DE10305950B4

DE10305950B4 - Einspritzsystem und thermischer Massenflusssensor für ein solches

Info

Publication number: DE10305950B4
Application number: DE10305950A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. Schmid
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2023-02-13
Also published as: DE10305950A1

Abstract

In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1), der mehrere miteinander verbundene Keramikschichten (2), der ein Messelement (4), welches auf der Oberseite einer ersten der verbundenen Keramikschichten (2) als metallischer Film angeordnet ist, und der elektrische Ableitungen (5) für das Sensorsignal aufweist, wobei sich die anderen Keramikschichten (2) auf der Unterseite der ersten Keramikschicht anschließen, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Keramikschicht, auf der das Messelement (4) angeordnet ist, wenigstens eine der anderen Keramikschichten (2) flächig überragt und von keiner überragt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen in ein Einspritzsystem integrierbaren thermischen Massenflusssensor und ein Einspritzsystem mit einem solchen.

Aus der DE 199 45 673 A1 ist ein Einspritzsystem und ein darin integrierbarer thermischer Massenflusssensor beschrieben, der mehrere Keramikschichten und elektrische Ableitungen für das Sensorsignal aufweist. Das Messelement ist auf der Oberseite einer der verbundenen Keramikschichten als elektrische Verbindung angeordnet, deren Widerstand als Maß der Temperatur des ihn umströmenden Mediums bzw. als Maß für den Massenfluss verwendet wird. Dabei wird die elektrische Verbindung vorgeheizt und anhand der Temperaturveränderung und damit anhand der Veränderung des Ohmschen Widerstandes auf den Kraftstoffmengenfluss in dem Einspritzsystem zurückgeschlossen. Dieses Messprinzip ist eingehend bekannt. Der beschriebene Massenflusssensor ist nur zum Einsatz bei geringen oder mittleren Drücken in Einspritzsystemen geeignet. Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 45 673 A1 wurde zur Bildung des Oberbegriffes herangezogen.

Aus der US-Patentanmeldung US 2002/0092349 A1 ist ein anderer thermischer Massenflusssensor in der Art eines Luftmengenmessers bekannt, der mehrere Keramikschichten und elektrische Ableitungen für das Sensorsignal aufweist.

Aus der DE 197 16 521 C2 und der DE 198 24 778 A1 sind Drucksensoren für niedrige Drücke bekannt, die ebenso einen Aufbau mit mehreren Keramikschichten und elektrischen Ableitungen zeigen. Weiterhin ist bekannt, Keramikschichten mittels der LTCC-Technologie, wie sie aus der DE 196 15 787 A1 bekannt ist, zu verbinden bzw. herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzsystem bzw. einen dafür vorgesehenen thermischen Massenflusssensor anzugeben, welcher eine sichere Aussage über den Massenfluss auch bei hohen Einspritzdrücken ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen in ein Einspritzsystem integrierbaren thermischen Massenflusssensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Einspritzsystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 18.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße thermische Massenflusssensor, der in ein Einspritzsystem insbesondere für Common-Rail-Dieselmotoren integrierbar ist, zeigt mehrere Keramikschichten, die insbesondere mittels LTCC-Technologie realisiert sind. Die Keramikschichten werden übereinander angeordnet, zusammengefügt, ggf. verklebt und am Ende bei einer niedrigen Temperatur gesintert und dadurch fest und unlöslich miteinander verbunden. Hierdurch entsteht ein sogenannter Keramikchip. Dieser zeichnet sich durch seine chemische, mechanische und thermische Widerstandsfähigkeit aus. Er erweist sich somit für den Einsatz in einem Einspritzsystem mit den dort vorhandenen aggressiven Stoffen und schwierigen Zuständen – sowohl thermisch als auch chemisch – als sehr geeignet. Beispielsweise zeigen die verwendeten Kraftstoffe eine nicht unbeachtliche chemische Aggressivität. Die vorhandenen Drücke, insbesondere im Bereich von deutlich über 1.000 bar, und die damit verbundene mechanische Belastung sowie die Vibrations- und Temperaturbelastungen im Bereich eines Verbrennungsmotors machen das besondere Anforderungsprofil für einen derartigen thermischen Massenflusssensor für ein Einspritzsystem besonders deutlich.

Auf die oberste Keramikschicht wird das Messelement, ein metallischer Film als elektrische Verbindung, flächig aufgebracht. Durch das vorzugsweise flächige Aufbringen der elektrischen Verbindung auf der obersten Keramikschicht ist ein sicheres Verbinden des Messelementes mit der Keramikschicht gegeben, so das ein Ablösen und damit ein Zerstören des Massenflusssensors auch bei großen Drücken und hohen Temperaturen weitgehend ausgeschlossen ist.

Das Messelement ist mit zwei elektrischen Ableitungen für das Sensorsignal versehen, die das durch das Messelement im Inneren des Einspritzsystems gewonnene Messsignal zum Massenfluss an eine außerhalb des Einspritzsystems befindliche Auswerteeinheit übertragen und einer Auswertung zuführen.

