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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff
in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einen Common-Rail-Injektor,
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
DE 103 53 169 A1 zeigt
einen piezo-gesteuerten Common-Rail-Injektor mit einem mittels eines
Piezoaktors betätigbaren, als 3/2-Wege Ventil ausgebildeten
Steuerventil. Bei geöffnetem Steuerventil ist eine von
einer Stirnseite eines Ventilelementes begrenzte Steuerkammer hydraulisch
mit einem Niederdruckbereich des Injektors verbunden, so dass aus
der Steuerkammer, die über eine Zulaufdrossel mit unter
Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgt wird, ein Nettoabfluss in
dem Niederdruckbereich resultiert. In der Folge sinkt der Druck
in der Steuerkammer, was wiederum eine Öffnungsbewegung
des Ventilelementes und damit die Freigabe einer Düsenlochanordnung
zur Folge hat. Der Piezoaktor ist insbesondere zum Ausgleich von
temperaturbedingten Längenschwankungen über einen
hydraulischen Koppler, umfassend einen Kopplerkolben mit einem Steuerkolben
des Steuerventils wirkverbunden. Hierzu liegt der Kopplerkolben
mit einer unteren Stirnseite auf einer oberen Stirnseite des Steuerkolbens
auf, wobei der Steuerkolben in Richtung des Piezoaktors federkraftbeaufschlagt
ist. Insbesondere bei sehr schnellen Piezoaktor-Bewegungen kann
ein dauerhafter Kontakt zwischen dem Kopplerkolben und dem Steuerkolben,
d. h. eine dauerhafte Anlage des Steuerkolbens an dem Kopplerkolben,
nicht in jeder Betriebssituation gewährleistet werden.
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Daher
sind Injektoren bekannt geworden, bei denen an dem Kopplerkolben
eine Bundhülse festgelegt ist, die ein Widerlager für
eine Ventilkolbenfeder bildet, mit der der Ventilkolben in Richtung
des Steuerkolbens federkraftbeaufschlagt ist. Eine derartige Konstruktion
ist aufgrund des Vorsehens und Festlegens einer Bundhülse
sowie aufgrund des Vorsehens und der Montage einer zusätzlichen
(Ventilkolben-)Feder vergleichsweise aufwendig.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Injektor vorzuschlagen,
bei dem auf einfache Weise, insbesondere ohne zwei in entgegengesetzte
Richtungen wirkende Federn am Steuerventil vorsehen zu müssen,
eine dauerhafte und sichere Kontaktierung des Kopplerkolbens mit
dem Steuerkolben sichergestellt ist.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen
aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen
und/oder den Figuren angegebenen Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Kopplerkolben und den
Steuerkolben nicht lediglich federkraftunterstützt aneinander
anliegend anzuordnen, sondern stattdessen die beiden Bauteile fest miteinander
zu verbinden. Die beiden Bauteile werden, anders ausgedrückt,
zu einem gemeinsamen Bauteil zusammengefügt, so dass der
Steuerkolben einer Bewegung des Kopplerkolbens unmittelbar, d. h.
ohne zeitliche Verzögerung, folgt. Hierdurch können äußerst
kurze Schaltzeiten realisiert werden. Bevorzugt wird die Verbindung
zwischen dem Kopplerkolben und dem Steuerkolben so ausgelegt, dass sämtliche
Schaltkräfte übertragen werden können. Die
Verbindung zwischen dem Kopplerkolben und dem Steuerkolben kann
als formschlüssige Verbindung ausgebildet werden. Zusätzlich
oder alternativ ist es denkbar, die beiden Bauteile reibschlüssig
miteinander zu verbinden. Aufgrund der festen Verbindung zwischen
dem auch als Übersetzungskolben ausführbaren Kopplerkolben,
und dem Steuerkolben des Steuerventils müssen nicht länger
zwei Federn vorgesehen werden, damit sich die beiden Bauteile dauerhaft
kontaktieren, also zu jeder Zeit eine gemeinsame Bewegung ausführen.
Zudem kann auf eine Bundhülse am Kopplerkolben verzichtet
werden.
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Es
liegt im Rahmen der Erfindung, den Kopplerkolben und den Steuerkolben über
mindestens ein Bauteil, beispielsweise einen sich in beide Bauteile hinein
erstreckenden Verbindungsbolzen, miteinander zu verbinden. Insbesondere
zur Einsparung von Bauteilen und zur erleichterten Montage ist es
jedoch von Vorteil, wenn der Kopplerkolben unmittelbar fest mit
dem Steuerkolben, d. h. ohne zusätzliche Bauteile, verbunden
ist.
