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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei
hubgesteuerte Kraftstoffinjektoren mit einer Düsennadel wird ein Steuerraum,
dem ein Kopplerkolben mit einer Steuerfläche augesetzt ist, von einem
Steuerventil angesteuert. Der Kopplerkolben wirk über einen
hydraulischen Kopplerraum auf die Düsennadel ein. Zum Öffnen der
Düsennadel
wird der Steuerraum mittel des Steuerventils mit einem Niederdruck/Rücklaufsystem
verbunden, wodurch der Druck im Steuerraum sinkt und die in Öffnungsrichtung
auf die Düsennadel
wirkenden Druckkräfte die
auf die Steuerfläche
des Kopplerkolbens wirkende Druckkraft übersteigen. Ein derartiger
Kraftstoffinjektor ist beispielsweise aus
DE 101 15 215 A1 bekannt.
Bei diesem Kraftstoffinjektor ist der Kopplerkolben in einem Gehäuse geführt. Die
Hochdruckzuleitung zum Zuführen
des Kraftstoffs mit Rail- bzw. Systemdruck in einen Düsennadeldruckraum,
dem die Düsennadel
mit in Öffnungsrichtung
wirkenden Druckschultern ausgesetzt ist, erfolgt über eine
parallel zum Kopplerkolben verlaufende Bohrung innerhalb des Gehäuses.
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Bei
derartigen Kraftstoffinjektoren treten häufig hydraulische Schwingungen
zwischen dem als Hochdruckspeicher ausgebildeten Common-Rail und
dem Kraftstoffinjektor auf, die einen nachteiligen Einfluss auf
den Einspritzverlauf, insbesondere bei Mehrfacheinspritzungen, und
auf den Injektorverschleiß haben.
Um diesen hydraulischen Schwingungen entgegenzuwirken, weisen neuere
Kraftstoffinjektoren innerhalb des Gehäuses ein zusätzliches
internes Speichervolumen auf, das auch als „Mini-Rail" bezeichnet wird. Mit diesem internen
Speichervolumen werden die Druckschwingungen gedämpft. Ein derartiger Kraftstoffinjektor
wurde bereits in der deutschen Patentanmeldung
10 2006 026 877.6 vorgeschlagen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor zu schaffen,
bei dem Druckschwingungen effektiv gedämpft werden und der ein verbessertes
Verschleißverhalten
an der Kopplerführung
aufweist. Darüber
hinaus soll der Fertigungsaufwand reduziert werden.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Durch die Führung
der Kopplerstange mit dem Kopplerkolben innerhalb der Führungsbuchse
wird eine massive Führung
bereitgestellt, die ein verbessertes Verschleißverhalten an der Kopplerführung zeigt.
Außerdem
wird eine Positionstrennung der Kopplerführung vom Injektorkörper ermöglicht.
Dadurch können
aufwendige Bearbeitungen für
eine Doppelführung
vermieden werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen der Unteransprüche möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist es, das Führungselement
mit der Führungsbuchse
für den
Kopplerkolben mit einer Düsennadel
mit Steuerhülse
zur düsennadelseitigen
Begrenzung des Kopplerraums zu kombinieren. Dadurch kann die Düsennadel
an der düsennadelseitigen
Stirnseite des Führungselements
führungsfrei
im Düsennadeldruckraum
angeordnet werden. Die Steuerhülse
ist dabei mittels einer Druckfeder vorgespannt und wird mit einer
Ringfläche
durch die Vorspannkraft der Druckfeder gegen eine düsennadelseitige
Stirnfläche
gedrückt,
wobei sich zwischen Ringfläche
und düsennadelseitiger Stirnfläche ein
Dichtsitz ausbildet, der den Kopplerraum vom Düsenadeldruckraum trennt. Die
Vorspannkraft der Druckfeder ist dabei so ausgelegt, dass die Steuerhülse bei Überdruck
im Kopplerraum gegenüber
dem Druck im Düsenadeldruckraum
vom Dichtsitz abhebt und so ein Druck- und Mengenausgleich zwischen
den Räumen
stattfinden kann. Dadurch übt
die Steuerhülse
zusätzlich
eine Schaltfunktion aus, so dass ein zusätzliches Rückschlagventil zur Entspannung
des Kopplerraums entfallen kann. Die düsenadelseitige Stirnfläche wird
dabei von der zur Düsennadel
weisenden Stirnfläche
der Basisplatte des Führungselements
gebildet, so dass die Dichtfläche
ebenfalls an der zur Düsenadel
weisenden Stirnfläche
der Basisplatte ausgebildet ist.
