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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, wie er zur dosierten Abgabe von Kraftstoff unter hohem Druck verwendet wird, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kraftstoffinjektors.
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Stand der Technik
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Kraftstoffinjektoren zur dosierten Abgabe von Kraftstoff unter hohem Druck werden beispielsweise verwendet, um den Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzubringen. Durch den hohen Druck von zum Teil über 2000 bar kommt es bei der Einspritzung zu einer feinen Zerstäubung des Kraftstoffs, der zusammen mit der Luft im Brennraum ein zündfähiges Gemisch bildet. Für eine effektive und schadstoffarme Verbrennung ist es dabei essentiell, dass die richtige Menge Kraftstoff zum genau richtigen Zeitpunkt in den Brennraum eingespritzt wird. Die Steuerung der bekannten Kraftstoffinjektoren erfolgt dabei indirekt über ein elektromagnetisches oder piezoelektrisches Steuerventil, mit dem der hydraulische Druck in einem Steuerraum eingestellt werden kann und damit eine Schließkraft auf eine Düsennadel, die die eigentliche Einspritzung steuert. Wegen dieser indirekten Steuerung der Düsennadel kommt es stets zu einem zeitlichen Verzug zwischen der Ansteuerung des elektrischen Aktors und dem eigentlichen Beginn der Kraftstoffeinspritzung. Der tatsächliche Beginn der Kraftstoffeinspritzung ist deshalb nicht genau bekannt, was zu Ungenauigkeiten beim Zeitpunkt der Einspritzung und der Kraftstoffmenge führt, insbesondere, wenn sich das Verhalten des Kraftstoffinjektors über die Zeit durch Verschleiß oder Ablagerungen ändert. Solche Veränderungen können zwar durch eine anpasste Ansteuerung des Aktors ausgeglichen werden, Vorausetzung ist aber, den tatsächlichen Einspritzzeitpunkt zu kennen.
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Um dieses Problem zu lösen ist aus der
EP 3 179 090 B1 ist ein Kraftstoffinjektor bekannt, bei dem der Einspritzzeitpunkt mit Hilfe eines Sensors ermittelt wird. Der Kraftstoff wird über eine Hochdruckbohrung im Kraftstoffinjektor eingeleitet, wo der Druck aufgrund der periodischen Kraftstoffeinspritzung ebenso periodisch schwankt. Durch diese Druckschwankungen wird ein Verformungsbereich, der an die Hochdruckbohrung grenzt, periodisch verformt, was durch den Sensor gemessen wird. Aus den Messdaten kann der genaue Beginn und das genaue Ende der Kraftstoffeinspritzung bestimmt werden und gegebenenfalls weitere Parameter.
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Der Sensor besteht aus dem eigentlichen Piezosensor, der als ein mehrschichtiges Piezokristall ausgebildet ist. Am Pieosensor wird die durch die Verformung hervorgerufene elektrische Spannung abgegriffen und durch ein Steuergerät ausgewertet. Der Piezosensor ist in einem topfförmigen Sensorgehäuse angeordnet, der mit dem Kraftstoffinjektor im Bereich des Verformungsbereichs verschweißt ist. Um die Funktion dauerhaft zu gewährleisten, müssen Piezosensoren jedoch stets eine mechanische Vorspannung aufweisen.
