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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff
in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Montageverfahren für
einen Injektor gemäß Anspruch 10.
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Piezoaktuatoren
in Injektoren für Verbrennungskraftmaschinen müssen
vor unmittelbarem Kontakt mit Kraftstoff geschützt werden,
da das Restwasser im Kraftstoff zu Kurzschlüssen führen
kann. Aus der
DE 102
33 100 A1 ist es hierzu bekannt, den piezoelektrischen
Aktuator in einer Umfangshülse aufzunehmen, die an ihrem
unteren Ende mit einer sich radial nach innen erstreckenden Membran
verschweißt ist, welche wiederum dichtend an dem Aktuatorkopf
des piezoelektrischen Aktuators festgelegt ist. Die Membran wird
von dem Aktuatorkopf durchsetzt, welcher eine Längung bzw.
Kontraktion des piezoelektrischen Aktuators auf ein Ventilbauteil,
beispielsweise einen Stellkolben eines Steuerventils oder unmittelbar
auf den Stellkolben einer Düsennadel überträgt.
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Wie
aus der
DE 103 22
673 A1 zu ersehen ist, ist ein derart geschützter
piezoelektrischer Aktuator in einem mit Kraftstoff gefüllten
Aktuatorraum aufgenommen, der im Bereich eines dem Aktuatorkopf gegenüberliegenden
Aktuatorfußes, welcher sich am Injektorkörper
abstützt, mittels einer radial zwischen dem Aktuatorfuß und
dem Injektorkörper an geordneten O-Ringdichtung gegenüber
einem Kabelabgang zur elektrischen Kontaktierung des piezoelektrischen Aktuators
abgedichtet ist.
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Bei
den bekannten Injektoren ist der komplexe Aufbau von Nachteil. Insbesondere
gestaltet sich die Montage als schwierig, da die Umfangshülse
sowohl mit dem Aktuatorfuß als auch mit dem Aktuatorkopf
verschweißt werden muss. Ferner muss die empfindliche und
kostenintensive Membran aus Metall radial außen dicht mit
der Umfangshülse und radial innen dicht mit dem Aktuatorkopf
verschweißt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Technisch Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Injektor vorzuschlagen,
bei dem der piezoelektrische Aktuator auf einfache und kostengünstige
Weise vor einem Kontakt mit Kraftstoff geschützt ist. Ferner
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Montageverfahren
für einen derartigen Injektor vorzuschlagen.
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Technische Lösung
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Hinsichtlich
des Injektors wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst. Die Merkmalskombination des Anspruches 10 löst
die Aufgabe hinsichtlich des Montageverfahrens. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In
den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen
aus zumindest zwei der in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder
den Figuren angegebenen Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den gesamten Aktuatorraum,
in dem der piezoelektrische Aktuator aufgenommen ist, mittels einer
Ringdichtung abzudichten, die einerseits dichtend an dem Aktuatorkopf
des piezoelektrischen Aktuators und andererseits an einem Injektorbauteil
anliegt, so dass der Kraftstoffeintritt in den Aktuatorraum aus
einem Niederdruckraum (insbesondere bei servoventilgesteuerten Injektoren),
oder einem Druckraum (insbesondere bei Injektoren mit direkter Nadelansteuerung)
vermieden wird. Eine Abdichtung des Aktuatorraumes gegenüber
einem Kabelabgang im Bereich des sich am Injektorkörper
abstützenden Aktuatorfußes erübrigt sich
somit. Ferner kann auf die Umfangshülse zum Schutz der
schichtweise angeordneten Piezoelemente und auf die im Stand der
Technik im Bereich des Aktuatorkopfes angeordnete Membran sowie
auf die Schweißnähte zwischen dem Aktuatorkopf
und der Membran, zwischen der Membran und der Umfangshülse
sowie zwischen der Umfangshülse und dem Aktuatorkopf verzichtet
werden. Hierdurch wird die Bauteilanzahl reduziert und die Montage
wesentlich vereinfacht.
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Insbesondere
um einen möglichst geringen Dichtdurchmesser zu realisieren,
ist die Ringdichtung in Weiterbildung der Erfindung nicht radial
zwischen dem Aktuatorkopf und dem Injektorbauteil, sondern axial
zwischen dem Aktuatorkopf und dem Injektorbauteil angeordnet. Durch
die axiale Anordnung ist es zudem möglich, die Ringdichtung
derart anzuordnen, dass sie nicht radial, sondern ausschließlich
axial gepresst wird, was später noch zu erläuternde
Vorteile bei der Montage mit sich bringt. Durch den geringen Dichtdurchmesser
können zusätzlich die Ansteuerspannungen zur Längung
des piezoelektrischen Aktuators minimiert werden.
