EP3159533B1

EP3159533B1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: EP3159533B1
Application number: EP16188282.4A
Authority: EP
Inventors: Peter Cromme; Roland Berner; Dieter Junger; Klaus Kreller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-10-20
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2036-09-12
Also published as: EP3159533A1; DE102015220394A1

Description

Kraftstoffinjektor

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der nachveröffentlichten DE 10 2015 211186 A1 der Anmelderin bekannt. Der bekannte Kraftstoffinjektor weist ein Sensorelement in Form eines Piezoelements auf, das innerhalb eines haubenförmigen Gehäuses angeordnet ist, wobei das Gehäuse das Piezoelement unter axialer Vorspannung gegen einen Verformungsbereich des Injektorgehäuses drückt. Das Piezoelement ist sowohl an der an dem Verformungsbereich als auch an der an der Innenseite des Gehäuses anliegenden Seite mit jeweils einer Isolationsschicht versehen, die das Piezoelement vollständig überdeckt. Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten des Piezoelements sind auf der dem Verformungsbereich abgewandten Seite in dem Piezoelement zwei Sacklochbohrungen ausgebildet, die bis zur jeweiligen Elektrodenschicht reichen. Die Kontaktierung der Elektrodenschichten erfolgt über zwei Kontaktelemente, die in Überdeckung mit dem Piezoelement angeordnet sind und den Gehäuseboden durchdringen. Die Kontaktelemente sind über im Bereich der Elektrodenschichten angeordnete Lötverbindungen mit der jeweiligen Elektrodenschicht elektrisch leitend verbunden.
Um eine möglichst kompakt bauende Messeinrichtung, bestehend aus dem Piezoelement und dem Gehäuse auszubilden, ist es wünschenswert, dass das Gehäuse das Piezoelement am Umfang des Piezoelements mit möglichst geringem Spalt umgibt. Darüber hinaus ist es wichtig, dass bei der Axialkraftbeaufschlagung des Piezoelements durch das Gehäuse keine mechanischen Spannungsspitzen auftreten, die infolge von Unebenheiten o.ä. an dem Gehäuse und/oder dem Piezoelement bzw. der Isolationsschicht entstehen.
Während an dem Piezoelement bzw. den Isolationsschichten plane Oberflächen zur Vermeidung von Spannungsspitzen durch Überschleifen relativ einfach erzeugt werden können, ist es bei dem bekannten einteiligen, haubenförmigen Gehäuse schwierig, über den gesamten Öffnungsquerschnitt des Gehäuses mit einfachem Aufwand eine ebene bzw. plane Oberfläche zu erzeugen, da, wie oben erläutert, das Piezoelement zumindest nahezu bis an eine Innenwand des Gehäuses heranreichen soll. Weiterhin ist die elektrische Kontaktierung des Piezoelements durch das Durchführen der Kontaktelemente durch das Gehäuse bis zur jeweiligen Elektrodenschicht des Piezoelements und das Ausbilden der Sacklochbohrungen relativ aufwendig.
Weiterhin ist es aus der nachveröffentlichten DE 10 2015 206 029 A1 der Anmelderin bekannt, anstelle eines einteiligen Gehäuses ein mehrteiliges Gehäuse zu verwenden. Dieses Gehäuse besteht aus einem Gehäuseboden, einem auf dem Gehäuseboden befestigten rahmenartigen Gehäuseelement sowie einem mit dem rahmenartigen Gehäuseelement zusammenwirkenden Deckelelement, das axial zum rahmenartigen Gehäuseelement verschiebbar bzw. verstellbar angeordnet ist. Zur Erzeugung einer axialen Vorspannkraft auf das vollständig innerhalb des Gehäuses angeordnete Piezoelement wird das deckelförmige Gehäuseelement in Richtung des rahmenförmigen Gehäuseelements bewegt, bis die gewünschte Vorspannkraft erzeugt ist. Dabei stützt sich das Piezoelement auf der dem deckelförmigen Gehäuseelement abgewandten Seite an dem Gehäuseboden ab. Die elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten des Piezoelements erfolgt über zwei, das deckelförmige Gehäuseelement durchdringende, mit Federabschnitten versehene Kontaktelemente, die an Seitenflächen des Piezoelements elektrisch leitend anliegen.
EP 2918819 A1 offenbart einen Kraftstoffinjektor mit einem Sensor zur zumindest mittelbaren Erfassung eines Drucks in einer den Kraftstoff im Injektorgehäuse führenden Bohrung, wobei der Sensor an einem Bauteil angeordnet ist, in dem die Bohrung ausgebildet ist. Die Spanneinrichtung dient der Erzeugung einer Vorspannung auf das Piezo-Element. Hierzu ist die Spanneinrichtung in Form einer Vorspannplatte ausgebildet, die mittels wenigstens zweier Spannschrauben mit Armen des Trägerstücks 62 verbunden ist. Über eine entsprechende Einschraubtiefe der Spannschrauben in Gewindebohrungen des Trägerstücks kann die auf das Piezo-Element wirkende Vorspannkraft stufenlos eingestellt werden.

