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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von
Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige
Kraftstoffinjektoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die
Druckschrift
DE
10 2006 042 601 A1 beispielsweise offenbart einen Injektor
zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine,
bei dem ein Einspritzventilglied zum Freigeben oder Verschließen
wenigstens einer Einspritzöffnung durch ein aktorbetätigtes
Steuerventil angesteuert wird. Zwischen Aktor und Steuerventil ist
eine hydraulische Kopplereinheit angeordnet, die bei dem aus dem
Stand der Technik bekannten Beispiel einen mit dem Aktor in Wirkverbindung
stehenden ersten Kolben mit einem ersten Durchmesser und einen zweiten
Kolben mit einem zweiten, geringeren Durchmesser umfasst, so dass
entsprechend dem Durchmesserverhältnis der beiden Kolben
der Hub des Aktors zur Steuerung des Steuerventils hydraulisch übersetzt
wird. Beide Kolben sind in einem Kopplerkörper geführt,
der wiederum von einer Federhülse zur axialen Vorspannung des
ersten Kolbens gegenüber dem Aktor umgeben ist. Der zweite
Kolben wird über eine Schraubenfeder, die am Kopplerkörper
abgestützt ist, gegenüber dem Steuerventil axial
vorgespannt. Eine zwischen dem Aktor und dem erstem Kolben angeordnete
Einstellscheibe dient dem Ausgleich von fertigungsbedingten Längentoleranzen.
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Ein
Kraftstoffinjektor der vorstehend beschriebenen Art besitzt aufgrund
seines komplexen Aufbaus eine bestimmte Gesamtbaulänge.
Er ist damit gegebenenfalls nicht in allen Brennkraftmaschinen einsetzbar.
Es besteht daher ein allgemeines Interesse, die Gesamtbaulänge
eines Kraftstoffinjektors zu reduzieren.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen solchen längenoptimierten
Kraftstoffinjektor mit einer hydraulischen Kopplereinheit anzugeben,
der zugleich einfach und kostengünstig herzustellen ist.
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Zur
Lösung der Aufgabe wird ein Kraftstoffinjektor mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der
vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine Aktor-Einheit und
eine hydraulische Kopplereinheit, die über ein Einstellstück
mit der Aktor-Einheit in Verbindung steht. Die hydraulische Kopplereinheit
umfasst einen axial verschiebbar geführten und mittels
eines ersten Federelementes vorgespannten Ventilkolben und erfindungsgemäß ferner eine
Kopplerhülse, die mittels eines zweiten Federelementes
gegen das Einstellstück vorgespannt ist und gemeinsam mit
dem Ventilkolben und dem Einstellstück einen Druckraum
begrenzt. Im Unterschied zur hydraulischen Kopplereinheit des eingangs
beschriebenen und aus dem Stand der Technik bekannten Injektors
weist die hydraulische Kopplereinheit des erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors lediglich einen Kolben auf. In Ermangelung eines
zweiten Kolbens und eines zwischen den Kolben ausgebildeten Kopplerspaltes
dient der zwischen Ventilkolben, Einstellstück und Kopplerhülse
ausgebildete Druckraum als hydraulischer Koppler. Die Übersetzung
erfolgt im Verhältnis 1:1, das heißt es findet
keine Verstärkung des Aktorhubes statt. Bevorzugt weist
der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor daher
ein druckausgeglichenes Steuerventil auf, dessen Betätigung
im Wesentlichen systemdruckunabhängig erfolgt und somit
eine geringere Druckkraft erfordert. Das Steuerventil kann beispielsweise
dadurch druckausgeglichen sein, dass das Ventilschließglied
des Steuerventils in einer Hülse geführt ist,
wobei Ventilschließglied und Hülse einen Druckraum
begrenzen, der stets druckentlastet ist. Ein druckausgeglichenes Steuerventil
ist Gegenstand einer anderen Anmeldung derselben Anmelderin und
soll daher im Rahmen dieser Anmeldung nicht weiter vertieft werden.
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Indem
auf die Anordnung eines zweiten Kolbens verzichtet wird, kann die
Baulänge der hydraulischen Kopplereinheit und damit die
Gesamtlänge des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
deutlich reduziert werden. Gegebenenfalls kann zur Kompensation
des entfallenen zweiten Kolbens eine Verlängerung des Ventilkolbens
erforderlich sein, doch selbst dann sind Längenreduzierungen
der Kopplereinheit bis etwa 6,5 mm möglich.
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Des
Weiteren wird bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor
im Unterschied zu dem eingangs beschriebenen und aus dem Stand der
Technik bekannten Injektor auf eine hochgenaue Führung,
beispielsweise in Form eines Kopplerkörpers, verzichtet.
