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Stand der
Technik
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EP 0 995 901 A1 bezieht
sich auf einen Kraftstoffinjektor. Der Kraftstoffinjektor umfasst
einen Kraftstoffeinlass, über
welchen unter hohem Druck stehender Kraftstoff dem Kraftstoffinjektor
zuströmt. Ferner
ist am Kraftstoffinjektor ein Auslass vorgesehen sowie ein zwischen
dem Einlass und dem Auslass vorgesehenes Volumen. Innerhalb dieses
Volumens ist ein Piezoaktor eingelassen, der einen Steuerkolben
beaufschlagt, über
dessen Vertikalbewegung der Kraftstoffdruck innerhalb eines Steuerraums
beeinflusst wird. Der aus
EP
0 995 901 A1 bekannte Kraftstoffinjektor ist relativ langbauend,
was nicht zuletzt der Ausbildung des Betätigungsorgans als Piezoaktor
in Gestalt eines Stapels von einer Vielzahl übereinander geschichteter Piezokristalle
geschuldet ist.
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DE 103 33 427 B3 bezieht
sich auf eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung
umfasst ein Einspritzventil, welches eine Ventilnadel zum Öffnen und
Schließen
von Einspritzöffnungen
aufweist. Dem Einspritzventil wird bei Betrieb unter hohem Druck
stehender Kraftstoff über eine
Leitung zugeführt.
Im Kraftstoffinjektor ist ferner ein Aktor vorgesehen sowie ein
hydraulischer Koppler, der zwei mit einem Kopplervolumen des Kopplers zusammenwirkende,
linear hintereinander angeordnete Kolben aufweist. Das Kopplervolumen
wird über die
Führungsspalte
der hintereinander liegend angeordneten Kolben befüllt, wozu
unter hohem Druck stehender Kraftstoff verwendet wird. An den dem
Aktor abgewandten Enden der Kolben befindet sich je ein Füllraum,
der mit der unter hohem Druck stehenden Kraftstoff führenden
Leitung verbunden ist. Ferner ist einer der beiden hintereinander
angeordneten Kolben mit einer Querschnittsfläche mit dem Aktor über eine
Stange verbunden, während
der andere der beiden hintereinander geführten Kolben eine Querschnittsfläche aufweist,
die über
eine Stange mit einer gegenüber
dieser Querschnittsfläche
kleiner ausgeführten
Querschnittsfläche
mit der Ventilnadel fest verbunden ist. Die beiden anderen Enden
der Kolben greifen in zugeordnete Übersetzerräume ein, die miteinander über einen
Kanal verbunden sind.
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Offenbarung
der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einsatz eines
zwar schnelle Schaltzeiten erlaubenden, jedoch relativ langbauenden
Piezoaktors zu vermeiden und einen Kraftstoffinjektor, der eine
direkte Steuerung des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes
erlaubt, bereitzustellen, der mit einem Servo-Magnet-Steller ansteuerbar
ist.
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Gemäß der vorliegenden
Lösung
ist im Injektorkörper
des Kraftstoffinjektors ein Ventilstück aufgenommen, in welchem
eine Druckstange verschieblich geführt ist. An der Druckstange
ist ein Servoventilkörper
ausgebildet. Die im Ventilstück
verschieblich gelagerte Druckstange hat zum einen die Funktion der
Steuerung eines Servoventils und andererseits die Funktionalität einer
Druckabsenkung in einem das bevorzugt nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied
betätigenden
Steuerraum. Im Injektorkörper
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors ist parallelliegend zum Servoventil ein hydraulischer
Koppler vorgesehen, dessen Primärseite hydraulisch
mit einem Hohlraum im Injektorkörper
in Verbindung steht, der mit Systemdruck beaufschlagt ist. Die Sekundärseite des
hydraulischen Kopplers hingegen steht mit einem in einem Düsenkörper ausgebildeten
Düsenraum
hydraulisch in Verbindung. Zwischen der Sekundärseite des hydraulischen Kopplers
und dem Düsenraum
im Düsenkörper verläuft ein Überströmkanal, über den
der Düsenraum mit
unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt wird, wenn das
bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied öffnet. Während auf der Primärseite des
hydraulischen Kopplers Systemdruck, d. h. das im Hochdruckspeicher
anliegende Druckniveau, herrscht, liegt im Sekundärraum des hydraulischen
Kopplers ein entsprechend des Übersetzungsverhältnisses
des hydraulischen Kopplers erhöhtes, über Systemdruck
liegendes Druckniveau vor, was am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors
anliegt.
