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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor für eine Kraftstoffeinspritzanlage
einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
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Im
modernen Fahrzeugbau wird es zunehmend wichtiger, die Schadstoffemissionen
der Brennkraftmaschinen so weit zu reduzieren, dass diese gesetzlich
eingeforderte Grenzwerte erfüllen
oder sogar darunter liegen. Bin wirksamer Weg zur Reduzierung der
Schadstoffemission wird insbesondere bei hubgesteuerten Common-Rail-Systemen
dahingehend beschritten, dass ein Einspritzdruck an eine Motordrehzahl
angepasst wird. Hierbei hat sich gezeigt, dass insbesondere ein
hoher Einspritzdruck zu einer Reduzierung der Schadstoffemission
und zur Erzielung einer hohen Leistung beiträgt. Ein hoher Einspritzdruck
wird dabei beispielsweise bei Common-Rail-Einspritzsystemen von
einem im Injektor angeordneten Druckverstärker erzeugt. Die Integration
eines derartigen Druckverstärkers
ist jedoch aufwändig
und teuer und erhöht
darüber
hinaus eine Bauhöhe
des Injektors, was bei einem immer knapper werdenden Bauraumangebot
im Motorraum unvorteilhaft ist.
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Vorteile der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Injektor
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den
Vorteil, dass ein zum Verstärken
des Einspritzdruckes vorhandener Druckübersetzer in einem Nadelabschnitt,
eines aus dem Nadelabschnitt und einem Aktorabschnitt bestehenden Injektorkörpers angeordnet
ist. Der genannte Aktorabschnitt und der Nadelabschnitt bilden dabei
den Injektor, wobei zwischen den beiden Abschnitten eine Zwischenplatte
angeordnet ist, die entweder als separates Bauteil oder als Bestandteil
eines Injektorgehäuses
ausgebildet sein kann, und im Nadelabschnitt wenigstens ein Spritzloch
vorgesehen ist, durch welches Kraftstoff in einen Brennraum eingedüst werden
kann. Der im Nadelabschnitt angeordnete Druckübersetzer dient zur Erhöhung des
Kraftstoffeinspritzdruckes gegenüber
einem Systemdruck und hilft dadurch die Leistung der Brennkraftmaschine
zu verbessern und gleichzeitig die Schadstoffemissionen derselben
zu reduzieren. Insbesondere ein mit dem wenigstens einen Spritzloch
kommunizierender Düsenraum
steht beim Betrieb des Injektors unter einem hohen Druck, so dass
entsprechend dickes und teures Material verwendet werden muss. Durch
die Anordnung des Druckübersetzers
im Nadelabschnitt kann der Düsenraum
deutlicher kleiner ausgebildet und im wesentlichen auf den Nadelabschnitt
begrenzt werden, so dass lediglich dieser noch aus dickem bzw. teurem
Material ausgebildet werden muss. Darüber hinaus verringert die Integration
des Druckübersetzers
in den Nadelabschnitt eine axiale Baulänge des Injektors, wodurch
sich die in modernen Motorräumen
stets angespannte Bauraumsituation entschärfen lässt. Des Weiteren wird durch
einen in den Nadelabschnitt integrierten Druckübersetzer die Anzahl hoch präziser Teile
reduziert, wodurch sich ebenfalls die Fertigungskosten absenken
lassen können.
Von letztlich entscheidendem Vorteil ist aber, dass die hohen Belastungen
beim Einspritzen des Kraftstoffes in den Brennraum auf den Nadelabschnitt
beschränkt
sind, so dass insbesondere der Aktorabschnitt im Vergleich zu bisher
bekannten Injektoren eine deutlich geringere Festigkeit aufweisen
kann und zugleich konstruktiv einfacher und leichter gebaut werden
kann, was ebenfalls zur Senkung der Fertigungskosten beiträgt. Hierbei
kann der Nadelabschnitt auch aus einem Stück hergestellt sein, um die
Fertigungskosten weiter zu reduzieren.
