EP3179090B1 - Kraftstoffinjektor - Google Patents

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EP3179090B1
EP3179090B1 EP16201101.9A EP16201101A EP3179090B1 EP 3179090 B1 EP3179090 B1 EP 3179090B1 EP 16201101 A EP16201101 A EP 16201101A EP 3179090 B1 EP3179090 B1 EP 3179090B1
Authority
EP
European Patent Office
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housing
piezoelectric element
region
fuel injector
peripheral wall
Prior art date
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Active
Application number
EP16201101.9A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP3179090A1 (de
Inventor
Roland Berner
Dieter Junger
Axel Bormann
Udo Schaich
Torsten Leukert
Fridolin Zeck
Martin Forke
Falko Malt
Peter Koblmiller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3179090A1 publication Critical patent/EP3179090A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3179090B1 publication Critical patent/EP3179090B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M57/00—Fuel-injectors combined or associated with other devices
    • F02M57/005—Fuel-injectors combined or associated with other devices the devices being sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/24—Fuel-injection apparatus with sensors
    • F02M2200/244—Force sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/24—Fuel-injection apparatus with sensors
    • F02M2200/247—Pressure sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/80—Fuel injection apparatus manufacture, repair or assembly
    • F02M2200/8084—Fuel injection apparatus manufacture, repair or assembly involving welding or soldering

Definitions

  • the invention relates to a fuel injector according to the preamble of claim 1.
  • a fuel injector according to the preamble of claim 1 is from the post-published DE 10 2015 206 029 A1 the applicant known.
  • Kraftstoffinjektor is used to detect the closing time of the nozzle needle, wherein this hits its seat in the injector and thereby at least indirectly closes injection openings formed in the injector, a measuring device with a sensor element which is arranged in the region of a supply bore on the injector.
  • the supply bore supplies a high-pressure space, in which the nozzle needle is arranged, with fuel under high pressure.
  • the injector housing in the region of the measuring device on a reduced wall thickness deformation region which is formed elastically deformable in dependence on the fuel pressure in the supply bore.
  • the deformation region bulges convexly outward at a pressure increase in the supply bore.
  • This curvature is detected in the known fuel injector by means of a piezoelectric element of the measuring device, which is arranged within a closed housing.
  • the closed housing makes it possible to dispense with the known fuel injector or its measuring device on commonly used adhesives for connecting the piezoelectric element with the deformation region.
  • the closed design of the housing makes it possible, by means of a corresponding design of the housing parts, which are arranged to be adjustable relative to one another in an overlapping region, to exert an axial pretensioning force on the piezoelement. This axial preload force is considered in terms of reliability of the piezoelectric element over its lifetime advantage.
  • EP3088729A1 discloses a fuel injector with a measuring device for at least indirectly detecting the pressure in the high-pressure chamber or the supply bore, wherein the measuring device comprises a sensor element comprising in particular a piezoelectric element, which is arranged in operative connection with the surface of a deformation region. To form the bias of the piezo element, this cooperates with a rigid clamping device, which has a metallic clamping band. The strap surrounds the piezoelectric element as well as the injector housing.
  • the present invention seeks to further develop a fuel injector according to the preamble of claim 1 such that the axial biasing force on the piezoelectric element in response to the deformation or deformation of the deformation range is variable.
  • the axial preload force on the piezoelectric element either increased or decreased.
  • the invention is based on the idea, by a corresponding arrangement of the mounting portion of the housing with respect to a peripheral wall of the sensor housing in connection with a direct contact of the piezoelectric element on the deformation region in a deformation of the deformation region over different leverage ratios, on the mounting area and the peripheral wall the piezoelectric element act to be able to influence the axial biasing force in the desired manner.
  • the piezoelectric element is not connected with the interposition of the housing with the deformation region.
  • Such a configuration of the electrical contacting makes it possible, in particular, for a relative movement between the piezoelectric element and the electrical contacts for the sensor element to be made possible even during a specific movement of the piezoelectric element as a result of the deformation of the deformation region, without interrupting the contacting.
