-
Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1.
-
Stand der Technik
-
Es
ist bekannt, zur Einbringung von Kraftstoff in direkt einspritzende
Dieselmotoren hubgesteuerte Kraftstoffinjektoren einzusetzen. Damit
wird der Vorteil geboten, dass der Einspritzdruck an Last und Drehzahl
leicht angepasst werden kann. Die Betätigung der die Einspritzdüsen steuernden
Elemente kann direkt oder unter Zwischenschaltung eines Servo-Steuerraumes
mit einem Piezoaktor erfolgen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Bislang
ist in der Regel vorgesehen, den Piezoaktor innerhalb eines im Injektorgehäuse bzw. -körper ausgebildeten
Hochdruckraumes bzw. -speichers für Kraftstoff anzuordnen. Dies
bringt jedoch das Problem mit sich, dass der Aktor von Kraftstoff unter
Hochdruck beaufschlagt wird, so dass eine hochdruckfeste und kraftstoffdichte
Schutzbeschichtung für
den Aktor notwendig wird. Bislang stehen keine Schutzbeschichtungen
mit wünschenswerter Lebensdauer
zur Verfügung.
-
Bei
einer grundsätzlich
möglichen
Anordnung des Aktors in einem relativ drucklosen Raum steht die
Notwendigkeit, den Aktor mit von Hochdruck beaufschlagten Steuerelementen
für die
Einspritzdüsen
zu koppeln. Die in diesem Zusammenhang notwendigen Koppelelemente
sollten einen geringen Querschnitt aufweisen, um zu gewährleisten,
dass der hohe Druck im Hochdruckraum bzw. -speicher nur auf einem
geringen Querschnitt wirksam werden und nur vergleichsweise geringe
Kräfte
auf den Aktor ausüben
kann. Im Ergebnis wird damit erreicht, dass ein vergleichsweise
schwacher Aktor genügt,
um die beim Einschieben des Koppelelementes in den Hochdruckraum
bzw. -speicher entgegenwirkenden Fluidkräfte zu überwinden. Allerdings muss
dann in Kauf genommen werden, dass das Koppelelement relativ nachgiebig
wird und nur eine „weiche” Kopplung
zwischen Aktor und Düsennadel
oder dergleichen ermöglicht.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, bei einem Kraftstoffinjektor
mit in einer relativ druckfreien Aktorkammer untergebrachtem Aktor
ein gut reproduzierbares Betriebsverhalten zu erreichen und gleichwohl
den Einsatz leistungsschwacher Aktoren zu ermöglichen.
-
Zur
Lösung
dieser Aufgabe dienen bei einem Kraftstoffinjektor der im Oberbegriff
des Anspruches 1 angegebenen Art die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1.
-
Die
im Anspruch 1 definierte Konstruktion bietet eine gute Basis für wünschenswerte
oder weitere Maßnahmen
zur Begrenzung der zur Steuerung der Düsennadel oder dergleichen notwendigen
Stellkräfte.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene
hydraulische Kopplung zwischen der aktorseitigen Kolbenstange und
der Düsennadel
oder dergleichen kann eine prinzipiell beliebige Wegübersetzung
zwischen dem Hub des Aktors und dem Hub der Düsennadel oder dergleichen ermöglicht werden,
hierzu brauchen lediglich die Querschnitte von Geber- und Nehmerkolben
entsprechend unterschiedlich bemessen zu werden.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung lassen sich die für
den Öffnungshub der
Düsennadel
oder dergleichen notwendigen Stellkräfte dadurch vermindern, dass
dem Nehmerkolben ein beim Öffnungshub
sein Volumen vermindernder Niederdruckraum zugeordnet ist. In konstruktiv zweckmäßiger Weise
kann der Niederdruckraum in einer zur kopplungsraumseitigen Stirnseite
des Nehmerkolbens offenen Sackbohrung angeordnet und durch einen
in die Sack bohrung hineinragenden, relativ stationären Plunger
abgeschlossen sowie über eine
den Plunger durchsetzende Axialbohrung mit einem relativ drucklosen
Kraftstoffreservoir verbunden sein.
