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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor mit einem in
einem Injektorkörper
angeordneten Niederdruckraum sowie einem im Injektorkörper angeordneten
Hochdruckraum, welcher an eine Hochdruckquelle für Kraftstoff anschließbar und über von
einem Schließglied
bzw. einer Düsennadel
gesteuerte Einspritzdüsen
zur Kraftstoffeinspritzung mit einem Brennraum verbindbar ist, und
mit einem im Niederdruckraum angeordneten, mit dem Schließglied bzw.
der Düsennadel
antriebsmäßig direkt
gekoppelten Aktor.
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Stand der Technik
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Derartige
Kraftstoffinjektoren sind grundsätzlich
bekannt und werden in Serienfahrzeugen mit Common Rail Systemen
eingesetzt. Dabei ist vorteilhaft, dass der Einspritzdruck an die
Last und Drehzahl des Fahrzeugmotors angepasst werden kann.
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Durch
eine direkte Kopplung von Aktor und Schließglied bzw. Düsennadel
lässt sich
ein gutes Betriebsverhalten des Kraftstoffinjektors erreichen. Insbesondere
können
große Öffnungs-
und Schließgeschwindigkeiten
des Schließglieds
bzw. der Düsennadel
gewährleistet
werden.
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Problematisch
ist allerdings die notwendige große Betätigungskraft in Verbindung
mit einem großen Öffnungs-
bzw. Schließhub,
wie er für
eine optimale Injektorfunktion wünschenswert
ist. Die damit erforderliche große Aktorleistung kann zwar
mit entsprechend großen
Aktoren oder durch Parallelanordnung vieler kleiner Aktoren gewährleis tet
werden, jedoch wird der Kraftstoffinjektor damit teuer und aufwendig,
so dass eine wirtschaftliche Herstellbarkeit nicht gegeben ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Deshalb
ist es Aufgabe der Erfindung, bei einem Kraftstoffinjektor mit direkter
Kopplung von Aktor und Schließglied
bzw. Düsennadel
ein optimales Betriebsverhalten bei geringem Leistungsbedarf für den Aktor
zu gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Schließglied
bzw. die Düsennadel
mit einem daran angeordneten kolbenartigen Teil, das in einer Bohrung
eines düsenseitigen
Teils des Injektorkörpers
axial verschiebbar angeordnet ist, den Hochdruckraum in einen düsennahen
und einen düsenfernen
Teilraum unterteilt und die beiden Teilräume über eine Drossel kommunizieren,
und dass das Schließglied
bzw. die Düsennadel
einerseits innerhalb des düsennahen
Teilraums mit einem die Eingangsseiten der Einspritzdüsen ringförmig umfassenden
Sitz zusammenwirkt und andererseits an einem düsenfernen Teil mit einer dicht
in einer Bohrung des Injektorkörpers
verschiebbar geführten Koppelstange
verbunden ist, deren aktorseitiges Ende in einen Niederdruckbereich
hineinragt mit dem Aktor hydraulisch gekoppelt ist.
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Durch
entsprechende Bemessung der Querschnitte des Sitzes und der Stange
können
die in Schließlage
des Schließglieds
bzw. der Düsennadel im
Hochdruckraum in Schließrichtung
wirkenden resultierenden hydraulischen Kräfte begrenzt werden, so dass
die notwendigen Kräfte
für die Öffnung des Schließglieds
bzw. der Düsennadel
begrenzt bleiben. Andererseits stellt sich bei geöffnetem
Schließglied bzw.
geöffneter
Düsennadel
aufgrund der durch die Kraftstoffeinspritzung bewirkten Strömung an
der Drossel zwischen den beiden Teilräumen des Hochdruckraumes eine
Druckdifferenz ein, die das am Schließglied bzw. an der Düsennadel
angeordnete und die beiden Teilräume
voneinander trennende kolbenartige Teil in Schließrichtung
des Schließglieds bzw.
der Düsennadel
beaufschlagt und damit die für den
Aktorhub in Schließrichtung
benötigte
Leistung vermindert.
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Die
Erfindung bietet also hinreichend viele vorgebbare Parameter, die
eine Anpassung der notwendigen Kräfte für den Öffnungs- und den Schließhub an
die Leistungsfähigkeit
des Aktors gestatten. Die Erfindung verwirklicht also den allgemeinen
Gedanken, die auf das Schließglied
bzw. die Düsennadel
einwirkenden resultierenden hydraulischen Kräfte zur Verminderung des Leistungsbedarfs
des Aktors heranzuziehen.
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Gemäß der Erfindung
sind der Aktor und die Koppelstange hydraulisch miteinander antriebsmäßig gekoppelt.
