EP1214756B1 - Einspritzdüse für verbrennungsmotoren - Google Patents

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EP1214756B1
EP1214756B1 EP00965811A EP00965811A EP1214756B1 EP 1214756 B1 EP1214756 B1 EP 1214756B1 EP 00965811 A EP00965811 A EP 00965811A EP 00965811 A EP00965811 A EP 00965811A EP 1214756 B1 EP1214756 B1 EP 1214756B1
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EP
European Patent Office
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injector nozzle
nozzle according
housing
layer
fuel
Prior art date
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EP00965811A
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French (fr)
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EP1214756A1 (de
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Gerhard KRÖTZ
Heinz Öing
Gregor Renner
Ulrich Schmid
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Publication date
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Publication of EP1214756B1 publication Critical patent/EP1214756B1/de
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M57/00Fuel-injectors combined or associated with other devices
    • F02M57/005Fuel-injectors combined or associated with other devices the devices being sensors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/005Arrangement of electrical wires and connections, e.g. wire harness, sockets, plugs; Arrangement of electronic control circuits in or on fuel injection apparatus
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • H01R13/46Bases; Cases
    • H01R13/533Bases, cases made for use in extreme conditions, e.g. high temperature, radiation, vibration, corrosive environment, pressure
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • H01R13/52Dustproof, splashproof, drip-proof, waterproof, or flameproof cases
    • H01R13/5219Sealing means between coupling parts, e.g. interfacial seal
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01RELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/73Means for mounting coupling parts to apparatus or structures, e.g. to a wall
    • H01R13/74Means for mounting coupling parts in openings of a panel

Definitions

  • the invention relates to an injection nozzle for internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
  • Injectors of the aforementioned type are known from BERBERIG O ET AL: "A NEW SENSOR FOR CONTINUOUS MEASUREMENT OF FUEL INJECTION RATE AND QUANTITY DURING DIESEL ENGINE OPERATION", ADVANCED MICROSYSTEMS FOR AUTOMOTIVE APPLICATIONS, SPRINGER “DE, PAGE (S) 233-247 XP000972096 and
  • the measuring element is designed as a microturbine and serves in engine operation to detect relevant for the engine control and to be processed in the engine control injection values, in this case the amount of fuel Connection with the optical detection of the rotational speed of the microturbine is the measuring element overall small indeed, but at best suitable for trial operation, but not for integration in injectors used in practical engine use, especially in high-pressure injection engines, especially if the injection conditions at the E injection to the engine should be detected as directly as possible.
  • DE 11 61 969 B shows an arrangement for sealing electrical conductors extending through a terminal part, wherein the terminal part is designed in the form of a shell-shaped cover formed radially inside its fastening edge, the bottom of which receives the lead-throughs for the conductors.
  • the conductors have on both sides of the lid on the bottom tapering, based on the extension of the bottom radially staggered line sections, which are connected via a running in the direction of the ground plane cross section, so that there is a Z-shaped angled line course, in which Transverse section is located within the bottom shell and the connection of the ladder to the lid is done by pouring the bottom, whereby a pressure and moisture-proof sealing of the ladder is to be achieved against the lid.
  • Such a construction requires the use of solid conductors and, already conditionally, certain minimum dimensions, so that there are limits to miniaturization as well as the ability to be subjected to high pressures.
  • the invention has the object of providing an injector of the type mentioned in terms of the assembly with a measuring element and the training of the measuring element to the effect that - regardless of the use of the injector in high pressure injection internal combustion engines - connected to a high degree of miniaturization of the measuring element positioning same is made possible in a particularly favorable range in a relevant for the detection of fuel parameters measured values.
  • the measuring element is arranged in the on the at least one injection opening expiring interior of the nozzle housing, namely, when connected to the given with respect to the injection nozzle outer space via a pressure-tight, the housing of the injection nozzle passing through electrical feedthrough, consisting of insulating material, stratified separator, mutually parallel and firmly bonded to the layer boundaries, film-like thin ceramic layers and which is penetrated by running between frontal contact elements line elements, which from Duch tokenmaschineen the respective layer forming, laterally staggered for successive layers line sections and these interconnecting interconnects are formed, which are applied to the layers in the layer boundaries.
  • the arrangement of the measuring element in expiring at least one injection port interior allows the detection of interesting Kraftetoffparameter, so in particular the Kraftetoff wish Wegmenge, in the region of the nozzle openings, so that the actually given in the injection conditions are detected, the arrangement of the measuring element via a in the housing of the injection nozzle lying implementation, which is possible due to the miniaturization and pressure-resistant construction of the measuring element, causes the measuring element forms quasi a housing part of the nozzle and thus is not disturbing both with respect to the nozzle assembly as well as the space.
