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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit direkter Nadelsteuerung nach einem ziehenden Aktorprinzip gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf Verbrennungskraftmaschinen, bei welchen Kraftstoffinjektoren zum dosierten Einspritzen des zu verbrennenden Kraftstoffs verwendet werden.
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Die
DE 103 33 427 B3 offenbart einen Kraftstoffinjektor der hier interessierenden Art. Dieser umfasst ein Einspritzventil, welches eine Ventilnadel zum Öffnen und Schließen von Einspritzöffnungen aufweist. Es ist eine dem Einspritzventil kraftstoffzuführende Leitung vorgesehen sowie ein Aktor zur Betätigung und ein hydraulischer Koppler, der zwei über eine hydraulische Kopplung miteinander zusammenwirkende, linear hintereinander angeordnete Kolben aufweist. Das Kopplervolumen wird über Führungsspalten der hintereinander angeordneten Kolben gebildet. An den dem Aktor abgewandten Enden der Kolben ist je ein Füllraum angeordnet, die mit einer Leitung verbunden sind, wobei einer der Kolben mit einer ersten Querschnittsfläche mit dem Aktor über eine Stange und der andere Kolben mit der Ventilnadel verbunden ist. Die beiden anderen Enden der Kolben greifen in zugeordnete Übersetzerräume ein, die über einen Kanal miteinander hydraulisch in Verbindung stehen.
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Nachteilig an der bekannten Lösung ist, dass diese relativ komplex aufgebaut ist und aufgrund der zwei Kolben sowie deren hydraulischer Verbindung fertigungstechnisch recht aufwendig ist.
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Aus der
DE 10 2004 062 006 A1 und
DE 199 50 760 A1 sind weiterhin Kraftstoffinjektoren bekannt, bei denen die Bewegung der Düsennadel direkt mit einem Piezoaktor und einen hydraulischen Koppler gesteuert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftstoffinjektor mit direkter Nadelsteuerung nach einem ziehenden Aktorprinzip zu schaffen, welcher einfach aufgebaut ist und mit einer einfach herstellbaren Übersetzungseinheit ausgestattet ist.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass bei einem Kraftstoffinjektor mit direkter Nadelsteuerung nach einem ziehenden Aktorprinzip zur Anordnung an einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, ein Injektorkörper vorgesehen ist, in dem ein Aktor zur Erzeugung einer Betätigungskraft für eine Düsennadel aufgenommen ist, und eine mit dem Aktor gekoppelte Kopplereinheit sowie eine Düsennadel, die in einen Düsenkörper mit mehreren, über die Düsennadel verschließbaren Öffnungen zum Einspritzen eines Kraftstoffs untergebracht ist, wobei eine Übersetzungseinheit zwischen Kopplereinheit und Düsennadel vorgesehen ist, welche unter Bildung einer ersten Kraftübertragungsfläche eines ersten Steuerraums mit der Kopplereinheit im Eingriff stehend und unter Bildung einer zweiten Kraftübertragungsfläche eines zweiten Steuerraum mit der Düsennadel im Eingriff stehend derart ausgeführt ist, dass die Übersetzungseinheit gegenläufig bewegbar zu der Kopplereinheit und der Düsennadel ausgebildet ist, um ein kraftübersetztes Bewegen der Düsennadel zu bewirken.
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Vorteile der Erfindung
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass sich durch eine solche Übersetzungseinheit Übersetzungsverhältnisse in der Einspritzdüse einfach realisieren lassen. Zudem ist die Übersetzungseinheit und somit auch der gesamte Kraftstoffinjektor konstruktiv einfach aufgebaut.
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Der erste Steuerraum ist in dem Injektorkörper ausgebildet und wird axial durch eine erste Kraftübertragungsfläche begrenzt. Die erste Kraftübertragungsfläche wird mittels der Übersetzungseinheit und der Kopplereinheit definiert.
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Der zweite Steuerraum ist ebenfalls in dem Injektorkörper ausgebildet und wird axial einmal durch den die Düsennadel aufnehmenden Körper und zum anderen durch die zweite Kraftübertragungsfläche begrenzt. Die zweite Kraftübertragungsfläche wird mittels der Übersetzungseinheit und der Düsennadel definiert.