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Hierzu
bietet es sich an, zwischen dem Kopplerkolben und dem Steuerkolben
eine Presspassung (Presssitz) vorzusehen. Bevorzugt ragt hierzu
ein Fortsatz des Kopplerkolbens in eine entsprechende Bohrung im
Steuerkolben hinein, wobei der Durchmesser des insbesondere zylindrischen
Fortsatzes des Kopplerkolbens größer ist als der
Bohrungsdurchmesser im Steuerkolben. Selbstverständlich
ist es auch denkbar, dass zusätzlich oder alternativ ein
Fortsatz des Steuerkolbens in einer Bohrung des Kopplerkolbens kraftschlüssig
aufgenommen ist.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der der
Steuerkolben als Kugel ausgebildet ist, bzw. aus einer Kugel ausgebildet,
d. h. hergestellt ist. Ein bisher notwendiges, aufwendiges Schleifen
eines komplex ausgeformten Steuerkolbens mit einem zylindrischen
Abschnitt entfällt somit.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der der
Steuerkolben, insbesondere die Kugel, mit einer vorzugsweise seitlichen
ebenen Fläche ausgebildet ist. Diese ebene, vorzugsweise parallel
zur Längsachse des Kopplerkolbens verlaufende, insbesondere
als Flächenanschliff realisierte Fläche des Steuerkolbens
bildet zusammen mit einer Umfangswand einer den Steuerkolben aufnehmenden
Ventilkammer einen Durchflusskanal für Kraftstoff aus einer
Steuerkammer in Richtung eines Niederdruckbereichs bei geöffnetem
Steuerventil. Das Vorsehen eines solchen ebenen Flächenabschnitts ist
insbesondere für den Fall von Vorteil, bei dem der Steuerkolben
in Weiterbildung der Erfindung (eng) in der Ventilkammer geführt
ist. Bevorzugt sind mindestens zwei, vorzugsweise gegenüberliegende, ebene, in
axialer Richtung verlaufende Flächen zur Bildung von mindestens
zwei Axialkanälen vorgesehen.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das
Steuerventil als 3/2-Wege Ventil ausgebildet ist. In diesem Fall
münden in die Ventilkammer des Steuerventils zum einen
eine Ablaufdrossel aus der von dem Ventilelement begrenzten Steuerkammer
sowie zum anderen eine mit einem Hochdruckbereich des Injektors
verbundene Rückfüllleitung. Wenn der Durchgang
von der Ablaufdrossel zu dem Niederdruckbereich des Injektors frei geschaltet
ist, wird die Rückfüllleitung von dem, insbesondere
zumindest näherungsweise kugelförmigen Ventilkolben
verschlossen. Wird dieser Durchgang von dem Ventilkolben gesperrt,
so wird gleichzeitig die Rückfüllleitung freigegeben,
um eine schnelle, vorzugsweise drosselfreie Rückbefüllung der
Ventilkammer und über die Ablaufdrossel auch eine schnelle
Rückbefüllung der Steuerkammer zu gewährleisten.
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Zum
Abdichten der Rückfüllleitung des 3/2-Wege Ventils
ist es von Vorteil, wenn eine dem Piezoaktor abgewandte Seite des,
insbesondere zumindest näherungsweise kugelförmigen
Steuerkolbens als ebene Grundfläche zum Zusammenwirken mit
einem als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz ausgebildet ist. Hierzu
muss eine Kugel lediglich mit einem Anschliff versehen werden. Das
Vorsehen einer Grundfläche ermöglicht zudem über
die Wahl der Abtragmenge den Hub des Steuerkolbens einzustellen.
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Von
Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der eine Druckfeder
vorgesehen ist, mittels der der Kopplerkolben in Richtung Piezoaktor
federkraftbeaufschlagt ist. Durch das Vorsehen dieser Druckfeder, die
bevorzugt an einem Umfangsbund des Kopplerkolbens angreift, wird
der Steuerkolben in Richtung seines den Durchgang zum Niederdruckbereich sperrenden
Ventilsitzes federkraftbeaufschlagt. Bei der Druckfeder handelt
es sich bevorzugt um die einzige Feder, die auf die Einheit bestehend
aus Kopplerkolben und Steuerkolben wirkt.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der,
insbesondere zumindest näherungsweise kugelförmige
Steuerkolben von der Umfangswand seiner Ventilkammer geführt
ist. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Zentrierung des den
Kopplerkolben aufnehmenden Kopplerkörpers realisiert werden.