  • the plated-through holes can be formed in the context of the invention by passing through the ceramic layers and provided with an electrically conductive material holes, for which purpose the holes can be metallized on the wall side or in the holes a metal paste can be introduced.
  • the tracks that lie in the layer boundaries can be vapor-deposited or printed in a simple manner, so that overall results in a simple construction of the separating element as a laminated body, regardless of the embedded line elements.
  • the ceramic layers which are film thin according to the invention, are in particular between 10 to 200 .mu.m in thickness, with a preferred average thickness range between 60 to 100 .mu.m, which allows cost-effective production and even with multi-layered construction small dimensions with high strength results, as by the zigzag course of the line elements between their front side to the partition element provided contact elements of the conduction path is well secured.
  • Fig. 1 shows an injection nozzle 80 for an internal combustion engine with a pressure-tight electrical feedthrough 9.
  • the electrical feedthrough 9 extends through a portion of the housing 81 of the injector 80 in the interior 84.
  • a measuring element 50 is mounted in the form of a sensor with the fuel flow within the injector 80 is measured.
  • Via outside lines 83 the measuring element 50 located in the interior 84 of the injection nozzle 80 is supplied with power.
  • the measurement signals obtained are supplied in operation via the lines 82 to a control loop which controls the injection quantity of the fuel or the opening of the injection valve.
  • In the interior 84 of the injection nozzle 80, which is traversed by the fuel there is, for example, a pressure of about 1500 bar, which the electrical feedthrough 9 withstands.
  • measuring elements 50 are also possible in the interior of the injection nozzle 80, which can measure various parameters, such as e.g. the pressure or the temperature of the fuel.
  • the respective measuring element is electrically connected to the outside space for the transmission of the measurement signals and / or the power supply.
  • the cylindrical housing 81 of the injection nozzle 80 has at its front end a plurality of nozzle openings 82.
  • a movable valve needle 90 which is for injection of fuel into the combustion chamber of the engine, the nozzle openings 82 are free.
  • the valve needle 90 is moved in the direction of arrow B upwards, so that the needle tip lifts off from the needle seat and fuel is expelled from the interior 84 through the nozzle openings 82.
  • the fuel is located in the interior 84 between the wall of the housing 81 and the valve needle 90 of the injection nozzle 80th
  • the pressure-tight electrical feedthrough 9 is located in a region of the wall of the housing 81 and forms a pressure-tight closure, so that under the high pressure in the interior 84 of the injection nozzle 80 no fuel can flow through the electrical feedthrough to the outside.
  • a measuring element 50 which serves to measure the fuel flow through the injection nozzle 80.
  • the pressure-tight electrical feedthrough 9 is shown with the connected measuring element 50 in an exploded view. It comprises a plurality of ceramic layers 11, 12, 13, which are firmly baked together or connected. The layers 11, 12, 13 are located in a cylindrical cavity 61, which is formed in a housing or frame 60, which is also cylindrical. On the observer facing the underside of the ceramic layer 11, two Leicerbahnen 31 are applied, which extend along the layer boundary. Each track 31 connects a line section 22 extending through the middle layer 12 with a staggered line section 21 extending through the first layer 11 (see FIG. 4).
  • the line sections 22 are in each case in turn connected to a further conductor track 32 which is located on the adjacent layer 13.
  • the course of the two line elements 20 with their associated Krusabschnicten 21, 22, 23 and the conductor tracks 31, 32 is shown in Fig. 4.
  • the measuring element 50 is formed by a conductor - or a wire or metal wire , which is arranged on the separating element 10.
  • a flow measurement in a flowing medium can be carried out by the electrical resistance of the conductor track is measured. This resistance is known to be temperature dependent and changes thus depending on the flow or flow rate of the flowing medium. About the heating power and the ohm's resistance of the fuel flow is measured.
  • the illustrated in section electrical feedthrough 9 shows the separator 10 made of insulating material, which is constructed from the layers 11, 12, 13 and manufactured.
  • the layers 11, 12, 13 are ceramic layers which are aligned parallel to one another and firmly connected to one another at the layer boundaries.
  • a line section 21, 22, 23 of a line element 20 which constitutes an electrical connection between the end face 10a facing the outside and the end face 10b of the separating element 10 facing the interior space 84.