Offenbarung der Erfindung

Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass bei einer Minimierung der Gehäusegrundfläche zur Aufnahme des Piezoelements eine möglichst einfache und genaue Gehäusefertigung ermöglicht wird, derart, dass eine plane Oberfläche auf der dem Piezoelement zugewandten Seite des Gehäuses erzeugt werden kann. Darüber hinaus soll eine vereinfachte elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten des Piezoelements über die Kontaktelemente ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das Gehäuse aus wenigstens zwei Elementen auszubilden, wobei das eine Element als Deckelelement bzw. als Gehäusedeckel ausgebildet ist, das bzw. der sich in vorzugsweise flächigem Anlagekontakt mit dem Sensorelement befindet und auf der dem Sensorelement zugewandten Seite eine ebene Oberfläche aufweist, und wobei in dem Deckelelement die Kontaktelemente angeordnet sind, die das Sensorelement zumindest mittelbar elektrisch kontaktieren. Durch das Vorsehen eines Deckelelements, das auf der dem Sensorelement zugewandten Seite insbesondere eine insgesamt gesehen ebene Oberfläche (ohne von der Oberfläche abstehende Seitenwände o.ä.) aufweist, ist es mit relativ geringem Aufwand möglich, die Oberfläche des Deckelelements durch Schleifen o.ä. Bearbeitungsverfahren über dessen gesamte Fläche mit der entsprechenden Genauigkeit bzw. geringen Rauigkeit auszustatten, so dass im montierten Zustand der Messeinrichtung das Deckelelement mit seiner dem Sensorelement zugewandten Oberfläche derart an dem Piezoelement bzw. dessen Isolationsschicht anliegt, dass keine mechanischen Spannungsspitzen bei der Übertragung einer Axialkraft auf das Sensorelement erzeugt werden.
Um es insbesondere ohne eine zusätzliche stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Gehäusedeckel und dem restlichen Gehäuse auf einfache Art und Weise zu ermöglichen, die auf das Sensorelement einwirkende axiale Vorspannkraft zu übertragen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Gehäusedeckel mit einem hülsenförmigen Element des Gehäuses zusammenwirkt, das auf der dem Verformungsbereich des Injektorgehäuses abgewandten Seite einen radial nach innen ragenden Halteabschnitt aufweist, gegen den der Gehäusedeckel auf der dem Verformungsbereich zugewandten Seite des Halteabschnitts axial anliegt. Der Halteabschnitt bewirkt somit ein Niederdrücken des Gehäusedeckels in Richtung des Sensorelements. Weiterhin ermöglicht es ein derartig ausgebildeter Halteabschnitt, wenn er über den gesamten Umfang des hülsenförmigen Elements angeordnet ist, den Innenraum des Gehäuses abzudichten.
Um es zu ermöglichen, dass die Kontaktelemente bereits während der Fertigung bzw. des Ausbildung des Gehäusedeckels montiert werden können, wobei durch eine entsprechende Anordnung der Kontaktelemente gleichzeitig die in der Sensormitte liegende maximale Durchbiegung optimal erfasst werden kann, ist weiter erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Sensorelement als Piezoelement mit rechteckförmiger Grundfläche und mit wenigstens einer Piezokeramikschicht und zwei Elektrodenschichten sowie mit Isolationsschichten ausgebildet ist, und dass zwei Kontaktelemente vorgesehen sind, die im Bereich vorzugsweise diagonal gegenüberliegender Eckbereiche des Piezoelements im Gehäusedeckel angeordnet und oberflächenbündig mit der dem Sensorelement zugewandten Oberfläche des Gehäusedeckels angeordnet sind. Eine derartige Anordnung ermöglicht es, den Gehäusedeckel auf der dem Sensorelement zugewandten Seite zusammen mit den bereits darin angeordneten Kontaktelementen, welche üblicherweise über einen Glasschmelzprozess mit dem Deckelelement verbunden sind, insgesamt zu bearbeiten, um die gewünschte ebene Oberfläche auszubilden.
In alternativer Verbindung zwischen dem Gehäuserahmen und dem Gehäusedeckel kann es vorgesehen sein, dass der Gehäusedeckel mit dem hülsenförmigen Element (Gehäuserahmen) mittels einer Schweißnaht verbunden ist. Eine derartige Ausbildung stellt gleichzeitig eine besonders einfache bzw. gute Abdichtung des Gehäuses sicher.
In einer besonders einfach ausgebildeten elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten des Piezoelements mittels Metallisierungen kann es in Weiterbildung des zuletzt genannten Vorschlags vorgesehen sein, dass die Kontaktelemente unter Zwischenlage eines Leitklebers oder eines Lotes mit den Metallisierungen elektrisch verbunden sind. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die jeweilige Elektrodenschicht, insbesondere durch eine Metallisierung, vorzugsweise bis in Höhe der dem Deckelelement zugewandten Stirnseite des Piezoelements bzw. deren Isolationsschicht zu führen. Die elektrische Kontaktierung zwischen der Metallisierung und dem jeweiligen Kontaktelement erfolgt dann durch den Leitkleber bzw. das Lot.
Hierzu ist es in einer auf dem zuletzt genannten Vorschlag basierenden Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Kontaktelemente in zumindest teilweiser Überdeckung mit dem Sensorelement angeordnet sind, und dass das Sensorelement auf der den Kontaktelementen zugewandte Seite zumindest im Überdeckungsbereich mit den Kontaktelementen eine Aussparung für den Leitkleber oder das Lot aufweist. Eine derartig Ausführung ermöglicht eine Minimierung der benötigten Deckel- und somit der Gehäusegröße.
