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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor einer Kraftstoffeinspritzanlage
für eine
Brennkraftmaschine, die insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeordnet
sein kann.
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Üblicherweise
umfasst ein derartiger Injektor einen Injektorkörper, der wenigstens ein Spritzloch enthält und in
dem eine Düsennadel
zum Steuern einer Einspritzung von Kraftstoff durch das wenigstens eine
Spritzloch hubverstellbar angeordnet ist. Ferner kann im Injektorkörper ein
Aktuator angeordnet sein, mit dessen Hilfe ein im Injektorkörper hubverstellbar angeordneter
Kolben antreibbar ist. Mit Hilfe dieses Kolbens kann in einem Steuerraum
der Druck gesteuert werden. Beispielsweise weist dieser Kolben hierfür eine dem
wenigstens einen Spritzloch zugewandte Kolbenfläche auf, die besagten Steuerraum oder
einen mit diesem Steuerraum hydraulisch gekoppelten anderen Raum
begrenzt. Der Steuerraum ist ferner von einer Steuerfläche begrenzt,
die an der Düsennadel
oder an einem die Düsennadel
umfassenden Nadelverband an einer von wenigstens einem Spritzloch
abgewandten Seite angeordnet ist. Über diese Steuerfläche werden
abhängig
vom Druck im Steuerraum hydraulische Schließkräfte in die Düsennadel
eingeleitet. Bei einem Injektor mit invers betriebenem Aktuator
wird der Aktuator zum Öffnen
der Düsennadel
entstromt beziehungsweise entspannt, wodurch er seine axiale Länge verkürzt und in
der Folge den damit antriebsgekoppelten Kolben zurückzieht,
so dass sich die Kolbenfläche
von wenigstens einem Spritzloch entfernt. Hierdurch kommt es im
Steuerraum zu einem Druckabfall, der die an der Steuerfläche angreifenden
hydraulischen Schließkräfte reduziert,
so dass letztlich die an der Düsennadel
angreifenden Öffnungskräfte überwiegen
und die Düsennadel öffnet. Derartige
bekannte Injektoren arbeiten somit mit einer druckabhängigen, direkten
Ansteuerung der Düsennadel.
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Problematisch
ist dabei der invers betriebene Aktuator da üblicherweise bei Injektoren
die Schließzeiten
der Düsennadel überwiegen,
so dass der Aktuator einen vergleichsweise hohen Strombedarf aufweist,
relativ viel Wärme
abgibt und vergleichsweise schnell altert. Des weiteren ist die
zum Ansteuern des Aktuators erforderliche Leistungselektronik entsprechend
aufwändig.
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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 der Aktuator
nicht invers betrieben werden muss. Das bedeutet, dass der Injektor
nur für
die jeweiligen Öffnungsvorgänge der
Düsennadel
bestromt werden muss. In der Folge reduziert sich der Strombedarf,
die Wärmeentwicklung
nimmt ab und die Lebenszeit des Aktuators erhöht sich. Gleichzeitig kann
die zum Ansteuern des Aktuators benötigte Leistungselektronik einfacher
und somit preiswerter gestaltet werden.
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Erreicht
wird dies bei der Erfindung dadurch, dass der Aktuator mit einem Übersetzerkolben
antriebsgekoppelt ist, der in einen als Hohlkolben ausgebildeten
Steuerkolben koaxial eintaucht, der seinerseits mit der Düsennadel
antriebsgekoppelt ist. Des weiteren besitzen der Übersetzerkolben
und der Steuerkolben an einer von wenigstens einem Spritzloch abgewandten
Seite eine Übersetzerfläche beziehungsweise
eine Steuerfläche,
die miteinander hydraulisch gekoppelt sind. Durch eine entsprechende
Ausgestaltung des Injektorkörpers,
des Übersetzerkolbens
und des Steuerkolbens kann erreicht werden, dass ein auf das wenigstens
eine Spritzloch zu gerichteter Hub des Übersetzerkolbens einen Druckabfall
an der Übersetzerfläche und
somit an der Steuerfläche
bewirkt, der die an der Steuerfläche
angreifenden hydraulischen Schließkräfte soweit reduziert, dass
die Düsennadel öffnet. Demzufolge
kann der Aktuator normal betrieben werden, so dass er bei geschlossener
Düsennadel
entstromt beziehungsweise entspannt ist und nur zum Öffnen der
Düsennadel bestromt
beziehungsweise gespannt werden muss.