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Das
erhöhte
Druckniveau auf der Sekundärseite
des hydraulischen Kopplers wird dadurch erreicht, dass zu dem Zeitpunkt,
an dem der Servoventilkörper
der Druckstange öffnet,
ein hydraulischer Steuerraum des hydraulischen Kopplers druckentlastet
wird, so dass es zur Druckerhöhung
zwischen der Primärseite
und der Sekundärseite
des hydraulischen Kopplers kommt, was immer dann eintritt, sobald
eine Einspritzung vorgenommen wird.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Die
Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch
den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektor.
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Ausführungsbeispiele
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Ein
Kraftstoffinjektor 10 gemäß der Zeichnung umfasst einen
Injektorkörper 12 sowie
einen Düsenkörper 14.
Am Injektorkörper 12 befindet
sich ein Hochdruckzulauf 16, über welchen der Kraftstoffinjektor 10 mittels
einer Hochdruckleitung mit einem nicht dargestellten Hochdruckspeicher
(Common-Rail) eines Hochdruckspeichereinspritzsystems zur Kraftstoffversorgung
einer Verbrennungskraftmaschine verbunden ist. Im Hochdruckzulauf 16 ist
ein Hochdruckkanal ausgebildet, der oberhalb eines im Injektorkörper 12 ausgebildeten
Druckraumes 18 mündet.
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Im
Injektorkörper 12 des
Kraftstoffinjektors 10 ist ein Ventilstück 20 angeordnet.
Oberhalb des Ventilstücks 20 befindet
sich im Kraftstoffinjektor 10 ein magnetischer Steller 22,
bei dem es sich vorzugsweise um einen Elektromagneten handelt. Der
magnetische Steller 22 umfasst eine Magnetspule 24,
die über
in der Zeichnung nicht näher
dargestellte elektrische Kontakte bestromt werden kann. Von der
Magnetspule 24 des magnetischen Stellers 22 ist
eine Schließfeder 26 umschlossen,
die sich an einem Deckel 28 abstützt. Der Deckel 28 ist
mittels einer Überwurfmutter 30 am
Injektorkörper 12 befestigt.
Im Deckel 28 ist darüber
hinaus ein Niederdruckablauf 32 aufgenommen.
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Der
Magnetspule 24 des magnetischen Stellers 22 gegenüberliegend
befindet sich eine Ankerplatte 34, die an einem Ankerbolzen 36 aufgenommen
ist. Am Ankerbolzen 36, der von einem Hohlraum 38 umgeben
ist, befindet sich eine Schließelementaufnahme
zur Aufnahme eines in der Zeichnung kugelförmig dargestellten Schließelementes 42.
Vom Hohlraum 38, in dem sowohl der Ankerbolzen 36 als auch
die mit diesem gefügte
Ankerplatte 34 aufgenommen sind, erstreckt sich ein Leckölablauf 40 durch
den Injektorkörper 12.
Das Schließelement 42 öffnet oder
verschließt
eine im Ventilstück 20 vorgesehene
Ablaufdrossel 44. Durch die Ablaufdrossel 44 kann
ein ebenfalls im Ventilstück 20 ausgebildeter Servosteuerraum 46 druckentlastet
werden. Der Servosteuerraum 46 wird durch eine im Ventilstück 20 ausgebildete
erste Zulaufdrossel 48 mit unter Systemdruck stehenden
Kraftstoff versorgt. An der Außenseite
des Ventilstücks 20 oder
auch an der dem Ventilstück 20 gegenüberliegenden
Innenseite des Injektorkörpers 12 sind
Zulaufkanäle 50 ausgebildet, die
bevorzugt als Längsnuten
ausgeführt
sind, so dass der über
den Hochdruckzulauf 16 zuströmende Kraftstoff in den Druckraum 18 im
Inneren des Injektorkörpers 12 gelangt.
