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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von
Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Kraftstoffinjektoren
mit direkt betätigbarer Düsennadel bzw. mit so
genannter direkter Nadelsteuerung, bei denen die Düsennadel
von einem Piezo-Aktor ohne Zwischenschaltung eines Servo-Ventils
direkt angesteuert wird, sind bekannt. Dabei ist es möglich,
die Düsennadel mit einem drückenden Aktor oder
mit einem ziehenden Aktor zu betätigen. Ein Kraftstoffinjektor,
bei dem die Düsennadel mit einem drückenden Aktor
angesteuert wird, ist beispielsweise aus
DE 195 00 706 C2 bekannt.
Bei diesem Kraftstoffinjektor wird durch ein Kolben-in-Kolben-System eine
Hubumkehr eines drückenden Aktorhubs zum Öffnen
der nach innen öffnenden Düsennadel realisiert.
Dabei wirkt ein mit dem Piezo-Aktor verbundener Kopplerkolben über
eine Übersetzungseinrichtung auf einen Düsennadelkolben
bzw. auf einen mit der Düsenadel verbundenen Steuerkolben
ein. Die Übersetzungseinrichtung umfasste einen Kopplerraum
und einen Steuerraum, wobei der Kopplerkolben auf den Kopplerraum
drückt und der Düsenadelkoben mit einer in Öffnungsrichtung
wirkenden Druckschulter dem Steuerraum ausgesetzt ist. Das gemeinsame
Einwirken des Kopplerkolbens und des Düsennadelkolbens
auf einen gemeinsamen Steuerraum erfordert paarungsgenaue Führungsflächen
für den Kopplerkolben und den Düsennadelkolben,
die nur mit sehr hohem Fertigungsaufwand herstellbar sind.
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In
der
DE-Patentanmeldung 1020050124299.7 wurde
bereits vorgeschlagen, den Kopplerraum und den Steuerraum räumlich
zu trennen und über eine Bypassleitung hydraulisch zu verbinden.
Dazu ist die Ausbildung eines Schließraums für
die Düsenadel notwendig. In einer Aufnahme im Düsenkörper
ist eine Steuerraumhülse zur Ausbildung des Steuerraums
und eine Schließraumhülse zur hydraulischen Trennung
des Schließraum vom Steuerraum angeordnet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor mit
einer direkt betätigbaren Düsennadel und mit drückendem
Aktor zu schaffen, der mit einem kurzen Piezo-Aktor auskommt und
der fertigungstechnisch einfach herstellbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit einem Kraftstoffinjektor mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch
die Ausbildung des Steuerraums und des Schließraums in
einer Zwischenplatte zwischen Injektorkörper und Düsenkörper
wird eine zweite Führung für die Düsennadel
am Steuerkolben zur Ausbildung des Steuerraums von der Führung
der Düsennadel im Düsenkörper entkoppelt.
Die Führung zur Ausbildung des Steuerraums und des Schließraums
ist dabei der Stufenbohrung in der Zwischenplatte zugeordnet. Dadurch wird
zwischen der Führung der Düsennadel im Düsenkörper
und der Führung des Steuerkolbens ein Ausgleich der Fertigungsgenauigkeiten
der Führungsachsenlage zueinander und ein darauf zurückzuführender
Verschleiß oder Funktionsabweichungen durch Reibung vermieden,
so dass für diese beiden Führungen kein Paarungsschleifen
erforderlich ist. Darüber hinaus wird ein kompakter Aufbau
des Kraftstoffinjektors geschaffen.
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Besonders
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen
der Unteransprüche möglich.
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Eine
besonders zweckmäßige Ausführungsform,
die eine Entkopplung der Führung der Düsennadel
und der Führung des Steuerkolbens zur Ausbildung des Steuerraums
und des Schließraums bietet, wird dadurch erreicht, indem
am Steuerkolben eine axial verschiebbare Steuerraumhülse
geführt ist, die mit einer Stirnfläche gegen eine
Dichtfläche drückt, so dass die Steuerraumhülse
innerhalb der Stufenbohrung den Steuerraum vom Schließraum
hydraulisch trennt. Die Dichtfläche zur Trennung des Steuerraums
vom Schließraum ist innerhalb der Stufenbohrung zwischen
dem Steuerraumabschnitt und dem Schließraumabschnitt an
der Zwischenscheibe ausgebildet. Dadurch entfällt auch
eine weitere axial verschiebbar am Steuerkolben geführte
Hülse, nämlich die Schließraumhülse
zur hydraulischen Trennung des Schließraums vom Steuerraum.