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Zur
Ausbildung eines Kopplerraums weist das Führungselement zweckmäßigerweise
eine Öffnung
auf, die einen der Düsennadel
ausgesetzten ersten Ringraum und einen dem Kopplerkolben ausgesetzten
zweiten Ringraum miteinander verbindet. Zweckmäßig ist es außerdem,
wenn in der Basisplatte Verbindungskanäle ausgebildet sind, über die
eine Hochdruckverbindung zwischen internem Speicherraum und Düsenadeldruckraum
erfolgt. Dadurch entfällt
eine separate Hochdruckbohrung im Injektorkörper.
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Ausführungsbeispiel
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor,
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2 einen
düsennadelseitigen
Ausschnitt X des Kraftstoffinjektors in 1,
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3a eine
perspektivische Darstellung des Führungselements mit Blick auf
eine düsennadelseitigen
Stirnfläche
und
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3b eine
perspektivische Darstellung des Führungselements mit Blick auf
eine kopplerkolbenseitige Ringfläche.
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Der
in 1 und 2 dargestellte Kraftstoffinjektor
weist ein Gehäuse
mit einem Injektorkörper 10 und
einen Düsenkörper 11 auf.
Im Injektorkörper 10 ist
ein Steuerventil 12 mit einem elektromagnetischen Stellelement 13 und
einem Ventilelement 14 angeordnet. Das Stellelement 13 ist
mit einem Anschlussteil 15 verbunden, das mit einer ersten Spannmutter 16,
mit dem Injektorkörper 10 hydraulisch
dicht verspannt ist. Am Anschlussteil 15 sind die elektrischen
Anschlüsse 17 für das magnetische Stellelement 13 und
ein hydraulischer Anschluss 18, der zu einem nicht dargestellten
Niederdruck/Rücklaufsystem
führt,
ausgebildet. Zwischen dem Injektorkörper 12 und dem Düsenkörper 11 ist
weiterhin ein Führungselement 20 angeordnet.
Der Düsenkörper 11 und
das Führungselement 20 sind
mit dem Injektorkörper 10 mittels
einer weiteren Spannmutter 19 hydraulisch dicht verspannt.
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Im
Düsenkörper 11 ist
ein Einspritzventilglied mit einer axial im Düsenkörper 11 verschiebbare
geführten
Düsennadel 21 angeordnet.
An einer Kuppe des Düsenkörpers 11 sind
Einspritzöffnungen 22 eingebracht,
denen am Düsenkörper 11 ein
Düsennadelsitz 23 vorgelagert
ist, auf dem die Düsennadel 21 mit
einer Dichtfläche
aufliegt. Dem Düsennadelsitz 23 ist
im Düsenkörper 11 ein
Düsennadeldruckraum 24 vorgelagert,
dem die Düsennadel 21 mit
einer oberen Druckschulter 25 und einer unteren Druckschulter 26 ausgesetzt
ist. Die Düsennadel 21 weist ferner
einen Düsennadelkolben 27 mit
einer kopplerraumseitigen Stirnfläche 28 auf. Am Düsennadelkolben 27 ist
eine Steuerhülse 30 mit
einer Druckfeder 31 axial vorgespannt geführt. Die
Steuerhülse 30 weist
ferner einer Ringfläche 32 auf,
die mittels der Vorspannkraft der Druckfeder 31 gegen eine
später noch
näher erläuterte Fläche gedrückt wird
und so einen Dichtsitz ausbildet. Der Düsennadelkolben 27 und
die Steuerhülse 30 ist
von einem Ringraum 29 umgeben, der über eine an der Düsennadel 21 ausgebildete
Abflachung mit dem Düsennadeldruckraum 24 hydraulische
verbunden ist. Dadurch bilden der Ringraum 29 und der Düsennadeldruckraum 24 einen
gemeinsamen hydraulische Raum, in dem Rail- bzw. Systemdruck als
Einspritzdruck vorliegt.
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Im
Injektorkörper 10 ist
eine Durchgangsbohrung 35 eingebracht, die einen internen
Speicherraum 36 für
den Kraftstoff ausbildet. In den Speicherraum 36 führt ein
Querbohrung 37, die mit einem Anschluss 38 versehen
ist, der an eine Hochdruckleitung eines nicht dargestellten Common-Rail-Systems
angeschlossen ist. Über
den Anschluss 38 und die Querbohrung 37 wird dem
internen Speicheraum 36 der Kraftstoff mit dem im Common-Rail-System anliegenden
Rail- bzw. Systemdruck zugeführt.
Innerhalb des Speicherraums 36 ist eine Kopplerstange 40 angeordnet,
so dass die Kopplerstange 40 vom Systemdruck umgeben ist.