  • the sensor housing has a cover element in an overlap region with the Circumferential wall of the sensor housing for adjusting the axial biasing force on the sensor element is adjustable relative to the peripheral wall, and that the cover element with the peripheral wall is firmly connected, in particular by a laser weld.
  • the cover element is moved, for example, as long as in the direction of the sensor element or the piezoelectric element until a desired axial biasing force acts on the piezoelectric element. In this position, the cover element is connected or fixed to the peripheral wall by the addressed laser weld.
  • the fastening region protrudes in relation to the peripheral wall of the sensor housing inwardly.
  • connection between the fastening region of the sensor housing and the deformation region is designed in particular in the form of a weld seam, particularly preferably in the form of a laser weld seam.
  • the sensor housing is preferably made of metal.
  • the sensor housing Since the fuel injector during operation has different operating temperatures, for example, from about -30 ° C to + 100 ° C, the sensor housing also assumes the mentioned temperatures. As a result, an axial pretensioning force which is set during the installation of the fuel injector, for example at room temperature, also changes to the piezoelectric element. In order to generate over the entire temperature range of the fuel injector or the measuring device at least a nearly uniform axial biasing force on the piezoelectric element, it is therefore advantageous if the axial bias by a choice of material for the sensor housing and / or dimensioning of the components at least substantially is temperature independent.
  • the Indian Fig. 1 fuel injector 10 shown greatly simplified is designed as a so-called common rail injector, and is used to inject fuel into the combustion chamber, not shown, of an internal combustion engine, in particular a self-igniting internal combustion engine.
  • the fuel injector 10 has an injector housing 11 which is at least substantially made of metal and may have a multi-part design, in which at least one, preferably several injection openings 12 for injecting the fuel are arranged on the side facing the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • this forms a high pressure chamber 15, in which a nozzle needle 16 serving as an injection member is arranged in a liftable manner in the direction of the double arrow 17.
  • a nozzle needle 16 serving as an injection member is arranged in a liftable manner in the direction of the double arrow 17.
  • this forms together with the inner wall of the high-pressure chamber 15 and the injector 11 a sealing seat, so that the injection openings 12 are at least indirectly closed, such that the injection of fuel from the high-pressure chamber 15 in the Combustion chamber of the internal combustion engine is avoided.
  • the nozzle needle 16 In the other, not shown, lifted from the sealing seat position of the nozzle needle 16, this releases the injection openings 12 for injecting the fuel into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the movement of the nozzle needle 16, in particular for releasing the injection openings 12, takes place in a manner known per se by means of an actuator, not shown, which can be actuated via a voltage supply line 18 by a control device of the internal combustion engine.
  • the actuator may in particular be a magnetic actuator or else a piezoactuator.
  • the supply hole 19 is also via a fuel connection, not shown connected to a fuel line 22, which in turn is coupled to a fuel reservoir 25 (rail).
  • a blind hole-shaped recess 24 is formed, so that the wall thickness of the injector 11 is reduced in the region of the recess 24.
  • the injector housing 11 may also have a flattening, in the region of which the wall thickness of the injector housing 11 is reduced.
  • the newly formed base 26 of the recess 24 forms part of a deformation region 27.
  • the fuel pressure currently prevailing in the supply bore 19 also acts in the injector housing 11 on the side facing away from the recess 24.
  • the wall section 29 of the injector housing 11 acts on the recess 24 facing side as a deformation region 27 in the manner of an elastically deformable membrane, wherein the deformation, which forms as a curvature, the higher, the higher the instantaneous fuel pressure in the supply bore 19 is.
  • the fuel injector 10 For detecting the time profile of the fuel pressure in the supply bore 19 and thus also in the high-pressure chamber 15, which is used as an indication of the instantaneous position of the nozzle needle 16 for driving the nozzle needle 16, the fuel injector 10 has a measuring device 30.
  • the measuring device 30 comprises a sensor element 32 designed as a piezo element 31.
  • the in the Fig. 2 shown measuring device 30 has a preferably made of metal housing 35.
  • the housing 35 is in the illustrated embodiment by way of example and not limiting of two housing parts 36, 37.