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Bevorzugt ist, dass die Übersetzungseinheit als im Längsschnitt gesehen H-förmiger Körper mit einem etwa mittig angeordneten, eine Durchgangsöffnung aufweisenden Trennwandelement ausgebildet ist, welche die Übersetzungseinheit in einen aktorseitigen ersten Teil und einen nadelseitigen zweiten Teil trennt. Der H-förmige Körper weist bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt auf. Der erste Teil bildet eine Art Becher, in welchem die Kopplereinheit wie ein Kolben bewegbar ist. Die Tiefe des ersten Teils ist dabei größer als die entsprechende Tiefe der Kopplereinheit. Der zweite Teil ist ähnlich dem ersten Teil aufgebaut, wobei die Düsennadel wie ein Kolben in dem ersten Teil bewegbar ist. Der erste und der zweite Teil können auch unterschiedlich ausgebildet sein. Das Trennwandelement weist eine Durchgangsöffnung etwa in Form einer Durchgangsbohrung auf. Hierdurch stehen das erste und das zweite Teil in fluidischer Verbindung.
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Weiter bevorzugt ist, dass die Kopplereinheit als Bolzenelement mit einem zylindrischen Bolzenteil und einem gegenüber dem Bolzenteil eine größeren Außendurchmesser aufweisenden, ebenfalls etwa zylindrischem ersten Kopfteil ausgebildet ist. Somit ist die Kopplereinheit als ein Flanschstück ausgebildet, das einen Absatz aufweist. Der Bolzenteil hat einen Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser des Kopfteils. Das Übersetzungsverhältnis der Übersetzungseinheit wird durch die Durchmesser der Kopplereinheit und den Außendurchmesser der Übersetzungseinheit mitbestimmt. So wird das Übersetzungsverhältnis beispielsweise mitbestimmt durch die Relation der Differenz der beiden Außendurchmesser der Kopplereinheit und des Außendurchmessers der Übersetzungseinheit. Weiter wird das Übersetzungsverhältnis mitbestimmt durch die äußeren Abmaße der Düsennadeleinheit.
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Es ist bevorzugt, dass die Düsennadeleinheit einen zylindrischen Nadelteil und einem gegenüber dem Nadelteil einen größeren Außendurchmesser aufweisenden ebenfalls etwa zylindrischen zweiten Kopfteil umfasst ist. Somit ist der Innendurchmesser der Übersetzungseinheit oder der Außendurchmesser des zweiten Kopfteils größer als der Außendurchmesser des Nadelteils. Somit weist auch die Düsennadel einen Absatz auf. Das Übersetzungsverhältnis bestimmt sich aus der Relation der Differenz des Außendurchmessers des zweiten Kopfteils und des Außendurchmessers des Nadelteils und dem Außendurchmesser des zweiten Teils der Übersetzungseinheit.
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Weiter ist bevorzugt, dass die Außendurchmesser der Kopfteile in etwa den Innenabmessungen der korrespondierenden Teile der als rohrförmiger Körper ausgebildeten Übersetzungseinheit entsprechen. Auf diese Weise lassen sich die Kopfteile kolbenartig in der Übersetzungseinheit führen und eine entsprechende Kraftübertragungsanordnung ohne Spalte ausbilden.
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Um das Öffnen und Schließen der Düsennadel entsprechend einzustellen, ist es bevorzugt, dass zwischen mindestens einem der Kopfteile und dem Trennwandelement ein Vorspannelement angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist sowohl zwischen Trennwandelement und erstem Kopfteil und Trennwandelement und zweitem Kopfteil je ein Vorspannelement angeordnet. Das Vorspannelement ist in einem Ausführungsbeispiel als Feder, insbesondere als Druckfeder ausgebildet. Um die Feder optimal zu positionieren, weist der dem Trennwandelement zugewandte Teil der Kopplereinheit und/oder der Düsennadel eine Ausnehmung auf, in welche das Vorspannelement zumindest teilweise aufgenommen ist.
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Um eine Übertragung mit entsprechend einstellbaren Übersetzungsverhältnissen zu realisieren, ist es weiterhin bevorzugt, dass die Stirnseite des ersten Teils der Übersetzungseinheit mit der zu dem Aktor weisenden Stirnfläche des ersten Kopfteils die erste Kraftübertragungsfläche bildet, welche den ersten Steuerraum axial begrenzt. Der erste Steuerraum wird von dem Injektorkörper als festes Teil sowie der Kopplereinheit und der Übersetzungseinheit als bewegbare Teile begrenzt. Kopplereinheit wie auch Übersetzungseinheit sind sowohl relativ zu dem Injektorkörper wie auch zueinander relativ bewegbar. Die Kraftübertragung findet in axiale Richtung statt.
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Vorzugsweise bildet die Stirnseite des zweiten Teils der Übersetzungseinheit mit der zu der Nadel weisenden Stirnfläche des zweiten Kopfteils die zweite Kraftübertragungsfläche, welche den ersten Steuerraum axial begrenzt. Der zweite Steuerraum wird von dem Injektorkörper und dem Düsennadelkörper als feste Teile, sowie der Düsennadel und der Übersetzungseinheit als bewegbare Teile begrenzt. Düsennadel wie auch Übersetzungseinheit sind sowohl relativ zu dem Injektorkörper wie auch zueinander relativ bewegbar. Die Kraftübertragung findet ebenfalls in axiale Richtung statt. Durch unterschiedliches Einstellen der Kraftübertragungsflächen lassen sich entsprechend unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse einstellen.