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Ein
besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Injektors kann auch darin
gesehen werden, dass es grundsätzlich
möglich
ist, viele Komponenten eines herkömmlichen Injektors mit invers
betriebenem Aktuator zu übernehmen.
Beispielsweise können
der Injektorkörper,
der Aktuator und die Düsennadel
direkt übernommen
werden. Lediglich der Übersetzerkolben
und der Steuerkolben müssen
entsprechend der Erfindung adaptiert werden. Hierdurch lässt sich der
erfindungsgemäße Injektor
vergleichsweise preiswert realisieren. Insbesondere kann auf Konstruktionen
zurückgegriffen
werden, die sich in der Praxis bewährt haben. Insbesondere kann
relativ einfach eine Ausführungsform
realisiert werden, bei welcher der Aktuator von dem unter Einspritzdruck
stehenden Kraftstoff umspült
beziehungsweise in Umfangsrichtung umhüllt ist.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Injektors ergeben sich
aus den Unteransprüchen,
aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnung.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Injektors
ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
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Die
einzige 1 zeigt einen stark vereinfachten,
prinzipiellen Längsschnitt
durch einen Injektor nach der Erfindung.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Entsprechend 1 umfasst
ein Injektor 1 einen Injektorkörper 2, der beispielsweise
aus mehreren Komponenten zusammengebaut ist. Zum Beispiel umfasst
der Injektorkörper 2 hier
einen Aktuatorabschnitt 3, einen Nadelabschnitt 4,
eine zwischen Aktuatorabschnitt 3 und Nadelabschnitt 4 angeordnete
Zwischenplatte 5 sowie eine Verbindungshülse 6 zum
Festlegen des Nadelabschnitts 4 und der Zwischenplatte 5 am
Aktuatorabschnitt 3, z. B. nach Art einer Überwurfmutter.
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Der
Injektorkörper 2 enthält in seinem
Nadelabschnitt 4 zumindest ein Spritzloch 7, durch
das Kraftstoff in einen Einspritzraum 8 einspritzbar ist. Ferner
enthält
der Injektorkörper 2 einen
Zuführpad 9 der
im Betrieb des Injektors 1 dem wenigstens einen Spritzloch 7 unter
Einspritzdruck stehenden Kraftstoff zuführt. Im Einbauzustand ist der
Injektor 1 über
den Zuführpfad 9 an
eine hier nicht dargestellte Kraftstoffhochdruckleitung angeschlossen.
Der Injektor 1 bildet ebenso wie die Kraftstoffhochdruckleitung
einen Bestandteil einer im übrigen
nicht gezeigten Kraftstoffeinspritzanlage, die zur Versorgung von
Brennräumen
einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff dient. Dabei ist die Brennkraftmaschine
vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet.
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Der
Injektorkörper 2 enthält in seinem
Aktuatorabschnitt 3 einen Aktuatorraum 10. Ferner
enthält der
Injektorkörper 2 in
seinem Nadelabschnitt 4 einen Nadelraum 11. Die
Zwischenplatte 5 enthält
zumindest eine Verbindungsöffnung 12,
durch die der Aktuatorraum 10 und der Nadelraum 11 miteinander
kommunizieren. Der Zuführpfad 9 ist
durch den Aktuatorraum 10, die wenigstens eine Verbindungsöffnung 12 und
durch den Nadelraum 11 hindurchgeführt und dementsprechend sind
der Aktuatorraum 10 und der Nadelraum 11 mit unter
Einspritzdruck stehendem Kraftstoff befüllt.