In einer alternativen Ausgestaltung bzw. Anordnung der Kontaktelemente, die den Bauraum für das Gehäuse weiter minimiert, ist es vorgesehen, dass die Kontaktelemente in vollständiger Überdeckung mit dem Sensorelement angeordnet sind, und dass das Sensorelement für jedes Kontaktelement in Ausrichtung mit dem Kontaktelement eine Ausnehmung in Form einer Sacklochbohrung aufweist, die bis zur jeweiligen Elektrodenschicht reicht, und die mit Lot zur elektrischen Verbindung zwischen der Elektrodenschicht und dem Kontaktelement ausgefüllt ist.
Die elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten des Piezoelements muss nicht zwangsläufig über einen Leitkleber bzw. eine Lotschicht erfolgen. So ist es in einer alternativen elektrischen Kontaktierung vorgesehen, dass die Kontaktelemente mittels jeweils eines Zwischenelements mit der Metallisierung bzw. der Elektrodenschicht verbunden sind. So kann das Zwischenelement beispielsweise als Federelement ausgebildet sein, das mit dem Sensorelement verbunden ist und mit einem Federabschnitt gegen das jeweilige Kontaktelement anliegt. Eine derartige Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass in einem separaten Herstellschritt das Federelement mit dem Piezoelement verbunden wird und der Federabschnitt bei der Montage zwangsläufig in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Kontaktelement gerät. Aus Gründen der Prozesssicherheit kann ein derartiges Vorgehen ggf. im Vergleich zu einer elektrischen Kontaktierung mittels eines Lotes oder eines Leitklebers Vorteile aufweisen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung zur Befestigung der Zwischenelemente in dem Gehäuse ist es vorgesehen, dass die Zwischenelemente in einem insbesondere ringförmigen Stützelement form- und kraftschlüssig aufgenommen sind. Dadurch ist ein Verzicht auf stoffschlüssige Verbindungen bzw. eine besonders einfache und prozessichere Montage möglich.
Anstelle eines Federelements kann es jedoch auch vorgesehen sein, das Zwischenelement in Form eines Verbindungsdrahts, insbesondere einen Bonddrahts auszubilden.
Bei den Ausgestaltungen der Erfindung, bei denen die elektrische Kontaktierung der Metallisierungen bzw. der Elektrodenschichten über ein Zwischenelement erfolgt, ist es von Vorteil, wenn die Kontaktelemente außer Deckung mit dem Sensorelement angeordnet sind. Dadurch wird eine einfachere Kontaktierung der Kontaktelemente innerhalb des Gehäuses ermöglicht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:

Fig. 1: eine stark vereinfachte, teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors mit einer Messeinrichtung zur zumindest mittelbaren Verfassung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffinjektor,
Fig. 2: einen Längsschnitt durch eine erste Messeinrichtung im Verbindungsbereich zum Kraftstoffinjektor,
Fig. 3: eine Draufsicht auf ein Messelement, wie es bei der Messeinrichtung der Fig. 2 verwendet wird, in Höhe von Kontaktelementen,
Fig. 4: eine zweite Ausführungsform einer Messeinrichtung im Verbindungsbereich zum Injektorgehäuse im Längsschnitt,
Fig. 5: einen Längsschnitt durch ein Piezoelement, wie es bei der Messeinrichtung gemäß Fig. 4 verwendet wird, nach dem Ausbilden einer Metallisierung,
Fig. 6: einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer Messeinrichtung im Verbindungsbereich zum Gehäuse,
Fig. 7: eine perspektivische Unteransicht auf die Messeinrichtung gemäß Fig. 6,
Fig. 8: einen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform der Messeinrichtung im Verbindungsbereich zum Injektorgehäuse,
Fig. 9: eine Unteransicht auf einen Teil der Messeinrichtung gemäß Fig. 8,
Fig. 10: eine perspektivische Draufsicht auf ein Piezoelement bei einer fünften Ausführungsform der Messeinrichtung,
Fig. 11 und Fig. 12: Längsschnitte in den Ebenen XI-XI und XII-XII der Fig. 10 bei einer Messeinrichtung unter Verwendung des Piezoelements gemäß Fig. 10,
Fig. 13: einen Längsschnitt durch eine sechste Messeinrichtung im Verbindungsbereich zum Kraftstoffinjektor,
Fig. 14: einen Längsschnitt durch eine siebte Messeinrichtung im Verbindungsbereich zum Kraftstoffinjektor und
Fig. 15: einen Querschnitt durch die Messeinrichtung der Fig. 14 im Bereich eines Stützrings.

Gleiche Elemente und Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
Der in der Fig. 1 stark vereinfacht dargestellte Kraftstoffinjektor 10 ist als sogenannter Common-Rail-Injektor ausgebildet, und dient dem Einspritzen von Kraftstoff in den nicht gezeigten Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine.
