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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einspritzung
von Kraftstoff, wobei insbesondere unter Druck stehender Kraftstoff
in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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Bekannte
Vorrichtungen werden beispielsweise in der Einspritzung von Kraftstoff
bei Fahrzeugmotoren verwendet. Neben einer Einspritzung von Dieselkraftstoff
werden in jüngster
Zeit auch Otto-Kraftstoffe eingespritzt. Häufig wird hierbei der Kraftstoff
unter Druck in einem Speicher (Rail) bereitgestellt und über die
Vorrichtung in einen Brennraum oder eine Ansaugleitung eingespritzt.
Als Aktoren werden hierbei einerseits elektromagnetische Aktoren
verwendet oder alternativ auch Piezoaktoren. Elektromagnetische
Aktoren sind dabei relativ kostengünstig, jedoch relativ langsam.
Piezoaktoren sind hingegen schnell, jedoch relativ teuer. Daher wäre es wünschenswert,
eine Vorrichtung mit einem relativ schnellen und doch kostengünstigen
Aktor zu haben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Einspritzung von Kraftstoff mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 weist demgegenüber
den Vorteil auf, dass sie kurze Schaltzeiten aufweist und trotzdem kostengünstig herstellbar
ist. Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch problemlos
zwei oder mehrere Einspritzungen pro Zyklus ausführen. Dabei kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine nach außen öffnende
Düse verwenden,
so dass eine sehr gute Strahlstabilität und auch ein großer Durchmesser
am Ventilsitz möglich
sind. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass die Vorrichtung einen elektrodynamischen Antrieb
aufweist, bei dem eine bewegliche Spule vorgesehen ist. Hierdurch kann
der Antrieb kostengünstig
bereitgestellt werden und schnelle Bewegungsumkehrungen der Spule durch
Umkehrung der Bestromung der Spule erreicht werden. Ferner umfasst
die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine nach außen öffnende
Nadel sowie ein Verbindungselement, welches die Spule mit der Nadel
verbindet. Weiterhin kann durch Umpolen der Stromrichtung der Spule
jeweils ein aktives Öffnen und
Schließen
der Nadel realisiert werden.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
umfasst der elektrodynamische Antrieb einen ersten und einen zweiten
Dauermagneten, eine Zwischenscheibe, welche zwischen dem ersten
und zweiten Dauermagneten angeordnet ist, die bewegliche Spule und
einen magnetisch leitenden Mantel. Hierdurch kann ein kompakter
und einfacher Aufbau realisiert werden.
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Weiter
bevorzugt umfasst das Verbindungselement, welches die Nadel mit
dem elektrodynamischen Antrieb verbindet, eine Vielzahl von Fingern. Hierbei
kann eine sichere Verbindung zwischen der Nadel und dem elektrodynamischen
Antrieb erreicht werden und Kraftstoff zwischen den Fingern hindurchströmen. Ferner
umfasst die Nadel eine Federscheibe, an welcher sich eine Schließfeder abstützt. Das
Verbindungselement ist dabei über
die Finger mit der Federscheibe verbunden.
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Weiter
bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine Kraftstoffzuleitung, welche
unter Druck stehenden Kraftstoff zu einem Druckraum zuführt, wobei
die Kraftstoffzuleitung in einem Rohr durch den elektrodynamischen
Antrieb hindurchgeführt
ist. Hierdurch kann ein besonders einfacher und kompakter Aufbau der
Vorrichtung erreicht werden.
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Weiter
bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine Kraftstoffrückleitung,
welche einen Niederdruckraum mit einer Rücklaufleitung verbindet. Besonders bevorzugt
ist dabei die Kraftstoffrückleitung
in einem Rohr durch den elektrodynamischen Antrieb hindurchgeführt, um
einen besonders kompakten Aufbau zu realisieren.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst
die Vorrichtung einen Wellbalg, welcher den Niederdruckraum begrenzt.
Hierdurch kann eine einfache und sichere Abdichtung des Niederdruckraums
erreicht werden.
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Weiter
bevorzugt umfasst die Kraftstoffzuleitung eine zentrale Nadelbohrung,
welche in der Nadel ausgebildet ist. Die zentrale Nadelbohrung ist über eine
Querbohrung mit dem Druckraum verbunden. Hierdurch kann Kraftstoff
durch die Nadel hindurch zum Druckraum zugeführt werden, was einen besonders
einfachen und kompakten Aufbau ermöglicht.
