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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, zur Einbringung von Kraftstoff in direkt einspritzende
Dieselmotoren hubgesteuerte Kraftstoffinjektoren zu verwenden. Damit
wird der Vorteil geboten, dass der Einspritzdruck an Last und Drehzahl
angepasst werden kann. Die Ansteuerung der Injektoren kann durch
einen Piezoaktor direkt oder unter Zwischenschaltung eines Servo-Steuerraumes
erfolgen.
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Aus
der
DE 195 19 191
A1 ist ein Kraftstoffinjektor der eingangs angegebenen
Art bekannt. Bei diesem bekannten Injektor sind die Düsennadel,
die Geber- und Nehmerkolben sowie der Piezoaktor gleichachsig zueinander
angeordnet. Die elektrischen Anschlüsse des Piezoaktors
sind an einer düsenfernen Stirnseite des Injektorkörpers
vorgesehen, während der Hochdruckraum entfernt von dieser Stirnseite über
einen seitlich am Injektorkörper vorgesehenen Anschluss
mit der Kraftstoff-Hochdruckquelle verbunden werden muss. An einer
dem Hochdruck-Anschluss gegenüberliegenden Seite des Injektorkörpers
ist ein Anschluss für eine Rücklaufleitung zu
einem relativ drucklosen Kraftstofftank vorgesehen.
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Insgesamt
ergibt sich bei einem Kraftstoffinjektor gemäß der
DE 195 19 191 A1 ein
vergleichsweise hoher Installationsaufwand, weil die notwendigen
Anschlussleitungen an verschiedenen Seiten des Injektorkörpers
angeordnet werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es nun, bei einem Kraftstoffinjektor der eingangs
angegebenen Art den notwendigen Installationsaufwand möglichst
gering zu halten.
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Dies
wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die hydraulische
Kopplung zwischen Aktor und Düsennadel für eine
zueinander versetzte Anordnung von Aktor und Düsennadel
auszunutzen bzw. auszugestalten, so dass fluidische und elektrische
Anschlüsse am düsenfernen Ende des Injektorkörpers
nebeneinander angeordnet werden können und insbesondere
für eine den Hochdruckraum mit der Kraftstoff-Hochdruckquelle
verbindende Leitung im Injektorkörper neben dem relativ
drucklosen Aktorraum hinreichend Platz zur Verfügung steht.
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Gemäß der
Erfindung können die Hubachsen von Aktor und Geberkolben
einerseits und Düsennadel und Nehmerkolben andererseits
beliebig relativ zueinander angeordnet sein. Somit ist es prinzipiell
auch möglich, die Hubachsen unter einem Winkel relativ
zueinander und/oder mit Versatz relativ zueinander anzuordnen. Auf
diese Weise lassen sich auch „exotische” Einbaubedingungen
an Verbrennungsmotoren beherrschen.
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In
der Regel ist es jedoch vorteilhaft und zweckmäßig,
wenn die beiden Hubachsen gemäß einer zweckmäßigen
Ausführungsform der Erfindung zueinander parallel und seitwärts
versetzt erstreckt sind. Auf diese Weise lässt sich ein
stangenartig langgestreckter Injektorkörper realisieren,
der sich an üblichen Verbrennungsmotoren leicht anbringen lässt
und hinsichtlich der anzuschließenden Elektro- und Fluidleitungen
die oben erwähnten Vorteile bietet.
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Für
eine konstruktiv einfache Ausgestaltung des Injektorkörpers
kann des weiteren vorgesehen sein, dass ein geberseitiger Bereich
des Kopplungsraumes auf einer Seite eines den Hochdruckraum im Injektorkörper
unterteilenden Zwischenbodens des Injektorkörpers und ein
nehmerseitiger Bereich des Kopplungsraumes auf der anderen Seite
des Zwischenbodens angeordnet und durch eine den Zwischenboden durchsetzende
Bohrung mit dem anderen Bereich verbunden ist.
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In
zweckmäßiger Weiterbildung kann dabei vorgesehen
werden, die den Zwischenboden durchsetzende Bohrung als Drosselbohrung
auszubilden bzw. mit einer Drossel zu versehen. Dadurch wird erreicht,
dass ein Fluidaustausch zwischen den nehmer- und geberseitigen Bereichen
des Kopplungsraumes nur gegen dämpfenden Drosselwiderstand möglich
ist und die Öffnungs- und Schließhübe
der Düsennadel entsprechend bedampft werden.
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Im Übrigen
wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche
und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand
der besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
näher erläutert werden.