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Im
Aktuatorraum 10 ist ein Aktuator 13 angeordnet,
der elektrisch betätigbar
ist und vorzugsweise als Piezoaktuator ausgestaltet ist. Der Aktuator 13 verändert in
Abhängigkeit
seiner Bestromung seine axiale Länge
parallel zu einer Längsmittelachse 14 des
Injektors 1. Beim Bestromen dehnt sich der Aktuator 13 aus,
das heißt
er wird gespannt. Beim Entstromen zieht sich der Aktuator 13 zusammen,
das heißt
er wird entspannt. Der Aktuator 13 stützt sich in axialer Richtung
mit einem Aktuatorfuß 15 am
Injektorkörper 2 ab.
Dadurch kann ein vom Aktuatorfuß 15 entfernter
Aktuatorkopf 16 in Abhängigkeit
der Bestromung des Aktuators 13 entsprechende Aktuatorhübe durchführen. Der
Aktuator 13 ist in seiner Ausdehnungsrichtung mit Hilfe
einer Öffnungsdruckfeder 17 vorgespannt,
die sich hier einerseits am Aktuatorkopf 16 und andererseits
am Aktuatorfuß 15 oder
am Injektorkörper 2 axial
abstützt.
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Im
Nadelabschnitt 4 des Injektorkörpers 2 ist eine Düsennadel 18 hubverstellbar
angeordnet. Die Düsennadel 18 wirkt
mit einem Nadelsitz 19 zusammen und dient zum Steuern einer
Einspritzung von Kraftstoff durch das wenigstens eine Spritzloch 7.
In ihrer Schließstellung
sitzt die Düsennadel 18 im
Nadelsitz 19 und trennt das wenigstens eine Spritzloch 7 vom
Zuführpfad 9.
Beim Öffnen
hebt die Düsennadel 18 vom
Nadelsitz 19 ab und gibt eine Verbindung zwischen dem Zuführpfad 9 und
dem wenigstens einen Spritzloch 7 frei, wodurch Kraftstoff
durch das wenigstens eine Spritzloch 7 in den Einspritzraum 8 eingedüst werden
kann.
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Die
Düsennadel 18 ist
beispielsweise bei 20 im Injektorkörper 2 beziehungsweise
in dessen Nadelabschnitt 4 axial geführt gelagert. Der Zuführpfad 9 ist
durch diese Führung 20 hindurchgeführt, beispielsweise
mittels wenigstens einer Freischlifffläche 21.
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Der
Aktuator 13 ist über
den Aktuatorkopf 16 mit einem Übersetzerkolben 22 antriebsverbunden, beispielsweise über eine
Sicherungsscheibe 23. Es ist klar, dass auch andere Verbindungstechniken
in Frage kommen. Insbesondere ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei welcher
der Übersetzerkolben 22 unmittelbar
am Aktuator 13 befestigt ist, so dass der Übersetzerkolben 22 und
der Aktuatorkopf 16 ein integrales Bauteil bilden. Der Übersetzerkolben 22 ist
als Stufenkolben mit einem Kolbenabschnitt 25 und einem
Schaftabschnitt 24 ausgestaltet und weist einen Schaftabschnitt 24 und
einen Kolbenabschnitt 25 auf. Der Schaftabschnitt 24 ist
mit dem Aktuator 13 antriebsverbunden und ist durch die Zwischenplatte 5 axial
geführt
und gelagert hindurchgeführt.
Der Kolbenabschnitt 25 ist im Nadelabschnitt 4 beziehungsweise
im Nadelraum 11 angeordnet. Der Übersetzerkolben 22 weist
an einer vom wenigstens einen Spritzloch 7 abgewandten
Seite eine Übersetzerfläche 26 auf.
Diese ist als Ringfläche ausgestaltet
und ist definiert durch die Differenz zwischen einem Übersetzerkolbenquerschnitt 27,
den der Übersetzerkolben 22 in
seinem Kolbenabschnitt 25 aufweist, und einem Übersetzerschaftquerschnitt 28,
den der Übersetzerkolben 22 in
seinem Schaftabschnitt 24 aufweist.
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Die
Düsennadel 18 oder
ein Nadelverband 29, der zumindest die Düsennadel 18 umfasst,
weist an einem von wenigstens einem Spritzloch 7 entfernten
Endabschnitt einen Steuerkolben 30 auf. Der Steuerkolben 30 ist
als zum Aktuator 13 hin offener Hohlkolben ausgestaltet
und ist koaxial zum Übersetzerkolben 22 angeordnet.