Dadurch lässt
sich in konstruktiv einfacher Weise eine Hubübersetzung zwischen dem Hub des
Aktors und dem wünschenswerten
Hub des Schließglieds
bzw. der Düsennadel
erreichen.
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Andererseits
erleichtert die genannte hydraulische Kopplung eine gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgesehene exzentrische Anordnung, bei der der Aktor
mit zur Achse des Schließglieds
bzw. der Düsennadel exzentrischer
Achse angeordnet und der Hochdruckraum sowie eine Kraftstoff-Hochdruckquelle über eine
den Injektorkörper
durchsetzende Leitung miteinander verbindbar ist, die der Achse
des Aktors bezüglich
der Achse des Schließglieds
bzw. der Düsennadel
im Wesentlichen diametral gegenüberliegt.
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Bei
in dieser exzentrischen Ausgestaltung des Kraftstoffinjektors kann
die genannte Leitung, die den Hochdruckraum des Injektors mit der
Kraftstoff-Hochdruckquelle verbindet, in besonders massiven Teilen
des Injektorkörpers
untergebracht werden.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen
Aktor und Koppelstange ein hydraulischer Umkehrkoppler angeordnet
sein. Dies bietet bei einem bevorzugt vorgesehenen Piezoaktor den
Vorteil, dass der Aktor beim Öffnungshub des
Schließgliedes
bzw. der Düsennadel
elektrisch beaufschlagt bzw. elongiert wird, während der Aktor beim Schließhub elektrisch
entladen und damit verkürzt
wird.
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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
beschrieben werden.
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Schutz
wird nicht nur für
ausdrücklich
angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen sondern auch
für prinzipiell
beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 einen
Axialschnitt eines Kraftstoffinjektors gemäß einer ersten Ausführungsform
und
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2 einen
entsprechenden Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform.
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Ausführungsform der Erfindung
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Gemäß 1 besitzt
der dort dargestellte Kraftstoffinjektor einen mehrteiligen Injektorkörper 1, der
einen Niederdruckraum 2 und einen Hochdruckraum 3 mit
den Teilräumen 3' und 3'' umschließt. Der Niederdruckraum 2 ist über eine
Rücklaufleitung 4 mit
einem nicht dargestellten Niederdrucksystem verbunden. Der Hochdruckraum 3 kommuniziert über eine
Hochdruckleitung 5 mit einer Kraftstoff-Hochdruckquelle,
die als so genanntes Common Rail CR ausgebildet sein kann.
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Der
Hochdruckraum 3 bzw. dessen Teilraum 3'' ist über Einspritzdüsen 6 mit
einem nicht dargestellten Brennraum eines Motors oder dergleichen verbunden.
Diese Einspritzdüsen 6 werden
durch eine Düsennadel 7 gesteuert,
die mit einem an ihr angeordneten Kolben 7' in einem Düsenteil des Injektorkörpers 1 axial
verschiebbar geführt
ist, wobei der Kolben 7' die
Teilräume 3' und 3'' des Hochdruckraums 3 voneinander
trennt. In der dargestellten Schließlage sitzt die Düsennadel
mit ihrem in 1 unteren Endstück dicht
auf einem Sitz 8 auf, der die Eingangsseiten der Einspritzdüsen 6 ringförmig umfasst,
so dass in der Schließlage
der Düsennadel 7 ein
düsenseitiger
Eingangsraum 9 gegenüber
dem Hochdruck im Teilraum 3'' des Hochdruckraums 3 abgesperrt
wird. Die Teilräume 3' und 3'' des Hochdruckraums 3 sind über einen
den Kol ben 7' durchsetzenden
Drosselkanal 10 miteinander verbunden, so dass die beiden
Teilräume 3' und 3'' in Schließlage der Düsennadel 7 gleiche
Drucke haben.
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Abweichend
von der zeichnerischen Darstellung kann der Drosselkanal 10 auch
als den Kolben 7' umgehender
und die Teilräume 3' und 3'' verbindender Kanal im Injektorkörper 1 ausgebildet
sein.
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Die
Funktion des Drosselkanals 10 wird weiter unten erläutert.
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Oberhalb
des Kolbens 7' ist
die Düsennadel 7 mit
einer Koppelstange 11 verbunden, die dicht in einer entsprechenden
Bohrung eines Zwischenkörpers 1' des Injektorkörpers 1 axial
verschiebbar geführt
ist.
