WO2002066809A2 - Sensor mounted in an injection line leading to an injection valve in a direct-injection internal combustion engine - Google Patents

Sensor mounted in an injection line leading to an injection valve in a direct-injection internal combustion engine Download PDF

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WO2002066809A2
WO2002066809A2 PCT/DE2002/000671 DE0200671W WO02066809A2 WO 2002066809 A2 WO2002066809 A2 WO 2002066809A2 DE 0200671 W DE0200671 W DE 0200671W WO 02066809 A2 WO02066809 A2 WO 02066809A2
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pressure sensor
injection line
coil
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Ulrich Deml
Manfred Frimberger
Andreas Aumer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L23/00Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/08Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
    • G01L23/14Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by electromagnetic elements
    • 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
    • F02M65/00Testing fuel-injection apparatus, e.g. testing injection timing ; Cleaning of fuel-injection apparatus
    • F02M65/003Measuring variation of fuel pressure in high pressure line
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01L9/0026Transmitting or indicating the displacement of flexible, deformable tubes by electric, electromechanical, magnetic or electromagnetic means
    • G01L9/0029Transmitting or indicating the displacement of flexible, deformable tubes by electric, electromechanical, magnetic or electromagnetic means using variations in inductance

Definitions

  • the invention relates to a sensor which is arranged on a pressurized injection line of a direct-injection internal combustion engine leading to an injection valve in order to determine an injection start into the internal combustion engine.
  • a known device (DE 197 57 293 C2) has a pressure sensor which is arranged on the fuel injection line in front of an injection valve.
  • the pressure sensor has a single measuring coil made of magnetoelastic material, which is wound directly around the injection line. If an injection process is triggered and a needle stroke transmitter opens the injection nozzle by lifting the needle against the spring preload, the one that is present via the injection line
  • Fuel is injected into the combustion chamber of the internal combustion engine. This start of injection leads to a drop in pressure in the injection line.
  • the pressure drop induces an electrical voltage in the measuring coil due to the magneto-elastic effect.
  • This induced voltage is amplified and applied to a control unit as a measurement signal.
  • the measurement signal also has an interference component which is caused by interference from the control current for the injection valve.
  • this interference component in the measurement signal means that the signal-to-noise ratio of the measured signal is very small. This makes it very difficult to trace the waveform of the induced voltage generated by the pressure drop in the injection line received and from it to carry out a reliable determination of the injection timing.
  • five injection pulses can be carried out per combustion cycle, which are designed as pre-injections and / or main injections and / or post-injections.
  • the number of pre-injection pulses, the number of main injection pulses and the number of post-injection pulses are variable.
  • three pre-injections and two main injections can be carried out with five injection pulses.
  • two pre-injections, one main injection and two post-injections are carried out.
  • Another disadvantage of the known device is that deviations in the start of injection of the injection pulses from the defined injection times are not recognized. It is therefore also not possible to determine an exact dead time of the injection valves, that is to say the delay time between activation of the injection valves and opening of the needle of the injection nozzle, for a single injection process. Furthermore, with the known pressure sensor it is only possible to make a statement about the pressure fluctuations but not about the pressure in the injection line.
  • the invention has for its object to provide a generic sensor that is simple and inexpensive to build and that generates a measurement signal with a better signal-to-noise ratio.
  • a direct-injection internal combustion engine has an injection line that leads to an injection valve. On a sensor is arranged in this injection line.
  • the sensor has at least one bias coil and one measuring coil.
  • the senor has an element which is non-positively connected to the injection line and at least partially surrounds the injection line.
  • the element consists of a material that has pronounced magneto-elastic properties.
  • the bias coil is arranged so that it surrounds this magneto-elastic element and biases this magneto-elastic element.
  • the measuring coil is arranged in such a way that it surrounds the magnetoelastic element.
  • the senor has a second element made of soft iron or layered transformer plate and this second element at least partially surrounds the injection line and is mechanically connected directly to the ends of the magneto-elastic element.
  • the senor has a hollow cylinder which is arranged coaxially to the magnetoelastic element and the injection line, is arranged at a distance from the magnetoelastic element and the magnetoelastic element and the hollow cylinder by means of disk-shaped
  • Cover elements on the end faces are mechanically connected. Improved mechanical stability can be achieved in this way. Furthermore, the magnetic circuit of the premagnetization is also closed here.
  • FIG. 1 a shows the sensor according to the invention in the axial direction of the injection line
  • FIG. 1 b shows a perspective view of the sensor according to FIG. 1 a
  • FIG. 2 a shows a measurement signal of the sensor according to FIGS. 1 a and b without premagnetizing the magnetoelastic element in which the injection line is arranged between a high-pressure pump and an injection valve
  • FIG. 2 b shows a measurement signal from the sensor according to FIGS. 1 a and b with premagnetization of the magnetoelastic element, in which the injection line is arranged between a high-pressure pump and an injection valve
  • FIG. 2 c shows a measurement signal from the sensor 1 a and b, in which the injection line is arranged between a high-pressure accumulator and an injection valve
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of the sensor
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the sensor
  • 5 a shows a partial section through a fourth exemplary embodiment of the sensor
  • FIG. 5 b shows a perspective illustration of the sensor according to FIG. 5 a.
  • a sensor according to the invention which is referred to below as a pressure sensor, has a cylinder-symmetrical element 1 (FIG. 1) made of a material with pronounced magnetoelastic properties, which is referred to in the exemplary embodiment as core 1 '.
  • the core 1 ' is non-positively connected to an injection line 2 and coaxial to the injection line
  • the core has grooves 3 a - h.
  • the grooves 3 a - h are arranged symmetrically in pairs.
  • the pair of grooves 3 a, b is arranged symmetrically to the pair of grooves 3 e, f with respect to the axis of symmetry I.
  • 3 c, d is arranged symmetrically to the pair of grooves 3 g, h with respect to the axis of symmetry II.
  • Pre-magnetizing coils 4, 5, 6, 7 and measuring coils 8, 9, 10, 11 are incorporated into the grooves 3 a - h.
  • the turns of the bias coils 4, 5, 6, 7 and the turns of the measuring coils 8, 9, 10, 11 are non-positively wound around the core 1 '. It is not important for the invention that the turns of the coils 4 - 11 are wound non-positively around the core 1 '. It is important, however, that they are arranged in the spaces created by the grooves 3 a - h.
  • each bias coil 4, 5, 6, 7 The turns of each bias coil 4, 5, 6, 7 are wound in such a way that each bias coil 4, 5, 6, 7 forms a gap at approximately half the number of turns.
  • a measuring coil 8, 9, 10, 11 is respectively arranged in this intermediate space. Both the bias coils 4, 5, 6, 7 and the measuring coils 8, 9, 10, 11 are arranged tangentially to the injection line 2. Due to the arrangement of the bias coils 4, 5, 6, 7 and the measuring coils 8, 9, 10, 11 shown, the magnetic field lines are circular in the tangential direction around the. Injection line 2 closed.
  • the core 1 'made of magnetoelastic material is pre-magnetized by means of the bias coils 4, 5, 6, 7.
  • the change in the relative permeability leads to a change in the magnetic flux density B and a voltage is induced in the measuring coils 8, 9, 10, 11.
  • the pre-factors ⁇ X and a 2 are in the general case both non-linear of the pressure p and the change in the pressure p dependent in the injection line 2.
  • the pre-factors ai and a 2 can be influenced by a suitable choice of the current flowing through the bias coils 4, 5, 6, 7 for the purpose of biasing the core 1 '. It can be achieved that either the pressure dependency or the dependence on the pressure gradient is negligible. As a result, the induced voltage U ⁇ nd is either proportional to the pressure or proportional to the change in pressure.