Eine im Stand der Technik notwendige, aufwendig geschliffene Führung
am Kopplerkörper, insbesondere an einem Bund des Kopplerkörpers,
kann mit Vorteil entfallen.
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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 eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in der einzigen 1 eine
geschnittene, schematische Teilansicht eines Piezo-Injektors.
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In 1 ist
ein Ausschnitt eines als Common-Rail-Injektor ausgebildeten Injektors 1 gezeigt. Der
Injektor 1 umfasst ein lediglich ausschnittsweise dargestelltes,
ein- oder mehrteiliges Ventilelement 2, das zwischen einer Öffnungsstellung
und einer Schließstellung verstellbar ist. In seiner Öffnungsstellung
gibt das Ventilelement 2 den Kraftstofffluss durch eine
nicht gezeigte Düsenlochanordnung in den Brennraum einer
Brennkraftmaschine frei.
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Mit
einer oberen Stirnfläche 3 begrenzt das Ventilelement 2 eine
Steuerkammer 4. Die Steuerkammer 4 ist radial
innerhalb einer Hülse 5 angeordnet, die mittels
einer Schraubenfeder 6, die sich an einem am Ventilelement 2 gehaltenen
Sicherungsring 7 abstützt, in axialer Richtung
auf eine Drosselplatte 8 federkraftbeaufschlagt ist.
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In
die Steuerkammer 4 mündet eine in der Drosselplatte 8 angeordnete
Zulaufdrossel 9, die über eine Tasche 10 hydraulisch
mit einer Kraftstoffversorgungsleitung 11 verbunden ist.
Die Kraftstoffversorgungsleitung 11 verbindet einen die
Steuerkammer 4 radial außen umgebenden Druckraum 12 mit
unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aus einem nicht gezeigten Kraftstoffhochdruckspeicher
(Rail). Bei geöffnetem Ventilelement 2 strömt
der Kraftstoff aus dem Druckraum 12 durch die nicht gezeigte
Düsenlochanordnung in den Brennraum der Brennkraftmaschine.
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Von
der Steuerkammer 4 führt eine Ablaufdrossel 14 zu
einer Ventilkammer 15 eines als 3/2-Wege-Ventil ausgebildeten
Steuerventils 16 (Servoventil). Das Steuerventil 16 bzw.
die Ventilkammer 15 ist innerhalb einer Ventilplatte 17,
die auf der Drosselplatte 8 aufliegt, eingebracht. In die
Ventilkammer 15 ist ein oberer Ventilsitz 18 (Konusfläche)
eingeschliffen. Solange ein aus einer Kugel ausgebildeter Steuerkolben 19 an
dem oberen Ventilsitz dichtend anliegt, kann kein Kraftstoff aus
der Steuerkammer 4 in einen Niederdruckbereich 20 und
damit zum Injektorrücklauf (nicht gezeigt) strömen.
Wird der Steuerkolben 19 in der Zeichnungsebene nach unten
bewegt, wird dieser Durchgang freigegeben und es resultiert ein
Nettoabfluss von Kraftstoff aus der Steuerkammer, da der Durchflussquerschnitt
der Ablaufdrossel 14 größer ist als der
Durchflussquerschnitt der Zulaufdrossel 19. Durch den sinkenden Kraftstoffdruck
innerhalb der Steuerkammer 4 wirkt eine Kraft in Öffnungsrichtung
auf das Ventilelement 2, so dass das Ventilelement 2 in
der Zeichnungsebene nach oben und somit der Kraftstofffluss in den Brennraum
der Brennkraftmaschine freigegeben wird. Während dieser Öffnungsphase
liegt der Steuerkolben 19 mit einer ebenen Grundfläche 21 auf
einem unteren Ventilsitz 22 auf, der auf der Drosselplatte 8 ausgebildet
ist, an und verhindertt den Zulauf von Kraftstoff aus dem Druckraum 12 (Hochdruckbereich) über
eine in die Drosselplatte 8 eingebrachte Rücklaufleitung 23 in
die Ventilkammer 15.
