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Die Erfindung betrifft einen in ein
Einspritzsystem integrierbaren thermischen Massenflusssensor und
ein Einspritzsystem mit einem solchen.
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Aus der
DE 199 45 673 A1 ist ein
Einspritzsystem und ein darin integrierbarer thermischer Massenflusssensor
beschrieben, der mehrere Keramikschichten und elektrische Ableitungen
für das
Sensorsignal aufweist. Das Messelement ist auf der Oberseite einer
der verbundenen Keramikschichten als elektrische Verbindung angeordnet,
deren Widerstand als Maß der
Temperatur des ihn umströmenden
Mediums bzw. als Maß für den Massenfluss
verwendet wird. Dabei wird die elektrische Verbindung vorgeheizt
und anhand der Temperaturveränderung und
damit anhand der Veränderung
des Ohmschen Widerstandes auf den Kraftstoffmengenfluss in dem Einspritzsystem
zurückgeschlossen.
Dieses Messprinzip ist eingehend bekannt. Der beschriebene Massenflusssensor
ist nur zum Einsatz bei geringen oder mittleren Drücken in
Einspritzsystemen geeignet. Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 199 45 673 A1 wurde
zur Bildung des Oberbegriffes herangezogen.
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Aus der
DE 197 16 521 C2 und der
DE 198 24 778 A1 sind
Drucksensoren für
niedrige Drücke bekannt,
die ebenso einen Aufbau mit mehreren Keramikschichten und elektrischen
Ableitungen zeigen. Weiterhin ist bekannt, Keramikschichten mittels
der LTCC-Technologie, wie sie aus der
DE 196 15 787 A1 bekannt
ist, zu verbinden bzw. herzustellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Einspritzsystem bzw. einen dafür
vorgesehenen thermischen Massenflusssensor anzugeben, welcher eine
sichere Aussage über
den Massenfluss auch bei hohen Einspritzdrücken ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
einen in ein Einspritzsystem integrierbaren thermischen Massenflusssensor
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Einspritzsystem
mit den Merkmalen des Patentanspruches 18.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße thermische Massenflusssensor,
der in ein Einspritzsystem insbesondere für Common-Rail-Dieselmotoren
integrierbar ist, zeigt mehrere Keramikschichten, die insbesondere mittels
LTCC-Technologie realisiert sind. Die Keramikschichten werden übereinander
angeordnet, zusammengefügt,
ggf. verklebt und am Ende bei einer niedrigen Temperatur gesintert
und dadurch fest und unlöslich
miteinander verbunden. Hierdurch entsteht ein sogenannter Keramikchip.
Dieser zeichnet sich durch seine chemische, mechanische und thermische
Widerstandsfähigkeit
aus. Er erweist sich somit für
den Einsatz in einem Einspritzsystem mit den dort vorhandenen aggressiven
Stoffen und schwierigen Zuständen – sowohl
thermisch als auch chemisch – als
sehr geeignet. Beispielsweise zeigen die verwendeten Kraftstoffe
eine nicht unbeachtliche chemische Aggressivität. Die vorhandenen Drücke, insbesondere
im Bereich von deutlich über
1.000 bar, und die damit verbundene mechanische Belastung sowie
die Vibrations- und Temperaturbelastungen im Bereich eines Verbrennungsmotors
machen das besondere Anforderungsprofil für einen derartigen thermischen Massenflusssensor
für ein
Einspritzsystem besonders deutlich.
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Auf die oberste Keramikschicht wird
das Messelement, eine elektrische Verbindung, flächig aufgebracht. Durch das
vorzugsweise flächige
Aufbringen der elektrischen Verbindung auf der obersten Keramikschicht
ist ein sicheres Verbinden des Messelementes mit der Keramikschicht
gegeben, so das ein Ablösen
und damit ein Zerstören
des Massenflusssensors auch bei großen Drücken und hohen Temperaturen
weitgehend ausgeschlossen ist.
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Das Messelement ist mit zwei elektrischen Ableitungen
für das
Sensorsignal versehen, die das durch das Messelement im Inneren
des Einspritzsystems gewonnene Messsignal zum Massenfluss an eine
außerhalb
des Einspritzsystems befindliche Auswerteeinheit übertragen
und einer Auswertung zuführen.
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Die zu einem Keramikchip zusammengefügten mehreren
Keramikschichten zeigen zumindest teilweise eine unterschiedliche
Form bzw. Gestalt. Dabei sind die Keramikschichten so gewählt, dass die
oberste Keramikschicht, auf der das Messelement angeordnet ist,
wenigstens eine der anderen Keramikschichten flächig überragt und dabei von keiner
anderen überragt
wird. Zwar können
mehrere Keramikschichten die gleiche Größe oder Form wie die oberste
Keramikschicht aufweisen, doch überragt keine
die oberste Keramikschicht in ihrer Fläche. Dies führt erfindungsgemäß dazu,
dass eine Verjüngung
von der obersten Keramikschicht zu einer der nachfolgenden unteren
Keramikschichten gegeben ist. Diese Verjüngung kann sowohl in der Fläche als auch
in der Form erfolgen. Beispielsweise kann durch Vorsehen eines Ausschnittes
eine Verjüngung bei
Erhalt der sonstigen flächigen
Grundformen erreicht werden. Durch diese erfindungsgemäße Verjüngung, welche
nicht zwangsläufig
durch die unmittelbar nachfolgende weiter unten angeordnete Keramikschicht
erfolgen muss, ist gewährleistet,
dass zumindest partiell ein Überstand
der obersten Keramikschicht gegenüber einer oder mehreren darunterliegenden
Keramikschichten gegeben ist. Durch diesen Überstand wird erreicht, dass
der thermische Massenflusssensor mit seinem kompakten Keramikchip von
innen in ein Einspritzsystem, beispielsweise eine Einspritzdüse, eingesetzt
werden kann und durch den Überstand
in der für
die Aufnahme des thermischen Massenflusssensors vorgesehene Ausnehmung
gehalten wird. Treten die sehr hohen Drücke insbesondere im Bereich
von 1.5000 bar – wie
sie bei Common-Rail-Dieselmotoren typisch sind – auf, so bildet dieser Überstand
ein Widerlager, welches verhindert, dass der Sensor aus dem Einspritzsystem herausgepresst
wird und dadurch sowohl seine Funktion verliert als auch dem Einspritzsystem
einen Defekt, eine Leckage, zuführt,
die die Funktionsfähigkeit
des Einspritzsystems aufhebt.