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Darüber hinaus
ist im Ventilstück 20 eine Druckstange 52 aufgenommen.
Die Druckstange ragt mit einer Stirnseite 110 in den Servosteuerraum 46 hinein
und ist relativ zum Ventilstück 20 in
vertikale Richtung bewegbar. Darüber
hinaus bildet die Druckstange 52 mit einer Ausnehmung im
Injektorkörper 12 ein
Servoventil 54. Dazu ist an dem brennraumseitigen Ende
der Druckstange 52 an dieser ein Servoventilkörper 56 ausgebildet
und am Injektorkörper 12 ein
entsprechender Sitz 98 des Servoventiles 54.
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Neben
dem Servoventil 54 im Injektorkörper 12 ist in diesem
ein hydraulischer Koppler 58 aufgenommen. Vom Druckraum 18 im
Injektorkörper 12 verläuft ein
hydraulischer Raum, welcher eine Primärseite 60 des hydraulischen
Kopplers 58 darstellt. Eine Sekundärseite 62 des hydraulischen
Kopplers 58 ist durch einen ebenfalls im Injektorkörper 12 ausgebildeten
weiteren hydraulischen Raum dargestellt. Der hydraulische Koppler 58 umfasst
einen Kopplerkolben 64, dessen obere Stirnseite die Primärseite 60 des
hydraulischen Kopplers 58 bildet und dessen untere Stirnseite
die Sekundärseite 62 des
hydraulischen Kopplers 58 bildet. Im Kopplerkolben 64 ist
ein Befüllventil 65 aufgenommen,
welches einen Befüllkanal 61 bei
Druckentlastung eines Kopplerraumes 66 verschließt und diesen
Befüllkanal 61 bei
Druckerhöhung
im Kopplerraum 66 öffnet.
Im Kopplerkolben 64 ist darüber hinaus eine zweite Zulaufdrossel 74 ausgebildet, über welche
der Befüllkanal 61 und
der den Kopplerkolben 64 umgebende Kopplerraum 66 hydraulisch
miteinander verbunden sind. Des Weiteren ist im Kopplerraum 66 eine
Kopplerkolbenfeder 68 aufgenommen. Vom Kopplerraum 66 zweigt
ein erster Überströmkanal 70 ab,
der im Bereich der Ausnehmung im Injektorkörper 12 mündet, in
welchem der Sitz 98 des Servoventils 54 ausgebildet
ist. Vom hydraulischen Raum, der die Sekundärseite 62 des hydraulischen
Kopplers 58 bildet, verläuft ein zweiter Überströmkanal 72,
der in einem Hohlraum oberhalb einer Dämpferscheibe 82 mündet.
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Am
brennraumseitigen Ende des Servoventilkörpers 56 befindet
sich ein erster Steuerraum 80, der durch eine erste Steuerraumhülse 78 begrenzt wird,
die ihrerseits von einem ersten Federelement 76, das sich
am Injektorkörper 12 abstützt, federbeaufschlagt
ist. Die erste Steuerraumhülse 78 stützt sich
mit ihrer Beißkante
an einer ersten Planseite 112 der Dämpferscheibe 82 ab.
In der Dämpferscheibe 82 verläuft eine
Dämpferbohrung 84,
die den ersten Steuerraum 80 oberhalb der Dämpferscheibe 82 mit einem
weiteren zweiten Steuerraum 86 verbindet. Darüber hinaus
sind in der Dämpferscheibe 82 Bohrungen 88 ausgebildet, über welche
der aus dem zweiten Überströmkanal 72 austretende
Kraftstoff einem Düsenraum 90 im
Düsenkörper 14 zuströmt.
