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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem
einer Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem
eines Kraftfahrzeuges, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
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Kraftstoffinjektoren
weisen zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung eine axial verstellbare
Düsennadel auf, mittels derer wenigstens ein Spritzloch geöffnet
oder geschlossen werden kann. Die axiale Verstellung der Düsennadel
wird dabei über einen Aktor bewirkt, beispielsweise einen
Piezo-Aktor. Es gilt Kraftstoffinjektoren mit direkter oder indirekter
Nadelsteuerung zu unterscheiden. Injektoren mit indirekter Nadelsteuerung
weisen in der Regel ein zwischen Aktor und Düsennadel zwischengeschaltetes hydraulisches
Steuerventil auf, während bei Injektoren mit direkter Nadelsteuerung
der Aktor über eine Koppler- bzw. Übersetzereinrichtung
direkt auf die Düsennadel einwirkt. Die Koppler- bzw. Übersetzereinrichtung
zur direkten Nadelsteuerung weist hierzu einen Kopplerkolben auf,
der wenigstens einen Kopplerraum axial begrenzt.
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Aus
der
DE 10 2004
005 452 A1 ist beispielsweise ein Injektor mit direkter
Nadelsteuerung bekannt. Die Ansteuerung einer Düsennadel
bzw. eines Ventilgliedes erfolgt mittels eines Piezo-Aktors, der auf
einen Übersetzerkolben in der Weise einwirkt, dass wenigstens
ein Steuerraum, der der hydraulischen Kopplung des Übersetzerkolbens
mit dem Ventilglied dient, druckbeaufschlagt oder druckentlastet
wird. Aufgrund der hydraulischen Kopplung ist die Bewegung des Ventilgliedes
mit der des Übersetzerkolbens gleichgerichtet. Wird der Übersetzerkolben
aufgrund der Ausdehnung des Piezo-Aktors bei Bestromung in Richtung
Ventilglied bewegt, wird das Ventilglied in eine Schließstellung
geführt. Umgekehrt wird das Ventilglied bei der Entladung
des Piezo-Aktors in eine Öffnungsstellung überführt
(so genannter Zina-Piezo-Aktor). Die Entladung des Piezo-Aktors
erfolgt jedoch lediglich zur Initiierung eines Einspritzvorgangs.
D. h., dass im Ruhezustand der Piezo-Aktor unter Spannung steht,
um das Ventilglied in der Schließstellung zu halten. Aufgrund
dieser hohen Beanspruchung des Piezo-Aktors kann dieser eine verkürzte
Lebenszeit aufweisen. Es werden daher direkte Ladestörungen
mittels eines Piezo-Aktors bevorzugt, die eine Bestromung des Piezo-Aktors
ausschließlich zur Ansteuerung einer Einspritzung vorsehen.
D. h. mit einer Ausdehnung des Piezo-Aktors wird die Düsennadel
in eine Öffnungsstellung bewegt (drückender Piezo-Aktor).
Um über die Koppler- bzw. Übersetzereinrichtung
zugleich einer Bewegungsumkehr zu bewirken, ist die Wegübersetzung
beispielsweise mit einem Kolben-in-Kolben-System zu realisieren.
Beispielhaft für ein derartiges System sei hier die
DE 10 2004 017 303
A1 genannt. Das hierin offenbarte die Hubumkehr bewirkende
System nimmt jedoch verhältnismäßig viel Bauraum
ein, so dass der Kraftstoffinjektor sehr großvolumig ausfällt.
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Eine
alternative und wesentlich kompaktere Anordnung einer direkten Nadelsteuerung
mit einem drückenden Piezo-Aktor wird dagegen in der
DE 10 2007 006 941 offenbart.