Die zu einem Keramikchip zusammengefügten mehreren Keramikschichten zeigen zumindest teilweise eine unterschiedliche Form bzw. Gestalt. Dabei sind die Keramikschichten so gewählt, dass die oberste Keramikschicht, auf der das Messelement angeordnet ist, wenigstens eine der anderen Keramikschichten flächig überragt und dabei von keiner anderen überragt wird. Zwar können mehrere Keramikschichten die gleiche Größe oder Form wie die oberste Keramikschicht aufweisen, doch überragt keine die oberste Keramikschicht in ihrer Fläche. Dies führt erfindungsgemäß dazu, dass eine Verjüngung von der obersten Keramikschicht zu einer der nachfolgenden unteren Keramikschichten gegeben ist. Diese Verjüngung kann sowohl in der Fläche als auch in der Form erfolgen. Beispielsweise kann durch Vorsehen eines Ausschnittes eine Verjüngung bei Erhalt der sonstigen flächigen Grundformen erreicht werden. Durch diese erfindungsgemäße Verjüngung, welche nicht zwangsläufig durch die unmittelbar nachfolgende weiter unten angeordnete Keramikschicht erfolgen muss, ist gewährleistet, dass zumindest partiell ein Überstand der obersten Keramikschicht gegenüber einer oder mehreren darunterliegenden Keramikschichten gegeben ist. Durch diesen Überstand wird erreicht, dass der thermische Massenflusssensor mit seinem kompakten Keramikchip von innen in ein Einspritzsystem, beispielsweise eine Einspritzdüse, eingesetzt werden kann und durch den Überstand in der für die Aufnahme des thermischen Massenflusssensors vorgesehene Ausnehmung gehalten wird. Treten die sehr hohen Drücke insbesondere im Bereich von 1.5000 bar – wie sie bei Common-Rail-Dieselmotoren typisch sind – auf, so bildet dieser Überstand ein Widerlager, welches verhindert, dass der Sensor aus dem Einspritzsystem herausgepresst wird und dadurch sowohl seine Funktion verliert als auch dem Einspritzsystem einen Defekt, eine Leckage, zuführt, die die Funktionsfähigkeit des Einspritzsystems aufhebt.

Durch den erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensor gelingt es, nun auch bei sehr hohen Drücken sehr sicher und verlässlich den Massenfluss respektive die Temperatur des einzuspritzenden Brennstoffes zu bestimmen und dadurch die Möglichkeit zu schaffen, sowohl die Einspritzmenge wie auch den zeitlichen Verlauf optimal zu steuern. Mithilfe des erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensor gelingt es, gerade unter diesen schwierigen Bedingungen, insbesondere unter den sehr hohen Drücken, eine optimierte Verbrennung durch entsprechende Regelung der Einspritzparameter zu erreichen und damit den Energieverbrauch aber auch die Emissionen, die für den Menschen und die Natur schädlich sein können, zu begrenzen oder wesentlich zu reduzieren.

Der erfindungsgemäße Massenflusssensor ermöglicht es darüber hinaus, ein sehr genaues Messsignal zu erhalten, da durch die erfindungsgemäße Wahl der Größe bzw. Form der obersten Keramikschicht eine beachtliche, große Fläche zur Anordnung des Messelementes gegeben ist und dieses in seiner Form und insbesondere Größe messsignaloptimiert – insbesondere auflösungsoptimiert – gewählt werden kann. Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß möglich, nicht nur kreisrunde Formen der Keramikschichten zu verwenden, sondern beliebige andere gängige Formen der Keramikschichten auszuwählen und miteinander zu verbinden bzw. zu kombinieren. Dabei haben sich insbesondere kreisrunde oder elliptische Formen bewährt. Der erfindungsgemäße thermische Massenflusssensor zeichnet sich darüber hinaus durch seine für einen hochdruckfähigen Massenflusssensor sehr kostengünstige Herstellung aus.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Keramikschichten mit zunehmendem Abstand von der obersten Keramikschicht, auf der das Messelement oder Messelemente angeordnet sind, jeweils so auszubilden, dass sie eine geringere Ausdehnung aufweisen als die Keramikschichten mit geringerem Abstand zu der obersten Keramikschicht. Dadurch ist sichergestellt, dass eine keilförmige Struktur des Keramikchips aus den verschiedenen Keramikschichten gegeben ist, die eine sehr sichere Aufnahme in einer Ausnehmung eines Einspritzsystems gewährleisten. Dabei kann die geringere Ausdehnung nicht nur dadurch erreicht werden, dass die laterale Ausdehnung in jede laterale Richtung reduziert wird, sondern die Ausdehnung nur in einzelne Richtungen reduziert ist oder sich auch nur die äußere Form der einzelnen Keramikschichten ändern. Beispielsweise kann eine runde, zylinderförmige Keramikschicht von einer Keramikschicht mit elliptischer Grundfläche bzw. sechseckiger oder quadratischer Grundfläche gefolgt sein, wobei diese in ihren Ausdehnungen die vorhergehende näher zu der obersten Keramikschicht befindlichen Keramikschichten nicht lateral überragen. Durch diese keilförmige Ausbildung des Sensors ist zudem ein einfacher Einbau in das Einspritzsystem gegeben. Dies ist von besonderer Bedeutung, da der thermische Massenflusssensor von innen in das Einspritzsystem integriert werden muss, damit ein sicherer Einbau und Widerstand gegen hohe Drücke gegeben ist.

Dabei hat es sich besonders bewährt, die einzelnen Keramikschichten zentriert übereinander bzw. aufeinander anzuordnen, so dass beispielsweise die Form einer Kegelstumpfpyramide erreicht wird. Beim Einbau einer solchen beispielhaften Kegelstumpfpyramide ist ein gewisses Führen des thermischen Mas senflusssensors mithilfe der Keramikschichten mit den kleineren Ausdehnungen gegeben, was den Einbau erheblich vereinfacht.