Dabei taucht der Übersetzerkolben 22 mit
seinem Kolbenabschnitt 25 in einen Kolbenabschnitt 31 des
Steuerkolbens 30 axial ein und ist darin axial geführt gelagert.
Ein Innenquerschnitt 32 des Steuerkolbens 30 in
dessen Kolbenabschnitt 31 entspricht daher im wesentlichen
dem Außenquerschnitt 27 des Übersetzerkolbens 22 in
dessen Kolbenabschnitt 25.
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Der
Steuerkolben 30 weist an einer vom wenigstens einem Spritzloch 7 abgewandten
Seite eine Steuerfläche 33 auf.
Die Steuerfläche 33 ist
hier als Ringfläche
ausgestaltet und durch die Differenz zwischen einem Außenquerschnitt 34,
den der Steuerkolben 30 in seinem Kolbenabschnitt 31 aufweist, und
dem Innenquerschnitt 32 des Steuerkolbens 30 in
seinem Kolbenabschnitt 31 gebildet. Diese Steuerfläche 33 ist
mit der am Übersetzerkolben 22 ausgebildeten Übersetzerfläche 26 hydraulisch
gekoppelt. Das bedeutet, an beiden Flächen 26, 33 herrschen stets
die gleichen Drücke.
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Die
hydraulische Kopplung zwischen der Steuerfläche 33 und der Übersetzerfläche 26 erfolgt hier über einen
Steuerraum 35, der sowohl von der Steuerfläche 33 als
auch von der Übersetzerfläche 26 axial
begrenzt ist. Der Steuerraum 35 ist außerdem radial innen vom Schaftabschnitt 24 des Übersetzerkolbens 22 begrenzt.
Dementsprechend umschließt
der Steuerraum 35 den Schaftabschnitt 24 des Übersetzerkolbens 22 ringförmig. Radial
außen ist
der Steuerraum 35 hier durch eine Dichthülse 36 begrenzt,
die radial außen
am Kolbenabschnitt 31 des Steuerkolbens 30 hubverstellbar
gelagert ist. Gegenüber
der Steuerfläche 33 und
gegenüber
der Übersetzerfläche 26,
also an einer dem wenigstens einem Spritzloch 7 zugewandten
Seite ist der Steuerraum 35 durch die Zwischenplatte 5 begrenzt.
Der Steuerraum 35 ist ringförmig. Durch die Dichthülse 36 ist
der Steuerraum 35 vom Nadelraum 11 und somit vom
Zuführpfad 9 getrennt.
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Die
Dichthülse 36 liegt
an ihrem vom wenigstens einem Spritzloch 7 abgewandten
Ende an der Zwischenplatte 5 an. Dabei ist die Dichthülse 36 mit Hilfe
einer Vorspannfeder 37 axial gegen die Zwischenplatte 5 vorgespannt.
Hierzu ist die Vorspannfeder 37 einerseits an der Dichthülse 36 und
andererseits am Steuerkolben 30 abgestützt, der hierzu einen entsprechenden
Bund 38 aufweist.
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Der
Aktuator 13 ist dabei innerhalb des Aktuatorraums 10 vom
unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoff in Umfangsrichtung umschlossen
beziehungsweise umspült.
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Der
Steuerkolben 31 ist zusammen mit der Dichthülse 36 im
Nadelraum 11 von dem unter Einspritzdruck stehendem Kraftstoff
in Umfangsrichtung umschlossen beziehungsweise umströmt.
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Die
koaxial ineinander angeordneten Kolben, also der Übersetzerkolben 22 und
der Steuerkolben 30 schließen zentral einen Kopplerraum 39 ein.
