-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft einen Injektor für eine Kraftstoffeinspritzanlage
einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
-
Injektoren
für Kraftstoffeinspritzanlagen
sind im heutigen Kraftfahrzeugbau weit verbreitet und umfassen üblicherweise
einen Injektorkörper,
in welchem eine Düsennadel
zur Steuerung einer Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum
der Brennkraftmaschine hubverstellbar gelagert ist. Zur Steuerung
einer Öffnungs-
bzw. Schließbewegung
der Düsennadel,
weist der Injektor einen Piezoaktor auf, welcher die Bewegung der
Düsennadel über eine Änderung
von Druckverhältnissen
in einem Kopplerraum beeinflusst. Die bekanten Injektoren werden dabei üblicherweise
invers betrieben, d. h. zum Schließen der Düsennadel wird der Piezoaktor
bestromt, während
er zum Öffnen
der Düsennadel
entstromt wird. Ein derartiges Konzept bedingt jedoch, dass der
Piezoaktor im Ruhezustand unter Spannung stehen muss und lediglich
zur Ansteuerung einer Einspritzung entladen wird. Dadurch ergeben sich
Probleme bei der Haltbarkeit der Piezoaktoren sowie ein hoher Aufwand
in einem Steuergerät,
da dem Piezoaktor im Ruhezustand ständig eine hohe Spannung zur
Verfügung
stehen muss.
-
Vorteile der Erfindung
-
Der
erfindungsgemäße Injektor
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat dem gegenüber den Vorteil, dass er nicht
invers betrieben wird, sondern dass sich die Düsennadel beim Aktivieren, das
heißt beim
Bestromen des Piezoaktors öffnet,
während
sie sich beim Deaktivieren des Piezoaktors schließt. Der Injektor
weist einen Injektorkörper
mit einem Nadelabschnitt und einem Aktorabschnitt auf, wobei im
Nadelabschnitt eine Düsennadel
zur Steuerung einer Einspritzung von Kraftstoff durch wenigstens
ein Spritzloch hubverstellbar gelagert ist, während im Aktorabschnitt ein,
in einem zur Düsennadel
vorzugsweise topfförmig
geöffneten
Hohlkolben hubverstellbar gelagerter, gestufter Kopplerkolben angeordnet ist.
Der Kopplerkolben kann dabie ein- oder mehrteilig ausgebildet sein,
einen Boden des Hohlkolbens durchdingen und sich an einem, im Aktorabschnitt angeordneten
Piezoaktor abstützen,
welcher sich andererseits am Injektorkörper abstützt. Zusammen mit dem Hohlkolben
begrenzt der Kopplerkolben einen Kopplerraum, während zumindest die Düsennadel
einen Nadelsteuerraum axial begrenzt, welcher vorzugsweise in Umfangsrichtung
von einer die Düsennadel
koaxial umgebenden Dichthülse
begrenzt ist. Der Nadelsteuerraum und der Kopplerraum sind dabei
beispielsweise über
einen Kopplungspfad hydraulisch miteinander verbunden. Bei Bestromen dehnt
sich der Piezoaktor aus und verstellt den Kopplerkolben derart im
Hohlkolben, dass sich ein Volumen des Kopplerraums vergrößert und
dadurch der Druck im Kopplerraum reduziert. Die Druckreduzierung
pflanzt sich über
den Kopplungspfad in den Nadelsteuerraum fort, wodurch sich das
Volumen des Nadelsteuerraums zu verkleinern sucht. Diese Verkleinerung
des Volumens des Nadelsteuerraums kann ausschließlich durch eine Verringerung
des Abstands zwischen dem Kopplerkolben und der Düsennadel
erfolgen, so dass sich die Düsennadel
zwangsläufig
auf den Kopplerkolben zu und damit in Richtung ihrer Öffnungsstellung
bewegt. Hierdurch wird ein separates Umkehrmodul ausgebildet, wobei
der gestufte Kopplerkolben mechanisch vom Piezoaktor bewegt wird.
Der Hohlkolben bietet für
den Kopplerkolben eine gestufte und damit eine besonders exakte
Führung,
wobei die Verwendung des Hohlkolbens den großen Vorteil bietet, dass Dichtspalte
zum Kopplerraum zwischen dem Hohlkolben und dem Kopplerkolben liegen.
Radial außerhalb
des Hohlkolbens liegt ein Systemdruck an, wodurch eine starke Aufweitung
der Kopplerspalte durch den Kraftstoffdruck im Kopplerraum vermieden
wird und wodurch eine Auslegung der Kopplerspalte sehr exakt auf
die Wiederbefüllung
des Kopplerraums angepasst werden kann. Durch einen vorzugsweise
konzentrischen Aufbau der genannten Komponenten lässt sich
die Bewegungsumkehr einerseits mit konstruktiv einfachen Bauteilkomponenten
und andererseits mit geringem Bauraumbedarf erreichen, wobei insbesondere
aufwändige
und leckageanfällige
Bohrungsführungen
im Injektorkörper
vermieden werden können. Darüber hinaus
kann weiterhin eine gewöhnliche
Düsennadel
verwendet werden, so dass die Herstellung einer aufwändigen neuen
Düsennadel
entfallen kann.