  • the housing part 36 is formed as a housing cover 38 and formed substantially disc-shaped or cylindrical. It has two passage openings 39, 40 through which protrude bow-shaped contact elements 41, 42, wherein the contact elements 41, 42 in the through holes 39, 40 are sealed, for example by an insulating material.
  • the two contact elements 41, 42 are arranged on opposite sides of the block-shaped piezoelectric element 31 and are under mechanical bias at opposite, connected to different poles of the piezoelectric element 31 side surfaces 43, 44 of the piezoelectric element 31 at. Outside the housing 35, the contact elements 41, 42 in the Fig. 1 recognizable connecting lines 45, 46 contacted, with which the piezoelectric element 31 and the measuring device 30 is connected by way of example with an evaluation device (control unit), not shown.
  • the piezoelectric element 31 has on the deformation region 27 and on the housing cover 38 side facing each an electrical insulation layer 47, 48, which serves as an intermediate layer to the deformation region 27 and the housing cover 38. Furthermore, the piezoelectric element 31 has an axis of symmetry 49 which cuts the supply bore 19 centrically.
  • the housing 35 has, on the side facing the deformation region 27, an opening 34, in the region of which the piezoelement 31 abuts the deformation region 47 with the interposition of the insulation layer 47.
  • the housing part 37 of the housing 35 is approximately sleeve-shaped and has a peripheral wall 51 with a closed contour, which merges on the injector housing 11 side facing in a right angle from the housing wall 51 outwardly projecting, preferably also radially circumferential mounting portion 52.
  • an overlapping region 53 is formed between the peripheral wall 51 and the housing cover 38, within which the housing cover 38 is movably arranged relative to the peripheral wall 31 and to the housing part 37 in the direction of the symmetry axis 49.
  • the housing 35 or the housing part 37 is fixedly connected to the base 26 of the deformation region 27 via a weld seam 54, in particular in the form of a laser weld seam 55, formed on the attachment region 32, in particular in the form of a closed contour.
  • the housing cover 38 is formed by a circumferential weld seam 56 formed in the region of the overlapping region 53, preferably likewise in the form of a Laser weld 57, tightly connected to the housing part 37.
  • the laser weld seam 57 serves, in particular, to set an axial prestressing force A acting on the piezoelectric element 31.
  • the housing part 37 is first connected to the deformation region 27 via the fastening region 32 and the weld seam 54 in a first production step.
  • a preassembled unit consisting of the housing cover 38 and the two insulating layers 47, 48 (wherein between the housing cover 38 facing insulating layer 47 and the housing cover 38, an adhesive layer, not shown) may be present axially inserted into the opening cross section of the housing part 37.
  • a desired axial preload force A is generated on the piezoelectric element 31, which can be ascertained, for example, based on the voltage signals generated by the piezoelectric element 31, the housing cover 38 is firmly connected to the housing part 37 in the overlapping region 53 by means of the laser weld seam 55.
  • the deformation region 27 convexly bulges outwards.
  • the housing part 37 also participates in a deformation.
  • the moment can be detected at which the nozzle needle 16 strikes its seat in the injector housing 11 when closing.
  • housing 35a differs from the housing 35 of Fig. 2 in that the fastening region 52a is designed or arranged inwardly in relation to the circumferential wall 51.
  • the peripheral wall 51 thus simultaneously forms the outer boundary of the housing 35a.
  • an angle ⁇ is now formed between the two welds 54, 56 and the bottom 26 of the deformation region 27, which is greater than 90 °, in the illustrated embodiment, for example, about 120 °.
  • the deformation region 27 With an increase in pressure of the supply bore 19, the deformation region 27 also convexly convex to the outside.