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Diese Vorspannung wird beim Anschweißen des Piezogehäuses am Injektorkörper erzeugt. Durch die Abkühlung des aufgeschmolzenen Materialvolumens am Sensorgehäuse kommt es zu der Vorspannkraft auf den Piezokristall, die für die korrekte Funktionsweise des Piezosensors notwendig ist. Für ein vergleichsweise stabiles Ergebnis muss der Spalt zwischen dem Sensor-Gehäuse und dem Injektorkörper jedoch auf wenige Mikrometer eingestellt werden, da schon kleine Abweichungen relativ große Abweichungen der Vorspannkraft verursachen. Dies führt zu einem relativ hohen Ausschuss, da eine Mindestkraft erreicht werden muss, um über Lebensdauer ein auswertbares Signal des Piezosensor zu erhalten.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor weist den Vorteil auf, dass eine zuverlässige Einspritzung des Kraftstoffs zu einem vorgegebenen Zeitpunkt und in der vorgesehenen Menge möglich ist. Dazu weist der Kraftstoffinjektor einem Injektorkörper mit einer darin ausgebildeten Hochdruckbohrung und mit einem Verformungsbereich auf, der an die Hochdruckbohrung grenzt und der durch einen wechselnden Druck in der Hochdruckbohrung verformbar ist. Am Verformungsbereich ist ein Sensor angeordnet, der dazu ausgebildet ist, eine Verformung des Verformungsbereichs zu detektieren. Der Sensor umfasst dabei ein Sensorgehäuse mit einem darin angeordneten Piezosensor, wobei das Sensorgehäuse mit dem Injektorkörper verschweißt ist. Das Sensorgehäuse weist eine Blindschweißnaht auf, durch die das Sensorgehäuse so verformt ist, dass es eine Vorspannkraft auf den Piezosensor ausübt oder verstärkt.
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Nach dem Verschweißen des Sensorgehäuses mit dem Injektorkörper ist der Piezosensor, der im Sensorgehäuse angeordnet ist, zwischen dem Sensorgehäuse und dem Injektorkörper fixiert. Je nach Ausgestaltung des Sensorgehäuses und der Art des Schweißprozesses ergibt sich bereits eine mehr oder weniger große Vorspannung auf den Piezosensor. Durch die Blindschweißnaht wird zusätzliches Material am Sensorgehäuse aufgeschmolzen, das nach dem Erkalten zu einer weiteren Verformung des Sensorgehäuses führt. Dadurch wird eine Vorspannkraft auf den Piezosensor ausgeübt oder verstärkt, so dass die notwendige mechanische Vorspannung auf den Piezosensor über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors erhalten bleibt.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist der Piezosensor zwischen dem Sensorgehäuse und dem Injektorkörper eingespannt. Dadurch kann durch eine im Sensorgehäuse verlaufende Blindschweißnaht leicht eine Verformung des Sensorgehäuses erreicht werden, die den Piezosensor weiter zwischen dem Sensorgehäuse und dem Injektorkörper einspannt und die gewünschte mechanische Vorspannung erzeugt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Sensorgehäuse topfförmig ausgebildet, wobei die offene Seite dem Injektorkörper zugewandt ist. In vorteilhafter Weise ist dabei am Sensorgehäuse ein umlaufender Flansch ausgebildet, der am Injektorkörper anliegt und mit diesem verschweißt ist. Ein topfförmiges Sensorgehäuse kann leicht gefertigt und der Piezosensor darin angeordnet werden, wobei durch eine Blindschweißnaht, die beispielsweise über den Umfang des topfförmigen Gehäuses verläuft, eine symmetrische Verformung und damit eine ebenso symmetrische Anpresskraft auf den Piezosensor erzeugt wird. Dazu kann die Blindschweißnaht sowohl am Mantel des topfförmigen Sensorgehäuses, als auch am Flansch ausgebildet sein.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffinjektors wird in einem ersten Verfahrensschritt das Sensorgehäuse mit dem Injektorkörper verschweißt, wobei der Piezosensor im Sensorgehäuse angeordnet ist. Anschließend wird das Signal des Piezosensors gemessen, wobei das Signal ein Maß für die mechanische Vorspannung des Piezosensors ist. In einem weiteren Verfahrensschritt wird anschließend eine Blindschweißnaht am Sensorgehäuse eingebracht, durch die sich das Sensorgehäuse so verformt, dass sich die Vorspannkraft auf den Piezosensor erhöht, wobei Form, Position und Größe der Blindschweißnaht so bemessen sind, dass die Vorspannkraft in einem vorbestimmten Bereich liegt.
