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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von
Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen
des Oberbegriffes 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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Erfindungsgemäß weist
das Steuerventil des vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors einen verlängerten
Ventilbolzen mit einem außerhalb der Ventilplatte liegenden
Abschnitt auf. Dieser Abschnitt bildet einen in einer Kopplerhülse
geführten Ventilkolben einer hydraulischen Kopplereinheit
aus. Zudem begrenzen der als Ventilkolben dienende Abschnitt des
Ventilbolzens, die Kopplerhülse und das Einstellstück
gemeinsam einen Druckraum, der als hydraulischer Koppler dient.
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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, der zudem noch von einem Abschnitt eines
verlängerten Ventilbolzens gebildet wird. Durch den Verzicht
auf einen zweiten Kolben kann eine deutliche Baulängenreduzierung
der hydraulischen Kopplereinheit und damit der Gesamtlänge
des Kraftstoffinjektors bewirkt werden. Die Übersetzung
erfolgt vorliegend im Verhältnis 1:1, das heißt
es findet keine Verstärkung des Aktorhubes statt.
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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 der Ventilbolzen des Steuerventils
auf der dem Ventilsitz abgewandten Seite 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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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. Eine ausreichende Führung des Ventilkolbens wird bei
dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor über
die Kopplerhülse bewirkt.
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Darüber
hinaus kann bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor
auf die Anordnung einer Einstellscheibe zur Einstellung der Federkraft
eines Federelementes 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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Ein
Federelement zur Vorspannung der Kopplerhülse gegenüber
dem Einstellstück ist weiterhin vorgesehen. Das Federelement
ist vorzugsweise eine Schraubenfeder oder eine Federhülse.
Die Federkraft des Federelementes stellt eine dichtende Anlage der
Kopplerhülse am Einstellstück und damit die Abdichtung
des von der Kopplerhülse, dem Einstellstück und
dem Ventilkolben umschlossenen Druckraumes sicher.
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Vorzugsweise
besitzt die Kopplerhülse auf der dem Federelement zugewandten
Oberseite einen axial zurückspringenden Absatz zur Auflage
des Federelementes. Der nicht zurückspringende Bereich
mit einem geringeren Durchmesser ragt in das Federelement hinein,
das dadurch eine Zentrierung erfährt. Die Kopplerhülse
selbst ist über den Ventilkolben zentriert.
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Weiterhin
vorzugsweise ist die an dem Einstellstück dichtend anliegende
Fläche der Kopplerhülse mit einer Beißkante
versehen. Die notwenige Flächenpressung zur dichtenden
Anlage wird durch das an der Kopplerhülse anliegende Federelement bewirkt.
Der Abstand zwischen dem radialen Absatz und der Beißkante
der Kopplerhülse stellt das einzige toleranzbehaftete Maß dar,
das Einfluss auf die Federkraft des Federelementes hat, da das andere Ende
des Federelementes an der Ventilplatte abgestützt ist.
Da der Einfluss dieses Maßes 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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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Kopplerhülse
und dem als Ventilkolben dienenden Abschnitt des Ventilbolzens ein
Führungsspalt vorgesehen, der weniger als 10 μm,
vorzugsweise weniger als 5 μm, beträgt. Zum Einen
ist dadurch die Abdichtung des als hydraulischer Koppler dienenden
Druckraumes, zum Anderen eine genaue Führung des Ventilkolbens
im Bereich des Einstellstückes sichergestellt.
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Vorteilhafterweise
besitzt die Kopplerhülse innenumfangseitig auf der dem
Federelement zugewandten Oberseite eine konusförmige Einführöffnung
zur Aufnahme des als Ventilkolben dienenden Abschnitts des Ventilbolzens.
Da der Ventilkolben und der Ventilbolzen einstückig ausgebildet
sind, hat die Montage von der Ventilsitzseite zu erfolgen. Das heißt
beim Einsetzen des Ventilbolzens wird der als Ventilkolben dienende
Abschnitt durch die Ventilplatte hindurch gesteckt und in die Kopplerhülse
eingeführt. Um das Einführen zu erleichtern, ist
die Aufnahmebohrung der Kopplerhülse ventilsitzseitig konusförmig
ausgebildet, so dass der Ventilkolben beim Einführen automatisch
zentriert wird.