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Der
zweite Steuerraum 86, der über den Dämpferkanal 84 mit
dem ersten Steuerraum 80 hydraulisch verbinden ist, wird
durch eine zweite Steuerraumhülse 92 begrenzt,
die ihrer seits von einem zweiten Federelement 94 vorgespannt
ist, welches sich am bevorzugt nadelförmig ausgebildeten, kurzbauenden
Einspritzventilglied 96 abstützt. Das zweite Federelement 94 und
die zweite Steuerraumhülse 92 befinden
sich im Düsenraum 90 des
Düsenkörpers 14.
Das zweite Federelement 94 stellt die zweite Steuerraumhülse 92 an
eine zweite Planseite 114 der Dämpferscheibe 82 an.
Vom Düsenraum 90 des
Düsenkörpers 14 verläuft ein
Ringspalt 100 zum Düsenkörper 14,
der sich, einen Hohlraum zwischen der Innenwand des Düsenkörpers 14 und
dem Außenumfang
des bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes 96 bildend, zur Spitze 104 des
Einspritzventilgliedes 96 erstreckt. Das Einspritzventilglied 96 verschließt, wenn
es in seinen Sitz 102 gestellt ist, Einspritzöffnungen 106,
die in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine münden. Der Vollständigkeit
halber sei erwähnt,
dass eine Stirnseite 108 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilglieds 96 in den zweiten Steuerraum 86 hineinragt.
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Die
Funktionsweise des in der Zeichnung dargestellten Kraftstoffinjektors
stellt sich wie folgt dar:
Unter Systemdruck stehender Kraftstoff
strömt
dem Druckraum 18 im Injektorkörper 12 über den
Hochdruckzulauf 16 zu. Der unter Systemdruck stehende Kraftstoff
passiert dazu die Zulaufkanäle 50,
die entweder an der Außenumfangsfläche des
Ventilstücks 20 ausgebildet
sein können
oder an der diesem gegenüberliegenden
Innenseite des Injektorkörpers 12 des
Kraftstoffinjektors 10. Der Servosteuerraum 46 wird über die
erste Zulaufdrossel 48 im Ventilstück 20 befüllt. Eine
Befüllung
des Kopplerraums 66 erfolgt vom Hohlraum 18 über die
Primärseite 60,
den Befüllkanal 61 und
die zweite Zulaufdrossel 74. Ist der Servoventilkörper 56 in
seinen Sitz 98 im Injektorkörper 12 gestellt,
so ist der erste Überströmkanal 70 zwischen
der Ausnehmung im Injektorkörper 12 und dem
Kopplerraum 66 geschlossen. Ferner wird der die Sekundärseite 62 des
hydraulischen Kopplers 58 bildende hydraulische Raum über den
Befüllkanal 61 befüllt. Von
diesem hydraulischen Raum auf der Sekundärseite 62 strömt über den
zweiten Überströmkanal 72,
die Bohrungen 88 in der Dämpferscheibe 82 unter
Systemdruck stehender Kraftstoff in den Düsenraum 90 im Düsenkörper 14 ein
und von dort über den
Ringspalt 100 dem brennraumseitigen Sitz 102 des
bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes 96 zu. Solange dieses
in den Sitz 102 gestellt ist, wird kein Kraftstoff in den
Brennraum eingespritzt.
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Wird
der magnetische Steller 22 bestromt, so wird die Ankerplatte 34 samt
Ankerbolzen 36 angezogen und die Ablaufdrossel 44 im
Ventilstück 20 geöffnet. Aus
dem Servosteuerraum 46 strömt ein Steuervolumen ab, der
Druck sinkt und die Stirnseite 110 der Druckstange 52 fährt in den
Servosteuerraum 46 auf. Gleichzeitig wird der Servoventilkörper 56 des Servoventiles 54 aus
seinem Sitz 98 im Injektorkörper 12 bewegt, so dass
der erste Überströmkanal 70 im
Kopplerraum 66 mit dem Leckölablauf 40 verbunden
wird. Dadurch strömt
aus dem Kopplerraum 66 des hydraulischen Kopplers 58 ein
Steuervolumen ab. Dadurch bewegt sich der auf der Primärseite 60 mit
Systemdruck beaufschlagte Kopplerkolben 64 entgegen der
Wirkung der Kopplerkolbenfeder 68 in den Kopplerraum 66 hinein,
und das im hydraulischen Raum auf der Sekundärseite 62 des hydraulischen
Kopplers 58 vorhandene Kraftstoffvolumen wird komprimiert,
so dass dessen Druck erheblich über
das Systemdruckniveau ansteigt. Der unter erhöhtem Druck stehende Kraftstoff
strömt über den zweiten Überströmkanal 72,
die Bohrungen 88 in der Dämpferscheibe 82 dem
Düsenraum 90 zu.