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Durch den erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensor
gelingt es, nun auch bei sehr hohen Drücken sehr sicher und verlässlich den
Massenfluss respektive die Temperatur des einzuspritzenden Brennstoffes
zu bestimmen und dadurch die Möglichkeit
zu schaffen, sowohl die Einspritzmenge wie auch den zeitlichen Verlauf
optimal zu steuern. Mithilfe des erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensor
gelingt es, gerade unter diesen schwierigen Bedingungen, insbesondere
unter den sehr hohen Drücken,
eine optimierte Verbrennung durch entsprechende Regelung der Einspritzparameter
zu erreichen und damit den Energieverbrauch aber auch die Emissionen,
die für
den Menschen und die Natur schädlich
sein können,
zu begrenzen oder wesentlich zu reduzieren.
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Der erfindungsgemäße Massenflusssensor ermöglicht es
darüber
hinaus, ein sehr genaues Messsignal zu erhalten, da durch die erfindungsgemäße Wahl
der Größe bzw.
Form der obersten Keramikschicht eine beachtliche, große Fläche zur
Anordnung des Messelementes gegeben ist und dieses in seiner Form
und insbesondere Größe messsignaloptimiert – insbesondere
auflösungsoptimiert – gewählt werden
kann. Darüber
hinaus ist es erfindungsgemäß möglich, nicht
nur kreisrunde Formen der Keramikschichten zu verwenden, sondern
beliebige andere gängige
Formen der Keramikschichten auszuwählen und miteinander zu verbinden
bzw. zu kombinieren. Dabei haben sich insbesondere kreisrunde oder elliptische
Formen bewährt.
Der erfindungsgemäße thermische
Massenflusssensor zeichnet sich darüber hinaus durch seine für einen
hochdruckfähigen
Massenflusssensor sehr kostengünstige
Herstellung aus.
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Als besonders vorteilhaft hat es
sich erwiesen, die Keramikschichten mit zunehmendem Abstand von
der obersten Keramikschicht, auf der das Messelement oder Messelemente
angeordnet sind, jeweils so auszubilden, dass sie eine geringere
Ausdehnung aufweisen als die Keramikschichten mit geringerem Abstand
zu der obersten Keramikschicht. Dadurch ist sichergestellt, dass
eine keilförmige Struktur
des Keramikchips aus den verschiedenen Keramikschichten gegeben
ist, die eine sehr sichere Aufnahme in einer Ausnehmung eines Einspritzsystems
gewährleisten.
Dabei kann die geringere Ausdehnung nicht nur dadurch erreicht werden,
dass die laterale Ausdehnung in jede laterale Richtung reduziert
wird, sondern die Ausdehnung nur in einzelne Richtungen reduziert
ist oder sich auch nur die äußere Form
der einzelnen Keramikschichten ändern. Beispielsweise
kann eine runde, zylinderförmige
Keramikschicht von einer Keramikschicht mit elliptischer Grundfläche bzw.
sechseckiger oder quadratischer Grundfläche gefolgt sein, wobei diese
in ihren Ausdehnungen die vorhergehende näher zu der obersten Keramikschicht
befindlichen Keramikschichten nicht lateral überragen. Durch diese keilförmige Ausbildung
des Sensors ist zudem ein einfacher Einbau in das Einspritzsystem
gegeben. Dies ist von besonderer Bedeutung, da der thermische Massenflusssensor
von innen in das Einspritzsystem integriert werden muss, damit ein
sicherer Einbau und Widerstand gegen hohe Drücke gegeben ist.
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Dabei hat es sich besonders bewährt, die einzelnen
Keramikschichten zentriert übereinander bzw.
aufeinander anzuordnen, so dass beispielsweise die Form einer Kegelstumpfpyramide
erreicht wird. Beim Einbau einer solchen beispielhaften Kegelstumpfpyramide
ist ein gewisses Führen
des thermischen Mas senflusssensors mithilfe der Keramikschichten
mit den kleineren Ausdehnungen gegeben, was den Einbau erheblich
vereinfacht.
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Darüber hinaus hat es sich besonders
bewährt,
die einzelnen Keramikschichten in ihrer Ausdehnung nicht immer kleiner
gegenüber
den weiter oben angeordneten Keramikschichten, welche einen geringeren
Abstand zu der Keramikschicht mit dem Messelement haben, auszubilden,
sondern gerade zuzulassen, dass einzelne oder mehrere aufeinanderfolgende
Keramikschichten dieselbe Ausdehnung respektive Gestalt aufweisen
oder auch mehrere nicht unmittelbar aufeinanderfolgende Keramikschichten
dieselbe Ausdehnung/Gestalt haben. Durch diese Ausbildung der Keramikschichten
ist gewährleistet,
dass eine sehr gute seitliche Führung – und damit
Abdichtung – des
Massenflusssensors in der für
den Einbau vorgesehenen Ausnehmung im Einspritzsystem gegeben ist.
