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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 9.
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Stand der
Technik
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Bei
herkömmlichen
Kraftstoffinjektoren ist der hydraulische Koppler vollständig mit
Hochdruck beaufschlagt.
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Offenbarung
der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Herstellkosten für einen Kraftstoffinjektor
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 zu reduzieren.
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Die
Aufgabe ist bei einem Kraftstoffinjektor mit einem Injektorgehäuse, das
einen Kraftstoffhochdruckzulauf aufweist, der mit einer zentralen
Kraftstoffhochdruckquelle außerhalb
des Injektorgehäuses
und mit einem Druckraum innerhalb des Injektorgehäuses in
Verbindung steht, aus dem mit Hochdruck beaufschlagter Kraftstoff
in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wenn eine
Düsennadel öffnet, die
durch einen hydraulischen Koppler, der mindestens einen mit Hochdruck beaufschlagten
Kopplungsraum aufweist, mit einem Aktor gekoppelt ist, dadurch gelöst, dass
der Kopplungsraum mit einem Druckentlastungsraum in Verbindung steht.
Bei dem Aktor handelt es sich vorzugsweise um einen Piezoaktor.
Der hydraulische Koppler dient dazu, den Hub und/oder die Kraft
des Aktors zu übersetzen.
Der Druckentlastungsraum ist drucklos oder weist einen Druck auf,
der auch als Niederdruck bezeichnet wird und deutlich geringer als
der Hochdruck ist. Durch die Anbindung an den Druckentlastungsraum
wird das Druckniveau in dem Kopplungsraum vorzugsweise bis nahe
an den Öffnungsdruck
der Düsennadel
gezielt abgesenkt. Das liefert den Vorteil, dass die Länge des
Aktors um 20 bis 30 Prozent reduziert werden kann. Dadurch kann die
gesamte Baulänge
des Injektors verringert werden.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffinjektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsraum
von einem Kopplerkolben begrenzt ist, der mechanisch mit dem Aktor
gekoppelt ist. Auf der gegenüberliegenden
Seite wird der Kopplungsraum von dem brennraumfernen Ende der Düsennadel
begrenzt. Der Kopplungsraum kann auch in mehrere Kopplungsräume unterteilt
sein, die miteinander in Verbindung stehen und auch als Teilkopplungsräume bezeichnet
werden.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffinjektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor
und der Kopplerkolben in einem Aktorraum angeordnet sind, der mit
dem Druckentlastungsraum in Verbindung steht. Das liefert den Vorteil,
dass der Aktor nicht hochdruckfest ausgelegt werden muss.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffinjektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsraum
von einer Kopplungsraumbegrenzungshülse begrenzt ist, die an dem brennraumnahen
Ende des Kopplerkolbens geführt ist.
Die Kopplungsraumbegrenzungshülse
ist vorzugsweise durch eine Federeinrichtung gegen ein Teil des
Injektorgehäuses
vorgespannt.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffinjektors ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen
dem Kopplerkolben und der Kopplungsraumbegrenzungshülse ein
definiertes Führungsspiel
vorgesehen ist. Dadurch wird auf einfache Art und Weise eine gezielte
Druckabsenkung in dem Kopplungsraum ermöglicht. Zum gleichen Zweck
kann die Kopplungsraumbegrenzungshülse oder der Kopplerkolben
auch mit einem Druckentlastungskanal ausgestattet sein, der eine
Drossel aufweist und in den Aktorraum mündet.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffinjektors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsraum
mit einem weiteren Kopplungsraum in Verbindung steht, der von dem brennraumfernen
Ende der Düsennadel
begrenzt ist. Der weitere Kopplungsraum wird vorzugsweise von einer Düsennadelhülse begrenzt,
die an dem brennraumfernen Ende der Düsennadel geführt ist.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffinjektors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung
zwischen den Kopplungsräumen
mit einer Drossel ausgestattet ist. Über die Drossel kann die Öffnungsbewegung
der Düsennadel
gezielt beeinflusst werden.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Kraftstoffinjektors ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem
Injektorgehäuse
ein Hochdruckkanal ausgespart ist, durch den mit Hochdruck beaufschlagter
Kraftstoff in den Druckraum gelangt. Bei dem Hochdruckkanal handelt
es sich zum Beispiel um eine Bohrung, die parallel zu dem Aktorraum
verläuft.
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Bei
einem Verfahren zum Einspritzen von mit Hochdruck beaufschlagtem
Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem
vorab beschriebenen Kraftstoffinjektor, ist die oben bezeichnete
Aufgabe dadurch gelöst,
dass das Druckniveau in dem Kopplungsraum gezielt abgesenkt wird,
bevor der Aktor seine Wirkung entfaltet. Der Einspritzvorgang umfasst
eine erste Phase, in welcher der Druck in dem Kopplungsraum abgesenkt
wird, und eine zweite Phase, in welcher die Düsennadel öffnet. Um den Druckabfall in
dem Kopplungsraum zu erzeugen, werden bei herkömmlichen Injektoren circa 20
bis 30 Prozent des Aktorhubs benötigt.