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Bevorzugt
besitzt der als Ventilkolben dienende Abschnitt des Ventilbolzens
in einem Bereich zumindest eine Abflachung. Vorzugsweise liegt dieser
Bereich innerhalb der Ventilplatte, weiterhin vorzugsweise in der
Nähe des Ventilsitzes. Die wenigstens eine Abflachung bildet
einen Rücklaufkanal aus, über welchen bei geöffnetem
Steuerventil unter hohem Druck stehender Kraftstoff abfließen
kann.
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Der
mit einem Ventilsitz zusammenwirkende Ventilbolzen bzw. Abschnitt
des Ventilbolzens besitzt einen Federkragen, an dem ein Federelement
abgestützt ist, mittels dessen der Ventilbolzen gegenüber dem
Ventilsitz vorgespannt ist. Indem Ventilbolzen und Ventilkolben
einstückig ausgebildet sind, dient dasselbe Federelement
gleichzeitig dazu, den als Ventilkolben dienenden Abschnitt des
Ventilbolzens axial vorzuspannen. Auf ein separates Federelement für
den Ventilkolben kann daher verzichtet werden. Die reduzierte Anzahl
an Bauteilen vereinfacht den Aufbau des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors, so
dass dieser einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Zudem verringert sich neben der Gesamtlänge auch das Gewicht
des Injektors, was ebenfalls ein Vorteil ist.
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Zur
Ausbildung eines druckausgeglichenen Steuerventils ist weiterhin
bevorzugt der Ventilbolzen an seinem dem Ventilsitz abgewandten
Ende in einer Hülse geführt, wobei der Ventilbolzen,
die Hülse und die Ventilplatte einen Niederdruckraum begrenzen. Die
Betätigung des Ventilbolzens kann somit im Wesentlichen
systemdruckunabhängig erfolgen, das heißt, sie
erfordert eine geringere Druckkraft.
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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 und
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2 einen
Längsschnitt durch die hydraulische Kopplereinheit eines
erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
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Die
in 1 dargestellte hydraulische Kopplereinheit 3 umfasst
zwei in einem Kopplerkörper 21 geführte
Kolben, einen Ventilkolben 8 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 8, 22 ausgebildeten
Kopplerspalt 23 erfolgt, der mit einer Hydraulikflüssigkeit
gefüllt ist. Der Kopplerkörper 21 dient der
Führung der beiden Kolben 8, 22 und ist
daher innenumfangseitig den jeweiligen Kolbendurchmessern angepasst.
Mit einer radial verlaufenden Bundfläche liegt der Kopplerkörper
an einer Ventilplatte 5 an, in der ein Steuerventil 2 aufgenommen
ist. Vorliegend handelt es sich um ein druckausgeglichenes Steuerventil 2,
mit einem Ventilbolzen 6, dessen ventilsitzabgewandtes
Ende in einer Hülse 19 geführt ist und
gemeinsam mit der Hülse 19 und der Ventilplatte 5 einen
Niederdruckraum 20 begrenzt, so dass der in der Hülse 19 geführte
Abschnitt des Ventilbolzens 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 17 entspricht, mittels
derer der Ventilbolzen 6 gegenüber dem Ventilsitz 18 vorgespannt
ist. Hierzu ist die Schraubenfeder 17 einerseits an der
Hülse 19, andererseits an einem Federkragen 16 des
Ventilbolzens 6 abgestützt. Der Ventilkolben 8 ist
ebenfalls mittels einer Schraubenfeder 25 gegenüber
dem Ventilbolzen 6 vorgespannt. Die Schraubenfeder 25 ist
hierzu an dem Ventilkolben 8 und an einem innenumfangseitig
radial verlaufenden Absatz des Kopplerkörpers 21 abgestützt.
Neben der Schraubenfeder 25 als erstem Federelement ist
ein zweites Federelement in Form einer Federhülse 10 vorgesehen,
mittels derer Kopplerkolben 22 gegenüber einem
Einstellstück 4 und damit gegenüber der
Aktor-Einheit 1 vorgespannt ist. Die Federhülse 10 ist
einerseits an einer radial verlaufenden Bundfläche des
Kopplerkörpers 21, andererseits an einer Einstellscheibe 24 abgestützt,
die wiederum an einer umlaufenden radialen Bundfläche des
Kopplerkolbens 22 anliegt. Die Einstellscheibe 24 dient
der Einstellung der Federkraft, da die verschiedenen Rundhöhen
des Kopplerkörpers 21 und des Kopplerkolbens 22 toleranzbehaftet
sind.
