DE102005041666A1

DE102005041666A1 - Injektor mit direkter Nadelsteuerung

Info

Publication number: DE102005041666A1
Application number: DE200510041666
Authority: DE
Inventors: Thomas Kuegler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2007-03-08

Abstract

Es wird ein direkt gesteuerter Injektor vorgeschlagen, mit dem Verschleißerscheinungen kompensiert werden können, der die Steuerung kleinster Düsennadelhübe ermöglicht und gleichzeitig auch schnelle Hubbewegungen der Düsennadel im Voll- und mittleren Teillastbereich erlaubt.

Description

Aus der nachveröffentlichten DE 10 2004 037 152.3 (Anmeldetag: 30.07.2004) ist ein Common-Rail-Injektor mit direkter Nadelsteuerung bekannt. Bei diesem Injektor wird, wie bei anderen Injektoren auch, in Abhängigkeit von dem Druck in einem Düsennadelsteuerraum, mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Bei der direkten Nadelsteuerung ist zwischen einem Aktor des Injektors und dem erwähnten Düsennadelsteuerraum kein hydraulisches Ventil notwendig, um den Druck im Düsennadelsteuerraum zu steuern.

Bei den gattungsgemäßen Injektoren mit direkter Nadelsteuerung ist ein Aktordruckraum vorgesehen, der hydraulisch mit dem Düsennadelsteuerraum in Verbindung steht, so dass Druck- und/oder Volumenänderungen des Aktordruckraums den Druck und das Volumen des Düsennadelsteuerraums in der gewünschten Weise beeinflussen.

Bei einem Injektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Koppler ein Kolbenelement aufweist, an dem ein Mitnehmer angeordnet ist, über den die Düsennadel mechanisch mit dem Kolbenelement koppelbar ist.

Vorteile der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäßen Injektor werden die Vorteile einer hydraulischen Kopplung des Aktors mit der Düsennadel kombiniert mit den Vorteilen einer mechanischen Kopplung des Aktors mit der Düsennadel. Einerseits ist eine mechanische Entkopplung von Aktor und Düsennadel gegeben, so dass thermisch bedingte Längenänderungen der Bauteile des Injektors kompensiert werden können. Andererseits ist die Düsennadel mechanisch mit dem Kolbenelement des Kopplers koppelbar, so dass die Düsennadel in definierter Weise vom Düsensitz abgehoben werden kann. Somit können Verschleißerscheinungen, die beispielsweise am Düsennadelsitz auftreten können, kompensiert werden.

In vorteilhafter Weise ist an der Düsennadel mindestens ein zum Mitnehmer des Kolbenelements komplementärer Mitnehmer vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich besonders gut einstellen, in welchen Relativpositionen zwischen Düsennadel und Kolbenelement eine Kopplung der beiden Bauteile erfolgen soll.

Wenn der oder die Mitnehmer des Kolbenelements und/oder der Düsennadel zumindest abschnittsweise konisch ist beziehungsweise sind, kann eine Kopplung von Kolbenelement und Düsennadel in besonders sanfter Weise erfolgen, da sich die konischen Mitnehmerflächen aneinander legen können und somit ein Prellen vermeiden.

Wenn das Kolbenelement einen Schlitz aufweist, dessen Wandung den oder die Mitnehmer des Kolbenelements bildet, wird eine besonders raumsparende Anordnung geschaffen, insbesondere dann, wenn in dem Schlitz der oder die Mitnehmer der Düsennadel aufgenommen ist beziehungsweise sind.

Wenn in der Düsennadel mindestens eine Bohrung vorgesehen ist, deren mindestens eine Mündung benachbart zu mindestens einem Mitnehmer der Düsennadel und/oder des Kolbenelements angeordnet ist, kann ein zusätzlicher Druckausgleichsraum geschaffen werden, mit dem die Ansteuerung der Düsennadel beeinflussbar ist.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Sekundärkolben vorgesehen, der in einem Sackloch des Antriebskolbens geführt ist. Das Kolbenelement bildet dann einen Primärkolben, der in einer Durchgangsbohrung des Sekundärkolbens geführt ist. Diese Anordnung ermöglicht es, die Stellbewegung des Aktors mit zwei verschiedenen Übersetzungsverhältnissen in eine Druck- und/oder Volumenänderung des Düsennadelsteuerraums umzusetzen. Dadurch ist es einerseits möglich, kleinste Düsennadelhübe mit großer Genauigkeit zu realisieren und im Bereich von mittleren und großen Düsennadelhüben schnelle Öffnungsbeziehungsweise Schließbewegungen der Düsennadel zu erreichen.