Dieser Kopplerraum 39 ist durch wenigstens eine, im Kolbenabschnitt 31 des
Steuerkolbens 30 ausgebildete Verbindungsöffnung 40 mit
dem Nadelraum 11 hydraulisch gekoppelt. Des weiteren ist
im vorliegenden Fall im Kopplerraum 39 eine Schließdruckfeder 41 angeordnet,
die sich einerseits am Übersetzerkolben 22 und
andererseits am Steuerkolben 30 axial abstützt. Zur
Unterbringung der Schließdruckfeder 41 ist
auch der Übersetzerkolben 22 als zum
wenigstens einen Spritzloch 7 hin offener Hohlkolben ausgestaltet.
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Der
erfindungsgemäße Injektor 1 arbeitet wie
folgt:
In einem Ausgangszustand befindet sich die Düsennadel 18 in
ihrer Schließstellung,
so dass sie im Nadelsitz 19 sitzt und das wenigstens eine
Spritzloch 7 vom Zuführpfad 9 getrennt
ist. Im Zuführpfad 9 herrscht
Einspritzdruck. Der Aktuator 13 ist unbestromt, also entspannt.
Im Kopplerraum 39 herrscht ebenso wie im Steuerraum 35 ebenfalls
Einspritzdruck.
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Zum
Durchführen
eines Einspritzvorgangs wird der Aktuator 13 betätigt, also
bestromt, wodurch er gespannt wird und sich in axialer Richtung
ausdehnt. Dieser Ausdehnungsvorgang wird dabei von der Öffnungsdruckfeder 17 unterstützt. Dementsprechend
treibt der Aktuator 13 den Übersetzerkolben 22 zur
Durchführung
eines Hubs an. In der Folge bewegt sich der Übersetzerkolben 22 relativ
zum Steuerkolben 30, der über die Düsennadel 18 am Injektorkörper 2 abgestützt ist.
Folglich verkleinert sich das Volumen des Kopplerraums 39.
Dabei wird Kraftstoff aus dem Kopplerraum 39 über die
wenigstens eine Verbindungsöffnung 40 in
den Nadelraum 11 verdrängt.
Ein damit gegebenenfalls einhergehender Druckanstieg im Nadelraum 11 ist
dabei aufgrund der Volumenverhältnisse
vernachlässigbar.
Durch die Axialbewegung des Übersetzerkolbens 22 wird
jedoch außerdem
die den Steuerraum 35 begrenzende Übersetzerfläche 26 in Richtung
des wenigstens einen Spritzlochs 5 verstellt, wodurch sich
das Volumen des Steuerraums 35 vergrößert. Damit geht ein Druckabfall
im Steuerraum 35 einher. In der Folge reduzieren sich die
an der Steuerfläche 33 angreifenden
hydraulischen Schließkräfte. Dies
führt dazu, dass
an der Düsennadel 18 die
in Öffnungsrichtung wirksamen
hydraulischen Kräfte überwiegen,
so dass die Düsennadel 18 vom
Nadelsitz 19 abhebt. Bei geöffneter Düsennadel 18 ist das wenigstens eine
Spritzloch 7 mit dem Zuführpfad 9 verbunden,
so dass die Einspritzung von Kraftstoff erfolgen kann.
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Zum
Beendigen des Einspritzvorgangs wird der Aktuator 13 wieder
entstromt beziehungsweise entspannt. In der Folge zieht sich der
Aktuator 13 wieder zusammen. Der Übersetzerkolben 22 folgt dem
Aktuator 13, wodurch das Volumen des Steuerraums 35 wieder
verkleinert wird, darin der Druck ansteigt und die über die
Steuerfläche 33 in
die Düsennadel 18 eingeleiteten
hydraulischen Schließkräfte wieder
zunehmen. Die Schließbewegung
der Düsennadel 18 wird
dabei durch die Schließdruckfeder 41 unterstützt.
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Bemerkenswert
ist dabei, dass beim vorliegenden Injektor 1 der Aktuator 13 normal,
also nicht invers betrieben werden kann, was dazu führt, dass der
Aktuator 13 nur für
vergleichsweise kurze Zeitspannen für das Öffnen der Düsennadel 18 bestromt werden
muss. Die hierzu erforderliche Leistungselektronik kann vergleichsweise
einfach ausgelegt werden. Ebenso kann die Lebensdauer des Aktuators 13 dadurch
vergrößert werden.