Darüber hinaus hat es sich besonders bewährt, die einzelnen Keramikschichten in ihrer Ausdehnung nicht immer kleiner gegenüber den weiter oben angeordneten Keramikschichten, welche einen geringeren Abstand zu der Keramikschicht mit dem Messelement haben, auszubilden, sondern gerade zuzulassen, dass einzelne oder mehrere aufeinanderfolgende Keramikschichten dieselbe Ausdehnung respektive Gestalt aufweisen oder auch mehrere nicht unmittelbar aufeinanderfolgende Keramikschichten dieselbe Ausdehnung/Gestalt haben. Durch diese Ausbildung der Keramikschichten ist gewährleistet, dass eine sehr gute seitliche Führung – und damit Abdichtung – des Massenflusssensors in der für den Einbau vorgesehenen Ausnehmung im Einspritzsystem gegeben ist. Sollten zwei nicht benachbarte Keramikschichten gleiche Formen und Ausdehnungen aufweisen und durch eine oder mehrere Keramikschichten kleinerer Ausdehnung getrennt sein und sich dadurch eine Art Nut in dem thermischen Massenflusssensor ergeben, so wird diese Nut insbesondere zur Aufnahme von Dichtmitteln oder Verbindungsmitteln verwendet, wodurch eine sehr dichte und dauerhafte Verbindung bzw. Sitz des erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensors in dem Einspritzsystem gegeben ist. Damit ist ein dauerhaftes Funktionieren des erfindungsgemäßen Massenflusssensors auch bei hohen Drücken unter schwierigen Umständen gegeben.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, Keramikschichten quaderförmig bzw. zylindrisch mit kreisrunder oder ovaler Grundfläche bzw. als Prisma, also in Form eines Körpers mit dreieckiger Grundfläche und definierter Höhe, auszubilden. Diese Formen lassen sich sehr einfach und sicher herstellen, so dass verschiedene Keramikschichten unterschiedlicher Form, Gestalt oder Ausdehnung sehr einfach erfindungsgemäß miteinander kombiniert werden können. Dabei haben sich als besonders vorteilhaft die quaderförmigen und die prisma tischen Gestalten mit der Grundfläche eines gleichseitigen Dreiecks bewährt, da sie sehr kostengünstig und einfach hergestellt werden können. Darüber hinaus lassen sie sich auch sehr einfach und präzise miteinander verbinden. Dadurch ist sichergestellt, dass der gewünschte erfindungsgemäße mehrschichtige Aufbau aus mehreren verschiedenen Keramikschichten auf kostengünstige und einfache Weise geschaffen werden kann. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, alle Keramikschichten eines erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensors von einheitlicher Grundform, also alle zylindrisch, prismatisch oder quaderförmig auszubilden und nicht untereinander zu mischen. Dadurch gelingt es, die Integration des thermischen Massenflusssensors in ein Einspritzsystem merklich zu vereinfachen.

Daneben hat es sich besonders bewährt, einzelne oder alle Keramikschichten eines erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensors kegelstumpfförmig oder pyramidenstumpfförmig auszubilden. Dadurch gelingt es in besonders vorteilhafter Weise mithilfe der sich verjüngenden Keramikschichten eine selbstzentrierende äußere Gestalt des Keramikchips des erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensors zu erreichen, was zu einem sehr einfachen und sicheren Einbau führt. Neben der Möglichkeit, alle Keramikschichten kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmig auszubilden und dadurch dem erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensor selbst die Gestalt eines Pyramiden- oder Kegelstumpfes zu geben, hat es sich besonders bewährt, einzelne Abschnitte vorzusehen, bei denen eine stufenförmige Reduktion der lateralen Ausdehnung gegeben ist. Dies wird dadurch erreicht, dass sich aufeinanderfolgende Keramikschichten in ihrer lateralen Ausdehnung deutlich voneinander unterscheiden. Dadurch ergibt sich insbesondere ein Absatz, der sich über den gesamten Umfang der einzelnen Keramikschicht erstreckt, welcher in Verbindung mit einer entsprechend geformten Ausnehmung in dem Einspritzsystem zur Aufnahme des integrierbaren thermischen Massenflusssensors eine sehr wirkungsvolle Abdichtung und ein sehr wirkungsvolles Widerlager gegen den im Einspritzsystem durch das Einspritzgemisch entstehenden Druck gebildet. Durch diese Ausbildung sind sehr dauerhafte, kostengünstige und sichere thermische Massenflusssensoren geschaffen, welche insbesondere bei hohen Drücken im Bereich von über 1.500 bar funktionsfähig sind.

Die Verwendung von Keramikschichten, die unter Anwendung der LTCC-Technologie geschaffen wurden, hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, da diese Keramiken sehr einfach hergestellt werden können, ohne dass hohe Temperaturen für die Keramikbildung notwendig sind. Diese LTC-Keramiken erweisen sich auch als sehr druckresistent, als chemisch sehr inert und als mechanisch stabil. Dies führt dazu, dass der Sensor auch in sehr schwierigen Umgebungen, wie sie in einem Einspritzsystem mit den hohen Temperaturen und den aggressiven Lösungsmitteln, insbesondere Kraftstoffen, vorliegen, dauerhaft seine Aufgaben als thermischer Massenflusssensor insbesondere bei hohen Drücken und hohen Temperaturen erfüllen kann.

Es hat sich besonders bewährt, die Ableitungen, soweit sie durch die Keramikschichten geführt sind, mäanderförmig auszubilden. Diese mäanderförmige Struktur wird dadurch erreicht, dass durch die einzelnen Keramikschichten Verbindungen mittels 'Via-Holes' oder durch metallgefüllte Hohlräume oder mit dotiertem Material gefüllte Hohlräume verwendet werden, während zwischen den Keramikschichten flächige elektrische Verbindungen zur elektrischen Verbindung der Durchkontaktierungen durch die Keramikschichten verwendet werden. Die mäanderförmige Struktur gewährleistet eine druckdichte elektrische Verbindung des Messelementes bzw. der Messelemente auf der Oberfläche der obersten Keramikschicht zu den elektrischen Anschlüssen auf der anderen Seite der miteinander verbundenen Keramikschichten. Diese elektrischen Anschlüsse werden typischerweise als 'Bond-Pads' realisiert, die mit externen elektrischen Leitungen beispielsweise durch Löten oder Anschweißen verbunden werden können. Diese elektrischen An schlüsse sind in dem in ein Einspritzsystem eingebauten Zustand regelmäßig von außen zugänglich, so dass direkt an ihnen das Sensorsignal respektive das Signal des Messelementes oder der Messelemente abgegriffen und einer weiteren Signalverarbeitung zugeführt werden kann.