Dadurch ist es möglich im Leerlaufbetrieb und im unteren Teillastbereich einen runden, effizienten und emissionsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine zu realisieren und gleichzeitig im Mittel- und Vollastbereich die gewünschten Einspritzmengen in der zur Verfügung stehenden kurzen Zeit in den Brennraum einspritzen zu können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sackloch des Antriebskolbens sowie eine erste Stirnseite des Primärkolbens und eine erste Stirnseite des Sekundärkolbens den Aktordruckraum begrenzen.

Durch die Integration sowohl des Primärkolbens als auch des Sekundärkolbens in den Antriebskolben ergeben sich erhebliche Freiheitsgrade bei der konstruktiven Ausgestaltung des Injektors, was Vorteile bei der Herstellung und dem Betriebsverhalten des erfindungsgemäßen Injektor mit sich bringt.

Um die Befüllung des Aktordruckraums mit Kraftstoff zu gewährleisten, ist zwischen dem Aktordruckraum und dem Kraftstoffzulauf eine vierte Fülldrossel vorgesehen.

Damit der Primärkolben stets eine definierte Position einnimmt, ist zwischen einem Grund des Sacklochs im Antriebskolben und einer ersten Stirnseite des Primärkolbens eine erste Druckfeder eingespannt.

Aus dem gleichen Grund ist zwischen dem Grund des Sacklochs und der ersten Stirnseite des Sekundärkolbens eine zweite Druckfeder eingespannt.

Zur Realisierung einer zweistufigen direkten Ansteuerung der Düsennadel ist weiter vorgesehen, dass eine zweite Stirnseite des Primärkolbens und das Injektorgehäuse einen Vorraum begrenzen und dass der Vorraum mit dem Düsennadelsteuerraum hydraulisch verbunden ist. Dadurch kann die Ansteuerung der Düsennadel mit einem ersten Übersetzungsverhältnis, das vor allem für kleine Düsennadelhübe geeignet ist, erfolgen.

In bestimmten Anwendungsfällen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen dem Vorraum und dem Steuerraum eine Kopplerdrossel vorgesehen ist. Dadurch kann die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel optimiert werden.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist weiter vorgesehen, dass eine Düsenfeder in einem Düsenfederraum des Injektorgehäuses angeordnet ist und dass der Düsenfederraum und ein Druckraum hydraulisch miteinander in Verbindung stehen.

Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kraftstoffzulauf in einen Aktordruckraum mündet und der Hochdruckkanal den Aktordruckraum und den Düsenfederraum verbindet. Dadurch ist es nicht mehr erforderlich, einen Hochdruckkanal vorzusehen, der sich über die gesamte Länge des Injektors erstreckt. Der erfindungsgemäß beanspruchte kurze Hochdruckkanal ist fertigungstechnisch naturgemäß sehr viel einfacher zu realisieren als ein sehr langer Hochdruckkanal und außerdem kann der Düsenkörper schlanker ausgeführt werden. Mit der erfindungsgemäßen hydraulisch Anordnung kann nämlich auf einen Hochdruckkanal an dem dem Brennraum zugewandten Ende des Injektors vollständig verzichtet werden, so dass entsprechend mehr Platz für die Düsennadel, den Düsenfederraum und den Druckraum zur Verfügung steht. Alternativ ist es natürlich auch möglich, die Außenabmessungen des Injektors entsprechend zu verringern.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Hochdruckkanals zwischen dem Aktordruckraum und dem Düsenfederraum ist es auch möglich, beispielsweise den Aktor und den Aktorraum und mit ihm den gesamten Koppler oder Teile des Kopplers versetzt zur Längsachse der Düsennadel anzuordnen, was weitere Vorteile bezüglich der Raumausnutzung mit sich bringt.

Es hat sich in manchen Anwendungsfällen als vorteilhaft erwiesen, wenn der Hochdruckkanal als Drossel ausgebildet wird. Dadurch werden eventuell im Düsennadelsteuerraum auftretende Druckschwingungen gedämpft. Diese Dämpfung verbessert das Betriebsverhalten des Injektor und verhindert beispielsweise ein Prellen der Düsennadel in bestimmten Betriebszuständen. Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Injektor ist weiter, dass der Aktorraum vergleichsweise groß ausgebildet werden kann, so dass sich durch dieses große Volumen auch eine verbesserte Dämpfungswirkung einstellt.

