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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor für eine Kraftstoffeinspritzanlage
einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
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Um
die Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen weiter reduzieren
zu können,
steht vor allem eine Steigerung des Einspritzdrucks im Focus der
Weiterentwicklung. Hierbei ist vorteilhafterweise ein großes Kraftstoffvolumen
im Injektorkörper anzustreben,
um Druckschwingungen bei Mehrfacheinspritzungen möglichst
gering halten zu können.
Eine Verminderung der hydraulischen Schwingungen wirkt sich auch
günstig
bezüglich
des Düsensitzverschleißes aus.
Die Steigerung des Einspritzdruckes wird bei bekannten Injektoren üblicherweise dadurch
erreicht, dass eine Druckübersetzung
vorgenommen wird, mit Hilfe welcher der Kraftstoff mit einem gegenüber dem
Druck des Systems erhöhten Druck,
also mit einem Vielfachen des Atmosphärendrucks beaufschlagt wird
und mit diesem hohen Druck in die Brennkammer eingedüst wird.
Eine Zuleitung vom Kraftstoff zum Druckübersetzer erfolgt dabei üblicherweise über mehrere
miteinander verbundene Bohrungen, welche jedoch den Injektorkörper schwächen und
dadurch die Haltbarkeit desselben beeinträchtigen und zudem anfällig für Leckagen sind.
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Vorteile der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Injektor
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass im Injektorkörper keine
Bohrungen für eine
hydraulische Anbindung einer Druckübersetzung vorgesehen werden
müssen
und dadurch die Haltbarkeit des erfindungsgemäßen Injektors gesteigert werden
kann. Der erfindungsgemäße Injektor weist
wie üblich
einen Druckübersetzerabschnitt, auch
Aktorabschnitt genannt, und einen Nadelabschnitt auf, wobei in letzterem
hubverstellbar eine Düsennadel
zum Steuern einer Einspritzung von Kraftstoff durch wenigstens ein
Spritzloch angeordnet ist. Der zur Erhöhung des Kraftstoffeinspritzdruckes
verwendete Druckübersetzer
weist einen Stufenkolben, eine Steuerstange und einen Druckverstärkerboden
auf, die alle zusammen eine Kopplerraum begrenzen. Anstatt von Bohrungen
im Injektorkörper
ist beim erfindungsgemäßen Injektor
ein in der Steuerstange verlaufender Kopplungspfad vorgesehen, der
den Kopplerraum über
ein außerhalb
des Injektors gelegene Ventileinrichtung mit einer Kraftstoffhochdruckversorgung
verbindet. Der Kernvorteil liegt somit in der einfachen zentralen
Anbindung der Kraftstoffversorgung an den Druckübersetzer. Hierdurch lässt sich
ein relativ hoher Einspritzdruck bei gleichzeitig moderatem Systemdruck
realisieren. Insbesondere weist der erfindungsgemäße Injektor auch
eine deutlich verbesserte Mehrfacheinspritzfähigkeit aufgrund seines großen Injektorhochdruckvolumens
und geringere Druckschwankungen aufgrund fehlender Steuerleitungen
auf. Darüber
hinaus ist auch ein schnelles Schalten beziehungsweise Betätigen der
Düsennadel
möglich.
Durch die Tatsache, dass aufwändige
und die Haltbarkeit des Injektors beeinträchtigende sowie leckagenfällige Bohrungen innerhalb
des Injektorkörpers
entfallen können,
wird die Haltbarkeit des erfindungsgemäßen Injektors deutlich verbessert.