Der Kraftstoffinjektor 10 weist ein im Wesentlichen aus Metall bestehendes, ggf. mehrteilig ausgebildetes Injektorgehäuse 11 auf, in dem auf der dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Seite wenigstens eine, vorzugsweise mehrere Einspritzöffnungen 12 zum Einspritzen des Kraftstoffs angeordnet sind. Innerhalb des Injektorgehäuses 11 bildet dieses einen Hochruckraum 15 aus, in dem eine als Einspritzglied dienende Düsennadel 16 in Richtung des Doppelpfeils 17 hubbeweglich angeordnet ist. In der dargestellten, abgesenkten Stellung der Düsennadel 16 bildet diese zusammen mit der Innenwand des Hochdruckraums 15 bzw. des Injektorgehäuses 11 einen Dichtsitz aus, so dass die Einspritzöffnungen 12 zumindest mittelbar verschlossen sind, derart, dass kein Einspritzen von Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 15 in den Brennraum der Brennkraftmaschine sattfindet. In der anderen, nicht dargestellten, von dem Dichtsitz abgehobenen Position der Düsennadel 16 gibt diese die Einspritzöffnungen 12 zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine frei. Die Bewegung der Düsennadel 16, insbesondere zum Freigeben der Einspritzöffnungen 12, erfolgt auf eine an sich bekannte Art und Weise mittels eines nicht dargestellten Aktuators, der über eine Spannungsversorgungsleitung 18 von einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine ansteuerbar ist. Bei dem Aktuator kann es sich insbesondere um einen Magnetaktuator oder aber um einen Piezoaktuator handeln.
Die Versorgung des Hochdruckraums 15 mit unter Hochdruck (Systemdruck) stehendem Kraftstoff erfolgt über eine innerhalb des Injektorgehäuses 11 angeordnete bzw. in Bauteilen des Kraftstoffinjektors 10 ausgebildete Versorgungsbohrung 19, die insbesondere exzentrisch zur Längsachse 21 des Injektorgehäuses 11 in einem Randbereich des Kraftstoffinjektors 10, zumindest im Wesentlichen parallel zur Längsachse 21, verläuft. Die Versorgungsbohrung 19 ist darüber hinaus über einen nicht dargestellten Kraftstoffanschlussstutzen mit einer Kraftstoffleitung 22 verbunden, welche wiederum mit einem Kraftstoffspeicher 25 (Rail) gekoppelt ist.
In einem von den Einspritzöffnungen 12 bzw. dem Brennraum axial relativ weit beabstandeten Bereich des Injektorgehäuses 11 ist in dessen Außenwand 23 beispielhaft eine sacklochförmige Vertiefung 24 ausgebildet, so dass die Wanddicke des Injektorgehäuses 11 im Bereich der Vertiefung 24 reduziert ist. Ergänzend wird erwähnt, dass anstelle einer sacklochförmigen Vertiefung 24 das Injektorgehäuse 11 auch eine Abflachung aufweisen kann, in deren Bereich die Wanddicke des Injektorgehäuses 11 reduziert ist.
Der eben ausgebildete Grund 26 der Vertiefung 24 bildet einen Teil eines Verformungsbereichs 27 aus. Dadurch wirkt der in der Versorgungsbohrung 19 augenblicklich herrschende Kraftstoffdruck auch in dem Injektorgehäuse 11 auf der der Vertiefung 24 abgewandten Seite. Da die Wanddicke des Injektorgehäuses 11 im Bereich der Vertiefung 24 reduziert ist, wirkt der Wandabschnitt 29 des Injektorgehäuses 11 auf der der Vertiefung 24 zugewandten Seite als Verformungsbereich 27 in Art einer elastisch verformbaren Membran, wobei die Verformung, welche sich als Wölbung ausbildet, umso größer ist, je höher der augenblickliche Kraftstoffdruck in der Versorgungsbohrung 19 ist.
Zur Detektion des zeitlichen Verlaufs des Kraftstoffdrucks in der Versorgungsbohrung 19 und damit auch in dem Hochdruckraum 15, welcher als Indiz für die augenblickliche Stellung der Düsennadel 16 zur Ansteuerung der Düsennadel 16 verwendet wird, weist der Kraftstoffinjektor 10 eine Messeinrichtung 30 auf. Die Messeinrichtung 30 umfasst ein als Piezoelement 31 ausgebildetes Sensorelement 32.
Das Sensorelement 32, das im Wesentlichen blockförmig mit rechteckförmiger Grundfläche (Fig. 3) ausgebildet ist, weist neben einer Piezokeramikschicht 34 an seiner Oberseite und seiner Unterseite jeweils eine Elektrodenschicht 35, 36 auf. Die Elektrodenschichten 35, 36 sind auf gegenüberliegenden Seiten bis zu jeweils einer Seitenfläche 37, 38 ausgebildet und enden auf der jeweils gegenüberliegenden Seitenfläche 38, 37 vor der jeweils anderen Seitenfläche 38, 37.
In einer nicht gezeigten Ausführungsform des Sensorelements 32 kann dieses nicht nur eine, sondern mehrere, parallel zueinander angeordnete Piezokeramikschichten 34 aufweisen, die jeweils durch Elektrodenschichten 35, 36 voneinander getrennt sind. Die Elektrodenschichten 35, 36 sind wiederum wechselseitig mit bis zu einer der Seitenflächen 37, 38 verlängert ausgebildet und enden auf der jeweils anderen Seite vor der entsprechenden Seitenfläche 38, 37.
Darüber hinaus sind die beiden Elektrodenschichten 35, 36 auf der jeweils der Piezokeramikschicht 34 abgewandten Seite mit einer elektrischen Isolationsschicht 41, 42 überdeckt. Die Seitenflächen 37, 38 sind mit jeweils einer Metallisierung 39, 40 ausgestattet, die beispielsweise im Tauchverfahren ausgebildet ist. Die Metallisierung 39, 40 reicht nach dem Ausbilden derselben zunächst über die gesamte Höhe der Seitenflächen 37, 38 und wird anschließend durch eine mechanische Bearbeitung mit Fasen 43 im Bereich der Seitenkanten auf den einander abgewandten Stirnflächen der Isolationsschichten 39, 40 versehen, so dass die Metallisierung 39, 40 vor der jeweiligen Stirnfläche der Isolationsschicht 41, 42 endet.
