DE102017209560A1

DE102017209560A1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102017209560A1
Application number: DE102017209560.1A
Authority: DE
Inventors: Henning Kreschel; Holger Rapp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2018-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen 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 von Druckänderungen in 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 als Piezoelement (31; 31a) mit wenigstens zwei, eine unterschiedliche Polarität aufweisenden Elektrodenschichten (41; 41a, 42; 42a) ausgebildetes Sensorelement (32) aufweist, das mit der Oberfläche (26) des Verformungsbereichs (27) in Wirkverbindung angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist aus der DE 10 2014 222 811 A1 der Anmelderin bekannt. Der bekannte Kraftstoffinjektor weist eine Messeinrichtung mit einem Piezoelement auf, das dazu ausgebildet ist, Druckschwankungen in einer Versorgungsbohrung zu detektieren, um damit auf einen Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt eines Einspritzglieds (Düsennadel) schließen zu können. Hierzu ist das Piezoelement im Bereich einer Vertiefung des Injektorgehäuses angeordnet und über eine Klebstoffschicht mit dem Grund der Vertiefung fest verbunden. Weiterhin ist das Piezoelement mittels eines ebenfalls mit dem Injektorgehäuse verbundenen Stützelements in Richtung des sich verformenden Bereichs des Injektorgehäuses mit einer Druckkraft kraftbeaufschlagt. Wünschenswert zur Detektion von Druckschwankungen ist es, dass das Piezoelement lediglich Nutzsignale erzeugt, die aufgrund einer elastischen Deformation des Verformungsbereichs infolge des in der Versorgungsbohrung herrschenden hydraulischen Drucks entstehen. Das Piezoelement ist jedoch sowohl über die Klebstoffschicht, als auch über das Stützelement fest mit dem Injektorgehäuse verbunden und erzeugt daher zusätzlich auch elektrische Signale aufgrund anderer mechanischer Beanspruchungen des Piezoelements, insbesondere aufgrund von Körperschallsignalen. Diese Körperschallsignale entstehen beispielsweise bei der Betätigung eines zur Steuerung des Einspritzglieds dienenden Piezoaktors im Injektor, oder aber auch durch Bewegungen bzw. Vibrationen des Verbrennungsmotors. Diese zusätzlichen, von dem Piezoelement erzeugten Signale bzw. Spannungen überlagern sich mit dem auszuwertenden Nutzsignal aufgrund der Deformation des Verformungsbereichs.
Zwar ist es bekannt, durch einen speziell gewählten An- bzw. Einbauort des Piezoelements, insbesondere in einem Bereich, in dem die Körperschallschwingungen keinen Schwingungsbauch ausbilden, die Störsignale reduzieren zu können, ebenfalls durch eine möglichst geringe Masse der Messeinrichtung, beide Maßnahmen sind jedoch in der Praxis oftmals relativ schwierig realisierbar und können die unerwünschten Signalanteile zwar abschwächen, aber nicht eliminieren.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass insbesondere die aufgrund von Körperschallschwingungen erzeugten Spannungs- bzw. Störsignale des Piezoelements bei der Auswertung des Nutzsignals auf besonders einfache Art und Weise separiert und/oder eliminiert werden können. Insbesondere ermöglicht es der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor, dass dessen Messeinrichtung mit Blick auf die erwähnten Körperschallschwingungen auch an Orten angeordnet werden kann, an denen der Einfluss der Körperschallschwingungen bzw. der Störsignale relativ hoch ist. Auch ist es nicht mehr erforderlich, die Messeinrichtung mit Blick auf eine möglichst geringe Masse speziell ausbilden zu müssen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Elektroden einer Polarität des Piezoelements, also entweder die Anoden oder die Kathoden, derart in wenigstens zwei voneinander isolierte und separat kontaktierbare Teilbereiche zu unterteilen, dass ein erster Teilbereich zumindest nahezu hauptsächlich ein bekanntes Spannungssignal erzeugt, in dem sich das Nutzsignal auf Grund von Druckänderungen in der Versorgungsbohrung und das Störsignal auf Grund mechanischer Beanspruchungen (Körperschall) im Wesentlichen linear überlagern. Im Gegensatz dazu erzeugt der zweite Teilbereich einen relativ geringen Anteil oder gar kein Nutzsignal auf Grund von Druckänderungen in der Versorgungsbohrung, jedoch weiterhin Spannungssignale, die aufgrund mechanischer Beanspruchungen (Körperschall) des Piezoelements entstehen, die von außerhalb des Verformungsbereichs in das Piezoelement eingeleitet werden. Eine derartige Aufteilung bzw. Segmentierung der Elektroden einer Polarität in wenigstens zwei Teilbereiche ermöglicht es, durch Subtraktion des von dem zweiten Teilbereich erzeugten Signals von der von dem ersten Teilbereich erzeugten Spannung auf den Anteil zu schließen, der alleine aufgrund der elastischen Deformation des Verformungsbereichs entsteht und damit das nahezu ungestörte Nutzsignal zu gewinnen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen angeführt.
