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Stand der Technik
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Kraftstoffinjektoren,
die einen Druckverstärkerkolben haben, um den Druck des
Kraftstoffs vor dem Einspritzen über den Systemdruck des
Kraftstoffsystems hinaus zu verstärken, sind z. B. aus
DE 10 2004 053 421
A1 und
DE
10 2007 002 760 A1 bekannt.
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In
solchen Kraftstoffinjektoren tritt über die Länge
des Druckverstärkerkolbens ein stark variierender Druckverlauf
mit an beiden Enden des Kolbens entgegengesetzt angreifenden Kräften
auf, die bestrebt sind, den Kolben zu verkippen. Ein Verkippen erhöht
den Verschleiß und die Gefahr, dass der Kolben in der ihn
umgebenden Bohrung verkantet. Um den Verschleiß zu verringern,
wird der Umfang des Kolbens häufig mit einer Reibung verringernden Beschichtung
versehen. Das Aufbringen einer solche Beschichtung verursacht zusätzliche
Kosten und einen erhöhten Fertigungsaufwand.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten
Druck verstärkenden Kraftstoffinjektor bereit zu stellen,
der wenig verschleißt und kostengünstig herstellbar
ist.
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Die
Aufgabe wird von einem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor
gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche
beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors nach dem unabhängigen Patentanspruch
1.
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Ein
erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor weist einen
Niederdruckkolben und einen Hochdruckkolben auf, wobei der Hochdruckkolben
einen kleineren Durchmesser als der Niederdruckkolben hat. Indem
Niederdruckkolben ist eine parallel zur Längsrichtung des
Niederdruckkolbens verlaufende Bohrung ausgebildet und ein Bereich
des Hochdruckkolbens ist in der Bohrung angeordnet.
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Der
erfindungsgemäße Aufbau eines Druckverstärkerkolbens
aus einem Hochdruckkolben und einem Niederdruckkolben vermeidet,
dass hydraulische Kräfte, die auf den Druckverstärkerkolben
wirken, den Druckverstärkerkolben in einer ihn umgebenden
Bohrung verkanten. Ein Festfressen des Druckverstärkerkolbens
wird so zuverlässig verhindert und der Verschleiß der
Druckverstärkerkolben wird reduziert.
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Ein
Koaxialhonen und/oder eine spezielle, Reibung reduzierende Beschichtung
des Druckverstärkerkolben sind nicht erforderlich. Die
Anforderungen an die Koaxialität des Kolbens mit der umgebenden
Bohrung, den Rundlauf und die Parallelität werden vermindert.
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In
einer Ausführungsform sind der Hochdruck- und der Niederdruckkolben
koaxial zueinander angeordnet. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau
und die Verwendung eines erfindungsgemäßen zweiteiligen
Druckverstärkerkolbens in einem herkömmlichen
Kraftstoffinjektor.
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In
einer Ausführungsform sind der Hochdruckkolben und der
Niederdruckkolben durch eine Kopplung verbunden, wobei die Kopplung
zur Übertragung von Kräften, die in axialer Richtung,
d. h. parallel zur Längsrichtung des Kolbens, ausgerichtet sind,
zwischen den Kolben ausgebildet ist. In einer Ausführungsform
ist die Kopplung als Absatz auf dem Umfang des Hochdruckkolbens
ausgebildet und der Niederdruckkolben liegt an dem Absatz an. Alternativ
ist im Umfang des Hochdruckkolbens eine Vertiefung ausgebildet,
in der ein Kopplungselement, das z. B. als um den Hochdruckkolben
umlaufender Ring ausgebildet ist, angebracht ist.
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In
einer Ausführungsform ist die Kopplung als hydraulischen
Dichtung ausgebildet, die durch die großen auf die Kolben
wirkenden Axialkräfte abgedichtet wird. Eine hydraulischen
Dichtung ermöglicht eine hydraulische Trennung zwischen
dem Hochdruckbereich und dem Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors.
In einer Ausführungsform ist zusätzlich ein O-Ring
zwischen dem Hochdruckkolben und den Niederdruckkolben angeordnet,
um die Dichtwirkung zu verbessern.
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In
einer Ausführungsform ist wenigstens einer der Kolben im
wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist. Dies ermöglicht
eine einfache Herstellung des Kolbens und die Verwendung eines erfindungsgemäßen
zweiteiligen Druckverstärkerkolbens in einem herkömmlichen
Kraftstoffinjektor.
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In
einer Ausführungsform ist ein Bereich des Hochdruckkolbens
mit radialem Spiel in der Bohrung des Niederdruckkolbens angeordnet.