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Besonders
bevorzugt ist ein Endbereich des Rohres als Führungsbereich für die Nadel
ausgebildet. Hierdurch kann eine hohe Führungsgenauigkeit der Nadel
sichergestellt werden.
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Um
einen besonders kompakten Aufbau bereitzustellen, sind ein Teilbereich
der Kraftstoffzuleitung und ein Teilbereich der Kraftstoffrückleitung
im Rohr parallel geführt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Wellbalg
zwischen dem Verbindungselement und der Federscheibe angeordnet.
Hierdurch wird ein Hub des Verbindungselements auf die Nadel über den
Wellbalg übertragen. Hierdurch
kann eine besonders einfache und sichere Abdichtung mittels des
Wellbalgs realisiert werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird vorzugsweise in Brennkraftmaschinen verwendet,
bei denen Kraftstoff unter hohem Druck aus einem Speicher (Rail)
eingespritzt wird.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im
Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3 eine
schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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4 eine
schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, und
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5 eine
schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 1 eine Vorrichtung 1 zur
Einspritzung von unter hohem Druck stehenden Kraftstoff im Detail
beschrieben.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Vorrichtung 1 einen
elektrodynamischen Aktor 30, eine Nadel 2, eine
Kraftstoffzuleitung 13, in welcher Kraftstoff unter hohem
Druck zugeführt
wird, und eine Kraftstoffrückleitung 18,
in welcher Kraftstoff niederen Druckes zurückgeführt wird. Der elektrodynamische
Aktor 30 umfasst einen ersten Dauermagneten 4,
einen zweiten Dauermagneten 6 und eine Zwischenscheibe 5.
Die Zwischenscheibe 5 ist aus einem magnetisch leitenden
Material hergestellt und ist zwischen dem ersten Dauermagneten 4 und
dem zweiten Dauermagneten 6 angeordnet. Ferner umfasst
der elektrodynamische Aktor 30 eine beweglich angeordnete
Spule 7, welche am Außenumfang
des ersten und zweiten Dauermagneten 4, 6 sowie
der Zwischenscheibe 5 angeordnet ist. Ein Mantel 8,
welcher aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt ist,
umgibt die Spule 7 sowie die Stirnseiten des ersten Dauermagneten 4 bzw.
des zweiten Dauermagneten 6. Die beiden Dauermagneten 4, 6 sind
derart angeordnet, dass gleiche Pole zur Zwischenscheibe 5 gerichtet
sind. Dadurch bilden die Dauermagneten über die Zwischenscheibe 5 ein
Magnetfeld aus, das sich radial nach außen in Richtung des Mantels 8 erstreckt.
Wenn nun die Spule 7 bestromt wird, erfährt die Spule 7 eine
Lorentzkraft, die je nach Stromrichtung in eine öffnende oder eine schließende Richtung (d.
h. Axialrichtung) wirkt und die Spule 7 in die entsprechende
Richtung bewegt.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Schließfeder 3,
welche an einer an der Nadel 2 fixierten Federscheibe 11 anliegt.
Weiterhin ist eine Verbindungsvorrichtung 9 vorgesehen,
welche im Wesentlichen topfförmig
ausgebildet ist und mit ihrem freien Ende mit der beweglichen Spule 7 verbunden ist.
Am Bodenbereich der Verbindungsvorrichtung 9 sind mehrere
Finger 10 ausgebildet, welche in entsprechend ausgebildeten Öffnungen 11a in
der Federscheibe 11 angeordnet sind. Die Finger 10 sind dabei
derart in der Federscheibe 11 fixiert, dass durch Bewegung
der Verbindungsvorrichtung 9 die Federscheibe in Axialrichtung
nach oben und nach unten bewegt werden kann. Die Federscheibe 11 ihrerseits
ist fest mit der Nadel 2 verbunden, so dass hierdurch eine
Bewegung der Nadel 2 resultiert. Wie weiter aus 1 ersichtlich
ist, stützt
sich die Schließfeder 3 zwischen
einer Innenseite eines Gehäuses 14 und
der Federscheibe 11 ab.
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Wie
ferner aus 1 ersichtlich ist, ist in axialer
Richtung X-X durch die Mitte des elektrodynamischen Aktors 30 ein
Rohr 12 hindurchgeführt.
Durch das Rohr 12 verläuft
sowohl die Kraftstoffzuleitung 13 als auch die Kraftstoffrückleitung 18.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die
Kraftstoffzuleitung 13 dabei mehrere Leitungsbereiche 13a, 13b, 13c, 13e, 13f.