-
Zweckmäßig ist
eine Kontaktstelle des Piezoaktors zum Kopplerkolben oder eine Kontaktstelle des
Kopplerkolbens zum Piezoaktor ballig ausgebildet. Gallig bedeutet
in diesem Fall konvex zum Kopplerkolben bzw. konvex zum Piezoaktor.
Eine derartige ballige Ausbildung der Kontaktstelle verhindert dabei
eine Übertragung
von Querkräften,
da eine Abstützung
zwischen dem Piezoaktor und dem Kopplerkolben lediglich über eine
sehr kleine Kontaktfläche, welche
vorzugsweise punktförmig
ausgebildet ist, erfolgt. Denkbar ist auch eine Anordnung entsprechender
Gelenke im Piezoaktor oder im Kopplerkolben, welche eine Übertragung
von Querkräften
zuverlässig
vermeiden.
-
Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist
eine Anschlageinrichtung zur Begrenzung eines Nadel- und/oder Kopplerkolbenhubs
vorgesehen, welche entweder am Kopplerkolben oder am Hohlkolben
angeordnet ist. Eine derartige Anschlageinrichtung kann beispielsweise eine
koaxial zur Dichthülse
oder zur Düsennadel
angeordnete Anschlaghülse
aufweisen oder zumindest ein Anschlagelement, welches den Kopplerkolben
in axialer Richtung durchdringt und in den Kopplerraum und/oder
in den Nadelsteuerraum hineinragt. Durch eine derartige Anschlageinrichtung,
entweder mit Anschlaghülse
oder zumindest einem Anschlagelement, kann eine Begrenzung der Öffnungsbewegung erreicht
werden, wodurch sich eine Einspritzmenge besonders exakt dosieren
lässt.
Gleichzeitig kann hierdurch auch eine, je nach Ausgestaltung der
Anschlageinrichtung, vordefinierbare Maximalbewegung der Düsennadel
erzwungen werden. Somit bietet eine derartige Anschlageinrichtung
Möglichkeiten, Einfluss
auf das Einspritzverhalten des erfindungsgemäßen Injektors zu nehmen.
-
Zweckmäßig ist
der Piezoaktor in einem Aktordruckraum angeordnet, welcher mit einem
Nadeldruckraum im Nadelabschnitt hydraulisch verbunden ist. Der
Piezoaktor ist somit im wesentlichen schwimmend im Aktordruckraum
gelagert, wobei durch die ständige
Beaufschlagung des Aktordruckraumes mit Systemdruck der Systemdruck
auch ständig
im Nadeldruckraum anliegt. Durch diese Kombination kann eine Aufweitung
der zum Kopplerraum führenden Dichtspalte
zwischen dem Kopplerkolben und dem Hohlkolben vermieden werden,
so dass die Kopplerspalte bestmöglichst
auf die Wiederbefüllung
des Kopplerraumes angepasst werden können. Dies ermöglicht eine
besonders genaue und exakte Funktionsweise des erfindungsgemäßen Injektors.
-
Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Injektors ergeben sich
aus den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
-
Zeichnungen
-
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. Es zeigen, jeweils schematisch,
-
1 einen
Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Injektor,
-
2 eine
Darstellung wie in 1, jedoch bei einem anderen
Injektor.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
Entsprechend
den 1 und 2 umfasst ein erfindungsgemäßer Injektor 1 für eine im Übrigen nicht
dargestellte Kraftstoffeinspritzanlage einer Brennkraftmaschine
einen Injektorkörper 2,
welcher im vorliegenden Fall aus einem Aktorabschnitt 3 und einem
Nadelabschnitt 4 besteht. Dabei kann der Aktorabschnitt 3 mit
dem Nadelabschnitt 4 über
ein Verbindungsmittel, beispielsweise in der Art einer Überwurfmutter
verbunden sein.
-
Im
Aktorabschnitt 3 weist der Injektor 1 einen Aktor 5,
insbesondere einen Piezoaktor 5 auf, welcher im wesentlichen
koaxial in einem Aktordruckraum 6 angeordnet ist. Der Aktordruckraum 6 ist
dabei über
eine Versorgungsleitung 7 mit einer Brennstoffversorgung 8,
insbesondere einem Druckspeicher, verbunden, so dass im Aktkordruckraum 6 stets ein
Systemdruck anliegt. Eine Oberfläche
des Piezoaktors 5 weist dabei eine geeignete Abdichtung
zu dem ihn umgebenden Kraftstoffmedium auf.