Ein üblicherweise verwendetes Piezoelement weist zur Erzeugung eines möglichst robusten, das heißt gegen elektrische Störeinkopplungen unempfindlichen Spannungssignals eine Vielzahl von der Spannungserzeugung dienenden Elektrodenschichten auf. Typischerweise wechseln sich in der Schichtfolge Anoden und Kathoden ab, wobei die Elektroden gleicher Polarität jeweils niederohmig miteinander verbunden sind. Dementsprechend sind die Keramikschichten zwischen den Elektroden in der Schichtfolge jeweils alternierend polarisiert.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung zur Separierung des Nutzsignals ist es vorgesehen, dass mehrere Elektrodenschichten gleicher Polarität jeweils wenigstens zwei voneinander elektrisch isolierte Teilbereiche aufweisen, und dass die wenigstens zwei Teilbereiche dieser Elektrodenschichten beide in Überdeckung zu den Elektroden entgegengesetzter Polarität angeordnet sind. Dadurch lassen sich die Spannungssignale der Teilbereiche besonders einfach separat erfassen.
Um die gleichnamigen ersten bzw. zweiten Teilbereiche der einzelnen Elektrodenschichten gleicher Polarität jeweils besonders einfach untereinander verbinden zu können, ist es vorgesehen, dass die wenigstens zwei Teilbereiche in jeder diese aufweisenden Elektrodenschicht seitlich an wenigstens einer Stelle des Sensorumfangs bis an den Rand des Piezoelements geführt und dass gleichnamige erste bzw. zweite Teilbereiche dort jeweils mittels eines randseitigen Elements, insbesondere mittels einer elektrisch leitenden Schicht, miteinander verbunden sind.
Eine weitere, besonders bevorzugte konstruktive Ausgestaltung bzw. Anordnung der Teilbereiche der Elektrodenschichten sieht vor, dass zwei Teilbereiche in einer Elektrodenschicht vorgesehen sind, wobei der zweite Teilbereich in der Elektrodenebene U-förmig mit zwei Seitenschenkeln und einem Verbindungsschenkel ausgebildet ist, und wobei der erste Teilbereich innerhalb der von den Schenkeln gebildeten Aussparung des zweiten Teilbereichs angeordnet ist. Eine derartige konstruktive Ausgestaltung des zweiten Teilbereichs ermöglicht es insbesondere, dessen elektrische Kontaktierung lediglich an einer Seite des Piezoelements vornehmen zu können, da die beiden Seitenschenkel in jeder zugehörigen Elektrodenschicht über den Verbindungsschenkel elektrisch miteinander verbunden sind, und es somit genügt, lediglich beispielsweise einen der Seitenschenkel bis an den Rand des Piezoelements zu führen, um den zweiten Teilbereich elektrisch kontaktieren zu können.