Die Hubumkehr wird hier durch einen Hohlkolben und einen Kopplerkolben realisiert,
die gemeinsam einen ersten Kopplerraum ausbilden, der mit einem
zweiten Kopplerraum, der von dem Kopplerkolben und der Düsennadel
begrenzt wird, hydraulisch verbunden ist. Die Betätigung
des Piezo-Aktors bewirkt eine axiale Verstellung des Kopplerkolbens,
so dass das Volumen des ersten Kopplerraumes zunimmt. Der damit
einhergehende Druckabfall bewirkt auch einen Druckabfall im zweiten
Kopplerraum, für das die Nadel aufgezogen und wenigstens
ein Spritzloch freigegeben wird. Aktor, Kopplereinrichtung und Düsennadel
sind dabei in einem gemeinsamen Hochdruckraum angeordnet. Dies erfordert
jedoch eine Kraftstoffdichteschutzbeschichtung des Aktors, die kaum
ausführbar ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen gegenüber
den eingangs genannten Kraftstoffinjektoren verbesserten Injektor
bereitzustellen, der insbesondere eine lange Lebenszeit des Aktors
gewährleistet. Ferner soll eine genaue Steuerung des Einspritzvorganges
sichergestellt werden. Dabei soll der Injektor einfach und kompakt
aufgebaut und günstig herzustellen sein.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit
den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der
vorgeschlagene Kraftstoffinjektor für ein Kraftstoffeinspritzsystem
ist mit einer axial verstellbaren Düsennadel zur Steuerung
der Kraftstoffeinspritzung über wenigstens ein Spritzloch,
einen Piezo-Aktor zur axialen Verstellung der Düsennadel
sowie einer in Wirkverbindung mit der Düsennadel und dem Piezo-Aktor
stehenden hydraulischen Kopplereinrichtung zur Realisierung einer
Wegübersetzung und einer Umkehr der Bewegungsrichtung ausgestattet. Die
Kopplereinrichtung umfasst einen in einem Führungsstück
axial verstellbar gelagerten Kopplerkolben, der gemeinsam mit dem
Führungsstück einen in Schließstellung
der Düsennadel unter Systemdruck stehenden ersten Kopplerraum
und mit der Düsennadel einen zweiten, mit dem ersten hydraulisch
verbundenen Kopplerraum axial begrenzt. Ferner ist an dem Kopplerkolben
ein Kolbenabschnitt geringeren Durchmessers angesetzt, der durch
einen Führungsabschnitt des Führungsstück
hindurch geführt und am Piezo-Aktor abgestützt
ist, so dass eine Ausdehnung des Piezo-Aktors eine axiale Verstellung
des Kopplerkolbens und eine Bewegung der Düsennadel in
eine Öffnungsstellung bewirkt. Erfindungsgemäß ist
der Piezo-Aktor in einem Niederdruckbereich angeordnet, so dass
der Kolbenabschnitt geringeren Durchmessers durch das Führungsstück
von dem in Schließstellung der Düsennadel unter
Systemdruck stehenden ersten Kopplerraum in den Niederdruckbereich
geführt ist. Zur Sicherstellung der Dichtheit der Dichtspalte
zwischen dem Kolbenabschnitt und dem Führungsstück
wird eine Bohrung zur hydraulischen Verbindung der Dichtspalte mit
einem unter Systemdruck stehenden Druckraum vorgeschlagen, die im
Führungsstück angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend
wird vorgeschlagen, dass Führungsstück ganz oder
teilweise in einem unter Systemdruck stehenden Druckraum anzuordnen.
Zunächst einmal stellt sich die Anordnung des Piezo-Aktors
in einem Niederdruckbereich als vorteilhaft dar, da die schwierige
Kraftstoffdichteausführung des Piezo-Aktors entfällt.
Die Ausbildung unterschiedlicher Druckbereiche erfordert jedoch,
dass durch den Druckunterschied bedingte Leckageverluste gering
zu halten sind. Werden die verschiedenen Druckbereich durch das
Führungsstück begrenzt, das zudem von einem Kolbenabschnitt
des Kolbenkolbens durchtreten wird, sind insbesondere Leckageverluste über
den Zwischenführungsstück und Kolbenabschnitt
ausgebilde ten Dichtspalt zu vermeiden. Denn derartige Verluste würden
zu einem Druckabfall im Kopplerraum führen, der durch das
Führungsstück und dem Kopplerkolben begrenzt und
vom Niederdruckbereich getrennt wird. Zur genauen Steuerung des
Einspritzvorgangs ist es jedoch erforderlich, dass im Kopplerraum
ein definierter Druck anliegt, der über den hydraulisch verbundenen
weiteren Kopplerraum auf die Düsennadel übertragen
wird. Die hierzu kumulativ oder alternativ einsetzbaren, vorgeschlagenen
Maßnahmen sehen zum einen eine zusätzliche Versorgungsleitung
für die Versorgung mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff
vor, mittels derer ein konstanter Druck im Kopplerraum einstellbar
ist, zum anderen eine den an der Dichtspalte anliegenden Druck kompensierende
außenseitige Druckbeaufschlagung des Führungsstücks,
mittels derer eine Aufweitung der Dichtspalte verhinderbar ist.