Dagegen befindet sich das Messelement bzw. die Messelemente im Inneren des Einspritzsystems und sind dadurch von dem zu messenden Einspritzgemisch umgeben, was dazu führt, dass der zwischen den elektrischen Anschlüssen und dem oder den Messelementen befindliche Teil des thermischen Massenflusssensors die Funktion eines trennenden Elementes respektive Wandung des Einspritzsystems hat. Dieser Teil des thermischen Massenflusssensors muss die Druckunterschiede, die Temperaturunterschiede, die unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften zwischen der Umgebung und dem Innenraum des Einspritzsystems sicher und dauerhaft voneinander trennen können. Dies ist durch die Ausbildung des erfindungsgemäßen Massenflusssensors in besonderem Maße gegeben.

Vorzugsweise wird das Messelement aus Platin, Molybdän oder Titan oder einer Verbindung eines Metalls oder einer Kombination daraus hergestellt. Diese Metalle bzw. die Verbindungen daraus eignen sich besonders für eine Anordnung auf einer derartigen Keramikschicht, wie sie Teil des erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensors ist. Die Aufbringung des Messelementes kann dabei aufgrund der verwendeten Materialien für das Messelement im Rahmen des Herstellungs- oder Verarbeitungsprozesses der Keramikschichten erfolgen. Dadurch lässt sich ein einfacher, einheitlicher Fertigungsprozess für den erfindungsgemäßen Massenflusssensor realisieren, der zu einer günstigen und qualitativ hochstehenden Fertigung des erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensors führt. Durch die ausgeprägte thermische Abhängigkeit des Ohmschen Widerstandes der verwendeten Materialien ist darüber hinaus eine ausgeprägt gute Auflösung des Sensors gegeben, was zu sehr verlässlichen und differenzierten Informationen über den Massen fluss im Einspritzsystem führt. Auf Basis dieser verlässlichen und differenzierten Informationen zum Massenfluss lässt sich das Einspritzsystem besonders vorteilhaft bzgl. des Einspritzzeitpunktes, der Einspritzmenge wie auch der Verhältnisse der Komponenten für das Einspritzgemenge regeln und dadurch einen optimierten Einspritzvorgang und ebenso eine optimierte Verbrennung gewährleisten. Dies führt zu einer merklichen Reduktion der Emissionen bzw. Reduktion des Fahrgeräusches ("Nageln") wie auch der verwendeten Kraftstoffe.

Vorzugsweise wurde das Messelement flächig mit einer Materialstärke von wenigen 100 nm, insbesondere im Bereich von 100 nm auf der Oberfläche der obersten Keramikschichten aufgebracht. Dies erfolgt vorzugsweise mittels Dünnschichttechnologien, insbesondere mithilfe einer Elektrodenstrahlaufdampfanlage unter anschließender Strukturierung des aufgebrachten Metalldünnfilms mithilfe von nasschemischem Strukturieren unter Verwendung von Photoresist-Lacken. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass durch die besondere Wahl der Materialstärke des flächigen Messelementes von wenigen 100 nm eine negative Beeinflussung des Strömungsverhaltens in dem Einspritzsystem weitgehend ausgeschlossen ist und dadurch wiederum eine optimierte Einspritzung erreicht werden kann. Dabei hat es sich gezeigt, dass gerade durch die Verwendung von flächigen Messelementen dieser Materialstärke, welche im Bereich der typischen Rauhigkeit einer polierten Oberfläche einer Keramikschicht liegt, ein "Verschwinden" des Messelementes in der Oberflächenrauhigkeit in der obersten Keramikschicht gegeben ist. Dies führt dazu, dass das Messelement somit fast vollständig in der Oberflächenrauhigkeit des Keramikchips verschwindet und somit nur geringe oder nahezu keine Auswirkungen auf das makroskopische Geschwindigkeitsfeld des Einspritzgemisches im Bereich des Massenflusssensors besitzt. Dies führt zu einem sehr wirkungsvollen Massenflusssensor.

Alternativ zu der Möglichkeit mittels Dünnschichttechnologie flächige Messelemente auf der Oberfläche der obersten Keramikschicht mit einer Materialstärke von wenigen 100 nm oder darunter auszubilden, hat es sich bewährt, mittels Dickschichttechnologie Messelemente, elektrische Verbindungen, mit einer Materialstärke von wenigen μm auszubilden. Dies führt zu räumlich und lokal begrenzten Verwirbelungen im Bereich der Wandung des Einspritzsystems bzw. der Oberfläche der obersten Keramikschicht, die zu einem intensiven Durchmischen des Einspritzgemisches im Bereich der oder des Messelementes führt und dadurch zu einem Messergebnis führt, das einem gemittelten Messwert über den Bereich der Verwirbelung um das Messelement herum entspricht. Damit ist ein recht verlässlicher Messwert gegeben. Erfindungsgemäß wird die Materialstärke nur wenige μm und nicht deutlich über 50 μm gewählt, so dass es nicht zu störenden Beeinflussungen des Flussfeldes des Einspritzgemengestromes besonders in der Einspritzdüse führt. Dies ist durch die Verwendung von Materialstärken von wenigen μm oder darunter, insbesondere im Bereich von 100 nm, in besonderem Maße erreicht.