  • variable pre-magnetization of the core 1 ' is therefore possible.
  • the signal of the induced voltage Und is amplified by a measured value amplifier (not shown) and applied to a control unit (not shown), which evaluates the signal.
  • the signal can also be evaluated via a separate evaluation unit.
  • a number of turns of 20 for the bias coils 4, 5, 6, 7 has proven to be advantageous.
  • a number of turns of 25 each has proven to be advantageous for the measuring coils 8, 9, 10, 11.
  • a higher or a lower number of turns can also be used for the bias coils 4, 5, 6, 7 and for the measuring coils 8, 9, 10, 11.
  • 1 'Vacoflux 50% cobalt, 50% iron
  • nickel or an alloy of nickel and iron, an alloy of iron and silicon or an alloy of platinum and iron can also be used.
  • FIG. 2 a shows a curve of a voltage induced in the measuring coils 8, 9, 10, 11 of the pressure sensor according to FIGS. 1 a and b, which is referred to in the form as a slot sensor.
  • the signal shows the voltage curve when the slot sensor is not premagnetized.
  • Signal corresponds to a pressure curve on a direct-injection internal combustion engine when the injection valves are opened. Due to the pressure drop in the injection line 2 when the injection valve is opened, vibrations A, B, C of the injection line 2 are generated, which are proportional to the induced voltage U ⁇ nc ⁇ and can be clearly seen in the signal curve.
  • the voltage induced in the measuring coils 8, 9, 10, 11 is shown in FIG. 2a with a premagnetization of the core 1 'of the slot sensor.
  • the measured signal is shown in the upper diagram and the integrated signal in the lower diagram.
  • the injection line 2 is arranged between a high pressure pump, not shown, and the injection valve.
  • the high-pressure pump can be designed as a distributor injection pump in which pressure builds up with each combustion cycle.
  • FIG. 2 c shows a signal course which is exemplary of the exemplary embodiment and which represents a pressure drop in a high-pressure accumulator after an injection valve has been opened.
  • the injection line 2 (FIG. 1 a, b) is arranged between a high-pressure fuel reservoir (not shown) and an injection valve.
  • the pressure sensor has an element 1, which is referred to as the core 1 ′′ (FIG. 3) and made of a material that has magnetoelastic properties.
  • the core 1 ′′ is non-positively connected to the injection line 2 and surrounds the injection line 2.
  • the pressure sensor also has a pre-magnetizing coil 12, the turns of which are wound in such a way that a gap is present at about half the number of turns.
  • the bias coil 12 surrounds the core 1 '', and is non-positively conclusively with the core 1 '', respectively.
  • a measuring coil 13 is arranged, which surrounds the core 1 ′′ non-positively. Furthermore, a measuring amplifier 14 is arranged in such a way that it is as small as possible from the measuring coil 13. Due to the smallest possible distance between the measuring amplifier 14 and the measuring coil 13, interference can be reduced and thus a better signal-to-noise ratio can be achieved.
  • a magnetic field is generated by the magnetizing current I mag flowing through the magnetizing coil 12, with which the core 1 ′′ is magnetized.
  • the bias coil 12 and the measuring coil 13 are arranged coaxially with the hollow cylindrical core 1 ′ and the injection line 2.
  • the cylinder sensor In contrast to the embodiment of the slot sensor (FIG. 1 a, b), the cylinder sensor (FIG. 3) has an open magnetic circuit. To achieve a certain magnetic flux density B, a larger magnetic field strength H than in the closed magnetic circuit is therefore necessary.
  • a cylinder sensor (FIG. 3) has a second element 15, which is referred to as a yoke 15 '.
  • This yoke 15 ' at least partially surrounds the injection line 2 and is mechanically connected to the narrow end faces of the cylinder-shaped core 1.
  • the magnetic field lines emerging from the end faces of the core 1 ′′ are closed by the yoke 15 ′.
  • the pressure sensor referred to as a yoke sensor has a closed magnetic circuit.
  • the core 1 ′′ of a cylinder sensor (FIG. 3) is surrounded by a hollow cylinder 16 made of a magnetoelastic material.
  • the hollow cylinder 16 is arranged coaxially to the core 1 ′′ and to the injection line 2.
  • the inner radius of the hollow cylinder 16 is designed such that there is a space between the core 1 ′′, the biasing and measuring coils 12, 13 surrounding the core 1 ′′ and the inner wall of the hollow cylinder 16.
  • cover elements 17 and 18 made of a magnetoelastic
  • the core 1 ′′ and the hollow cylinder 16 are mechanically connected by means of these disk-shaped cover elements 17 and 18, and the pressure sensor referred to as the pot sensor thus has high mechanical stability.
  • This rotationally symmetrical pot sensor also has a closed magnetic circuit.
  • FIG. 5 b shows a perspective illustration of the pot sensor, in which the rotationally symmetrical arrangement of the pot sensor can be seen.
  • a different number of turns can be used both for the pre-magnetizing coil and for the measuring coil, both for the cylinder sensor, the yoke sensor and the pot sensor.
  • alloys as magnetoelastic material that were specified in the explanations for the groove sensor.
  • both the biasing coil and the measuring coil can be arranged at a distance from the core.
  • the geometric shape of the core can also be designed as a rectangle or polygon in all exemplary embodiments.
  • the wire cross-section of the measuring coil should be as small as possible, since this allows the number of turns and thus the induced voltage to be maximized for a given space for the turns of the coils.
  • the magnetoelastic materials react differently to tensile and compressive stresses. It is therefore necessary to set a fixed working point for a pressure measurement using the magnetoelastic effect. This working point is determined by a pre-magnetization and thus by an impressed magnetic field strength H.
  • the diameter of a cylindrical core made of magneto-elastic material cannot be chosen to be as large as desired.
  • the pre-magnetization coils can be used to set an optimal pre-magnetization and thus to achieve an optimum working point for the magnetoelastic material used.
  • the signal-to-noise ratio of the measurement signal is considerably improved. This makes it possible to determine the start of injection into the combustion chamber of the internal combustion engine more precisely. It is thus possible for a single injection process - pre-injection, main injection or post-injection - to determine a dead time between triggering the injection valve and opening the needle of the injection nozzle more precisely.
  • the illustrated embodiments of the pressure sensor make it possible to check the function of the injection valve, which is arranged on the same injection line as the pressure sensor, with regard to the pre-injection and the main injection.
  • variable bias in certain embodiments of the pressure sensor also makes it possible to make qualitative statements about both the pressure fluctuations and the pressure in the injection lines.

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Abstract

The sensor comprises an element (1) made of a material having pronounced magnetoelastic properties. The element (1) is connected to the injection line (2) in a non-positive manner and surrounds the injection line (2). The sensor also has a pre-magnetizing coil (4, 5, 6, 7, 12) that surrounds the element (1). The pre-magnetizing coil (4, 5, 6, 7, 12) that is traversed by a current generates a magnetic field which premagnetizes the element (1). As a result of this change in pressure in the injection line (2), a magnetoelastic effect occurs that is augmented by the pre-magnetized element (1). In a measuring coil (8, 9, 10, 11, 13) surrounding the element (1), a tension is induced as a result of the magnetoelastic effect and a measuring signal is evaluated by a control unit.