Die der Piezokeramikschicht 34 abgewandten Oberfläche bzw. Stirnfläche der Isolationsschicht 41, 42 bildet jeweils eine Anlagefläche 44, 45 aus. Die eben ausgebildeten Anlageflächen 44, 45, welche darüber hinaus parallel zueinander angeordnet sind, sind insbesondere durch einen mechanischen Bearbeitungsprozess, wie Schleifen, oberflächenbearbeitet und mit einer relativ geringen Rauigkeit ausgestattet. Bevorzugt erfolgt die Ausbildung der Anlageflächen 44, 45 durch Doppelplanschleifen. Während die eine (untere) Anlagefläche 45 unmittelbar auf dem Grund 26 des Verformungsbereichs 27 des Injektorgehäuses 11 aufliegt, ist die andere (obere) Anlagefläche 44 in Wirkverbindung mit einem Gehäusedeckel 47 angeordnet. Der Gehäusedeckel 47 ist Bestandteil eines Gehäuses 50, das neben dem Gehäusedeckel 47 zumindest einen im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildeten Gehäuserahmen 48 umfasst. Der insbesondere aus Metall bestehende Gehäuserahmen 48 ist auf nicht dargestellte Art und Weise, insbesondere durch eine Laserschweißnaht, mit dem Grund 26 des Injektorgehäuses 11 dicht verbunden. Der Gehäuserahmen 48, der das Sensorelement 32 an dessen Umfang vollständig umgibt, weist auf der dem Injektorgehäuse 11 bzw. dem Grund 26 abgewandten Seite einen flanschartig radial nach innen ragenden Halteabschnitt 51 auf, an dessen Unterseite der Gehäusedeckel 47 mit dessen Oberseite bündig anliegt. Durch eine entsprechende Dimensionierung der Höhe des Gehäusedeckels 47 sowie des Sensorelements 32 und des Gehäusedeckels 47 wird es ermöglicht, dass das Sensorelement 32 im Anbauzustand des Gehäuses 50 an dem Injektorgehäuse 11 mit einer Axialkraft F gegen den Grund 26 des Verformungsbereichs 27 kraftbeaufschlagt ist.
Die elektrische Kontaktierung der beiden Elektrodenschichten 35, 36 erfolgt über zwei metallische Kontaktelemente 52, 53, die insbesondere stiftförmig ausgebildet sind. Die beiden Kontaktelemente 52, 53 sind beispielsweise jeweils mit einer in der Fig. 1 schematisch dargestellten Anschlussleitung 54, 55 verbunden, welche wiederum mit einer nicht dargestellten Steuer- bzw. Auswerteeinrichtung kontaktiert sind.
Die Kontaktelemente 52, 53 sind, wie insbesondere anhand der Fig. 3 erkennbar ist, nahe diagonal gegenüberliegender Eckbereiche 57, 58 des Sensorelements 32 angeordnet. Sie sind innerhalb des Gehäusedeckels 47 in einer Glasumschmelzung 59 angeordnet bzw. gegenüber dem insbesondere ebenfalls aus Metall bestehenden Gehäusedeckel 47 elektrisch isoliert. Während die Kontaktelemente 52, 53 beispielhaft über die Oberseite des Gehäusedeckels 47 axial herausragen, schließen diese mit der der Anlagefläche 44 der Isolationsschicht 41 zugewandten Unterseite 61 des Gehäusedeckels 47 bündig ab. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Unterseite 61 des Gehäusedeckels 47, nachdem die Kontaktelemente 52, 53 mittels der Glaseinschmelzung 59 in dem Gehäusedeckel 47 angeordnet sind, mittels eines mechanischen Bearbeitungsgangs, insbesondere mittels Schleifen, vollflächig bearbeitet wird und eine ebene Oberfläche ausbildet.
Wie darüber hinaus aus einer Zusammenschau der Fig. 2 und 3 erkennbar ist, ist jeweils die halbe Querschnittsfläche des Kontaktelements 52, 53 in Überdeckung mit der Isolationsschicht 41 des Sensorelements 32 angeordnet. Die andere Hälfte der Querschnittsfläche des Kontaktelements 52, 53 ragt seitlich über das Sensorelement 32 hinaus und ist innerhalb eines insbesondere ringförmigen Innenraums 62 des Gehäuses 50 angeordnet. Zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktelemente 52, 53 mit der dem Kontaktelement 52, 53 zugeordneten Elektrodenschicht 35, 36 ist es vorgesehen, dass an den Seitenflächen 37, 38 des Sensorelements 32 jeweils ein elektrisch leitfähiger Kleber 63 oder ein Lot 64 zur Verbindung der Elektrodenschicht 35, 36 mit dem Kontaktelement 52, 53 angeordnet ist, wozu der Kleber 63 bzw. das Lot 64 auch die Unterseite 61 des Gehäusedeckels 47 im Bereich der Kontaktelemente 52, 53 teilweise überdeckt.