Es hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn der Aktor und der Aktorraum und/oder der Koppler exzentrisch zu der Düsennadel angeordnet sind. Die wesentlichen Vorteile sind die größeren Freiheitsgrade bezüglich der Dimensionierung der einzelnen Bauteile, das verbesserte Betriebsverhalten und der geringere Bauraumbedarf. Dabei sind verschiedene Varianten denkbar, von denen jede die genannten Vorteile aufweist.

Insbesondere ist es möglich, dass die Düsennadel und der Antriebskolben axial versetzt zueinander angeordnet sind.

Des Weiteren kann der Primärkolben konzentrisch zur Düsennadel und exzentrisch in dem Sekundärkolben angeordnet sein, wobei gleichzeitig der Sekundärkolben konzentrisch in dem Antriebskolben angeordnet ist.

Des Weiteren ist es möglich, dass der Primärkolben exzentrisch zur Düsennadel und konzentrisch in dem Sekundärkolben angeordnet ist und dass der Sekundärkolben konzentrisch in dem Antriebskolben angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist an dieser Variante, dass viele Bauteile rotationssymmetrisch ausgebildet sind und demzufolge ihre Herstellung mit hohen Anforderungen an die Rundheit, Rundlauf und die Abmessungen relativ kostengünstig und mit hoher Prozesssicherheit durchgeführt werden können.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der Primärkolben konzentrisch zur Düsennadel und konzentrisch in dem Sekundärkolben angeordnet ist und dass der Sekundärkolben exzentrisch in dem Antriebskolben angeordnet ist. Dadurch wird die Übersetzung zwischen dem Antriebskolben und dem Primärkolben kleiner und somit ist es auch möglich, die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel bei kleinen Hüben derselben zu verringern. Außerdem wird dadurch der Sekundärkolben sicherer in seiner Ausgangsposition gehalten.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Primärkolben im Antriebskolben geführt, so dass die Aktorbewegung auf den Primärkolben 1 : 1 übersetzt wird.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Zeichnungen
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors mit einer Düsennadel und einem Mitnehmerelement;
2a und 2b die Düsennadel gemäß 1 in verschiedenen Seiten- und Draufsichten;
3a und 3b das Mitnehmerelement gemäß 1 in einer Seiten und einer Unteransicht; und
4 zwei Diagramme, welche den Hub- und den Druckverlauf im erfindungsgemäßen Injektor veranschaulichen.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Injektors im Längsschnitt. Der Injektor weist ein insgesamt mit 1 bezeichnetes Injektorgehäuse auf. Das Injektorgehäuse 1 umfasst einen Düsenkörper 3, der mit seinem unteren freien Ende in den Brennraum einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine ragt. Mit seiner oberen, brennraumfernen Stirnfläche ist der Düsenkörper 3 mittels einer nicht dargestellten Spannmutter axial gegen einen Zwischenkörper 5 und einen Injektorkörper 7 verspannt.
In dem Düsenkörper 3 ist eine axiale Führungsbohrung 9 ausgespart. In der Führungsbohrung 9 ist eine Düsennadel 11 axial verschiebbar geführt. An der Spitze der Düsennadel 11 ist eine Dichtkante 13 ausgebildet, die mit einem Dichtsitz beziehungsweise mit einer Dichtfläche 15 des Düsenkörpers 3 zusammenwirkt. Wenn sich die Düsennadel 11 mit ihrer Dichtkante 13 in Anlage an dem Dichtsitz 15 befindet, sind die Spritzlöcher (ohne Bezugszeichen) in dem Düsenkörper 3 verschlossen.
Wenn die Düsennadel von dem Dichtsitz 15 abhebt, dann wird mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff durch die Spritzlöcher in den nicht dargestellten Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
