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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Injektor, insbesondere Common-Rail-Injektor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Injektor ist bereits allgemein bekannt und weist eine Düsennadel auf, die mittels einer Magnetankeranordnung entgegen der Schließkraft einer üblicherweise als Druckfeder ausgebildeten Schließfeder von ihrem Sitz an einem Gehäuse des Injektors anhebbar ist. Hierbei gibt die Düsennadel beim Anheben von ihrem Sitz wenigstens einen Durchlass bzw. eine Öffnung eines unter Hochdruck stehenden Speicherraums für Kraftstoff frei, so dass der Kraftstoff durch den wenigstens einen Durchlass bzw. die eine Öffnung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Beim Schließen der Düsennadel wird diese durch die mit ihr in Wirkverbindung angeordnete Schließfeder mit relativ hoher Geschwindigkeit bzw. mit relativ hohem Impuls in ihren Sitz im Gehäuse gedrückt. Dabei kommt es zu einer weitgehend elastischen Kompression des Materials der Düsennadel sowie des Gehäuses im Bereich des Sitzes. Infolge der elastischen Kompression wird dabei auch eine Rückstoßkraft auf die Düsennadel erzeugt, die wiederum entgegen der Kraft der Schließfeder wirkt, so dass es zu einem (kurzzeitigen) Anheben der Düsennadel von ihrem Sitz kommt. Dieses Verhalten wird auch als „Prellen” der Düsennadel bezeichnet. Dieses Prellen führt zu Leistungsverlusten, da es stets wünschenswert ist, die Düsennadel möglichst schnell, definiert und ohne nachfolgendes Wiederanheben gegen ihren Sitz zu drücken, damit kein weiterer Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Injektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass das Prellen der Düsennadel des Injektors vermieden oder zumindest weitgehend reduziert wird. Diese Aufgabe wird bei einem Injektor, insbesondere Common-Rail-Injektor, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, in der Düsennadel einen Hohlraum auszubilden, in dem ein Füllmedium angeordnet ist, dessen Volumen geringer ist als das Volumen des Hohlraumes. Dadurch wird es ermöglicht, dass das Füllmedium in einem Zeitpunkt, in dem die Düsennadel nach dem Auftreffen auf ihren Sitz aufgrund der elastischen Verformung wieder sich vom Sitz anheben will, eine zusätzliche Schließkraft auf die Düsennadel in Richtung auf ihren Sitz ausübt, so dass das Prellen zumindest weitestgehend verhindert wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Injektors sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Eine besonders einfache und wirtschaftliche Fertigung des Injektors bzw. des Hohlraums wird ermöglicht, wenn der Hohlraum als Bohrung, insbesondere als Sacklochbohrung ausgebildet ist und, wenn die Bohrung von einem Dichtelement verschlossen ist. Insbesondere bei der Ausbildung als Sacklochbohrung bildet der Grund der Bohrung ein entsprechendes Widerlager für das auf ihn auftreffende Füllmedium. Weiterhin wird das Befüllen und Verschließendes Hohlraumes vereinfacht, indem ein separates Dichtelement vorgesehen ist.
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Vorteilhafterweise ist es dabei vorgesehen, dass das Dichtelement die Bohrung druckfest, insbesondere gegen das Eindringen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff, verschließt. Dies ist insofern wesentlich, als dass in den Hohlraum kein Medium, insbesondere kein Kraftstoff dringen darf, welcher ansonsten die Bewegung des Füllmediums bei seiner Verzögerungs- bzw. Beschleunigungsphase behindern würde.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Füllmedium im Hohlraum in axialer Richtung der Düsennadel zumindest weitgehend freibeweglich angeordnet ist. Dadurch wird die benötigte Wegstrecke für die Beschleunigung des Füllmediums bzw. für die Verzögerung des Füllmediums erzeugt, die den gewünschten Kraftimpuls auf die Düsennadel ermöglicht.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn das Füllmedium als rieselfähiges Füllmedium, insbesondere in Form von Metallkügelchen oder Sand, ausgebildet ist. Ein derartiges, rieselfähiges Füllmedium lässt sich relativ einfach handhaben bzw. sehr genau dosieren, so dass die Fertigung des erfindungsgemäßen Injektors mit relativ geringen Fertigungs- bzw. Handhabungskosten ermöglicht wird.