Die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Messeinrichtung 30a unterscheidet sich von der Messeinrichtung 30 gemäß der Fig. 2 und 3 dadurch, dass das Sensorelement 32a während dessen Herstellungsprozesses an der dem Gehäusedeckel 47 zugewandten Oberseite im Bereich der (oberen) Isolationsschicht 41 bearbeitet wurde, indem die in Überdeckung mit den Kontaktelementen 52, 53 angeordneten Bereiche der Isolationsschicht 41 teilweise abgetragen wurden. Dadurch wird es ermöglicht, die Metallisierungen 39, 40, wie anhand der Fig. 5 erkennbar ist, im Bereich der Isolationsschicht 41 mit einer bereichsweise vergrößerten Dicke zu versehen. Die Metallisierungen 39, 40 werden anschließend durch einen nicht gezeigten mechanischen Bearbeitungsgang wiederum teilweise abgetragen, derart, dass sich entsprechend der Fig. 4 eine zumindest näherungsweise gleichmäßige Dicke der Metallisierung 39, 40 im Bereich der Oberseite der Isolationsschicht 41, 42 ausbildet. Eine derartige Ausbildung der Elektrodenschicht 35, 36 bewirkt, dass zwischen der Metallisierung 39, 40 auf der dem Gehäusedeckel 47 zugewandten Oberseite ein Zwischenraum 65 ausgebildet wird, der mit dem elektrisch leitfähigen Kleber 63 bzw. dem Lot 64 ausgefüllt werden kann.
Die in den Fig. 6 und 7 dargestellte Messeinrichtung 30b mit dem Sensorelement 32b zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Kontaktierung der Elektrodenschicht 35, 36 mit dem jeweiligen Kontaktelement 52, 53 mittels jeweils eines elektrisch leitfähigen Zwischenelements 66, 67 erfolgt. Das Zwischenelement 66, 67 ist in Form eines Federelements ausgebildet, das jeweils einen ersten Anlagebereich 68 aufweist, der eben ausgebildet ist, und der beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Lötverbindung über die Metallisierung 39, 40 mit der jeweiligen Elektrodenschicht 35, 36 verbunden ist. Darüber hinaus weist das Zwischenelement 66, 67 jeweils einen Federabschnitt 69 mit einem zweiten Anlagebereich 71 auf, der im montierten Zustand des Gehäusedeckels 47 unter mechanischer Vorspannung elektrisch leitend an dem jeweiligen Kontaktelement 52, 53 anliegt. In einer nicht gezeigten Ausführungsvariante kann die elektrische Kontaktierung des Kontaktelements 52, 53 mit dem Zwischenelement 67, 68 zusätzlich mittels einer Löt- bzw. einer Schweißverbindung erfolgen.
Darüber hinaus kann es entsprechend der Darstellung der Fig. 6 vorgesehen sein, dass die (untere) Isolationsschicht 42 zusätzlich unter Zwischenlage eines insbesondere elektrisch isolierenden, einen definierten Temperaturausdehnungskoeffizienten zum Ausglich unterschiedlicher Bauteildehnungen aufweisenden Überbrückungselements 72 am Grund 26 des Verformungsbereichs 27 anliegt.
Die Messeinrichtung 30c entsprechend der Fig. 8 und 9 weist ein Sensorelement 32c auf, bei dem die dem Grund 26 des Verformungsbereichs 27 zugewandte (untere) Isolationsschicht 42 an zwei diagonal gegenüberliegenden Eckbereichen teilweise abgetragen ist. In diesen Eckbereichen ist die Metallisierung 39, 40 von den Seitenflächen 37, 38 herumgeführt. Zwischen den ausgesparten Flächenbereichen und einem Überbrückungselement 73 ist ein Zwischenraum 74 ausgebildet, in dessen Bereich die jeweilige Metallisierung 39, 40 mit einem Bonddraht 75, 76 kontaktiert ist. Die Verbindung kann beispielsweise mittels eines Klebers 63 bzw. eines Lotes 64 erfolgen, oder mittels anderer geeigneter Verbindungstechnologien, beispielsweise mittels Ultraschallbonden oder ähnlichem. Da das Überbrückungselement 73 im Bereich der Bonddrähte 75, 76 jeweils mit einer Aussparung 77 versehen ist, kann der Bonddraht 75, 76 auf einfache Art und Weise in Form eines Bogens gegen die Unterseite 61 des Gehäusedeckels 47 im Bereich der Kontaktelemente 52, 53 geführt werden, wo die Bonddrähte 75, 76 mit den Kontaktelementen 52, 53 verbunden sind.
Bei der in den Fig. 10 bis 12 dargestellten Messeinrichtung 30d sind die Kontaktelemente 52, 53 vollständig innerhalb des Überdeckungsbereichs mit dem Sensorelement 32d angeordnet. Das Sensorelement 32d weist im Bereich diagonal gegenüberliegender Eckbereiche 57, 58 jeweils eine sacklochförmige Ausnehmung 78, 79 auf, die bis in Höhe der jeweiligen Elektrodenschicht 35, 36 ausgebildet ist. Diese Ausnehmung 78, 79 ist vollständig insbesondere mit einem Lot 64 ausgefüllt, um die Elektrodenschicht 35, 36 mit dem Kontaktelement 52, 53 elektrisch zu verbinden. Im Bereich der einen Ausnehmung 78, die die Elektrodenschicht 35 durchdringt, ragt die Elektrodenschicht 35 nicht bis an die Ausnehmung 78 heran. Um das Lot 64 innerhalb der Ausnehmung 78, 79 anordnen zu können, kann es vorgesehen sein, dass das Kontaktelement 52, 53 eine zentrisch ausgebildete Durchgangsöffnung 81 aufweist, durch die das Lot 64 eindosiert werden kann. Wie insbesondere anhand der Darstellung der Fig. 11 und 12 erkennbar ist, ist bei der Ausführungsform mit dem Sensorelement 32d der Zwischenraum 65 zwischen dem Sensorelement 32d und dem Gehäuserahmen 48 minimiert. Darüber hinaus ist es im dargestellten Ausführungsfall vorgesehen, dass das Sensorelement 32d unter Zwischenlage eines Überbrückungselements 82 am Grund 26 des Verformungsbereichs 27 anliegt.