Dies trägt zur Vereinfachung der hydraulischen Kopplereinheit
und damit zur kostengünstigen Herstellung des Kraftstoffinjektors
bei. Darüber hinaus kann bei dem erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektor auf die Anordnung einer Einstellscheibe zur Einstellung
der Federkraft der Federhülse und damit zum Ausgleich von
Längentoleranzen verzichtet werden, da zum Einen die in
die Federkrafttoleranzen eingehenden Maße reduziert werden,
zum Anderen die Federkraft nicht mehr von toleranzbehafteten Bundhöhen
abhängig ist. Dadurch wird der Aufbau eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors weiter vereinfacht und die Kosten optimiert.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform ist zur Abdichtung des
Kopplerspaltes, das heißt des Druckraumes zwischen der
Kopplerhülse, dem Einstellstück und dem Ventilkolben,
die an dem Einstellstück dichtend anliegende Fläche
der Kopplerhülse mit einer Beißkante versehen.
Die erforderliche Flächenpressung wird durch das zweite
Federelement bewirkt, das die Kopplerhülse in Axialrichtung
mit einer Druckkraft beaufschlagt und somit in dichtender Anlage
mit dem Einstellstück hält.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besitzt die
Kopplerhülse innenumfangsseitig einen umlaufenden radialen
Absatz, mit dem die Kopplerhülse dichtend am Einstellstück
anliegt. Bevorzugt ist daher der radiale Absatz mit einer Beißkante
versehen. Der sich an den radialen Absatz anschließende
Bereich weist vorzugsweise einen Innendurchmesser auf, der geringfügig
größer als der Außendurchmesser des Einstellstückes
ist, so dass die über das Einstellstück geführte
Kopplerhülse eine Zentrierung erfährt.
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Weiterhin
bevorzugt besitzt die Kopplerhülse einen nach radial außen
geführten Bund zur Auflage des zweiten Federelementes,
wobei das zweite Federelement vorzugsweise eine Federhülse
ist. Während das eine Ende des zweiten Federelementes am Bund
der Kopplerhülse abgestützt ist, liegt das andere
Ende bevorzugt an einer das Steuerventil aufnehmenden Ventilplatte
auf. Damit stellt der Abstand zwischen Bundfläche und Beißkante
der Kopplerhülse das einzige die Federkraft des zweiten
Federelementes beeinflussende Maß dar. Da der Einfluss
minimal ist, kann die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik
bereits erwähnte Einstellscheibe zur Einstellung der Federkraft
entfallen. Damit ist auch der aufwendige Einstellprozess selbst
entbehrlich. Durch diese Maßnahme vereinfacht sich nicht
nur der Aufbau der hydraulischen Kopplereinheit, sondern ermöglicht
durch den Verzicht auf eine Einstellscheibe eine weitere Reduzierung
der Baulänge der Kopplereinheit und damit der Gesamtlänge
des Kraftstoffinjektors.
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Vorteilhafterweise
beträgt der Führungsspalt zwischen Kopplerhülse
und Ventilkolben weniger als 10 μm, vorzugsweise weniger
als 5 μm. Dadurch ist eine hochgenaue Führung
des Ventilkolbens über die Kopplerhülse sichergestellt.
Da die Kopplerhülse vorzugsweise derart ausgebildet ist,
dass sie lediglich einen Abschnitt des Ventilkolbens umfasst, und
zwar das dem Einstellstück zugewandte Ende, können
zur Führung des anderen, dem Steuerventil zugewandten Endes
des Ventilkolbens weitere Maßnahmen getroffen werden. Beispielsweise
kann die das Steuerventil aufnehmende Ventilplatte mit einem als
Führung dienenden Kragen ausgebildet sein. Allerdings erfordert
die Ausbildung der Ventilplatte mit einem Kragen einen höheren
fertigungstechnischen Aufwand. Nachfolgend werden daher alternative
Maßnahmen aufgezeigt.
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Eine
gewisse Führung erfährt der Ventilkolben beispielsweise
durch die in Axialrichtung wirkende Federkraft des ersten Federelementes,
mittels dessen der Ventilkolben gegenüber dem Schließelement
des Steuerventils vorgespannt ist. Hierzu ist vorzugsweise das erste
Federelement einerseits an der Kopplerhülse, andererseits
am Ventilkolben abgestützt. Vorteilhafterweise ist der
Ventilkolben mit einer Bundhülse ausgestattet, an deren
radial verlaufenden Bundfläche die Schraubenfeder abgestützt ist.
Weiterhin vorzugsweise ist das erste Federelement eine Schraubenfeder.