Durch das radiale Spiel sind die Kolben mechanisch voneinander getrennt
und in radialer Richtung wirkende hydraulische Querkräfte
werden signifikant verringert.
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Das
Spiel zwischen dem Hochdruckkolben und dem Niederdruckkolben sollte
zwischen 10 und 20 μm, vorzugsweise 15 μm betragen.
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In
einer Ausführungsform werden der Hochdruckkolben und der
Niederdruckkolben auf ein Festmaß plus Toleranz gefertigt.
Danach werden die jeweiligen Bohrungen für den Hochdruckkolben
und für den Niederdruckkolben so gefertigt, das das gewünschte
Spiel entsteht; d. h. Hochdruckkolben und Niederdruckkolben werden
gepaart. So kann das gewünschte Spiel am Hochdruckkolben
und am Niederdruckkolben optimal eingestellt werden.
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In
einer Ausführungsform ist in dem Hochdruckkolben ein axialer
Kanal zur Kraftstoffzufuhr ausgebildet. Dadurch kann der Hochdruckbereich des
Kraftstoffinjektors besonders einfach und effektiv mit Kraftstoff
versorgt werden.
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In
einer Ausführungsform ist in dem Kanal ein Rückschlagventil
ausgebildet. Ein solches Rückschlagventil verhindert zuverlässig
ein Zurückströmen von Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich
in den Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Figuren näher
erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine
Schnittdarstellung eines Ausschnitts aus einem erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektor, und
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2 eine
perspektivische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors.
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1 zeigt
einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 2 in
einer Schnittdarstellung.
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Der
Kraftstoffinjektor 2 weist einen ersten Injektorkörper 32 und
einen zweiten Injektorkörper 34 auf, die durch
eine Spannmutter 36 hydraulisch dicht verspannt sind.
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In
dem ersten Injektorkörper 32 sind ein Differendruckraum 14 und
ein Kompressionsraum 24 ausgebildet, die sich koaxial in
Längsrichtung des Kraftstoffinjektors 2 erstrecken.
Der Kompressionsraum 24 hat einen kleineren Querschnitt
als der Differenzdruckraum 14 und ist mit einem Ablauf 26 versehen,
der den Kompressionsraum 24 hydraulisch mit einem in der 1 nicht
gezeigten Düsennadelsteuerraum verbindet.
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In
dem zweiten Injektorkörper 34 ist ein Arbeitsraum 12 ausgebildet,
der den gleichen Querschnitt wie der Differenzdruckraum 14 hat
und koaxial zu dem Differenzdruckraum 14 angeordnet ist, wenn
der erste Injektorkörper 32 mit dem zweiten Injektorkörper 34 verspannt
ist. Der Arbeitsraum 12 ist durch eine in dem zweiten Injektorkörper 34 ausgebildete
Kraftstoffzufuhr 10 mit Kraftstoff aus einer externen Kraftstoffquelle
befüllbar.
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Auf
der von dem ersten Injektorkörper 32 abgewandten
Seite des zweiten Injektorkörpers 34 befindet
sich ein Steuerventil 28. Das Steuerventil 28 ist über
eine Arbeitsraumleitung 30 und eine Differenzdruckraumleitung 16 jeweils
hydraulisch mit dem Arbeitsraum 12 und dem Differenzdruckraum 14 verbunden.
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Ein
Hochdruckkolben 6 erstreckt sich parallel zur Längsrichtung
des Kraftstoffinjektors 2 durch den Arbeitsraum 12,
den Differenzdruckraum 14 und den Kompressionsraum 24.
In dem Hochdruckkolben 6 ist ein axial in Längsrichtung
des Hochdruckkolbens 6 verlaufender Kraftstoffkanal 20 ausgebildet,
der über radiale Öffnungen 40 hydraulisch
mit dem Arbeitsraum 12 verbunden ist.
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Der
Querschnitt des Hochdruckkolbens 6 ist so gewählt,
dass der Hochdruckkolben 6 in den Kompressionsraum 24 eingepasst
ist und diesen hydraulisch dicht verschließt. Der Hochdruckkolben 6 hat
einen kleinere Querschnitt als der Arbeitsraum 12 und als
der Differenzdruckraum 14 und ist im Bereich des Arbeitsraums 12 von
einer Kolbenfeder 18 umgeben, die den Hochdruckkolben 6 elastisch
an dem ersten Injektorkörper 32 abstützt.
Zwischen dem ersten Injektorkörper 32 und der
Kolbenfeder 18 ist eine Unterlegscheibe 38 vorgesehen.