Da der Verbindungsschenkel zwischen den beiden Seitenschenkeln des zweiten Teilbereichs bei der zuletzt genannten Ausführungsform lediglich der elektrischen Verbindung der beiden Seitenschenkel dient, ist es von Vorteil, wenn der Verbindungsschenkel des zweiten Teilbereichs eine geringere Breite und Fläche aufweist als die beiden Seitenschenkel des zweiten Teilbereichs. Dadurch wird gleichzeitig die mögliche Fläche des in der Aussparung des zweiten Teilbereichs angeordneten ersten Teilbereichs maximiert und somit beispielsweise ein maximal großes Nutzsignal durch den ersten Teilbereich ermöglicht.
Für die Erfindung ist es unerheblich, ob die Anoden oder die Kathoden in zwei Teilbereiche unterteilt werden. Im Folgenden wird vereinfacht der Fall beschrieben, dass die Anoden in zwei Teilbereiche unterteilt sind, während die Kathodenschichten nach wie vor einheitlich ohne weitere Unterteilung ausgeführt sind. Dieser Fall ist für einen Fachmann einfach auf den umgekehrten Fall übertragbar.
Um einerseits von dem ersten Teilbereich der Elektrodenschicht eine möglichst hohe Nutzsignalamplitude zu erhalten, und andererseits den zweiten Teilbereich, der der Detektion bzw. Erzeugung der Störspannungen bzw. Störsignale dient, möglichst so anzuordnen, dass von dem zweiten Teilbereich kein Nutzsignalanteil erzeugt wird, wird vorgeschlagen, dass der erste Teilbereich in dem bei einer Druckänderung in der Versorgungsbohrung am stärksten verformten Bereich des Verformungsbereichs und der zweite Teilbereich an dem am wenigsten durch eine Druckänderung in der Versorgungsbohrung verformten Bereich des Verformungsbereichs angeordnet ist.
In konkreter Ausgestaltung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass der erste Teilbereich in Überdeckung mit der Versorgungsbohrung und der zweite Teilbereich seitlich neben der Versorgungsbohrung angeordnet ist.
Um das Nutzsignal durch Subtraktion der beiden Signale voneinander gewinnen zu können, ist es darüber hinaus vorgesehen, dass in einer ersten Ausführungsform alle gleichartigen Elektrodenschichten niederohmig untereinander verbunden sind. Das heißt, dass alle ersten Teilbereiche der Elektrodenschichten einer Polarität niederohmig miteinander verbunden sind, dass alle zweiten Teilbereiche der Elektrodenschichten dieser Polarität niederohmig miteinander verbunden sind und dass alle Elektrodenschichten der entgegengesetzten Polarität niederohmig miteinander verbunden sind. Eine elektronische Schaltung ist dazu ausgebildet, die Spannung zwischen den ersten Teilbereichen und den Elektroden der entgegengesetzten Polarität zu erfassen, die Spannung zwischen den zweiten Teilbereichen und den Elektroden der entgegengesetzten Polarität zu erfassen und die Differenz zwischen den beiden Spannungssignalen zu bilden. Darüber hinaus ist die elektronische Schaltung ggf. dazu ausgebildet, die Spannungssignale der Teilbereiche der Elektrodenschichten bei der Differenzbildung unterschiedlich zu gewichten. Die Gewichtung kann dabei beispielsweise unter Berücksichtigung von deren Flächenanteilen erfolgen. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es insbesondere, unterschiedlich große Flächenanteile für die Teilbereiche der Elektrodenschichten ausbilden zu können, sodass die konstruktive Gestaltungsfreiheit bei der Dimensionierung des Piezoelements bzw. der Teilbereiche der Elektrodenschichten vergrößert wird und insbesondere eine besonders gute Anpassung an den jeweiligen Verformungsbereich des Kraftstoffinjektors ermöglicht wird.