Leckageverluste in den Niederdruckbereich können somit
verringert werden oder ggf. ausgeglichen werden. Im Ergebnis wird
ein definierter Druck im Kopplerraum sichergestellt, der eine genaue
Steuerung des Einspritzvorganges gewährleistet.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kolbenabschnitt
geringeren Durchmessers eine umlaufende Nut auf, die mit der als
zusätzliche Versorgungsleitung dienende Bohrung im Führungsstück
verbindbar ist. Die Nut bildet einen Ringraum aus, der eine hydraulische
Verbindung mit der erfindungsgemäßen Bohrung sicherstellt.
Der Systemdruck wirkt somit einer unerwünschten Leckage
entgegen.
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Zur
Optimierung der Injektorauslegung ist weiterhin bevorzugt in dem
Kopplerkolben eine Bohrung zur hydraulischen Verbindung des ersten
und des zweiten Kopplerraumes angeordnet, die vorzugsweise als Drossel
ausgebildet ist. Auf diese Weise wird auch in dem zweiten Kopplerraum,
der über die Drossel mit dem ersten Kopplerraum verbunden ist,
ein definierter Druck sichergestellt.
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Entsprechend
einer Ausführungsform der Erfindung ist der Piezo-Aktor
exzentrisch zu einer Längsmittelachse der Düsennadel
liegend platziert. Durch diese Exzentrizität kann im Bereich
einer Verbindungsleitung des Druckraumes mit einer externen Kraftstoffquelle
eine größere Wandstärke vorgesehen werden,
ohne dass sich hierdurch die radialen Abmessungen des Kraftstoffinjektors ändern.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung ist eine Längsmittelachse des
Kopplerkolbens um jeweils den gleichen Betrag exzentrisch versetzt
zur Längsmittelachse der Düsennadel und zu einer Längsmittelachse
des Kolbenabschnitts positioniert. Dadurch werden durch die Kräfte
in Längsrichtung aufgrund eines gleich großen
Abstandes der Kraftangriffspunkte keine Querkräfte und
Momente am Kopplerkolben hervorgerufen.
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Vorteilhafterweise
ist die Düsennadel zur Rückführung in
eine Schließstellung mittels einer Druckfeder mechanisch
vorgespannt. Die Druckfeder unterstützt dabei die Schließwirkung
der Kopplereinrichtung, die bei einer Entladung des Piezo-Aktors durch
die Volumenverkleinerung des ersten Kopplerraumes und dem damit
einhergehenden Druckanstieg im zweiten Kopplerraum bewirkt wird.
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Bevorzugt
ist die Düsennadel im Bereich der Nadelspitze zudem in
einem Führungsabschnitt des Injektors geführt
und weist in diesem Bereich wenigstens einen zu einem Spritzloch
führenden Strömungskanal auf. Weiterhin bevorzugt,
erfolgt die Kraftstoffzuführung in den wenigstens einen
Strömungskanal über eine Drossel, die beispielsweise als
Ringspaltdrossel ausgebildet sein kann.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform wird der zweite Kopplerraum,
der axial von dem Führungsstück und der Düsennadel
begrenzt wird, radial bzw. umfangsseitig von einer Dichthülse
begrenzt. Vorzugsweise umgreift die Dichthülse das der
Nadelspitze abgewandte Ende der Düsennadel und ist gegenüber
dem Kopplerkolben mit einer Beißkante als Dichtkante ausgestattet.
Auf diese Weise kann eine ausreichende Dichtheit der jeweiligen
Anschlussbereiche hergestellt werden, so dass auch Leckageverluste
aus dem zweiten Kopplerraum vermieden oder zumindest verhindert
werden. In dem die Dichthülse den zweiten Kopplerraum gegenüber einem
Druckraum abdichtet, in welchem ebenfalls der Systemdruck vorherrscht,
bewirkt die beidseitige Druckbeaufschlagung der Dichthülse
eine weitgehende Kompensation der Druckkräfte, so dass
auch hierdurch die Dichtheit gewährleistet ist.