  • the line sections 21, 22, 23 of the line element 20 are arranged laterally offset from one another and connected to each other by the conductor tracks 31, 32.
  • On the end faces 10a and 10b of the separating element 10 is in each case a contact pad or contact element 30a, 30b, which consists of a metallic layer and serves as a connection for electrical elements on both sides of the separating element 10.
  • the line sections 21, 22, 23 are formed by metals or metallizations, which are formed in through holes in the ceramic layers 11, 12, 13.
  • the through holes or via holes are filled with a metal paste.
  • the holes are metallized in each case only at its edge or on its inner wall in order to form the electrically conductive connection between the end faces 10a, 10b of the separating element 10.
  • the holes that form the line sections 21, 22, 23 with the metallization run perpendicular to the planes of the layers 11, 12, 13.
  • the mutual offset of a line section the next runs parallel to the layer planes.
  • Each line section 21, 22, 23 extends through a layer 11, 12, 13 so that the offset occurs at the layer boundaries, respectively.
  • Each line section 21, 22, 23 forms a via in the respective layer 11, 12, 13.
  • the conductor tracks 31, 32 are metal layers or tracks, which are vapor-deposited or printed on the respective upper side and / or lower side of the relevant layer.
  • the conductor tracks 31, 32 are very compact or designed small and have a thickness of 10 to 20 microns in the rule. But they can also be designed substantially thinner, for example, with a thickness of 1 micron or less.
  • Conduit elements 20 run zigzag through the separating element 10.
  • the number of layers is not limited to two or three. Particularly advantageous is e.g. the use of a multilayer ceramic as a separator 10, which may be constructed, for example, up to 80 individual layers. These are each provided with via holes, in which metal is introduced.
  • the layers 11, 12, 13 are firmly connected or baked together and form a monolithic part.
  • the ceramic layers 11, 12, 13 of the separator 10 have a thickness of about 80 microns. Due to the mutual offset of the filled holes, the pressure is not on the holes or
  • Metal fillings but it is distributed over a large area over the individual layers.
  • the size of the electrical feedthrough 9 - in the direction of the layer planes - in the embodiment shown here is only about 2 mm. Despite this small size, the implementation holds 9 high pressures, which can be up to 1500 bar.
  • thin films of a ceramic material are provided with through-holes or via-holes, into which subsequently metallic material is introduced.
  • the holes are punched out and then filled with a metal paste.
  • the position of the holes is selected so that in later assembly of the layers in each case a lateral offset between the vias thus created is present.
  • conductor tracks are formed on the layer surfaces, for example by vapor deposition of metal or by printing or screen printing of metal pastes.
  • the positions and directions of the tracks are selected to connect the staggered vias together after assembly of the individual layers so as to form one or more line elements that extend through the entire layer structure.
  • the layers or ceramic layers are stacked and firmly connected. By sintering the ceramic layers are baked together, so that results in a monolithic structure.
  • 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 or firmly connected to each other, so that the electrical implementation according to the present Invention with one or more continuous line elements results, which extend from one side of the implementation to the other side.
  • a particularly cost-effective production results when using a technology in which the ceramic layers have elastic properties before sintering.
  • the electrical feedthrough 9 is inexpensive to produce and has a high compressive strength with very small size or high miniaturization. It is suitable for high temperatures and allows easy direct connection with electronic units or sensor chips.
  • the injection nozzle 80 it electrically connects an internal measuring element 50 to the outside space. As a result, the fuel flow in the interior space 84 of the injection nozzle 80 is measured and a feedback sensor / actuator system for controlling the fuel flow is made possible. In operation, by measuring and controlling the injector 80, due to the measurement signal, a particularly high injection quantity accuracy is achieved for each injector 80 present and for each injection event.