Description

Beschreibungdescription
Sensor, der an einer zu einem Einspritzventil führenden Einspritzleitung einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine angeordnet istSensor, which is arranged on an injection line leading to an injection valve of a direct-injection internal combustion engine
Die Erfindung betrifft einen Sensor, der an einer zu einem Einspritzventil führenden, druckbeaufschlagten Einspritzleitung einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine angeordnet ist um einen Einspritzbeginn in die Brennkraftmaschine zu bestimmen.The invention relates to a sensor which is arranged on a pressurized injection line of a direct-injection internal combustion engine leading to an injection valve in order to determine an injection start into the internal combustion engine.
Eine bekannte Vorrichtung (DE 197 57 293 C2) weist einen Drucksensor auf, der an der Kraftstoffeinspritzleitung vor einem Einspritzventil angeordnet ist. Der Drucksensor weist dabei eine einzige Messspule aus magnetoelastischem Material auf, die direkt um die Einspritzleitung gewickelt ist. Wird ein Einspritzvorgang ausgelöst und öffnet ein Nadelhubgeber durch Anheben der Nadel gegen die Federvorspannung die Ein- spritzdüse, wird der über die Einspritzleitung anstehendeA known device (DE 197 57 293 C2) has a pressure sensor which is arranged on the fuel injection line in front of an injection valve. The pressure sensor has a single measuring coil made of magnetoelastic material, which is wound directly around the injection line. If an injection process is triggered and a needle stroke transmitter opens the injection nozzle by lifting the needle against the spring preload, the one that is present via the injection line
Kraftstoff in die Brennkammer der Brennkraftmaschine eingespritzt. Dieser Einspritzbeginn führt zu einem Druckabfall in der Einspritzleitung. Der Druckabfall induziert aufgrund des magnetoelastischen Effekts eine elektrische Spannung in der Messspule. Diese induzierte Spannung wird verstärkt und als Messsignal an eine Steuereinheit angelegt. Das Messsignal weist neben der durch den Druckabfall in der Einspritzleitung hervorgerufenen induzierten Spannung eine Störkomponente auf, die durch Störeinstreuungen des Ansteuerstroms für das Ein- spritzventil entstehen.Fuel is injected into the combustion chamber of the internal combustion engine. This start of injection leads to a drop in pressure in the injection line. The pressure drop induces an electrical voltage in the measuring coil due to the magneto-elastic effect. This induced voltage is amplified and applied to a control unit as a measurement signal. In addition to the induced voltage caused by the pressure drop in the injection line, the measurement signal also has an interference component which is caused by interference from the control current for the injection valve.
Bei der Vorrichtung besteht das Problem, dass durch diese Störkomponente im Messsignal der Signal-Rausch-Abstand des gemessenen Signals sehr klein ist. Dadurch ist es sehr schwierig den Signalverlauf der induzierten Spannung, die durch Druckabfall in der Einspritzleitung erzeugt wird, zu erhalten und daraus eine zuverlässige Bestimmung des Einspritzzeitpunktes durchzuführen.The problem with the device is that this interference component in the measurement signal means that the signal-to-noise ratio of the measured signal is very small. This makes it very difficult to trace the waveform of the induced voltage generated by the pressure drop in the injection line received and from it to carry out a reliable determination of the injection timing.
Gestiegene Anforderungen hinsichtlich Fahrkomfort und Abgas- werten machen es notwendig mehrere Einspritzimpulse proIncreased requirements with regard to driving comfort and exhaust gas values make it necessary to have several injection pulses per
Verbrennungstakt durchzuführen. Pro Verbrennungstakt können beispielweise fünf Einspritzimpulse durchgeführt werden, die als Voreinspritzungen und/oder Haupteinspritzungen und/oder Nacheinspritzungen ausgeführt sind. Die Anzahl der Vorein- spritzimpulse, die Anzahl der Haupteinspritzimpulse sowie die Anzahl der Nacheinspritzimpulse ist dabei variabel. So können bei fünf Einspritzimpulsen beispielsweise drei Vor- und zwei Haupteinspritzungen ausgeführt werden. Es kann aber auch sein, dass zwei Vor-, eine Haupt- und zwei Nacheinspritzungen ausgeführt sind.To perform combustion cycle. For example, five injection pulses can be carried out per combustion cycle, which are designed as pre-injections and / or main injections and / or post-injections. The number of pre-injection pulses, the number of main injection pulses and the number of post-injection pulses are variable. For example, three pre-injections and two main injections can be carried out with five injection pulses. However, it may also be the case that two pre-injections, one main injection and two post-injections are carried out.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung ist es, dass Abweichungen des Einspritzbeginns der Einspritzimpulse von den definierten Einspritzzeitpunkten nicht erkannt werden. Es ist daher auch nicht möglich für einen einzelnen Einspritzvorgang eine genaue Totzeit der Einspritzventile, also die Verzugszeit zwischen Ansteuerung der Einspritzventile und Öffnen der Nadel der Einspritzdüse, zu bestimmen. Des Weiteren ist mit dem bekannten Drucksensor lediglich eine Aussage über die Druckschwankungen aber nicht über den Druck in der Einspritzleitung möglich.Another disadvantage of the known device is that deviations in the start of injection of the injection pulses from the defined injection times are not recognized. It is therefore also not possible to determine an exact dead time of the injection valves, that is to say the delay time between activation of the injection valves and opening of the needle of the injection nozzle, for a single injection process. Furthermore, with the known pressure sensor it is only possible to make a statement about the pressure fluctuations but not about the pressure in the injection line.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Sensor zu schaffen, der einfach und kostengünstig aufge- baut ist und der ein Messsignal mit einem besseren Signal- Rausch-Abstand erzeugt.The invention has for its object to provide a generic sensor that is simple and inexpensive to build and that generates a measurement signal with a better signal-to-noise ratio.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a sensor with the features of claim 1.
Eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine weist eine Einspritzleitung auf, die zu einem Einspritzventil führt. An dieser Einspritzleitung ist ein Sensor angeordnet. Der Sensor weist dabei zumindest eine Vormagnetisierungsspule und eine Messspule auf.A direct-injection internal combustion engine has an injection line that leads to an injection valve. On a sensor is arranged in this injection line. The sensor has at least one bias coil and one measuring coil.
Erfindungsgemaß weist der Sensor ein Element auf, das kraftschlussig mit der Einspritzleitung verbunden ist und die Einspritzleitung zumindest teilweise umgibt. Das Element besteht aus einem Werkstoff, der ausgeprägte magnetoelastische Eigenschaften aufweist. Die Vormagnetisierungsspule, ist dabei so angeordnet, dass sie dieses magnetoelastische Element umgibt und dieses magnetoelastische Element vormagnetisiert . Des Weiteren ist die Messspule derart angeordnet, dass sie das magnetoelastische Element umgibt.According to the invention, the sensor has an element which is non-positively connected to the injection line and at least partially surrounds the injection line. The element consists of a material that has pronounced magneto-elastic properties. The bias coil is arranged so that it surrounds this magneto-elastic element and biases this magneto-elastic element. Furthermore, the measuring coil is arranged in such a way that it surrounds the magnetoelastic element.
Dadurch kann eine Verbesserung eines Signal-Rausch-Abstands eines Messsignals erreicht werden.This can improve the signal-to-noise ratio of a measurement signal.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter- anspruchen angegeben.Advantageous refinements of the invention are specified in the subclaims.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass der Sensor ein zweites E- lement aus Weicheisen oder geschichtetem Trafoblech aufweist und dieses zweite Element die Einspritzleitung zumindest teilweise umgibt und unmittelbar mit den Enden des magneto- elastischen Elements mechanisch verbunden ist.It can be provided that the sensor has a second element made of soft iron or layered transformer plate and this second element at least partially surrounds the injection line and is mechanically connected directly to the ends of the magneto-elastic element.