-
In
diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, dass der relativ stationäre Plunger
mit einem Endstück,
welches einen gegenüber
dem Querschnitt der Sackbohrung vergrößerten Querschnitt aufweist,
auf einer der kopplungsraumseitigen Stirnseite des Nehmerkolbens
gegenüberliegenden
stationären
Fläche
eines Teiles des Injektorgehäuses bzw.
-körpers
axial abgestützt
und zwischen dem Endstück
und der stationären
Fläche
ein im Wesentlichen scheibenförmiger
und mit dem relativ drucklosem Kraftstoffreservoir kommunizierender
Raum mit gegenüber
dem Durchmesser der Sackbohrung vergrößertem Scheibendurchmesser
ausgebildet ist. Damit wird der vorgenannte Plunger durch den Hochdruck
im Kopplungsraum an die stationäre
Fläche des
Injektorgehäuses
bzw. -körpers
angedrückt
und stationär
festgehalten. Eine feste Verbindung zwischen Plunger und stationärer Fläche ist
dabei nicht notwendig.
-
Des
Weiteren ist gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, innerhalb eines den Hochdruckraum der
Eingangsseite der Einspritzdüsen
verbindenden Strömungspfades
des Kraftstoffes eine Drossel anzuordnen. Während der Einspritzphase tritt
an dieser Drossel eine Druckdifferenz auf, mit der Folge, dass die die
Düsennadel
oder dergleichen in ihre Offenlage drängenden hydraulischen Kräfte vermindert
werden und der Schließhub
der Düsennadel
oder dergleichen mit verminderten Stellkräften ausführbar ist. In konstruktiv bevorzugter
Weise kann der Strömungspfad
zwischen dem Innenumfang eines an den Hochdruckraum anschließenden Druckraumes
und dem Außenumfang
der Düsennadel
oder dergleichen angeordnet und die Drossel zwischen einem düsennadelseitigen
Bund bzw. Flansch und den Innenumfang angeordnet bzw. ausgebildet
sein. Damit wird in konstruktiv einfacher Weise eine Ringspaltdrossel
im Strömungspfad
zur Eingangsseite der Einspritzdüsen
gebildet.
-
Im Übrigen wird
hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und
die nachfolgende Erläuterung
der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung in schematisierter Form näher beschrieben wird.
-
Schutz
wird nicht nur für
ausdrücklich
angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen, sondern auch
prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten
Einzelmerkmale beansprucht.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnung
-
Die
einzige Figur zeigt einen schematisierten Axialschnitt einer besonders
bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Der
in der Zeichnung dargestellte Kraftstoffinjektor 1 besitzt
einen Injektorkörper 2,
welcher einen ersten Druckraum 3, einen zweiten Druckraum 4 sowie
einen daran anschließenden
dritten Druckraum 5 aufweist. Die Druckräume 3 bis 5 sind
miteinander kommunizierend verbunden, indem ein zwischen dem ersten
und zweiten Druckraum 3 und 4 angeordneter Zwischenboden 6 des
Injektorkörpers 2 von
einer die Druckräume 3 und 4 verbindenden Axialbohrung 7 durchsetzt
wird. Der Druckraum 5 dient als Axialführung einer Düsennadel 8,
die am in der Zeichnung am unteren Ende des Druckraumes 5 angeordnete
Einspritzdüsen 9 steuert, über die
der Druckraum 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 Druckraumes 5 ein Düseneingangsraum 10 von
einem zwischen der axialen Innenwand des Druckraumes 5 und
dem Außenumfang
der Düsennadel 8 verbleibenden
Ringraum abgetrennt wird.
-
Dieser
Ringraum kommuniziert ständig
mit dem Druckraum 4. Zu diesem Zweck ist die Düsennadel
an einem an den Druckraum 4 angrenzenden oberen Axialabschnitt
des Druckraumes 5 mit an der Düsennadel angeordneten Axialstegen
oder dergleichen axial verschiebbar geführt, zwischen denen den vorgenannten
Ringraum mit dem Druckraum 4 verbindende Freiräume verbleiben.