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Abstract

Eine Einspritzdüse (80) für Verbrennungsmotoren hat in ihrem Innen- oder Außenraum einen Sensor (50) zur Messung des Kraftstoffflusses durch die Einspritzdüse oder eines sonstigen Zustandsparameters des Kraftstoffs. Der Sensor (50) ist durch eine druckdichte elektrische Durchführung (9), die sich im Gehäuse (81) der Einspritzdüse (80) befindet, mit dem Außenraum verbunden. Ein rückgekoppeltes Sensor-Aktor-System ermöglicht die exakte Steuerung der Einspritzmenge in den Brennraum bei den einzelnen Injektionen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Einspritzdüsen der vorgenannten Art sind aus BERBERIG O ET AL: "A NEW SENSOR FOR CONTINUOUS MEASUREMENT OF FUEL INJECTION RATE AND QUANTITY DURING DIESEL ENGINE OPERATION", ADVANCED MICROSYSTEMS FOR AUTOMOTIVE APPLICATIONS, SPRINGER "DE, PAGE(S) 233-247 XP000972096 bekannt und arbeiten mit einem Messelement, das in der Nähe der Einspritzdüse im Zulauf auf diese angeordnet ist. Das Messelement ist als Mikroturbine ausgebildet und dient im motorischen Betrieb der Erfassung von für die Motorsteuerung relevanten und in der Motorsteuerung zu verarbeitenden Einspritzwerten, so vorliegend der Kraftstoffmenge. In Verbindung mit der optischen Erfassung der Drehzahl der Mikroturbine ist das Messelement insgesamt zwar kleinbauend, aber allenfalls für den Versuchsbetrieb geeignet, nicht aber für die Integration in Einspritzdüsen, die im praktischen Motoreneinsatz verwendet werden, insbesondere bei mit Hochdruckeinspritzung arbeitenden Motoren, zumal wenn die Einspritzverhältnisse bei der Einspritzung auf den Motor möglichst unmittelbar erfasst werden sollen.
  • Zur Einführung von in Einspritzdüsen endenden Kraftstoffleitungen in den Ansaugkanal von Brennkraftmaschinen ist es aus der GB-A-1 236 026 bekannt, die Kraftstoffleitung über eine dichtende Gelenkverbindung in der Wandung des Ansaugkanales der Brennkraftmaschine zu befestigen, wobei die Kraftstoffleitung auch die elektrische Leitung aufnimmt, über die die Einspritzdüse angesteuert wird und die außerhalb des Ansaugkanales aus der Kraftstoffleitung herausgeführt und an die elektrische Versorgung angeschlossen wird.
  • Ferner zeigt die DE 11 61 969 B eine Anordnung zur Abdichtung von durch ein Abschlussteil verlaufenden elektrischen Leitern, wobei das Abschlussteil in Form eines radial innerhalb seines Befestigungsrandes schalenförmig ausgebildeten Deckels gestaltet ist, dessen Boden die Durchführungen für die Leiter aufnimmt. Die Leiter weisen beiderseits des Deckels auf dessen Boden zulaufende, bezogen auf die Erstreckung des Bodens radial gegen einander versetzte Leitungsabschnitte auf, die über einen in Richtung der Bodenebene verlaufenden Querabschnitt verbunden sind, so dass sich ein Z-förmig abgewinkelter Leitungsverlauf ergibt, bei dem der Querabschnitt innerhalb der Bodenschale liegt und die Verbindung der Leiter zum Deckel durch Ausgießen des Bodens erfolgt, womit eine druck- und feuchtigkeitssichere Abdichtung der Leiter gegen den Deckel erreicht werden soll. Ein solcher Aufbau setzt die Verwendung massiver Leiter und, schon bedingt dadurch, gewisse Mindestabmessungen voraus, so dass einer Miniaturisierung ebenso Grenzen gesetzt sind wie der Beaufschlagbarkeit mit hohen Drücken.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einspritzdüse der eingangs genannten Art hinsichtlich der Bestückung mit einem Messelement und der Ausbildung des Messelementes dahingehend weiterzubilden, dass - ungeachtet des Einsatzes der Einspritzdüse in mit Hochdruckeinspritzung arbeitenden Verbrennungsmotoren - verbunden mit einem hohen Miniaturisierungsgrad des Messelementes eine Positionierung desselben in einem für die Erfassung von Kraftstoffparameter betreffenden Messwerten besonders günstigem Bereich ermöglicht wird.
  • Gemäß der Erfindung wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht, demzufolge das Messelement im auf den auf wenigsten eine Einspritzöffnung auslaufenden Innenraum des Düsengehäuses angeordnet wird, und zwar, bei Verbindung zum in Bezug auf die Einspritzdüse gegebenen Außenraum, über eine druckdichte, das Gehäuse der Einspritzdüse durchsetzende elektrische Durchführung, die, als aus isolierendem Material bestehendes, geschichtetes Trennelement, zueinander parallele und an den Schichtgrenzen fest miteinander verbundene, filmartig dünne Keramikschichten aufweist und die von zwischen stirnseitigen Kontaktelementen verlaufenden Leitungselementen durchsetzt ist, welche aus Duchkontaktierungen der jeweiligen Schichten bildenden, für aufeinanderfolgende Schichten seitlich versetzt zueinander liegenden Leitungsabschnitten und diese verbindenden Leiterbahnen zusammengesetzt sind, die auf die Schichten in den Schichtgrenzen aufgebracht sind.