An die Führungsbohrung 9 schließt ein Druckraum 17 an. In diesem Druckraum 17 ist eine kegelstumpfförmige Druckschulter 19 an der Düsennadel 11 ausgebildet.
An den Druckraum 17 schließt ein Düsenfederraum 21 an. In dem Düsenfederraum 21 ist eine Düsenfeder 23 vorgesehen. Diese Düsenfeder 23 stützt sich einenends über eine Einstellscheibe 25 gegen einen von der Druckschulter 19 gebildeten Absatz der Düsennadel 11 ab. Anderenends stützt sich die Düsenfeder 23 gegen eine Hülse 27 ab. Durch die Vorspannkraft der Düsenfeder 23 wird die Hülse 27 dichtend gegen den Zwischenkörper 5 gepresst. Um die Dichtwirkung zu verbessern, kann an der Hülse 27 eine umlaufende Beißkante (ohne Bezugszeichen) vorgesehen sein.
Der Zwischenkörper 5, die Düsennadel 11 und die Hülse 27 begrenzen einen Düsennadelsteuerraum 29. Der Düsenfederraum 21 und mit ihm der Druckraum 17 werden über einen Hochdruckkanal 31 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff aus einem Aktorraum 33 versorgt. In dem Aktorraum 33 ist ein Piezoaktor 35 angeordnet. Der Aktorraum 33 steht über einen nicht dargestellten Kraftstoffzulauf mit einem Common-Rail eines Kraftstoff-Einspritzsystems hydraulisch in Verbindung. An dem in 1 unteren Ende des Piezoaktors 35 ist ein Antriebskolben 37 angeordnet, der dichtend in dem Injektorkörper 7 geführt ist.
In dem Antriebskolben 37 ist ein Sackloch 39 ausgespart. In dem Sackloch 39 ist ein Sekundärkolben 41 aufgenommen. In einer Durchgangsbohrung des Sekundärkolbens 41 ist ein Primärkolben 43 dichtend geführt. Das Sackloch 39 sowie eine erste Stirnseite 45 des Primärkolbens 43 und eine Stirnseite 47 des Sekundärkolbens 41 begrenzen einen Aktordruckraum 49. Zwischen dem Grund der Sacklochbohrung 39 im Antriebskolben 37 ist eine erste Druckfeder 51 eingespannt. Zwischen der ersten Stirnseite 47 des Sekundärkolbens 41 und dem Grund der Sacklochbohrung 39 ist eine zweite Druckfeder 53 eingespannt.
Die erste Druckfeder 51 drückt den Primärkolben 43 gegen den Zwischenkörper 5. Die zweite Druckfeder 53, die hier als Tellerfeder ausgebildet ist, drückt den Sekundärkolben 41 ebenfalls gegen den Zwischenkörper 5.
In dem Primärkolben 43 ist auf der der Düsennadel 11 zugewandten Seite ein Mitnehmerraum 55 ausgespart. In diesen Raum greift ein insgesamt mit 57 bezeichneter Mitnehmerbereich der Düsennadel 11.
Der Mitnehmerbereich 57 weist einen konzentrisch zur Längsachse der Düsennadel 11 verlaufenden Ausgleichskanal 59 auf, der in einer Querbohrung 61 mündet.
Der Mitnehmerbereich 57 durchgreift den Zwischenkörper 5 in einem dort ausgebildeten Kanal 63, der auch als Drosselkanal ausgebildet sein kann, um die Geschwindigkeit der Stellbewegungen der Düsennadel 11 zu beeinflussen.
Der Primärkolben 43 weist auf der dem Antriebskolben 37 gegenüberliegenden Seiten einen Bund 64 auf, der vollständig in einer im Sekundärkolben 41 ausgebildeten gestuften Bohrung 65 aufgenommen ist. Die gestufte Bohrung 65 begrenzt zwischen dem Sekundärkolben 41 und dem Bund 64 des Primärkolbens 43 einen ersten Ringraum 66.
Der Sekundärkolben 41 begrenzt auch einen zweiten Ringraum 67, der zwischen dem Sekundärkolben 41, dem Zwischenkörper 5 sowie dem Injektorkörper 7 und der ringförmigen Stirnfläche (ohne Bezugszeichen) des Antriebskolbens 37 begrenzt ist.
Zwischen dem zweiten Ringraum 67 und dem Hochdruckkanal 31 ist in dem Zwischenkörper 5 eine erste Fülldrossel 69 vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich zur ersten Fülldrossel 69 kann zur fluidischen Verbindung zwischen dem zweiten Ringraum 67 und dem Hochdruckkanal 31 eine zweite Fülldrossel 71 im Injektorkörper 7 angeordnet sein.