Eine davon alternative Ausgestaltung, die eine vereinfachte elektronische Schaltung ermöglicht, sieht vor, dass lediglich die unterschiedlichen Teilbereiche der Elektrodenschichten einheitlicher Polarität, mit einer elektronischen Schaltung verbunden sind, und dass die elektronische Schaltung dazu ausgebildet ist, direkt die Differenzspannung zwischen den Teilbereichen der Elektroden einheitlicher Polarität zu erfassen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die vollflächigen Elektroden der entgegengesetzten Polarität weiterhin niederohmig untereinander verbunden sind, sie aber nicht mit der elektronischen Schaltung verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung sind die vollflächigen Elektroden der entgegengesetzten Polarität dagegen nicht untereinander verbunden und dadurch auch von außen nicht kontaktierbar.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:

1 eine stark vereinfachte, teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors mit einer Messeinrichtung zur zumindest mittelbaren Erfassung von Kraftstoffdruckschwankungen im Kraftstoffinjektor,
2 einen vereinfachten Querschnitt durch ein Piezoelements, wie es die Messeinrichtung gemäß der 1 aufweist, im Bereich des Verformungsbereichs des Kraftstoffinjektors,
3 eine Draufsicht im Bereich einer der in zwei Teilbereiche aufgeteilten Elektrodenschichten gemäß der 2,
4 einen Querschnitt durch ein gegenüber 2 modifiziertes Piezoelement, bei dem dessen nicht aufgeteilte Elektrodenschichten elektrisch nicht untereinander verbunden und nicht von außen kontaktierbar sind und
5 und 6 unterschiedliche elektrische Schaltbilder zur Verdeutlichung des Funktionsprinzips der Auswertung der Spannungssignale der unterschiedlichen Teilbereiche der Piezoelemente.

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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.
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 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. Die Steuerung der Düsennadel 16 kann dabei durch direkte Kopplung des Aktuators mit der Düsennadel 16 über mechanische und/oder hydraulische Übertragungselemente oder unter Zwischenschaltung eines Servoventils zwischen Aktuator und Düsennadel 16 erfolgen.
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 Hochdruck-Kraftstoffspeicher 25 (Rail) gekoppelt ist.
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.
Der eben ausgebildete Grund 26 der Vertiefung 24 bildet einen Teil eines Verformungsbereichs 27 aus. Dadurch, dass die Wanddicke des Injektorgehäuses 11 im Bereich der Vertiefung 24 reduziert ist, ist der Wandabschnitt 29 im Verformungsbereich 27 vergleichsweise leicht elastisch verformbar, wobei die Verformung, welche sich als Wölbung ausbildet, umso größer ist, je höher der augenblickliche Kraftstoffdruck in der Versorgungsbohrung 19 ist.
Zur Detektion von Schwankungen Kraftstoffdrucks in der Versorgungsbohrung 19, weist der Kraftstoffinjektor 10 eine Messeinrichtung 30 auf. Die Messeinrichtung 30 umfasst ein als Piezoelement 31 ausgebildetes Sensorelement 32. Schwankungen des Kraftstoffdrucks in der Versorgungsbohrung 19 werden primär durch die Einspritzungsvorgänge ausgelöst und erlauben daher einen Rückschluss auf charakteristische Zeitpunkte oder Merkmale des Einspritzverlaufs, insbesondere auf Ende und/oder Beginn einer Einspritzung.
Wie insbesondere anhand der 2 erkennbar ist, ist das Piezoelement 31 im dort dargestellten Ausführungsbeispiel mittels einer Klebstoffschicht 34 mit dem Grund 26 der Vertiefung 24 verbunden. Das Piezoelement 31 kann aber auch ohne Klebstoffschicht 24 zum Injektorgehäuse 11 fixiert sein. Die dem Verformungsbereich 27 abgewandte Seite des Piezoelements 31 ist in zumindest mittelbarem Anlagekontakt mit einem Niederhalterelement 35 angeordnet, das mit dem Injektorgehäuse 11 verbunden ist, und das auf das Piezoelement 31 eine in Richtung des Verformungsbereichs 27 wirkende axiale Vorspannkraft F erzeugt.