Gerade im Fall der Realisierung von Messelementen mittels Dickschichttechnologie hat es sich besonders bewährt, im Bereich der Keramikschichten insbesondere zwischen den Keramikschichten elektronische Komponenten, insbesondere passive elektronische Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren, Filter, vorzusehen, die geeignet sind, die durch ein Messelement generierten Messsignale zu filtern oder anderweitig aufzubereiten und die aufbereiteten Messsignale anschließend über die elektrischen Anschlüsse einer abgesetzten Auswerteeinheit zuzuführen. Durch diese Anordnung von elektronischen Komponenten in Dickschichttechnologie im Bereich der Keramikschichten ist die Möglichkeit geschaffen, bei Erhalt der Fertigungstechnologie sehr kompakte, wirkungsvolle, kostengünstige und intelligente thermische Massenflusssensoren zum Einsatz in Einspritzsystemen mit hohen Einspritzdrücken zu rea lisieren, die sehr aussagekräftige, verlässliche Messsignale zur Verfügung stellen können.

Nach einer besonders bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensors ist das Messelement mit einer Schutzschicht, insbesondere aus amorphem Siliziumcarbid, überzogen. Durch diese Schutzschicht, insbesondere aus Siliziumcarbid, ist eine Passivierung des Messelementes gegeben, die die Empfindlichkeit des Messsensors gegen chemische, aggressive Einflüsse durch das Einspritzgemisch erheblich reduziert. Die gewählte Schutzschicht aus amorphem Siliziumcarbid wird vorzugsweise mittels Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) gebildet. Sie stellt eine elektrisch nichtleitende Schutzschicht dar, die im Rahmen der Fertigung des Massenflusssensors mit seinen Keramikschichten und metallischen oder dielektrischen Komponenten ohne wesentliche zusätzliche untypische Verfahrensschritte realisiert werden kann. Ohne den Herstellungsprozess wesentlich zu komplizieren, gelingt es, einen sehr robusten, dauerhaften und wirksamen Massenflusssensor zu realisieren.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, mehr als ein einziges Messelement auf der Oberfläche der obersten Keramikschicht anzuordnen. Dadurch gelingt es, beispielsweise zwei Messelemente pro erfindungsgemäßen Massenflusssensor anzuordnen und dadurch die Möglichkeit zu schaffen, eine Flussrichtung zu bestimmen oder eine bidirektionale Massenflussmessung durchzuführen. Darüber hinaus wird es durch diesen Sensor möglich, ein Messelement, das Upstream-Messelement, zur Massenflussmessung zu verwenden und das andere Messelement, das Downstream-Messelement, zur Temperatursensierung zu benutzen. Damit wird es möglich, Schwankungen der Temperatur des Einspritzmengengemisches zu detektieren und diese Schwankungen bei der Auswertung des Signals des Messelementes zur Bestimmung des Massenflusses durch das upstream angeordnete Messelement zu verwenden. Dadurch gelingt es, die Verlässlichkeit bzw. die Qualität des Sensorsignals des Massenflusssensors erheblich zu verbessern und dadurch die Möglichkeit zu schaffen, ein Einspritzsystem noch besser zu steuern oder zu regeln.

Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die verschiedenen Messelemente unterschiedlich auszubilden. Dies wird insbesondere dadurch realisiert, dass sie aus unterschiedlichen Materialien oder mit unterschiedlichen Längen oder alternativ oder ergänzend in unterschiedlichen Anordnungen auf der Oberfläche der obersten Keramikschicht angeordnet sind. Dadurch lässt sich ein differenziertes Messsignal der beiden oder mehreren Messelemente schaffen, das gemeinsam ausgewertet zu einem verlässlicheren gemeinsamen Messwert des thermischen Massenflusssensors führt.

Es hat sich besonders bewährt, das Messelement auf der Oberfläche der obersten Keramikschicht nicht geradlinig, sondern in geschwungenem Verlauf – insbesondere U-förmig oder mäandrierend – anzuordnen. Dadurch wird erreicht, dass das Einspritzgemenge bei vorgegebener Oberfläche über eine vergrößerte Länge des Messelementes in Kontakt steht und durch Mikroturbulenzen, die durch die Struktur des Messelementes gebildet werden, in gutem thermischen Kontakt steht. Durch diesen guten thermischen Kontakt wird eine verlässliche Anpassung der Temperatur des Messelementes gegenüber der Temperatur des Einspritzgemenges gewährleistet, was wiederum zu einem veränderten Ohmschen Widerstand führt, der ausgewertet wird und als Massenfluss dargestellt oder zur Steuerung oder Regelung verwendet wird.