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Die
Düsennadel 7 wird
mittels einer Schließfeder 12,
die als Schraubendruckfeder ausgebildet und zwischen einem düsennadelseitigen
Kragen und einem Fortsatz des Zwischenkörpers 1' eingespannt ist, in Richtung der
dargestellten Schließlage
beaufschlagt. Diese Schließfeder 12 ist
im Beispiel der 1 innerhalb des Teilraums 3' des Hochdruckraums 3 angeordnet,
kann jedoch an prinzipiell beliebiger Stelle angeordnet sein und
mit einem mit der Düsennadel 7 verbundenen
Teil zusammenwirken.
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Innerhalb
des Niederdruckraums 2 ist ein piezoelektrischer Aktor 13 angeordnet,
der über
elektrische Leitungen 13' mit
einer nicht dargestellten elektrischen Spannungsquelle zu seiner
elektrischen Aufladung verbindbar bzw. durch Abkopplung von der elektrischen
Spannungsquelle und Schließen
eines nicht dargestellten elektrischen Schalters elektrisch entladen
werden kann. Im elektrisch entladenen Zustand besitzt der Aktor
eine kurze vertikale Länge, während er
im elektrisch geladenen Zustand vertikal elongiert ist.
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Der
Aktor 13 betätigt
einen Geberkolben 14, der durch eine Rückstellfederung 15,
die als Schraubendruckfeder oder Rohrfeder ausgebildet und zwischen
einem am Geberkolben 14 angeordneten Flansch und der zugewandten
Stirnseite des Zwischenkörpers 1' eingespannt
ist, in Aufwärtsrichtung gegen
den Aktor 13 gespannt, der damit gegen einen den Niederdruckraum 2 abschließenden Boden 1'' des Injektorkörpers 1 gedrängt wird.
Der Geberkolben 14 ist in einer Sackbohrung eines Nehmerkolbens 16 verschiebbar
geführt,
der an der Koppelstange 11 fest angeordnet ist und seinerseits
axial verschiebbar in einer zum Niederdruckraum 2 offenen Sackbohrung
im Zwischenkörper 1' axial verschiebbar
geführt
ist. Der Geberkolben 14 schließt innerhalb der Sackbohrung
des Nehmerkolbens 16 einen Koppelraum 17 gegenüber dem
Niederdruckraum 2 ab. Dieser Koppelraum 17 ist über eine
den Nehmerkolben 16 axial durchsetzende Bohrung 18,
die ggf. als Drosselbohrung ausgebildet sein kann, mit einem Koppelraum 19 verbunden,
der als die Koppelstange 13 umfassender Ringraum in der
Sackbohrung des Zwischenkörpers 1' ausgebildet
und gegenüber
dem Niederdruckraum 2 durch den Nehmerkolben 16 abgesperrt
wird.
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Gegenüber einem
Einsickern von Hochdruckfluid aus dem Hochdruckraum 3 über den Ringspalt
zwischen dem Außenumfang
der Koppelstange 13 und dem Innenumfang der zugehörigen Bohrung
im Zwischenkörper 1' wird der Koppelraum 19 dadurch
geschützt,
dass im Zwischenkörper 1' ein die Koppelstange 13 ringförmig umschließender Ringraum 20 angeordnet
ist, der radial innen vom Umfang der Koppelstange 13 begrenzt
wird. Dieser Ringraum 20 ist über eine den Zwischenkörper 1' durchsetzende
Leitung mit dem Niederdruckraum 2 verbunden, der seinerseits über die
Rücklaufleitung 4 mit
einem drucklosen Kraftstoffreservoir kommuniziert. Ein ggf. vom
Hochdruckraum 3 ausgehender Leckagestrom wird dementsprechend
vor Erreichen des Koppelraums 19 abgeleitet.
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Der
Kraftstoffinjektor der 1 funktioniert wie folgt: Zunächst möge der piezoelektrische
Aktor 13 seinen elektrisch entladenen Zustand haben. Dies ist
gleichbedeutend damit, dass der Aktor 13 seinen vertikal
kurzen Zustand hat und alle Elemente des Kraftstoffinjektors in
den in 1 dargestellten Lagen sind. Insbesondere befindet
sich also die Düsennadel 7 in
ihrem Schließzustand.
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Wenn
der Aktor 13 nunmehr über
seine elektrischen Anschlussleitungen 13' elektrisch aufgeladen wird, geht
der Aktor 13 in seinen elongierten Zustand über und
schiebt dabei den Geberkolben 14 gegen die Rückstellkraft
der Rückstellfederung 15 nach
abwärts.