Die Kopplerstange 40 umfasst düsennadelseitig einen Kopplerkolben 41 und
magnetventilseitig einen Steuerkolben 42. Die Kopplerstange 40 ist
mittels einer Druckfeder 43 in Richtung der Düsennadel 21 vorgespannt.
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Der
Steuerkolben 42 ist in einem Ventilstück 44 geführt, so
dass sich innerhalb des Ventilstücks 44 ein
Steuerraum 45 ausbildet, dem der Steuerkolben 42 mit
einer Steuerfläche 46 ausgesetzt
ist. An der gegenüberliegenden
Seite des Steuerraums 45 weist das Ventilstück 44 einen
Ventilsitz für
eine Ventilkugel auf. Das Ventilelement 14 umfasst weiterhin
einen Ventilkolben 47, der mit einem Magnetanker 48 in Verbindung
steht, der wiederum vom elektromagnetischen Stellelement 13 betätigt wird.
Das Ventilelement 14 trennt über den Ventilsitz den Steuerraum 45 von
einem Niederdruckraum 50, in dem das Stellelement 12 angeordnet
ist und der über
nicht näher
dargestellte hydraulische Kanäle
mit dem hydraulischen Anschluss 18 verbunden ist, der in
ein Niederdruck/Rücklaufsystem
führt.
Die Druckfeder 43 des Kopplerkolbens 40 stützt sich über eine
Ringscheibe am Ventilstück 44 ab.
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Vom
Steuerraum 45 führt
eine hydraulische Ablaufleitung 49 mit einer nicht näher dargestellten Ablaufdrossel über den
Ventilsitz des Ventilelements 14 in den Niederdruckraum 50.
Vom internen Speicherraum 36 führt eine weitere hydraulische
Zulaufleitung 52 mit einer ebenfalls nicht näher dargestellten
Zulaufdrossel in den Steuerraum 45. Die Ablaufdrossel und
die Zulaufdrossel sind so dimensioniert, dass über die Ablaufleitung 49 mit
der Ablaufdrossel bei geöffnetem
Ventilelement 14 mehr Kraftstoff abfließen kann als über die
Zulaufleitung 52 mit der Zulaufdrossel zufließen kann.
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Das
Führungselement 20 umfasst
eine flanschartige Basisplatte 61 und eine daran angeformte Führungsbuchse 62 mit
einer Führungsbohrung 63. In
der Basisplatte 61 ist fluchtend zur Führungsbohrung 63,
eine Öffnung 64 ausgebildet,
die in die Führungsbohrung 63 führt. An
der Öffnung 64 ist
ein düsennadelseitiger
Ringraum 71 und ein kopplerkolbenseitiger Ringraum 72 ausgebildet,
wobei die Öffnung 64 und
die beiden Ringräume 71, 72 einen Kopplerraum 70 ausbilden.
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Die
Basisplatte 61 ist an der zur Düsennadel 21 weisenden
Seite mit einer Stirnfläche 65 ausgeführt. Gegen
die Stirnfläche 65 drückt die
Ringfläche 32 der
Steuerhülse 30 mittels
der Vorspannkraft der Druckfeder 31, so dass sich zwischen
der Ringfläche und
der Stirnfläche 65 der
Dichtsitz ausbildet, mit der die Steuerhülse 30 den düsennadelseitigen
Ringraum 71 umgibt und dadurch den Kopplerraum 70 zum
Düsennadeldruckraum 24 hin
im Wesentlichen hydraulisch abdichtet. Die Vorspannkraft der Druckfeder 31 ist
dabei so ausgelegt, dass die Steuerhülse 30 zusätzlich eine
Schaltfunktion ausübt,
wobei die Steuerhülse 30 bei Überdruck
im Kopplerraum 70 gegenüber
dem Druck im Düsenadeldruckraum 24 vom Dichtsitz
abhebt und so ein Druck- und Mengenausgleich zwischen dem Kopplerraum 70 und
dem Düsenadeldruckraum 24 stattfinden
kann.
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Gleichzeitig
kann die Stirnfläche 65 als
Hubanschlag für
die die kopplerraumseitige Stirnfläche 28 der Düsennadel 27 ausgebildet
sein. An der zur Kopplerstange 40 weisenden Seite weist
das Führungselement 20 eine
weitere ringförmige
Stirnfläche 66 auf,
die radial um die Führungsbuchse 62 verläuft. An
der weiteren ringförmigen
Stirnfläche 66 ist
gemäß 3b ein
Führungsbund 67 ausgebildet,
der zum Zentrieren des Führungselements 20 dient.
Radial um die Öffnung 64 sind
mehrere Verbindungskanäle 68 durch
die Basisplatte 61 geführt,
die an der ringförmigen
Stirnfläche 66 durch
den Führungsbund 67 fuhren,
so dass sie die Führungsbuchse 63 radial umgeben. Über die
Verbindungskanäle 68 erfolgt eine
hydraulische Verbindung des internen Speicherraums 36 mit
dem Düsennadeldruckraum 24.
