DE19945673B4 - Injection nozzle for internal combustion engines with a measuring element and a pressure-tight electrical feedthrough - Google Patents
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Abstract
Einspritzdüse für Verbrennungsmotoren, mit einem Gehäuse (81), das ein oder mehrere Einspritzöffnungen (83) aufweist, einem Innenraum (84) zur Zufuhr von Kraftstoff zu den Einspritzöffnungen (83) und einem Messelement (50), das im Innenraum (84) angeordnet ist um den Kraftstoffdurchfluss und/oder einen sonstigen Zustandsparameter des Kraftstoffes zu messen, wobei das Messelement (50) durch eine druckdichte elektrische Durchführung (9) im Gehäuse (81) der Einspritzdüse (80) mit dem Außenraum verbunden ist, dadurch gekennzeichnet dass, die elektrische Durchführung (9) aus mehreren Schichten (11, 12, 13) aufgebaut ist, die jeweils eine oder mehrere Durchkontaktierungen (21, 22, 23) aufweisen, wobei die Durchkontaktierungen (21, 22, 23) zweier benachbarter Schichten zueinander versetzt angeordnet sind und die elektrische Durchführung (9) laterale Leiterbahnen (31, 32) umfasst, welche die in den einzelnen Schichten (11, 12, 13) befindlichen Durchkontaktierungen (21, 22, 23) zu einem durchgehenden Leitungselement (20) verbinden.Injector for internal combustion engines, with a housing (81) having one or more injection ports (83), a Interior (84) for supplying fuel to the injection openings (83) and a measuring element (50) which is arranged in the interior space (84) to the fuel flow and / or another state parameter of the fuel, wherein the measuring element (50) by a pressure-tight electrical feedthrough (9) in the housing (81) of the injector (80) with the outside space is connected, characterized in that the electrical feedthrough (9) consists of several layers (11, 12, 13), each one or multiple vias (21, 22, 23), wherein the vias (21, 22, 23) of two adjacent layers are arranged offset from each other and the electrical feedthrough (9) lateral conductor tracks (31, 32), which in the individual Layers (11, 12, 13) located through-contacts (21, 22, 23) to a continuous line element (20) connect.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The present invention relates to an injection nozzle for internal combustion engines according to the preamble of claim 1
Bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luftgemisches ist es besonders wichtig, dass eine feine Verteilung des Kraftstoffes beispielsweise Benzin, Diesel oder Kerosin, mit der notwendigen Verbrennungsluft erreicht wird. Dies wird durch Einspritzdüsen erreicht, die den Kraftstoff fein verteilt und in der notwendigen Menge dem Brennraum eines Motors zuführen. Eine derartige Einspritzdüse ist in einem Artikel der Zexel Corporation im AMAA Konferenzband (ISBN 3-540-64091-6) S. 233 beschrieben.at the combustion of a fuel-air mixture is special important to have a fine distribution of fuel for example Gasoline, diesel or kerosene, with the necessary combustion air is reached. This is achieved by injectors that control the fuel finely distributed and in the necessary amount to the combustion chamber of an engine. A such injection nozzle is in an article by Zexel Corporation in the AMAA conference proceedings (ISBN 3-540-64091-6) P. 233.
Bei den bekannten Einspritzdüsen bzw. Einspritzvorrichtungen wird die einzuspritzende Kraftstoffmenge bei jeder Injektion durch eine möglichst genaue vorherige Kalibrierung der Einspritzdüse bzw. des Injektors festgelegt. Es wird also schon bei der Herstellung der Einspritzdüse festgelegt, welche Kraftstoffmenge bei einem Einspritzimpuls bzw. Injektionsvorgang in den Brennraum gelangt. Bedingt durch Fertigungstoleranzen ergeben sich jedoch Schwankungen der Einspritzmenge bei einer Injektion zwischen den hergestellten Einspritzdüsen.at the known injection nozzles or injectors is the amount of fuel to be injected with every injection by a precise as possible prior calibration of injector or injector specified. It is thus already determined during the production of the injection nozzle, what amount of fuel in an injection pulse or injection process gets into the combustion chamber. Due to manufacturing tolerances arise However, fluctuations in the injection quantity at an injection between the injection nozzles produced.