Dadurch kann erreicht werden, dass der magnetische Kreis der Vormagnetisierung geschlossen ist und sich Permeabilitatsan- derungen im magnetoelastischen Element verstarken.It can thereby be achieved that the magnetic circuit of the premagnetization is closed and permeability changes in the magnetoelastic element are intensified.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Sensor einen Hohlzylinder aufweist, der koaxial zum magnetoelastischen Element und zur Einspritzleitung angeordnet ist, beabstandet zum magnetoelastischen Element angeordnet ist und das magnetoelasti- sehe Element und der Hohlzylinder mittels scheibenförmigerIt can also be provided that the sensor has a hollow cylinder which is arranged coaxially to the magnetoelastic element and the injection line, is arranged at a distance from the magnetoelastic element and the magnetoelastic element and the hollow cylinder by means of disk-shaped
Abdeckelemente an den Stirnflachen mechanisch verbunden sind. Dadurch kann eine verbesserte mechanische Stabilität erreicht werden. Des Weiteren ist auch hier der magnetische Kreis der Vormagnetisierung geschlossen.Cover elements on the end faces are mechanically connected. Improved mechanical stability can be achieved in this way. Furthermore, the magnetic circuit of the premagnetization is also closed here.
Neben der koaxialen Anordnung der Vormagnetisierungsspule und der Messspule zur Einspritzleitung ist es auch möglich die Vormagnetisierungsspule und die Messspule tangential zur Einspritzleitung anzuordnen.In addition to the coaxial arrangement of the bias coil and the measuring coil for the injection line, it is also possible to arrange the bias coil and the measuring coil tangential to the injection line.
Dadurch kann erreicht werden, dass die magnetischen Feldlinien immer im magnetoelastischen Material verlaufen und ebenfalls ein geschlossener Kreis der Vormagnetisierung erreicht wird.It can thereby be achieved that the magnetic field lines always run in the magnetoelastic material and that a closed circuit of the premagnetization is also achieved.
Mehrere Ausführungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:Several embodiments of the invention are described below with reference to the schematic drawings. Show it:
Figur 1 a eine Darstellung des erfindungsgemäßen Sensors in axialer Richtung der Einspritzleitung, Figur 1 b eine perspektivische Darstellung des Sensors gemäß Figur 1 a, Figur 2 a ein Messsignal des Sensors gemäß Figur 1 a und b ohne Vormagnetisierung des magnetoelastischen Elements, bei dem die Einspritzleitung zwischen einer Hochdruckpumpe und einem Einspritzventil angeordnet ist, und Figur 2 b ein Messsignal des Sensors gemäß Figur 1 a und b mit Vormagnetisierung des magnetoelastischen Elements, bei dem die Einspritzleitung zwischen einer Hochdruckpumpe und einem Einspritzventil angeordnet ist, Figur 2 c ein Messsignal des Sensors gemäß Figur 1 a und b, bei dem die Einspritzleitung zwischen einem Hochdruckspeicher und einem Einspritzventil angeordnet ist,1 a shows the sensor according to the invention in the axial direction of the injection line, FIG. 1 b shows a perspective view of the sensor according to FIG. 1 a, FIG. 2 a shows a measurement signal of the sensor according to FIGS. 1 a and b without premagnetizing the magnetoelastic element in which the injection line is arranged between a high-pressure pump and an injection valve, and FIG. 2 b shows a measurement signal from the sensor according to FIGS. 1 a and b with premagnetization of the magnetoelastic element, in which the injection line is arranged between a high-pressure pump and an injection valve, FIG. 2 c shows a measurement signal from the sensor 1 a and b, in which the injection line is arranged between a high-pressure accumulator and an injection valve,
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des Sensors, Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensors, Figur 5 a ein Teilschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel des Sensors, und Figur 5 b eine perspektivische Darstellung des Sensors gemäß Figur 5 a.3 shows a second exemplary embodiment of the sensor, FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the sensor, 5 a shows a partial section through a fourth exemplary embodiment of the sensor, and FIG. 5 b shows a perspective illustration of the sensor according to FIG. 5 a.
Ein erfindungsgemäßer Sensor, der nachfolgend als Drucksensor bezeichnet wird, weist ein zylindersymmetrisches Element 1 (Figur 1) aus einem Werkstoff mit ausgeprägten magnetoelastischen Eigenschaften auf, das im Ausführungsbeispiel als Kern 1' bezeichnet wird. Der Kern 1' ist kraftschlüssig mit einer Einspritzleitung 2 verbunden und koaxial zur EinspritzleitungA sensor according to the invention, which is referred to below as a pressure sensor, has a cylinder-symmetrical element 1 (FIG. 1) made of a material with pronounced magnetoelastic properties, which is referred to in the exemplary embodiment as core 1 '. The core 1 'is non-positively connected to an injection line 2 and coaxial to the injection line
2 angeordnet. Des Weiteren weist der Kern Nuten 3 a - h auf. Die Nuten 3 a - h sind dabei paarweise symmetrisch angeordnet. So ist das Nutenpaar 3 a, b symmetrisch zum Nutenpaar 3 e, f bezüglich der Symmetrieachse I angeordnet. Das Nutenpaar2 arranged. Furthermore, the core has grooves 3 a - h. The grooves 3 a - h are arranged symmetrically in pairs. Thus, the pair of grooves 3 a, b is arranged symmetrically to the pair of grooves 3 e, f with respect to the axis of symmetry I. The pair of grooves
3 c, d ist symmetrisch zum Nutenpaar 3 g, h bezüglich der Symmetrieachse II angeordnet.3 c, d is arranged symmetrically to the pair of grooves 3 g, h with respect to the axis of symmetry II.
In die Nuten 3 a - h sind Vormagnetisierungsspulen 4, 5, 6, 7 und Messspulen 8, 9, 10, 11 eingearbeitet. Die Windungen der Vormagnetisierungsspulen 4, 5, 6, 7 sowie die Windungen der Messspulen 8, 9, 10, 11 sind dabei kraftschlüssig um den Kern 1' gewickelt. Für die Erfindung ist es nicht wichtig, dass die Windungen der Spulen 4 - 11 kraftschlüssig um den Kern 1' gewickelt sind. Wichtig ist allerdings, dass sie in den durch die Nuten 3 a - h erzeugten Zwischenräumen angeordnet sind.Pre-magnetizing coils 4, 5, 6, 7 and measuring coils 8, 9, 10, 11 are incorporated into the grooves 3 a - h. The turns of the bias coils 4, 5, 6, 7 and the turns of the measuring coils 8, 9, 10, 11 are non-positively wound around the core 1 '. It is not important for the invention that the turns of the coils 4 - 11 are wound non-positively around the core 1 '. It is important, however, that they are arranged in the spaces created by the grooves 3 a - h.