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Gleichzeitig
mit dem Öffnen
des Sitzes 98 durch den Servoventilkörper 56 fährt auch
die untere Stirnseite des Servoventilkörpers 56 aus dem ersten Steuerraum 80 aus,
der ebenfalls druckentlastet wird. Bei Druckentlastung des ersten
Steuerraumes 80 erfolgt zwangsläufig eine Druckentlastung des zweiten
Steuerraums 86, da die beiden Steuerräume 80 und 86 über den
Dämpferkanal 84 hydraulisch miteinander
in Verbindung stehen. Bei Druckentlastung des zweiten Steuerraumes 86 fährt die
Stirnseite 108 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 96 in
den zweiten Steuerraum 86 ein, so dass das Einspritzventilglied 96 aus
seinem Sitz 102 bewegt wird und die Einspritzöffnungen 106 freigibt. Über die
geöffneten
Einspritzöffnungen 106 wird
nun unter erhöhtem
Druck stehender Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt.
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Wird
der Einspritzvorgang beendet, so wird die Bestromung der Magnetspule 24 des
magnetischen Stellers 22 aufgehoben. Die Ankerplatte 34 und
der Ankerbolzen 36 werden durch die Schließfeder 26 nach
unten bewegt, so dass das in der Zeichnung dargestellte kugelförmig ausgebildete
Schließelement 42 die
Ablaufdrossel 44 im Ventilstück 20 verschließt. Dadurch
steigt der Druck im Servosteuerraum 46 und die Druckstange 52 wird
aufgrund des Druckanstiegs in vertikaler Richtung nach unten bewegt.
Der an der Druckstange 52 ausgebildete Servoventilkörper 56 verschließt den Sitz 98.
Dadurch ist die Verbindung zwischen dem Kopplerraum 66 des hydraulischen
Kopplers 58 und der Leckölleitung 40 unterbrochen,
so dass der Druck im Kopplerraum 66 durch den Befüllkanal 61 und
die zweite Zulaufdrossel 74 wieder ansteigt. Der Kopplerkolben 64 fährt durch
die Kopplerkolbenfeder 68 unterstützt und aufgrund des Druckanstiegs
im Kopplerraum 66 wieder in seine Ruhestellung, bis ein
Druckgleichgewicht zwischen der Primärseite 60 und der
Sekundärseite 62 des
hydraulischen Kopplers 58 hergestellt ist. Die an der Sekundärseite 62 des
Kopplerkolbens 64 vorliegende Druckerhöhung wird somit aufgehoben.
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Beim
Schließen
des Sitzes 98 im Injektorkörper 12 durch Einfahren
des Servoventilkörpers 56 in diesen
fährt gleichzeitig
die untere Stirnseite des Servoventilkörpers 56 in den ersten Steuerraum 80 ein, so
dass dort der Druck ansteigt. Der Druckanstieg, der sich im ersten
Steuerraum 80 einstellt, wirkt über den Dämpferkanal 84 auch
im zweiten Steuerraum 86, so dass dort ebenfalls ein entsprechender Druckanstieg
erfolgt. Aufgrund des Druckanstieges im zweiten Steuerraum 86 wird
die Stirnseite 108 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 96 beaufschlagt
und das Einspritzventilglied 96 in seinen Sitz 102 am
brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 14 gestellt.
Dadurch werden die Einspritzöffnungen 106 verschlossen,
so dass nunmehr kein Kraftstoff mehr in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine
eingespritzt werden kann.