  • the angle ⁇ increases. This is because although the fulcrum of the weld 54 also moves outward, the fulcrum of the weld 56 travels upwards (ie, away from the deformation region 27). The enlarging angle ⁇ or the greater distance of the weld 56 causes a reduction of the axial preload force A on the piezoelectric element 31st

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der nachveröffentlichten DE 10 2015 206 029 A1 der Anmelderin bekannt. Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor wird zur Detektion des Schließzeitpunkts der Düsennadel, bei dem diese auf ihren Sitz im Injektorgehäuse auftrifft und dadurch im Injektorgehäuse ausgebildete Einspritzöffnungen zumindest mittelbar verschließt, eine Messeinrichtung mit einem Sensorelement verwendet, das im Bereich einer Versorgungsbohrung am Injektorgehäuse angeordnet ist. Die Versorgungsbohrung versorgt einen Hochdruckraum, in dem auch die Düsennadel angeordnet ist, mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff. Insbesondere weist das Injektorgehäuse im Bereich der Messeinrichtung einen in der Wandstärke reduzierten Verformungsbereich auf, der in Abhängigkeit des Kraftstoffdrucks in der Versorgungsbohrung elastisch deformierbar ausgebildet ist. Dadurch wölbt sich der Verformungsbereich bei einer Druckerhöhung in der Versorgungsbohrung konvex nach außen. Diese Wölbung wird bei dem bekannten Kraftstoffinjektor mittels eines Piezoelements der Messeinrichtung erfasst, das innerhalb eines geschlossenen Gehäuses angeordnet ist. Das geschlossene Gehäuse ermöglicht es bei dem bekannten Kraftstoffinjektor bzw. dessen Messeinrichtung auf üblicherweise verwendete Klebstoffe zum Verbinden des Piezoelements mit dem Verformungsbereich verzichten zu können. Darüber hinaus ermöglicht es die geschlossene Ausbildung des Gehäuses, durch eine entsprechende Gestaltung der Gehäuseteile, die in einem Überlappungsbereich verstellbar zueinander angeordnet sind, auf das Piezoelement eine axiale Vorspannkraft auszuüben. Diese axiale Vorspannkraft ist hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Piezoelements über dessen Lebensdauer betrachtet von Vorteil.
  • Dokument EP3088729A1 offenbart einen Kraftstoffinjektor mit einer Messeinrichtung zur zumindest mittelbaren Erfassung des Drucks im Hochdruckraum oder der Versorgungsbohrung, wobei die Messeinrichtung ein insbesondere ein Piezoelement umfassendes Sensorelement aufweist, das in Wirkverbindung mit der Oberfläche eines Verformungsbereich angeordnet ist. Zur Ausbildung der Vorspannung des Piezoelements wirkt dieses mit einer starren Spanneinrichtung zusammen, die ein metallisches Spannband aufweist. Das Spannband umgibt das Piezoelement sowie das Injektorgehäuse.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass die axiale Vorspannkraft auf das Piezoelement in Abhängigkeit von der Verformung bzw. Deformation des Verformungsbereichs veränderbar ist. Insbesondere soll es ermöglicht werden, dass sich während des Auftretens der Deformation des Verformungsbereichs die axiale Vorspannkraft auf das Piezoelement entweder erhöht oder verringert.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, durch eine entsprechende Anordnung des Befestigungsbereichs des Gehäuses in Bezug zu einer Umfangswand des Sensorgehäuses in Verbindung mit einer direkten Anlage des Piezoelements an dem Verformungsbereich bei einer Deformation des Verformungsbereichs über unterschiedliche Hebelverhältnisse, die über den Befestigungsbereich und die Umfangswand auf das Piezoelement wirken, dessen axiale Vorspannkraft in gewünschter Art und Weise beeinflussen zu können. Im Gegensatz zum eingangs erwähnten Stand der Technik ist dabei das Piezoelement nicht unter Zwischenlage des Gehäuses mit dem Deformationsbereich verbunden.