Zwischen der Steuerraumhülse und dem Innendurchmesser der
Stufenbohrung ist weiterhin ein Ringspalt ausgebildet, der ein radiale
Verschiebung der Zwischenplatte bei Beibehaltung der Führung
für die Düsenadel und der Führung für
den Steuerkolben erlaubt. Dadurch ist die Führung am Steuerkolben
vom einer Zwangsführung durch die erste Führung
im Düsenkörper entkoppelt. Innerhalb des Steuerraums
ist eine Druckfeder angeordnet, die die Steuerraumhülse
axial vorspannt. Zweckmäßigerweise ist die Druckfeder
eine Wellfeder. Zum Führen der Druckfeder bzw. der Wellfeder
ist im angrenzenden Düsenkörper eine Führungsansenkung
ausgebildet, in der die Druckfeder bzw. die Wellfeder aufliegt.
Im Schließraum ist eine weitere Druckfeder angeordnet, die
die Düsennadel in Schließrichtung drückt.
Vorzugsweise ist zwischen Piezo-Aktor und dem Kopplerkolben ein
Ausgleichselement angeordnet, um eventuell auftretende radiale Kräfte
auf den Aktorkolben zu kompensieren, sofern der Piezo-Aktor nicht genau
zentrisch in seiner Aufnahmebohrung aufgenommen ist.
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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. Die Figur zeigt einen Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor.
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Der
Kraftstoffinjektor besitzt ein oberes Gehäuseteil 10,
ein unteres Gehäuseteil 11 und eine dazwischen
angeordnete Zwischenplatte 12. Die Gehäuseteile 10, 11 und
die Zwischenplatte 12 werden mit einer nicht dargestellten
Spannmutter hydraulisch dicht verspannt. Im oberen Gehäuseteil,
das nachfolgend als Aktorgehäuse 10 bezeichnet
wird, ist ein Piezo-Aktor 13 angeordnet. Im unteren Gehäuseteil, das
nachfolgend als Düsenkörper 11 bezeichnet wird,
ist ein Einspritzventilglied mit einer Düsennadel 15 aufgenommen.
An einer Kuppe des Düsen körpers 11 ist
ein Düsennadelsitz 16 ausgebildet, dem in Einspritzrichtung
im Düsenkörper 11 ausgebildete und in den
Brennraum einer Brennkraftmaschine hineinragende Einspritzöffnungen 17 nachgeordnet
sind. Auf dem Düsennadelsitz 16 liegt die Düsennadel 15 mit einem
Düsennadelsitz 18 auf, wobei der Düsenkörpersitz 16 und
der Düsennadelsitz 18 zusammen einen Düsennadeldichtsitz
ergeben. Der Düsennadeldichtsitz trennt im geschlossenen
Zustand der Düsennadel 15 die Einspritzöffnungen 17 von
einem mit Hochdruck beaufschlagten Düsennadeldruckraum 19.
Dem Düsennadeldruckraum 19 ist die Düsennadel 15 mit
einer oberen Druckschulter 21.1 und einer unteren Druckschulter 21.2 ausgesetzt.
Zur Führung der Düsennadel 15 ist im
Düsenkörper 11 eine erste Führung 22 ausgebildet,
in der die Düsennadel 15 axial verschiebbar geführt
ist.
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Im
Injektorkörper 10 ist eine Aufnahme 23 ausgebildet,
in der der Piezo-Aktor 13 aufgenommen ist. In der Aufnahme 23 befindet
sich weiterhin ein Kopplerkolben 25, an dem eine Zylinderhülse 26 axial
verschiebbar geführt ist. Die Zylinderhülse 26 ist mittels
einer ersten Druckfeder 27 am Kopplerkolben 25 vorgespannt
und drückt mit einer Ringfläche gegen eine aktorseitige
Stirnfläche der Zwischenplatte 12. Innerhalb der
Zylinderhülse 26 ist ein Kopplerraum 20 ausgebildet,
dem der Kopplerkolben 25 mittels einer Druckfläche 29 ausgesetzt
ist. Um Ungenauigkeiten beim Einbau des Piezo-Aktors 13 auszugleichen
und sicherzustellen, dass im wesentlichen nur axiale Kräfte
auf den Kopplerkolben 25 übertragen werden, ist
zwischen dem Piezo-Aktor 13 und dem Kopplerkolben 25 ein
Ausgleichselement 14 angeordnet. Durch den Injektorkörper 10 ist
weiterhin ein Hochdruckkanal 28 geführt, der über
einen Hochdruckanschluss, beispielsweise an ein Common-Rail-System
einer Dieseleinspritzanlage angeschlossen ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist
die Aufnahme 23 vom Hochdruckkanal 28 hydraulisch
getrennt, so dass der Piezo-Aktor 13 und der Kopplerkolben 25 sich
getrennt vom Systemdruck in einem Niederdruckbereich befinden.