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Bevorzugt wird die Blindschweißnaht durch einen Laserschweißprozess eingebracht. Das Laserschweißen bietet ein hohes Maß an Freiheit bei der Positionierung der Blindschweißnaht, und auch die Tiefe und die Menge des aufgeschmolzenen Materials lässt sich relativ einfach einstellen.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors dargestellt. Es zeigt
- 1 einen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor mit einem Sensor an einem Verformungsbereich, wobei dieser Aufbau aus dem Stand der Technik bekannt ist,
- 2 einen Querschnitt durch den Sensor eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors und
- 3 eine Vergrößerung des mit III bezeichneten Ausschnitts der 2.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt einen Längsschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektor, wie er beispielsweise zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwendung findet. Dabei sind der Übersichtlichkeit halber nur die wesentlichen Komponenten des Kraftstoffinjektors näher dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 1 umfasst einen Injektorkörper 2 und einen Düsenkörper 3, die mit einer den Düsenkörper 3 umgreifenden Spannmutter 4 gegeneinander verspannt sind. Im Injektorkörper 2 ist eine Hochdruckbohrung 6 ausgebildet, die in einen im Düsenkörper 3 ausgebildeten Druckraum 5 mündet. Im Druckraum 5 ist eine kolbenförmige Düsennadel 7 längsverschiebbar angeordnet, die mit einem Düsensitz 9 zum Öffnen und Schließen mehrerer Einspritzöffnungen 8 zusammenwirkt. Liegt die Düsennadel 7 auf dem Düsensitz 9 auf, so dichtet diese die Einspritzöffnungen 8 gegen den Druckraum 5 ab. Hebt die Düsennadel 7 vom Düsensitz 9 ab, so wird zwischen der Düsennadel 7 und dem Düsensitz 9 ein Strömungsquerschnitt freigegeben und Kraftstoff kann aus dem Druckraum 5 zu den Einspritzöffnungen 8 fließen und tritt durch diese nach außen, wobei der Kraftstoff fein zerstäubt wird.
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Der Kraftstoff, der durch den Kraftstoffinjektor 1 dosiert abgegeben werden soll, wird aus einem Hochdrucksammelraum 10 über eine Druckleitung 11 in die Hochdruckbohrung 6 eingeleitet. Statt eines Hochdrucksammelraums 10 kann auch jede andere Kraftstoffhochdruckquelle verwendet werden, die entsprechend verdichteten Kraftstoff zur Verfügung stellt. Die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung erfolgt beispielsweise durch ein elektromagnetisches oder piezoelektrisches Steuerventil, das den hydraulischen Druck in einem Steuerraum regelt, der eine hydraulische Schließkraft auf die Düsennadel 7 in Richtung des Düsensitzes 9 ausübt. Wird der Druck im Steuerraum abgesenkt, so drückt der Kraftstoffdruck im Druckraum 5 die Düsennadel 7 in ihre Öffnungsstellung weg vom Düsensitz 9, während ein höherer Druck im Steuerraum dafür sorgt, dass Düsennadel 7 in ihrer Schließstellung verharrt bzw. in diese zurückkehrt. Der Übersichtlichkeit halber sind der Steuerraum und das Steuerventil in der 1 nicht dargestellt.
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Aufgrund des hohen Kraftstoffdrucks im Druckraum 5 wirken auf die Düsennadel 7 hohe hydraulische Kräfte, die sehr kurze Schaltzeiten ermöglichen. Dennoch gibt es stets eine zeitliche Verzögerung zwischen dem Ein- bzw. Ausschalten des elektrisch betriebenen Steuerventils und der tatsächlichen Bewegung der Düsennadel 7 und damit dem tatsächlichen Beginn oder Ende der Kraftstoffeinspritzung. Dies muss bei der Ansteuerung des Steuerventils entsprechend berücksichtigt werden, damit die Kraftstoffeinspritzung zum genau richtigen Zeitpunkt erfolgt und die exakt notwendige Kraftstoffmenge in den Brennraum eingebracht wird. Die zeitliche Verzögerung ist jedoch über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors nicht immer konstant, sondern ändert sich mit dem Verschleiß an den Bauteilen des Kraftstoffinjektors oder aufgrund von Änderungen der äußeren Bedingungen, etwa der Temperatur des Kraftstoffinjektors oder des Kraftstoffs. Um dies bei der Ansteuerung zu berücksichtigen, muss der tatsächliche Beginn oder das tatsächliche Ende der Einspritzung bekannt sein.