Das im Ausführungsbeispiel eine in etwa rechteckförmige Grundfläche aufweisende Piezoelement 31 weist in bekannter Art und Weise keramische Schichten auf, zwischen denen parallel zueinander angeordnete Elektrodenschichten 41, 42 angeordnet sind. Dabei sind im vorliegenden Beispiel die Elektrodenschichten 41 elektrisch als Kathode ausgebildet, während die Elektrodenschichten 42 als Anode wirken. In der Schichtfolge wechseln sich als Kathoden ausgeführte Elektrodenschichten 41 mit als Anode ausgeführten Elektrodenschichten 42 ab. Entsprechend dieser abwechselnden Anordnung von Anoden und Kathoden sind die zwischen den Elektrodenschichten 41, 42 angeordneten Keramikschichten aufeinanderfolgend jeweils in entgegengesetzter Richtung polarisiert. Die Elektrodenschichten 41 bis 43 sind bis zu einer Seitenfläche 36 des Piezoelements 31 herangeführt und dort mittels einer Schicht 37 oder eines sonstigen Elements elektrisch miteinander verbunden. An dieser Schicht 37 kann eine Kontaktierung von außer erfolgen.
Ergänzend wird erwähnt, dass in der Darstellung der 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit rein beispielhaft fünf Elektrodenschichten, nämlich drei Kathodenschichten 41 und zwei Anodenschichten 42 dargestellt sind, in der Praxis sind jedoch auch mehr oder weniger als fünf Elektrodenschichten 41, 42 vorhanden sein können.
Ebenfalls ergänzend sei erwähnt, dass die Ausbildung der Elektrodenschichten 41 als Kathoden und der Elektrodenschichten 42 als Anoden hier lediglich beispielhaft gewählt ist und dass auch die umgekehrte Ausbildung möglich ist. Wie insbesondere im Zusammenhang mit der 3 erkennbar ist, sind die beiden identisch ausgebildeten Elektrodenschichten 42 (in der 3 ist lediglich eine dieser Elektrodenschichten dargestellt) speziell ausgebildet. Insbesondere weist jede der Elektrodenschichten 42 einen ersten, beispielhaft rechteckförmigen Teilbereich 46 auf, der elektrisch isoliert von einem zweiten Teilbereich 48 innerhalb einer Aussparung 47 dieses zweiten Teilbereichs 48 der Elektrodenschicht 42 angeordnet ist. Der zweite Teilbereich 48 ist entsprechend der Darstellung der 3 in Draufsicht bzw. in der Elektrodenebene U-förmig mit zwei rechteckförmigen Seitenschenkeln 49, 50 und einem die beiden Seitenschenkel 49, 50 miteinander verbindenden Verbindungsschenkel 51 ausgebildet. Die Breite B der Seitenschenkel 49, 50 ist größer als die Breite b des Verbindungsschenkels 51 gewählt, der im Vergleich zu den Seitenschenkeln 49, 50 auch eine kleinere Fläche aufweist. Der Verbindungsschenkel 51 dient der elektrischen Verbindung der beiden Seitenschenkel 49, 50, wobei zumindest der eine Seitenschenkel 50 bis zu der der Seitenfläche 36 gegenüberliegenden Seitenfläche 38 des Piezoelements 31 reichend ausgebildet, und dort mittels einer Schicht 39 mit dem oder den anderen Seitenschenkeln 50 der anderen Elektrodenschichten 42 elektrisch verbunden ist.
Weiterhin ist anhand der 3 erkennbar, dass der erste Teilbereich 46 elektrisch bis zu der Seitenfläche 52 des Piezoelements 31 reichend ausgebildet und dort über eine Schicht 53 mit dem oder den anderen ersten Teilbereich 46 der anderen Elektrodenschichten 42 verbunden ist.