Um besonders große Abweichungen vom Normalwert zu vermeiden, erfolgt eine Aussonderung der betreffenden Einspritzdüsen bei der Herstellung, wodurch hohe Kosten entstehen. Darüber hinaus ist die Kalibrierung relativ aufwendig. Hinzu kommt, dass keine individuelle Kennlinienkurve für jeden Injektor nach der Fertigung vorhanden ist. Daher variiert im Betrieb die Einspritzmenge von Injektor zu Injektor, ebenso wie von einem Einspritzvorgang zum nächsten. Die Genauigkeit der Einspritzmenge ist deshalb eingeschränkt.Around especially big Deviations from the normal value are avoided, a separation takes place the injectors concerned during production, which results in high costs. Furthermore is the calibration relatively expensive. On top of that, no individual characteristic curve for each Injector is present after production. Therefore varies in operation the injection quantity from injector to injector, as well as from one Injection process to the next. The accuracy of the injection quantity is therefore limited.
Beim Betrieb des Motors hat die eingeschränkte Genauigkeit der Einspritzmenge zur Folge, dass eine erhöhte Gefahr einer schlechten Gemischbildung besteht, d. h., dass das Mischungsverhältnis zwischen Kraftstoff und Luft ungünstig ist. Eine Folge davon ist, dass ein Teil des Kraftstoffes unverbrannt die Brennkammer verlässt und schädliche Abgase erzeugt. Weiterhin ergibt sich bei einem ungünstigen Mischungsverhältnis ein schlechterer Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine.At the Operation of the engine has the limited accuracy of injection quantity result in an increased There is a risk of poor mixture formation, i. h. that that Mixing ratio between Fuel and air unfavorable is. One consequence of this is that some of the fuel is unburned Combustion chamber leaves and harmful Exhaust gases generated. Furthermore, results in an unfavorable mixing ratio poorer efficiency of the internal combustion engine.
In
der gattungsbildenden Patentschrift
Die
Die
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einspritzdüse für eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, mit der die Einspritzmenge mit erhöhter Genauigkeit bestimmt bzw. festgelegt werden kann und hierfür eine druckdichte elektrische Durchführung für ein Messelement unmittelbar vor den Einspritzöffnungen der Einspritzdüse vorzusehen.It is therefore the object of the present invention, an injection nozzle for an internal combustion engine to create, with the injection quantity determined with increased accuracy or can be set and this a pressure-tight electrical feedthrough for a measuring element immediately in front of the injection openings the injector provided.
Eine Einspritzdüse für Verbrennungskraftmaschinen umfasst ein Gehäuse, das ein oder mehrere Einspritzöffnungen und eine bewegliche Ventilnadel aufweist, wobei die Ventilnadel die Einspritzöffnungen frei gibt und einen Innenraum zwischen dem Gehäuse und der Ventilnadel zur Zufuhr von Kraftstoff zu den Einspritzöffnungen, wobei im Innenraum der Einspritzdüse ein Messelement angeordnet ist um den Kraftstoffdurchfluss und/oder einen sonstigen Zustandsparameter des Kraftstoffes zu messen. Dadurch kann für jede Einspritzdüse individuell die tatsächliche Einspritzmenge während der jeweiligen Injektion direkt an den Einspritzöffnungen bestimmt werden. Durch Messungen weiterer Zustandsparameter des Kraftstoffes, wie beispielweise Druck oder Tempereatur, kann der Verbrennungsvorgang noch weiter optimiert werden. Das Messelement im Innenraum ist durch eine druckdichte elektrische Durchführung im Gehäuse der Einspritzdüse mit dem Außenraum verbunden.A injection for internal combustion engines includes a housing, the one or more injection ports and a movable valve needle, wherein the valve needle the injection openings free and an interior space between the housing and the valve needle for Supply of fuel to the injection openings, wherein in the interior of the injection a measuring element is arranged around the fuel flow and / or to measure another conditional parameter of the fuel. Thereby can for every injector individually the actual Injection quantity during the respective injection can be determined directly at the injection openings. By Measurements of other fuel condition parameters, such as Pressure or temperature, the combustion process can be even further be optimized. The measuring element in the interior is characterized by a pressure-tight electrical implementation in the case the injector with the outside space connected.