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Im
Unterschied zur der hydraulischen Kopplereinheit 3 der 1 weist
die hydraulische Kopplereinheit 3 des erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors entsprechend der 2 nur einen
Ventilkolben 8 auf, der zudem von einem Abschnitt eines
verlängerten Ventilbolzens 6 ausgebildet wird.
Das heißt, dass der Ventilkolben 8 und der Ventilbolzen 6 ein
Bauteil bilden.
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Darüber
hinaus wurde bei der Anordnung der 2 auf einen
Kopplerkörper 21 zur axialen Führung
verzichtet. Der Ventilkolben 8 ist lediglich in einer Kopplerhülse 7 geführt,
die mittels eines Federelementes 10 gegenüber
dem Einstellstück 4 vorgespannt ist und somit
in ihrer Lage fixiert ist. Die Kopplerhülse 7,
der Ventilkolben 8 und das Einstellstück 4 begrenzen
einen Druckraum 9, der als hydraulischer Koppler dient.
Die Übersetzung erfolgt im Verhältnis 1:1. Eine
Verstärkung der Kraft eines Aktors einer Aktor-Einheit 1 ist
nicht erforderlich, da das Steuerventil 2 druckausgeglichen
ist. Denn der Ventilbolzen 6 des Steuerventils 2 ist
in einer Hülse 19 geführt, wobei die Hülse 19,
der Ventilbolzen 6 und die Ventilplatte 5 einen
Niederdruckraum 20 begrenzen.
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Die
Kopplerhülse 7 ist ferner mit einer Beißkante 12 versehen,
mit der die Kopplerhülse 7 dichtend an dem Einstellstück 4 anliegt.
Die notwendige Flächenpressung wird durch das Federelement 10 bewirkt.
Vorliegend ist das Federelement 10 eine Schraubenfeder,
die einerseits direkt an der Ventilplatte 5, andererseits
an der Kopplerhülse 7 abgestützt ist.
Die Kopplerhülse 7 weist hierzu einen axial zurückspringenden
Absatz 11 auf. Der Abstand zwischen diesem Absatz 11 und
der am Einstellstück 4 anliegenden Beißkante 12 ist
das einzige toleranzbehaftete Maß, das einen Einfluss auf
die Federkraft hat. Da dieser Einfluss minimal ist wurde bei der
hydraulischen Kopplereinheit 3 gemäß der
Erfindung ferner auf eine Einstellscheibe 24 zur Einstellung
der Federkraft verzichtet.
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Indem
ein Abschnitt des Ventilbolzens 6 zugleich den Ventilkolben 8 bildet,
ist ein weiteres Federelement zur axialen Vorspannung des Ventilkolbens 8 nicht
erforderlich, denn die axiale Lage des Ventilkolbens 8 ist
durch den Ventilbolzen 6 vorgegeben. Somit vereinfacht
sich der Aufbau der hydraulischen Kopplereinheit erheblich. Bei
der Montage der hydraulischen Kopplereinheit wird der als Ventilkolben 8 dienende
Abschnitt des Ventilbolzens 6 durch die Ventilplatte 5 hindurch
gesteckt und in die zentrale Bohrung der Kopplerhülse 7 eingeführt.
Um das Einführen in die Kopplerhülse 7 zu
erleichtern, ist diese mit einer konusförmigen Einführöffnung 14 versehen,
so dass der Ventilkolben beim Einführen automatisch zentriert
wird. Dies ist insbesondere von Vorteil, da die Kopplerhülse 7 als
Führung für den Ventilkolben 8 dient
und der Führungsspalt 13 nur wenig Spiel besitzt.
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Der
durch die Ventilplatte 5 hindurch geführte und
als Ventilkolben 8 dienende Abschnitt des Ventilbolzens 6 weist
in dem dargestellten Beispiel eine Abflachung 15 im Bereich
der Ventilplatte 5 auf, die in diesem Bereich den Ventilkolben 8 eng
umgibt. Durch die Abflachung 15 wird ein Rücklaufkanal
für unter hohem Druck stehenden Kraftstoff ausgebildet.
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Insbesondere
im Vergleich mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Injektor
entsprechend 1 wird deutlich, dass der erfindungsgemäße
Kraftstoffinjektor einfacher aufgebaut und damit leichter und kostengünstiger
herstellbar ist. Der Verzicht auf eine Einstellscheibe 24,
einen Kopplerkolben 22 und eine Kopplerkörper 21 führt
zudem zu einer deutlichen Baulängenreduzierung und Verringerung
des Gewichts. Der Kraftstoffinjektor ist somit in vielen Brennkraftmaschinen
einsetzbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0002]