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Des
Weiteren kann die hydraulische Kopplereinheit eine Zentrierhülse
zur Zentrierung der Kopplerhülse und/oder des Ventilkolbens
umfassen. Sofern der Ventilkolben über die Zentrierhülse
eine Zentrierung erfährt, erfährt er auch eine
Führung, da der Ventilkolben gegenüber der Zentrierhülse
bevorzugt axial beweglich angeordnet ist. Die Zentrierhülse kann beispielsweise
anstelle eines Kragens an der Oberseite der Ventilplatte angeordnet
sein. Die Ventilplatte kann zur Aufnahme und Lagefixierung der Zentrierhülse,
zumindest in radialer Richtung, ferner eine konzentrische Bohrung
besitzen, in welche die Zentrierhülse eingesetzt ist.
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Nach
einer ersten bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich
die Zentrierhülse von der Ventilplatte bis zur Kopplerhülse
bzw. darüber hinaus, so dass vorrangig die Kopplerhülse
und mittelbar über die Kopplerhülse der Ventilkolben
eine Zentrierung bzw. Führung erfährt. Die Zentrierhülse
besitzt vorzugsweise innenumfangseitig einen umlaufenden radialen
Absatz, an dem das erste Federelement abgestützt ist. Zur
Ausbildung eines solchen Absatzes kann die Zentrierhülse
beispielsweise Abschnitte mit unterschiedlichen Innendurchmessern
aufweisen. Außenumfangseitig weist die Zentrierhülse
bevorzugt eine zylindrische Mantelfläche auf.
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Bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt durch die hydraulische Kopplereinheit eines
aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektors,
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2 einen
Längsschnitt durch die hydraulische Kopplereinheit einer
ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors und
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3 einen
Längsschnitt durch die hydraulische Kopplereinheit einer
zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors.
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Die
in 1 dargestellte hydraulische Kopplereinheit 3 umfasst
zwei in einem Kopplerkörper 20 geführte
Kolben, einen Ventilkolben 7 mit einem ersten Durchmesser
D1 und einen Kopplerkolben 22 mit einem
zweiten Durchmesser D2, wobei D1 < D2 ist,
so dass entsprechend dem Durchmesserverhältnis eine Übersetzung
der Kraft und des Hubes eines Aktors 1 über einen
zwischen den beiden Kolben 7, 22 ausgebildeten
Kopplerspalt 23 erfolgt, der mit einer Hydraulikflüssigkeit
gefüllt ist. Der Kopplerkörper 20 dient der
Führung der beiden Kolben 7, 22 und ist
daher innenumfangseitig den jeweiligen Kolbendurchmessern angepasst.
Mit einer radial verlaufenden Bundfläche liegt der Kopplerkörper
an einer Ventilplatte 16 an, in der ein Steuerventil 2 aufgenommen
ist. Vorliegend handelt es sich um ein druckausgeglichenes Steuerventil 2,
mit einem Schließelement 6, dessen ventilsitzabgewandtes
Ende in einer Hülse 19 geführt ist und
gemeinsam mit der Hülse 19 und der Ventilplatte 16 einen
Niederdruckraum 24 begrenzt, so dass der in der Hülse 19 geführte
Abschnitt des Schließelementes 6 des Steuerventils 2 nicht
vom Systemdruck beaufschlagt wird. Zur Betätigung des Steuerventils 2 ist
daher lediglich eine Druckkraft erforderlich, die im Wesentlichen
der Federkraft einer Schraubenfeder 18 entspricht, mittels
derer das Schließelement 6 gegenüber
dem Ventilsitz 25 vorgespannt ist. Hierzu ist die Schraubenfeder 18 einerseits
an der Hülse 19, andererseits an einem Federkragen 17 des
Schließelementes 6 abgestützt. Der Ventilkolben 7 ist
ebenfalls mittels einer Schraubenfeder gegenüber dem Schließelement 6 vorgespannt.
Die Schraubenfeder ist hierzu an dem Ventilkolben 7 und
an einem innenumfangseitig radial verlaufenden Absatz des Kopplerkörpers
abgestützt. Neben der Schraubenfeder als erstem Federelement 5 ist
ein zweites Federelement 9 in Form einer Federhülse
vorgesehen, mittels derer Kopplerkolben 22 gegenüber
einem Einstellstück 4 und damit gegenüber
der Aktor-Einheit 1 vorgespannt ist. Die Federhülse
ist einerseits an einer radial verlaufenden Bundfläche
des Kopplerkörpers 20, andererseits an einer Einstellscheibe 21 abgestützt,
die wiederum an einer umlaufenden radialen Bundfläche des
Kopplerkolbens 22 anliegt. Die Einstellscheibe 21 dient
der Einstellung der Federkraft, da die verschiedenen Bundhöhen
des Kopplerkörpers 20 und des Kopplerkolbens 22 toleranzbehaftet
sind.
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Im
Unterschied zur der hydraulischen Kopplereinheit 3 der 1 weist
die hydraulische Kopplereinheit 3 eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors nur einen Ventilkolben 7 auf (siehe 2 und 3).
