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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 002 758 A1 der Anmelderin bekannt. Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor wird mittels eines mit einem Magnetanker verbundenen Kopplerkolbens der Druck in einem Steuerraum durch einen Magnetaktor direkt gesteuert. Das aus der genannten Schrift bekannte Konzept vermeidet somit ein Servo-Prinzip, bei dem der Druck in dem Steuerraum über einen Ventilraum gesteuert wird, wobei über den Ventilraum jeweils eine gewisse Leckagemenge anfällt, die die Energiebilanz des Gesamtsystems negativ beeinflusst. Nachteilig dabei ist, dass über einen Magnetaktor nur relativ geringe Öffnungskräfte über den Magnetanker auf den Kopplerkolben erzeugt werden können. Demgegenüber steht die Fähigkeit des Magnetankers zur relativ großen Hüben. Der bekannte Kraftstoffinjektor benötigt daher einen Kopplerraum mit einer relativ großen Wegreduzierung bzw. Kraftvergrößerung.
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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 Magnetaktor nur relativ geringe Kräfte erzeugen muss, um die benötigte Kraft zum Öffnen der Düsennadel zu erzeugen. Diese Aufgabe wird bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Düsennadel in ihrer Schließstellung als zumindest nahezu druckausgeglichene Düsennadel ausgebildet ist. Das bedeutet, dass es zum Öffnen der Düsennadel bzw. zum Abheben der Düsennadel von ihrem Dichtsitz lediglich erforderlich ist, im Wesentlichen die in Abhängigkeit von der Federkraft einer Schließfeder erzeugte Schließkraft zu überwinden.
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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 Erzeugung einer nahezu druckausgeglichenen Düsennadel ist es konstruktiv bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der dem Dichtsitz der Düsennadel gegenüberliegende Endbereich der Düsennadel in eine Führungsbohrung hineinragt und dass der Endbereich eine Querschnittsfläche bzw. einen Durchmesser aufweist, die bzw. der zumindest annähernd der Fläche bzw. dem Durchmesser der Düsennadel im Bereich ihres Dichtsitzes entspricht.
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Um einen Aktor verwenden zu können, der mechanisch relativ gering belastest ist und somit entweder relativ preiswert herstellbar ist oder über die Lebensdauer betrachtet eine hohe Zuverlässigkeit aufweist wird ferner in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass der Magnetaktor zusammen mit dem Magnetanker in einem Niederdruckbereich des Injektorgehäuses angeordnet sind.
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Um weiterhin einen möglichst einfach bauenden Magnetaktor bei einem bestimmten Bauraumvolumen einsetzen zu können bzw. alternativ einen Magnetaktor, der relativ hohe Kräfte erzeugt, wird es weiter vorgeschlagen, dass der Magnetaktor und der Magnetanker in einem Endbereich des Injektorgehäuses auf der der wenigstens einen Spritzöffnung gegenüberliegenden Seite angeordnet sind. Man macht sich dabei den Umstand zunutze, dass auf der dem Brennraum abgewandten Seite des Kraftstoffinjektors der für den Kraftstoffinjektor zur Verfügung stehende Bauraum vergrößert ist, so dass in diesem Bereich das Injektorgehäuse derart gestaltet werden kann, dass es einen größeren Durchmesser aufweist als der restliche Bereich des Injektorgehäuses.
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Zur Steuerung des Druckes in dem Kopplerraum wird ein Magnetanker vorgeschlagen, der zumindest mittelbar mit einem stiftförmigen Abschnitt gekoppelt ist, der in den Kopplerraum hineinragt.
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Vorzugsweise wird dabei der Kopplerraum derart ausgebildet, dass dieser eine Kraftübersetzung größer als eins aufweist.
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In einer weiteren konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung, bei der sich die Leckageverluste in Richtung des Magnetankers minimieren lassen wird vorgeschlagen, dass der Koppleraum im Niederdruckbereich des Injektorgehäuses angeordnet ist und dass zwischen dem Kopplerraum und dem Hochdruckraum die Führungsbohrung mittels einer insbesondere ringförmig ausgebildeten Ausnehmung und einem Rückströmkanal Verbindung mit dem Niederdruckbereich hat.