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Zweckmäßig greift
die Steuerstange mit ihrem, der Düsennadel zugewandten Ende,
in einen, im Druckverstärkerboden
eingelassenen Hohlraum ein, welcher über einen Verbindungspfad mit
einem Nadelsteuerraum hydraulisch verbunden ist, der seinerseits
von der Düsennadel,
einer diese umgebenden Düsennadelhülse und
dem Druckverstärkerboden
begrenzt ist. Der den Druckverstärkerboden
axial durchdringende Verbindungspfad, welcher beispielsweise als
Bohrung ausgebildet sein kann, ist dabei im Vergleich zu herkömmlichen,
im Injektorkörper
angeordneten Bohrungen zentral gelegen und dadurch deutlich einfacher
herzustellen beziehungsweise abzudichten. Insbesondere entfällt bei
dieser Lösung
eine hydraulische Leitungsführung
in einer Injektorkörperwand
oder außerhalb
des Injektors zum Nadelsteuerraum, wodurch sich eine konstruktiv einfache
und ausgereifte Lösung
präsentiert.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Lösung ist
der Stufenkolben von einer an diesem hubverstellbaren Befüllhülse oder von
einer festen Ringwand umgeben, wobei der Stufenkolben, der Druckverstärkerboden
und die Befüllhülse oder
die feste Ringwand zusammen einen Druckverstärkerraum, üblicherweise auch als Übersetzerraum
bezeichnet, begrenzen. Bei der Ausführungsform mit einer am Stufenkolben
hubverstellbar gelagerten Befüllhülse kann
zusätzlich
eine Vorspannfeder vorgesehen sein, welche sich einenends an einem
injektorkörperseitigen
Anschlag und anderenends an der Befüllhülse abstützt und letztere gegen den
Druckverstärkerboden
vorspannt. Der Stufenkolben, der Druckverstärkerboden und die Befüllhülse oder
die Ringwand bilden zusammen mit der für den Fall der Befüllhülse vorgesehenen
Vorspannfeder eine Übersetzungseinrichtung
zum Übersetzen des
im Kopplerraum herrschenden Drucks in einen für den Einspritzvorgang erforderlichen,
deutlich höheren
Druck im Druckverstärkerraum.
Eine Übersetzungswirkung
wird dabei durch die zwischen dem Kopplerraum und dem Druckverstärkerraum
herrschenden deutlichen Größenunterschiede
bewirkt. Dies ermöglicht
es, einen hohen Einspritzdruck bei gleichzeitig moderaten Systemdruck
zu erzielen, wodurch die Schadstoffemission des mit dem erfindungsgemäßen Injektor
ausgerüsteten
Verbrennungsmotors reduziert werden kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist
in dem Injektorkörper
ein Hochdruckraum angeordnet, in welchem die Steuerstange, der Stufenkolben
und die Befüllhülse beziehungsweise
die Ringwand angeordnet sind. Der Hochdruckraum ist dabei im Vergleich zum
Kopplerraum, Druckverstärkerraum
und Nadelsteuerraum deutlich größer und
weist das größte Volumen
auf. Ein großvolumiger
Hochdruckraum wirkt sich positiv auf Druckschwingungen bei Mehrfacheinspritzungen
aus, welche durch auf einem geringen Maß gehalten werden können.
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Zweckmäßig ist
die Kraftstoffhochdruckversorgung über eine Hydraulikleitung direkt
mit dem Hochdruckraum und indirekt über die Ventileinrichtung mit
dem Kopplungspfad in der Steuerstange verbunden. Dabei verlaufen
sowohl die direkte Zuleitung zum Hochdruckraum als auch die indirekte
Zuleitung über
die Ventileinrichtung zum Kopplungspfad in der Steuerstange zumindest
teilweise parallel in einer Injektorstirnplatte, so dass eine Anbindung
des erfindungsgemäßen Injektors
an die Kraftstoffhochdruckversorgung über lediglich eine Seite, nämlich die Injektorstirnplatte
möglich
ist. Eine darüber
hinaus gehende, konstruktiv aufwendige Leitungsführung, beispielsweise zum Druckverstärkerraum
oder zum Nadelsteuerraum ist somit nicht erforderlich.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Injektors ergeben sich
aus den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Injektors
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert: Dabei
zeigen die Figuren jeweils schematisch,
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1 einen
stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Injektor,
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2 eine
Darstellung wie in 1, jedoch bei einer anderen
Ausführungsform,
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3 ebenfalls
eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer weiteren
Ausführungsform,
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4 eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Injektors
in einem stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Entsprechend
den 1 bis 4 umfasst ein erfindungsgemäßer Injektor 1 einen
Injektorkörper 2,
welcher üblicherweise
aus zwei Abschnitten zusammengebaut ist, nämlich aus einem unten angeordneten
Nadelabschnitt 3 und einem darüber angeordneten Druckübersetzerabschnitt 4.