Sobald der Öffnungsdruck
erreicht ist, öffnet
die Düsennadel.
Durch die gezielte, dauerhafte Absenkung des Druck niveaus in dem
Kopplungsraum verringert sich der benötigte Aktorhub.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Druckniveau
in dem Kopplungsraum bis nahe an den Öffnungsdruck der Düsennadel
abgesenkt wird.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
vereinfachte, ausschnittsweise Darstellung eines Kraftstoffinjektors
im Längsschnitt, wobei
der Aktorraum mit Hochdruck beaufschlagt ist;
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2 drei
kartesische Koordinatendiagramme, in denen der Aktorhub, der Druck
im Kopplungsraum und der Nadelhub des in 1 dargestellten Kraftstoffinjektors über der
Zeit aufgetragen sind;
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3 eine ähnliche
Darstellung wie in 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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4 drei
kartesische Koordinatendiagramme, in denen der Aktorhub, der Druck
im Kopplungsraum und der Nadelhub des in 3 dargestellten Kraftstoffinjektors über der
Zeit aufgetragen sind.
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Ausführungsform
der Erfindung
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In 1 ist
ein Kraftstoffinjektor mit einem Injektorgehäuse 1 ausschnittsweise
und im Längsschnitt
dargestellt. Das Injektorgehäuse 1 umfasst
einen Düsenkörper 2,
der mit seinem unteren (abgeschnitten dargestellten) freien Ende
in einen Brennraum einer mit Kraftstoff zu versorgenden Brennkraftmaschine
ragt. Mit seiner oberen brennraumfernen Stirnfläche ist der Düsenkörper 2 mittels
einer (nicht dargestellten) Spannmutter axial gegen den Zwischenkörper 3 und
einen Injektorkörper 4 verspannt, der
auch als Haltekörper
bezeichnet wird. Der Haltekörper 4 hat
im Wesentlichen die Gestalt einer kreiszylindermantelförmigen Hülse, deren
eine Stirnseite durch den Zwischenkörper 3 geschlossen
ist.
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In
dem Düsenkörper 2 ist
eine Düsennadel 8 axial
verschiebbar geführt.
Die (nicht dargestellte) Spitze der Düsennadel wirkt mit einem Dichtsitz
zusammen, um Spritzlöcher
in Abhängigkeit
von der Stellung der Düsennadel 8 freizugeben
und zu verschließen.
Die Düsennadel
ist vorzugsweise mit einer Druckschulter ausgestattet, die in einem
Druckraum 10 des Injektorgehäuses angeordnet ist. Der Druckraum 10 steht über einen
(nicht dargestellten) Hochdruckverbindungskanal mit einem Aktorraum 12 in
Verbindung, der wiederum über
einen Zulaufkanal oder eine Zulaufleitung mit einer Kraftstoffhochdruckquelle
in Verbindung steht, die auch als Common Rail bezeichnet wird.
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Der
Kraftstoffinjektor wird mit einem Piezoaktor 14 betätigt, der
unter Zwischenschaltung eines Ausgleichselements 15 mechanisch
mit einem Kopplerkolben 16 gekoppelt ist. Die brennraumnahe
Stirnfläche
des Kopplerkolbens 16 begrenzt einen Teilkopplungsraum 18 in
axialer Richtung. In radialer Richtung ist der Teilkopplungsraum 18 durch
eine Kopplungsraumbegrenzungshülse 20 begrenzt,
die an dem Kopplerkolben 16 geführt und durch eine Druckfeder
vorgespannt ist. Der Teilkopplungsraum 18 steht über einen
Verbindungskanal 22, der mit einer Drossel 23 ausgestattet
ist, mit einem weiteren Teilkopplungsraum 24 in Verbindung.
Der weitere Teilkopplungsraum 24 wird in axialer Richtung
durch das brennraumferne Ende der Düsennadel 8 begrenzt.
In radialer Richtung ist der weitere Teilkopplungsraum 24 durch
eine Düsennadelhülse 25 begrenzt.
Die beiden Teilkopplungsräume 18 und 24 bilden
zusammen einen Kopplungsraum 28 eines hydraulischen Kopplers.
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Im
Ruhezustand des Kraftstoffinjektors herrscht in dem Kopplungsraum 28 Hochdruck,
der auch als Raildruck bezeichnet wird. Der Hochdruck wirkt auf
die brennraumferne Stirnfläche
der Düsennadel 8.