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Zweckmäßig weist
der Druckübersetzer
einen Kolben auf, der im Nadelabschnitt hubverstellbar gelagert
ist, wobei der Kolben im Nadelabschnitt einen, mit dem wenigstens
einen Spritzloch kommunizierenden Düsenraum begrenzt. Dabei bildet
der Kolben zusammen mit dem Nadelabschnitt den Düsenraum, welcher räumlich stark
begrenzt ist, wodurch Teile, die den Düsenraum begrenzen und daher
hohe Belastungen aushalten müssen,
lediglich in diesem Bereich vorgesehen werden müssen. Denkbar ist hierbei,
dass der Nadelabschnitt aus einem Stück hergestellt ist und dadurch
kostengünstig
zu produzieren ist. Durch den Kolben, insbesondere durch einen Hohlkolben,
kann eine konstruktiv einfache Druckübersetzung bewirkt werden,
wobei der Kolben wie beschrieben, den Düsenraum und zugleich einen Übersetzerraum begrenzt,
welcher zur Übersetzung des
Systemdrucks in den höheren
Einspritzdruck vorgesehen ist. Derartige Hohlkolben lassen sich
relativ kostengünstig
und mit hoher Präzision
herstellen, wodurch sich einerseits geringe Stückkosten und andererseits eine
hohe Produktqualität
erreichen lassen. Außerdem
weisen sie im Vergleich zu bekannten Stufenkolben den großen Vorteil
auf, dass eine Doppelführung
entfallen kann.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Lösung ist
im Aktorabschnitt ein Ventilkolben mit einem ersten und einem zweiten Ventilsitz
hubverstellbar angeordnet, wobei in einer ersten Hubendstellung
der erste Ventilsitz geschlossen und der zweite Ventilsitz geöffnet ist
und in einer zweiten Hubendstellung der erste Ventilsitz geöffnet und
der zweite Ventilsitz geschlossen ist. Die beiden Ventilsitze wirken
dabei derart zusammen, dass in der ersten Hubendstellung ein Druckausgleich
zwischen einem Stangensteuerraum und einem diesen umgebenden Druckraum
erreicht werden kann, während
in der zweiten Hubendstellung der Stangensteuerraum mit einem Rücklauf kommunizierend
verbunden ist. Darüber
hinaus ist denkbar, dass der Aktorabschnitt einen Druckraum begrenzt,
in welchem ein Aktor, insbesondere ein Piezo-Aktor, angeordnet ist. Die
Anordnung des Aktors innerhalb des Injektorkörpers, speziell innerhalb des
Aktorabschnittes und in einem Druckraum macht es möglich, diesen
platzsparend und gleichzeitig geschützt im Injektor unterzubringen.
Die Abdichtung des Druckraumes erfolgt dabei beispielsweise über eine
Federeinrichtung, welche den Aktor mit einem kegelstumpfartigen
Dichtungsbereich in eine komplementär zum Dichtungsbereich ausgebildete Öffnung in
einer Stirnplatte des Aktorabschnitts eindrückt und dadurch abdichtet.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Injektors ergeben sich
aus den Unteransprüchen,
aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnung.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Injektors
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert, wobei
sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche
Komponenten beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen
stark vereinfachten Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Injektor,
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2 bis 4 eine
Darstellung wie in 1, jedoch mit jeweils einem
unterschiedlichen Druckübersetzer
im Nadelabschnitt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Entsprechend
den 1 bis 4 umfasst ein Injektor 1 einen
Aktorabschnitt 2, einen Nadelabschnitt 3 und eine
zwischen Aktorabschnitt 2 und Nadelabschnitt 3 angeordnete
Zwischenplatte 4, die entweder als separates Bauteil oder
als Bestandteil eines Injektorgehäuses ausgebildet sein kann.
Dabei sind üblicherweise
der Aktorabschnitt 2 und der Nadelabschnitt 3 mit
Hilfe eines nicht dargestellten Verbindungselementes, insbesondere
in der Art einer Überwurfmutter,
fest miteinander verbunden. An seinem, dem Aktorabschnitt 2 abgewandten
Ende, weist der Nadelabschnitt 3 zumindest ein Spritzloch 5 auf, durch
welches Kraftstoff in einen nicht gezeigten Einspritzraum einspritzbar
ist. Des Weiteren ist im Nadelabschnitt 3 ein Druckübersetzer 6 angeordnet, welcher
einen Einspritzdruck des Kraftstoffes erzeugt, der deutlich höher als
der übliche
Systemdruck des Injektors 1 ist. Im Aktorabschnitt 2 ist
ein Aktor 7, insbesondere ein Piezo-Aktor, angeordnet und
zwar innerhalb eines Druckraumes 9, welcher umfangsseitig
vom Aktorabschnitt 2 begrenzt ist. Der Aktor 7 ist über elektrische
Verbindungsleitungen 8 mit einer nicht gezeigten Steuereinrichtung
verbunden, welche den Aktor 7 aktiviert bzw. deaktiviert.