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In
der Zwischenplatte 12 befinden sich eine von der düsennadelseitigen
Seite ausgehende Stufenbohrung 30. Weiterhin verlaufen
in der Zwischenplatte 12 eine Zulaufbohrung 32,
eine Steuerbohrung 33, eine Nut 34 und eine Ausgleichsbohrung 35.
Die Stufenbohrung 30 bildet düsenkörperseitig
einen Steuerraumabschnitt 37 und einem Schließraumabschnitt 38.
In den Steuerraumabschnitt 37 ragt die Düsennadel 15 mit
einem Steuerkolben 40 hinein, dessen Durchmesser größer
ist als der Durchmesser der Düsennadel 15 im Bereich
der Führung 22. Im Steuerraumabschnitt 37 ist
weiterhin eine Steuerraumhülse 41 angeordnet,
in der der Steuerkolben 40 der Düsennadel 15 in
einer Führung 43 reibungsarm und nahezu fluiddicht
geführt ist. Um eine Überbestimmung der Führung
zwischen Steuerkolben 40 und Steuerraumhülse 41 zu
vermeiden, ist zwischen Steuerraumhülse 41 und
Innendurchmesser des Steuerraumabschnitts 37 ein Ringspalt 36 vorhanden.
Die Steuerraumhülse 41 drückt mit einer Ringfläche 44 gegen
den Bund zwischen dem Steuerraumabschnitt 37 und Schließraumabschnitt 38. Dadurch
umschließt die Steuerraumhülse 41 einen im
Schließraumabschnitt 38 ausgebildeten Schließraum 45,
dem der Steuerkolben 40 mit einer rückwärtigen
Schließfläche ausgesetzt ist, die sich im vorliegenden
Ausführungsbeispiel durch die Stirnfläche 46.1 und
die Ringfläche 46.2 zusammensetzt. Im Schließraum 45 befindet
sich eine Schließfeder 47, die in Schließrichtung
auf die Düsennadel 15 wirkt. An der den Schließflächen 46.1, 46.2 gegenüberliegenden
Seite ist zwischen dem Führungsabschnitt der Düsennadel 15 und
dem Steuerkolben 40 eine Ringfläche 42 ausgebildet.
Im Steuerraumabschnitt 37 ist außerhalb der Steuerraumhülse 41 ein
Steuerraum 50 ausgebildet, der durch die Führung 43 zwischen
dem Steuerkolben 40 und der Steuerraumhülse 41 sowie
durch die Dichtwirkung der Ringfläche 44 der Steuerraumhülse 41 hydraulisch
dicht vom Schließraum 45 getrennt ist. Dem Steuerraum 50 ist die
Ringfläche 42 als eine in Öffnungsrichtung
der Düsennadel 15 wirkende Druckschulter 48 für
die Düsennadel 15 ausgesetzt. Die Druckschulter 48 wirkt somit
an der dem Schließraum 45 entgegengesetzten Seite
auf den Steuerkolben 40. Auf die Steuerraumhülse 41 wirkt
eine weitere Druckfeder 49, die die Dichtkraft für
die Ringfläche 44 erzeugt. Die weitere Druckfeder 49,
die zweckmäßigerweise als Wellfeder ausgeführt
ist, liegt zur besseren radialen Führung in einer in den
Düsenkörper 11 eingebrachten Führungsansenkung 51 auf.
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Das
Volumen des Steuerraums 50 wird somit durch den Ringspalt 36,
durch den unterhalb der Steuerraumhülse 41 ausgebildeten
Raum des Steuerraumabschnitts 37 sowie durch die Führungsansenkung 51 gebildet.
Der Steuerraum 50 ist über die Nut 34 und
die Steuerbohrung 33 mit dem Kopplerraum 20 hydraulisch
verbunden. Der Schließraum 45 ist über
die Ausgleichsbohrung 35 mit dem Hochdruckkanal 28 hydraulisch
verbunden.
