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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist aus der
DE 10 2007 034 194 A1 bekannt. Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor ist ein Piezoaktuator vorgesehen, der in einem Hochdruckbereich des Injektorgehäuses angeordnet ist. Der Piezoaktuator wirkt über einen Übersetzerkolben mit einem Steuerkolben zusammen, der mit einer Düsennadel gekoppelt ist. Ein derartiger, direkt gesteuerter Kraftstoffinjektor hat hinsichtlich seiner Betriebseigenschaften Vorteile, so dass es möglich ist, bei entsprechender Ansteuerstrategie den Kraftstoffverbrauch merklich zu senken. Durch die Anordnung im Hochdruckbereich bedarf es jedoch besonderer, den Aufwand für den Piezoaktuator erhöhender Maßnahmen, damit dieser über die Betriebszeit des Kraftstoffinjektors betrachtet stets zuverlässig arbeitet.
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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 Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass dessen Aufwand hinsichtlich der Ausbildung des Piezoaktuators verringert wird, wobei gleichzeitig die positiven Eigenschaften eines direkt gesteuerten Kraftstoffinjektors mit Piezoaktuator zumindest weitgehend beibehalten werden sollen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, den Piezoaktuator in einem Niederdruckbereich des Injektorgehäuses anzuordnen und die Düsennadel gleichzeitig als druckausgeglichene Düsennadel auszubilden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 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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Zur Realisierung der druckausgeglichenen Düsennadel wird in einer konstruktiv bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Düsennadel in einem Abdichtkörper geführt ist, dass die Düsennadel mit ihrem Steuerkolben in den Niederdruckbereich des Injektorgehäuses hineinragt und dass der Abdichtkörper den Niederdruckbereich zu einem Hochdruckbereich des Injektorgehäuses abdichtet.
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Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Düsennadel auf der der wenigstens einen Spritzöffnung abgewandten Seite mit ihrem Steuerkolben in einem Druckausgleichsraum des Kopplerkolbens angeordnet ist, dass der Druckausgleichsraum über einen Kanal Verbindung mit dem Niederdruckbereich hat und dass der Führungsdurchmesser der Düsennadel im Abdichtkörper dem Sitzdurchmesser der Düsennadel in der Schließstellung der Düsennadel entspricht.
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Um ein Aktuatormodul verwenden zu können, das lediglich als einteiliges Aktuatormodul ausgebildet ist, wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Düsennadel mittels einer Druckfeder in ihrer Schließposition kraftbeaufschlagt ist und dass der Piezoaktuator als ein sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung verlängernder Piezoaktuator ausgebildet ist.
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Um eine einfache Herstellung bzw. Montage des Abdichtelements zu ermöglichen ist es weiterhin vorgesehen, dass das Abdichtelement im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet ist und aus wenigstens zwei, in radialer Richtung zusammenfügbaren Teilelementen besteht.
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Um dabei die Dichtwirkung des Abdichtelements zu erhöhen bzw. sicherzustellen, ist es weiterhin vorgesehen, dass die beiden Teilelemente mittels eines Spannelements umfangsseitig umfasst sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen vereinfachten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor,
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2 einen Teilbereich des Kraftstoffinjektors gemäß 1 im Bereich eines Abdichtelements,
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3 und 4 verschiedene Methoden zur Herstellung eines Abdichtelements, jeweils in schematischer Darstellung und
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5 die in dem Kraftstoffinjektor gemäß 1 verwendete Düsennadel in einer Einzeldarstellung.
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Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Der in der 1 dargestellte Kraftstoffinjektor 10 dient insbesondere zum Dosieren bzw. Abgeben von Kraftstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug. Insbesondere ist der Kraftstoffinjektor 10 dabei Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Systems.