Wesentlich ist darüber hinaus, wie insbesondere anhand der 2 erkennbar ist, dass der erste Teilbereich 46 derart in Bezug auf die Versorgungsbohrung 19 und den Verformungsbereich 27 angeordnet ist, dass dieser in Überdeckung mit der Versorgungsbohrung 19 angeordnet ist und somit bei einer Druckänderung in der Verformungsbohrung 19 am stärksten deformiert wird und dadurch eine besonders hohes Nutzsignalamplitude erzeugt. Demgegenüber sind die beiden, seitlich des ersten Teilbereichs 46 angeordneten Seitenschenkel 49, 50 des zweiten Teilbereichs 48 in einem Bereich des Verformungsbereichs 27 angeordnet, der seitlich neben der Versorgungsbohrung 19 angeordnet ist und somit bei einer Druckänderung in der Versorgungsbohrung 19 relativ gering verformt wird. Jedoch sind sowohl die beiden Seitenschenkel 49, 50 als auch der erste Teilbereich 46 der Elektrodenschicht 42 über das Niederhalterelement 35 sowie ggf. über die Klebstoffschicht 34 starr mit dem Injektorgehäuse 11 gekoppelt, sodass (Körperschall-) Schwingungen oder ähnliche mechanische Beanspruchungen vom Injektorgehäuse 11 in beide Teilbereiche 46, 48 gleichermaßen übertragen werden und dort jeweils ein Spannungssignal bzw. einen Signalanteil erzeugen, der als Störspannung interpretiert werden kann..
Das in der 4 dargestellte Piezoelement 31a unterscheidet sich von dem Piezoelement 30 dadurch, dass die als Kathode wirkenden Elektrodenschichten 41anicht mittels einer Schicht 37 oder eines sonstigen Elements elektrisch miteinander verbunden sind. Üblicherweise werden diese Elektrodenschichten 41a bei dieser Ausführungsform des Piezoelements 31a auch nicht von außen kontaktiert-
In einer weiteren, in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung, sind nicht alle, sondern nur ein Teil der Elektrodenschichten 42 wie oben beschrieben in zwei Teilbereiche 46, 48 unterteilt. Die anderen, einteilig ausgeführten Elektrodenschichten 42 sind in diesem Fall entweder mit den ersten Teilbereichen 46 oder mit den zweiten Teilbereichen 48 der unterteilten Elektrodenschichten 42 verbunden.
In den hier und in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen sind jeweils die als Anoden ausgeführten Elektrodenschichten 42 in zwei Teilbereiche separiert, während die als Kathoden ausgeführten Elektrodenschichten 41 einteilig ausgeführt sind. Ebenso ist es natürlich auch möglich, die Unterteilung der Elektrodenschichten in zwei Teilbereiche an den als Kathoden ausgeführten Elektrodenschichten 41 auszuführen und die als Anoden ausgeführten Schichten einteilig zu gestalten.
In der 5 ist einer erste elektrische Schaltung zur Auswertung der Spannungssignale des Piezoelements 31 dargestellt. Insbesondere erkennt man den Bereich des Piezoelements 31, der von dem Bereich eines Kabelbaums 55 und dem Bereich eines Steuergeräts 56 getrennt ist. Der obere Teil des Piezoelements 31 kennzeichnet ein Ersatzschaltbild für den Bereich der ersten Teilbereiche 46 der Elektrodenschichten 42, während der untere Teil ein Ersatzschaltbild für die zweiten Teilbereiche 48 der Elektrodenschichten 42 darstellt. Die beiden