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Schutz
wird nicht nur für ausdrücklich angegebene oder
dargestellte Merkmalskombinationen, sondern prinzipiell auch für
beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die
einzige Figur zeigt einen schematisierten Axialschnitt einer besonders
bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Der
in der Zeichnung dargestellte Kraftstoffinjektor 1 besitzt
einen Injektorkörper 2, welcher einen in Teilräume 3, 4 und 5 untergliederten
Druckraum aufweist. Die Teilräume 3 bis 5 des
Druckraumes sind miteinander kommunizierend verbunden, indem ein
zwischen dem ersten und dem zweiten Teilraum 3 und 4 angeordneter
Zwischenboden 6 des Injektorkörpers 2 von
einer die Teilräume 3 und 4 verbindenden
Axialbohrung 7 durchsetzt wird. Der Teilraum 5 dient
als Axialführung einer Düsennadel 8,
die am in der Zeichnung unteren Ende des Teilraumes 5 angeordnete
Einspritzdüsen 9 steuert, über die der Teilraum 5 mit
einem nicht dargestellten Brennraum eines Verbrennungsmotors verbindbar
ist. In der Zeichnung nimmt die Düsennadel 8 ihre
die Düsen 9 absperrende Schließlage ein,
in der das düsenseitige Ende der Düsennadel 8 mit
einer düsenseitigen Ringkante dicht auf einem die Eingänge
der Düsen 9 mit radialem Abstand umschließenden
ringförmigen Düsennadelsitz aufsitzt, so dass
innerhalb des Teilraumes 5 ein Düseneingangsraum 10 von
einem zwischen der axialen Innenwand des Teilraumes 5 und dem
Außenumfang der Düsennadel 8 verbleibenden Ringraum
abgetrennt wird.
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Dieser
Ringraum kommuniziert ständig mit dem Teilraum 4.
Zu diesem Zweck ist die Düsennadel 8 an einem
an dem Teilraum 4 angrenzenden oberen Axialabschnitt des
Teilraumes 5 mit an der Düsennadel 8 angeordneten
Axialstegen oder dergleichen axial verschiebbar geführt,
wobei zwischen den Axialstegen Freiräume verbleiben, über
die der Teilraum 4 mit dem übrigen Teilraum 5 kommuniziert.
Wenn die Düsennadel 8 ihre vom Sitz an den Einspritzdüsen 9 abgehobene
Offenlage einnimmt, ist der Düseneingangsraum 10 über
die Teilräume 5 und 4 sowie die Axialbohrung 7 im
Zwischenboden 6 mit dem Teilraum 3 des Druckraumes 3 bis 5 und
somit mit einem unter Hochdruck stehenden Kraftstoffspeicher 11 verbunden,
der typischerweise als „Common Rail” ausgebildet
ist und über eine Druckleitung 12 mit dem Teilraum 3 kommuniziert.
Damit kann unter Hochdruck stehender Kraftstoff über die
Einspritzdüsen 9 in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt
werden.
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Des
Weiteren ist im Injektorkörper 2 ein vom Druckraum 3 bis 5 durch
einen Zwischenboden 13 abgesonderter Aktorraum 14 vorgesehen,
welcher einen vorzugsweise piezoelektrischen Aktor 15 aufnimmt,
der in weiter unten dargestellter Weise die Düsennadel 8 betätigt.
Der Aktorraum 14 ist ständig praktisch druckfrei
und zu diesem Zweck über eine Rücklaufleitung 16 mit
einem (nicht dargestellten) relativ drucklosem Kraftstoffreservoir,
beispielsweise einem Kraftstofftank, verbunden.
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Der
Aktor 15 ist zu seinem Betrieb über elektrische
Leitungen 17 mit einer elektrischen Spannungsquelle verbindbar.
Im Übrigen ist der Aktor 15 mit der Düsennadel 8 in
nachfolgend angegebener Weise hydraulisch gekoppelt.
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Eine
axial an einer Stirnplatte 14' des Aktors 14 anliegende
Kolbenstange 18, welche eine Bohrung im Zwischenboden 13 durchsetzt,
ist mit einem Geberkolben 19 verbunden, der in einem geberseitigen
Kopplungsraumbereich 20 verdrängerwirksam arbeitet.
Dieser Kopplungsraumbereich 20 ist über eine den
Zwischenboden 6 durchsetzende Axialbohrung, die als Drossel
ausgebildet sein bzw. eine Drossel aufweisen kann, mit einem nehmerseitigen
Kopplungsraumbereich 22 verbunden, der einen Kolbenarbeitsraum
für einen an der Düsennadel 8 angeordneten
Nehmerkolben 23 bildet. Die Kopplungsraumbereiche 20 und 22 werden
von den Teilräumen 3 und 4 des Druckraumes 3 bis 5 durch
auf den Kolben 19 und 23 verschiebbar geführte
Dichthülsen 24 und 25 abgetrennt, die
durch Schraubendruckfedern, welche zwischen Flanschen an den Kolben 19 und 22 sowie
den zugewandten Stirnseiten der Dichthülsen 24 und 25 eingespannt
sind, gegen den Zwischenboden 6 gespannt werden. Damit
werden die Dichthülsen 24 und 25 jeweils
mit einer scharfen Ringkante gegen eine Ringlinienzone des Zwischenbodens 6 gespannt,
wobei die Ringkanten auf den jeweiligen Ringlinienzonen des Zwischenbodens 6 dicht
aufsitzen. Die den Geberkolben 19 umfassende Schraubendruckfeder
wirkt außerdem als Anschubfeder für die Kolbenstange 18,
die von der Federkraft gegen die Stirnplatte 14' des Aktors 14 angeschoben wird.