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Zu diesem Zweck ist am Injektorkörper 2 eine Aussparung 14 ausgebildet, so dass zwischen der Hochdruckbohrung 6 und der Aussparung 14 ein Verformungsbereich 15 gebildet wird. Die Dicke des Verformungsbereichs 15 ist dabei so bemessen, dass sich dieser durch den Druck in der Hochdruckbohrung 6 leicht verformt. Durch die einzelnen Kraftstoffeinspritzungen schwankt der Druck im Druckraum 5 und damit auch in der Hochdruckbohrung 6 periodisch, was entsprechend zu einer periodischen Verformung des Verformungsbereichs 15 führt. Diese Verformung wird durch einen Sensor 16 gemessen, der am Verformungsbereich 15 befestigt ist und als Dehnungssensor ausgebildet ist. Die Messdaten des Sensors 16 werden über eine elektrische Leitung 18 von einem Steuergerät 19 ausgelesen, das aus den Messdaten die Druckänderungen in der Hochdruckleitung 6 bestimmt. Durch Analyse der Druckänderungen lässt sich dann der tatsächliche Beginn und das Ende der Kraftstoffeinspritzung bestimmen.
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In 2 ist ein Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Sensor 16 gezeigt. Der Sensor 16 umfasst ein topfförmiges Sensorgehäuse 22, das an seinem äußeren Rand einen Flansch 29 aufweist. Der Flansch 29 ist mit dem Injektorkörper 2 dicht verschweißt, wie später noch näher beschrieben. Im Sensorgehäuse 22 ist ein Piezosensor 23 angeordnet, der zwischen dem Sensorgehäuse 22 und einer Grundplatte 28 eingeklemmt ist, wobei die Grundplatte 28 am Verformungsbereich 15 anliegt. Die Kontaktierung des Piezosensors 23 erfolgt über einen ersten Anschlusspin 24 und einen zweiten Anschlusspin 25, die über entsprechende Ausnehmungen im Sensorgehäuse 22 in das Innere des Sensorgehäuses 22 ragen und an ihrem äußeren Ende mit der elektrischen Leitung 18 und damit mit dem Steuergerät 19 verbunden sind. Dabei sind die Anschlusspins 24, 25 in den Ausnehmungen durch jeweils eine Dichtung 26 abgedichtet, damit der Piezosensor 23 gegen mechanische Einflüsse und Flüssigkeiten geschützt ist.
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Zur Kontaktierung des Piezosensors 23 dienen zwei Fassfedern 27, die jeweils einen der Anschlusspins 24, 25 umgeben und die seitlich gegen den Piezosensor 23 vorgespannt sind. Auf gegenüberliegenden Seiten des Piezosensors 23 ist jeweils ein elektrischer Kontakt ausgebildet, der über die jeweilige Fassfeder 27 mit dem zugeordneten Anschlusspin 24, 25 elektrisch verbunden ist. Verformt sich der Verformungsbereich 15, so überträgt die Grundplatte 28 eine entsprechende Kraft auf den Piezosensor 23, so dass eine elektrische Spannung an den beiden Anschlusspins 24, 25 abgegriffen werden kann, die ein Maß für die Verformung des Piezosensors 23 und damit des Verformungsbereichs 15 ist.