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Um
Leckagemengen an der Führung 22 der Düsennadel 15 sowie
an der Führung 43 zwischen Steuerkolben 40 und
Steuerraumhülse 41 zu minimieren und um die Axialbewegung
der Düsennadel 15 mit möglichst geringer
Reibung zu gewährleisten, müssen die Führungen 22, 43 nahezu
fluiddicht und gleichzeitig reibungsarm gepaart oder paarungsgeschliffen
sein. Das Führungsspiel darf jeweils nur wenige Tausendstel
Millimeter betragen. Der Kopplerraum 20 und der Steuerraum 50 werden über
die Leckagemengen der Führungen 22 und 43 mit
Raildruck versorgt. Die Leckagemengen ermöglichen eine
Erstbefüllung des Steuerraums 50 und des Kopplerraums 20.
Durch die doppelte Düsennadelführung in der Führung 22 und
in der Führung 43 wird die Düsennadel 15 radial
stabilisiert.
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Der
Kraftstoffinjektor arbeitet folgendermaßen: Der Kraftstoffinjektor
weist bei einem spannungslos geschalteten Piezo-Aktor 13 eine
geschlossene Düsennadel 15 auf, so dass in allen
Druckräumen Raildruck bzw. Systemdruck des Common-Rail-Systems
anliegt. In diesem Zustand sind alle Druckräume druckausgeglichen
und mit Raildruck versorgt. Durch die Flächenverhältnisse
und mit Hilfe der Schließfeder 47 ist sichergestellt,
dass die Düsennadel 15 mit dem Düsennadelsitz 18 in
den Düsenkörpersitz 16 gedrückt
wird, so dass bei einem spannungslos geschalteten Piezo-Aktor 13 die
Einspritzdüsen 17 vom Düsennadeldruckraum 19 hydraulisch
getrennt sind.
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Zum Öffnen
der Düsennadel 15 wird der Piezo-Aktor 13 mit
einer Spannung beaufschlagt, wodurch sich der Piezo ausdehnt und
dadurch der Kopplerkolben 25 eine drückende Hubbewegung ausführt.
Durch die drückende Bewegung des Kopplerkolbens 25 wird
eine hydraulische Steuermenge im Kopplerraum 20 verdrängt,
die über die Steuerbohrung 33 und die Nut 34 auf
den Steuerraum 50 übertragen wird. Dadurch erhöht
sich der Druck im Steuerraum 50, der wiederum auf die Druckschulter 48 wirkt.
Der entgegenwirkende Druck im Schließraum 45 bleibt
auf Raildruckniveau. Die Druckverhältnisse an der Düsennadel 15 werden
dadurch verändert, so dass die Druckkraft im Steuerraum 50 zusammen
mit den an den Druckschultern 21.1 und 21.2 die
entgegenwirkende Schließkraft übersteigt, und
dadurch die Düsennadel 15 vom Düsenkörpersitz 16 abgehoben
und Kraftstoff mit dem im Düsennadeldruckraum 19 herrschenden
Raildruck über die Einspritzöffnungen 17 in
den Brennraum der Brennraummaschine eingespritzt wird. Der Einspritzvorgang
läuft nahezu ohne Zeitverzögerung ab. Die schnelle
Aktorbewegung des Piezo-Aktors 13 und das geringe Führungsspiel
der Führungen 22, 43 stellt die unmittelbare
und nahezu verlustfreie Umsetzung der hydraulischen Steuermenge
in einen entsprechenden Hubweg der Düsennadel 15 sicher. Das
vom Piezo-Aktor 13 erzeugte Steuervolumen und das Flächenverhältnis
der Druckfläche 29 und der Ringfläche 42 bestimmen
das Übersetzungsverhältnis und den Hubweg der
Düsennadel 15. Das Flächenverhältnis
an beiden Führungen 22, 43 sowie der
Durchmesser des Düsennadeldichtsitzes 18 bestimmen
die zum Öffnen der Düsennadel 15 erforderliche
Druckkraft. Das von der Düsennadel 15 im Schließraum 45 verdrängte
Kraftstoffvolumen entweicht über die Ausgleichsbohrung 35.
Um die Düsennadel 15 voll zu öffnen,
wird der Piezo-Aktor 13 mit der maximalen für
das System vorgegebenen Spannung beaufschlagt. Die Düsennadel 15 bleibt
so lange geöffnet, bis eine Spannungsverringerung vom Steuergerät
den Piezo-Aktor 13 verkürzt.