  • Die Anordnung des Messelementes im auf wenigstens eine Einspritzöffnung auslaufenden Innenraum ermöglicht die Erfassung interessierender Kraftetoffparameter, so insbesondere der Kraftetoffdurchflussmenge, im Bereich der Düsenöffnungen, so dass die bei der Einspritzung tatsächlich gegebenen Verhältnisse erfasst werden, wobei die Anordnung des Messelementes über eine im Gehäuse der Einspritzdüse liegende Durchführung, die aufgrund der Miniaturisierung und des druckfesten Aufbaues des Messelement möglich ist, dazu führt, dass das Messelement quasi einen Gehäuseteil der Düse bildet und damit sowohl bezüglich des Düsenaufbaus wie auch der Raumverhältnisse nicht störend ist.
  • Die Durchkontaktierungen können im Rahmen der Erfindung durch die Keramikschichten durchsetzende und mit einem elektrisch leitenden Material versehene Löcher gebildet sein, wobei hierzu die Löcher wandseitig metallisiert werden können oder in die Löcher eine Metallpaste eingebracht werden kann. Dies führt zu einer einfachen und kostengünstigen Herstellung, z.B. mittels einer Batch-Prozessierung, wobei zudem für die elektrische Durchführung bei hoher Festigkeit eine weitgehende Miniaturisierung erreicht werden kann.
  • Auch die Leiterbahnen, die in den Schichtgrenzen liegen, können in einfacher Weise aufgedampft oder aufgedruckt sein, so dass sich insgesamt ein einfacher Aufbau des Trennelementes als Schichtkörper ergibt, ungeachtet der eingebetteten Leitungselemente.
  • Die Keramikschichten, die erfindungsgemäß filmhaft dünn sind, liegen in ihrer Dicke insbesondere zwischen 10 bis 200 µm, bei einem bevorzugten mittleren Dickenbereich zwischen 60 bis 100 µm, was eine kostengünstige Herstellung ermöglicht und auch bei mehrschichtigem Aufbau kleine Baumaße bei hoher Festigkeit ergibt, da durch den zickzackförmigen Verlauf der Leitungselemente zwischen ihren stirnseitig zum Trennelement vorgesehenen Kontaktelementen der Leitungspfad gut abgesichert ist.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben, in denen
  • Fig. 1
    eine Einspritzdüse gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
    Fig. 2
    einen Längsschnitt durch den vorderen Bereich der in Fig. 1 gezeigten erfindungegemäßen Einspritzdüse zeigt;
    Fig. 3
    das Messelement und die elektrische Durchführung der erfindungagemäßen Einspritzdüse in einer Explosionsdarscellung zeigt;
    Fig. 4
    das Messelement und die elektrische Durchführung schematisch als Schnittansicht zeigt;
    Fig. 5
    eine schematische Schnittansicht durch die elektrische Durchführung im Gehäuse der Einspritzdüse zeigt.
  • Fig. 1 zeigt eine Einspritzdüse 80 für einen Verbrennungsmotor mit einer druckdichten elektrischen Durchführung 9. Die elektrische Durchführung 9 erstreckt sich durch einen Bereich des Gehäuses 81 der Einspritzdüse 80 in deren Innenraum 84. Dort ist ein Messelement 50 in Form eines Sensors angebracht, mit dem der Kraftstofffluss innerhalb der Einspritzdüse 80 gemessen wird. Über außen gelegene Leitungen 83 wird das im Innenraum 84 der Einspritzdüse 80 gelegene Messelement 50 mit Strom versorgt. Die erhaltenen Messsignale werden im Betrieb über die Leitungen 82 einem Regelkreis zugeführt, der die Einspritzmenge des Kraftstoffs bzw. die Öffnung des Einspritzventils steuert. Im Innenraum 84 der Einspritzdüse 80, der vom Kraftstoff durchströmt wird, herrscht z.B. ein Druck von ca. 1500 bar, dem die elektrische Durchführung 9 standhält.
  • Selbstverständlich sind auch andere Arten von Messelementen 50 im Innenraum der Einspritzdüse 80 möglich, die verschiedene Parameter messen können, wie z.B. den Druck oder die Temperatur des Kraftstoffs. Über die erfindungsgemäße elektrische Durchführung 9 ist das jeweilige Messelement mit dem Außenraum zur Weitergabe der Messsignale und/oder zur Stromversorgung elektrisch verbunden.
  • Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch den vorderen Bereich der Einspritzdüse 80 mit der elektrischen Durchführung 9. Das zylindrische Gehäuse 81 der Einspritzdüse 80 hat an seinem vorderen Ende mehrere Düsenöffnungen 82. Im Inneren des Gehäuses 81 befindet sich eine bewegliche Ventilnadel 90, die zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum des Motors die Düsenöffnungen 82 frei gibt. Dazu wird bei jeder Einspritzung die Ventilnadel 90 in Richtung des Pfeils B nach oben bewegt, so dass sich die Nadelspitze vom Nadelsitz abhebt und Kraftstoff aus dem Innenraum 84 durch die Düsenöffnungen 82 herausgestoßen wird. Der Kraftstoff befindet sich im Innenraum 84 zwischen der Wandung des Gehäuses 81 und der Ventilnadel 90 der Einspritzdüse 80.
  • Die druckdichte elektrische Durchführung 9 befindet sich in einem Bereich der Wandung des Gehäuses 81 und bildet einen druckdichten Verschluss, so dass unter dem hohen Druck im Innenraum 84 der Einspritzdüse 80 kein Kraftstoff durch die elektrische Durchführung nach außen strömen kann. Im Innenraum 84 der Einspritzdüse 80 ist als Sensor ein Messelement 50 angeordnet, das zur Messung des Kraftstoffflusses durch die Einspritzdüse 80 dient.
  • In Fig. 3 ist die druckdichte elektrische Durchführung 9 mit dem angeschlossenen Messelement 50 in einer Explosionsansicht gezeigt. Es umfasst mehrere Keramikschichten 11, 12, 13, die fest miteinander verbacken bzw. verbunden sind. Die Schichten 11, 12, 13 befinden sich in einem zylindrischen Hohlraum 61, der in einem Gehäuse bzw. Rahmen 60, der ebenfalls zylindrisch gestaltet ist, ausgebildet ist. Auf der dem Betrachter zugewandten Unterseite der Keramikschicht 11 sind zwei Leicerbahnen 31 aufgebracht, die sich entlang der Schichtgrenze erstrecken. Jede Leiterbahn 31 verbindet einen Leitungsabschnitt 22, der sich durch die mittlere Schicht 12 erstreckt, mit einem dazu versetzt angeordneten Leitungsabschnitt 21, der sich durch die erste Schicht 11 erstreckt (siehe Fig. 4).
  • Die Leitungsabschnitte 22 sind, wie in Fig. 4 erkennbar, wiederum jeweils mit einer weiteren Leiterbahn 32 verbunden, die sich auf der angrenzenden Schicht 13 befindet. Der Verlauf der beiden Leitungselemente 20 mit ihren dazugehörigen Leitungsabschnicten 21, 22, 23 und den Leiterbahnen 31, 32 ist in Fig. 4 dargestellt. Zwischen den Leitungeabechnitten 21 und 22 sowie 22 und 23 jedes Leitungselementes 20 besteht ein seitlicher Versatz, der durch die jeweilige Leiterbahn 31, 32 überbrückt wird.
  • Die fest miteinander verbundenen Schichten 11, 12, 13 aus Keramik bilden zusammen ein Trennelement 10. An einer Stirnseite des Trennelementes 10 bzw. dessen äußerer Schicht 13 befindet sich das Messelement 50, das durch eine Leiterbahn - oder einen Draht bzw. Metalldraht - gebildet wird, die auf dem Trennelement 10 angeordnet ist. Mit dem Messelement 50 kann eine Flussmessung in einem strömenden Medium erfolgen, indem der elektrische Widerstand der Leiterbahn gemessen wird. Dieser Widerstand ist bekanntlich temperaturabhängig und ändert sich somit in Abhängigkeit von der Fließ- bzw. Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums. Über die Heizleistung und den ohm schen Widerstand wird der Kraftstofffluss gemessen.