Sollten zwei nicht benachbarte Keramikschichten gleiche Formen und Ausdehnungen
aufweisen und durch eine oder mehrere Keramikschichten kleinerer
Ausdehnung getrennt sein und sich dadurch eine Art Nut in dem thermischen
Massenflusssensor ergeben, so wird diese Nut insbesondere zur Aufnahme
von Dichtmitteln oder Verbindungsmitteln verwendet, wodurch eine sehr
dichte und dauerhafte Verbindung bzw. Sitz des erfindungsgemäßen thermischen
Massenflusssensors in dem Einspritzsystem gegeben ist. Damit ist ein
dauerhaftes Funktionieren des erfindungsgemäßen Massenflusssensors auch
bei hohen Drücken unter
schwierigen Umständen
gegeben.
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Als besonders vorteilhaft hat es
sich erwiesen, Keramikschichten quaderförmig bzw. zylindrisch mit kreisrunder
oder ovaler Grundfläche
bzw. als Prisma, also in Form eines Körpers mit dreieckiger Grundfläche und
definierter Höhe,
auszubilden. Diese Formen lassen sich sehr einfach und sicher herstellen,
so dass verschiedene Keramikschichten unterschiedlicher Form, Gestalt
oder Ausdehnung sehr einfach erfindungsgemäß miteinander kombiniert werden
können.
Dabei haben sich als besonders vorteilhaft die quaderförmigen und
die prisma tischen Gestalten mit der Grundfläche eines gleichseitigen Dreiecks
bewährt,
da sie sehr kostengünstig
und einfach hergestellt werden können.
Darüber
hinaus lassen sie sich auch sehr einfach und präzise miteinander verbinden.
Dadurch ist sichergestellt, dass der gewünschte erfindungsgemäße mehrschichtige
Aufbau aus mehreren verschiedenen Keramikschichten auf kostengünstige und
einfache Weise geschaffen werden kann. Als besonders vorteilhaft
hat es sich erwiesen, alle Keramikschichten eines erfindungsgemäßen thermischen
Massenflusssensors von einheitlicher Grundform, also alle zylindrisch,
prismatisch oder quaderförmig
auszubilden und nicht untereinander zu mischen. Dadurch gelingt
es, die Integration des thermischen Massenflusssensors in ein Einspritzsystem
merklich zu vereinfachen.
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Daneben hat es sich besonders bewährt, einzelne
oder alle Keramikschichten eines erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensors kegelstumpfförmig oder
pyramidenstumpfförmig
auszubilden. Dadurch gelingt es in besonders vorteilhafter Weise
mithilfe der sich verjüngenden
Keramikschichten eine selbstzentrierende äußere Gestalt des Keramikchips
des erfindungsgemäßen thermischen
Massenflusssensors zu erreichen, was zu einem sehr einfachen und
sicheren Einbau führt.
Neben der Möglichkeit,
alle Keramikschichten kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmig auszubilden und
dadurch dem erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensor
selbst die Gestalt eines Pyramiden- oder Kegelstumpfes zu geben,
hat es sich besonders bewährt,
einzelne Abschnitte vorzusehen, bei denen eine stufenförmige Reduktion
der lateralen Ausdehnung gegeben ist. Dies wird dadurch erreicht, dass
sich aufeinanderfolgende Keramikschichten in ihrer lateralen Ausdehnung
deutlich voneinander unterscheiden. Dadurch ergibt sich insbesondere
ein Absatz, der sich über
den gesamten Umfang der einzelnen Keramikschicht erstreckt, welcher
in Verbindung mit einer entsprechend geformten Ausnehmung in dem
Einspritzsystem zur Aufnahme des integrierbaren thermischen Massenflusssensors
eine sehr wirkungsvolle Abdichtung und ein sehr wirkungsvolles Widerlager
gegen den im Einspritzsystem durch das Einspritzgemisch entstehenden
Druck gebildet. Durch diese Ausbildung sind sehr dauerhafte, kostengünstige und
sichere thermische Massenflusssensoren geschaffen, welche insbesondere
bei hohen Drücken
im Bereich von über
1.500 bar funktionsfähig
sind.
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Die Verwendung von Keramikschichten,
die unter Anwendung der LTCC-Technologie geschaffen wurden, hat
sich als sehr vorteilhaft erwiesen, da diese Keramiken sehr einfach
hergestellt werden können,
ohne dass hohe Temperaturen für
die Keramikbildung notwendig sind. Diese LTC-Keramiken erweisen
sich auch als sehr druckresistent, als chemisch sehr inert und als
mechanisch stabil. Dies führt
dazu, dass der Sensor auch in sehr schwierigen Umgebungen, wie sie
in einem Einspritzsystem mit den hohen Temperaturen und den aggressiven
Lösungsmitteln, insbesondere
Kraftstoffen, vorliegen, dauerhaft seine Aufgaben als thermischer
Massenflusssensor insbesondere bei hohen Drücken und hohen Temperaturen
erfüllen
kann.
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Es hat sich besonders bewährt, die
Ableitungen, soweit sie durch die Keramikschichten geführt sind,
mäanderförmig auszubilden.