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Der Kraftstoffinjektor 10 weist ein mehrteilig ausgebildetes Injektorgehäuse 12 auf. Dieses besteht aus einem Düsenkörper 13, einer Zwischenplatte 14 und einem Haltekörper 15. In dem Düsenkörper 13 ist eine Ausnehmung 16 ausgebildet, in der eine Düsennadel 18 in Richtung des Doppelpfeils 19 auf- und abbeweglich angeordnet ist. Die Ausnehmung 16 bildet einen Hochdruckraum 20 des Kraftstoffinjektors 10 aus, der über eine Hochdruckbohrung 21 Verbindung mit einem Druckspeicher 22, dem sogenannten Rail, hat. Die Düsennadel 18 dient zum Öffnen bzw. Verschließen von im Injektorgehäuse 12 ausgebildeten Durchgangsöffnungen 23, die in Wirkverbindung mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Hierbei wird innerhalb des Hochdruckraums 20 ein Sitzraum 24 gebildet, der über eine Zulaufdrossel 25 Verbindung mit dem Hochdruckraum 20 hat.
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Die Düsennadel 18 weist auf der den Durchgangsöffnungen 23 zugewandten Seite eine Sitzkante 26 auf, die in der Schließstellung der Düsennadel 18 zusammen mit dem Injektorgehäuse 12 einen Dichtsitz 27 ausbildet (2).
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Wie insbesondere anhand der 5 erkennbar ist, weist die Düsennadel 18 zwei im Wesentlichen zylindrisch geformte Bereiche 29, 30 auf, die durch einen im Querschnitt reduzierten Führungsbereich 31 miteinander verbunden sind. Ferner weist der eine Bereich 29 einen umlaufenden Bund 32 auf. Der Bund 32 dient zur Abstützung einer Schließfeder 33, die sich zwischen dem Bund 32 und der zugewandten Stirnfläche eines Abdicht- und Führungskörpers 35 abstützt. Wesentlich ist, dass der Durchmesser d des Führungsbereichs 31 zumindest annähernd dem Durchmesser D der Düsennadel 18 im Bereich des Dichtsitzes 27 entspricht, so dass die Düsennadel 18 als druckausgeglichene Düsennadel 18 ausgebildet ist.
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Der Abdicht- und Führungskörper 35 ist im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet und weist einen im Durchmesser größeren Abschnitt 36 und einen im Durchmesser kleineren Abschnitt 37 auf. Während der Abschnitt 36 sich im Bereich der Ausnehmung 16 des Düsenkörpers 13 befindet, ragt der Abschnitt 37 in eine Durchgangsbohrung 38 der Zwischenplatte 14 hinein. Der Abdicht- und Führungskörper 35 weist eine Führungsbohrung 41 auf, die mit dem Führungsbereich 31 der Düsennadel 18 zusammenwirkt. Im Bereich der Führungsbohrung 41 ist eine radial umlaufende Ringnut 42 ausgebildet, die über eine Leckagebohrung 43 Verbindung mit einem innerhalb des Haltekörpers 15 ausgebildeten Niederdruckbereich 45 des Kraftstoffinjektors 10 hat. Ferner ist im Bereich der Führungsbohrung 41 noch eine O-Ring-Dichtung 46 angeordnet, die am Außenumfang des Abschnitts 37 des Abdicht- und Führungskörpers 35 anliegt und diesen in Richtung des Niederdruckbereichs 45 abdichtet.
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Der Abdicht- und Führungskörper 35 ist zur Montage mit dem Führungsbereich 31 der Düsennadel 18 mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgebildet. Hierbei ist der aus zwei Teilelementen 47 und 48 gebildete Abdicht- und Führungskörper 35 längsgeteilt ausgebildet. Bei einem ersten, in der 3 dargestellten Herstellverfahren des Abdicht- und Führungskörpers 35 ist dieser durch ein lediglich angedeutet dargestelltes Werkzeug 52 mittig getrennt, wobei die aneinander gegenüberliegenden Flächen 53, 54 insbesondere durch einen Schleifvorgang bearbeitet sind. Nach der Montage der beiden Teilelemente 47, 48 auf dem Führungsbereich 31 der Düsennadel 18 werden die beiden Teilelemente 47, 48 mittels eines Käfigs 55 an deren Umfang formschlüssig umfasst.
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In der 4 ist ein alternatives Herstellverfahren für den Abdicht- und Führungskörper 35 dargestellt. Hierbei wird der Abdicht- und Führungskörper 35 mittels eines Werkzeugs 56 und mit Hilfe einer an dem Abdicht- und Führungskörper 35 ausgebildeten Soll-Bruchstelle gezielt zerstört, wobei die entstandenen Bruchkanten 57, 58 unbehandelt bleiben. Auch hier wird mittels eines Käfigs 55 nach der Montage der beiden Teilelemente 47a, 48a der Abdicht- und Führungskörper 35 umfangsseitig umfasst.