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Bevorzugt ist, dass die Innenabmessung des ersten Teils der Übersetzungseinheit unterschiedlich zu der Innenabmessung des zweiten Teils der Übersetzungseinheit ausgebildet ist, um ein unterschiedliches Übersetzungsverhältnis zu realisieren. Hierdurch lässt sich eine Art Vorspannung realisieren. Bei gleich bemessenen Querschnittsflächen sind die Übersetzungsverhältnisse ausgeglichen.
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Um die gegenläufige Bewegung der Übersetzungseinheit zu den anderen bewegbaren Bauteilen zu realisieren, ist es vorteilhaft, dass die Übersetzungseinheit relativ bewegbar zu der Kopplereinheit und der Düsennadel ausgebildet ist, um bei Druckerhöhung in einem Steuerraum sich in Richtung des anderen Steuerraums zu bewegen.
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Figurenliste
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt. Die Figur zeigt:
- einen schematischen Längsquerschnitt durch einen Kraftstoffinjektor.
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Die Figur zeigt schematisch einen Kraftstoffinjektor 1 in einem Längsquerschnitt, welcher mit direkter Nadelsteuerung nach einem ziehenden Aktorprinzip wirkt. Der Kraftstoffinjektor 1 umfasst einen Injektorkörper 2 und einen Düsenkörper 10 (nicht komplett dargestellt). Injektorkörper 2 und Düsenkörper 10 sind entlang einer gemeinsamen Achse miteinander verbunden. In dem an sich bekannten Düsenkörper 10 sind Öffnungen 11 zum Einspritzen eines Fluids in einen Brennraum ausgebildet. In dem Injektorkörper 2 ist ein Aktor 3 aufgenommen, der sich bei Bestromung auslenkt und bei Abschalten der Bestromung verkürzt. Eine Düsennadel 4 zum Öffnen und Verschließen der Öffnungen 11 ist ebenfalls vorgesehen. Da der Kraftstoffinjektor 1 nach dem ziehenden Aktorprinzip funktioniert, ist - wenn sich die Düsennadel 4 in der die Öffnung verschließenden Position befindet - der Aktor 3 bestromt. Bei Betätigen des Kraftstoffinjektors 1 bzw. des Aktors 3, wird der Strom abgeschaltet und die Düsennadel 4 öffnet.
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Zwischen Aktor 3 und Düsennadel 4 ist eine Kopplereinheit 5 an dem Aktor 3 angeordnet. Die Kopplereinheit 5 ist als bolzenförmiges Element ausgebildet, welches einen zylindrischen Bolzenteil 5a und daran anschließend einen ersten Kopfteil 5b aufweist. Der Bolzenteil 5a weist eine im Querschnitt eine Fläche A1 auf. Der Kopfteil 5b besitzt im Querschnitt eine demgegenüber größere Fläche A2. Weiterhin weist der Kopfteil 5b zwei Stirnseiten auf; eine Stirnseite, welche der Düsennadel 4 zugewandt ist und eine Stirnseite, die dem Aktor 3 zugewandt ist. An der Stirnseite, welche der Düsennadel 4 zugewandt ist, weist der Kopfteil 5b eine Ausnehmung für ein Vorspannelement 9 auf.
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Zwischen Kopplereinheit 5 und Düsennadel 4 ist eine Übersetzungseinheit 6 angeordnet. Die Übersetzungseinheit 6 ist als ist als im Längsschnitt gesehen H-förmiger Körper mit einem etwa mittig angeordnetem, eine Durchgangsöffnung 12 aufweisenden Trennwandelement 6a ausgebildet. Das Trennwandelement 6a teilt den rohrförmigen Körper in einen ersten, dem Aktor 3 zugewandten Teil 6b und einen der Düsennadel 5 zugewandten Teil 6c. Der becherförmige erste Teil 6b weist eine maximale Fläche A3 auf. Der Innendurchmesser des ersten Teils 6b bildet eine Fläche A2 des Kopfteils 5b. In dem Innenraum des ersten Teils 6b ist der Kopfteil 5b zumindest teilweise bewegbar aufgenommen.