Diese mäanderförmige Struktur
wird dadurch erreicht, dass durch die einzelnen Keramikschichten
Verbindungen mittels 'Via-Holes' oder durch metallgefüllte Hohlräume oder
mit dotiertem Material gefüllte
Hohlräume
verwendet werden, während
zwischen den Keramikschichten flächige
elektrische Verbindungen zur elektrischen Verbindung der Durchkontaktierungen
durch die Keramikschichten verwendet werden. Die mäanderförmige Struktur
gewährleistet
eine druckdichte elektrische Verbindung des Messelementes bzw. der Messelemente
auf der Oberfläche
der obersten Keramikschicht zu den elektrischen Anschlüssen auf der
anderen Seite der miteinander verbundenen Keramikschichten. Diese
elektrischen Anschlüsse
werden typischerweise als 'Bond-Pads' realisiert, die
mit externen elektrischen Leitungen beispielsweise durch Löten oder
Anschweißen
verbunden werden können.
Diese elektrischen An schlüsse
sind in dem in ein Einspritzsystem eingebauten Zustand regelmäßig von
außen
zugänglich,
so dass direkt an ihnen das Sensorsignal respektive das Signal des
Messelementes oder der Messelemente abgegriffen und einer weiteren
Signalverarbeitung zugeführt
werden kann.
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Dagegen befindet sich das Messelement bzw.
die Messelemente im Inneren des Einspritzsystems und sind dadurch
von dem zu messenden Einspritzgemisch umgeben, was dazu führt, dass
der zwischen den elektrischen Anschlüssen und dem oder den Messelementen
befindliche Teil des thermischen Massenflusssensors die Funktion
eines trennenden Elementes respektive Wandung des Einspritzsystems
hat. Dieser Teil des thermischen Massenflusssensors muss die Druckunterschiede,
die Temperaturunterschiede, die unterschiedlichen chemischen und
physikalischen Eigenschaften zwischen der Umgebung und dem Innenraum
des Einspritzsystems sicher und dauerhaft voneinander trennen können. Dies
ist durch die Ausbildung des erfindungsgemäßen Massenflusssensors in besonderem Maße gegeben.
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Vorzugsweise wird das Messelement
aus Platin, Molybdän
oder Titan oder einer Verbindung eines Metalls oder einer Kombination
daraus hergestellt. Diese Metalle bzw. die Verbindungen daraus eignen
sich besonders für
eine Anordnung auf einer derartigen Keramikschicht, wie sie Teil
des erfindungsgemäßen thermischen
Massenflusssensors ist. Die Aufbringung des Messelementes kann dabei aufgrund
der verwendeten Materialien für
das Messelement im Rahmen des Herstellungs- oder Verarbeitungsprozesses
der Keramikschichten erfolgen. Dadurch lässt sich ein einfacher, einheitlicher
Fertigungsprozess für
den erfindungsgemäßen Massenflusssensor
realisieren, der zu einer günstigen
und qualitativ hochstehenden Fertigung des erfindungsgemäßen thermischen
Massenflusssensors führt. Durch
die ausgeprägte
thermische Abhängigkeit
des Ohmschen Widerstandes der verwendeten Materialien ist darüber hinaus
eine ausgeprägt
gute Auflösung
des Sensors gegeben, was zu sehr verlässlichen und differenzierten
Informationen über
den Massen fluss im Einspritzsystem führt. Auf Basis dieser verlässlichen
und differenzierten Informationen zum Massenfluss lässt sich
das Einspritzsystem besonders vorteilhaft bzgl. des Einspritzzeitpunktes, der
Einspritzmenge wie auch der Verhältnisse
der Komponenten für
das Einspritzgemenge regeln und dadurch einen optimierten Einspritzvorgang
und ebenso eine optimierte Verbrennung gewährleisten. Dies führt zu einer
merklichen Reduktion der Emissionen bzw. Reduktion des Fahrgeräusches ("Nageln") wie auch der verwendeten
Kraftstoffe.
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Vorzugsweise wurde das Messelement
flächig
mit einer Materialstärke
von wenigen 100 nm, insbesondere im Bereich von 100 nm auf der Oberfläche der
obersten Keramikschichten aufgebracht. Dies erfolgt vorzugsweise
mittels Dünnschichttechnologien,
insbesondere mithilfe einer Elektrodenstrahlaufdampfanlage unter
anschließender
Strukturierung des aufgebrachten Metalldünnfilms mithilfe von nasschemischem
Strukturieren unter Verwendung von Photoresist-Lacken. Dabei hat
es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass durch die besondere
Wahl der Materialstärke
des flächigen Messelementes
von wenigen 100 nm eine negative Beeinflussung des Strömungsverhaltens
in dem Einspritzsystem weitgehend ausgeschlossen ist und dadurch
wiederum eine optimierte Einspritzung erreicht werden kann. Dabei
hat es sich gezeigt, dass gerade durch die Verwendung von flächigen Messelementen dieser
Materialstärke,
welche im Bereich der typischen Rauhigkeit einer polierten Oberfläche einer Keramikschicht
liegt, ein "Verschwinden" des Messelementes
in der Oberflächenrauhigkeit
in der obersten Keramikschicht gegeben ist. Dies führt dazu, dass
das Messelement somit fast vollständig in der Oberflächenrauhigkeit
des Keramikchips verschwindet und somit nur geringe oder nahezu
keine Auswirkungen auf das makroskopische Geschwindigkeitsfeld des
Einspritzgemisches im Bereich des Massenflusssensors besitzt. Dies
führt zu
einem sehr wirkungsvollen Massenflusssensor.