Teilbereiche 46 und 48 der als Anode wirkenden Elektrodenschichten 42 sind über jeweils eine Verbindung 58, 59 mit der Eingangsseite des Steuergeräts 56 verbunden. Weiterhin sind die als Kathode wirkenden Elektrodenschichten 41 elektrisch über eine Verbindung 57 mit der Eingangsseite des Steuergeräts 56 verbunden. Eine Schaltung des Steuergeräts 56 umfasst zwei Bausteine 60, 61, über die die Spannungssignale zwischen den ersten Teilbereichen 46 der Elektrodenschichten 42 und den als Kathoden wirkenden Elektrodenschichten 41 sowie zwischen den zweiten Teilbereichen 48 der Elektrodenschichten 42 und den als Kathodenschichten wirkenden Elektrodenschichten 41 erfasst und in die auf die Steuergeräte-Masse bezogenen Spannungssignale u₁ und u₂ gewandelt werden. Diese beiden Spannungssignale u₁ und u₂ können in der Folge durch weitere, hier nicht dargestellte Funktionseinheiten des Steuergeräts 56 voneinander subtrahiert und ggf. zuvor unterschiedliche gewichtet und analog-digital gewandelt werden. Dabei ist die Reihenfolge von ggf. gewichteter Subtraktion und Analog-digitalWandlung beliebig. Auch können durch die Funktionseinheiten 60, 61 statt der auf die Steuergeräte-Masse bezogenen Spannungssignale u₁ und u₂ auch direkt digitale Signale und/oder die ggf. gewichtete Differenz der Spannungssignale u₁ und u₂ erzeugt werden. Das Spannungssignal u₁ besteht aus einem Nutzsignalanteil, der im Wesentlichen durch die elastische Verformung des Injektorgehäuses 11 durch Druckschwankungen in der Versorgungsbohrung 19 erzeugt wird sowie einem Störsignalanteil, der im Wesentlichen durch mechanische Einkopplungen (Körperschall) in den Piezosensor 31 verursacht wird. Das Spannungssignal u₂ weist hingegen im Wesentlichen nur einen Störsignalanteil auf. Durch die - ggf. gewichtete - Subtraktion des Spannungssignals u₂ von dem Spannungssignal u₁ wird somit der Störsignalanteil eliminiert und das Nutzsignal extrahiert.
Die in der 6 dargestellte zweite elektrische Schaltung mit dem Piezoelement 31, 31a unterscheidet sich von der ersten Schaltung der 5 dadurch, dass die als Kathode wirkenden Elektrodenschichten 41 elektrisch nicht mit der Eingangsseite des Steuergeräts 56a verbunden sind. In diesem Fall wird mittels des Bausteins 62 der Schaltung des Steuergeräts 56a die Spannung zwischen den beiden Teilbereichen 46 und 48 der als Anoden ausgeführten Elektrodenschichten 42 erfasst und in ein auf die Steuergeräte-Masse bezogenes Spannungssignal u gewandelt. Diese kann in der Folge durch einen weiteren Funktionsbaustein des Steuergeräts 56a analog-digital-gewandelt werden. Dieser weitere Funktionsbaustein kann auch in den Baustein 62 integriert sein, so dass der Baustein 62 direkt ein digitales Signal ausgibt, das die Spannung zwischen den beiden Teilbereichen 46 und 48 abbildet. Das Spannungssignal u weist qualitativ einen zeitlichen Verlauf auf, der der Differenz der Spannungssignale u₁ und u₂ bei einer Auswertung mit der Schaltung gemäß 5 entspricht, wobei die dort erwähnte Möglichkeit zur Gewichtung der beiden Spannungssignale vor der Differenzbildung entfällt.
Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 bzw. die Messeinrichtung 30 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014222811 A1 [0002]

Claims

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 von Druckänderungen in 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 als Piezoelement (31; 31a) mit wenigstens zwei, eine unterschiedliche Polarität aufweisenden Elektrodenschichten (41; 41a, 42; 42a) ausgebildetes Sensorelement (32) aufweist, das mit der Oberfläche (26) des Verformungsbereichs (27) in Wirkverbindung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Elektrodenschichten (41; 41a, 42; 42a) zwei, elektrisch voneinander isolierte Teilbereiche (46, 48) aufweist, und dass die beiden Teilbereiche (46, 48) derart in Überdeckung mit der Versorgungsbohrung (19) angeordnet sind, dass der Sensor (31; 31a) im Bereich der beiden Teilbereiche (46, 48) bei einer Druckänderung in der Versorgungsbohrung (19) unterschiedlich stark elastisch verformt wird.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Elektrodenschichten (41; 41a, 42; 42a) gleicher Polarität jeweils wenigstens zwei voneinander elektrisch isolierte Teilbereiche (46, 48) aufweisen, und dass die wenigstens zwei Teilbereiche (46, 48) der Elektrodenschichten (41; 41a, 42; 42a) in Überdeckung mit den Elektrodenschichten (41; 41a, 42; 42a) der entgegengesetzten Polarität angeordnet sind.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils ersten Teilbereiche (46) der zwei Teilbereiche (46, 48) aufweisenden Elektrodenschichten (41; 41a, 42; 42a) seitlich bis zu einer Seitenfläche (52) des Piezoelements (31; 31a) geführt, dass die jeweils ersten Teilbereiche (46) an der Seitenfläche (52) elektrisch miteinander verbunden sind, dass die jeweils zweiten Teilbereiche (48) der zwei Teilbereiche (46, 48) aufweisenden Elektrodenschichten (41; 41a, 42; 42a) seitlich bis zu einer anderen Seitenfläche (38) des Piezoelements (31; 31a) geführt, und dass die jeweils zweiten Teilbereiche (48) im Bereich der andern Seitenfläche (38) elektrisch miteinander verbunden sind.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einteilig ausgeführten Elektrodenschichten (41, 42) seitlich bis zu einer Seitenfläche des Piezoelements (31) geführt und dort elektrisch miteinander verbunden sind.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Teilbereiche (46, 48) in einer Elektrodenschicht (41; 41a, 42; 42a) oder in mehreren Elektrodenschichten (41; 41a, 42; 42a) gleicher Polarität vorgesehen sind, wobei der zweite Teilbereich (48) U-förmig mit zwei Seitenschenkeln (49, 50) und einem Verbindungsschenkel (51) ausgebildet ist, und wobei der erste Teilbereich (46) innerhalb der von den Schenkeln (49, 50, 51) gebildeten Aussparung (47) des zweiten Teilbereichs (48) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsschenkel (51) eine geringere Breite (b) und Fläche aufweist als die beiden Seitenschenkel (49, 50).
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Teilbereiche (46, 48) ausbildende Elektrodenschichten (42; 42a, 41; 41a) als Anodenschichten ausgebildet sind.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Teilbereiche (46, 48) ausbildende Elektrodenschichten (42; 42a, 41; 41a) als Kathodenschichten ausgebildet sind.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (46) in dem bei einer Druckänderung in der Versorgungsbohrung (19) am stärksten verformten Bereich des Verformungsbereichs (27) und der zweite Teilbereich (48) an dem bei einer Druckänderung in der Versorgungsbohrung (19) am wenigsten verformten Bereich des Verformungsbereichs (27) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (46) in Überdeckung mit der Versorgungsbohrung (19) und der zweite Teilbereich (48) seitlich der Versorgungsbohrung (19) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass alle Elektrodenschichten (41, 42) und deren Teilbereiche (46, 48) mit einer elektronischen Schaltung (60, 61) verbindbar sind, dass die elektronische Schaltung (60, 61) dazu ausgebildet ist, die Spannungssignale zwischen jedem der beiden Teilbereiche (46, 48) und den einteiligen Elektrodenschichten (41, 42) mit entgegengesetzter Polarität zu erfassen und als auf die Steuergeräte-Masse bezogene Spannungssignale (u₁, u₂) auszugeben, und dass die elektronische Schaltung (60, 61 darüber hinaus ggf. dazu ausgebildet ist, die die Differenz zwischen den Spannungssignalen (u₁, u₂) zu bilden.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (62) dazu ausgebildet ist, die Spannungssignale (u₁, u₂) bei der Differenzbildung unterschiedlich zu gewichten.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtung entsprechend der Flächenanteile der Teilbereiche (46, 48) erfolgt.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich die Teilbereiche (46, 48) aufweisenden Elektrodenschichten (41, 42) mit einer elektronischen Schaltung (62) verbunden sind, und dass die elektronische Schaltung (62) dazu ausgebildet ist, die Spannung zwischen den Teilbereichen (46, 48) zu erfassen.