In der Hülse 27, welche den Düsennadelsteuerraum 29 begrenzt, ist eine dritte Fülldrossel 73 vorgesehen, während zwischen dem Aktorraum 33 und dem Aktordruckraum 49 eine vierte Fülldrossel 75 vorgesehen ist.
Die Fülldrosseln 69, 71, 73 und 75 dienen einerseits dazu, die Versorgung der nach den Fülldrosseln angeordneten Räume 67, 33, 29 und 49 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff zu gewährleisten und den Ausgleich temperaturbedingter Längenänderungen zu ermöglichen. Andererseits begrenzen die Fülldrosseln die Menge des vom Kraftstoffzulaufs nachströmenden Kraftstoffs, so dass sich durch die Stellbewegungen des Aktors 35 die gewünschten Druckänderungen einstellen, die letztendlich zum Öffnen der Düsennadel 11 und damit zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine führen. Alle beschriebenen Fülldrosseln sind im Ausführungsbeispiel als Bohrungen realisiert, wodurch die Drosselwirkung besonders gut einstellbar ist. Es ist aber auch möglich, zwei Bauteile fluidisch miteinander zu verbinden und eine entsprechende Drosselwirkung zu erzielen, indem zwischen den Bauteilen ein Spalt vorgesehen ist, dessen Maß die Drosselwirkung bestimmt.
Der erfindungsgemäße Injektor arbeitet mit einer sogenannten inversen Ansteuerung. Dies bedeutet, dass bei einer geschlossenen Düsennadel 11 der Piezoaktor 35 bestromt ist und somit seine Länge maximal ist. In 1 ist der Aktor in bestromtem Zustand und die Düsennadel 11 in ihrer Schließstellung dargestellt.
In den 2a, 2b, 3a und 3b sind die Düsennadel 11 und der Primärkolben 43 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Gemäß 2a und 2b weist der Mitnehmerbereich 57 der Düsennadel 11 eine von der Stirnseite des Mitnehmerbereichs 57 beabstandete, zylindrische Schaftfläche 77 auf, die in eine konische Mitnehmerfläche 79 übergeht.
Aus den 2a und 2b ist die Lage und der Verlauf des Ausgleichskanals 59 und der Querbohrung 61 gut ersichtlich.
Der in den 3a und 3b dargestellte Primärkolben 43 weist einen den Mitnehmerraum 55 bildenden Schlitz 83 auf. Der Schlitz 83 ist durch ebene Durchtrittsflächen 81 begrenzt, die von der Schaftfläche 77 des Mitnehmerbereichs 57 der Düsennadel 11 beabstandet ist (vgl. 1). Die Durchtrittsflächen 81 gehen in konische Mitnehmerflächen 85 über, die die komplementären Mitnehmer zu den Mitnehmerflächen 79 des Mitnehmerbereichs 57 der Düsennadel 11 bilden.
Zur Montage der Düsennadel 11 in dem Primärkolben 43 muss lediglich der Mitnehmerbereich 57 seitlich in den Schlitz 83 des Primärkolbens 43 eingeführt werden. Die so gebildete Montageeinheit kann dann in den Sekundärkolben 41 eingeführt werden.
Der erfindungsgemäße Injektor arbeitet wie folgt:
Bei geschlossener Düsennadel 11, das heißt bei bestromtem Aktor 35, herrscht in dem Druckraum 17, dem Düsennadelsteuerraum 29, dem Mitnehmerraum 55, dem zweiten Ringraum 67 und dem Aktordruckraum 49 ebenso wie im Aktorraum 33 der gleiche Druck. Dieser Druck entspricht den im nicht dargestellten Common-Rail herrschenden Druck und ist in 1 mit p_Rail bezeichnet.
Aufgrund des Kräftegleichgewichts und wegen der Vorspannkraft der Düsenfeder 23 wird die Düsennadel 11 auf die Dichtfläche 15 des Düsenkörpers 3 gepresst, so dass die Spritzlöcher (ohne Bezugszeichen) verschlossen sind.
Die erste Druckfeder 51 presst den Primärkolben 43 gegen den Zwischenkörper 5, während der Sekundärkolben 41 mit Hilfe der zweiten Druckfeder 52 gegen den Zwischenkörper 5 gepresst wird.