Die Windungen jeder Vormagnetisierungsspule 4, 5, 6, 7 sind dabei derart gewickelt, dass jede Vormagnetisierungsspulen 4, 5, 6, 7 etwa bei der Hälfte der Windungsanzahl einen Zwischenraum bildet. In diesem Zwischenraum ist entsprechend jeweils eine Messspule 8, 9, 10, 11 angeordnet. Sowohl die Vormagnetisierungsspulen 4, 5, 6, 7 als auch die Messspulen 8, 9, 10, 11 sind dabei tangential zur Einspritzleitung 2 ange- ordnet. Durch die dargestellte Anordnung der Vormagnetisierungsspulen 4, 5, 6, 7 und der Messspulen 8, 9, 10, 11 sind die magnetischen Feldlinien kreisförmig in tangentialer Richtung um die. Einspritzleitung 2 geschlossen.The turns of each bias coil 4, 5, 6, 7 are wound in such a way that each bias coil 4, 5, 6, 7 forms a gap at approximately half the number of turns. A measuring coil 8, 9, 10, 11 is respectively arranged in this intermediate space. Both the bias coils 4, 5, 6, 7 and the measuring coils 8, 9, 10, 11 are arranged tangentially to the injection line 2. Due to the arrangement of the bias coils 4, 5, 6, 7 and the measuring coils 8, 9, 10, 11 shown, the magnetic field lines are circular in the tangential direction around the. Injection line 2 closed.
Tritt nun in der Einspritzleitung 2 eine Druckänderung aufgrund des Offnens eines nicht dargestellten Einspritzventils auf, so fuhrt dies zu einer Änderung der mechanischen Spannungen, über den magnetoelastischen Effekt haben die mechani- sehen Spannungen einen Einfluss auf die relative Permeabilität des Materials der Einspritzleitung 2 und der Materialien des Drucksensors.If a pressure change now occurs in the injection line 2 due to the opening of an injection valve (not shown), this leads to a change in the mechanical stresses. Via the magnetoelastic effect, the mechanical stresses have an influence on the relative permeability of the material of the injection line 2 and Materials of the pressure sensor.
Radiale Druckspannungen werden in den Kern 1 ' über die vier Kontaktflachen zwischen dem Kern 1' und der Einspritzleitung 2 eingebracht und im Kern 1 ' in tangentiale Zugspannungen umgesetzt. Die magnetischen Feldlinien und die mechanischen Spannungen verlaufen daher parallel. Durch die Geometrie des Drucksensors ist daher ein sehr gutes Messsignal zu erhalten.Radial compressive stresses are introduced into the core 1 'via the four contact surfaces between the core 1' and the injection line 2 and converted into tangential tensile stresses in the core 1 '. The magnetic field lines and the mechanical stresses therefore run parallel. The geometry of the pressure sensor therefore gives a very good measurement signal.
Wesentlich ist nun, dass der aus magnetoelastischem Material bestehende Kern 1' mittels der Vormagnetisierungsspulen 4, 5, 6, 7 vormagnetisiert wird. Dadurch führt die Änderung der relativen Permeabilität zu einer Änderung der magnetischen Flussdichte B und in den Messspulen 8, 9, 10, 11 wird eine Spannung induziert.It is now essential that the core 1 'made of magnetoelastic material is pre-magnetized by means of the bias coils 4, 5, 6, 7. As a result, the change in the relative permeability leads to a change in the magnetic flux density B and a voltage is induced in the measuring coils 8, 9, 10, 11.
Durch die Vormagnetisierung des Kerns 1' ist es möglich einen festen Arbeitspunkt einzustellen und einen wesentlich verbes- serten Signal-Rausch-Abstand des Messsignals zu erreichen. Die in den Messspulen 8, 9, 10, 11 induzierte Spannung Uιnd lasst sich durch nachfolgende Gleichung beschreiben:By pre-magnetizing the core 1 ', it is possible to set a fixed operating point and to achieve a significantly improved signal-to-noise ratio of the measurement signal. The voltage U ιnd induced in the measuring coils 8, 9, 10, 11 can be described by the following equation:
Umd = a_ * P + a2 9 PU md = a_ * P + a 2 9 P
Die Vorfaktoren ΆX und a2 sind im allgemeinen Fall beide auf nichtlineare Weise vom Druck p und der Änderung des Drucks p in der Einspritzleitung 2 abhangig. Durch geeignete Wahl des Stroms der durch die Vormagnetisierungsspulen 4, 5, 6, 7 zum Zwecke der Vormagnetisierung des Kerns 1' fließt, lassen sich die Vorfaktoren ai und a2 beeinflussen. Dabei kann erreicht werden, dass entweder die Druckabhangigkeit oder die Abhängigkeit vom Druckgradienten vernachlassigbar ist. Dadurch ist die induzierte Spannung Uιnd entweder proportional zum Druck oder proportional zur Druckanderung.The pre-factors Ά X and a 2 are in the general case both non-linear of the pressure p and the change in the pressure p dependent in the injection line 2. The pre-factors ai and a 2 can be influenced by a suitable choice of the current flowing through the bias coils 4, 5, 6, 7 for the purpose of biasing the core 1 '. It can be achieved that either the pressure dependency or the dependence on the pressure gradient is negligible. As a result, the induced voltage U ιnd is either proportional to the pressure or proportional to the change in pressure.
In diesem Ausfuhrungsbeispiel des Drucksensors ist somit eine variable Vormagnetisierung des Kerns 1' möglich.In this exemplary embodiment of the pressure sensor, variable pre-magnetization of the core 1 'is therefore possible.
Das Signal der induzierten Spannung Uιnd wird durch einen nicht dargestellten Messwertverstarker verstärkt und an eine nicht dargestellte Steuereinheit angelegt, die das Signal auswertet. Die Auswertung des Signals kann auch über eine separate Auswerteeinheit durchgeführt werden.The signal of the induced voltage Und is amplified by a measured value amplifier (not shown) and applied to a control unit (not shown), which evaluates the signal. The signal can also be evaluated via a separate evaluation unit.
Als vorteilhaft hat sich eine Windungszahl von je 20 für die Vormagnetisierungsspulen 4, 5, 6, 7 erwiesen. Für die Messspulen 8, 9, 10, 11 hat sich eine Windungszahl von je 25 als vorteilhaft erwiesen. Sowohl für die Vormagnetisierungsspulen 4, 5, 6, 7 als auch für die Messspulen 8, 9, 10, 11 kann auch eine höhere oder eine niedrigere Anzahl an Windungen verwen- det werden.A number of turns of 20 for the bias coils 4, 5, 6, 7 has proven to be advantageous. A number of turns of 25 each has proven to be advantageous for the measuring coils 8, 9, 10, 11. A higher or a lower number of turns can also be used for the bias coils 4, 5, 6, 7 and for the measuring coils 8, 9, 10, 11.
Für das Ausfuhrungsbeispiel wurde als Werkstoff mit magneto- elastischen Eigenschaften für den Kern 1' Vacoflux (50% Co- balt, 50% Eisen) verwendet. Es kann aber auch nur Nickel oder eine Legierung aus Nickel und Eisen, eine Legierung aus Eisen und Silizium oder eine Legierung aus Platin und Eisen verwendet werden.For the exemplary embodiment, 1 'Vacoflux (50% cobalt, 50% iron) was used as the material with magneto-elastic properties for the core. However, only nickel or an alloy of nickel and iron, an alloy of iron and silicon or an alloy of platinum and iron can also be used.