Die beiden Abschnitte 3 und 4 können dabei
durch eine geeignete Verbindungstechnik, beispielsweise eine Schweißverbindung
oder eine Schraubverbindung miteinander verbunden sein. In den gezeigten
Ausführungsbeispielen
ist eine Überwurfmutter 5 vorgesehen, welche
den Nadelabschnitt 3 aufnimmt und gegenüber dem Druckübersetzerabschnitt 4 verspannt.
Dabei ist die Überwurfmutter 5 vorzugsweise
am Druckübersetzerabschnitt 4 angeschraubt.
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Gespeist
wird der Injektor 1 von einer Kraftstoffhochdruckversorgung 6,
welche über
eine Hydraulikleitung 7 direkt mit einem im Injektor 1 angeordneten
Hochdruckraum 8 und indirekt über eine, eine Ventileinrichtung 9 aufweisende
Hydraulikleitung 7' mit
einem in einer Steuerstange 10 angeordneten Kopplungspfad 11 verbunden
ist.
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Im
Nadelabschnitt 3 ist zumindest ein Spritzloch 12 sowie
eine hubverstellbar angeordnete Düsennadel 13 zum Steuern
einer Einspritzung von Kraftstoff durch das wenigstens eine Spritzloch 12 vorgesehen.
An ihrem, dem zumindest einen Spritzloch 12 abgewandten
Ende weist die Düsennadel 13 eine
diese umgebende Düsennadelhülse 14 auf,
welche von einer Schließdruckfeder 15,
die sich einerseits an der Düsennadelhülse 14 und
andererseits an der Düsennadel 13 beziehungsweise
an einem dort angeordneten Anschlag abstützt, gegen einen Druckverstärkerboden 16 vorgespannt
wird. Gleichzeitig spannt die Schließdruckfeder 15 die
Düsennadel 13 in
ihre Schließstellung
vor. Die Düsennadel 13 ist
dabei hubverstellbar in einem Düsenraum 28 angeordnet,
der über
zumindest eine im Druckverstärkerboden 16 vorgesehene
Durchgangsöffnung 29 mit
einem Druckverstärkerraum 27 hydraulisch
verbunden ist. Im Druckübersetzerabschnitt 4 ist
ein Druckübersetzer 17 zur
Erhöhung
eines Kraftstoffeinspritzdruckes gegenüber einem Systemdruck angeordnet.
Der Druckübersetzer 17 weist
eine Stufenkolben 18, die Steuerstange 10 sowie
den Druckverstärkerboden 16 auf,
die zusammen einen Kopplerraum 19 begrenzen. Erfindungsgemäß verläuft dabei
in der Steuerstange 10 der Kopplungspfad 11, der
den Kopplerraum 19 über
die außerhalb
des Injektors 1 gelegene Ventileinrichtung 9 mit
der Kraftstoffhochdruckversorgung 6 verbindet. Die Ventileinrichtung 9 kann
dabei beispielsweise als Magnetventil oder Piezoaktor oder auch
als 2/2 beziehungsweise 3/2-Magnet- oder Piezoventil ausgebildet
sein, das in Kombination mit einem Servoventil eine 3/2-Funktionalität darstellen
lässt.
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Die
Steuerstange 10 greift mit ihrem, der Düsennadel 13 zugewandten
Ende in einen, im Druckverstärkerboden 16 eingelassenen
Hohlraum 20 ein, der über
einen Verbindungspfad 21 mit einem Nadelsteuerraum 22 hydraulisch
verbunden ist. Der Nadelsteuerraum 22 ist dabei von der
Düsennadel 13,
der diese umgebenden Düsennadelhülse 14 und
dem Druckverstärkerboden 16 begrenzt.