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In der 2 ist eine weitere Ausführung dargestellt, bei der der Abdicht- und Führungskörper 35 von einer Spiralfeder 51 umfasst ist.
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Innerhalb des Niederdruckbereichs 45 des Haltekörpers 15 ist ein Aktuator 59 in Form eines Piezoaktuators 60 angeordnet. Der Piezoaktuator 60 ist mittels elektrischer Leitungen 61, 62 elektrisch ansteuerbar, derart, dass sich dieser in Axialrichtung des Kraftstoffinjektors 10 bei einer Bestromung axial ausdehnt, d. h. seine Länge vergrößert. Der Piezoaktuator 60 ist mit einem Kopplerkolben 63 verbunden, dessen der Düsennadel 18 zugewandter Bereich radial von einer Kopplerhülse 64 umfasst ist. Zwischen der Kopplerhülse 64 und der zugewandten Stirnfläche des Piezoaktuators 60 ist eine Druckfeder 65 angeordnet, die den Piezoaktuator 60 in Richtung eines Gehäusekopfabschnittes 66 des Haltekörpers 15 kraftbeaufschlagt.
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Auf der dem Bereich 29 der Düsennadel 18 zugewandten Seite weist der Kopplerkolben 63 eine Aufnahmebohrung 68 für den Bereich 30 auf, der als Steuerkolben wirkt. Zwischen dem Bereich 30 und der Aufnahmebohrung 68 ist ein Ausgleichsraum 69 ausgebildet, der über eine Verbindungsbohrung 70 mit dem Niederdruckbereich 45 verbunden ist. Ferner ist zwischen der dem Piezoaktuator 60 gegenüberliegenden Seite des Kopplerkolbens 63 und der Zwischenplatte 14 sowie der Kopplerhülse 64 ein Kopplerraum 71 ausgebildet.
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In der in der 1 dargestellten Schließposition der Düsennadel 18 ist der Piezoaktuator 60 unbestromt. Die Düsennadel 18 wird dabei mittels der Schließfeder 33 gegen den Dichtsitz 27 gedrückt, so dass die Durchgangsöffnungen 23 verschlossen sind. Zum Abgeben von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine muss die Düsennadel 18 von ihrem Dichtsitz 27 abheben. Hierzu wird der Piezoaktuator 60 bestromt, wodurch dieser sich in axialer Richtung ausdehnt. Dadurch wird der Kopplerkolben 63 in Richtung der Zwischenplatte 14 bewegt. In dem Kopplerraum 71 befindlicher Kraftstoff wird komprimiert, wobei über die Differenzfläche zwischen dem Führungsbereich 31 und dem Bereich 29 der Düsennadel 18 eine in Öffnungsrichtung der Düsennadel 18 gerichtete hydraulische Druckkraft erzeugt wird, die ein Abheben der Düsennadel 18 von ihrem Dichtsitz 27 bewirkt. Ein Druckaufbau im Ausgleichsraum 69 wird durch die Verbindungsbohrung 70 verhindert, über die im Ausgleichsraum 69 befindlicher Kraftstoff in den Niederdruckbereich 45 abströmen kann.
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Zum Beenden der Einspritzung wird der Piezoaktuator 60 entladen. Hierdurch nimmt er seine axial kürzeste Länge ein, wobei der Druck im Kopplerraum 71 abnimmt und unter das Druckniveau des Ausgleichsraums 69 sinkt.
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Der Abdicht- und Führungskörper 35 bewirkt eine radiale und axiale Abdichtung der Düsennadel 18 zwischen dem Hochdruckraum 20 und dem Niederdruckbereich 45. Durch das Absinken des Druckes im Kopplerraum 71 überwiegen die Schließkräfte auf die Düsennadel 18, worauf diese in Richtung ihres Dichtsitzes 27 bewegt wird und dabei die Durchgangsöffnungen 23 verschließt.
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Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007034194 A1 [0002]