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Weiterhin
bevorzugt weist das der Nadelspitze abgewandte Ende der Düsennadel
eine Sacklochbohrung auf, in der ein Ausgleichskolben geführt
ist, der mittels einer ebenfalls in der Sacklochbohrung angeordneten
Feder in Anlage mit dem Kopplerkolben gehalten wird. Dabei wird
in der Düsennadel ein weiterer Druckraum ausgebildet, der über
eine axiale Bohrung im Ausgleichskolben und eine weitere Bohrung
im Koppler kolben mit dem Niederdruckbereich verbunden ist. Indem
die Sacklochbohrung in der Düsennadel einschließlich
der Bohrungen im Ausgleichskolben und im Kopplerkolben eine Steuerfläche
schaffen, die lediglich mit Niederdruck beaufschlagt wird und somit
kraftfrei ist, kann die Öffnungs- bzw. Betätigungskraft
der Düsennadel reduziert werden und damit die Steuerung
mit einem kleineren Aktor bewirkt werden. Als besonders vorteilhaft
im Hinblick auf einen kurzen, kostengünstig herstellbaren Aktor
hat sich eine Wegübersetzung vom Aktor auf die Düsennadel
größer 4 erwiesen.
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Vorzugsweise
ist in der Düsennadel eine radiale Bohrung angeordnet,
die den Dichtspalt zwischen Ausgleichskolben und Sacklochbohrung
mit einem unter Systemdruck stehenden Druckraum verbindet. Weiterhin
vorzugsweise mündet die Bohrung am Ausgleichskolben in
einen Ringraum. Die Bohrung und der Ringraum verhindern eine zu
starke Aufweitung der Dichtspalte, so dass Leckageverluste verringert
werden können und auch im zweiten Kopplerraum ein definierter
Druck sichergestellt ist. Das Prinzip wurde vorstehend bereits im
Zusammenhang mit der Dichtspalte zwischen dem Führungsstück und
dem Kolbenabschnitt des Kopplerkolbens beschrieben, so dass hierauf
verwiesen wird. Die als Versorgungsleitung ausgebildete Bohrung
kann alternativ auch in einen Ringraum münden, der durch eine
Umfangsnut am Ausgleichskolben gebildet wird.
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Entsprechend
einer alternativen Ausführungsform ist die Düsennadel über
einen Führungskolben in einer hierzu korrespondierenden
Bohrung des Kopplerkolbens verschiebbar geführt, die mittels eines
innerhalb des Kopplerkolbens und des Kolbenabschnitts verlaufenden
Kanals mit dem Niederdruckbereich in Verbindung steht. Hierdurch
kann neben einer verminderten Öffnungs- bzw. Betätigungskraft
eine verbesserte Führung des, dem mindestens einen Spritzloch
abgewandten Endes der Düsennadel erreicht werden, was deren
Durchbiegung bei Betätigung vermindert.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Führungsstück
rohr- oder topfförmig ausgebildet und ganz oder teilweise
in einem konzentrischen Druckraum angeordnet. Die Anordnung in einem
konzentrischen Druckraum besitzt den Vorteil, dass das Führungsstück
gleichmäßig über den im Druckraum vorherrschenden
Systemdruck beaufschlagt wird. Mittels des außen am Führungsstück
anliegenden Systemdrucks kann der im ersten Kopplerraum vorherrschende
Druck sowie der Druck in dem jeweils hieran anschließenden
Führungsabschnitten kompensiert werden. Die Belastung der Bauteile
kann dadurch reduziert werden, so dass geringere Anforderungen an
ihre Festigkeit bestehen. Bei der Ausbildung des Führungsstücks
als separates Bauteil sollte zumindest ein Teil des den Kolbenabschnitt
geringeren Durchmessers aufnehmenden Führungsabschnitts
im Druckraum liegen. Dadurch kann die Länge des Führungsabschnitts
zum Niederdruckbereich verkürzt werden, wodurch wiederum eine
Erhöhung der Steifigkeit der Kraftübertragung vom
Aktor zum Kopplerkolben erreicht wird. Dies wirkt sich vorteilhaft
dahingehend aus, dass zum einem Schalt... reduziert werden, zum
anderen ein kleinerer Aktor eingesetzt werden kann, um zumindest die
gleich Schaltperformance zu erreichen.