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Durch
eine variable Bestromung des Piezo-Aktors 13 ist es außerdem
möglich, die hydraulische Steuermenge und dadurch den Hubweg
der Düsennadel 15 direkt zu beeinflussen. Zusätzlich
kann durch die Lade- und Entladerate des Piezo-Aktors 13 die
Düsennadelgeschwindigkeit sogar innerhalb eines Bewegungsvorgangs
variiert werden. Der Hub und die Öffnungszeiten der Düsennadel 15 bestimmen
die Kraftstoffeinspritzmenge. Dies erlaubt eine individuelle Einspritzverlaufsformung
mit deren Hilfe der Verbrennungsvorgang gezielt beeinflusst werden kann.
Zudem sind, wie bei bekannten Einspritzsystemen, Vor- und Nacheinspritzungen
möglich.
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Zum
Schließen der Düsennadel 15 wird durch
das Steuergerät die Spannung am Piezo-Aktor 13 verringert.
Der Piezo-Aktor 13 zieht sich zusammen und der Kopplerkolben 25 folgt
mit Unterstützung der Druckfeder 27 der Hubbewegung
des Piezo-Aktors 13. Dem Kopplerraum 20 wird Kraftstoff entzogen,
die entstehende Druckminderung im Steuerraum 50 bewegt
die Düsennadel 15 in den Düsenkörpersitz 16 und
die Kraftstoffzufuhr in den Brennraum wird unterbrochen. Die Schließbewegung
der Düsennadel 15 wird durch den im Schließraum 45 herrschenden
Raildruck unterstützt. Die Schließgeschwindigkeit
der Düsennadel 15 wird dabei durch die Entladerate
des Spannungssignals vorgegeben. Die Entladerate kann während
des Schließvorgangs variiert werden und somit kann der Schließvorgang der
Düsennadel 15 verschleißoptimiert erfolgen.
Bei abgestelltem Motor drückt die Schließfeder 47 die Düsennadel 15 in
den Düsenkörpersitz 16 und stellt damit
die Systemdichtheit im Brennraum sicher.
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Das
Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
erfordert eine Abstimmung der hydraulisch wirksamen Flächen
auf die erforderlichen Hubwege. Die Formel hierzu lautet: A1 × L1
= A2 × L2. Dabei ist A1 die Fläche der Druckfläche 29 und
L1 der Hub des Piezo-Aktors 13 sowie A2 die Fläche
der Ringfläche 42 und 12 der Hub der
Düsennadel 15. Ziel der Konstruktion sollte ein
möglichst geringer Aktorhub sein, wobei der Düsenkörpersitz 16 im
Vollhub des Aktors sicher entdrosselt sein sollte. Hierbei ist,
wie oben erwähnt, ein Körpersitzwinkel größer
80° von Nutzen, da dieser bei einem kleineren Nadelhub
mit 60° Sitzwinkel entdrosselt ist. Der Hub der Düsennadel 15 ist
nahezu proportional zum Hub des Piezo-Aktors 13 und dem
Flächenverhältnis von Druckfläche 29 zur
hydraulisch wirksamen Ringfläche 42. Der Hub der
Düsenadel 15 verhält sich zum Aktorhub
im Verhältnis der Druckfläche 29 zur
Ringfläche 42.
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Der
zum Öffnen der Düsennadel erforderliche Druck
im Steuerraum 50 wird durch die Druckkräfte an
der Düsennadel 15 bestimmt. Die öffnenden Druckkräfte
müssen größer als die im Schließraum 45 auf
die Düsennadel 15 wirkenden Druckkräfte
einschließlich der Federkraft der Schließfeder 47 sein. Da
im Schließraum 45 immer Raildruck und im Steuerraum 50 bei
geschlossener Düsennadel 15 ebenfalls Raildruck
ansteht, ist die Düsennadel 15, bis auf die Fläche
unterhalb des Düsennadelsitzes 18, druckausgeglichen.
Damit die öffnenden Druckkräfte überwiegen,
wird der Druck im Steuerraum 50, ausgelöst durch
die Bewegung des Piezo-Aktors 13, über den Kopplerkolben 25 erhöht.
Je geringer der Raildruck und je kleiner der Durchmesser am Düsennadelsitz 18 ist,
desto geringer ist die erforderliche Drucksteigerung im Steuerraum 50.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19500706
C2 [0002]
- - DE 1020050124299 [0003]