Die elektrische Durchführung der erfindungsgemäßen Einspritzdüse ist aus mehreren Schichten aufgebaut, die jeweils eine oder mehrere Durchkontaktierungen aufweisen, wobei die Durchkontaktierungen zweier benachbarter Schichten versetzt zueinander angeordnet sind und die elektrische Durchführung laterale Leiterbahnen umfasst, welche die in den einzelnen Schichten befindlichen Durchkontaktierungen zu einem durchgehenden Leitungselement verbinden. Dadurch wird eine besonders hohe Druckfestigkeit im Bereich der elektrischen Durchführung erreicht.The electrical implementation the injection nozzle according to the invention is made composed of several layers, each one or more vias , wherein the plated-through holes of two adjacent layers offset from one another and the electrical feedthrough lateral Tracks, which are located in the individual layers Connect vias to a continuous line element. As a result, a particularly high compressive strength in the field of electrical conduction reached.
Bevorzugt ist das Messelement an einen Regelkreis zur Steuerung der Einspritzmenge gekoppelt. Dadurch wird ein rückgekoppeltes Sensor-Aktor-System erreicht, wodurch eine direkte, unmittelbare Optimierung der eingespritzten Kraftstoffmenge entsprechend den momentanen Anforderungen erfolgen kann.Prefers is the measuring element to a control loop for controlling the injection quantity coupled. This will be a feedback Sensor actuator system achieved, creating a direct, immediate Optimization of the injected fuel quantity according to the current requirements can be made.
Bevorzugt verlaufen die lateralen Leiterbahnen zwischen aneinandergrenzenden Schichten. Dadurch lastet der Druck nicht auf den einzelnen Durchkontaktierungen, sondern wird über die Schichtflächen verteilt.Prefers the lateral tracks run between adjacent ones Layers. As a result, the pressure is not on the individual vias, but will over the layer surfaces distributed.
Vorteilhafterweise umfasst die elektrische Durchführung ein Trennelement aus Keramik, das z.B. geschichtet bzw. mehrlagig ausgestaltet ist. In den einzelnen Schichten können ein oder mehrere durchgehende Löcher angeordnet sein, die mit einem elektrisch leitenden Material versehen sind. Beispielsweise kann in den durchgehenden Löchern eine Metallpaste eingebracht sein. Dadurch ergibt sich eine einfache und kostengünstige Herstellung, z.B. mittels Batch-Prozessierung, wobei dennoch ein hoher Miniaturisierungsgrad der elektrischen Durchführung bei hoher Festigkeit erreicht wird.advantageously, includes the electrical feedthrough a ceramic separator made e.g. layered or multilayered is designed. In the individual layers can be one or more continuous holes be arranged, which provided with an electrically conductive material are. For example, a metal paste can be introduced in the through holes be. This results in a simple and inexpensive production, e.g. using batch processing, but still a high degree of miniaturization the electrical implementation achieved at high strength.
Vorzugsweise ist die elektrische Durchführung aus Keramik in Green-Tape-Technologie gefertigt. Die einzelnen Schichten haben z.B. eine Dicke von 10 bis 100μm, vorzugsweise 60 bis 100μm, und insbesondere ca. 80μm. Durch diese Maßnahmen wird eine besonders rationelle kostengünstige Herstellung bei einer sehr kleinen Bauweise und dennoch hoher Festigkeit erreicht.Preferably is the electrical feedthrough made of ceramic in green tape technology. The individual layers have e.g. a thickness of 10 to 100 microns, preferably 60 to 100 microns, and in particular about 80μm. These measures will a particularly rational cost-effective production at a achieved very small construction and yet high strength.
Das Messelement kann z.B. ein Drucksensor mit einer Membran sein und/oder als Dehnmessstreifen vorliegen.The Measuring element can e.g. be a pressure sensor with a membrane and / or exist as strain gauges.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben, in denenfollowing the present invention will be described with reference to the drawings, in which
Selbstverständlich sind
auch andere Arten von Sensoren im Innenraum der Einspritzdüse
Die
druckdichte elektrische Durchführung
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist im Gehäuse eine Membran angeordnet, wobei ein Dehnmessstreifen außen angebracht ist um den Druck zu messen.In another embodiment the invention is in the housing arranged a membrane, with a strain gauge attached to the outside is to measure the pressure.