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Von
besonderem Vorteil ist es, das Injektorbauteil als kostengünstiges
Drehteil auszubilden. Das Injektorbauteil weist mit Vorteil eine
Umfangswand und einen sich von der Umfangswand in radialer Richtung
erstreckenden Hülsenboden auf, an dem die Ringdichtung
dichtend anliegt.
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Um
einen optimalen Schutz der Ringdichtung bei der Montage zu gewährleisten,
umschließt die Umfangswand des Hülsenteils die
Ringdichtung mit Vorteil radial außen. Je nach Anwendungsfall kann
die axiale Erstreckung der Umfangswand so groß gewählt
werden, dass die Umfangswand zusätzlich auch den Aktuatorkopf,
zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig über
seine gesamte Axialerstreckung, mit Radialspiel umschließt.
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Wie
bereits erläutert, ist es von Vorteil, wenn die Ringdichtung
ausschließlich in axialer Richtung zwischen dem Injektorbauteil
und dem Aktuatorkopf gepresst ist, also die Umfangswand des Injektorbauteils
die Ringdichtung mit Radialspiel umschließt. Durch die
fehlende radiale Pressung kann eine Beschädigung der Ringdichtung
bei der Montage nahezu ausgeschlossen werden, da ein seitlicher
Kontakt (Reibkontakt) der Ringdichtung mit einem Injektorbauteil
während des Fügens der Injektorbauteile vermieden
wird.
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Aus
Kostengründen ist es vorteilhaft, die Ringdichtung als
einfache O-Ringdichtung mit kreisrundem Querschnitt auszubilden.
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Zur Übertragung
einer Längung oder einer Kontraktion des piezoelektrischen
Aktuators bei Bestromung bzw. nicht-bestromung auf ein Ventilbauteil eines
Steuerventils (Servoventils) des Injektors oder unmittelbar auf
ein Ventil bauteil des eigentlichen Einspritzventils weist der Aktuatorkopf
mit Vorteil einen T-förmigen Querschnitt auf, wobei von
einem Querbalken des T-querschnittlichen Aktuatorkopfes ein Umfangsbund
gebildet ist, der zur Anlage und axialen Pressung der Ringdichtung
dient. Ein senkrechter, insbesondere zentrischer Balken (Zapfen)
des T-querschnittlichen Aktuatorkopfes wird radial außen,
insbesondere mit Radialspiel, von der Ringdichtung umschlossen und
ist mit einem beliebigen Ventilbauteil wirkverbunden, insbesondere
mechanisch fest verbunden.
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Um
zu verhindern, dass Kraftstoff in axialer Richtung durch einen Radialspalt
zwischen dem Injektorkörper und dem im Injektorkörper
festgelegten Injektorbauteil in den Aktuatorraum eindringen kann, ist
in Weiterbildung der Erfindung mit Vorteil vorgesehen, dass das
Injektorbauteil radial außen, d. h. bevorzugt mit seiner
Mantelfläche, dicht an den Injektorkörper anliegt,
insbesondere mit diesem verklebt ist. Bei Bedarf kann auch ein elastisches
Dichtelement verwendet werden.
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Um
die piezoelektrischen Kristalle des piezoelektrischen Aktuators,
beispielsweise vor Vibrationen, zu schützen und/oder um
eine exakte Zentrierung des piezoelektrischen Aktuators innerhalb
des Aktuatorraumes zu gewährleisten, ist der piezoelektrische
Aktuator mit Vorteil von außen mittels eines hülsenförmigen
Formteils im Aktuatorraum zentriert. Im Stand der Technik wurde
dieses Formteil innerhalb der Umfangshülse von einer Vergussmasse
gebildet. Auf das Vorsehen einer Vergussmasse kann, muss jedoch
nicht zugunsten eines Formteils, insbesondere aus Kunststoff, verzichtet
werden.