Durch die Wahl der Dicke der Unterlegscheibe 38 ist die
Kraft, welche die Kolbenfeder 18 auf den Hochdruckkolben 6 ausübt, einstellbar.
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An
dem in der 1 rechts dargestellten Ende
des Kraftstoffkanals 20, das dem Kompressionsraum 24 zugewandt
ist, ist in dem Hochdruckkolben 6 ein Rückschlagventil 22 ausgebildet.
Das Rückschlagventil 22 ermöglicht den
Fluss von Kraftstoff aus dem Kraftstoffkanal 20 in den
Kompressionsraum 24 und verhindert den Rückfluss
von Kraftstoff aus dem Kompressionsraum 24 in den Kraftstoffkanal 20.
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In
einem an den Arbeitsraum 12 angrenzenden Bereich des Differenzdruckraums 14 ist
der Hochdruckkolben 6 von einem Niederdruckolben 4 umgeben.
Der Niederdruckkolben 4 stützt sich an einer Kopplung 8,
die am Umfang des Hochdruckkolbens 6 ausgebildet ist, ab.
Die Kopplung 8 ist so ausgebildet, dass eine in Richtung
auf den Differenzdruckraum 14 ausgerichtete auf den Niederdruckkolben 4 wirkende
axiale Kraft auf den Hochdruckkolben 6 übertragbar
ist. Der Hochdruckkolben 6 ist durch Bewegen des Niederdruckkolben 4 in
Richtung auf den Differenzdruckraum 14 bewegbar.
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Die
Kopplung 8 ist als hydraulische Dichtung ausgebildet, die
den Differenzdruckraum 14 gegenüber dem Arbeitsraum 12 hydraulisch
abdichtet, so dass ein Druckunterschied zwischen dem Differenzdruckraum 14 und
dem Arbeitsraum 12 aufgebaut und aufrecht erhalten werden
kann.
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Der
Differenzdruckraum 14 wird auf der dem Arbeitsraum 12 zugewandten
Seite von einer ersten ringförmigen Druckfläche 42 des
Niederdruckkolbens 4 begrenzt. Das Volumen des Differenzdruckraums 14 ist
durch Bewegen des Niederdruckkolbens 16 in Längsrichtung
des Kraftstoffinjektors 2 variierbar.
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In
einer ersten Schaltstellung des Steuerventils 28 ist der
Arbeitsraum 12 über die Arbeitsraumleitung 30 und
die Differenzdruckraumleitung 16 hydraulisch mit dem Differenzdruckraum 14 verbunden.
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In
einer zweiten Schaltstellung des Steuerventils 28 ist der
Differenzdruckraum 14 über die Differenzdruckraumleitung 16 mit
einem Kraftstoffrücklauf 29 verbunden.
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Der
Kompressionsraum 24 wird auf der dem Differenzdruckraum 14 zugewandten
Seite durch eine Stirnfläche 61 des Hochdruckkolbens 6 begrenzt,
so dass das Volumen des Kompressionsraums 24 durch Bewegen
des Hochdruckkolbens 6 variierbar ist. Über den
in dem Hochdruckkolben 6 ausgebildeten Kraftstoffkanal 20 und
das Rückschlagventil 22 ist der Kompressionsraum 23 aus dem
Arbeitsraum 12 mit Kraftstoff befüllbar. Um zu vermeiden,
dass Kraftstoff aus dem Kompressionsraum 24 über
den Kraftstoffkanal 20 zurück in den Arbeitsraum 12 strömt,
ist der Kraftstoffkanal 20 durch das Rückschlagventil 24 in
dieser Strömungsrichtung gesperrt.
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Aus
dem Kompressionsraum 24 gelangt Kraftstoff über
einen Ablauf 26 in einen nicht gezeigten Düsenraum
und einen ebenfalls nicht gezeigten Düsennadelsteuerraum.
Die, nicht gezeigte, Düsennadel des Kraftstoffinjektors 2 ist
durch eine Veränderung des Drucks im Düsennadelsteuerraum
zwischen einer geschlossenen Position, in der kein Kraftstoff aus
dem Kraftstoffinjektor 2 in einen umgebenden Brennraum
eingespritzt wird, und einer geöffneten Einspritzposition
bewegbar.