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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 der einzigen Figur einen vereinfachten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor.
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Der in der einzigen Figur dargestellte Kraftstoffinjektor 10 dient zum Einspritzen von Kraftstoff in einem nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine. Insbesondere ist der Kraftstoffinjektor 10 Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Einspritzsystems, bei dem ein Systemdruck von größer 1800 bar, vorzugsweise größer 2000 bar, herrscht.
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Der Kraftstoffinjektor 10 weist ein mehrteilig ausgebildetes Injektorgehäuse 12 auf. Auf der dem Brennraum zugewandten Seite weist das Injektorgehäuse 12 einen topfförmig ausgebildeten Düsenkörper 13 auf, der beispielsweise mittels einer Presshülse 14 o. ä. mit einem im Wesentlichen stift- bzw. hülsenförmigen Mittelteil 15 des Injektorgehäuses 12 verbunden ist. Das Mittelteil 15 weist auf der dem Düsenkörper 13 abgewandten Seite einen Hochdruckanschluss 16 sowie eine im Vergleich zum restlichen Mittelteil 15 in ihrer Fläche bzw. im Durchmesser vergrößerte Kopfplatte 17 auf. Auf die Kopfplatte 17 ist mittels einer Spannmutter 18 ein im Wesentlichen topfförmiger Gehäusedeckel 19 befestigt, der einen größeren Durchmesser aufweist als das Mittelteil 15 des Injektorgehäuses 12.
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In dem Mittelteil 15 ist eine Ausnehmung 21 in Form einer Durchgangsbohrung ausgebildet. Hierbei bildet die Ausnehmung 21 in ihrem im Durchmesser größten Bereich einen Hochdruckraum 22 aus. Eine Hochdruckbohrung 23 verbindet den Hochdruckanschluss 16 mit dem Hochdruckraum 22. Vom Hochdruckraum 22 geht auf der dem Gehäusedeckel 19 zugewandten Seite eine erste Führungsbohrung 24 aus, an dem sich eine zweite Führungsbohrung 25 anschließt, wobei die erste Führungsbohrung 24 einen größeren Durchmesser aufweist als die zweite Führungsbohrung 25.
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Innerhalb des Mittelteils 15 und des Düsenkörpers 13 ist eine in der Längsachse 26 des Kraftstoffinjektors 10 auf- und abbewegbare Düsennadel 28 angeordnet. Die Düsennadel 28 weist auf der dem Düsenkörper 13 zugewandten Seite an ihrem Endbereich einen beispielhaft kegelförmig ausgebildeten Sitzbereich 29 auf, der mit einem Sitzabschnitt innerhalb des Düsenkörpers 13 in der in der Figur dargestellten Schließstellung der Düsennadel 28 zusammenwirkt und dabei einen Dichtsitz 30 mit einem Sitzdurchmesser d ausbildet. In der dargestellten Schließstellung der Düsennadel 28 werden am Grund des Düsenkörpers 13 ausgebildete Spritzöffnungen 31 verschlossen, so dass diese keine Verbindung mit dem Hochdruckraum 22 haben, in dem sich unter Hochdruck stehender Kraftstoff befindet. Es findet somit kein Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine statt.
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Oberhalb des Sitzbereiches 29 weist die Düsennadel 28 einen im Durchmesser vergrößerten Führungsbereich 33 auf. Der Führungsbereich 33 der Düsennadel 28 wirkt mit der Umfangswand 34 der Ausnehmung 21 zusammen, wobei zwischen der Umfangswand 34 und dem Führungsbereich 33 eine als Schließdrossel wirkende Drossel 35 ausgebildet ist, die zur Folge hat, dass in dem ringförmigen Raum 36 auf der den Spritzöffnungen 31 zugewandten Seite des Führungsbereichs 33 unterhalb der Drossel 35 bei geöffneter Düsennadel 28 ein geringerer Kraftstoffdruck herrscht als im Hochdruckraum 22. Hierbei ist die Drossel 35 im dargestellten Ausführungsbeispiel als Ringspaltdrossel ausgebildet, sie kann jedoch beispielweise als Bohrung o. ä. ausgebildet sein.