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Der
Druckraum, der ganz oder teilweise das Führungsstück
aufnimmt, ist bevorzugt durch einen separaten Druckkörper
radial begrenzt. Zur Ausbildung eines konzentrischen Druckraumes
sowie zur einfachen Herstellung des Druckkörpers ist dieser vorzugsweise
ringförmig ausgebildet. Die einfache Geometrie des Druckkörpers
erlaubt die Verwendung eines hochwertigen Materials, das bereits
eine hohe Druckfestigkeit aufweist. Auf zusätzliche Maßnahmen
zur Steigerung der Festigkeit, wie beispielsweise Hohnen, kann demnach
verzichtet werden.
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Der
zur Steuerung der Einspritzung vorgesehene Piezo-Aktor ist vorzugsweise
durch eine Feder vorgespannt. Die Feder kann beispielsweise im Niederdruckbereich
angeordnet und direkt am Piezo-Aktor abgestützt sein. Vorteilhafterweise
ist die Feder zur Vorspannung des Aktors jedoch in einem düsennadelnahen
Druckraum angeordnet, so dass sie zugleich zur Dämpfung
von Schwingungen zwischen Druckwelle und Injektor einsetzbar ist.
Beispielsweise weist der Druckraum, der das Führungsstück und/oder
die die Düsennadel umgreifende Dichthülse aufnimmt,
ein ausreichendes Volumen auf, um die Feder zur Aktorvorspannung
aufzunehmen. Somit muss kein entsprechender Bauraum erst geschaffen oder
zur Aufnahme der Feder vergrößert werden. Als Feder
kann beispielsweise eine Schraubenfeder oder eine Rohrfeder verwendet
werden.
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Der
erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor besitzt die
folgende Funktionsweise: im Ruhezustand ist der Piezo-Aktor entladen
und in den durch das Führungsstück, den Kopplerkolben
und die Düsennadel begrenzten Kopplerräumen liegt
der Systemdruck an. Der Piezo-Aktor weist in diesem Zustand seine
geringste Längenausdehnung auf. Zur Ansteuerung des Einspritzvorgangs
wird der Piezo-Aktor geladen, wobei er sich ausdehnt. Der über
seinen Kolbenabschnitt am Piezo-Aktor anliegende Kopplerkolben erfährt
mit der Ausdehnung des Aktors eine axiale Verstellung in Richtung
der Düsennadel, so dass sich das Volumen des ersten Kopplerraumes vergrößert.
Der mit der Volumenvergrößerung einhergehende
Druckabfall bewirkt, dass die Düsennadel in den zweiten
Kopplerraum, der hydraulisch mit dem ersten Kopplerraum verbunden
ist, zwecks Druckausgleich hineinbezogen wird. Die axiale Verstellung
der Düsennadel wiederum bewirkt die Freigabe wenigstens
eines Spritzlochs, so dass Kraftstoff über dieses Spritzloch
einer Brennkammer zugeführt wird. Um den Einspritzvorgang
zu beenden, wird der Aktor entladen, wobei er sich verkürzt
und der Kopplerkolben in seiner Ausgangsstellung zurückstellt wird.
Dabei verkleinert sich das Volumen des ersten Kopplerraumes und
der damit einhergehende Druckanstieg im ersten Kopplerraum bewirkt
einen entsprechenden Druckanstieg im zweiten Kopplerraum, durch
den die Düsennadel zurück in die Schließstellung
bewegt wird. Die Rückstellung des Kopplerkolbens und der
Düsennadel werden durch Federelemente unterstützt.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 einen
Kraftstoffinjektor mit einer Kopplereinrichtung entsprechend einer
ersten Ausführungsform,
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2 einen
Kraftstoffinjektor mit einer Kopplereinrichtung entsprechend einer
zweiten Ausführungsform,
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3 einen
Kraftstoffinjektor mit einer Kopplereinrichtung entsprechend einer
dritten Ausführungsform, und
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4 einen
Kraftstoffinjektor mit einer Kopplereinrichtung entsprechend einer
vierten Ausführungsform.
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Der
Kraftstoffinjektor der 1 weist eine Düsennadel 1,
einen Piezo-Aktor 3, ein Führungsstück 4 und
einen Kopplerkolben 5 als Hauptbestandteile auf. Das Führungsstück 4 kann
dabei einen Teil eines nicht näher dargestellten Injektorkörpers
bilden oder als separates Teil in einem solchen angeordnet sein.