Durch diese besondere Ausbildung der Messelemente als U-förmig oder mäandrierender elektrischer Leiter ist eine besonders wirksame und differenzierende Sensierung des Massenflusses gegeben.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Einspritzsystem mit einem erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensor, der in eine Ausnehmung einer Wandung des Einspritzsystems integriert bzw. dafür vorgesehen ist. Das Einspritzsystem, das hohe Einspritzdrücke im Bereich von 1.500 bar oder darüber realisiert, benötigt zur sicheren Regelung des Einspritzverhaltens, d.h. beispielsweise des Einspritzdruckes, des Einspritzzeitpunktes, der Einspritzmenge und ähnliches, eine sehr sichere und verlässliche Information über die Einspritzmengenverhältnisse bzw. den Massenfluss in dem Einspritzsystem. Diese Information wird durch den in das Einspritzsystem integrierten thermischen Massenflusssensor zur Verfügung gestellt. Die Voraussetzung bzw. Anforderung des Einspritzsystems mit den hohen Temperaturen im Bereich des Verbrennungsmotors, den hohen Drücken, bedingen eine starke mechanische Belastung des gesamten Einspritzsystems, insbesondere des oder der darin integrierten Massenflusssensoren. Darüber hinaus erweist sich der Kraftstoff als chemisch als sehr aggressiv. Er stellt ein gängiges Lösungsmittel für eine Vielzahl von Stoffen dar und bewirkt somit ein Zerstören empfindlicher Sensorbestandteile oder einzelner Komponenten gängiger Massenflusssensoren. Dies führt zu einem schwierigen Umfeld des erfindungsgemäßen thermischen Massenflusssensors.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Einspritzsystems sind zwischen der Hochdruckpumpe und der Einspritzdüse bzw. der Düse der Einspritzdüse mehrere erfindungsgemäße Massenflusssensoren angeordnet. Hierdurch gelingt es, nicht nur den jeweiligen Massenfluss eindeutig und sicher zu sensieren, sondern es gelingt auch, den Massenflussabfall bzw. Druckabfall über einen Massenflussvergleich zu gewinnen. Durch diese Information des Massenflussverlaufes gelingt es, das Einspritzsystem zielgerichtet zu optimieren bzw. in einem optimierten Zustand zu betreiben. Auch ist es möglich, Bereiche besonderer Belastung beispielsweise durch starke Veränderungen bzw. Abweichungen des Massenflusses durch eine entsprechende Änderung der Konstruktion des Einspritzsystems dahingehend anzupassen, dass diese Belastungen reduziert sind. Dies führt zu einem sehr wirtschaftlichen und effizient ar beitenden Einspritzsystem, durch welches der Energieverbrauch und damit auch die Emissionen merklich bzw. erheblich reduziert werden können.

Nach einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung ist die äußere Gestalt des Massenflusssensors mit der Ausnehmung in der Wandung des Einspritzsystems abgestimmt. Die Abstimmung erfolgt dahingehend, dass der Massenflusssensor in die Ausnehmung formschlüssig dichtend eingebracht werden kann. Hierdurch ist sichergestellt, dass bei der Druckbeaufschlagung durch das einspritzende Kraftstoffgemisch eine Einpressung in einen insbesondere dichtenden Sitz, der durch die Wandung um die Ausnehmung für den Massenflusssensor gebildet wird, bewirkt wird. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Massenflusssensor keilförmig verjüngend ausgebildet ist bzw. eine stufenförmig verjüngende Gestalt dahingehend aufweist, dass Dichtflächen geschaffen werden, die eine Abdichtung zwischen der äußeren Gestalt des Massenflusssensors und der Wandung im Bereich der Ausnehmung bewirken.