Wenn die Düsennadel 8 ihre
vom Sitz an den Einspritzdüsen 9 abgehobene
Offenlage einnimmt, ist der Düseneingangsraum 10 über die
Druckräume 5 und 4 sowie
die Axialbohrung 7 im Zwischenboden 6 und dem
Druckraum 3 mit einem unter Hochdruck stehenden Kraftstoffspeicher 11 verbunden,
der typischerweise als sogenanntes Common Rail ausgebildet ist und über eine
Druckleitung 12 mit dem ersten Druckraum 3 kommuniziert.
Damit kann unter Hochdruck stehender Kraftstoff über die Einspritzdüsen 9 in
den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt werden.
-
Des
Weiteren ist im Injektorkörper 2 ein
vom Druckraum 3 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 ist ständig
im Wesentlichen druckfrei und zu diesem Zweck über eine Rücklaufleitung 16 mit
einem relativ drucklosen Kraftstoffreservoir verbunden.
-
Der
Aktor 15 ist zu seinem Betrieb über Leitungen 17 mit
einer elektrischen Spannungsquelle verbindbar. Im Übrigen ist
der Aktor 15 mit der Düsennadel 8 in
nachfolgend angegebener Weise hydraulisch gekoppelt.
-
Eine
axial an einer Stirnplatte des Aktors 14 anliegende Kolbenstange 18,
welche den Zwischenboden 13 durchsetzt, ist mit einem Geberkolben 19 verbunden,
der in einem Kopplungsraum 20 verdrängerwirksam arbeitet. Dieser
Kopplungsraum 20 ist über
eine den Zwischenboden 6 durchsetzende Axialbohrung 21,
die als Drossel ausgebildet sein kann, mit einem Kopplungsraum 22 verbunden,
der einen Kolbenarbeitsraum für
einen an der Düsennadel 8 angeordneten
Nehmerkolben 23 bildet. Die Kopplungsräume 20 und 22 werden
von den Druckräumen 3 und 4 durch
auf den Kolben 19 und 23 verschiebbar geführte Hülsen 24 und 25 abgetrennt,
die durch Schraubendruckfedern, welche an Flanschen der Kolben 19 und 23 abgestützt sind,
gegen die jeweils zugewandten Seiten des Zwischenbodens 6 gespannt,
wobei die Dichthülsen 24 und 25 jeweils
mit einer scharfen Ringkante auf einer Ringlinienzone des Zwischenbodens 6 dicht
aufsitzen.
-
Dabei
wirkt die den Geberkolben 19 umfassende Schraubendruckfeder
als Anschubfeder für die
Kolbenstange 18, die von der Federkraft gegen die Stirnplatte
des Aktors 14 geschoben wird. Die den Nehmerkolben 23 umfassende
Schraubendruckfeder wirkt auch als Schließfeder für die Düsennadel 8.
-
Wenn
der Geberkolben 19 eine den Kopplungsraum 20 verkleinernde
Abwärtsbewegung
ausführt,
wird Fluid aus dem Kopplungsraum 20 über die Leitung 21 in
den Kopplungsraum 22 ausgeschoben, so dass der Nehmerkolben 23 mit
der Düsennadel 8 eine
Abwärtsbewegung
in Richtung der Schließlage der
Düsennadel 8 ausführt. Umgekehrt
nimmt der Kopplungsraum 20 bei Aufwärtsbewegung des Geberkolbens 19 Fluid
aus dem Kopplungsraum 22 auf, wobei der Nehmer kolben 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.
-
Im
Nehmerkolben 23 ist eine zum Kopplungsraum 22 offene
Sackbohrung angeordnet, die gegenüber dem Kopplungsraum 22 durch
einen in die Sackbohrung 26 hineinragenden, stationär am Zwischenboden 6 abgestützten Plunger 27 abgesperrt
wird. Der Plunger 27 wird von einer Axialbohrung durchsetzt,
die über
eine den Zwischenboden durchsetzende Leitung mit dem relativ drucklosen Aktorraum 14 und
damit über
die Rücklaufleitung 16 mit
dem relativ drucklosen Kraftstofftank oder -reservoir verbunden
ist. Dementsprechend steht ein zwischen dem Boden der Sackbohrung 26 und
dem zugewandten Stirnende des Plungers 27 verbleibender Niederdruckraum 29 ständig unter
praktisch verschwindendem Druck.