  • Anhand von Fig. 5 wird nachfolgend der Aufbau der elektrischen Durchführung 9 der Einspritzdüse 80 genauer beschrieben. Die im schnitt dargestellte elektrische Durchführung 9 zeigt das Trennelement 10 aus isolierendem Material, das aus den Schichten 11, 12, 13 aufgebaut bzw. gefertigt ist. Die Schichten 11, 12, 13 sind Keramikschichten, die parallel zueinander ausgerichtet und an den Schichtgrenzen fest miteinander verbunden sind. In jeder Schicht 11, 12, 13 befindet sich ein Leitungsabschnitt 21, 22, 23 eines Leitungselementes 20, das eine elektrische Verbindung zwischen der dem Außenraum zugewandten Stirnseite 10a und der dem Innenraum 84 zugewandten Stirnseite 10b des Trennelementes 10 darstellt. Die Leitungsabschnitte 21, 22, 23 des Leitungselementes 20 sind seitlich versetzt zueinander angeordnet und durch die Leiterbahnen 31, 32 miteinander verbunden. Auf den Stirnseiten 10a und 10b des Trennelementes 10 befindet sich jeweils ein Kontaktpad bzw. Kontaktelement 30a, 30b, das aus einer metallischen Schicht besteht und als Anschluss für elektrische Elemente auf beiden Seiten des Trennelementes 10 dient.
  • Die Leitungsabschnitte 21, 22, 23 sind durch Metalle bzw. Metallisierungen gebildet, die in durchgehenden Löchern in den Keramikschichten 11, 12, 13 ausgebildet sind. In der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform sind die durchgehenden Löcher bzw. Via-Löcher mit einer Metallpaste gefüllt. Es ist aber ebenso möglich, dass die Löcher jeweils nur an ihrem Rand bzw. an ihrer inneren Wandung metallisiert sind, um die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Stirnseiten 10a, 10b des Trennelementes 10 zu bilden.
  • Die Löcher, die mit der Metallisierung die Leitungsabschnitte 21, 22, 23 bilden, verlaufen senkrecht zu den Ebenen der Schichten 11, 12, 13. Der gegenseitige Versatz von einem Leitungsabschnitt zum nächsten verläuft parallel zu den Schichtebenen. Jeder Leitungsabschnitt 21, 22, 23 erstreckt sich durch eine Schicht 11, 12, 13, so dass der Versatz jeweils an den Schichtgrenzen auftritt. Jeder Leitungsabschnitt 21, 22, 23 bildet eine Durchkontaktierung in der jeweiligen Schicht 11, 12, 13.
  • Die Leiterbahnen 31, 32 sind Metallschichten bzw. - bahnen, die auf der jeweiligen Oberseite und/oder Unterseite der betreffenden Schicht aufgedampft oder aufgedruckt sind. Die Leiterbahnen 31, 32 sind sehr kompakt bzw. klein ausgestaltet und haben in der Regel eine Dicke von 10 bis 20 µm. Sie können aber auch wesentlich dünner ausgestaltet sein, beispielsweise mit einer Dicke von 1 µm oder weniger.
  • Die aus den einzelnen Leitungsabschnitten 21, 22, 23 bzw. Durchkontaktierungen und Leiterbahnen 31, 32 gebildeten. Leitungselemente 20 verlaufen zickzackförmig durch das Trennelement 10. In dem in Fig. 5 gezeigten Abschnitt der elektrischen Durchführung 9 sind der Einfachheit halber nur zwei Leitungselemente 20 dargestellt, die durch drei aneinandergrenzende Keramikschichten 11, 12, 13 verlaufen. Es können jedoch auch drei, vier oder wesentlich mehr Leitungselemente 20 in der druckdichten elektrischen Durchführung 9 vorgesehen sein, z.B. um mehrere Messelemente anzuschließen. Ebenso ist die Anzahl der Schichten nicht auf zwei oder drei begrenzt. Besonders vorteilhaft ist z.B. die Verwendung einer Vielschicht-Keramik als Trennelement 10, die beispielsweise aus bis zu 80 einzelnen Schichten aufgebaut sein kann. Diese sind jeweils mit Via-Löchern versehen, in denen Metall eingebracht ist. Die Schichten 11, 12, 13 sind fest miteinander verbunden bzw. verbacken und bilden ein monolithisches Teil.
  • Die Keramikschichten 11, 12, 13 des Trennelementes 10 haben eine Dicke von ca. 80 µm. Durch den gegenseitigen Versatz der befüllten Löcher lastet der Druck nicht auf den Löchern bzw.
  • Metallfüllungen, sondern er wird großflächig über die einzelnen Schichten verteilt.
  • Bei vier Leitungselementen 20 beträgt die Baugröße der elektrischen Durchführung 9 - in Richtung der Schichtebenen - in der hier gezeigten Ausführungsform lediglich ca. 2 mm. Trotz dieser geringen Baugröße hält die Durchführung 9 hohen Drücken stand, die bis zu 1500 bar betragen können.