Die Anzahl der Vormagnetisierungsspulen kann ebenso wie die Anzahl der Messspulen weniger oder mehr als 4 betragen. In Figur 2 a ist ein Verlauf einer in den Messspulen 8, 9, 10, 11 des Drucksensors gemäß Figur 1 a und b, der in der ausgeführten Form als Nutensensors bezeichnet wird, induzierten Spannung aufgetragen. Das Signal zeigt dabei den Span- nungsverlauf bei nicht vormagnetisiertem Nutensensor. DasThe number of bias coils as well as the number of measuring coils can be less or more than 4. FIG. 2 a shows a curve of a voltage induced in the measuring coils 8, 9, 10, 11 of the pressure sensor according to FIGS. 1 a and b, which is referred to in the form as a slot sensor. The signal shows the voltage curve when the slot sensor is not premagnetized. The
Signal entspricht einem Druckverlauf an einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine beim Offnen der Einspritzventile. Aufgrund des Druckabfalls in der Einspritzleitung 2 beim Offnen des Einspritzventils, werden Schwingungen A, B, C der Einspritzleitung 2 erzeugt, die proportional der induzierten Spannung Uιncι sind und deutlich im Signalverlauf zu erkennen sind.Signal corresponds to a pressure curve on a direct-injection internal combustion engine when the injection valves are opened. Due to the pressure drop in the injection line 2 when the injection valve is opened, vibrations A, B, C of the injection line 2 are generated, which are proportional to the induced voltage U ιnc ι and can be clearly seen in the signal curve.
Im Gegensatz zu Figur 2 a ist in Figur 2 b die in den Mess- spulen 8, 9, 10, 11 induzierte Spannung mit einer Vormagnetisierung des Kerns 1' des Nutensensors dargestellt. Im oberen Diagramm ist dabei das gemessene, im unteren Diagramm das integrierte Signal dargestellt.In contrast to FIG. 2a, the voltage induced in the measuring coils 8, 9, 10, 11 is shown in FIG. 2a with a premagnetization of the core 1 'of the slot sensor. The measured signal is shown in the upper diagram and the integrated signal in the lower diagram.
In den Figuren 2 a und b ist die Einspritzleitung 2 zwischen einer nicht dargestellten Hochdruckpumpe und dem Einspritzventil angeordnet. Die Hochdruckpumpe kann dabei als Verteilereinspritzpumpe ausgeführt sein, bei der ein Druckaufbau bei jedem Verbrennungstakt erfolgt.In Figures 2a and b, the injection line 2 is arranged between a high pressure pump, not shown, and the injection valve. The high-pressure pump can be designed as a distributor injection pump in which pressure builds up with each combustion cycle.
In Figur 2 c ist ein für das Ausfuhrungsbeispiel beispielhafter Signalverlauf gezeigt, der einen Druckabfall an einem Hochdruckspeicher nach dem Offnen eines Einspritzventils darstellt. Die Einspritzleitung 2 (Figur 1 a, b) ist dabei zwi- sehen einem nicht dargestellten Kraftstoffhochdruckspeicher und einem Einspritzventil angeordnet.FIG. 2 c shows a signal course which is exemplary of the exemplary embodiment and which represents a pressure drop in a high-pressure accumulator after an injection valve has been opened. The injection line 2 (FIG. 1 a, b) is arranged between a high-pressure fuel reservoir (not shown) and an injection valve.
In einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel weist der Drucksensor ein Element 1 auf, das als Kern 1 ' ' (Figur 3) bezeichnet wird und aus einem Werkstoff, der magnetoelastische Eigenschaften aufweist ist. Der Kern 1'' ist kraftschlussig mit der Einspritzleitung 2 verbunden und umgibt die Einspritzleitung 2. Der Drucksensor weist zudem eine Vormagnetisierungsspule 12 auf, deren Windungen so gewickelt sind, dass etwa bei der Hälfte der Windungszahl ein Zwischenraum vorhanden ist. Die Vormagnetisierungsspule 12 umgibt den Kern 1' ' und ist kraft- schlussig mit dem Kern 1 ' ' verbunden.In a further exemplary embodiment, the pressure sensor has an element 1, which is referred to as the core 1 ″ (FIG. 3) and made of a material that has magnetoelastic properties. The core 1 ″ is non-positively connected to the injection line 2 and surrounds the injection line 2. The pressure sensor also has a pre-magnetizing coil 12, the turns of which are wound in such a way that a gap is present at about half the number of turns. The bias coil 12 surrounds the core 1 '', and is non-positively conclusively with the core 1 '', respectively.
In diesem Zwischenraum der Vormagnetisierungsspule 12 ist eine Messspule 13 angeordnet, die den Kern 1' ' kraftschlussig umgibt. Des Weiteren ist ein Messverstarker 14 derart ange- ordnet, dass er einen möglichst kleinen Abstand zur Messspule 13 aufweist. Durch den möglichst kleinen Abstand des Messver- starkers 14 zur Messspule 13 können Storeinstreuungen vermindert werden und somit ein besseres Signal-Rausch-Verhaltms erreicht werden.In this intermediate space of the bias coil 12, a measuring coil 13 is arranged, which surrounds the core 1 ″ non-positively. Furthermore, a measuring amplifier 14 is arranged in such a way that it is as small as possible from the measuring coil 13. Due to the smallest possible distance between the measuring amplifier 14 and the measuring coil 13, interference can be reduced and thus a better signal-to-noise ratio can be achieved.
Durch den durch die Vormagnetisierungsspule 12 fließenden Magnetisierungsstrom Imag wird ein Magnetfeld erzeugt, mit dem der Kern 1 ' ' vormagnetisiert wird.A magnetic field is generated by the magnetizing current I mag flowing through the magnetizing coil 12, with which the core 1 ″ is magnetized.
In diesem Ausfuhrungsbeispiel des Drucksensors, der als Zylindersensor bezeichnet wird, sind die Vormagnetisierungsspule 12 und die Messspule 13 koaxial zum hohlzylinderformigen Kern 1 ' und zur Einspritzleitung 2 angeordnet.In this exemplary embodiment of the pressure sensor, which is referred to as a cylinder sensor, the bias coil 12 and the measuring coil 13 are arranged coaxially with the hollow cylindrical core 1 ′ and the injection line 2.
Im Gegensatz zur Ausfuhrungsform des Nutensensors (Figur la, b) ist beim Zylindersensor (Figur 3) ein offener magnetischer Kreis vorhanden. Zum Erreichen einer bestimmten magnetischen Flussdichte B ist daher eine größere magnetische Feldstarke H als beim geschlossenen magnetischen Kreis notwendig.In contrast to the embodiment of the slot sensor (FIG. 1 a, b), the cylinder sensor (FIG. 3) has an open magnetic circuit. To achieve a certain magnetic flux density B, a larger magnetic field strength H than in the closed magnetic circuit is therefore necessary.
In einem dritten Ausfuhrungsbeispiel (Figur 4) weist ein Zylindersensor (Figur 3) ein zweites Element 15 auf, dass als Joch 15' bezeichnet wird. Dieses Joch 15 'umgibt die Einspritzleitung 2 zumindest teilweise und ist mit den nngfor- migen Stirnflachen des zylmderformigen Kerns 1 mechanisch verbunden. Durch das Joch 15' werden die aus den Stirnflächen des Kerns 1'' austretenden magnetischen Feldlinien geschlossen. Dadurch weist der als Jochsensor bezeichnete Drucksensor einen geschlossenen magnetischen Kreis auf.In a third exemplary embodiment (FIG. 4), a cylinder sensor (FIG. 3) has a second element 15, which is referred to as a yoke 15 '. This yoke 15 'at least partially surrounds the injection line 2 and is mechanically connected to the narrow end faces of the cylinder-shaped core 1. The magnetic field lines emerging from the end faces of the core 1 ″ are closed by the yoke 15 ′. As a result, the pressure sensor referred to as a yoke sensor has a closed magnetic circuit.