Die in der Fig. 13 dargestellte Messeinrichtung 30e basiert im Wesentlichen auf der Messeinrichtung 30c gemäß der Fig. 8. Hierbei sind die Kontaktelemente 52, 53 jeweils mittels eines Verbindungselements, beispielhaft in Form eines Bonddrahts 75e, 76e, mit der diesem zugeordneten Metallisierung 39, 40 des Sensorelements 32e durch Löten oder Bonden verbunden. Die mit dem Kontaktelement 52, 53 und der Metallisierung 39, 40 im Bereich der Anlagebereiche 68e, 71e verbundenen Abschnitte 83, 84 der Bonddrähte 75e, 76e sind parallel zueinander und senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 13 angeordnet bzw. ausgerichtet und mittels eines insbesondere bogenförmig oder zumindest zwei in einem Winkel zueinander angeordnete Abschnitte aufweisenden Zwischenabschnitts 85 miteinander verbunden, um die mechanische Beanspruchung des Bonddrahts 75e, 76e bei einer Relativbewegung zwischen den Anlagebereichen 68e, 71e zu reduzieren.
Die in den Fig. 14 und 15 dargestellte Messeinrichtung 30f weist Zwischenelemente 66f, 67f in Form von Federelementen ähnlich der Messeinrichtung 30b auf. Die Anlagebereiche 68f, 71f liegen vorzugsweise lediglich unter mechanischer Vorspannung, d.h. ohne Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung, an den Kontaktelementen 52, 53 bzw. den Metallisierungen 39, 40 an. Zur Ausbildung der mechanischen Vorspannkraft der Zwischenelemente 66f, 67f und der Positionierung der Zwischenelemente 66f, 67f sind diese bereichsweise innerhalb eines Stützrings 90 aufgenommen. Der Stützring 90 weist im Bereich der Zwischenelemente 66f, 67f schlitzartige Aussparungen 91, 92 auf, in denen von den Zwischenelementen 66f, 67 f quer abstehende Laschen 93, 94 form- und kraftschlüssig angeordnet sind. Dadurch wird eine Fixierung der Zwischenelemente 66f, 67f in dem Stützring 90 bewirkt. Der Stützring 90 liegt mit einer ersten Stirnfläche bereichsweise an der Unterseite der Kontaktelemente 52, 53 und mit einer zweiten Stirnfläche an dem Überbrückungselement 72f an. Weiterhin umgibt der Stützring 90 das Sensorelement 32f mit geringem radialem Abstand und ist mit geringem radialem Abstand in dem hülsenförmigen Gehäuserahmen 48 aufgenommen. Die Verbindung zwischen dem Gehäuserahmen 48 und dem Gehäusedeckel 47 erfolgt über eine radial umlaufende Schweißnaht 96, die gleichzeitig eine Abdichtung des Innenraums 62 des Gehäuses 50 bewirkt.
Die Funktionsweise der Sensorelemente 32, 32a bis 32f besteht darin, dass bei einer (elastischen) Deformation des Verformungsbereichs 27 infolge einer Druckänderung in der Versorgungsbohrung 19 durch das jeweilige Sensorelement 32, 32a bis 32f ein elektrisches Spannungssignal erzeugt wird, das über die Kontaktelemente 52, 53 an eine nicht dargestellte Auswerte- bzw. Messeinrichtung übermittelt wird. Aufgrund des Spannungssignals kann zumindest mittelbar auf eine Stellung der Düsennadel 16 in dem Injektorgehäuse 11 geschlossen werden, wobei dieses Signal der Ansteuerung der Düsennadel 16 dient.