Die Kraftstoffrückleitung 18 umfasst
ebenfalls mehrere Leitungsbereiche 18a, 18b, 18c, 18d, 18e. Alternativ
ist der Leitungsbereich 18c direkt mit dem Niederdruckraum 17 verbunden.
Dann können
die Leitungsabschnitte 18a, 18b entfallen. Über eine Austrittsbohrung 19 wird
der Kraftstoff aus der Vorrichtung 1 abgeführt. Die
Leitungsbereiche 13a bis 13f sind dabei einerseits
im Gehäuse 14 und
andererseits in verschiedenen Zwischenbauteilen ausgebildet. Durch
die Mitte des elektrodynamischen Aktors 30 verläuft der
Kraftstoffzuleitungsbereich 13b dabei parallel zum Kraftstoffrückleitungsbereich 18d. Die
Kraftstoffzuleitung 13 mündet dabei in einen ringförmigen Druckraum 15,
welcher am Ventilsitz 2a der Nadel 2 angeordnet
ist. Ausgehend vom ringförmigen
Druckraum 15 ist über
eine Spaltdichtung 16, welche zwischen der Nadel 2 und
dem Gehäuse 14 ausgebildet
ist, ein Rückströmen von
geringen Mengen Kraftstoffs zur Kraftstoffrückleitung 18 bzw.
zu einem Niederdruckraum 17 möglich. Wie aus 1 ersichtlich
ist, ist im Niederdruckraum 17 die Schließfeder 3 sowie
ein Teil der Nadel 2 angeordnet.
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Die
Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist
dabei wie folgt. Kraftstoff, welcher schon unter Druck steht, wird
beispielsweise aus einem Rail über
die Kraftstoffzuleitung 13 zum ringförmigen Druckraum 15 zugeführt. Wenn
nun eine Einspritzung von Kraftstoff erfolgen soll, wird der elektrodynamische
Aktor 30 aktiviert. Hierzu wird die Spule 7 bestromt,
so dass sich die Spule 7, wie in 1 durch
den Pfeil A angedeutet, nach unten bewegt. Da die Spule 7 fest
mit der Verbindungsvorrichtung 9 verbunden ist, wird auch
die Verbindungsvorrichtung 9 nach unten bewegt. Über die
Finger 10 und die Federscheibe 11 wird dann die
Nadel 2 in Richtung des Pfeils B bewegt, so dass sie von
ihrem Ventilsitz 2a abhebt. Hierdurch wird eine Einspritzung
von Kraftstoff erreicht. Durch die Bewegung der Nadel 2 mitsamt
der Federscheibe 11 wird die Schließfeder 3 dabei zusammengedrückt. Da
die Schließfeder 3 sowie die
Federscheibe 11 im Niederdruckraum 17 angeordnet
sind, muss somit lediglich die Federkraft der Schließfeder 3 für das Öffnen der
Nadel 2 überwunden
werden. Soll die Einspritzung beendet werden, wird die Stromrichtung
an der Spule 7 umgepolt, so dass sich die Spule 7 wieder
in Richtung in die in 1 gezeigte Ausgangsposition
bewegt. Da die Spule 7 fest mit der Verbindungsvorrichtung 9 und über die
Finger 10 und die Federscheibe 11 mit der Nadel 2 verbunden
ist, wird die Nadel 2 geschlossen. Hierbei wirkt noch unterstützend die
Schließfeder 3. Damit
ist die Einspritzung von Kraftstoff beendet.
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Erfindungsgemäß kann somit
durch eine Umpolung der Stromrichtung an der Spule 7 ein
aktives Öffnen
und Schließen
der Nadel 2 erreicht werden. Hierbei werden sehr kurze
Schließzeiten
erreicht, welche signifikant kürzer
sind als beispielsweise Schließzeiten
bei elektromagnetischen Aktoren. Dabei weist die Vorrichtung 1 trotzdem
einen sehr kompakten und insbesondere auch robusten Aufbau auf,
so dass die Vorrichtung 1 eine lange Lebensdauer bereitstellt.
Ferner kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere
auch ein großer Querschnitt
am Ventilsitz 2a erreicht werden, so dass bei kurzen Öffnungszeiten
große
Mengen an Kraftstoff eingespritzt werden können. Hierdurch können insbesondere
kurze Öffnungsintervalle
realisiert werden.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 2 eine Vorrichtung 1 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche
Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel
bezeichnet. Das zweite Ausführungsbeispiel
entspricht im wesentlichem dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied
beim zweiten Ausführungsbeispiel
der Niederdruckraum 17 durch eine Wellfeder 20 definiert
wird. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist die Wellfeder 20 an
der Federscheibe 11 einerseits und andererseits an der
Innenseite des Gehäuses 14 fixiert.