Um den Kraftstoff von einer Druckquelle 31 in einen Druckraum 11 zu
führen, von wo aus der Kraftstoff über Strömungskanäle 18 zu
wenigstens einem Spritzloch 2 geleitet wird, ist in dem
Führungsstück 4 eine Bohrung vorgesehen,
die der Kraftstoffzuführung dient. In der Bohrung wie auch
im Druckraum 11 und den Strömungskanälen 18 liegt
der Systemdruck der Druckquelle 31 an. Im vorliegenden
Beispiel erfolgt die Zuführung des Kraftstoffs vom Druckraum 11 zu
den Führungskanälen 18 über
eine als Drossel 19 ausgebildete Bypassleitung.
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Im
Führungsstück 4, das topfförmig
ausgebildet ist, ist der Kopplerkolben 5 der Kopplereinrichtung
aufgenommen. Ein Kolbenabschnitt 5.1 des Kopplerkolbens
ist durch einen Führungsabschnitt 4.1 des Führungsstücks 4 hindurchgeführt
und am Piezo-Aktor 3 abgestützt. Der den Piezo-Aktor 3 aufnehmende
Raum ist als Niederdruckbereich 8 ausgebildet. Dadurch
kann auch eine Kraftstoffdichteausführung des Piezo-Aktors 3 verzichtet
werden. Das den Niederdruckbereich 8 axial begrenzende
Führungsstück 4 begrenzt gemeinsam mit
dem Kopplerkolben 5 einen weiteren Druckraum, der einen
ersten Kopplerraum 6 bildet, der mit einem zweiten Kopplerraum 7 hydraulisch
verbunden ist. In Schrägstellung der Düsennadel 1 liegt
in beiden Kopplerräumen 6, 7 der Systemdruck
an. Diesseits und jenseits des Führungsabschnitts 4.1 des
Führungsstücks 4 liegt demnach ein unterschiedlicher
Druck an. Um ein Aufweiten der Dichtspalte 9 zwischen Kolbenabschnitt 5.1 und
Führungsabschnitt 4.1 zu vermeiden und Leckageverluste
zu verringern, ist die Dichtspalte 9 über eine
Bohrung 10 an einen unter Systemdruck stehenden Druckraum
angeschlossen. Der Anschluss erfolgt gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel über die Bohrung,
die die Druckquelle 31 mit dem Druckraum 11 verbindet.
Um am Kolbenabschnitt 5.1 einen unter Systemdruck stehenden
Ringraum zu bilden, ist am Kolbenabschnitt 5.1 eine umlaufende
Nut 12 ausgebildet. Die Bohrung 10 und die Nut 12 gewährleisten,
dass im ersten Kopplerraum 6 ein definierter Druck sichergestellt
ist, in dem Leckageverluste verhindert oder zumindest verringert
werden. Leckageverluste können zudem über die
Bohrung 10 und die Nut 12 ausgeglichen werden.
Die hydraulische Verbindung des ersten Kopplerraums 6 mit
dem zweiten Kopplerraum 7 erfolgt über eine Bohrung 13, die
vorliegend als Drossel 14 ausgebildet ist. Eine Volumenvergrößerung
des Kopplerraums 6 bewirkt demnach eine Volumenverkleinerung
des Kopplerraums 7, in dem die Düsennadel 1 in
den Kopplerraum 7 hineingezogen wird. Die Rückstellung
der Düsennadel 1 geht wie derum mit einer Volumenverkleinerung
des Kopplerraumes 6 und einem damit verbundenen Druckanstieg
im Kopplerraum 7 einher. Unterstützt wird die
Rückstellung der Düsennadel 1 durch eine
Druckfeder 15. Die Düsennadel 1 wird
somit in Richtung der Nadelspitze 16 bewegt und das wenigstens
eine Spritzloch 2 durch die Düsennadel 1 verschlossen.
An die Nadelspitze 16 schließt sich ein Führungsabschnitt 17 des
Injektorkörpers an, der der Führung der Düsennadel 1 bei
ihrer axialen Verstellung dient. Eine weitere Führung erfährt
die Düsennadel 1 durch eine Dichthülse 20,
die das der Nadelspitze 16 abgewandte Ende der Düsennadel 1 umgreift.
Ferner bildet die Dichthülse 20 die radiale bzw.
umfangsseitige Begrenzung des zweiten Kopplerraumes 7 aus.