Gleichzeitig ist der Hohlraum 20 über den Kopplungspfad 11 mit
dem Kopplerraum 19 verbunden, wobei der Kopplungspfad 11 im
Bereich des Kopplerraums 19 Radialöffnungen 23 aufweist.
In dem Hohlraum 20 kann, wie in den 2 bis 4 dargestellt,
eine Steuerstangenfeder 24 vorgesehen sein, welche die
Steuerstange 10 in Richtung aus dem Hohlraum 20 hinaus, hier
also nach oben, vorspannt. Im Druckverstärkerboden 16 ist darüber hinaus
eine Verbindungsleitung 30 vorgesehen, die beispielsweise
als Bohrung ausgebildet ist und welche den Druckverstärkerraum 27 mit
dem Nadelsteuerraum 22 hydraulisch verbindet. Dabei kann
optional in der Verbindungsleitung 30 und/oder im Verbindungspfad 21 eine
Drosseleinrichtung 31 vorgesehen sein, wobei beispielsweise
die Drosseleinrichtung 31 im Verbindungspfad 21 als
Ablaufdrossel und die Drosseleinrichtung 31 in der Verbindungsleitung 30 als
Z-Drossel ausgebildet sein kann.
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Der
Stufenkolben 18 des Druckübersetzers 17 ist
gemäß den 1 bis 3 von
einer an dem Stufenkolben 18 hubverstellbar gelagerten
Befüllhülse 25 umgeben.
Gemäß der 4 wird
der Stufenkolben 18 von einer festen Ringwand 26 umgeben. Die
Ringwand 26 kann dabei separat oder einteilig mit dem Druckverstärkerboden 16 ausgebildet
sein. Insgesamt begrenzen der Stufenkolben 18, der Druckverstärkerboden 17 und
die Befüllhülse 25 oder die
feste Ringwand 26 einen Druckverstärkerraum 27.
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Gemäß den 1, 2 und 4 ist
eine Stufenkolbenfeder 32 vorgesehen, welche sich einerseits
an einem injektorkörperseitigen
Anschlag 33 und andererseits am Stufenkolben 18 abstützt. Gemäß den 1 und 2 drückt dabei
die Stufenkolbenfeder 32 den Stufenkolben 18 nach
oben und spannt somit diesen in einem Nichtbetriebszustand gegen
einen Anschlag 33',
welcher als ringförmige Außenstufe
an der Steuerstange 10 ausgebildet ist. Gleichzeitig wird
hierdurch die Steuerstange 10 gegen eine Stirnplatte 34 gedrückt, wodurch
der Kopplungspfad 11 gegenüber dem Hochdruckraum 8 abgedichtet
wird.
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In
dem injektorkörperseitigen
Anschlag 33 ist zumindest eine axiale Durchgangsöffnung 35 vorgesehen,
welche den Hochdruckraum 8 mit seinem unterhalb des Anschlages 33 gelegenen
Abschnitt 8' hydraulisch
verbindet.
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Auf
einer der Stufenkolbenfeder 32 abgewandten Seite des Anschlags 33 stützt sich
gemäß den 1 und 2 eine
Vorspannfeder 36 ab, welche die Befüllhülse 25 gegen den Druckverstärkerboden 16 vorspannt.
Bei der Ausführungsform
gemäß 3 ist
die Vorspannfeder 36 als Spannfeder 37 ausgebildet,
welches sich einenends am Stufenkolben 18 und anderenends
an der Befüllhülse 25 abstützt und
letztere gegen Druckverstärkerboden 16 vorspannt.
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Bei
der Ausführungsform
des Injektors 1 gemäß der 2 ist
der Stufenkolben 18 als sogenannter „freifliegender Kolben" ausgebildet, welcher
keinen Hubanschlag an der Steuerstange 10 aufweist. Hier
wird die Steuerstange 10, ebenso wie in den 3 und 4 mittels
der Steuerstangenfeder 24 gegen die Stirnplatte 34 gespannt
und abgedichtet. Vorteil ist dabei, dass schnelle Druckänderungen sich
direkt durch Hubänderungen
des Stufenkolbens 18 ausgleichen und dadurch sichergestellt
werden kann, dass der Injektor 1 nicht ungewollt, insbesondere
bei schneller Systemdruckabsenkung, öffnet.