In
Die
Leitungsabschnitte
Die
fest miteinander verbundenen Schichten (
Anhand
von
Die
Leitungsabschnitte
Die
Löcher,
die mit der Metallisierung die Leitungsabschnitte
Die
Leiterbahnen
Die
aus den einzelnen Abschnitten
Die
Keramikschichten
Bei
vier Leitungselementen bzw. Leitungsdurchführungen
Zur Herstellung der druckdichten elektrischen Durchführung werden dünne Filme aus einem Keramikmaterial mit durchgehenden Löchern bzw. Via-Löchern versehen, in die anschließend metallisches Material eingebracht wird. Die Löcher werden herausgestanzt und anschließend mit einer Metallpaste gefüllt. Dabei wird die Position der Löcher so gewählt, daß beim späteren Zusammensetzen der Schichten jeweils ein seitlicher Versatz zwischen den so geschaffenen Durchkontaktierungen vorhanden ist. Nun werden auf den Schichtoberflächen Leiterbahnen ausgebildet, beispielsweise durch Aufdampfen von Metall bzw. durch Drucken bzw. Siebdruck von Metallpasten. Die Positionen und Richtungen der Leiterbahnen werden so gewählt, daß sie nach dem Zusammenfügen der einzelnen Schichten die zueinander versetzten Durchkontaktierungen miteinander verbinden um so eine oder mehrere Leitungselemente auszubilden, die sich durch den gesamten Schichtaufbau erstrecken. Anschließend werdend die Schichten bzw. Keramikschichten aufeinandergelegt und fest miteinander verbunden. Durch Sintern werden die Keramikschichten miteinander verbacken, so daß sich ein monolithisches Gebilde ergibt.to Production of pressure-tight electrical feedthrough become thin films made of a ceramic material with through-holes or via-holes, in the following metallic material is introduced. The holes are punched out and subsequently filled with a metal paste. This will be the position of the holes chosen so that at later Assemble the layers one lateral offset between each the vias thus created is present. Well be on the layer surfaces Conductor tracks formed, for example by vapor deposition of metal or by printing or screen printing of metal pastes. The positions and directions of the tracks are chosen so that they after joining the individual layers the mutually offset vias connect together to form one or more conduit elements, which extend through the entire layer structure. Subsequently, the Layers or ceramic layers stacked together and firmly together connected. By sintering the ceramic layers become one with each other baked, so that a monolithic structure results.
Für eine besonders schnelle und kostengünstige Herstellung wird diese im Batch-Verfahren durchgeführt, wobei eine Keramikkachel oder -schicht mit einer Größe von ca. 25cm2 wie oben beschrieben bearbeitet und anschließend in eine Vielzahl von Schichten vereinzelt wird. Danach werden die einzelnen Schichten aufeinander gestapelt bzw. fest miteinander verbunden, so daß sich die elektrische Durchführung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer oder mit mehreren durchgehenden Leitungselementen ergibt, die sich von einer Seite der Durchführung zur anderen Seite erstrecken.For a particularly rapid and cost-effective production, this is carried out in a batch process, wherein a ceramic tile or layer with a size of about 25 cm 2 is processed as described above and then separated into a plurality of layers. Thereafter, the individual layers are stacked on each other so that the electrical feedthrough according to the present invention results in one or more continuous line elements extending from one side of the feedthrough to the other side.
Eine besonders kostengünstige Herstellung ergibt sich durch Verwendung der Green-Tape-Technologie, bei der die Keramikschichten vor dem Sintern elastische Eigenschaften besitzen.A particularly cost-effective Production results from the use of green tape technology, at the ceramic layers before sintering elastic properties have.
Die elektrische Durchführung ist kostengünstig herstellbar und hat eine hohe Druckfestigkeit bei sehr geringer Größe bzw. hoher Miniaturisierbarkeit. Sie ist hochtemperaturtauglich und ermöglicht eine einfache Direktverbindung mit Elektronikeinheiten bzw. Sensorchips. In der Einspritzdüse verbindet sie einen innen liegenden Sensor elektrisch mit dem Außenraum. Dadurch wird der Kraftstofffluß im Innenraum der Einspritzdüse gemessen und ein rückgekoppeltes Sensor-Aktor-System zur Steuerung des Kraftstoffflusses ermöglicht. Im Betrieb wird durch die Messung und Steuerung der Einspritzdüse aufgrund des Meßsignals eine besonders hohe Genauigkeit der Einspritzmenge bei jeder vorhandenen Einspritzdüse und bei jedem Injektionsvorgang erzielt.The electrical implementation is inexpensive can be produced and has a high compressive strength at very low Size or high miniaturization. It is suitable for high temperatures and allows for easy Direct connection with electronic units or sensor chips. In the injection It connects an internal sensor electrically to the outside. As a result, the fuel flow in the Interior of the injector measured and fed back Sensor-actuator system for controlling the fuel flow allows. In operation, the measurement and control of the injector due to the measuring signal a particularly high accuracy of the injection quantity with each existing one injection and achieved with each injection.
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