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Das
erfindungsgemäße Montageverfahren ermöglicht
eine schnelle und beschädigungsfreie Montage des zuvor
beschriebenen Injektors. Hierzu wird zunächst die, insbesondere
als O-Ringdichtung ausgebildete Ringdichtung auf den Aktuatorkopf
aufgelegt, d. h. auf den Aktuatorkopf gefügt, woraufhin die
Einheit aus Aktuatorkopf und Ringdichtung in das, insbesondere hülsenförmige
Injektorbauteil, gefügt wird. Zuvor wurde mit Vorteil der
eigentliche piezoelektrische Aktuator mit Aktuatorkopf, Piezoelementen und
Aktuatorfuß montiert, so dass nach dem Fügen des
Injektorbauteils auf die Ringdichtung mit Aktuatorkopf die gesamte
Einheit aus piezoelektrischem Aktuator und Injektorbauteil in den
Injektorkörper gefügt werden kann. Bei diesem
letztgenannten Montageschritt ist die Ringdichtung einerseits von
dem Aktuatorkopf und andererseits von dem insbesondere hülsenförmigen
Injektorbauteil geschützt. Vor dem Fügeschritt
der Einheit aus piezoelektrischem Aktuator und Injektorbauteil wird
mit Vorteil zunächst ein geeigneter Klebstoff radial außen
auf das Injektorbauteil und/oder auf die Anlagestelle des Injektorbauteils
an der Innenseite des Injektorkörpers aufgebracht, um eine
Fixierung und Abdichtung zwischen dem Injektorbauteil und dem Injektorkörper
zu realisieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1:
einen Ausschnitt eines Injektors, der einen piezoelektrischen Aktuator
in seiner Montageposition zeigt und
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2:
eine vergrößerte Darstellung einer alternativen
Ausführung der Dichtsituation zwischen einem Aktuatorkopf
und einem dicht im Injektor aufgenommenen, hülsenförmigen
Injektorbauteil.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt
ausschnittsweise einen Injektor
1 zum Einspritzen von Kraftstoff
in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine. Bezüglich
eines möglichen Gesamtaufbaus des Injektors wird auf die
DE 10 2004 061 800
A1 (servoventilgesteuerter Injektor) und auf die
DE 10 2004 005 452
A1 (Injektor mit direkter Nadelansteuerung) verwiesen,
die hiermit bezüglich der Anordnung der piezoelektrischen
Aktuatoreinheit im Injektor
1 sowie bezüglich
der Erläuterung der Funktionsweise des Injektors
1 zum
Gegenstand der Offenbarung gemacht werden.
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Der
Injektor 1 umfasst einen piezoelektrischen Aktuator 2 mit
einem zylinderförmigen, piezoelektrischen Bauelement 3,
welches, wie üblich, aus einer Vielzahl von Schichten aus
einem piezoelektrischen Werkstoff gefertigt ist. Weiterhin umfasst
der piezoelektrische Aktuator 2 einen sog. Aktuatorfuß 4, über
den sich der piezoelektrische Aktuator 2 in diesem Ausführungsbeispiel
direkt an einen Injektorkörper 5 abstützt
(eine indirekte Abstützung über ein weiteres Bauteil,
beispielsweise eine Einstellscheibe ist ebenfalls denkbar). An dem
im Aktuatorfuß 4 abgewandten, in der Zeichnungsebene
unteren Ende des piezoelektrischen Bauelements 3 schließt
ein Aktuatorkopf 6 an. Der Aktuatorkopf 6 dient
zur Übertragung einer Längung bzw. Kontraktion
des piezoelektrischen Bauelements 3 auf ein an sich bekanntes Ventilbauteil.
Je nach Ausgestaltung des Injektors als servogesteuerter Injektor
oder als Injektor mit direkter Düsennadelansteuerung kann
es sich bei diesem Ventilbauteil um ein Bauteil des Servoventils
(Steuerventils) oder des Hauptventils (Einspritzventils) handeln.
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Der
piezoelektrische Aktuator 2 ist in einem von dem Injektorkörper 5 umschlossenen
Aktuatorraum 7 aufgenommen, in den in dem in der Zeichnungsebene
oberen Bereich ein Kabelabgang 8 für ein elektrisches
Anschlusskabel 9 zur Versorgung des piezoelektrischen Bauelements 3 mit
elektrischer Spannung mündet.
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Das
piezoelektrische Bauelement 3 ist radial außen
nahezu vollständig von einem Formteil 10 aus Kunststoff
umgeben, welches den piezoelektrischen Aktuator 2 innerhalb
des Aktuatorraumes 7 zentriert und gleichzeitig das piezoelektrische
Bauelement 3 vor Erschütterungen schützt.
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In
dem Aktuatorraum 7 befindet sich aufgrund einer später
noch zu erläuternden Ringdichtung kein Kraftstoff, wodurch
auf eine Dichtung im Bereich zwischen dem Aktuatorfuß 4 und
dem Injektorkörper 5 verzichtet werden kann.
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Der
Aktuatorkopf 6 weist einen T-förmigen Querschnitt
auf, wobei von einem in der Zeichnungsebene oberen Querbalken des
Aktuatorkopfes 6 ein Umfangsbund 11 gebildet ist.
Ein zentrischer Zapfen 12 dient zur eigentlichen Übertragung der
Längung und Kontraktion des piezoelektrischen Bauelements 3 auf
ein nicht dargestelltes Ventilbauteil.