  • Weiter ist erfindungsgemäß vorgesehen, die elektrische Kontaktierung des Piezoelements mittels an Seitenflächen des Sensorelements angreifenden Kontaktelementen auszubilden, die unter elastischer Vorspannung gegen die Seitenflächen anliegen und durch das Deckelelement hindurchragen. Eine derartige Ausbildung der elektrischen Kontaktierung erlaubt es insbesondere, dass auch bei einer bestimmten Bewegung des Piezoelements infolge der Deformation des Verformungsbereichs eine Relativbewegung zwischen dem Piezoelement und den elektrischen Kontakten für das Sensorelement ermöglicht wird, ohne die Kontaktierung zu unterbrechen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
  • Um in einer Grundeinstellung der Messeinrichtung, bei der keine Deformation des Verformungsbereichs vorhanden ist, eine definierte Vorspannkraft auf das Piezoelement einstellen zu können, ist es in einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung des Sensorgehäuses vorgesehen, dass das Sensorgehäuse ein Deckelelement aufweist, das in einem Überlappungsbereich mit der Umfangswand des Sensorgehäuses zur Einstellung der axialen Vorspannkraft auf das Sensorelement relativ zur Umfangswand verstellbar ist, und dass das Deckelelement mit der Umfangswand fest verbindbar ist, insbesondere durch eine Laserschweißnaht. In der Praxis wird das Deckelelement beispielsweise solange in Richtung des Sensorelements bzw. des Piezoelements bewegt, bis eine gewünschte axiale Vorspannkraft auf das Piezoelement einwirkt. In dieser Position wird das Deckelelement mit der Umfangswand durch die angesprochene Laserschweißnaht verbunden bzw. fixiert.
  • Um bei einer Deformation des Verformungsbereichs eine Reduzierung der vorab eingestellten axialen Vorspannkraft auf das Piezoelement zu erzielen, ist es vorgesehen, dass der Befestigungsbereich in Bezug zur Umfangswand des Sensorgehäuses nach innen ragt. Eine derartige Ausbildung ermöglicht es, das Piezoelement bei der Montage an dem Kraftstoffinjektor mit einer maximalen Vorspannkraft zu montieren. Dadurch ist auch bei einem starken Setzverhalten mit einer Reduzierung der Vorspannkraft über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors betrachtet stets sichergestellt, dass eine genügend hohe Vorspannkraft vorhanden ist.
  • Demgegenüber ist es zu einer Verstärkung bzw. Vergrößerung der axialen Vorspannkraft auf das Piezoelement bei einer Deformation des Verformungsbereichs vorgesehen, dass der Befestigungsbereich in Bezug zur Umfangswand des Sensorgehäuses nach außen ragt. Dadurch wird ein nutzbares Spannungssignal vergrößert, so dass eine besonders gute Auswertung des Spannungssignals ermöglicht wird.
  • Die Verbindung zwischen dem Befestigungsbereich des Sensorgehäuses und dem Verformungsbereich ist insbesondere in Form einer Schweißnaht, besonders bevorzugt in Form einer Laserschweißnaht, ausgebildet. Hierzu besteht das Sensorgehäuse vorzugsweise aus Metall. Eine derartige Ausbildung hat den Vorteil, dass die Verbindung auch über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors betrachtet hinreichend stabil bzw. fest ist und insbesondere eine relativ hohe Temperaturbeständigkeit aufweist.
  • Da der Kraftstoffinjektor während des Betriebs unterschiedliche Betriebstemperaturen aufweist, beispielsweise von etwa -30°C bis +100°C, nimmt das Sensorgehäuse die angesprochenen Temperaturen ebenfalls an. Dadurch ändert sich auch eine bei der Montage des Kraftstoffinjektors beispielsweise bei Raumtemperatur eingestellte axiale Vorspannkraft auf das Piezoelement. Um über den gesamten Temperaturbereich des Kraftstoffinjektors bzw. der Messeinrichtung eine zumindest nahezu gleichmäßige axiale Vorspannkraft auf das Piezoelement erzeugen zu können, ist es deshalb von Vorteil, wenn die axiale Vorspannung durch eine Materialwahl für das Sensorgehäuse und/oder eine Dimensionierung der Bauteile zumindest im Wesentlichen temperaturunabhängig ist.
  • 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 Erfassung des Kraftstoffdrucks im Kraftstoffinjektor und
    Fig. 2 und Fig. 3
    unterschiedliche Ausführungsformen einer Sensoreinrichtung, wie sie bei dem Kraftstoffinjektor gemäß Fig. 1 verwendet wird, jeweils im Querschnitt.
  • Gleiche Elemente bzw. 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 zumindest 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 das Einspritzen von Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 15 in den Brennraum der Brennkraftmaschine vermieden wird. 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. Dadurch, dass 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.