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Dies
hat zur Folge, dass aus dem Koppelraum 17 Fluid über die
Bohrung 18 in den Koppelraum 19 eingeschoben wird
und der Nehmerkolben 16 eine Aufwärtsbewegung ausführt, bei
der die Düsennadel 7 in
ihre Offenlage angehoben wird. Die hydraulische Kopplung zwischen
Aktor 13 und Düsennadel 7 bewirkt
einen ständigen
Toleranzausgleich, das heißt
wechselnde Temperaturen können
zwar zu unterschiedlichen Änderungen
der Maße
der miteinander zusammenwirkenden Elemente führen, jedoch werden diese Maßänderungen
dadurch kompensiert, dass zwischen dem Kopplerraum 17 und
dem Niederdruckraum 2 über
den Ringspalt zwischen dem Außenumfang
des Geberkolbens 14 und dem Innenumfang des Nehmerkolbens 16 ständig eine
stark gedrosselte Verbindung gegeben ist, über die Fluid aus dem Niederdruckraum
in den Kopplerraum 17 bzw. aus dem Kopplerraum 17 in
den Niederdruckraum 2 einsickern kann.
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Die
vom Aktor 13 beim Öffnungs-
bzw. Schließhub
der Düsennadel 7 aufzubringenden
Aktorkräfte
können
vergleichsweise gering bleiben, weil die Schließ- und Öffnungshübe der Düsennadel 7 durch fluidische
Kräfte
unterstützt
werden. Bei geöffneter
Düsennadel 7 sind
der Düseneingangsraum 9 und
der damit dann drosselfrei verbundene Teilraum 3'' des Hochdruckraums 3 mit
dem Teilraum 3' des Hochdruckraums 3 bzw.
der Hochdruckleitung 5 über den
Drosselkanal 10 verbunden. Die den Drosselkanal 10 durchsetzende
Strömung
bewirkt eine Druckdifferenz zwischen den Teilräumen 3' und 3'',
so dass die Düsennadel 7 fluidisch
in Schließrichtung
belastet wird. Dementsprechend genügen beim Schließhub der
Düsennadel 7 geringe
Aktorkräfte.
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Für die Einleitung
des Öffnungshubs
der Düsennadel 7 benötigt der
Aktor 13 deshalb relativ geringe Kräfte, weil die die Düsennadel 7 in
Schließrichtung
belastenden resultierenden fluidischen Kräfte gering bleiben, denn bei
entsprechender Bemessung des Querschnitts der Koppelstange 11 verbleibt
an der Düsennadel 7 nur
ein relativ kleiner resultierender Querschnitt, der fluidisch in
Schließrichtung
belastet sein kann.
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Der
in 2 dargestellte Kraftstoffinjektor unterscheidet
sich von dem Kraftstoffinjektor der 1 im Wesentlichen
nur dadurch, dass der Aktor 13 stark exzentrisch zur Achse
der Düsennadel 7 angeordnet
ist. Diese Bauweise wird dadurch ermöglicht, dass der Geberkolben 14 und
der Nehmerkolben 16 entsprechend exzentrisch zueinander
angeordnet und ausgebildet sind. Durch die exzentrische Anordnung
des Aktors 13 wird eine entsprechend exzentrische Anordnung
des Niederdruckraums 2 relativ zum Hochdruckraum 3 ermöglicht,
mit der vorteilhaften Folge, dass der Injektorkörper 1 im Bereich der
Hochdruckleitung 5 sehr massiv ausgeführt sein kann. Insgesamt zeichnet
sich der Kraftstoffinjektor der 2 dementsprechend
durch eine hohe Druckbelastbarkeit aus, das heißt die Kraftstoff-Hochdruckquelle
CR darf für
extreme Drücke
ausgelegt sein.
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Die
Funktion des Kraftstoffinjektors der 2 entspricht
der Funktion des Kraftstoffinjektors der 1.
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Da
der piezoelektrische Aktor 13 im Niederdruckraum 2 angeordnet
ist, genügen
einfache Beschichtungen, z. B. Lackschichten, um den Aktor 13 vom
Kraftstoff im Niederdruckraum dauerhaft abzuschirmen.
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Außerdem ist
für die
Dauerbelastbarkeit des piezoelektrischen Aktors 13 vorteilhaft,
dass dessen hydraulische Kopplung mit der Koppelstange 11 als Umkehrkoppler
ausgebildet ist. Dementsprechend wird der Aktor 13 beim Öffnungshub
der Düsennadel 7,
das heißt
während
der Einspritzphase des Injektors, elektrisch beaufschlagt und damit
elongiert. Dagegen wird der Aktor beim Schließhub der Düsennadel 7 elektrisch
entladen und damit verkürzt,
das heißt
zwischen den Einspritzphasen ist der Aktor 13 in seinem
Grundzustand.