Stirnseitig liegt die Dichthülse 20 am Kopplerkolben 5 an,
wobei die Stirnseite mit einer Beißkante als Dichtkante 21 versehen
ist, um die Dichtheit des Anschlusses und damit einen definierten
Druck im Kopplerraum 7 zu gewährleisten. Die Dichthülse 20 ist
in einem Druckraum 11 angeordnet, in dem der Systemdruck
vorherrscht. Die außenumfangsseitige Beaufschlagung der
Dichthülse 20 mit Systemdruck stellt auch die
Dichtheit der Dichtspalte zwischen der Düsennadel 1 und
dem hier umgreifenden Abschnitt der Dichthülse 20 sicher.
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Bei
einer Bestromung des Piezo-Aktors 3, der hierzu elektrische
Anschlüsse 30 aufweist, dehnt sich dieser gegen
die Kraft einer Feder 33 aus und bewegt dabei den Kopplerkolben 4 in
Richtung der Düsennadelspitze. Dabei vergrößert
sich das Volumen des ersten Kopplerraumes 5, was wiederum
ein Einziehen der Düsennadel 1 in den zweiten
Kopplerraum 7 bewirkt. Die Düsennadel 1 bewegt
sich dabei von der Nadelspitze 16 weg und gibt wenigstens
ein Spritzloch 2 frei. Um den hierzu erforderlichen Öffnungsdruck
gering zu halten, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
in der Düsennadel 1 eine Sacklochbohrung 22 angeordnet,
in der ein Ausgleichskolben 23 geführt ist. Der
Ausgleichskolben 23 begrenzt einen in der Düsennadel 1 ausgebildeten Druckraum 25,
der über eine Bohrung 26 im Ausgleichskolben 23 und
eine Bohrung 27 im Kopplerkolben 5 an den Niederdruckbereich 8 angeschlossen ist.
Dadurch wird die wirksame Steuerfläche einer Düsennadel 1 reduziert,
die von dem im zweiten Kopplerraum 7 vorherrschenden Systemdruck
beaufschlagt wird. Um auch hier eine Aufweitung der Dichtspalte
zwischen Ausgleichskolben 23 und Düsennadel 1 zu
verhindern und einen definierten Druck im zweiten Kopplerraum 7 sicherzustellen,
führt eine radiale Bohrung 28 in der Düsennadel 1 vom
Druckraum 11 zur Dichtspalte, die sich am Ausgleichskolben 23 in
einen Ringraum 29 erweitert. Das im Zusammenhang mit der
Dichtspalte 9 verwendete Prinzip findet demnach auch hier
seinen Einsatz.
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Das
in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der
Erfindung unterscheidet sich von den vorstehend beschriebenen dadurch,
dass die Kraftstoffzuführung aus einer Druckquelle 31 nicht über
eine Bohrung durch das Führungsstück 4 erfolgt,
sondern über einen Druckraum 11, in dem das Führungsstück 4 angeordnet
ist. Die radial äußere Begrenzung erfährt
der Druckraum 11 vorliegend nicht durch den Injektorkörper,
sondern durch einen zusätzlichen Druckkörper 32,
der ringförmig und konzentrisch zum topfförmigen
Führungsstück 4 angeordnet ist. Der Druckraum 11 weist
somit die Form eines Ringraumes auf. Die die Kopplereinrichtung
bildenden Bestandteile, wie Kopplerkolben 5, erster Kopplerraum 6 und
zweiter Kopplerraum 7 sind identisch zur Ausführungsform
der 1 ausgeführt. Eine Aufweitung der Dichtspalte 9 wird
hier durch eine Bohrung 10 und eine Ringnut 12 im
Führungsstück 4 entgegengewirkt, die
direkt an den Druckraum 11 angeschlossen sind. Hierzu ist
die Bohrung 10 radial geführt. Sie kann jedoch
auch wie in 1 dargestellt schrägliegend
angeordnet sein. Die Ausführungsform der 2 unterscheidet
sich von der der 1 weiterhin dadurch, dass die
Drossel 19 über die der Kraftstoff aus dem Druckraum 11 den
Strömungskanälen 18 zugeführt
wird, hier beispielhaft als Ringspaltdrossel ausgebildet. Die Feder 33 zur
Vorspannung des Piezo-Aktors 3 ist gemäß dem
Ausführungsbeispiel der 3 nicht
im Niederdruckbereich 8 angeordnet, sondern im Druckraum 11,
in dem auch das Führungsstück 4, die
Kopplereinrichtung sowie das der Nadelspitze 16 abgewandte
Ende der Düsennadel 1 aufgenommen sind. Die Feder 33 stützt
sich dabei am Boden des Druckraumes 11 und an einer Platte 34 ab,
die an dem Kopplerkolben 5 angesetzt ist. Die Federkraft
der Feder 33 wirkt somit über den Kopplerkolben 5 und
seinem am Piezo-Aktor 3 anliegenden Kolbenabschnitt 5.1 auf
den Piezo-Aktor 3 ein. Hierdurch kann der Niederdruckbereich 8 zur
Aufnahme des Piezo-Aktors 3 kleiner ausgebildet werden,
wodurch sich auch die Baugröße des Kraftstoffinjektors
reduziert.