Hierdurch ist es möglich,
eine einfache Abdichtung des Niederdruckraums 17 zu ermöglichen.
Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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3 zeigt
eine Vorrichtung 1 gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wobei wiederum gleiche bzw. funktional gleiche Teile
mit den gleichen Bezugszeichen in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
bezeichnet sind. Das dritte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied dazu
die Kraftstoffzuleitung 13 und die Kraftstoffrückleitung 18 unterschiedlich
ausgebildet sind. Wie aus 3 ersichtlich
ist, wird die Kraftstoffzuleitung 13 durch eine zentrale
Nadelbohrung 21 in der Nadel 2 geführt. Über eine
Querbohrung 22 ist die zentrale Nadelbohrung 21 mit
dem ringförmigen
Druckraum 15 verbunden. Wie weiter aus 3 ersichtlich
ist, ist der Niederdruckraum 17 dieses Ausführungsbeispiels
direkt mit einem Kraftstoffrückleitungsbereich 18d über eine
Querbohrung 23 verbunden. Somit können bei diesem Ausführungsbeispiel
insbesondere die Kraftstoffzuleitung 13 und die Kraftstoffrückleitung 18 vereinfacht
werden. Ferner ist beim dritten Ausführungsbeispiel ein zum elektrodynamischen Aktor 30 gerichtetes
Ende der Nadel 2a in einem Endbereich 12a des
Rohrs 12 geführt.
Eine zweite Führung
für die
Nadel 2 ist dabei durch das Gehäuse 14 gegeben. Ansonsten
entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 4 eine Vorrichtung 1 gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche
Teile sind wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen
bezeichnet.
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Das
vierte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem dritten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied
zum dritten Ausführungsbeispiel die
Vorrichtung 1 des vierten Ausführungsbeispiels noch kompakter
ausgebildet ist. Hierzu wurde ein Volumen des Niederdruckraums 17 reduziert
und ferner ein alternatives Führungskonzept
für die
Nadel 2 verwirklicht. Hierzu ist ein Gehäuseteil 25 über den
Mantel 8 des dynamischen Aktors 30 zentriert.
Ferner stellt ein unterer Mantelbereich 8a eine Positionierung
des Rohrs 12 sicher und das obere Ende der Nadel 2 ist
im Endbereich 12a des Rohrs 12 geführt. Somit
lässt sich
ein besonders kompakter Aufbau realisieren.
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5 zeigt
ein fünftes
Ausführungsbeispiel der
Erfindung, wobei wiederum gleiche bzw. funktional gleiche Teile
mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
bezeichnet sind.
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Das
fünfte
Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem vierten Ausführungsbeispiel, wobei zusätzlich noch
ein metallischer Wellbalg 27 vorgesehen ist. Der Wellbalg 27 trennt
den Niederdruckraum 17 von einem druckfreien Raum 28 ab.
In einem zur Einspritzöffnung
gerichteten Ende 27a weist der Wellbalg 27 dabei
einen vergrößerten Durchmesser
auf. Hierdurch ist es möglich,
dass die Federscheibe 11 von unten, d. h., durch das innere
des Wellbalgs, montiert werden kann. Der Wellbalg 27 ist dabei
in Axialrichtung relativ langgezogen ausgebildet und reduziert dabei
seinen Durchmesser in Richtung des zum elektrodynamischen Aktors 30 gerichteten
Endes 27c. In einem Übergangsbereich 27b des
Wellbalgs 27 kommt dabei die Federscheibe 11 von
der Innenseite des Wellbalgs 27 mit diesem in Kontakt und
an der Außenseite
des Wellbalgs 27 sind die Finger 10 der Verbindungsvorrichtung 9 angeordnet.
Diese Ausbildung des Wellbalgs 27 ermöglicht es, dass die Finger 10 mitsamt
der Verbindungsvorrichtung 9 von oben montiert werden können. Ferner wird
somit ein Hub der Spule 7 über die Verbindungsvorrichtung 9 und
die Finger 10 und über
den Wellbalg 27 auf die Federscheibe 11 und von
dort auf die Nadel 2 übertragen.
Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem vorhergehenden Ausführungsbeispielen,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.