-
Dabei
kann in der Versorgungsleitung 7 zusätzlich eine Drossel 9 eingebaut
sein. Der Aktor 5 ist über
elektrische Anschlussleitungen 10 mit einer nicht gezeigten
Spannungsversorgung verbunden und vorzugsweise mit seinem Aktorfuß 11 bezüglich des
Aktordruckraumes 6 zentriert und diesen nach außen abdichtend
in einer Öffnung 12 des
Injektorkörpers 2 angeordnet.
Die elektrische Kontaktierung des Piezoaktors 5 erfolgt
dabei in geeigneter, hochdruckdichter Weise, z. B. durch eine Glaseinschmelzung
der elektrischen Anschlusskabel 10 innerhalb des Aktorfußes 11.
Mit seinem Aktorkopf 13 steht der Piezoaktor 5 mit
einem Kopplerkolben 14 in Kontakt, welcher Teil eines Umkehrmoduls
ist. Der Kopplerkolben 14 ist dabei in einem, zum Nadelabschnitt 4 topfförmig geöffneten
Hohlkolben 15 hubverstellbar gelagert, wobei der Kopplerkolben 14 zusammen
mit dem Hohlkolben 15 einen Kopplerraum 16 begrenzt.
Der Kopplerkolben 14 kann aus einem Stück hergestellt oder aus mehreren
Komponenten zusammengebaut sein. Der Kopplerkolben 14 durchdringt
einen Boden 17 des Hohlkolbens 15 und ist somit
gestuft im Hohlkolben 15 geführt. Die Kontaktstelle zwischen
dem Kopplerkolben 14 und dem Aktorkopf 13 kann
dabei ein- oder beidseitig ballig ausgeführt sein, wodurch eine Übertragung
von Querkräften
zwischen dem Aktorkopf 13 und dem Kopplerkolben 14 vermieden werden
kann.
-
Im
Nadelabschnitt 4 weist der Injektorkörper 2 eine hubverstellbare
Düsennadel 18 zur
Steuerung einer Einspritzung von Kraftstoff durch wenigstens ein
Spritzloch 19 auf. Der Kraftstoff wird dabei durch das
wenigstens eine Spritzloch 19 in einen nicht gezeigten
Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt, die sich dabei vorzugsweise
in einem Kraftfahrzeug befindet.
-
Gemäß den 1 und 2 begrenzen
der Kopplerkolben 14 und die Düsennadel 18 einen
Nadelsteuerraum 20 axial, während dieser Nadelsteuerraum 20 in
Umfangsrichtung von einer die Düsennadel 18 koaxial
umgebenden Dichthülse 21 begrenzt ist.
Die Dichthülse 21 weist
eine dem Kopplerkolben 14 zugewandte Dichtkontur auf, über welche
sich die Dichthülse 21 am
Kopplerkolben 14 abstützt
und ist hubverstellbar an der Düsennadel 18 gelagert.
Unterstützt
wird diese Abstützung
durch eine Schließdruckfeder 23,
welche sich einenends beispielsweise über eine Konsole 24 an
der Düsennadel 18 und
anderenends an der Dichthülse 21 abstützt und
dadurch die Dichthülse 21 gegen
den Kopplerkolben 14 und die Düsennadel 18 in deren
Schließstellung
vorspannt. Zwischen dem Nadelsteuerraum 20 und dem Kopplerraum 16 ist
ein Kopplungspfad 22 angeordnet, welcher die beiden Räume 16 und 20 kommunizierend
miteinander verbindet. Dabei kann im Kopplungspfad 22 eine
nicht gezeigte Drosseleinrichtung angeordnet sein. Durch eine Drosseleinrichtung
kann die Öffnungscharakteristik
der Düsennadel 18 verbessert
werden, wobei durch eine Dämpfung
der Öffnungsgeschwindigkeit
eine optimierte Kleinstmengenfähigkeit
und ein vorteilhafter Einspritzratenverlauf erreicht werden können. Wie
eingangs erwähnt, ist
der Piezoaktor 5 im Aktordruckraum 6 angeordnet, wobei
letzterer mit einem Nadeldruckraum 25 im Nadelabschnitt 4 hydraulisch
verbunden ist. Die Dichthülse 21 bewirkt
dabei eine hydraulische Trennung zwischen dem Nadelsteuerraum 20 einerseits
und dem Nadeldruckraum 25 andererseits. Da der Aktordruckraum 6 stets
mit Systemdruck beaufschlagt ist, liegt auch im Nadeldruckraum 25 stets
der Systemdruck an.