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Verbunden
ist der Druckraum 9 mit einem Druckspeicher 11,
welcher einen gewisse Menge an unter Systemdruck befindlichem Kraftstoff,
speichert. Dabei kann der Druckspeicher 11 auch als Druckquelle
ausgebildet sein. Auf seiner, dem Nadelabschnitt 3 abgewandten
Seite, weist der Aktor 7 eine kegelstumpfartige Verjüngung auf,
mit welcher er in eine komplementär dazu ausgebildete Öffnung in
einer Stirnwand 12 des Aktorabschnittes 2 eingreift
und dadurch den Druckraum 9 in Richtung der Stirnwand 12 abdichtet.
An seinem, dem kegelstumpfförmigen Abschnitt
gegenüberliegenden
Ende weist der Aktor 7 eine, an diesem axial verschiebbar
gelagerte Dichthülse 13 auf,
welche über
eine Federeinrichtung 14a mit einer Dichtkante gegen eine
Seite des Aktorabschnittes 2 vorgespannt ist. Dabei begrenzen
der Aktor 7, eben beschriebene Seite des Aktorabschnittes 2 und
umfangsseitig die Dichthülse 13 einen
Aktordruckraum 10. Axial gegenüberliegend des Aktors 7 ist
der Aktordruckraum 10 durch einen Ventilkolben 15 begrenzt,
welcher hubverstellbar in oben erwähnter Seite des Aktorabschnittes 2 gelagert
ist. Der Ventilkolben 15 besitzt dabei einen ersten Ventilsitz 16 und
einen zweiten Ventilsitz 17, wobei in einer ersten Hubendstellung
(vergleiche 1) der erste Ventilsitz 16 geschlossen
und der zweite Ventilsitz 17 geöffnet ist und in einer zweiten,
nicht gezeigten Hubendstellung der erste Ventilsitz 16 geöffnet und
der zweite Ventilsitz 17 geschlossen ist.
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Auf
seinem, dem Aktordruckraum 10 abgewandten Ende begrenzt
der Ventilkolben 15 in seiner zweiten Hubendstellung einen
Ventilkolbendruckraum 18, der ansonsten von der Zwischenplatte 4 begrenzt
ist. An seinem dem Nadelabschnitt 3 zugewandten Ende ist
der Ventilkolben 15 von einem Druckraum 9' umgeben, welcher über einen,
durch die Zwischenplatte 4 verlaufenden Kopplungspfad 19 mit
einem Stangensteuerraum 20 verbunden ist. Der Stangensteuerraum 20 wird
dabei einerseits von der Zwischenplatte 4 und andererseits
von einer Steuerstange 27 axial begrenzt und umfangsseitig
von einer Steuerhülse 21.
Radial außerhalb
des Stangensteuerraums 20 ist ein weiterer Druckraum 9'' angeordnet, welcher über einen
Kopplungspfad 19a mit dem Ventilkolbendruckraum 18 kommuniziert.
Die Steuerhülse 21 ist
dabei vorzugsweise über
eine Federeinrichtung 14' gegen
die Zwischenplatte 4 vorgespannt.
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Im
Nadelabschnitt 3 ist, wie eingangs erwähnt, ein Druckübersetzer 6 angeordnet,
welcher einen Kolben 22 aufweist, der im Nadelabschnitt 3 hubverstellbar
gelagert ist. Der Kolben 22 begrenzt dabei stimendseitig
zusammen mit dem Nadelabschnitt 3 einen Düsenraum 23,
während
er umfangsseitig zusammen mit dem Nadelabschnitt 3 einen Übersetzerraum 24 begrenzt.
Im Kolben 22 und im Düsenraum 23 hubverstellbar
angeordnet ist eine Düsennadel 25,
in welche gemäß der 1 bis 3 ein
Kopplungspfad 19b integriert ist, der den Düsenraum 23 mit
dem Übersetzerraum 24 des Druckübersetzers 6 hydraulisch
verbindet. Dabei ist der Kopplungspfad 19b vorzugsweise
gedrosselt, insbesondere kann er eine Drosseleinrichtung 26 aufweisen.