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Die Wirkung des Füllmediums auf die Düsennadel lässt sich beeinflussen, wenn der Grund der Bohrung auf der der wenigstens einen Öffnung zugewandten Seite abgerundet ausgebildet ist oder eine konkave Form aufweist.
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Zusätzlich oder alternativ hierzu ist es auch denkbar, dass die Bohrung konisch ausgebildet ist, wobei der Durchmesser in Richtung auf die wenigstens eine Öffnung Seite abnimmt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in:
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1 einen erfindungsgemäßen Injektor im Bereich seiner Düsennadel in stark vereinfachter Darstellung im Längsschnitt und
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2 bis 5 den Bereich der Düsennadel des Injektors gemäß 1 während verschiedener Phasen bei der Bewegung der Düsennadel beim Schließvorgang in derselben, ebenfalls in Längsschnitten.
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In den Figuren ist ein Injektor 10 dargestellt, wie er insbesondere in sogenannten Common-Rail-Systemen zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine dient. Hierzu weist der Injektor 10 ein lediglich ausschnittsweise dargestelltes Gehäuse 11 auf, an dessen dem Brennraum zugewandten Seite beispielhaft zwei Durchgangsöffnungen 12 ausgebildet sind, die von der Spitze 14 einer Düsennadel 15 verschließbar sind.
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Hierbei bildet die Spitze 14 zusammen mit dem entsprechenden Bereich des Gehäuses 11 einen Dichtsitz 16 aus, der beim Aufsitzen der Spitze 14 der Düsennadel 15 die beiden Durchgangsöffnungen 12 dicht verschließt. Die Durchgangsöffnungen 12 haben, bei angehobener Düsennadel 15, Verbindung mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff. Die Düsennadel 15 ist entgegen der Federkraft einer als Druckfeder ausgebildeten Schließfeder 18 in Richtung des Doppelpfeils 19 auf- und abbeweglich angeordnet, wobei sich die Schließfeder 18 einerseits an einer Schulter 20 der Düsennadel 15, und andererseits an einer nicht dargestellten Schulter o. ä. im Gehäuse 11 abstützt.
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Die Düsennadel 15 ist mittels einer im Einzelnen nicht näher beschriebenen, und daher nur blockschaltbildlich dargestellten Magnetankeranordnung 22 von ihrem Dichtsitz 16 anhebbar, so dass bei einer Bestromung der Spule der Magnetankeranordnung 22 die Spitze 14 der Düsennadel 15 von ihrem Dichtsitz 16 abhebt. In üblicher Weise kann hierbei die Magnetankeranordnung 22 auch der Steuerung einer Koppeleinrichtung 23 dienen, die die Öffnungskraft der Magnetankeranordnung 22 verstärkt, so dass die Magnetankeranordnung 22 lediglich mittelbar mit der Düsennadel 15 gekoppelt ist.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Düsennadel 15 einen im Ausführungsbeispiel konzentrisch zur Längsachse 24 der Düsennadel 15 angeordneten, zylindrischen Hohlraum 25 aufweist. Der Hohlraum 25 wird gebildet durch eine Sacklochbohrung 26, deren Grund 27 auf der der Spitze 14 bzw. den Durchgangsöffnungen 12 zugewandten Seite des Injektors 10 angeordnet ist. Der Hohlraum 25 wird mittels eines Dichtelements 28 verschlossen, das den Hohlraum 25 druckdicht verschließt und hierbei insbesondere das Eindringen von unter Druck, insbesondere unter Hochdruck, stehendem Kraftstoff in den Hohlraum 25 verhindert.
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Wesentlich ist, dass innerhalb des Hohlraumes 25 ein Füllmedium 30 angeordnet ist. Das Füllmedium 30 ist hierbei als loses Füllmedium 30, insbesondere mit einer relativ hohen Dichte, ausgebildet. Bevorzugt handelt es sich um rieselfähiges Füllgut, z. B. in Form von kleinen Metallkügelchen oder in Form von Sand. Erfindungswesentlich ist weiterhin, dass das Volumen des in dem Hohlraum 25 befindlichen Füllmediums 30 kleiner ist als das Volumen des Hohlraums 25. Somit weist der Hohlraum 25 neben dem Füllmedium 30 auch stets ein Totvolumen 31 auf, das füllmedienfrei ist. Wesentlich ist weiterhin, dass sich das Füllmedium 30 in Axialrichtung, d. h. in Richtung der Längsachse 24 des Injektors 10 bzw. der Düsennadel 15, zumindest weitgehend frei bewegen kann.