Es hat sich besonders bewährt, dass neben der Anpassung der äußeren Gestalt im Bereich zwischen der Wandung und dem Massenflusssensor ein Dichtmittel verwendet wird. Als Dichtmittel hat sich die Verwendung eines Klebers, insbesondere eines Epoxydharzklebers bewährt. Dieser sorgt einerseits für eine dichtende Verbindung zwischen dem Massenflusssensor und der Wandung des Einspritzsystems, aber auch für eine dauerhafte, sichere mechanische Verbindung des Massenflusssensors mit der Wandung. Dies führt zu einer dauerhaften und sicheren Funktionsfähigkeit des Einspritzsystems auch bei hohen Drücken.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer beispielhaften Darstellung eines Einspritzsystems mit erfindungsgemäßen beispielhaften thermischen Massenflusssensoren erläutert. Die Erfindung ist nicht auf diese in den 1 und 2 dargestellte Ausführungen der Erfindung begrenzt.
In 1 ist ein Ausschnitt einer Wandung 10 eines Einspritzsystems, hier als Wandung einer Common Rail, dargestellt. Die Wandung 10 zeigt eine Ausnehmung, in die der erfindungsgemäße thermische Massenflusssensor 1 eingebracht ist. Die äußere Gestalt des Sensors 1 ist der Form der Ausnehmung angepasst. Sie zeigt eine keilförmige, sich verjüngende äußere Gestalt. Die äußere Gestalt des Sensors 1 ermöglicht in Zusammenwirkung mit der die Ausnehmung umgebende Wandung 10 eine formschlüssige, dichtende Verbindung zwischen den beiden Komponenten des Einspritzsystems.
Zur besseren Abdichtung wird der Sensor 1 in die Wandung 10 mittels eines hier nicht dargestellten Epoxydharzklebers eingeklebt. Dieser Epoxydharzkleber stellt eine sichere und dichte Verbindung zwischen der Wandung 10, welche aus einem hochlegierten Stahl besteht, und den Keramikschichten 2 des thermischen Massenflusssensors 1 sicher.
Die oberste Keramikschicht 2 überragt dabei alle anderen darunterliegenden, vom Inneren des Einspritzsystems weiter entfernten Keramikschichten 2. Die einzelnen Keramikschichten 2 des Massenflusssensors 1 haben die Gestalt eines Kegelstumpfes. Dabei sind die aneinanderstoßenden, benachbarten, miteinander verbundenen Keramikschichten 2 so ausgebildet, dass die Deckfläche der größer ausgedehnten Keramikschicht der Grundfläche des Kegelstumpfes der kleiner ausgedehnten Keramikschicht 2 entspricht. Dies führt zu einem direkten Übergang der schrägverlaufenden Seitenfläche der einen Keramikschicht 2 zur nächsten Keramikschicht 2. Es entsteht somit eine äußere Gestalt eines Kegelstumpfes aus mehreren einzelnen kegelstumpfförmigen Keramikschichten 2. Nur an einer einzigen Stelle entspricht die Deckfläche nicht der Grundfläche der benachbarten Keramikschicht 2. Die Grundfläche ist kleiner als die Deckfläche. Dadurch entsteht ein Absatz, der die Grundfläche der weiter unten befindlichen, vom Einspritzgemenge weiter entfernten Keramikschicht umschließt. Es wird dadurch ein ringförmiger Absatz gebildet, der mit einem ent sprechenden Absatz in der Wandung 10 des Einspritzsystems dahingehend zusammenwirkt, dass er einen dichtenden Sitz und ein Widerlager gegen den durch das Einspritzgemenge ausgeübten Druck p von über 1.500 bar auf den Massenflusssensor 1 bildet. Dadurch ist eine sichere und dauerhafte Anordnung des Massenflusssensors 1 in der Wandung 10 des Einspritzsystems gegeben. Diese stufige Ausbildung der äußeren keilförmigen Gestalt des Massenflusssensors 1 bzw. der Ausnehmung hat sich besonders bewährt.
Der Massenflusssensor 1 zeigt fünf Keramikschichten 2, die nach der LTCC-Technologie hergestellt und miteinander verbunden wurden. Die Dicke der fünf Schichten bzw. des Massenflusssensors beträgt etwa 850 μm. Die Keramikschichten 2 sind miteinander flächig fest verbunden. Die Verbindung wird durch einen Sinterprozess bei niedrigen Temperaturen realisiert.
Auf der dem Kraftstoff/Einspritzgemenge zugewandten Seite des Massenflusssensors 1 ist das Messelement, das als elektrische Verbindung auf der Oberfläche ausgebildet ist, realisiert. Das Messelement ist fest, insbesondere flächig, mit der obersten Keramikschicht mechanisch verbunden. Diese mechanisch feste Verbindung wird mittels Dünnschichttechnologie durch Aufdampfen oder Aufsputtern mittels einer Elektrodenstrahlaufdampfanlage bzw. Sputteranlage aufgebracht. Anschließend wird das Messelement 4 passiviert, indem eine Schutzschicht aus amorphem Siliziumcarbid mittels Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition abgeschieden wird. Durch diese Schutzschicht ist ein besonderer mechanischer wie auch chemischer Schutz des Messelementes vor den Einflüssen des Einspritzgemisches gegeben.
Das Messsignal des Messelementes 4 wird über die elektrischen Ableitungen 5 durch die Keramikschichten 2 an die gegenüberliegende Seite des Sensors 1 weitergeleitet. Auf der anderen Seite sind Bond-Pads 6 angeordnet, die mit flexiblen elektrischen Leitungen 7 zum Abgreifen des Messsignals verbunden werden. Dieses Signal wird einer Auswerteeinheit zugeführt, die in 1 nicht dargestellt ist. Diese Auswerteeinheit setzt die elektrischen Signale des Messelementes bzw. der Messelemente in Massenflusssignale um, die zur Steuerung oder Regelung des Einspritzsystems verwendet werden.
Die Ableitungen 5 sind mäanderförmig durch die Keramikschichten 2 des Sensors 1 geführt. Die Durchführungen durch die einzelnen Keramikschichten 2 erfolgt durch Via-Holes, welche mit einer Metallisierung versehen sind. In der Zwischenschicht zwischen zwei Keramikschichten 2 ist mittels flächiger elektrischer Leitung eine elektrische Verbindung geschaffen, die durch Siebdruck oder andere Aufbringungstechniken von metallischen Leiterbahnen realisiert werden können. Durch das mäanderförmige Durchführen der Ableitungen 5 durch die fünf Keramikschichten 2 ist eine druckdichte Ableitung des elektrischen Messsignals von dem Messelement 4 gewährleistet. Ein Durchdringen des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffes – beispielsweise im Bereich von über 1.500 bar – durch die mäanderförmig gebildete elektrische Verbindung ist weitgehend ausgeschlossen.
Der durch das Einspritzgemenge auf die Wandung 10 bzw. den Sensor 1 ausgeübte Druck ist durch einen Pfeil mit der Bezeichnung P angedeutet. Es wird deutlich, dass der keilförmig ausgebildete Sensor 1 durch den Einspritzdruck in den durch die Wandung 10 gebildeten Sitz eingepresst wird und durch das Einpressen in Verbindung mit der äußeren Gestaltung des Sensors 1 und der Wandung 10 eine formschlüssige dichtende Verbindung geschaffen wird. Diese Verbindung wird durch den nicht dargestellten Epoxydharzkleber als dichtendes verklebendes Element weiter verbessert.
Der thermische Massenflusssensor 1 zeigt einen typischen Durchmesser von wenigen mm. Es ist möglich, den Sensor 1 in eine Wandung 10 einer Einspritzpumpe, einer Zuleitung des Einspritzdüse, der Common Rail oder auch in der Einspritzpum pe selbst anzuordnen. Der Massenflusssensor ermöglicht ein direktes, schnelles Messen der Einspritzverhältnisse, insbesondere wenn an verschiedenen Stellen mehrere Sensoren 1 im Einspritzsystem angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, ein sehr differenziertes Bild der Einspritzverhältnisse, insbesondere der zeitlichen Entwicklung der Einspritzverhältnisse zu gewinnen, und dadurch die Einspritzvorgänge auf Effizienz, d.h. auf minimalen Kraftstoffverbrauch wie auch auf minimale Emission von schädlichen Abgasen zu optimieren.
In 2 ist die Oberfläche einer kreisrunden oberen Keramikschicht 2 dargestellt. Sie zeigt zwei Messelemente 4a, 4b. Diese beiden Messelemente 4a, 4b sind flächig auf der Oberfläche der Keramikschicht 2 aufgebracht. Sie bestehen aus in Form von Dünnfilmen aufgebrachte metallische Filme aus Molybdän bzw. einer Verbindung aus Titan und Platin. Diese metallischen elektrischen Verbindungen werden mittels einer Elektronenstrahlaufdampfanlage auf die Oberfläche der obersten Keramikschicht 2 aufgebracht. Dabei ist die Materialstärke der flächig aufgebrachten Messelemente 4a, 4b in derselben Größenordnung wie die Rauhigkeit der polierten, also geglätteten Oberfläche der Keramikschicht 2. Die Materialstärke beträgt etwa 100 nm. Dadurch verschwinden die Messelemente 4a, 4b in der Oberflächenrauhigkeit der Keramikschicht 2, wodurch keine wesentliche Beeinträchtigung des Strömungsfeldes des Einspritzgemisches im Bereich des erfindungsgemäßen Massenflusssensors 1 festzustellen ist. Durch die Wahl des U-förmigen Verlaufes des Messelementes 4a bzw. des mäandrierenden Verlaufes des Messelementes 4b ist sichergestellt, dass Mikroturbulenzen im Bereich der Messelemente 4a, 4b erreicht werden, die einen intensiven Wärmeaustausch zwischen dem Einspritzgemisch und den elektrischen Verbindungen der Messelemente 4a, 4b bewirken, ohne dass das makroskopische Strömungsfeld des Einspritzgemisches wesentlich beeinflusst ist. Durch diese Mikroturbulenzen ist ein sehr verlässlicher, aussagekräftiger Messwert ermöglicht, der zu einem sehr diffe renzierten ausgewerteten Messsignal und damit zu einer verlässlichen Steuerung des Einspritzsystems führen kann.
Durch die differenzierte Ausbildung der beiden Messelemente 4a, 4b des Sensors 1 ist es in besonderem Maße möglich, die Signale der einzelnen Messelemente einer differenzierten Auswertung zu unterziehen, wodurch einerseits der Verlauf bzw. die Strömungsgeschwindigkeit des Einspritzgemisches bestimmt werden kann oder auch bei einem Betrieb eines Messelementes als Temperatursensor ein verbessertes Massenflusssignal gewonnen werden kann.
Der dargestellte Sensor 1 kann als eigenständiges Modul separat hergestellt werden und auf einfache Weise in eine entsprechende Ausnehmung des Einspritzsystems, beispielsweise in eine Common Rail oder eine Einspritzdüse, eingesetzt werden. Ein einfaches und kostengünstiges Austauschen oder Ersetzen derartiger Sensoren wird dadurch kostengünstig ermöglicht.