Vorteilhaft ist es, für das Material des Jochs 15' Weicheisen oder geschichtetes Trafoblech zu verwenden.It is advantageous to use soft iron or layered transformer sheet for the material of the yoke 15 '.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel (Figur 5 a) ist der Kern 1'' eines Zylindersensors (Figur 3) von einem Hohlzylinder 16 aus einem magnetoelastischem Werkstoff umgeben. Der Hohlzylinder 16 ist dabei koaxial zum Kern 1'' und zur Einspritzleitung 2 angeordnet. Der innere Radius des Hohlzylin- ders 16 ist derart ausgeführt, dass ein Zwischenraum zwischen dem Kern 1'', den Kern 1'' umgebenden Vormagnetisierungs- und Messpulen 12, 13 und der Innenwand des Hohlzylinders 16 vorhanden ist.In a further exemplary embodiment (FIG. 5 a), the core 1 ″ of a cylinder sensor (FIG. 3) is surrounded by a hollow cylinder 16 made of a magnetoelastic material. The hollow cylinder 16 is arranged coaxially to the core 1 ″ and to the injection line 2. The inner radius of the hollow cylinder 16 is designed such that there is a space between the core 1 ″, the biasing and measuring coils 12, 13 surrounding the core 1 ″ and the inner wall of the hollow cylinder 16.
An den Stirnflächen des Kerns 1 ' ' und des Hohlzylinders 16 sind Abdeckelemente 17 und 18 aus einem magnetoelastischemOn the end faces of the core 1 ″ and the hollow cylinder 16 there are cover elements 17 and 18 made of a magnetoelastic
Werkstoff angeordnet. Mittels dieser scheibenförmigen Abdeckelemente 17 und 18 ist der Kern 1'' und der Hohlzylinder 16 mechanisch verbunden und der als Topfsensor bezeichnete Drucksensor weist dadurch eine hohe mechanische Stabilität auf.Arranged material. The core 1 ″ and the hollow cylinder 16 are mechanically connected by means of these disk-shaped cover elements 17 and 18, and the pressure sensor referred to as the pot sensor thus has high mechanical stability.
Auch dieser rotationssymmetrische Topfsensor weist einen geschlossenen magnetischen Kreis auf.This rotationally symmetrical pot sensor also has a closed magnetic circuit.
In Figur 5 b ist eine perspektivische Darstellung des Topfsensors gezeigt, bei dem die rotationssymmetrische Anordnung des Topfsensors zu sehen ist.FIG. 5 b shows a perspective illustration of the pot sensor, in which the rotationally symmetrical arrangement of the pot sensor can be seen.
In den Ausführungsbeispielen des Zylindersensors, des Joch- sensors und des Topfsensors ist eine Windungszahl von etwaIn the exemplary embodiments of the cylinder sensor, the yoke sensor and the pot sensor, there is a number of turns of approximately
1000 für die Vormagnetisierungsspule und eine Windungsanzahl von etwa 2000 für die Messspule vorteilhaft. Für das magnetoelastische Material des Zylindersensors, des Jochsensors und des Topfsensors ist Vacoflux oder Nickel vorteilhaft.1000 for the bias coil and a number of turns of about 2000 for the measuring coil advantageous. Vacoflux or nickel is advantageous for the magnetoelastic material of the cylinder sensor, the yoke sensor and the pot sensor.
Sowohl beim Zylindersensor, als auch beim Jochsensor oder beim Topfsensor kann eine andere Windungsanzahl sowohl für die Vormagnetisierungsspule als auch für die Messspule verwendet werden. Bei diesen drei Ausfuhrungsformen ist es auch möglich, als magnetoelastisches Material Legierungen zu verwenden, die in den Ausfuhrungen zum Nutensensor angegeben wurden.A different number of turns can be used both for the pre-magnetizing coil and for the measuring coil, both for the cylinder sensor, the yoke sensor and the pot sensor. In these three embodiments, it is also possible to use alloys as magnetoelastic material that were specified in the explanations for the groove sensor.
In allen Ausfuhrungsbeispielen können sowohl die Vormagneti- sierungsspule als auch die Messspule beabstandet zum Kern angeordnet sein.In all exemplary embodiments, both the biasing coil and the measuring coil can be arranged at a distance from the core.
Die geometrische Form des Kerns kann in allen Ausfuhrungsbeispielen auch als Rechteck oder vieleckig ausgeführt sein.The geometric shape of the core can also be designed as a rectangle or polygon in all exemplary embodiments.
Im Gegensatz zur Vormagnetisierungsspule ist bei der Messspule der Drahtquerschnitt so klein wie möglich zu wählen, da damit bei vorgegebenem Raum für die Windungen der Spulen die Windungszahlen und damit die induzierte Spannung maximiert werden können.In contrast to the pre-magnetizing coil, the wire cross-section of the measuring coil should be as small as possible, since this allows the number of turns and thus the induced voltage to be maximized for a given space for the turns of the coils.
Mit einer ausreichend großen Vormagnetisierung des Kerns, kann erreicht werden, dass äußere magnetische Felder weitgehend aus dem Kernmaterial verdrangt werden. Daher fuhrt eine starke Vormagnetisierung des Kerns zu einer Vergrößerung der Storsicherheit gegenüber magnetischen Einstreuungen und zu einer Stabilisierung eines Arbeitspunktes.With a sufficiently large pre-magnetization of the core, it can be achieved that external magnetic fields are largely displaced from the core material. Therefore, a strong pre-magnetization of the core leads to an increase in the security against magnetic interference and to a stabilization of an operating point.
Die magnetoelastischen Materialien reagieren unterschiedlich auf Zug- und Druckspannungen. Dadurch ist für eine Druckmessung mit Hilfe des magnetoelastischen Effekts ein Einstellen eines festen Arbeitspunkts notwendig. Dieser Arbeitspunkt ist festgelegt durch eine Vormagnetisierung und damit durch eine eingeprägte magnetische Feldstärke H.The magnetoelastic materials react differently to tensile and compressive stresses. It is therefore necessary to set a fixed working point for a pressure measurement using the magnetoelastic effect. This working point is determined by a pre-magnetization and thus by an impressed magnetic field strength H.
Allein ein mit der Einspritzleitung 2 kraftschlüssig verbun- dener Kern aus magnetoelastischem Material wird aufgrund seiner Steifigkeit die durch Druckschwankungen verursachten mechanischen Schwingungen verringern. Daher ist der Durchmesser eines zylinderförmigen Kerns aus magnetoelastischem Material nicht beliebig groß wählbar. Durch die Vormagnetisierungsspu- len kann allerdings eine optimale Vormagnetisierung eingestellt werden und damit ein für das verwendete magnetoelastische Material optimaler Arbeitspunkt erreicht werden.Only a core made of magnetoelastic material that is non-positively connected to the injection line 2 will reduce the mechanical vibrations caused by pressure fluctuations due to its rigidity. Therefore, the diameter of a cylindrical core made of magneto-elastic material cannot be chosen to be as large as desired. The pre-magnetization coils, however, can be used to set an optimal pre-magnetization and thus to achieve an optimum working point for the magnetoelastic material used.
Mit den erfindungsgemäßen Sensoren kann erreicht werden, dass der Signal-Rausch-Abstand des Messsignals erheblich verbessert wird. Dadurch ist es möglich den Einspritzbeginn in den Brennraum der Brennkraftmaschine genauer zu bestimmen. Damit ist es möglich für einen einzelnen Einspritzvorgang - Vor-, Haupt-, oder Nacheinspritzung- eine Totzeit zwischen Ansteu- ern des Einspritzventils und dem Öffnen der Nadel der Einspritzdüse genauer zu bestimmen.With the sensors according to the invention it can be achieved that the signal-to-noise ratio of the measurement signal is considerably improved. This makes it possible to determine the start of injection into the combustion chamber of the internal combustion engine more precisely. It is thus possible for a single injection process - pre-injection, main injection or post-injection - to determine a dead time between triggering the injection valve and opening the needle of the injection nozzle more precisely.