Wenn nun die Düsennadel 11 geöffnet werden soll, beispielsweise um eine Voreinspritzung zu realisieren, wird der Aktor 35 so angesteuert, dass sich seine Baulänge verringert und infolgedessen der Antriebskolben 37 geringfügig in 1 nach oben wandert. Wegen der Bewegung des Antriebskolbens 37 in 1 nach oben und weil durch die vierte Fülldrossel 75 ein Druckausgleich zwischen dem Aktorraum 33 und dem Aktordruckraum 49 nur mit zeitlicher Verzögerung möglich ist, sinkt der Druck im Aktordruckraum 49 kurzzeitig ab. Infolgedessen verringert sich die auf die erste Stirnseite 45 des Primärkolbens 43 wirkende hydraulische Kraft, während die auf den Grund des Mitnehmerraums 55 gerichtete Kraft konstant bleibt. Diese Kraft bleibt deshalb konstant, weil im Mitnehmerraum 55 nach wie vor der Druck p_Rail herrscht. Sobald der Druck im Aktordruckraum 49 so weit abgesunken ist, dass die auf den Grund des Mitnehmerraums 55 wirkende hydraulische Kraft größer ist als die auf die erste Stirnseite 45 des Primärkolbens 43 wirkende hydraulische Kraft und die Kraft der ersten Druckfeder 51, hebt der Primärkolben 43 mit seinem Bund 64 vom Zwischenkörper 5 ab.
Bei genügend hohem Hub des Primärkolbens 43 gelangen die am Primärkolben 43 ausgebildeten Mitnehmerflächen 85 (vgl. 3a) in Anlage mit den am Mitnehmer 57 der Düsennadel 11 ausgebildeten Mitnehmerflächen 85 (vgl. 2a). Bei weiterem Hub des Primärkolbens 43 wird die Düsennadel 11 dann von der Dichtfläche 15 wegbewegt, so dass Kraftstoff in einen angrenzenden Brennraum eingespritzt werden kann.
Zur Beendigung dieser Voreinspritzung wird der Aktor 35 wieder voll bestromt, so dass der Antriebskolben 37 in 1 wieder in die in 1 dargestellte unterste Position wandert und infolgedessen auch der Primärkolben 43 wieder in Richtung auf den Zwischenkörper 5 wandert. Dadurch und wegen des auf die dritte Fülldrossel 73 nachgeströmten Kraftstoffs erhöht sich infolgedessen auch der Druck im Düsennadelsteuerraum 29 wieder auf den Druck P_Rail, so dass die Düsennadel 11 in an sich bekannter Weise wieder schließt.
Wenn nun beispielsweise eine Haupteinspritzung vorgenommen werden soll und ein großer Hub der Düsennadel 11 erreicht werden soll, wird die Bestromung des Aktors 35 deutlich stärker reduziert, so dass der Antriebskolben 37 einen größeren Hub ausführt. Infolgedessen findet auch eine stärkere Absenkung des Drucks im Aktordruckraum 49 statt. Diese stärkere Druckabsenkung führt zunächst dazu, dass in der bereits beschriebenen Weise der Primärkolben 43 vom Zwischenkörper 5 abhebt. Sobald der Bund 64 des Primärkolbens 43 in Anlage mit der Stufe der Bohrung 65 gelangt, sind die Bewegungen von Primärkolben 43 und von Sekundärkolben 41 miteinander gekoppelt. Dies bedeutet, dass sich nunmehr sowohl der Primärkolben 43 als auch der Sekundärkolben 41 gegen die Vorspannkräfte der ersten Druckfeder 51 und der zweiten Druckfeder 53 in Richtung des Aktors 35 bewegen. Diese Bewegung wird, wie bereits erwähnt, durch die Druckabsenkung im Aktordruckraum 49 verursacht.
Sobald die Bewegungen des Primärkolbens 43 und des Sekundärkolbens 41 über den Bund 64 miteinander gekoppelt sind, ändert sich das Übersetzungsverhältnis des erfindungsgemäßen Kopplers. Nunmehr ist es nämlich so, dass der Hub des Antriebskolbens 37 in einen Hub sowohl des Primärkolbens 43 als auch Sekundärkolbens 41 umgesetzt wird. Dies bedeutet, dass die Volumenänderung des Mitnehmerraums 55, die aus dem Hub des Primärkolbens 43 und des Sekundärkolbens 41 resultiert, sehr viel größer ist, als wenn sich nur der Primärkolben 43 bewegt. Infolgedessen sinkt auch der Druck im Mitnehmerraum 55 und im Düsennadelsteuerraum 29 stärker ab, so dass sich erstens eine schnellere Öffnungsbewegung der Düsennadel 11 einstellt und zweitens größere Hübe der Düsennadel 11 realisiert werden können.