Claims

Kraftstoffinjektor(10), insbesondere Common-Rail-Injektor, mit einem Injektorgehäuse (11), in dem ein Hochdruckraum (15) ausgebildet ist, der über eine im Injektorgehäuse (11) angeordnete Versorgungsbohrung (19) mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgbar ist, mit einer Messeinrichtung (30; 30a bis 30d) zur zumindest mittelbaren Erfassung des Drucks im Hochdruckraum (15) oder der Versorgungsbohrung (19), wobei die Messeinrichtung (30; 30a bis 30f) dazu ausgebildet ist, eine elastische Verformung eines zumindest mittelbar mit der Versorgungsbohrung (19) oder dem Hochdruckraum (15) in Wirkverbindung angeordneten Verformungsbereichs (27) des Injektorgehäuses (11) zu erfassen, wobei die Messeinrichtung (30; 30a bis 30f) ein Sensorelement (32; 32a bis 32f) aufweist, das mit der Oberfläche des Verformungsbereichs (27) in Anlagekontakt angeordnet ist, wobei das Sensorelement (32; 32a bis 32f) über Kontaktelemente (52, 53) elektrisch kontaktiert ist, wobei die Messeinrichtung (30; 30a bis 30f) bereichsweise in einem mit dem Injektorgehäuse (11) verbundenen Gehäuse (50) aufgenommen ist, das das Sensorelement (32; 32a bis 32f) an seinem Umfang umgibt und auf der dem Verformungsbereich (27) gegenüberliegenden Seite überdeckt, und wobei das Gehäuse (50) auf der dem Verformungsbereich (27) gegenüberliegenden Seite in Anlagekontakt mit dem Sensorelement (32; 32a bis 32f) angeordnet ist und das Sensorelement (32; 32a bis 32f) mit einer axialen Vorspannkraft (F) gegen den Verformungsbereich (27) kraftbeaufschlagt, wobei das Gehäuse (50) aus wenigstens zwei Elementen besteht, wobei das eine Element als Gehäusedeckel (47) ausgebildet ist, der in vorzugsweise flächigem Anlagekontakt mit dem Sensorelement (32; 32a bis 32f) angeordnet ist und auf der dem Sensorelement (32; 32a bis 32f) zugewandten Seite eine ebene Oberfläche (61) aufweist, und dass in dem Gehäusedeckel (47) die Kontaktelemente (52, 53) angeordnet sind, die das Sensorelement (32; 32a bis 32f) zumindest mittelbar elektrisch kontaktieren, und der Gehäusedeckel (47) mit einem hülsenförmigen Element (48) des Gehäuses (50) zusammenwirkt, das auf der dem Verformungsbereich (27) abgewandten Seite einen radial nach innen ragenden Halteabschnitt (51) aufweist, gegen den der Gehäusedeckel (47) auf der dem Verformungsbereich (27) zugewandten Seite des Halteabschnitts (51) axial anliegt,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Sensorelement (32; 32a bis 32F) als Piezoelement (31) mit rechteckförmiger Grundfläche und mit wenigstens einer Piezokeramikschicht (34) und wenigstens zwei Elektrodenschichten (35, 36) sowie mit Isolationsschichten (41, 42) ausgebildet ist, und dass zwei Kontaktelemente (52, 53) vorgesehen sind, die im Bereich vorzugsweise diagonal gegenüberliegender Eckbereiche (57, 58) des Sensorelements (32; 32a bis 32f) im Gehäusedeckel (47) angeordnet sind, und die auf der dem Sensorelement (32; 32a bis 32f) zugewandten Seite oberflächenbündig mit der Oberfläche (61) des Gehäusedeckels (47) verlaufen.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Gehäusedeckel (47) mit einem hülsenförmigen Element (48) des Gehäuses (50) zusammenwirkt, und dass der Gehäusedeckel (47) mit dem hülsenförmigen Element (48) mittels einer Schweißnaht (96) verbunden ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kontaktelemente (52, 53) unter Zwischenlage eines elektrisch leitfähigen Klebers (63) oder eines Lotes (64) mit Metallisierungen (39, 40) verbunden sind, die wiederum mit den Elektrodenschichten (35, 36) elektrisch leitend verbunden sind.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kontaktelemente (52, 53) in zumindest teilweiser Überdeckung mit dem Sensorelement (32a) angeordnet sind, und dass das Sensorelement (32a) auf der den Kontaktelementen (52, 53) zugewandten Seite zumindest im Überdeckungsbereich mit den Kontaktelementen (52, 53) eine Aussparung (65) für den Kleber (63) oder das Lot (64) aufweist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kontaktelemente (52, 53) in vollständiger Überdeckung mit dem Sensorelement (32d) angeordnet sind, und dass das Sensorelement (32d) für jedes Kontaktelement (52, 53) in Ausrichtung mit dem Kontaktelement (52, 53) eine Ausnehmung (78, 79) aufweist, die bis zur jeweiligen Elektrodenschicht (35, 36) reicht, und die mit Lot (64) zur elektrischen Verbindung zwischen der Elektrodenschicht (52, 53) und dem Kontaktelement (52, 53) ausgefüllt ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kontaktelemente (52, 53) mittels jeweils eines Zwischenelements (66; 66f, 67; 67f, 75; 75e, 76; 76e) zumindest mittelbar mit der Elektrodenschicht (35, 36) verbunden sind.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zwischenelement (66; 66f, 67; 67f) als Federelement ausgebildet ist, das mit dem Sensorelement (32b; 32f) verbunden ist und mit einem Federabschnitt (69) gegen das jeweilige Kontaktelement (52, 53) anliegt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zwischenelement (66f, 67f) unter mechanischer Vorspannung an einer mit der Elektrodenschicht (35, 36) verbundenen Metallisierung ((39, 40) des Sensorelements (32f) anliegt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zwischenelement (66f, 67f) in einem insbesondere ringförmigen Stützelement (90) form- und kraftschlüssig aufgenommen ist
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Stützelement (90) zwischen den Kontaktelementen (52, 53) und einem Überbrückungselement (72f) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zwischenelement (75; 75e, 76; 76e) in Form eines Verbindungsdrahts, insbesondere eines Bonddrahts, ausgebildet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 6 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kontaktelemente (52, 53) außer Deckung mit dem Sensorelement (32b; 32c) angeordnet sind.