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Im
Unterschied zu den im Vorfeld beschriebenen Ausführungen
der Erfindung ist bei dem in 4 dargestellten
Kraftstoffinjektor der Piezo-Aktor 3 exzentrisch zu einer
Längsmittelachse 34 der Düsennadel 1 platziert,
um eine kompakte Ausführung des Kraftstoffinjektors in
radialer Richtung trotz einer größeren Materialstärke
im Bereich einer Zuführleitung von der Kraftstoffquelle 31 zum
Druckraum 11 zu ermöglichen. Zu diesem Zweck ist
eine Längsmittelachse 35 des Kolbenabschnitts 5.1,
welche de ckungsgleich mit einer Längsmittelachse des Piezo-Aktors 3 ist,
um den gleichen Betrag wie die Längsmittelachse 34 der
Düsennadel 1 zu einer – hier nicht dargestellten – Längsmittelachse
des Kopplerkolbens 5 versetzt liegend platziert. Aufgrund dieser
Tatsache werden bei einer Betätigung der Düsennadel 1 über
den Piezo-Aktor 3 keine Querkräfte und Momente
in den Kopplerkolben 5 eingeleitet. Des Weiteren verfügt
der Kopplerkolben 5 an seiner, dem Kolbenabschnitt 5.1 abgewandten
Seite über eine Bohrung 36, in welcher die Düsennadel 1 über einen
Führungskolben 37 verschiebbar geführt
ist. Dabei steht die Bohrung 36 über einen Kanal 38 mit dem
Niederdruckbereich 8 in Verbindung, um eine Verschiebung
der Düsennadel 1 und damit des Führungskolbens 37 kraftfrei
erfolgen zu lassen. Durch den Führungskolben 37 wird
die wirksame Fläche des zweiten Kopplerraumes 7 verkleinert,
was zu einer Reduzierung der Öffnungs- bzw. Betätigungskraft der
Düsennadel 1 führt. Zudem ist im Bereich
der Bohrung 36 eine Ringnut 39 vorgesehen, die über eine
Bohrung 40 mit dem Druckraum 11 verbunden ist
und für ein Versorgung des zweiten Kopplerraumes 7 mit
unter Hochdruck stehendem Kraftstoff sorgt, sowie eine Leckage über
die Bohrung 36 durch außenseitige Druckbeaufschlagung
vermindert.
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Allen
Ausführungsformen gemein ist, dass die Anordnung des Piezo-Aktors
außerhalb des kraftstoffführenden Hochdruckbereiches
erfolgt. Dieser kann dementsprechend einfach ausgebildet sein. Ferner
werden Leckageverluste aufgrund der in den verschiedenen Druckräumen
vorhandenen Druckunterschiede dadurch verhindert oder zumindest
reduziert, dass den Dichtspalten, die die Druckräume verbinden,
an den Systemdruck angeschlossen werden. Alternativ oder ergänzend
hierzu kann eine Aufweitung der jeweiligen Dichtspalten dadurch
entgegengewirkt werden, dass das Führungsstück,
in dem die Dichtspalten ausgebildet sind, außenseitig von
dem Systemdruck beaufschlagt wird. Hierzu ist das Führungsstück
in einem Druckraum anzuordnen, in dem der Systemdruck vorherrscht.
Es versteht sich, dass die jeweils in Verbindung mit den dargestellten
Ausführungsformen näher beschriebenen Merkmale
untereinander kombinierbar sind, so dass die Erfindung nicht auf
die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004005452
A1 [0003]
- - DE 102004017303 A1 [0003]
- - DE 102007006941 [0004]