Die den Nehmerkolben 23 umfassende Schraubendruckfeder
wirkt auch als Schließfeder für die Düsennadel 8.
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Wenn
der Geberkolben 19 eine den Kopplungsraumbereich 20 verkleinernde
Abwärtsbewegung ausführt, wird Fluid aus dem Kopplungsbereich 20 über
die Leitung 21 in dem Kopplungsraumbereich 22 ausgeschoben,
so dass der Nehmerkolben 23 mit der Düsennadel 8 eine
Abwärtsbewegung in Richtung der Schließlage der
Düsennadel 8 ausführt. Umgekehrt nimmt
der Kopplungsraumbereich 20 bei Aufwärtsbewegung
des Geberkolbens 19 Fluid aus dem Kopplungsraumbereich 22 auf,
wobei der Nehmerkolben 23 mit der Düsennadel 8 in
Aufwärtsrichtung, das heißt in eine Offenlage,
bewegt wird. Da die verdrängerwirksamen Kolbenquerschnitte
von Geber- und Nehmerkolben 19 und 23 unterschiedlich sind,
wird eine entsprechende Hubübersetzung bewirkt, wobei das Übersetzungsverhältnis
invers zum Verhältnis der Querschnitte ist.
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Die
Kopplungsraumbereiche 20 und 22 stehen in stark
gedrosselter Verbindung mit den Teilräumen 3 und 4 des
Druckraumes 3 bis 5. Diese gedrosselte Verbindung
erfolgt über die Dichtspalte zwischen den Innenumfängen
der Dichthülsen 24 und 25 und den Außenumfängen
der Kolben 19 und 23. In der dargestellten Ruhelage,
in der der piezoelektrische Aktor 15 durch Anschluss an
eine elektrische Spannungsquelle über die elektrischen
Leitungen 17 elektrisch aufgeladen ist und seinen vertikal
langen Zustand einnimmt, so dass die Stirnplatte 14' und
der Geberkolben 19 in ihren unteren Totpunktlagen gehalten
werden, sickert über die genannten Dichtspalte aus den
Teilräumen 3 und 4 des Druckraumes 3 bis 5 eine
solche Fluidmenge in die Kopplungsbereiche 21 und 22 ein,
dass sich im Wesentlichen Druckgleichheit zwischen den Kopplungsraumbereichen 20 und 22 einerseits
und den Teilräumen 3 und 4 des Druckraumes 3 bis 5 andererseits
einstellt und der Nehmerkolben 23 eine Lage hat, in der
die Düsennadel 8 in der dargestellten Schließlage
ist. Wenn nun der piezoelektrische Aktor 15 von der elektrischen Spannungsquelle
abgetrennt und entladen wird, geht er in seinen vertikal kurzen
Zustand über, so dass die Stirnplatte 14 in ihre
obere Totpunktlage gebracht wird. Dieser Aufwärtsbewegung
der Stirnplatte 14' folgt der Geberkolben 19,
weil die den Geberkolben 19 umfassende Schraubendruckfeder
die Kolbenstange 18 des Geberkolbens 19 gegen
die Stirnplatte 14' anzuschieben sucht. Außerdem
wird am Geberkolben 19 ein dem Querschnitt der Kolbenstange 18 entsprechender
resultierender Querschnitt vom Druck im Teilraum 3 sowie
im Kopplungsraumbereich 20 in Aufwärtsrichtung
beaufschlagt, so dass auch hydraulische Kräfte den Geberkolben 19 nach
oben zu schieben suchen.
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Diesem
Aufwärtshub folgt der Nehmerkolben 23, so dass
die Düsennadel 8 die Düsen 9 freigibt. Dabei
wird der Öffnungshub der Düsennadel 8 durch den
sich im Eingangsraum 10 einstellenden hohen Druck unterstützt.
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Wie
in der Zeichnung schematisiert dargestellt ist, sind die Hubachsen
von Aktor 15 und Geberkolben 19 einerseits und
Düsennadel 8 und Nehmerkolben 23 andererseits
versetzt zueinander angeordnet. Dadurch wird innerhalb des Injektorkörpers 2 ein
vergleichsweise großer Freiraum für die Anordnung
der Druckleitung 12 neben dem Aktorraum 14 geschaffen.
Gleichzeitig kann ohne weiteres gewährleistet werden, dass
die Druckleitung 12, die elektrischen Leitungen 17 sowie
die Rücklaufleitung 16 nebeneinander am düsenfernen
Stirnende des Injektorkörpers 2 zugänglich
sind. Dies erleichtert den Anschluss der genannten Leitungen sowie
die Installation des Kraftstoffinjektors 1 am Motor.
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In
diesem Zusammenhang ist vorteilhaft, dass der Injektorkörper 2 gleichwohl
eine langgestreckte stangenartige Form aufweisen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19519191
A1 [0003, 0004]