  • Zur Herstellung der druckdichten elektrischen Durchführung 9 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 ein oder mehrere Leitungselemente auszubilden, die sich durch den gesamten Schichtaufbau erstrecken. Anschließend werden die Schichten bzw. Keramikschichten aufeinandergelegt und fest miteinander verbunden. Durch Sintern werden die Keramikschichten miteinander verbacken, so dass sich ein monolithisches Gebilde ergibt.
  • Für eine besonders schnelle und kostengünstige Herstellung wird diese im Batch-Verfahren durchgeführt, wobei eine Keramikkachel oder -schicht mit einer Größe von ca. 25 cm2 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.
  • Eine besonders kostengünstige Herstellung ergibt sich bei Verwendung einer Technologie, bei der die Keramikschichten vor dem Sintern elastische Eigenschaften besitzen.
  • Die elektrische Durchführung 9 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 80 verbindet sie ein innen liegendes Messelement 50 elektrisch mit dem Außenraum. Dadurch wird der Kraftstofffluss im Innenraum 84 der Einspritzdüse 80 gemessen und ein rückgekoppeltes Sensor-Aktor-System zur Steuerung des Kraftstoffflusses ermöglicht. Im Betrieb wird durch die Messung und Steuerung der Einspritzdüse 80 aufgrund des Messsignals eine besonders hohe Genauigkeit der Einspritzmenge bei jeder vorhandenen Einspritzdüse 80 und bei jedem Injektionavorgang erzielt.

Claims (11)

  1. Einspritzdüse, für Verbrennungsmotoren, mit einem Gehäuse (81), mit Zufuhr von Kraftstoff auf einen in wenigstens einer gesteuerten Düsenöffnung (82) auslaufenden Innenraum (84) des Gehäuses (81), und mit einem der Einspritzdüse (80) zugeordneten, vom Kraftstoff überströmten Messelement (50),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Messelement (50) im Innenraum (84) des Gehäuses (81) liegt und mit dem gegenüber dem Innenraum (84) über das Gehäuse (81) abgegrenzten Außenraum über eine druckdichte, das Gehäuse (81) durchsetzende elektrische Durchführung (9) verbunden ist, die durch ein Trennelement (10) aus isolierendem Material gebildet ist, das aus zueinander parallelen und an den Schichtgrenzen fest miteinander verbundenen, filmdünnen Keramikschichten (11 bis 13) aufgebaut und von zwischen stirnseitigen Kontaktelementen (30a, 30b) verlaufenden Leitungselementen (20) durchsetzt ist, welche aus Durchkontaktierungen der jeweiligen Schichten (11 bis 13) bildenden Leitungsabschnitten (21 bis 23), die für aufeinander folgende Keramikschichten (11 bis 13) seitlich versetzt zueinander liegen, und die Leitungsabschnitte (21 bis 23) verbindenden Leiterbahnen (31, 32) zusammengesetzt sind, die in den Schichtgrenzen der Keramikschichten (11 bis 13) aufgebracht sind.
  2. Einspritzdüse nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet ,
    dass die Durchkontaktierungen jeweils von einem eine Keramikschicht (11 bis 13) durchsetzenden und mit einem elektrisch leitenden Material versehenen Loch gebildet sind.
  3. Einspritzdüse nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das jeweilige, einer Durchkontaktierung zugeordnete Loch wandseitig metallisiert ist.
  4. Einspritzdüse nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet ,
    dass in das jeweilige, einer Durchkontaktierung zugeordnete Loch eine Metallpaste eingebracht ist.
  5. Einspritzdüse nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet ,
    dass die in den Schichtgrenzen aufgebrachten Leiterbahnen (31, 32) auf die jeweilige Keramikschicht (11 bis 13) aufgedampft sind.
  6. Einspritzdüse nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet ,
    dass die in den Schichtgrenzen aufgebrachten Leiterbahnen (31, 32) auf die jeweilige Keramikschicht (11 bis 13) aufgedruckt sind.
  7. Einspritzdüse nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Trennelement (10) Keramikschichten (11, 12, 13) mit einer Dicke von 10 bis 200 µm umfasst.
  8. Einspritzdüse nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet ,
    dass das Trennelement (10) Keramikschichten (11, 12, 13) mit einer Dicke von 60 bis 100 µm umfasst.
  9. Einspritzdüse nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Trennelement (10) Keramikschichten (11, 12, 13) mit einer Dicke von 80 µm umfasst.
  10. Einspritzdüse nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet ,
    dass das Messelement (50) ein Drucksensor ist.
  11. Einspritzdüse nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet ,
    dass das Messelement (50) ein Kraftstoffdurchflusssensor ist.
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