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Um
den Einspritzvorgang zu starten, wird das Steuerventil 28 so
geschaltet, dass die Verbindung vom Differenzdruckraum 14 über
die Differenzdruckraumleitung 16 in den Kraftstoffrücklauf 29 freigegeben
wird und der Druck im Differenzdruckraum 14 abnimmt. Im
Arbeitsraum 12 herrscht weiterhin der von der Kraftstoffzufuhr
vorgegebene Systemdruck, so dass die dort vorherrschende Druckkraft, die
auf eine zweite, dem Arbeitsraum 12 zugewandte Druckfläche 41 des
Niederdruckkolbens 4 wirkt, größer als
die Summe der Kräfte ist, die auf die erste, dem Differenzdruckraum 14 zugewandte
Druckfläche 42 des Niederdruckkolbens 4 und
die Stirnfläche 61 des Hochdruckkolbens 6 wirken.
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Der
Niederdruckkolben 4 wird von der resultierenden Kraft in
den Kompressionsraum 19 hinein verschoben. Über
die Kopplung 8 drückt der Niederdruckkolben 4 den
Hochdruckkolben 6 in den Kompressionsraum 24.
Das Volumen des Kompressionsraum 24 wird verringert und
der im Kompressionsraum 24 vorhandene Kraftstoff wird komprimiert,
so dass der Druck im Kompressionsraum 24 über
den Systemdruck hinaus auf den gewünschten Einspritzdruck
verstärkt wird. Der so komprimierte und unter hohem Druck
stehende Kraftstoff strömt aus dem Kompressionsraum 24 durch
den Ablauf 26 in den nicht gezeigten Düsenraum.
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Damit
sich die Düsennadel aus ihrem Ventilsitz hebt und die nicht
gezeigte(n) Einspritzöffnung(en) freigibt, wird ein zweites,
nicht gezeigtes, Steuerventil so angesteuert, dass der Druck im
Düsennadelsteuerraum abnimmt. Der auf die Düsenadel
wirkende Druck im Düsenraum übersteigt dann den
Schließdruck im Düsennadelsteuerraum. Die Düsennadel
hebt vom Ventilsitz ab und Kraftstoff wird mit dem durch den Hochdruckkolben 6 über
den Systemdruck hinaus verstärkten Einspritzdruck in den Brennraum
der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt.
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Zum
Beenden des Einspritzvorganges wird das zweite Steuerventil so geschaltet,
dass der Druck im Düsennadelsteuerraum auf den Einspritzdruck ansteigt
und die Düsennadel zurück in den Ventilsitz gedrückt
wird, in dem sie die Einspritzöffnung(en) verschließt.
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Im
nächsten Schritt wird das Steuerventil 28 so geschaltet,
dass es die Verbindung vom Arbeitsraum 12 über
die Arbeitsraumleitung 30 und die Differenzdruckraumleitung 16 in
den Differenzdruckraum 14 freigibt. Unter Systemdruck stehender
Kraftstoff strömt aus dem Arbeitsraum 12 in den
Differenzdruckraum 14. Im Differenzdruckraum 14 baut
sich wieder Systemdruck auf und drückt den Niederdruckkolben 4 zurück
in seine Ausgangsposition.
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Unterstützt
von der Kolbenfeder 18 bewegt sich auch der Hochdruckkolben 4 aus
dem Kompressionsraum 24 in Richtung auf den Arbeitsraum 12. Das
Volumen des Kompressionsraums 24 vergrößert sich
und der Druck im Kompressionsraum 24 nimmt ab. Sobald der
Druck im Kompressionsraum 24 unter den Systemdruck gefallen
ist, öffnet sich das Rückschlagventil 22 und
Kraftstoff strömt aus dem Arbeitsraum 12 durch
den Kraftstoffkanal 20 in den Kompressionsraum 24.
Sobald der Hochdruckkolben 4 seine Ausgangsposition erreicht
hat, in der das Volumen im Kompressionsraum 24 das Maximum
erreicht hat, kann ein weiterer Einspritzvorgang gestartet werden.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts aus einem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 2.
In der 2 ist nur der erste Injektorkörper 32 mit
dem darin angeordneten zweiteiligen Druckverstärkerkolben 4, 6 gezeigt.
Der zweite Injektorkörper 34, die Spannmutter 36,
die Kolbenfeder 18 und das Steuerventil 28 sind
aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht
gezeigt.
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Die
in 2 gezeigten Bauelemente sind mit den gleichen
Bezugszeichen wie in der 1 bezeichnet. Der einfache Aufbau
eines erfindungsgemäßen Druckverstärkerkolbens 4, 6 ist
in der 2 besonders gut erkennbar. Die Differenzdruckraumleitung 19 ist
in dem in der 2 nicht gezeigten Teil des ersten
Injektorkörpers 32 ausgebildet und daher in der 2 nicht
sichtbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004053421
A1 [0001]
- - DE 102007002760 A1 [0001]