Claims

In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1), der mehrere miteinander verbundene Keramikschichten (2), der ein Messelement (4), welches auf der Oberseite einer ersten der verbundenen Keramikschichten (2) als metallischer Film angeordnet ist, und der elektrische Ableitungen (5) für das Sensorsignal aufweist, wobei sich die anderen Keramikschichten (2) auf der Unterseite der ersten Keramikschicht anschließen, dadurch gekennzeichnet , dass die erste Keramikschicht, auf der das Messelement (4) angeordnet ist, wenigstens eine der anderen Keramikschichten (2) flächig überragt und von keiner überragt wird.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschichten (2) mit zunehmendem Abstand von der Keramikschicht (2), auf der das Messelement (4) angeordnet ist, jeweils eine geringere Ausdehnung aufweisen.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Keramikschichten (2) mit größerem Abstand von der Keramikschicht (2), auf der das Messelement (4) angeordnet ist, jeweils eine geringere oder die gleiche Ausdehnung aufweisen als Keramikschichten (2) mit geringerem Abstand.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschichten (2) zylindrische Gestalt haben.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Keramikschichten (2) zylindrische Gestalt haben.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschichten (2) kegelstumpfförmige Gestalt haben.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle Keramikschichten (2) kegelstumpfförmige Gestalt haben.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschichten (2) eine LTC-Keramik darstellen.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitungen (5) mäanderförmig durch die Keramikschichten (2) geführt sind.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (4) aus Platin, Molybdän oder Titan oder einer Verbindung daraus besteht.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (4) mit einer Schutzschicht überzogen ist.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (4) mittels Dünnschichttechnologie auf der Keramikschicht (2) aufgebracht ist.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (4) flächig mit einer Materialstärke von wenigen 100 nm ausgebildet ist.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (4) mittels Dickschichttechnologie auf der Keramikschicht (2) aufgebracht ist.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere passive elektronische Komponenten in Dickschichttechnologie zur Signalaufbereitung eines Signals eines Messelements (4) im Bereich der Keramikschichten (2) vorgesehen ist oder sind.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten Keramikschicht (2) mehrere Messelemente (4a, 4b) mit zugeordneten Zuleitungen und mit zugeordneten elektronischen Komponenten vorgesehen sind.
In ein Einspritzsystem integrierbarer thermischer Massenflusssensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Messelemente (4a, 4b) U-förmig oder mäanderförmig auf der Keramikschicht (2) angeordnet ist.
Einspritzsystem mit einer Wandung (10), mit einer darin angeordneten Ausnehmung zur Aufnahme eines thermischen Massenflusssensors (1) und mit einem darin angeordneten thermischen Massenflusssensor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Einspritzsystem nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere thermische Massenflusssensoren (1) nach einem der Ansprüche 1–17 zwischen einer Hochdruckpumpe und einer Einspritzdüse verteilt angeordnet sind.
Einspritzsystem nach Anspruch 18 oder 19 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung zur Aufnahme des zugeordneten thermischen Massenflusssensors (1) in ihrer äußeren Gestalt dahingehend abgestimmt ist, dass die die Ausnehmung umschließende Wandung (10) mit dem thermischer Massenflusssensor (1) formschlüssig dichtend zusammenwirkt.
Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 18 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Massenflusssensor (1) und die die Ausnehmung umschließende Wandung (10) miteinander verklebt sind.