-
Räumlich gesehen
zwischen dem Piezoaktor 5 und dem Hohlkolben 15 ist
eine Kopplerkolbenfeder 26 vorgesehen, welche sich einerseits
am Hohlkolben 15 und andererseits am Kopplerkolben 14 abstützt und
den Piezoaktor 5 über
den Kopplerkolben 14 axial vorspannt. Dabei liegt die Kopplerkolbenfeder 26 in
beiden Ausführungsformen
gemäß den Varianten
nach 1 und 2 einerseits am Hohlkolben 15 und
andererseits an einer Übertragungseinrichtung 27 an,
welche die Federkraft auf den Kopplerkolben 14 überträgt. Darüber hinaus
ist in 2 eine Aktorfeder 28 vorgesehen, welche
sich einerseits am Hohlkolben 15 und andererseits am Piezoaktor 5 jeweils
direkt abstützt
und den Piezoaktor 5 axial vorspannt.
-
In
beiden Ausführungsformen
gemäß den 1 und 2 ist
die Dichthülse 21 jeweils
als vom Kopplerkolben 14 separates Bauteil ausgebildet,
wobei auch denkbar ist, dass die Dichthülse 21 und der Kopplerkolben 14 aus
einem Stück
hergestellt sind.
-
Beim
Bestromen des Piezoaktors 5 drückt dieser den Kopplerkolben 14 nach
unten, wodurch sich ein Volumen des Kopplerraumes 16 vergrößert. Diese
Volumenvergrößerung bewirkt
eine Druckreduzierung, welche sich über den Kopplungspfad 22 in den
Nadelsteuerraum 20 überträgt. Eine
Reduzierung des Drucks im Nadelsteuerraum 20 wird durch eine
nach Obenverstellung der Düsennadel 18 ausgeglichen,
wodurch diese das wenigstens eine Spritzloch 19 öffnet.
-
Zur
Begrenzung eines Nadel- und Kopplerkolbenhubes kann gemäß der 2 eine
Anschlageinrichtung 29 vorgesehen sein, welche entweder
am Kopplerkolben 14 oder am Hohlkolben 15 angeordnet
ist. Dabei sind gemäß der 2 zwei Anschlageinrichtungen 29,
nämlich
in der Art einer Anschlaghülse 30 und
in der Art zumindest eines Anschlagelements 31 eingezeichnet,
wobei die Anschlaghülse 30 oder
das zumindest eine Anschlagelement 31 alternativ zum Einsatz
kommen. Die Anschlaghülse 30 ist dabei
koaxial zur Dichthülse 21 und
zur Düsennadel 18 angeordnet
und entweder an der Konsole 24 oder am Hohlkolben 15 befestigt.
Das zumindest eine Anschlagelement 31 durchdringt den Kopplerkolben 14 und
kann in den Kopplerraum 16 und/oder in den Nadelsteuerraum 20 hineinragen.
Bei der gemäß der 2 gezeigten
Ausführungsform
ragt das Anschlagelement 31 in beide Räume 16, 20 hinein,
wobei denkbar ist, dass zur Begrenzung des Nadel- und/oder Kopplerkolbenhubes
das Anschlagelement 31 auch nur in einen der beiden Räume 16, 20 hineinragt.
-
Der
mit dem Kopplerraum 16 über
den Kopplungspfad 22 verbundene Nadelsteuerraum 20 realisiert
eine Bewegungsumkehr zwischen der Düsennadel 18 und dem
Aktorkopf 13, also die Umsetzung einer Aktorausdehnung
in die entgegengerichtete Öffnungsbewegung
der Düsennadel 18.
Hierdurch kann auch eine hydraulische Weg/Kraftübersetzung sowie ein Ausgleich
von Temperaturdehnungen und Fertigungstoleranzen erfolgen. Die Befüllung des
Nadelsteuerraums 20 und/oder des Kopplerraums 16 erfolgt
dabei über
entsprechende Spaltströmungen. Zwischen
dem Aktordruckraum 6 und den Nadeldruckraum 25 kann
ein weiterer Kopplungspfad 22' vorgesehen sein, welcher die Kraftstoffversorgung des
Nadeldruckraums 25 gewährleistet.
-
Nach
dem Öffnen
des wenigstens einen Spritzlochs 19 erfolgt das Schließen desselben
durch ein Entstromen des Piezoaktors 5, worauf hin sich der
Kopplerkolben 14 aufgrund der Kopplerkolbenfeder 26 nach
oben verstellt und dadurch einen Druck im Kopplerraum 16 erhöht. Die
Druckerhöhung pflanzt
sich über
den Kopplungspfad 22 in den Nadelsteuerraum 20 fort,
woraufhin sich die Düsennadel 18 nach
unten in deren Schließstellung
verstellt. Unterstützt
wird dabei die Schließbewegung
durch die Schließdruckfeder 23.