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Zum
Schließen des Ventilelementes 2 wird der Steuerkolben 19 in
der Zeichnungsebene axial nach oben bewegt, wodurch der Steuerkolben 19 dichtend
an dem oberen Ventilsitz 18 anliegt und somit den Durchgang
in den Niederdruckbereich 20 sperrt. Gleichzeitig wird
die Rückfüllleitung 23 freigegeben, wodurch
die Ventilkammer 15 sehr schnell rückbefüllt
wird. Zur gleichen Zeit erfolgt zusätzlich zu der Rückbefüllung über
die Zulaufdrossel 9 eine Rückbefüllung
der Steuerkammer 4 über die Ablaufdrossel 14,
so dass der Druck in der Steuerkammer 4 rapide ansteigt
und das Ventilelement 2 in der Zeichnungsebene nach unten
verstellt wird.
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Um
den Kraftstofffluss von der Zulaufdrossel 19 durch die
Ventilkammer 15 in dem Niederdruckbereich 20 bei
an dem unteren Ventilsitz 22 anliegenden Steuerkolben 19 zu
gewährleisten, ist der im wesentlichen kugelförmige Steuerkolben 19 mit
zwei gegenüberliegenden, sich in axialer Richtung erstreckenden,
seitlichen ebenen Flächen 24, 25 ausgestattet, so
dass zwei gegenüberliegende Axialkanäle 26, 27 zwischen
dem Steuerkolben 19 und der zylindrischen Umfangswand 28 der
Ventilkammer 15 gebildet werden. Wie später noch
erläutert werden wird, ist der Steuerkolben 19 in
axialer Richtung eng innerhalb der Umfangswand 28 der Ventilkammer 15 geführt.
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Zum
Verstellen des Steuerkolbens 19 ist ein Piezoaktor 29 vorgesehen,
der nur ausschnittsweise dargestellt ist. Der Piezoaktor 29 ist
in an sich bekannter Weise elektrisch kontaktiert (nicht gezeigt). Der
Piezoaktor 29 ist über einen hydraulischen Koppler 30,
umfassend einen Kopplerkörper 31, hydraulisch
mit einem Kopplerkolben 32 gekoppelt. Der Kopplerkolben 32 dient
gleichzeitig als Übersetzungskolben (hat also einen geringeren
Durchmesser als der Piezoaktor 29). Zwischen dem Kopplerkolben 32 und
dem Piezoaktor 29 ist ein Kraftstoffvolumen 33 innerhalb
des Kopplerkörpers 31 vorgesehen.
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Ein
Axialfortsatz 34 des Kopplerkolbens 32 ragt in
eine im wesentlichen formkongruente Aufnahmebohrung 35 hinein,
wobei zwischen dem Axialfortsatz 34 und der Aufnahmebohrung 35 ein
Presssitz realisiert ist, so dass der Kopplerkolben 32 mit
dem Steuerkolben 19 eine Einheit bildend unmittelbar fest verbunden
ist, wodurch der Steuerkolben 19 in der Folge unmittelbar
einer Bewegung des Kopplerkolbens 32 folgt.
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Da,
wie erwähnt, der kugelförmige Steuerkolben 19 eng
in der kreiszylindrisch konturieren Ventilkammer 15 geführt
ist, wird der Kopplerkörper 31, der den Kopplerkolben 32 an seinem
Innenumfang führt, automatisch zentriert. Ein aufwendiges
Schleifen eines Umfangsbundes 36 des Kopplerkörpers 31 kann
somit mit Vorteil entfallen. Der Umfangsbund 36 dient im
vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich zum Abstützen
des Kopplerkörpers 31 an der Ventilplatte 17.
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An
einer Ringschulter 13 des Kopplerkolbens 32 sowie
an der Ventilplatte 17 stützt sich eine Druckfeder 37 ab,
die den Kopplerkolben 32 in Richtung des Piezoaktor 29 und
damit den Steuerkolben 19 in Richtung seines oberen Ventilsitzes 18 federkraftbeaufschlagt.
Zum Abheben des Steuerkolbens 19 von seinem oberen Ventilsitz 18 und
zur Anlage an dem gegenüberliegenden unteren Ventilsitz 22 wird
der Piezoaktor 29 bestromt und dehnt sich somit in der
Zeichnungsebene nach unten aus, wodurch der Kopplerkolben 32 mit
dem mit ihm eine Einheit bildenden Steuerkolben 19 ebenfalls
in der Zeichnungsebene nach unten auf den unteren Ventilsitz 22 bewegt
wird.
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Bei
der Montage des Injektors 1 wird zunächst die
Druckfeder 37 auf den Kopplerkolben 32 aufgeschoben,
woraufhin die Montage der Ventilplatte 17 erfolgt. Daraufhin
wird der Axialfortsatz 34 des Kopplerkolbens 32 in
die Aufnahmebohrung 35 des Steuerkolbens 19 eingepresst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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