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Alternativ zu der Möglichkeit
mittels Dünnschichttechnologie
flächige
Messelemente auf der Oberfläche
der obersten Keramikschicht mit einer Materialstärke von wenigen 100 nm oder
darunter auszubilden, hat es sich bewährt, mittels Dickschichttechnologie
Messelemente, elektrische Verbindungen, mit einer Materialstärke von
wenigen μm
auszubilden. Dies führt
zu räumlich
und lokal begrenzten Verwirbelungen im Bereich der Wandung des Einspritzsystems
bzw. der Oberfläche
der obersten Keramikschicht, die zu einem intensiven Durchmischen des
Einspritzgemisches im Bereich der oder des Messelementes führt und
dadurch zu einem Messergebnis führt,
das einem gemittelten Messwert über den
Bereich der Verwirbelung um das Messelement herum entspricht. Damit
ist ein recht verlässlicher Messwert
gegeben. Erfindungsgemäß wird die
Materialstärke
nur wenige μm
und nicht deutlich über
50 μm gewählt, so
dass es nicht zu störenden
Beeinflussungen des Flussfeldes des Einspritzgemengestromes besonders
in der Einspritzdüse
führt.
Dies ist durch die Verwendung von Materialstärken von wenigen μm oder darunter,
insbesondere im Bereich von 100 nm, in besonderem Maße erreicht.
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Gerade im Fall der Realisierung von
Messelementen mittels Dickschichttechnologie hat es sich besonders
bewährt,
im Bereich der Keramikschichten insbesondere zwischen den Keramikschichten elektronische
Komponenten, insbesondere passive elektronische Komponenten wie
Widerstände,
Kondensatoren, Filter, vorzusehen, die geeignet sind, die durch
ein Messelement generierten Messsignale zu filtern oder anderweitig
aufzubereiten und die aufbereiteten Messsignale anschließend über die
elektrischen Anschlüsse
einer abgesetzten Auswerteeinheit zuzuführen. Durch diese Anordnung
von elektronischen Komponenten in Dickschichttechnologie im Bereich
der Keramikschichten ist die Möglichkeit
geschaffen, bei Erhalt der Fertigungstechnologie sehr kompakte,
wirkungsvolle, kostengünstige
und intelligente thermische Massenflusssensoren zum Einsatz in Einspritzsystemen
mit hohen Einspritzdrücken
zu rea lisieren, die sehr aussagekräftige, verlässliche Messsignale zur Verfügung stellen
können.
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Nach einer besonders bevorzugten
Ausbildung des erfindungsgemäßen thermischen
Massenflusssensors ist das Messelement mit einer Schutzschicht,
insbesondere aus amorphem Siliziumcarbid, überzogen. Durch diese Schutzschicht,
insbesondere aus Siliziumcarbid, ist eine Passivierung des Messelementes
gegeben, die die Empfindlichkeit des Messsensors gegen chemische,
aggressive Einflüsse
durch das Einspritzgemisch erheblich reduziert. Die gewählte Schutzschicht
aus amorphem Siliziumcarbid wird vorzugsweise mittels Plasma Enhanced Chemical
Vapor Deposition (PECVD) gebildet. Sie stellt eine elektrisch nichtleitende
Schutzschicht dar, die im Rahmen der Fertigung des Massenflusssensors
mit seinen Keramikschichten und metallischen oder dielektrischen
Komponenten ohne wesentliche zusätzliche
untypische Verfahrensschritte realisiert werden kann. Ohne den Herstellungsprozess
wesentlich zu komplizieren, gelingt es, einen sehr robusten, dauerhaften
und wirksamen Massenflusssensor zu realisieren.
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Als besonders vorteilhaft hat es
sich erwiesen, mehr als ein einziges Messelement auf der Oberfläche der
obersten Keramikschicht anzuordnen. Dadurch gelingt es, beispielsweise
zwei Messelemente pro erfindungsgemäßen Massenflusssensor anzuordnen
und dadurch die Möglichkeit
zu schaffen, eine Flussrichtung zu bestimmen oder eine bidirektionale
Massenflussmessung durchzuführen.
Darüber hinaus
wird es durch diesen Sensor möglich,
ein Messelement, das Upstream-Messelement, zur Massenflussmessung
zu verwenden und das andere Messelement, das Downstream-Messelement,
zur Temperatursensierung zu benutzen. Damit wird es möglich, Schwankungen
der Temperatur des Einspritzmengengemisches zu detektieren und diese Schwankungen
bei der Auswertung des Signals des Messelementes zur Bestimmung
des Massenflusses durch das upstream angeordnete Messelement zu verwenden.
Dadurch gelingt es, die Verlässlichkeit bzw.
die Qualität
des Sensorsignals des Massenflusssensors erheblich zu verbessern
und dadurch die Möglichkeit
zu schaffen, ein Einspritzsystem noch besser zu steuern oder zu
regeln.
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Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen,
die verschiedenen Messelemente unterschiedlich auszubilden. Dies
wird insbesondere dadurch realisiert, dass sie aus unterschiedlichen
Materialien oder mit unterschiedlichen Längen oder alternativ oder ergänzend in
unterschiedlichen Anordnungen auf der Oberfläche der obersten Keramikschicht angeordnet
sind. Dadurch lässt
sich ein differenziertes Messsignal der beiden oder mehreren Messelemente
schaffen, das gemeinsam ausgewertet zu einem verlässlicheren
gemeinsamen Messwert des thermischen Massenflusssensors führt.