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Für eine ordnungsgemäße Funktion müssen Piezosensoren 23 stets mechanisch vorgespannt sein. Dies wird bei dem vorliegenden Sensor 16 durch ein Vorstehmaß v zwischen dem Flansch 29 und dem Verformungsbereich 15 erreicht, wenn die Grundplatte 28 am Verformungsbereich 15 anliegt. Zur Befestigung des Sensorgehäuses 22 wird der Flansch 29 umlaufend durch eine Schweißnaht 30 mit dem Verformungsbereich 15 bzw. dem Injektorgehäuse 2 verbunden, wobei die Schweißnaht in 3 in einer Vergrößerung des mit III bezeichneten Ausschnitts der 2 näher dargestellt ist. Beispielsweise durch einen Laserschweißprozess wird ein ringförmiger Bereich des Flansches 29 und das darunter liegende Material des Injektorkörpers 2 aufgeschmolzen und erstarrt anschließend rasch in Form der Schweißnaht 30. Durch das Erkalten des Schmelzguts schrumpft dieses und erzeugt radiale Schrumpfkräfte Fr parallel zur Oberfläche des Injektorkörpers 2 und axiale Schrumpfkräfte Fa senkrecht dazu. Die axialen Schrumpfkräfte Fa spannen den Flansch gegen den Injektorkörper 2 und üben damit auch eine Vorspannkraft Fv auf den Piezosensor 23 aus. Das Vorstehmaß beträgt dazu vorzugsweise 10 bis 40 µm, kann aber auch bis zu 120 µm betragen.
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Die Einstellung der Vorspannkraft Fv ist auf diese Weise jedoch nicht immer mit der notwendigen Präzision möglich, da Fehler aufgrund von Positionstoleranzen, kleinen Partikel, einer ungenauen oder nicht ausreichend guten Parallelität der einzelnen Bauteile oder aufgrund von Oberflächenebenheiten auftreten können. Um die Vorspannkraft trotzdem in den benötigten Bereich zu bringen ist am Flansch 29 eine Blindschweißnaht 32 ausgebildet, die parallel zur Schweißnaht 30 rund um den Flansch 29 verläuft. Die Blindschweißnaht 32 wird vorzugsweise auch durch einen Laserschweißprozess ausgebildet und reicht nicht bis in den Injektorkörper 2. Nach dem Abkühlen des Schmelzguts dieser Blindschweißnaht 32 kommt es ebenfalls zu Schrumpfkräften Fr' in radialer Richtung, die das Sensorgehäuse 22 weiter verformen, wie in der 3 anhand der unverformten Kontur 34 des Sensorgehäuses 22 angedeutet. Diese zusätzliche Verformung des Sensorgehäuses 22 erhöht die mechanische Kraft auf den Piezosensor 23, so dass die Vorspannkraft Fv im gewünschten Bereich liegt. Während der Entwicklungsphase des Kraftstoffinjektors kann durch Versuche die Form und Tiefe der Blindschweißnaht 32 ermittelt werden.
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Soll die Vorspannkraft innerhalb eines sehr engen Fensters eingestellt werden, so kann folgendermaßen vorgegangen werden. Der Sensor 16 - wie in 2 dargestellt - wird durch eine Schweißnaht 30 zwischen dem Flansch 29 und dem Injektorkörper 2 am Verformungsbereich 15 befestigt, wobei die Schweißnaht 30 auch das Innere des Sensorgehäuses 22 am Flansch 29 flüssigkeitsdicht abdichtet. Anschließend wird am Piezosensor 23 ein Sensorsignal ausgelesen, das ein Maß für die bereits vorhandene Vorspannkraft auf den Piezosensor 23 ist. Aus diesem Messwert wird die Form, Größe und Position der Blindschweißnaht bestimmt, um die für die gewünschte Vorspannkraft notwendige Verformung des Sensorgehäuses 22 zu erreichen. Schließlich wird die Blindschweißnaht 32 beispielsweise durch einen Laserschweißprozess in das Sensorgehäuse 22 eingebracht und das Ergebnis anhand des dann veränderten Sensorsignals überprüft.
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Die Blindschweißnaht 32 kann alternativ zu der in 3 gezeigten Position auch in der Wand des topfförmigen Sensorgehäuses ausgebildet werden. In jedem Fall ist auf eine rotationssymmetrische Ausbildung der Blindschweißnaht 32 zu achten, damit der Piezosensor 23 keiner ungleichen mechanische Belastung ausgesetzt ist, da Piezokeramiken relativ spröde sind und bei einseitiger mechanischer Belastung leicht versagen können. Es kann auch vorgesehen sein, mehr als eine Blindschweißnaht 32 im Sensorgehäuse 22 einzubringen, um die Vorspannkraft Fv weiter zu erhöhen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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