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Axial
anschließend
an die Düsennadel 25 ist die
Steuerstange 27 angeordnet, welche einenends in den Übersetzerraum 24 und
anderenends in den Stangensteuerraum 20 eintaucht bzw.
diese begrenzt. Dabei verläuft
koaxial innerhalb der Steuerstange 27 ein Kopplungspfad 19c,
welcher den Stangensteuerraum 20 mit dem Übersetzerraum 24 hydraulisch
verbindet. Mit seinem, der Düsennadel 25 zugewandten
Ende, kann die Steuerstange 27 den Kopplungspfad 19b verschließen. Dabei
ist eine Federeinrichtung 14b vorgesehen, welche die Steuerstange 27 von
der Düsennadel 25 weg
vorspannt. An seinem, dem Düsenraum 23 abgewandten
Ende weist der Kolben 22 einen Kragen 28 auf,
an welchem sich eine Federeinrichtung 14c einerseits abstützt und
diesen Kragen 28 von einem nadelabschnittseitigen Anschlag 29 weg
vorspannt. Der Begriff Kragen 28 ist hierbei jedoch rein
exemplarisch verwandt, so dass auch eine andere Anschlagsform von
der Erfindung mit umfasst sein soll.
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Wie
aus der 1 ersichtlich ist, kann der Kolben 22 auch
als Stufenkolben ausgebildet sein, wobei eine Ausbildung als Hohlkolben – wie in
den 2 bis 4 gezeigt – von Vorteil ist, da hierbei eine
konstruktiv aufwendige Doppelführung
entfallen kann.
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Ein
Einspritzvorgang des Injektors 1 gemäß der 1 erfolgt
dabei im wesentlichen wie folgt.
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Im
Ruhezustand steht der gesamte Injektor 1 unter einem, im
Druckspeicher 11 bzw. in der Druckquelle vorhandenen, hydraulischen
Druck, z.B. einem Raildruck, wobei der Aktor 7 deaktiviert
ist und die Düsennadel 25 das
zumindest eine Spritzloch 5 verschließt. Bei einer Aktivierung des
Aktors 7 bewegt sich der Ventilkolben 15 nach
unten, wodurch der erste Ventilsitz 16 geöffnet und
der zweite Ventilsitz 17 geschlossen wird. Dadurch wird
der Stangensteuerraum 20 über den Kopplungspfad 19 mit
dem Druckraum 9' und über diesen
mit einem Rücklauf 30 verbunden.
Durch die Druckentlastung im Stangensteuerraum 20 erfolgt
auch eine Druckentlastung im Übersetzerraum 24,
wodurch sich der als Stufenkolben ausgebildete Kolben 22 nach
unten bewegt und im Düsenraum 23 den
hohen Einspritzdruck erzeugt. Gleichzeitig bewegt sich auch die
Düsennadel 25 durch
den Druckabfall im Übersetzerraum 24 nach oben,
wodurch das wenigstens eine Spritzloch 5 geöffnet wird
und die Einspritzung beginnt. Zum Beenden der Einspritzung wird
der Aktor 7 deaktiviert bzw. entladen, woraufhin der Ventilkolben 15 nach
oben in seine Ausgangsstellung zurückverfährt. Dadurch schließt sich
der erste Ventilsitz 16 und öffnet sich der zweite Ventilsitz 17,
wodurch ein Druckausgleich vom Stangensteuerraum 20 über den
Kopplungspfad 19a und den Ventilkolbendruckraum 18 bzw.
den Kopplungspfad 19a mit dem Druckraum 9'' stattfindet. In all den genannten
Räumen
baut sich daher aufgrund des Kopplungspfades 19d wiederum
der im Druckspeicher 11 herrschende Raildruck auf.
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Anschließend verfährt der
Druckübersetzer 6 bzw.
der Kolben 22 in umgekehrter Weise in seine Ausgangsstellung
zurück
und die Düsennadel 25 verschließt das zumindest
eine Spritzloch 5.