Es versteht sich, dass die Dynamik des Öffnungsvorgangs der Düsennadel 11 und des Schließvorgangs der Düsennadel 11 durch die geeignete Abstimmung beispielsweise der Fülldrosseln 73, 69, 71 und 75 beeinflusst werden kann.
Wenn die Düsennadel 11 wieder geschlossen werden soll, wird der Aktor 35 wieder bestromt, so dass sich der Antriebskolben 37 in Richtung der Düsennadel 11 bewegt und dabei den Primärkolben 43 und den Sekundärkolben 41 ebenfalls in Richtung der Düsennadel 11 bewegt, bis diese am Zwischenkörper 5 in Anlage gekommen sind. Dabei steigt der Druck im Düsennadelsteuerraum 29 an und die Düsennadel 11 schließt.
In 4 sind zwei Diagramme untereinander dargestellt, anhand derer sich das Betriebsverhalten des erfindungsgemäßen Injektors ebenfalls erläutern lässt. In dem oberen Diagramm ist auf der Y-Achse der Hub aufgetragen, während in dem darunter liegenden Diagramm auf der Y-Achse der Druck aufgetragen ist. Die X-Achse ist in beiden Fällen als Zeitachse ausgebildet. Alle Hub- und Druckverläufe sind schematisch dargestellt.
Beide Diagramme von 4 sind jeweils in einen ersten Abschnitt A₁ und in einen zweiten Abschnitt A₂ unterteilt. Im ersten Abschnitt A₁ ist lediglich der Primärkolben 43 aktiv, während im zweiten Abschnitt A₂ sowohl der Primärkolben 43 als auch der Sekundärkolben 41 aktiv sind.
Im oberen Diagramm von 4 ist der Hub des Antriebskolbens 37 als Ursprungsgerade H37 eingetragen.
Eine zweite, dem Primärkolben 43 zugeordnete Ursprungsgerade H43 verdeutlicht, dass eine Kopplung zwischen dem Hub des Antriebskolbens 37 und dem Hub des Primärkolbens 43 besteht. Wie sich aus der Betrachtung der beiden Ursprungsgeraden H37 und H43 ergibt, ist das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebskolben 37 und dem Primärkolben 43 über den gesamten Hub konstant.
Der daraus resultierende Hub der Düsennadel 11 ist durch eine dritte Linie H11 dargestellt. Im ersten Abschnitt A₁ folgt der Hub der Düsennadel 11 mit einer gewissen Verzögerung dem Hub des Antriebskolbens 37 beziehungsweise des Primärkolbens 43. Im ersten Abschnitt A₁ ist der Hub H41 des Sekundärkolbens 41 gleich null.
Am Übergang zwischen dem ersten Abschnitt A₁ und dem zweiten Abschnitt A₂ beginnt der Sekundärkolben 41 sich zu bewegen, so dass der Hub H41 den in 4 dargestellten Verlauf hat. Aus dem Verlauf des Hubs H11 ist das zweistufige Übersetzungsverhältnis des Kopplers gut erkennbar.
In dem unteren Teil von 4 sind die Druckverläufe schematisch dargestellt.
Der Druck im Aktordruckraum 49 ist in 4 als p49 gestellt. Der Verlauf des Drucks im Mitnehmerraum 55 weist einen Knick am Übergang zwischen dem ersten Abschnitt A₁ und dem zweiten Abschnitt A₂ auf. Dieser Druckverlauf ist in 4 mit der Bezeichnung p55 bezeichnet. Der Druck p29 im Düsennadelsteuerraum 29 weist einen qualitativ ähnlichen Verlauf wie der Druck p55 auf. Die Druckdifferenz wird durch die Drosselwirkung des Kanals 63 verursacht. Der Druckverlauf im zweiten Ringraum 67 Druckverlauf ist im unteren Teil von 4 dargestellt und mit p67 bezeichnet. Dabei fällt auf, dass der Druck p67 im ersten Abschnitt A₁ vergleichsweise stark abfällt, am Übergang vom ersten Abschnitt A₁ zum zweiten Abschnitt A₂ einen Anstieg erfährt und danach mit einer flacheren Steigung als im ersten Abschnitt weiter sinkt.