-
Der
Plunger 27 wird an der zugewandten Seite des Zwischenbodens 6 durch
fluidische Kräfte festgehalten.
Zu diesem Zweck besitzt das dem Zwischenboden 6 zugewandte
Endstück
des Plungers 27 ein gegenüber dem Querschnitt des Plungers 27 bzw.
der Sackbohrung 26 deutlich vergrößerten Querschnitt, wobei innerhalb
der dem Zwischenboden 6 zugewandten Seite des genannten
Endstückes ein
scheibenförmiger
Raum ausgespart ist, dessen Durchmesser deutlich größer als
der Außendurchmesser
des Plungers 27 bzw. der Innendurchmesser der Sackbohrung 26 ist.
Dieser scheibenförmige Raum
steht in Verbindung mit der Leitung 28 zum relativ drucklosen
Aktorraum 14, so dass der im Kopplungsraum 22 vorliegende,
dem Druck in den Druckräumen 3 und 4 entsprechende
Druck, der im Wesentlichen dem Druck im Druckspeicher 11 entspricht,
das Endstück
des Plungers 27 mit entsprechend großer Kraft gegen die zugewandte Stirnseite des
Zwischenbodens 6 andrückt,
wobei das Endstück
mit einer den vorgenannten scheibenförmigen Raum umfassenden scharfen
Ringkante auf einer ringlinienförmigen
Zone des Zwischenbodens 6 dicht aufsitzt. Im Übrigen wird
das genannte Endstück
des Plungers 27 noch durch eine im Niederdruckraum 29 untergebrachte
und zwischen den Boden 30 der Sackbohrung 26 und
dem zugewandten Stirnende des Plungers 27 eingespannte
Schraubendruckfeder gegen den Zwischenboden 6 gespannt.
Diese Schraubendruckfeder dient jedoch im Wesentlichen nur als Montagehilfsmittel
und darf dementsprechend schwach dimensioniert sein, während des
Betriebes des Injektors 1 ist die genannte Schraubendruckfeder
praktisch bedeutungslos.
-
Der
dargestellte Kraftstoffinjektor 1 funktioniert wie folgt:
Die Kopplungsräume 20 und 22 sind beim
Betrieb mit Kraftstoff gefüllt
und stehen im Wesentlichen unter gleichem Druck wie der Kraftstoff
in den Druckräumen 3 und 4.
Dies beruht darauf, dass die Koppelräume 20 und 22 von
den Druckräumen 3 und 4 nicht
vollständig
dicht abgeschlossen sind, vielmehr sind die Räume miteinander stark gedrosselt verbunden,
weil beispielsweise die Spalte zwischen den Dichthülsen 24 und 25 sowie
den zugeordneten Kolben 19 und 23 einen stark
gedrosselten Leckstrom ermöglichen.
Außerdem
kann, wie in der Zeichnung dargestellt ist, der Nehmerkolben 23 einen
Radialschlitz 31 aufweisen, der mit dem Ringspalt zwischen
dem Außenumfang
des Plungers 27 und dem Innenumfang der Sackbohrung 26 kommuniziert.
Auch auf diesem Wege kann eine stark gedrosselte Verbindung zwischen
dem Kopplungsraum 22 und dem Druckraum 4 hergestellt
werden.
-
In
Ruhelage möge
nun der Piezoaktor 15 über
die Leitungen 17 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt
sein und seinen langen bzw. expandierten Zustand einnehmen, das
heißt
der Geberkolben 19 wird in seiner unteren Totpunktlage
gehalten und die Düsennadel 8 nimmt
ihre Schließlage
ein, wie dargestellt.
