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau des Gehäuses ermöglicht.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Verformungselements ist dieses in Form eines dünnen Metallplättchens ausgebildet. Vorzugsweise kommt dabei ein dünnes Blech, insbesondere aus Stahl bestehend, in Frage. Durch eine entsprechende Materialauswahl für den Stahl wird beispielsweise eine gute Schweißbarkeit bzw. Korrosionsbeständigkeit ermöglicht.
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In bevorzugter Art und Weise ist die Verbindung zwischen Gehäuse zur Aufnahme der Sensoreinrichtung und dem Injektorgehäuse als Schweißverbindung ausgebildet. Eine Schweißverbindung hat insbesondere den Vorteil, dass sie auch bei relativ hohen Temperaturen des Kraftstoffinjektors beim Betrieb einer Brennkraftmaschine über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors gesehen eine hohe Dauerfestigkeit aufweist.
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In fertigungstechnisch bevorzugter Ausgestaltung der Schweißverbindung ist es vorgesehen, dass diese im Bereich eines flanschartig von dem Gehäuse wegragenden Befestigungsbereichs des Gehäuses ausgebildet ist. Eine derartige Anordnung bzw. Ausbildung der Schweißnaht ermöglicht es darüber hinaus, beispielsweise das Verformungselement mit dem restlichen Gehäuse erst während der Montage an dem Kraftstoffinjektor mit diesem zu verbinden. Es ist somit nicht erforderlich, beispielsweise in einem vorgelagerten Fertigungsschritt das Verformungselement mit dem (topfartigen) Restgehäuse zu verbinden. Darüber hinaus wird durch den flanschartig von dem Gehäuse wegragenden Befestigungsbereich des Gehäuses eine gute Zugänglichkeit zu dem Befestigungs- bzw. Schweißbereich beispielsweise für eine Laserstrahleinrichtung ermöglicht.
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Alternativ zu einer mittels einer Laserstrahlschweißeinrichtung ausgebildeten Schweißnaht ist es auch denkbar, die Schweißnaht durch Kondensatorimpulsschweißen auszubilden. Eine derartige Ausbildung der Schweißnaht hat insbesondere den Vorteil, dass ggf. auf einen flanschartig nach außen ragenden Befestigungsbereich verzichtet werden kann bzw. dieser lediglich eine relativ geringe Ausdehnung aufweisen muss.
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Um eine gleichmäßige Übertragung von Spannungen bzw. Kräften in die Piezokeramik des Sensorelements zu ermöglichen, ist es vorgesehen, dass eine Symmetrieachse des Piezoelements die Versorgungsbohrung zentrisch schneidet.
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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 einen Teilquerschnitt durch den Kraftstoffinjektor gemäß 1 im Bereich der Messeinrichtung.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugziffern 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 zumindest 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.
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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 eben 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.
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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 als Piezoelement 31 ausgebildetes Sensorelement 32.
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Wie insbesondere anhand der 2 erkennbar ist, ist das blockförmige Piezoelement 31 über Anschlussleitungen 33 elektrisch kontaktiert, wobei die Anschlussleitungen 33 mit einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung (Steuergerät) verbunden sind. Bei einer Dehnung des Piezoelements 31 in der in der 2 dargestellten Richtung des Doppelpfeils 34 werden von dem Piezoelement 31 elektrische Spannungen erzeugt, die über die Anschlussleitungen 33 an die erwähnte Auswerteeinrichtung als Eingangsgröße weitergeleitet werden. Das Piezoelement 31 weist eine Symmetrieachse 35 auf, die senkrecht zum Grund 26 verläuft, wobei die Symmetrieachse 35 die Versorgungsbohrung 19 zentrisch schneidet.