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An den Führungsbereich 33 schließt sich auf der den Spritzöffnungen 31 abgewandten Seite der Düsennadel 28 ein stift- bzw. zylindrischer Abschnitt 37 an. Zwischen dem Führungsbereich 33 der Düsennadel 28 und dem Übergangsbereich vom Hochdruckraum 22 in die erste Führungsbohrung 24 stützt sich eine als Druckfeder ausgebildete Schließfeder 38 ab, die die Düsennadel 28 mit Federkraft beaufschlagt und dabei die Düsennadel 28 in die in der Figur dargestellte Schließstellung der Düsennadel 28 drückt.
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Der stiftförmige Abschnitt 37 weist einen Durchmesser D auf, der zumindest annähernd dem Sitzdurchmesser d entspricht. Ein den Spritzöffnungen 31 abgewandter Endbereich 39 des Abschnitts 37 ragt in die erste Führungsbohrung 24 hinein und ist dort sowohl radial als auch axial von der ersten Führungsbohrung 24 geführt.
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In etwa in dem mittleren Bereich der ersten Führungsbohrung 24 weist diese eine radial umlaufende Ringnut 41 auf, die mit einem Verbindungskanal 42 gekoppelt ist, der im Bereich der Kopfplatte 17 des Mittelteils 15 mündet. Über die Ringnut 41 und den Verbindungskanal 42 kann über den Hochdruckraum 22 in den Bereich der Ringnut 41 eintretender Kraftstoff in Form einer Leckagemenge in einen Niederdruckbereich 43 des Kraftstoffinjektors 10 abströmen, der innerhalb des Gehäusedeckels 19 gebildet ist. Dieser Niederdruckbereich 43 bzw. der von dem Gehäusedeckel 19 umschlossene Raum bildet gleichzeitig einen Magnetankerraum 44 aus.
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In dem Magnetankerraum 44 ist ein Magnetaktor 45 angeordnet, der einen ringförmig ausgebildeten Magnetkern 46 sowie eine in einer Ausnehmung des Magnetkerns 46 angeordnete Magnetspule 47 aufweist. Die Magnetspule 47 ist mittels nicht dargestellter elektrischer Leitungen elektrisch kontaktierbar. Der Magnetkern 46 ist mittels einer sich gegen den Gehäusedeckel 19 abstützenden Tellerfeder 48 in Richtung einer Stufe 49 des Gehäusedeckels 19 kraftbeaufschlagt.
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Der Magnetaktor 45 wirkt mit einem im Ausführungsbeispiel als Flachanker ausgebildeten Magnetanker 50 zusammen. Der Magnetanker 50 weist auf der der Düsennadel 28 zugewandten Seite eine stiftförmige Verlängerung 52 auf, die im Ausführungsbeispiel einstückig an dem Magnetanker 50 angeformt ist. Die stiftförmige Verlängerung 52 ragt in die zweite Führungsbohrung 25 des Mittelteils 15 hinein.
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Zwischen den beiden einander zugewandten Stirnflächen des Endbereichs 39 der Düsennadel 28 und der Verlängerung 52 sowie den beiden Führungsbohrungen 24 und 25 wird ein mit unter niedrigem Druck befüllter Kopplerraum 55 ausgebildet. Da die erste Führungsbohrung 24 einen größeren Durchmesser aufweist als die zweite Führungsbohrung 25, weist der Kopplerraum 55 somit eine Kraftübersetzung größer als eins auf.
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Ergänzend wird erwähnt, dass es auch im Rahmen der Erfindung liegt, den Kopplerraum 55 derart auszubilden, dass er eine Kraftübersetzung kleiner als eins aufweist, oder aber, dass der Kopplerraum 55 innerhalb eines Hochdruckbereichs bzw. innerhalb des Hochdruckraums 22 des Kraftstoffinjektors 10 angeordnet ist. Auch kann die Verlängerung 52 als ein vom Magnetanker 50 separates Bauteil ausgebildet sein.
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Zwischen der der Verlängerung 52 abgewandten oberen Stirnfläche des Magnetankers 50 und dem Gehäusedeckel 19 stützt sich eine Druckfeder 56 ab, die den Magnetkern 46 in einer Durchgangsbohrung durchsetzt und den Magnetanker 50 derart belastet, dass dessen Verlängerung 52 in die zweite Führungsbohrung 25 hineingedrückt wird.