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In den 2 bis 4 sind die Düsennadel 15 und das Füllmedium 30 während der Schließbewegung der Düsennadel 15 zum Verschließen der Durchgangsöffnungen 12 dargestellt. Hierbei ist in der 2 der Zustand dargestellt, bei der sich die Düsennadel 15 gerade noch in ihrer vollständig angehobenen Position (vom nicht dargestellten Dichtsitz 16) befindet, d. h. in einer Position, bei der die Durchgangsöffnungen 12 geöffnet sind. Die Bestromung der Magnetankeranordnung 22 hat gerade geendet, so dass das Füllmedium 30 noch am Grund 27 des Hohlraumes 25 anliegt, d. h., dass das Totvolumen 31 sich auf der der Spitze 14 gegenüberliegenden Seite der Düsennadel 15 befindet.
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Bei dem in der 3 dargestellten Zustand befindet sich die Düsennadel 15 gerade in ihrer Beschleunigungsphase in Richtung des Dichtsitzes 16 infolge der Druckkraft der Schließfeder 18. Hierbei ist wesentlich, dass das Füllmedium 30 aufgrund seiner Trägheit und seiner Entkopplung von der Düsennadel 15 sich noch nahezu in seiner ursprünglichen Lage befindet, d. h., dass das Totvolumen 31 nunmehr auf der der Spitze 14 zugewandten Seite der Düsenadel 15 ausgebildet ist. Hierbei hat sich das Füllmedium 30 infolge seiner Rieselfähigkeit gelockert, so dass zwischen den einzelnen Bestandteilen des Füllmediums 30 Zwischenräume vorhanden sind, was in der 3 den Eindruck erweckt, als ob das Totvolumen 31 geringer ist als das Totvolumen 31 der 2.
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In der 4 ist der Zustand dargestellt, bei der die Düsennadel 15 mit ihrer Spitze 14 bereits auf dem Dichtsitz 16 aufgetroffen ist, und infolge ihrer elastischen Deformation wieder von dem Dichtsitz 16 abheben will. Wiederum aufgrund der Trägheit des Füllmediums 30 trifft dieses nun in relativ lockerem Zustand auf den Grund 27 des Hohlraumes 25 auf und erzeugt dort eine zusätzliche Schließkraft in Richtung des Dichtsitzes 16, die der Öffnungsbewegung der Düsennadel 15 entgegenwirkt. In der 5 ist der Zustand dargestellt, bei der das Füllmedium 30 sich verdichtet hat und sein minimales Volumen eingenommen hat.
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Wesentlich für die Auslegung des Hohlraumes 25 und des Füllmediums 30 ist, dass der Hohlraum 25 so dimensioniert ist, dass sich der Zeitraum der Verdichtung des Füllmediums 30 und der Periode des Wiederanhebens der Düsennadel 15 von ihrem Dichtsitz 16 überschneiden oder exakt aneinandergrenzen. Für den Fall, dass das Füllmedium 30 während der Axialbewegung in Richtung auf den Dichtsitz 16 bereits zu dicht gepackt ist, kann der Verdichtungseffekt durch ein Abrunden des Bodens bzw. des Grunds 27 des Hohlraums 25, oder durch Ausbildung einer konischen Sacklochbohrung 26 verstärkt werden.
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Der soweit beschriebene Injektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere ist der Ort der Ausbildung des Hohlraums 25 im Bereich der Düsennadel 15 an beliebigem Ort möglich bzw. denkbar. Auch ist es selbstverständlich nicht erforderlich, den Injektor 10 mit einer Kopplereinrichtung 23 auszustatten. Wesentlich ist nur, dass ein Bereich der Düsennadel 15, welcher unmittelbar mit der Düsennadel 15 verbunden ist, mit einem Füllmedium 30 versehen wird, welches in Axialrichtung kinematisch von der Düsennadel 15 entkoppelt ist und beim Verschließen der Düsennadel 15, insbesondere beim elastischen Zurückprallen der Düsennadel 15, eine zusätzliche Schließkraft auf die Düsennadel 15 in Richtung ihres Dichtsitzes 16 erzeugt.