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Es hat sich besonders bewährt, das
Messelement auf der Oberfläche
der obersten Keramikschicht nicht geradlinig, sondern in geschwungenem Verlauf – insbesondere
U-förmig
oder mäandrierend – anzuordnen.
Dadurch wird erreicht, dass das Einspritzgemenge bei vorgegebener
Oberfläche über eine
vergrößerte Länge des
Messelementes in Kontakt steht und durch Mikroturbulenzen, die durch
die Struktur des Messelementes gebildet werden, in gutem thermischen
Kontakt steht. Durch diesen guten thermischen Kontakt wird eine
verlässliche
Anpassung der Temperatur des Messelementes gegenüber der Temperatur des Einspritzgemenges
gewährleistet,
was wiederum zu einem veränderten
Ohmschen Widerstand führt,
der ausgewertet wird und als Massenfluss dargestellt oder zur Steuerung
oder Regelung verwendet wird.
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Durch diese besondere Ausbildung
der Messelemente als U-förmig oder
mäandrierender
elektrischer Leiter ist eine besonders wirksame und differenzierende
Sensierung des Massenflusses gegeben.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus
ein Einspritzsystem mit einem erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensor,
der in eine Ausnehmung einer Wandung des Einspritzsystems integriert
bzw. dafür
vorgesehen ist. Das Einspritzsystem, das hohe Einspritzdrücke im Bereich
von 1.500 bar oder darüber
realisiert, benötigt
zur sicheren Regelung des Einspritzverhaltens, d.h. beispielsweise
des Einspritzdruckes, des Einspritzzeitpunktes, der Einspritzmenge
und ähnliches,
eine sehr sichere und verlässliche
Information über
die Einspritzmengenverhältnisse
bzw. den Massenfluss in dem Einspritzsystem. Diese Information wird
durch den in das Einspritzsystem integrierten thermischen Massenflusssensor
zur Verfügung
gestellt. Die Voraussetzung bzw. Anforderung des Einspritzsystems
mit den hohen Temperaturen im Bereich des Verbrennungsmotors, den
hohen Drücken,
bedingen eine starke mechanische Belastung des gesamten Einspritzsystems,
insbesondere des oder der darin integrierten Massenflusssensoren.
Darüber
hinaus erweist sich der Kraftstoff als chemisch als sehr aggressiv.
Er stellt ein gängiges
Lösungsmittel
für eine
Vielzahl von Stoffen dar und bewirkt somit ein Zerstören empfindlicher
Sensorbestandteile oder einzelner Komponenten gängiger Massenflusssensoren.
Dies führt
zu einem schwierigen Umfeld des erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensors.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform des
Einspritzsystems sind zwischen der Hochdruckpumpe und der Einspritzdüse bzw.
der Düse
der Einspritzdüse
mehrere erfindungsgemäße Massenflusssensoren
angeordnet. Hierdurch gelingt es, nicht nur den jeweiligen Massenfluss
eindeutig und sicher zu sensieren, sondern es gelingt auch, den
Massenflussabfall bzw. Druckabfall über einen Massenflussvergleich
zu gewinnen. Durch diese Information des Massenflussverlaufes gelingt
es, das Einspritzsystem zielgerichtet zu optimieren bzw. in einem
optimierten Zustand zu betreiben. Auch ist es möglich, Bereiche besonderer
Belastung beispielsweise durch starke Veränderungen bzw. Abweichungen
des Massenflusses durch eine entsprechende Änderung der Konstruktion des
Einspritzsystems dahingehend anzupassen, dass diese Belastungen
reduziert sind. Dies führt
zu einem sehr wirtschaftlichen und effizient ar beitenden Einspritzsystem,
durch welches der Energieverbrauch und damit auch die Emissionen merklich
bzw. erheblich reduziert werden können.
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Nach einer bevorzugten Ausbildungsform der
Erfindung ist die äußere Gestalt
des Massenflusssensors mit der Ausnehmung in der Wandung des Einspritzsystems
abgestimmt. Die Abstimmung erfolgt dahingehend, dass der Massenflusssensor
in die Ausnehmung formschlüssig
dichtend eingebracht werden kann. Hierdurch ist sichergestellt,
dass bei der Druckbeaufschlagung durch das einspritzende Kraftstoffgemisch
eine Einpressung in einen insbesondere dichtenden Sitz, der durch
die Wandung um die Ausnehmung für
den Massenflusssensor gebildet wird, bewirkt wird. Dies wird insbesondere
dadurch erreicht, dass der Massenflusssensor keilförmig verjüngend ausgebildet
ist bzw. eine stufenförmig
verjüngende
Gestalt dahingehend aufweist, dass Dichtflächen geschaffen werden, die
eine Abdichtung zwischen der äußeren Gestalt
des Massenflusssensors und der Wandung im Bereich der Ausnehmung
bewirken.
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Es hat sich besonders bewährt, dass
neben der Anpassung der äußeren Gestalt
im Bereich zwischen der Wandung und dem Massenflusssensor ein Dichtmittel
verwendet wird. Als Dichtmittel hat sich die Verwendung eines Klebers,
insbesondere eines Epoxydharzklebers bewährt. Dieser sorgt einerseits für eine dichtende
Verbindung zwischen dem Massenflusssensor und der Wandung des Einspritzsystems,
aber auch für
eine dauerhafte, sichere mechanische Verbindung des Massenflusssensors
mit der Wandung. Dies führt
zu einer dauerhaften und sicheren Funktionsfähigkeit des Einspritzsystems
auch bei hohen Drücken.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
einer beispielhaften Darstellung eines Einspritzsystems mit erfindungsgemäßen beispielhaften
thermischen Massenflusssensoren erläutert. Die Erfindung ist nicht
auf diese in den 1 und 2 dargestellte Ausführungen
der Erfindung begrenzt.