Der Piezoaktor 14 ist im Ruhezustand des Kraftstoffinjektors
aufgeladen und hat seine maximale Längsausdehnung. Zur Ansteuerung
des Kraftstoffinjektors wird der Piezoaktor 14 entladen
und zieht sich dabei zurück.
Der Druck in den Teilkopplungsräumen 18 und 24 fällt ab und
die Düsennadel 8 öffnet, das
heißt,
hebt von ihrem Düsennadelsitz
ab. Vorzugsweise ist ein Nadelanschlag zur Hubbegrenzung vorgesehen.
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In 2 sind
der Aktorhub U, der Kopplungsraumdruck pK und
der Nadelhub N des in 1 dargestellten Kraftstoffinjektors über der
Zeit t aufgetragen. Der Einspritzvorgang des Kraftstoffinjektors teilt
sich in eine erste Phase, in welcher der Druck in dem Kopplungsraum 28 abgesenkt
wird, und in eine zweite Phase, in der die Düsennadel 8 öffnet. Um den
Druckabfall in dem Kopplungsraum 28 zu erzeugen, werden
circa 20 bis 30 Prozent des Aktorhubs U benötigt. Sobald der Öffnungsdruck
erreicht wird, springt die Düsennadel 8 auf.
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Bei
dem in 1 dargestellten Kraftstoffinjektor ist der hydraulische
Koppler vollständig
von Hochdruck umgeben. Das führt
dazu, dass der Druck in dem Kopplungsraum 28 aktiv durch
den Aktorhub abgesenkt werden muss, damit die Düsennadel 8 öffnet.
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In 3 ist
ein ähnlicher
Kraftstoffinjektor wie in 1 ausschnittsweise
im Längsschnitt
dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher Teile werden die gleichen
Bezugszeichen verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf
die vorangegangene Beschreibung der 1 verwiesen.
Im Folgenden wird hauptsächlich
auf die Unterschiede zwischen den beiden Kraftstoffinjektoren eingegangen.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel steht der Druckraum 10 über einen
Hochdruckkanal 41, der sich durch den Injektorkörper 4 und
den Zwischenkörper 3 erstreckt,
mit dem (nicht dargestellten) Kraftstoffhochdruckanschluss des Kraftstoffinjektors
in Verbindung. Gemäß einem
wesentlichen Aspekt der Erfindung ist der Aktorraum 12 bei dem
in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel nicht mit Hochdruck
beaufschlagt, sondern über
einen (nicht dargestellten) Druckentlastungskanal mit einem Druckentlastungsraum
verbunden. Der Aktorraum 12 ist zum Beispiel an einen drucklosen
Leckölkreis
angebunden.
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Durch
einen Pfeil 44 ist angedeutet, dass der Teilkopplungsraum 18 mit
dem Aktorraum 12 in Strömungsverbindung
steht, so dass Kraftstoff aus dem Teilkopplungsraum 18 über den
Aktorraum 12 in den Druckentlastungsraum entweichen kann.
Dadurch wird der Druck in dem Kopplungsraum 28 dauerhaft abgesenkt.
Gemäß einem
wesentlichen Aspekt der Erfindung wird das Druckniveau in dem Kopplungsraum 28 bis
nahe an den Öffnungsdruck
der Düsennadel
abgesenkt. Die Einstellung dieses abgesenkten Drucks erfolgt vorzugsweise
durch ein definiertes Führungsspiel
zwischen der Kopplungsraumbegrenzungshülse 20 und dem Kopplerkolben 16.
Zusätzlich
oder alternativ können
aber auch in dem Kopplerkolben 16 und/oder der Kopplungsraumbegrenzungshülse 20 gedrosselte
Verbindungskanäle
vorgesehen werden, die den Teilkopplungsraum 18 mit dem
Aktorraum 12 verbinden.
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In 4 sind
der Aktorhub U, der Kopplungsraumdruck pK und
der Nadelhub N des in 3 dargestellten Kraftstoffinjektors über der
Zeit t aufgetragen. Durch eine gestrichelte Linie 50 ist
der Ausgangsdruck in dem Kopplungsraum eines herkömmlichen
Kraftstoffinjektors angedeutet. Durch Δp ist in 4 angedeutet,
dass der Ausgangsdruck in dem Kopplungsraum 28 des in 3 dargestellten Kraftstoffinjektors
deutlich geringer als bei einem herkömmlichen Injektor ist. Dadurch
kann die benötigte Aktorlänge um 20
bis 30 Prozent reduziert werden. Die reduzierte Aktorlänge wirkt
sich positiv auf die Baulänge
des Injektors aus. Darüber
hinaus kann ein zur Steuerung des Kraftstoffinjektors verwendetes Steuergerät aufgrund
der verkürzten
Aktorlänge ebenfalls
kostengünstiger
hergestellt werden, da günstigere
Endstufenelemente verwendet werden können.