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Das Piezoelement 31 ist über eine auf der dem Verformungsbereich 27 zugewandten Unterseite des Piezoelements 31 angeordnete Klebstoffschicht 36 mit einem Verformungselement 40 verbunden. Das Verformungselement 40 ist insbesondere in Form eines dünnen Metallplättchens, vorzugsweise aus Stahl bestehend, ausgebildet. Darüber hinaus ist das Verformungselement 40 in Anlagekontakt mit dem Grund 26 des Verformungsbereichs 27 angeordnet, d.h., dass das Verformungselement 40 auf dem Verformungsbereich 27 flächig aufliegt. Weiterhin bildet das Verformungselement 40 ein Gehäuseelement 41 aus, das zusammen mit einem topfartigen weiteren Gehäuseelement 42 ein Gehäuse 45 bildet, in dem das Piezoelement 31 bzw. das Sensorelement 32 vor dem Zutritt von Medien geschützt angeordnet ist. Das topfartige Gehäuseelement 42 weist einen Deckelabschnitt 46 auf, durch den die beiden Anschlussleitugen 33 hindurchgeführt sind, wobei die Durchführung als abgedichtete Durchführung ausgebildet ist. Weiterhin ist zwischen dem Deckelabschnitt 46 und der Oberseite des Piezoelements 31 ein Spalt 47 bzw. ein Freiraum ausgebildet, d.h., dass über den Deckelabschnitt 46 auf die Oberseite des Piezoelements 31 keinerlei axiale, d.h. in Richtung des Verformungsbereichs 27 wirkenden Kräfte übertragen werden.
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Das insbesondere aus Blech bestehende, im Tiefziehverfahren ausgebildete topfartige Gehäuseelement 42 umgibt darüber hinaus mit einer Umfangswand 48 das Piezoelement 31 unter Ausbildung eines Radialspalts 43. Weiterhin weist das topfartige Gehäuseelement 42 einen von der Umfangswand 48 flanschartig rechtwinklig nach außen ragenden Befestigungsbereich 49 auf. Der Befestigungsbereich 49 ist in Überdeckung mit den äußeren Abschnitten des Verformungselements 40 angeordnet. Im Überdeckungsbereich zwischen dem Befestigungsbereich 49 und dem Verformungselement 40 erfolgt auch die Befestigung des Verformungselements 40 bzw. des Gehäuses 45 mit dem Grund 26 des Verformungsbereichs 27.
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In der 2 sind zwei alternative Befestigungsarten für das Gehäuse 45 dargestellt: Während auf der rechten Seite der 2 die Verbindung zwischen dem Gehäuse 45 und dem Injektorgehäuse 11 mittels einer Laserschweißnaht 51 ausgebildet ist, ist auf der linken Zeichnungsseite eine Schweißnaht 52 dargestellt, die durch Kondensatorimpulsschweißen ausgebildet ist. Unabhängig davon, welche der beiden Fertigungsverfahren Verwendung findet, ist die entsprechende Laserschweißnaht 51 bzw. Schweißnaht 52 jedoch vorzugsweise radial umlaufend über den gesamten Befestigungsbereich 49 ausgebildet, um den Eintritt von Medien in das Innere des Gehäuses 45 zu vermeiden.
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Bei einer Deformation des Verformungsbereichs 27 infolge einer Druckerhöhung in der Versorgungsbohrung 19 wird der Verformungsbereich 27 konkav nach außen verwölbt. Durch die Verbindung des Verformungselements 40 mit dem Verformungsbereich 27 im Bereich des Befestigungsbereichs 49 bzw. im Bereich der Laserschweißnaht 51 oder der Schweißnaht 50 führt diese Wölbung zu einer Zugbeanspruchung des Verformungselements 40 in Richtung des Doppelpfeils 34. Diese Zugbeanspruchung bzw. die daraus resultierenden Zugspannungen werden über die Klebstoffschicht 36 homogen und vollflächig in das Piezoelement 31 übertragen, welches in Abhängigkeit von den Zugspannungen elektrische Spannungen erzeugt. Diese elektrischen Spannungen dienen dazu, zumindest mittelbar auf eine Stellung bzw. ein Öffnen oder Schließen der Düsennadel 16 schließen zu können.
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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 102014209330 A1 [0002]