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In 1 ist
ein Ausschnitt einer Wandung 10 eines Einspritzsystems,
hier als Wandung einer Common Rail, dargestellt. Die Wandung 10 zeigt eine
Ausnehmung, in die der erfindungsgemäße thermische Massenflusssensor 1 eingebracht
ist. Die äußere Gestalt
des Sensors 1 ist der Form der Ausnehmung angepasst. Sie
zeigt eine keilförmige,
sich verjüngende äußere Gestalt.
Die äußere Gestalt
des Sensors 1 ermöglicht
in Zusammenwirkung mit der die Ausnehmung umgebende Wandung 10 eine formschlüssige, dichtende
Verbindung zwischen den beiden Komponenten des Einspritzsystems.
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Zur besseren Abdichtung wird der
Sensor 1 in die Wandung 10 mittels eines hier
nicht dargestellten Epoxydharzklebers eingeklebt. Dieser Epoxydharzkleber
stellt eine sichere und dichte Verbindung zwischen der Wandung 10,
welche aus einem hochlegierten Stahl besteht, und den Keramikschichten 2 des
thermischen Massenflusssensors 1 sicher.
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Die oberste Keramikschicht 2 überragt
dabei alle anderen darunterliegenden, vom Inneren des Einspritzsystems
weiter entfernten Keramikschichten 2. Die einzelnen Keramikschichten 2 des
Massenflusssensors 1 haben die Gestalt eines Kegelstumpfes.
Dabei sind die aneinanderstoßenden,
benachbarten, miteinander verbundenen Keramikschichten 2 so
ausgebildet, dass die Deckfläche
der größer ausgedehnten
Keramikschicht der Grundfläche
des Kegelstumpfes der kleiner ausgedehnten Keramikschicht 2 entspricht.
Dies führt
zu einem direkten Übergang
der schrägverlaufenden
Seitenfläche
der einen Keramikschicht 2 zur nächsten Keramikschicht 2.
Es entsteht somit eine äußere Gestalt
eines Kegelstumpfes aus mehreren einzelnen kegelstumpfförmigen Keramikschichten 2.
Nur an einer einzigen Stelle entspricht die Deckfläche nicht
der Grundfläche
der benachbarten Keramikschicht 2. Die Grundfläche ist kleiner
als die Deckfläche.
Dadurch entsteht ein Absatz, der die Grundfläche der weiter unten befindlichen,
vom Einspritzgemenge weiter entfernten Keramikschicht umschließt. Es wird
dadurch ein ringförmiger
Absatz gebildet, der mit einem ent sprechenden Absatz in der Wandung 10 des
Einspritzsystems dahingehend zusammenwirkt, dass er einen dichtenden
Sitz und ein Widerlager gegen den durch das Einspritzgemenge ausgeübten Druck
p von über 1.500
bar auf den Massenflusssensor 1 bildet. Dadurch ist eine
sichere und dauerhafte Anordnung des Massenflusssensors 1 in
der Wandung 10 des Einspritzsystems gegeben. Diese stufige
Ausbildung der äußeren keilförmigen Gestalt
des Massenflusssensors 1 bzw. der Ausnehmung hat sich besonders
bewährt.
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Der Massenflusssensor 1 zeigt
fünf Keramikschichten 2,
die nach der LTCC-Technologie hergestellt und miteinander verbunden
wurden. Die Dicke der fünf
Schichten bzw. des Massenflusssensors beträgt etwa 850 μm. Die Keramikschichten 2 sind
miteinander flächig
fest verbunden. Die Verbindung wird durch einen Sinterprozess bei
niedrigen Temperaturen realisiert.
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Auf der dem Kraftstoff/Einspritzgemenge
zugewandten Seite des Massenflusssensors 1 ist das Messelement,
das als elektrische Verbindung auf der Oberfläche ausgebildet ist, realisiert.
Das Messelement ist fest, insbesondere flächig, mit der obersten Keramikschicht
mechanisch verbunden. Diese mechanisch feste Verbindung wird mittels
Dünnschichttechnologie
durch Aufdampfen oder Aufsputtern mittels einer Elektrodenstrahlaufdampfanlage
bzw. Sputteranlage aufgebracht. Anschließend wird das Messelement 4 passiviert,
indem eine Schutzschicht aus amorphem Siliziumcarbid mittels Plasma
Enhanced Chemical Vapor Deposition abgeschieden wird. Durch diese
Schutzschicht ist ein besonderer mechanischer wie auch chemischer
Schutz des Messelementes vor den Einflüssen des Einspritzgemisches gegeben.
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Das Messsignal des Messelementes 4 wird über die
elektrischen Ableitungen 5 durch die Keramikschichten 2 an
die gegenüberliegende
Seite des Sensors 1 weitergeleitet. Auf der anderen Seite
sind Bond-Pads 6 angeordnet, die mit flexiblen elektrischen
Leitungen 7 zum Abgreifen des Messsignals verbunden werden.
Dieses Signal wird einer Auswerteeinheit zugeführt, die in 1 nicht dargestellt ist. Diese Auswerteeinheit
setzt die elektrischen Signale des Messelementes bzw. der Messelemente
in Massenflusssignale um, die zur Steuerung oder Regelung des Einspritzsystems
verwendet werden.