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Bei
dem Injektor 1 gemäß der 2 ist
der Aktorabschnitt 2 im wesentlichen gleich aufgebaut in 1,
wogegen sich der Nadelabschnitt 3 unterscheidet. Die Steuerstange 27 ist
nunmehr nur noch in einem kurzen Stück im, als Hohlkolben ausgebildeten
Kolben 22 geführt
und der Übersetzerraum 24 ist deutlich
kompakter um die Steuerstange 27 herum ausgebildet. Gleichzeitig
besitzt der Düsenraum 23 ein
größeres Volumen,
wobei ebenfalls zwischen dem Düsenraum 23 und
dem Übersetzerraum 24 der Kopplungspfad 19b angeordnet
ist. Die Funktionsweise des Injektors gemäß der 2 gestaltet
sich jedoch ähnlich
der Funktionsweise des Injektors 1 gemäß der 1.
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Beim
Injektor 1 gemäß der 3 ist
wiederum der Aktorabschnitt 2 identisch zum Aktorabschnitt 2 gemäß den 1 und 2 aufgebaut,
während im
Nadelabschnitt 3 die Düsennadel 25 an
ihrem, dem als Hohlkolben ausgebildeten Kolben 22 zugewandten
Ende eine Dichthülse 13' aufweist, welche hubverstellbar
an der Düsennadel 25 gelagert
ist und welche über
eine Federeinrichtung 14e gegen eine axiale Stirnseite
des Kolbens 22 vorgespannt ist. Dabei ist die Dichthülse 13' auf der Düsennadel 25 geführt und
bildet gegenüber
dem als Hohlkolben ausgebildeten Kolben 22 des Druckverstärkers 6 eine Dichtkante
aus. Dadurch können
Lagetoleranzen zwischen der Düsennadel 25 und
dem Kolben 22 ausgeglichen werden. Eine Befüllung des
Düsenraumes 23 erfolgt über die
Dichthülse 13'. Die Federeinrichtung 14e ist
deshalb so ausgelegt, dass die Dichthülse 13' beim Rückstellen des Druckübersetzers 6 bzw.
des Kolbens 22 vom Kolben 22 abhebt und dadurch
eine Befüllung
des Düsenraumes 23 mit
Kraftstoff ermöglicht.
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Schließlich ist
in 4 ein Injektor 1 gezeigt, welcher in
seinem Nadelabschnitt 3 einen fest mit dem Nadelabschnitt 3 verbundenen
Führungskolben 31 aufweist,
auf welchem einenends die Düsennadel 25 und
anderenends der als Hohlkolben ausgebildete Kolben 22 geführt sind.
Zwischen dem Führungskolben 31 und
dem Nadelabschnitt 3 ist zumindest ein Hydraulikpfad 32 vorgesehen,
welcher einen Kompressionsraum 34 des Druckübersetzers 6 mit dem
Düsenraum 23 hydraulisch
verbindet. Ein derartiger Hydraulikpfad 32 kann beispielsweise
durch eine geringe Abflachung des ansonsten kreisrunden Umfangs
des Führungskolbens 31,
auch Freischliff genannt, erfolgen. Koaxial innerhalb des Führungskolbens 31 ist
ein Kopplungspfad 19e vorgesehen, welcher den Übersetzerraum 24 mit
einem Nadelsteuerraum 33 hydraulisch verbindet. Dabei ist
im Verlauf des Kopplungspfades 19e ein Rückschlagventil 35 angeordnet,
das in geöffnetem
Zustand den Übersetzerraum 24 und
den Nadelsteuerraum 33 mit einem Kompressionsraum 34 verbindet
und ausschließlich
in Richtung des Kompressionsraumes 34 bei entsprechendem
Druck durchlässig
ist. Dabei ist die Düsennadel 25 gemäß der 4 als
kleiner Nadelkolben ausgebildet, welcher auf dem feststehenden Führungskolben 31 geführt ist.
Der Führungskolben 31 ist
beispielsweise mit dem Nadelabschnitt 3 des Injektors 1 verpresst,
wobei, wie oben erwähnt, entsprechende
Hydraulikpfade 32 zwischen dem Düsenraum 23 und dem
Kompressionsraum 34 vorgesehen sind. Das dem Kolben 22 zugewandte
Ende des Führungskolbens 31 ist
im Kolben 22 geführt, wobei
das Rückschlagventil 35 zum
Befüllen
des Kompressionsraumes 34 vorgesehen ist. Im Übrigen ist
die Funktionsweise, insbesondere im Aktorabschnitt 2, des
Injektors 1 mit der Funktionsweise der Injektoren 1 gemäß den 1 bis 3 vergleichbar.