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Zwischen
dem Umfangsbund 11 und einem Hülsenboden 13 eines
hülsenförmigen Injektorbauteils 14 ist
eine als O-Ringdichtung ausgebildete Ringdichtung 15 angeordnet,
die radial außen von einer Umfangswand 16 des
hülsenförmigen Injektorbauteils 14 mit
Radialspiel umschlossen wird, so dass lediglich eine axiale Dichtungspressung
der Ringdichtung 15 zwischen dem Umfangsbund 11 und dem
Hülsenboden 13 realisiert ist.
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Die
Ringdichtung 15 zwischen dem Umfangsbund 11 und
dem Hülsenboden 13 verhindert einen Kraftstoffeintritt
durch die zentrische Öffnung 17 hindurch in den
Aktuatorraum 7 hinein.
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Der
Hülsenboden 13 weist eine zentrische Öffnung 17 auf,
durch die entweder der Zapfen 12 des Aktuatorkopfes 6 in
der Zeichnungsebene nach unten zur Kontaktierung des nicht gezeigten
Ventilbauteils herausragt bzw. durch die das Ventilbauteil in Richtung
des Zapfens 12 hineinragt.
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Die
axiale Erstreckung der Umfangswand 16 ist derart bemessen,
dass diese auch den oberen Umfangsbund 11 des Aktuatorkopfes 6 mit
Radialspiel umschließt, so dass der gesamte Aktuatorkopf 6 axial
verstellbar innerhalb des Injektorbauteils 14 aufgenommen
ist.
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Das
Injektorbauteil 14 ist radial außen mit der Innenseite
des Injektorkörpers 5 verklebt, so dass ein Kraftstoffeintritt
in den Aktuatorraum 7 durch einen etwaigen Spalt radial
zwischen dem Injektorbauteil 14 und dem Injektorkörper 5 vermieden
wird.
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In 2 ist
eine alternative Ausgestaltung der Dichtsituation des Aktuatorraumes 7 gezeigt.
Der ebenfalls T-förmig ausgeformte Aktuatorkopf 6 ist
nur abschnittsweise von der Umfangswand 16 des Injektorbauteils 14 umschlossen.
Der den Umfangsbund 11 bildende Querbalken befindet sich
frei innerhalb des Aktuatorraumes 7.
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Wie
aus 2 deutlich zu erkennen ist, ist die ebenfalls
als O-Ringdichtung ausgebildete Ringdichtung 15 lediglich
in axialer Richtung gepresst und wird radial außen mit
Radialspiel von der Umfangswand 16 umgeben.
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Der
Zapfen 12 ragt mit Radialspiel durch die zentrische Öffnung 17 im
Hülsenboden 13 hindurch und liegt auf einem Auflager 18 eines
als Stellkolben ausgebildeten Ventilbauteils 19 zur Übertragung
einer Längung des piezoelektrischen Bauteils 3 auf. Zur
Begrenzung der maximalen Längung des piezoelektrischen
Bauteils 3 ist eine Einstellhülse 20 vorgesehen,
an deren Stirnseite der ein verbreiteter Bundabschnitt 21 des
Ventilbauteils 19 bei seiner Bewegung in der Zeichnungsebene
nach unten anschlägt.
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Parallel
zu dem Aktuatorraum 7 verläuft eine Versorgungsleitung 22 zu
einem nicht gezeigten Düsenraum des Injektors 1,
der über eine mittels einer Düsennadel verschließbaren
Düsenlochanordnung mit dem ebenfalls nicht gezeigten Brennraum
des Injektors verbunden ist. Über die Versorgungsleitung 22 wird
der Düsenraum mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff
aus einem Kraftstoffhochdruckspeicher versorgt.
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Bei
der Montage wird zunächst der piezoelektrische Aktuator 2 montiert,
woraufhin die als O-Ringdichtung ausgebildete Ringdichtung 15 auf den
T-querschnittlichen Aktuatorkopf 6 gefügt wird. Daraufhin
wird die Einheit bestehend aus piezoelektrischem Aktuator 2 und
Ringdichtung 15 in das hülsenförmige
Injektorbauteil 14 gefügt. In einem nächsten
Schritt wird die Einheit bestehend aus piezoelektrischem Aktuator,
Ringdichtung 15 und Injektorbauteil 14 nach vorherigem
Klebstoffauftrag in den Injektorkörper 5 gefügt.
Bei der Montage wird die Ringdichtung 15 radial außen
sowie axial in der Zeichnungsebene von unten von dem Injektorbauteil
sowie in der Zeichnungsebene von oben von dem Umfangsbund 11 des
Aktuatorkopfes 6 geschützt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10233100
A1 [0002]
- - DE 10322673 A1 [0003]
- - DE 102004061800 A1 [0021]
- - DE 102004005452 A1 [0021]