Claims

Injektor mit einem Injektorgehäuse (1), das einen Kraftstoffzulauf aufweist, mit einem Antriebskolben (37), wobei der Antriebskolben (37) von einem Aktor betätigt wird und wobei der Antriebskolben (37) einen Aktordruckraum (49) begrenzt, mit einer Düsennadel (11), deren eines Ende einen Düsennadelsteuerraum (29) begrenzt, wobei fluidisch zwischen dem Aktordruckraum (49) und dem Düsennadelsteuerraum (29) ein Koppler vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppler ein Kolbenelement (43) aufweist, an dem mindestens ein Mitnehmer (85) angeordnet ist, über den die Düsennadel (11) mechanisch mit dem Kolbenelement (43) koppelbar ist.
Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Düsennadel (11) mindestens ein zum Mitnehmer (85) des Kolbenelements (43) komplementärer Mitnehmer (79) vorgesehen ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Mitnehmer (79, 85) des Kolbenelements (43) oder der Düsennadel (11) zumindest abschnittsweise konisch ist bzw. sind.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (43) einen Schlitz (83) aufweist, dessen Wandung den oder die Mitnehmer (85) des Kolbenelements (43) bildet.
Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schlitz (83) der oder die Mitnehmer (79) der Düsennadel (11) aufgenommen ist bzw. sind.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Düsennadel (11) mindestens eine Bohrung (59, 61) vorgesehen ist, deren mindestens eine Mündung benachbart zu mindestens einem Mitnehmer (79, 85) der Düsennadel (11) und/oder des Kolbenelements (43) angeordnet ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppler einen Sekundärkolben (41) aufweist, dass der Sekundärkolben (41) in einem Sackloch (39) des Antriebskolbens (37) geführt ist, und dass das Kolbenelement einen Primärkolben bildet, der in einer Durchgangsbohrung des Sekundärkolbens (41) geführt ist.
Injektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sackloch (39) des Antriebskolbens (37) sowie eine erste Stirnseite (45) des Primärkolbens (43) und eine erste Stirnseite (47) des Sekundärkolbens (41) den Aktordruckraum (49) begrenzen.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Aktordruckraum (49) und dem Kraftstoffzulauf eine vierte Fülldrossel (75) vorgesehen ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Grund des Sacklochs (39) und der ersten Stirnseite (45) des Primärkolbens (43) eine erste Druckfeder (51) eingespannt ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Grund des Sacklochs (39) und der ersten Stirnseite (47) des Sekundärkolbens (41) eine zweite Druckfeder (53) eingespannt ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Stirnseite (59) des Primärkolbens (43) und das Injektorgehäuse (1) einen Vorraum (61) begrenzen, und dass der Vorraum (61) mit dem Düsennadelsteuerraum (29) hydraulisch verbunden ist.
Injektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Vorraum (61) und dem Düsennadelsteuerraum (29) eine Kopplerdrossel vorgesehen ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sekundärkolben (41) und dem Primärkolben (43) ein erster Ringraum (66) ausgebildet ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem über den Antriebskolben (37) hinausragenden Teil des Sekundärkolbens (41) und dem Injektorgehäuse (1) ein zweiter Ringraum (67) ausgebildet ist.
Injektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Ringraum (67) und dem Kraftstoffzulauf eine erste Fülldrossel (69) und/oder eine zweite Fülldrossel (71) vorgesehen ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsennadelsteuerraum (29) in radialer Richtung von einer Hülse (27) begrenzt ist.
Injektor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hülse (27) eine dritte Fülldrossel (73) vorgesehen ist.
Injektor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hülse (27) und der Düsennadel (11) eine Düsenfeder (23) eingespannt ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (11) und das Injektorgehäuse (1) einen Druckraum (17) begrenzen.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenfeder (23) in einem Düsenfederraum (21) des Injektorgehäuses (1) angeordnet ist, und dass der Düsenfederraum (21) und der Druckraum (17) hydraulisch miteinander in Verbindung stehen.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffzulauf in einen Aktorraum (33) mündet, und dass ein Hochdruckkanal (31) den Aktorraum (33) und den Düsenfederraum (21) verbindet.
Injektor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckkanal (31) als Drossel ausgebildet ist.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsennadel (11) und der Antriebskolben (37) axial versetzt zueinander angeordnet sind.
Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (35) ein Piezo-Aktor ist.