  • Die in der Fig. 2 gezeigte Messeinrichtung 30 weist ein vorzugsweise aus Metall bestehendes Gehäuse 35 auf. Das Gehäuse 35 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel beispielhaft und nicht einschränkend aus zwei Gehäuseteilen 36, 37. Das Gehäuseteil 36 ist als Gehäusedeckel 38 ausgebildet und im Wesentlichen scheibenförmig bzw. zylindrisch ausgebildet. Es weist zwei Durchgangsöffnungen 39, 40 auf, durch die bügelartige Kontaktelemente 41, 42 hindurchragen, wobei die Kontaktelemente 41, 42 in den Durchgangsöffnungen 39, 40 abgedichtet sind, beispielsweise durch eine Isoliermasse. Die beiden Kontaktelemente 41, 42 sind auf gegenüberliegenden Seiten des blockförmig ausgebildeten Piezoelements 31 angeordnet und liegen unter mechanischer Vorspannung an gegenüberliegenden, mit unterschiedlichen Polen des Piezoelements 31 verbundenen Seitenflächen 43, 44 des Piezoelements 31 an. Außerhalb des Gehäuses 35 sind die Kontaktelemente 41, 42 mit in der Fig. 1 erkennbaren Anschlussleitungen 45, 46 kontaktiert, mit denen das Piezoelement 31 bzw. die Messeinrichtung 30 beispielhaft mit einer nicht gezeigten Auswerteeinrichtung (Steuergerät) verbunden ist.
  • Das Piezoelement 31 weist auf der dem Verformungsbereich 27 sowie auf der dem Gehäusedeckel 38 zugewandten Seite jeweils eine elektrische Isolationsschicht 47, 48 auf, die als Zwischenlage zum Verformungsbereich 27 bzw. zum Gehäusedeckel 38 dient. Weiterhin weist das Piezoelement 31 eine Symmetrieachse 49 auf, die die Versorgungsbohrung 19 zentrisch schneidet. Das Gehäuse 35 weist auf der dem Verformungsbereich 27 zugewandten Seite eine Öffnung 34 auf, in deren Bereich das Piezoelement 31 unter Zwischenlage der Isolationsschicht 47 an dem Verformungsbereich 47 anliegt.
  • Das Gehäuseteil 37 des Gehäuses 35 ist in etwa hülsenförmig ausgebildet und weist eine Umfangswand 51 mit einer geschlossenen Kontur auf, die auf der dem Injektorgehäuse 11 zugewandten Seite in einen rechtwinklig von der Gehäusewand 51 nach außen ragenden, vorzugsweise ebenfalls radial umlaufenden Befestigungsbereich 52 übergeht.
  • Innerhalb der Umfangswand 51 ist zwischen der Umfangswand 51 und dem Gehäusedeckel 38 ein Überlappungsbereich 53 ausgebildet, innerhalb dessen der Gehäusedeckel 38 relativ zur Umfangswand 31 bzw. zum Gehäuseteil 37 in Richtung der Symmetrieachse 49 beweglich angeordnet ist.
  • Das Gehäuse 35 bzw. das Gehäuseteil 37 ist über eine an dem Befestigungsbereich 32 ausgebildete, insbesondere eine geschlossene Kontur aufweisende Schweißnaht 54, insbesondere in Form einer Laserschweißnaht 55, mit dem Grund 26 des Verformungsbereichs 27 fest verbunden. Weiterhin ist der Gehäusedeckel 38 über eine im Bereich des Überlappungsbereichs 53 ausgebildete umlaufende Schweißnaht 56, vorzugsweise ebenfalls in Form einer Laserschweißnaht 57, mit dem Gehäuseteil 37 dicht verbunden. Die Laserschweißnaht 57 dient insbesondere zur Einstellung einer auf das Piezoelement 31 wirkenden axialen Vorspannkraft A. Hierzu wird in einem ersten Fertigungsschritt zunächst das Gehäuseteil 37 über den Befestigungsbereich 32 und die Schweißnaht 54 mit dem Verformungsbereich 27 verbunden. Anschließend wird beispielsweise eine vormontierte Baueinheit, bestehend aus dem Gehäusedeckel 38 sowie den beiden Isolationsschichten 47, 48 (wobei zwischen der dem Gehäusedeckel 38 zugewandten Isolationsschicht 47 und dem Gehäusedeckel 38 eine nicht gezeigte Klebstoffschicht vorhanden sein kann) axial in den Öffnungsquerschnitt des Gehäuseteils 37 eingeführt. Sobald auf das Piezoelement 31 eine gewünschte axiale Vorspannkraft A erzeugt ist, was beispielsweise anhand der von dem Piezoelement 31 erzeugten Spannungssignale festgestellt werden kann, wird der Gehäusedeckel 38 mit dem Gehäuseteil 37 im Überlappungsbereich 53 mittels der Laserschweißnaht 55 fest verbunden.