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In
den Darstellungen gemäß den 3 und 4 sind
zwei Varianten gezeigt, bei welchen die Befüllung und Rückstellung des Druckübersetzers 17 nicht
durch ein Öffnen
der Befüllhülse 25,
sondern durch eine geänderte
Düsennadelhülse 14 sichergestellt
wird. Hierbei liegt eine Dichtkante der Düsennadelhülse 14 im Vergleich
zu den Ausführungsformen des
Injektors 1 gemäß den 1 und 2 radial außen. Ein
Dichtdurchmesser der Düsennadelhülse 14 liegt
somit auf einem größeren Durchmesser,
wodurch ein Öffnen
erreicht wird, wenn ein Druck im Nadelsteuerraum 22 größer ist
als im Düsenraum 28.
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Bei
der Variante gemäß der 4 ist
zusätzlich
eine Stufenkolbenrückstellung
mittels der Stufenkolbenfeder 32 neu gelöst, um einen
Bauraumvorteil realisieren zu können.
Deshalb stützt
sich die Stufenkolbenfeder 32 über einen Ringkragen 38 am
Injektorkörper 2 ab
und drückt
dabei über
eine Scheibe 39 auf den Stufenkolben 18 um diesen
nach Beendigung des Einspritzvorgangs zurückzustellen.
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Die
Funktionsweise des erfindungsgemäßen Injektors 1 kann
dabei wie folgt beschrieben werden:
Zunächst sind alle Volumina des
Injektors 1 auf Systemdruckniveau. Wird durch eine Betätigung der Ventileinrichtung 9 der
Druck im Kopplungspfad 11 abgesenkt, fallen der Druck im
Nadelsteuerraum 22 sowie der Druck im Kopplerraum 19 ab.
Zum einen erhöhen
sich dadurch die in Öffnungsrichtung
wirkenden Kräfte
auf die Düsennadel 13,
wodurch diese öffnet.
Zum anderen stellt sich eine Druckverstärkung im Druckverstärkerraum 27 ein,
welche aus einer Drucksenkung im Kopplerraum 19 resultiert.
In Folge dessen steigt auch der Druck im Düsenraum 28, und der
Injektor 1 spritzt mit einem im Vergleich zum Systemdruck
höheren
Einspritzdruck Kraftstoff in einen Brennraum ein.
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Für ein Schließen des
Injektors 1 wird die Ventileinrichtung 9 betätigt, insbesondere
geschlossen, wodurch die Drücke
im Nadelsteuerraum 22 und im Kopplerraum 19 wieder
auf Systemdruck steigen. Sind die Drücke auf Systemdruckniveau zurückgekehrt,
erzeugt die Stufenkolbenfeder 32 einen leichten Unterdruck
im Druckverstärkerraum 27,
wodurch die Befüllhülse 25 öffnet und
die Rückstellung
des Stufenkolbens 18 in Kombination mit einem Volumenausgleich
zu einer Rückstellung
des Injektors 1 in dessen Ausgangslage führt.
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Ein
besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Injektors 1 ist
die zentrale Anordnung des Kopplungspfades 11 innerhalb
der Steuerstange 10, wodurch Hochdruckbohrungen im Injektorkörper 2 entfallen
können.
Hierdurch kann ein hoher Einspritzdruck bei gleichzeitig moderatem
Systemdruck durch lediglich eine einzige Ventileinrichtung 9 erreicht
werden. Gleichzeitig können
ein schnelles Schalten der Düsennadel 13 sowie
eine deutlich verbesserte Mehrfacheinspritzfähigkeit aufgrund eines großen Volumens
des Hochdruckraums 8 sowie geringere Druckschwankungen,
die auf fehlenden Steuerleitungen resultieren, erreicht werden.