Des Weiteren wird dadurch ermöglicht die Funktion der Einspritzventile laufend zu überprüfen. Die ist besonders bei den Vor- und Nacheinspritzungen notwendig, da dort aufgrund der geringen Einspritzmengen kleine Nadelhübe einer Einspritzdüsennadel resultieren. Durch die dargestellten Ausführungsformen des Drucksensors ist es möglich, die Funktion des Einspritzventils, welches an derselben Einspritzleitung ange- ordnet ist wie der Drucksensor, hinsichtlich der Vor- und der Haupteinspritzung zu überprüfen.This also enables the function of the injection valves to be checked continuously. This is particularly necessary for pre-injections and post-injections, because the small injection quantities result in small needle strokes of an injection nozzle needle. The illustrated embodiments of the pressure sensor make it possible to check the function of the injection valve, which is arranged on the same injection line as the pressure sensor, with regard to the pre-injection and the main injection.
Es ist auch möglich die Haupteinspritzungen an Einspritzventilen zu überprüfen, die nicht in der Einspritzleitung ange- ordnet sind, an der der Drucksensor angeordnet ist, mit dem gemessen wird. Durch die variable Vormagnetisierung bei bestimmten Ausführungsformen des Drucksensors ist es zudem möglich qualitative Aussagen sowohl über die Druckschwankungen als auch über den Druck in den Einspritzleitungen zu treffen. It is also possible to check the main injections on injection valves which are not arranged in the injection line on which the pressure sensor with which the measurement is made is arranged. The variable bias in certain embodiments of the pressure sensor also makes it possible to make qualitative statements about both the pressure fluctuations and the pressure in the injection lines.

Claims

Patentansprüche claims
1. Sensor, der an einer zu einem Einspritzventil führenden, druckbeaufschlagten Einspritzleitung (2) einer direktein- spritzenden Brennkraftmaschine angeordnet ist, mit1. Sensor, which is arranged on a pressure-injected injection line (2) of a direct-injection internal combustion engine leading to an injection valve
- einem Element (1) das kraftschlüssig mit der Einspritzleitung (2) verbunden ist, das Element (1) eine Gesamtlänge der Einspritzleitung (2) zumindest abschnittsweise umgibt und das Element (1) aus einem Werkstoff besteht, der ausgeprägte mag- netoelastische Eigenschaften aufweist, zumindest einer Vormagnetisierungsspule (4, 5, 6, 7, 12) zur Vormagnetisierung des Elements (1) und die Vormagnetisierungsspule das Element (1) umgibt, und mit zumindest einer Messspule (8, 9, 10, 11, 13), die das Element (1) umgibt und in der beim Auftreten eines magnetoelastischen Effekts in dem Element (1) eine elektrische Spannung induziert wird.- An element (1) which is non-positively connected to the injection line (2), the element (1) surrounds an entire length of the injection line (2) at least in sections and the element (1) consists of a material that has pronounced magneto-elastic properties , at least one bias coil (4, 5, 6, 7, 12) for biasing the element (1) and the bias coil surrounds the element (1), and with at least one measuring coil (8, 9, 10, 11, 13) that surrounds the element (1) and in which an electrical voltage is induced in the element (1) when a magnetoelastic effect occurs.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormagnetisierungsspule (4, 5, 6, 7, 12) und die Messspule (8, 9, 10, 11, 13) kraftschlüssig oder beabstandet mit dem bzw. zum Element (2) verbunden bzw. angeordnet sind.2. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the bias coil (4, 5, 6, 7, 12) and the measuring coil (8, 9, 10, 11, 13) non-positively or at a distance from or to the element (2) are connected or arranged.
3. Drucksensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Vormagnetisierungsspule (4, 5, 6, 7,3. Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the bias coil (4, 5, 6, 7,
12) und die Messspule (8, 9, 10, 11, 13) koaxial zur Einspritzleitung (2) angeordnet sind.12) and the measuring coil (8, 9, 10, 11, 13) are arranged coaxially with the injection line (2).
4. Drucksensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Drucksensor ein zweites Element (15) aufweist, das die Einspritzleitung (2) zumindest teilweise umgibt und das zweite Element (15) unmittelbar mit den Stirnflächen des Elements (1) mechanisch verbunden ist.4. Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure sensor has a second element (15) which at least partially surrounds the injection line (2) and the second element (15) directly with the end faces of the element (1) is mechanically connected.
5. Drucksensor nach Anspruch 4/ dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element (15) aus Weicheisen oder geschichtetem Trafoblech ist. 5. Pressure sensor according to claim 4 / characterized in that the second element (15) is made of soft iron or layered transformer sheet.
6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlzylinder (16) vorhanden ist der beabstandet zum Element (1) und koaxial zur Einspritzleitung (2) und dem Element (1) angeordnet ist und der Hohlzylinder (16) und das Element (1) durch scheibenförmige Abdeckelemente (17, 18) an den beiden Stirnflächen mechanisch verbunden sind.6. Pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that a hollow cylinder (16) is provided which is spaced from the element (1) and coaxial to the injection line (2) and the element (1) and the hollow cylinder (16) and the element (1) is mechanically connected to the two end faces by disk-shaped cover elements (17, 18).
7. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder (16) und die scheibenförmigen Abdeckelemente (17, 18) aus magnetoelastischem Material sind.7. Pressure sensor according to claim 6, characterized in that the hollow cylinder (16) and the disc-shaped cover elements (17, 18) are made of magnetoelastic material.
8. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Vormagnetisierungsspule (4, 5, 6, 7,8. Pressure sensor according to one of claims 1 or 2, characterized in that the bias coil (4, 5, 6, 7,
12) und die Messspule (8, 9, 10, 11, 13) tangential zur Einspritzleitung (2) angeordnet sind.12) and the measuring coil (8, 9, 10, 11, 13) are arranged tangentially to the injection line (2).
9. Drucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormagnetisierung des Elements (1) mittels eines Vormagnetisierungsstroms durch die Vormagnetisierungsspule (4, 5, 6, 7) variabel einstellbar ist.9. Pressure sensor according to claim 8, characterized in that the bias of the element (1) by means of a bias current through the bias coil (4, 5, 6, 7) is variably adjustable.
10. Drucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der eingestellten Vormagnetisierung des Elements10. Pressure sensor according to claim 8, characterized in that depending on the set bias of the element
(1) die durch die Messspule (8, 9, 10, 11) erfasste induzierte Spannung proportional zum Druck oder einer Druckänderung in der Einspritzleitung (2) ist.(1) the induced voltage detected by the measuring coil (8, 9, 10, 11) is proportional to the pressure or a pressure change in the injection line (2).
11. Drucksensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen der Vormagnetisierungsspule (4, 5, 6, 7, 12) so gewickelt sind, dass die Vormagnetisierungsspule (4, 5, 6, 7, 12) zumindest an einer Stelle einen Zwischenraum aufweist. 11. Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the windings of the bias coil (4, 5, 6, 7, 12) are wound such that the bias coil (4, 5, 6, 7, 12) at least at one point has a space.
12. Drucksensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zwischenraum der Vormagnetisierungsspule (4, 5, 6, 7, 12) die Messspule (8, 9, 10, 11, 13) angeordnet ist. 12. Pressure sensor according to claim 11, characterized in that the measuring coil (8, 9, 10, 11, 13) is arranged in the intermediate space of the bias coil (4, 5, 6, 7, 12).
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