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Am oberen Ende des Gehäusedeckels 19 erkennt man noch einen Rücklaufanschluss 57, der über eine Rücklaufleitung 58 beispielsweise mit einem Tank 59 des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Ferner erkennt man noch eine Leitung 61, die eine Verbindung zwischen einem Druckspeicher 62, dem sogenannten Rail, und dem Hochdruckanschluss 16 des Kraftstoffinjektors 10 herstellt. In dem Druckspeicher 62 herrscht der System- bzw. Raildruck.
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In der in der Figur dargestellten Schließstellung der Düsennadel 28 ist die Verlängerung 52 des Magnetankers 50 mittels der Druckfeder 56 bis in ihre Endposition in den Kopplerraum 55 hineingedrückt. Ferner befindet sich der Endbereich 39 der Düsennadel 28 in seiner unteren Endposition innerhalb des Kopplerraums 55. In diesem Zustand wirkt auf die Düsennadel 28 eine Schließkraft, die sich zusammensetzt aus der Druckkraft der Schließfeder 38 sowie der Flächendifferenz aus dem Sitzdurchmesser d und dem Durchmesser D des in die erste Führungsbohrung 24 hineinragenden Endbereichs 39 der Düsennadel 28, multipliziert mit dem im Hochdruckraum 22 herrschenden Raildruck. Die Schließkraft auf die Düsennadel 28 ist somit direkt über die Durchmesser d, D des Sitzdurchmessers und des Endbereichs 39 beeinfluss- bzw. einstellbar. In der Schließstellung der Düsennadel 28 ist der Druck im Hochdruckraum 22 und dem ringförmigen Raum 36 unterhalb der Drossel 35 gleich groß.
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Zum Öffnen der Düsennadel 28 bzw. zum Abheben der Düsennadel 28 von ihrem Dichtsitz 30 ist es erforderlich, die Magnetspule 47 zu bestromen. Die Bestromung bewirkt ein Anziehen des Magnets 50 in Richtung der Magnetspule 47. Dadurch wird die Verlängerung 52 entgegen der Federkraft der Druckfeder 56 etwas aus der zweiten Führungsbohrung 25 herausgezogen, und infolgedessen aufgrund der Wirkverbindung mit dem Endbereich 39 der Düsennadel 28 über den Kopplerraum 55 auch die Düsennadel 28 in Richtung der zweiten Führungsbohrung 25 bewegt. Dadurch wird die auf die Düsennadel 28 wirkende Schließkraft reduziert, so dass die Düsennadel 28 von ihrem Dichtsitz 30 abheben kann. Beim Einspritzen des Kraftstoffes durch die Spritzöffnungen 31 strömt Kraftstoff über den Hochdruckraum 22 und die Drossel 35 in den ringförmigen Raum 36 nach. Aufgrund der Druckunterschiede in den beiden Räumen 22, 36 wird dabei eine zusätzliche Schließkraft auf die Düsennadel 28 erzeugt, die im Wesentlichen vom Druckverlust an der Drossel 35 abhängig ist.
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Ergänzend wird erwähnt, dass der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 in vielfältiger Art und Weise modifiziert bzw. abgewandelt werden kann, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es beispielsweise möglich, den Magnetanker 50 als Tauchanker auszubilden. Ferner ist es denkbar, den Magnetaktor 45 als polarisierenden Magnetaktor oder als elektrodynamischen Magnetaktor auszubilden. Weiterhin ist es auch denkbar, den Magnetanker 50 direkt, d. h. ohne einen Kopplerraum 55, mit der Düsennadel 28 zu verbinden. Der Koppler selbst kann auch als inverser Koppler ausgebildet sein und wie erwähnt auch innerhalb eines Hochdruckbereichs des Kraftstoffinjektors 10 angeordnet werden. Weiterhin kann es auch vorgesehen sein, einen zweiten Magnetaktor vorzusehen, der eine Schließkraft auf die Düsennadel 28 erzeugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007002758 A1 [0002]