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Die Ableitungen 5 sind mäanderförmig durch die
Keramikschichten 2 des Sensors 1 geführt. Die Durchführungen
durch die einzelnen Keramikschichten 2 erfolgt durch Via-Holes,
welche mit einer Metallisierung versehen sind. In der Zwischenschicht
zwischen zwei Keramikschichten 2 ist mittels flächiger elektrischer
Leitung eine elektrische Verbindung geschaffen, die durch Siebdruck
oder andere Aufbringungstechniken von metallischen Leiterbahnen
realisiert werden können.
Durch das mäanderförmige Durchführen der
Ableitungen 5 durch die fünf Keramikschichten 2 ist
eine druckdichte Ableitung des elektrischen Messsignals von dem
Messelement 4 gewährleistet.
Ein Durchdringen des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffes – beispielsweise
im Bereich von über
1.500 bar – durch
die mäanderförmig gebildete
elektrische Verbindung ist weitgehend ausgeschlossen.
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Der durch das Einspritzgemenge auf
die Wandung 10 bzw. den Sensor 1 ausgeübte Druck
ist durch einen Pfeil mit der Bezeichnung P angedeutet. Es wird
deutlich, dass der keilförmig
ausgebildete Sensor 1 durch den Einspritzdruck in den durch
die Wandung 10 gebildeten Sitz eingepresst wird und durch
das Einpressen in Verbindung mit der äußeren Gestaltung des Sensors 1 und
der Wandung 10 eine formschlüssige dichtende Verbindung
geschaffen wird. Diese Verbindung wird durch den nicht dargestellten
Epoxydharzkleber als dichtendes verklebendes Element weiter verbessert.
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Der thermische Massenflusssensor 1 zeigt einen
typischen Durchmesser von wenigen mm. Es ist möglich, den Sensor 1 in
eine Wandung 10 einer Einspritzpumpe, einer Zuleitung des
Einspritzdüse, der
Common Rail oder auch in der Einspritzpum pe selbst anzuordnen. Der
Massenflusssensor ermöglicht
ein direktes, schnelles Messen der Einspritzverhältnisse, insbesondere wenn
an verschiedenen Stellen mehrere Sensoren 1 im Einspritzsystem
angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, ein sehr differenziertes
Bild der Einspritzverhältnisse,
insbesondere der zeitlichen Entwicklung der Einspritzverhältnisse
zu gewinnen, und dadurch die Einspritzvorgänge auf Effizienz, d.h. auf
minimalen Kraftstoffverbrauch wie auch auf minimale Emission von
schädlichen
Abgasen zu optimieren.
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In 2 ist
die Oberfläche
einer kreisrunden oberen Keramikschicht 2 dargestellt.
Sie zeigt zwei Messelemente 4a, 4b. Diese beiden
Messelemente 4a, 4b sind flächig auf der Oberfläche der
Keramikschicht 2 aufgebracht. Sie bestehen aus in Form
von Dünnfilmen
aufgebrachte metallische Filme aus Molybdän bzw. einer Verbindung aus
Titan und Platin. Diese metallischen elektrischen Verbindungen werden
mittels einer Elektronenstrahlaufdampfanlage auf die Oberfläche der
obersten Keramikschicht 2 aufgebracht. Dabei ist die Materialstärke der
flächig aufgebrachten
Messelemente 4a, 4b in derselben Größenordnung
wie die Rauhigkeit der polierten, also geglätteten Oberfläche der
Keramikschicht 2. Die Materialstärke beträgt etwa 100 nm. Dadurch verschwinden
die Messelemente 4a, 4b in der Oberflächenrauhigkeit
der Keramikschicht 2, wodurch keine wesentliche Beeinträchtigung
des Strömungsfeldes
des Einspritzgemisches im Bereich des erfindungsgemäßen Massenflusssensors 1 festzustellen ist.
Durch die Wahl des U-förmigen
Verlaufes des Messelementes 4a bzw. des mäandrierenden
Verlaufes des Messelementes 4b ist sichergestellt, dass
Mikroturbulenzen im Bereich der Messelemente 4a, 4b erreicht
werden, die einen intensiven Wärmeaustausch
zwischen dem Einspritzgemisch und den elektrischen Verbindungen
der Messelemente 4a, 4b bewirken, ohne dass das
makroskopische Strömungsfeld
des Einspritzgemisches wesentlich beeinflusst ist. Durch diese Mikroturbulenzen
ist ein sehr verlässlicher,
aussagekräftiger
Messwert ermöglicht, der
zu einem sehr diffe renzierten ausgewerteten Messsignal und damit
zu einer verlässlichen
Steuerung des Einspritzsystems führen
kann.
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Durch die differenzierte Ausbildung
der beiden Messelemente 4a, 4b des Sensors 1 ist
es in besonderem Maße
möglich,
die Signale der einzelnen Messelemente einer differenzierten Auswertung
zu unterziehen, wodurch einerseits der Verlauf bzw. die Strömungsgeschwindigkeit
des Einspritzgemisches bestimmt werden kann oder auch bei einem
Betrieb eines Messelementes als Temperatursensor ein verbessertes
Massenflusssignal gewonnen werden kann.
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Der dargestellte Sensor 1 kann
als eigenständiges
Modul separat hergestellt werden und auf einfache Weise in eine
entsprechende Ausnehmung des Einspritzsystems, beispielsweise in
eine Common Rail oder eine Einspritzdüse, eingesetzt werden. Ein
einfaches und kostengünstiges
Austauschen oder Ersetzen derartiger Sensoren wird dadurch kostengünstig ermöglicht.