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Im
Kopplerraum 70 ist gemäß 2 beispielsweise
ein Hubeinstellstück 75 angeordnet,
das im Durchmesser so dimensioniert ist, dass die am Düsennadelkolben 27 und
am Kopplerkolben 41 ausgebildeten Ringräume über die Öffnung 64 hydraulisch
verbunden sind. Zur Begrenzung der Einspritzmenge ist es aber genauso
denkbar, anstelle des Hubeinstellstücks 72 die Basisplatte 61 an
der Seite der düsennadelseitigen
Dichtfläche 65 mit
einer Anschlagfläche
zu versehen, während
die Kopplerstange 40 sich weiter frei bewegen kann und
somit für
ein gleich bleibendes Druckniveau im Kopplerraum 70 sorgt.
Die Vorteile eines Hubanschlages liegen im gegenseitigen Abdichten
der beiden Ringräume 71, 72 voneinander.
Dadurch wird die Leckage über
die Führung
zwischen Düsennadelkolben 27 und
Steuerhülse 30 vermindert.
Eine selbständige
Schließbewegung
der Düsennadel 21 während der
Phase des Hubanschlages durch einen schleichenden Druckausgleich
zwischen dem Kopplerraum 70 mit den Druckräumen 24, 35 wird
somit außerdem
ausgeschlossen.
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Während der Öffnungsbewegung
von Kopplerstange 40 und Düsenadel 21 gelangt über die
Führung 63 und über die
Führung
zwischen Düsenadel 21 und
der Steuerhülse 30 Kraftstoff
aus dem Hochdruckräumen 36 bzw.
aus dem Düsennadeldruckraum 24 in
den Kopplerraum 70.
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Der
Kraftstoffinjektor arbeitet folgendermaßen: Wird das elektromagnetische
Stellelement 13 des Steuerventils 12 bestromt,
wird der Magnetanker 48 gegen das Stellelement 13 gezogen
und hebt somit das Ventilelement 14 vom Ventilsitz ab.
Dadurch entsteht eine hydraulische Verbindung des Steuerraums 45 über die
Verbindung 49 mit dem Niederdruckraum 50, der
wiederum über
den hydraulischen Anschluss 18 mit dem Niederdruck-Rücklaufsystem verbunden
ist. Dadurch fällt
der Druck im Steuerraum 45 ab und die in Öffnungsrichtung
der Düsennadel 21 an
den Druckschultern 25, 26 wirkende Öffnungskraft übersteigen
die im Steuerraum 45 auf die Steuerfläche 46 wirkende Schließkraft.
Die Düsennadel 21 wird
dadurch aus dem Düsennadelsitz 23 gehoben und
die Einspritzdüsen 22 werden
freigegeben. Dadurch wird der im Düsennadeldruckraum 24 anliegende
Kraftstoff mit dem Systemdruck des Common-Rails eingespritzt. Wird
das elektromagnetische Stellelement 13 wieder stromlos
geschaltet, fällt
der Magnetanker 48 ab und der Magnetanker 48 drückt mittels
einer nicht näher
dargestellten Schließfeder das
Ventilelement 14 in den Ventilsitz. Damit ist der Steuerraum 45 wieder
vom Niederdruck/Rücklaufsystem
entkoppelt. Der Steuerraum 45 wird nun über die weitere hydraulische
Verbindung 52 wieder mit Systemdruck aus dem internen Speicherraum 36 befüllt. Bedingt
durch die Vorspannkräfte
der Druckfeder 43 und dem Druckausgleich zwischen dem Steuerraum 45 und
dem Kopplerraum 70 bewegt sich die Kopplerstange 40 wieder
in Richtung der Düsennadel 21,
wobei die Bewegung über
den Kopplerraum 70 auf die Düsennadel 21 übertragen
wird, so dass die Düsennadel 21 wieder
in den Düsennadelsitz 23 gestellt
wird. In der Schließphase übt die Steuerhülse 30 eine
Schaltfunktion aus und hebt dabei mit der Ringfläche 32 von der düsenadelseitiger
Dichtfläche 65 ab. Über den
Spalt zwischen der Ringfläche 32 und
der düsenadelseitiger
Dichtfläche 65 wird überschüssige Leckage
aus dem Kopplerraum 70 in den Düsenadeldruckraum 24 abgelassen.
Dadurch sind die Einspritzdüsen 22 vom
Systemdruck am Düsennadeldruckraum 24 entkoppelt
und der Einspritzvorgang ist beendet.