  • Beim Betrieb des Kraftstoffinjektors 10 wölbt sich bei einer Erhöhung des hydraulischen Drucks in der Versorgungsbohrung 19 der Verformungsbereich 27 konvex nach außen. Gleichzeitig nimmt auch das Gehäuseteil 37 an einer Verformung teil. Anhand des Druckverlaufs bzw. der Druckänderung in der Versorgungsbohrung 19 bzw. der Änderung der Deformation des Verformungsbereichs 27 lässt sich insbesondere der Augenblick erfassen, bei dem die Düsennadel 16 beim Schließen auf ihren Sitz im Injektorgehäuse 11 auftrifft.
  • Aufgrund der Kinematik mit der in Bezug auf die Umfangswand 51 außen liegenden Laserschweißnaht 56 und der Laserschweißnaht 55 zwischen dem Gehäusedeckel 38 und dem Gehäuseteil 37 ist zwischen einer die beiden Laserschweißnähte 55, 56 verbindenden Geraden 58 und dem Grund 26 des Verformungsbereichs 27 ein Winkel α von weniger als 90° ausgebildet. Durch die Lage der beiden Schweißnähte 54, 56 wird bei einer Druckerhöhung in der Versorgungsbohrung 19 der Wandabschnitt 29 auch um eine tangential um die Versorgungsbohrung 19 verlaufende Richtung gedehnt. Dadurch wirken die Schweißnahtmitten der beiden Schweißnähte 54, 56 in Art eines Drehgelenks. Durch die angesprochene Tangentialdehnung bei einer Druckerhöhung wird der fiktive Drehpunkt der Schweißnaht 54 zu einem größeren Abstand zur Schweißnaht 56 nach außen verschoben. Durch den vergrößerten Abstand zieht es den Drehpunkt der Schweißnaht 56 nach unten, so dass sich auch der Gehäusedeckel 38 in Richtung des Verformungsbereichs 27 bewegt. Dadurch wird der nutzbare Hub vergrößert bzw. die Vorspannkraft A auf das Piezoelement 31 erhöht, so dass ein erhöhtes Spannungssignal durch das Piezoelement 31 erzeugt wird.
  • Das in der Fig. 3 dargestellte Gehäuse 35a unterscheidet sich von dem Gehäuse 35 der Fig. 2 dadurch, dass der Befestigungsbereich 52a in Bezug zur Umfangswand 51 nach innen ragend ausgebildet bzw. angeordnet ist. Die Umfangswand 51 bildet somit gleichzeitig die äußere Begrenzung des Gehäuses 35a aus. Wie anhand der Fig. 3 erkennbar ist, wird nunmehr zwischen der Geraden 58 zwischen den beiden Schweißnähten 54, 56 und dem Grund 26 des Verformungsbereichs 27 ein Winkel α ausgebildet, der größer als 90° ist, im dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise etwa 120°. Dadurch werden die Verhältnisse im Vergleich zum Gehäuse 35 umgedreht. Bei einer Druckerhöhung der Versorgungsbohrung 19 wölbt sich der Verformungsbereich 27 ebenfalls konvex nach außen. Aufgrund der Hebelverhältnisse zwischen dem Befestigungsbereich 52a und der Umfangswand 51 bzw. dem Gehäusedeckel 38 nimmt jedoch dabei der Winkel α zu. Dies rührt daher, dass zwar der Drehpunkt der Schweißnaht 54 ebenfalls nach außen wandert, der Drehpunkt der Schweißnaht 56 jedoch nach oben (d.h. vom Verformungsbereich 27 weg) wandert. Der vergrößernde Winkel α bzw. der größere Abstand der Schweißnaht 56 bewirkt eine Verringerung der axialen Vorspannkraft A auf das Piezoelement 31.
  • Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.

Claims (9)

  1. 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 wenigstens einer zumindest mittelbar mit dem Hochdruckraum (15) verbundenen, im Injektorgehäuse (11) ausgebildeten Einspritzöffnung (12) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem die wenigstens eine Einspritzöffnung (12) freigebenden oder verschließenden Einspritzglied (16), mit einer Messeinrichtung (30) zur zumindest mittelbaren Erfassung des Drucks im Hochdruckraum (15) oder in der Versorgungsbohrung (19), wobei die Messeinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, eine elastische Verformung eines zumindest mittelbar mit der Versorgungsbohrung (19) oder dem Hochdruckraum (15) in Wirkverbindung angeordneten Verformungsbereichs (27) zu erfassen, wobei die Messeinrichtung (30) ein als Piezoelement (31) ausgebildetes Sensorelement (32) aufweist, das mit der Oberfläche (26) des Verformungsbereichs (27) in Wirkverbindung angeordnet ist, wobei das Piezoelement (31) mit einer axialen Vorspannkraft (A) gegen den Verformungsbereich (27) kraftbeaufschlagt ist, wobei das Sensorelement (32) an seinem Umfang von einer Umfangswand (51) eines Gehäuses (35; 35a) umschlossen ist, und wobei die Umfangswand (51) einen flanschartig von der Umfangswand (51) abragenden Befestigungsbereich (52; 52a) aufweist, in dessen Bereich das Gehäuse (35; 35a) mit dem Verformungsbereich (27) verbunden ist, wobei das Gehäuse (35; 35a) auf der dem Verformungsbereich (27) zugewandten Seite im Bereich des Piezoelements (31) eine Öffnung (34) aufweist, in deren Bereich das Piezoelement (31) zumindest mittelbar an dem Verformungsbereich (27) anliegt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die elektrische Kontaktierung des Piezoelements (31) mittels Seitenflächen (43, 44) des Piezoelements (31) kontaktierenden Kontaktelementen (41, 42) erfolgt, die unter elastischer Vorspannung gegen die Seitenflächen (43, 44) anliegen und die durch ein Deckelelement (38) hindurchragen.
  2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Sensorgehäuse (35; 35a) einen Gehäusedeckel (38) aufweist, der in einem Überlappungsbereich (53) mit der Umfangswand (51) zur Einstellung der axialen Vorspannkraft (A) auf das Piezoelement (31) relativ zur Umfangswand (51) verstellbar ist, und dass der Gehäusedeckel (38) mit der Umfangswand (51) fest verbunden ist, insbesondere durch eine Schweißnaht (56).
  3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Befestigungsbereich (52a) in Bezug zur Umfangswand (51) des Gehäuses (35a) nach innen ragt.
  4. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Befestigungsbereich (52) in Bezug zur Umfangswand (51) des Gehäuses (35) nach außen ragt.
  5. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verbindung zwischen dem Befestigungsbereich (52; 52a) des Gehäuses (35; 35a) und dem Verformungsbereich (27) als Schweißnaht (54), insbesondere als Laserschweißnaht (55) ausgebildet ist.
  6. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Gehäuse (35; 35a) aus Metall besteht.
  7. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Piezoelement (31) über elektrisch nichtleitende Isolationsschichten (47, 48) unmittelbar in Anlagekontakt mit dem Gehäuse (35; 35a) und dem Verformungsbereich (27) angeordnet ist.
  8. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die auf das Piezoelement (31) ausgeübte axiale Vorspannkraft (A) durch eine Materialwahl für das Gehäuse (35; 35a) und/oder eine Dimensionierung der Bauteile zumindest im Wesentlichen temperaturunabhängig ist.
  9. Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Befestigungsbereich (52; 52a) rechtwinklig zur Umfangswand (51) angeordnet ist.
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