Auf die Anordnung eines zweiten Kolbens 22 sowie eines
Kopplerkörpers 20 entsprechend dem vorstehend
beschriebenen Beispiel wird bewusst verzichtet. Die Übersetzung
erfolgt somit im Verhältnis 1:1. Da vorliegend das Steuerventil 2 wiederum druckausgeglichen
ist, denn das Schließglied 6 des Steuerventils 2 ist
in einer Hülse 19 geführt, die gemeinsam
mit der Ventilplatte 16 einen Niederdruckraum 24 begrenzen,
ist eine Verstärkung der Aktorkraft bzw. des -hubes nicht
erforderlich. Als Kopplerspalt 23 dient nunmehr ein zwischen
Ventilkolben 7 und Einstellstück 4 ausgebildeten
Druckraum 10, der radial von einer Kopplerhülse 8 begrenzt
wird. In der Kopplerhülse 8 ist der Ventilkolben 7 beweglich
geführt. Der Führungsspalt 13 ist mit
nur geringem Spiel ausgeführt und beträgt bei
dem vorliegenden Beispiel etwa 4 μm. Zur Abdichtung des
Druckraumes 10 ist die Kopplerhülse 8 des
Weiteren mit einer Beißkante versehen, mit der die Kopplerhülse 8 an
dem Einstellstück 4 dichtend anliegt. Die notwendige
Flächenpressung wird durch ein zweites Federelement 9 bewirkt,
mittels derer die Kopplerhülse 8 gegenüber dem
Einstellstück 4 vorgespannt ist. Das zweite Federelement 9 ist
auch in diesem Beispiel eine Federhülse, die einerseits
direkt an der Ventilplatte 16, andererseits an der Kopplerhülse 8 abgestützt
ist. Die Kopplerhülse 8 weist hierzu einen Bund 12 mit
einer radial verlaufenden Bundfläche auf. Der Abstand zwischen
dieser Bundfläche und der am Einstellstück 4 anliegenden
Beißkante ist das einzige toleranzbehaftete Maß,
das die Federkraft beeinflusst. Da der Einfluss minimal ist wurde
bei der hydraulischen Kopplereinheit 3 gemäß der
Erfindung zudem auf eine Einstellscheibe 21 verzichtet.
Durch Verzicht auf einen zweiten Kolben 22 und auf eine
Einstellscheibe 21, kann die Baulänge der Kopplereinheit 3 entsprechend
dem Ausführungsbeispiel der 2 um 4,5 mm
gegenüber der bekannten Ausführung entsprechend 1 verkürzt
werden.
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Anstelle
eines Kopplerkörpers 20 weist die hydraulische
Kopplereinheit 3 der 2 eine Zentrierhülse 14 zur
Zentrierung der Kopplerhülse 8 und damit mittelbar
zur Zentrierung und Führung des Ventilkolbens 7 auf.
Entsprechend der Ausbildung des Kopplerkörpers 20 aus 1 weist
auch die Zentrierhülse 14 der hydraulischen Kopplereinheit 3 der 2 einen
innenumfangseitig radial verlaufenden Absatz 15 auf, an
dem ein Ende des ersten Federelementes 5 abgestützt
ist, mittels dessen der Ventilkolben 7 gegenüber
dem Schließelement 6 des Steuerventils 2 vorgespannt
ist.
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Eine
weitere Zentrierung der Kopplerhülse 8 und damit
mittelbar auch des Ventilkolbens 7 erfolgt dadurch, dass
das Einstellstück 4 zumindest teilweise in eine
innenumfangseitige Ausnehmung der Kopplerhülse eingelassen
ist, so dass sie an einem innenumfangseitig radial verlaufenden
Absatz 11 der Kopplerhülse 8 anliegt.
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Da
eine Zentrierung der Kopplerhülse 8 über die
Zentrierhülse 14 nicht unbedingt erforderlich
ist, kann gemäß dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiels die Zentrierhülse auch auf
einen Ringkörper reduziert werden, der nur noch den Ventilkolben 7 im
Bereich der Ventilplatte 16 umgibt und diesen infolgedessen
zentriert bzw. führt. Das erste Federelement 5 weist
hierzu eine axiale Lage auf, so dass es einseitig an der Kopplerhülse 8 abgestützt ist.
Darüber hinaus unterscheidet sich die Ausführungsform
der 3 nicht von der der 2. Allerdings
ermöglicht die Reduzierung der Zentrierhülse 14 auf
einen am Ventilkolben 7 anliegenden Ringkörper
eine Baulängenreduzierung der Kopplereinheit 3 von
bis zu 6,5 mm.
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Alternativ
zur Anordnung einer als Ringkörper ausgebildeten Zentrierhülse 14 kann
auch die Ventilplatte 16 mit einem Kragen oder Absatz ausgestattet
sein, der eine axiale Führung des Ventilkolbens 7 ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006042601
A1 [0002]