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Die Düsennadel 4 weist einen Nadelteil 4a und einen zweiten Kopfteil 4b auf. Der zylindrische Nadelteil 4a besitzt eine Fläche A4. Der zweite Kopfteil 4b weist eine Fläche A5 auf, wobei A5 > A4 ist, und somit ein Absatz zwischen zweitem Kopfteil 4b und Nadelteil 4a gebildet ist. Der zweite Kopfteil 4b weist analog zu dem ersten Kopfteil 5b zwei Stirnseiten auf. An der Stirnseite, welche zu dem Aktor 3 weist, ist eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Vorspannelements ausgebildet.
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In dem Injektorkörper 2 ist ein durch den Injektorkörper 2 sowie durch die Kopplereinheit 5 und die Übersetzungseinheit 6 begrenzter erster Steuerraum 7 gebildet. Der erste Steuerraum 7 ist durch Bewegung der Kopplereinheit 5 und/oder der Übersetzungseinheit 6 hinsichtlich seiner Größe veränderbar.
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Entsprechend ist ein durch den Injektorkörper 2, den Düsenkörper, sowie durch die Düsennadel 4 und die Übersetzungseinheit 6 begrenzter zweiter Steuerraum 8 ausgebildet. Der zweite Steuerraum 8 ist ebenfalls durch Bewegen der Übersetzungseinheit 6 und/oder durch Bewegen der Düsennadel 4 hinsichtlich seiner Größe veränderbar.
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Beide Steuerräume 7, 8 sind somit je durch eine axial bewegbare Kraftübertragungsfläche an einer Seite begrenzt. Die erste Kraftübertragungsfläche A3 minus A1 wird durch die Stirnseite des ersten Kopfteils 5b, welche zu dem Aktor 3 weist, durch das Bolzenteil 5a und die Stirnseite der Übersetzungseinheit 6, welche zu dem Aktor 3 weist, gebildet. Die zweite Kraftübertragungsfläche A3 minus A4 wird durch die Stirnseite des zweiten Kopfteils 4b, welche entgegengesetzt zu dem Aktor 3 weist, durch das Nadelteil 4a und durch die Stirnseite der Übersetzungseinheit 6, welche von dem Aktor 3 weg weist, gebildet. Über die Größe der Kraftübertragungsflächen lässt sich die benötigte Kraft zum Bewegen der Düsennadel 4 bestimmen.
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Um die Kraftübertragung weiter einzustellen, ist zwischen den Kopfteilen 4b, 5b und der Übersetzungseinheit 6 jeweils ein Vorspannelement 9 angeordnet. Das Vorspannelement 9 ist als spiralförmige Druckfeder ausgebildet, um eine Vorspannkraft zwischen Kopplerteil 5 und Übersetzungseinheit 6 bzw. zwischen Übersetzungseinheit 6 und Düsennadel 4 zu bewirken.
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Wird der Aktor 3 betätigt, das heißt der Strom wird abgeschaltet oder unterbrochen, zieht sich der Aktor 3 zusammen, das heißt das Ende des Aktors 3, welches mit der Kopplereinheit 5 verbunden ist, bewegt sich axial von der Öffnung 11 weg. Da die Kopplereinheit 5 direkt an den Aktor 3 gekoppelt ist, bewegt sich diese mit dem Aktor 3 mit. Durch die Bewegung der Kopplereinheit 5 verringert sich das Volumen des mit einem im Wesentlichen inkompressiblen Fluid gefüllten ersten Steuerraums 7, wodurch der Druck in dem ersten Steuerraum 7 ansteigt und die Übersetzungseinheit 6 sich gegen die Bewegung der Kopplereinheit 5 in Richtung der Düsennadel 4 bewegt. Durch diese Bewegung wird nun der ebenfalls mit einem inkompressiblen Fluid gefüllte zweite Steuerraum 8 verringert, wodurch auch hier der Druck in dem zweiten Steuerraum 8 ansteigt. Aufgrund der Druckerhöhung in dem zweiten Steuerraum 8 bewegt sich die Düsennadel 4 in Richtung Aktor 3 und die bislang durch die Düsennadel 4 versperrten Öffnungen II werden geöffnet.
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Um eine Kraftübersetzung zu bewirken, lassen sich die der Kraftübertragung dienenden wirksamen Flächen A1 bis A5 unterschiedlich ausbilden. Die erste Kraftübersetzung findet in dem ersten Steuerraum 7 statt. Hier lässt sich über die Fläche A3 minus A1 eine Übertragungskraft gemäß der Formel F= p × A einstellen. Die erste Übertragung ergibt sich aus dem Quotienten der Flächen A1 und A2 und der Fläche A3.
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Die zweite Kraftübersetzung findet in dem zweiten Steuerraum 8 statt. Hier lässt sich über die wirksame Fläche A3 minus A4 eine Übertragungskraft gemäß der Formel F= p × A einstellen. Die zweite Übertragung ergibt sich aus dem Quotienten der Differenz der Fläche A5 und A4 und der Fläche A3.