-
Wenn
nun die elektrische Spannungsquelle vom Piezoaktor 14 abgetrennt
und der Piezoaktor 15 entladen wird, verkürzt er sich,
wobei der Geberkolben 19 vom Druck im Kopplungsraum 20 sowie
von der die Dichtungshülse 24 gegen
den Zwischenboden 6 anschiebenden Schraubendruckfeder angehoben
wird, so dass die Kolbenstange 18 in Anlage an der unteren
Stirnplatte des Aktors 15 bleibt. Bei diesem Hub des Geberkolbens 19 wird
Fluid über
die Axialbohrung 21 aus dem Kopplungsraum 22 aufgenommen,
mit der Folge, dass der Nehmerkolben 23 mit der Düsennadel 8 angehoben
wird. Der dabei zu überwindende
Stellwiderstand kann durch entsprechende Bemessung des Querschnittes
des Niederdruckraumes 29 sehr gering gehalten werden, beispielsweise
kann dieser Querschnitt bei ca. 60% des Querschnittes des Düsennadelsitzes
an den Einspritzdüsen 9 liegen.
-
Wird
nun nachfolgend der Piezoaktor 15 wieder mit einer elektrischen
Spannung beaufschlagt, so expandiert er wieder und schiebt den Geberkolben 19 mittels
der Kolbenstange 18 nach abwärts, so dass die Düsennadel 8 zusammen
mit dem Nehmerkolben 23 ebenfalls nach abwärts geschoben
und in die Schließlage
gebracht wird. Hier können
die zu überwindenden
Stellwiderstände
dadurch gering gehalten werden, dass im Strömungspfad des Kraftstoffes
zwischen dem Druckraum 4 und dem Düseneingangsraum 10 eine
Drossel angeordnet ist. Diese kann beispielsweise als Ringspaltdrossel 32 ausgebildet
sein, indem an der Düsennadel 8 ein
ringscheibenförmiger
Flansch angeordnet und derart bemessen ist, dass zwischen dem Umfang
des Flansches und dem Innenumfang des Übergangsbereiches zwischen
den Druckräumen 4 und 5 ein
sehr enger drosselwirksamer Spalt verbleibt. In Offenlage der Düsennadel,
das heißt,
wenn Kraftstoff über
die Einspritzdüsen 9 in
den benachbarten Brennraum eingespritzt wird, tritt an der Drossel 32 eine
Druckdifferenz auf, durch die die den Schließhub der Düsennadel 8 entgegenwirkenden
hydraulischen Kräfte
vermindert werden.
-
Das
am Zwischenboden 6 anliegende tellerartige Endstück des Plungers 27 kann
zweckmäßigerweise
so bemessen sein, dass es mit dem Nehmerkolben 23 als Anschlag
zur Hubbegrenzung des Öffnungshubes
der Düsennadel 8 zusammenwirkt. Da
bei Annäherung
des Nehmerkolbens 23 an das tellerartige Endstück stirnseitig
des Nehmerkolbens 23 ein Quetschspalt gebildet wird, aus
dem hydraulisches Medium in radialer Richtung verdrängt werden muss,
wird gleichzeitig eine Dämpfung
des Anschlages bewirkt.
-
Im Übrigen können die
Hubbewegungen der Düsennadel 8 noch
dadurch bedampft werden, dass der Drosselwiderstand der Axialbohrung 21 entsprechend
bemessen wird und ein Fluidaustausch zwischen den Kopplungskammern 20 und 22 nur
gegen dämpfenden
Drosselwiderstand erfolgen kann.
-
Bei
der obigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, dass die Aktorkammer 14 über die Rücklaufleitung 16 mit
einem Kraftstoffreservoir verbunden ist, das heißt die Aktorkammer 14 ist
mit (im Wesentlichen drucklosem) Kraftstoff gefüllt, so dass ein „nasser” Aktor 14 vorliegt.
Stattdessen ist es auch möglich
und vorteilhaft, einen „trockenen” Aktor 15 vorzusehen,
wobei der Aktorraum 14 mit der Atmosphäre kommunizieren kann. In diesem
Fall müssten die
Leitungen 28 und 16 unter Umgehung des Aktorraumes 14,
etwa durch Bohrungen im Injektorkörper 2, miteinander
verbunden sein.