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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 2008 054 421 A1 der Anmelderin bekannt. Der bekannte Kraftstoffinjektor umfasst dabei einen mit einem Piezoaktor verbundenen Geberkolben, der in eine Bohrung eines Nehmerkolbens eintauscht. Der Nehmerkolben seinerseits ist in einem Injektorgehäuse axial gleitend bewegbar. Die aus dem Geberkolben und dem Nehmerkolben gebildete. Einheit stellt einen ersten hydraulischen Koppler dar, der bei einer Bestromung des Piezoaktors ein Öffnen einer an einem Ventilsitz anliegenden Düsennadel bewirkt. Weiterhin ist es in der genannten Schrift offenbart, an der Düsennadel einen Drosselkanal auszubilden, der im Hochdruckbereich des Injektorkörpers eine Druckdifferenz in den ober- bzw. unterhalb des Drosselkanals angeordneten Teilräumen des Hochdruckbereichs bewirkt, so dass die Düsennadel hydraulisch in Schließrichtung belastet wird. Daher genügen bei dem bekannten Kraftstoffinjektor relativ geringe Kräfte des Aktors, um ein Öffnen und Schließen der Düsennadel zu bewirken. Nachteilig dabei ist, dass diese Schließkraft durch einen hohen Druckabfall am Drosselkanal erzeugt wird, wodurch der Wirkungsgrad des Injektors verringert 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 Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass sowohl Öffnungs- als auch Schließkräfte vom Aktor an die Düsennadel übertragen werden und damit ein Kraftstoffinjektor mit einem relativ einfach bzw. klein bauenden Piezoaktor erzielt werden kann. Zudem soll ein geringer Druckverlust und somit ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielt werden.
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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 Kraftstoffinjektor mit zwei hydraulischen Kopplern auszustatten, wovon der eine hydraulische Koppler für das Öffnen der Düsennadel zuständig ist, während der andere hydraulische Koppler den Schließvorgang unterstützt.
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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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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die beiden hydraulischen Koppler die gleiche Wegübersetzung aufweisen. Dadurch werden bezüglich des Öffnungshubes und des Schließhubes gleiche Verhältnisse geschaffen, so dass der Drosselverlust an einer Schließdrossel reduziert werden kann, und die notwendige Aktorgröße zum Erreichen des erforderlichen Düsennadelhubes reduziert werden kann.
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In einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung, die einen relativ geringen Raumbedarf benötigt, ist es vorgesehen, dass die Düsennadel mit einer Kopplerkolbenanordnung verbunden ist und dass die Kopplerkolbenanordnung mit einem ersten Kopplerraum zur Erzeugung der Öffnungskraft und einem zweiten Kopplerraum zur Erzeugung der Schließkraft für die Düsennadel zusammenwirkt.
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Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei der die Kopplerkolbenanordnung zwei an einer Berührfläche aneinander anliegende Kopplerkolben umfasst und dass die beiden der Berührfläche abgewandten Stirnseiten der Kopplerkolben die beiden Kopplerräume begrenzen. Eine derartige Ausbildung bzw. Anordnung der Kopplerkolben hat den Vorteil, dass bei der (gleichzeitigen) Bewegung der Kopplerkolben keine Verspannungen in der Kopplerkolbenanordnung auftreten können, wie sie ansonsten aufgrund von Lagetoleranzen der Bauteile sehr leicht in Erscheinung treten. Darüber hinaus ermöglicht eine derartige Anordnung die Verwendung zweier Kopplerkörper, so dass sich ein konstruktiv relativ einfacher Aufbau verwirklichen lässt.
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Besonders vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der eine Verbindungsbohrung zwischen zwei Kopplerräumen als Drossel zur Bewegungsbeeinflussung der Düsennadel ausgebildet ist. Dadurch lässt sich die Bewegungscharakteristik der Öffnungsbewegung der Düsennadel relativ einfach den jeweils erforderlichen Randbedingungen anpassen.
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Eine bevorzugte konstruktive Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein dritter Kopplerraum von einer Abschlussplatte verschlossen ist, die von der Federkraft einer Vorspannfeder gegen eine Stirnfläche des Kopplerkörpers gedrückt ist. Eine derartige Ausbildung ermöglicht einen relativ einfachen Aufbau und eine relativ einfache Montage der Bauteile des Injektors.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Düsennadel im Hochdruckraum eine Drosseleinrichtung zur Bewegungsbeeinflussung der Düsennadel ausgebildet. Eine derartige Ausbildung ermöglicht in relativ einfacher Art und Weise eine Beeinflussung der Bewegung der Düsennadel.
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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 Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor in teilweise vereinfachter Darstellung.
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In der einzigen Figur ist ein erfindungsgemäßer Injektor 10 dargestellt, wie er insbesondere als Bestandteil eines sogenannten Common-Rail-Einspritzsystems zum Einspritzen von Kraftstoff in einen nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine dient. Hierbei weist der Injektor 10 ein mehrteilig ausgebildetes Injektorgehäuse 11 auf. Das Injektorgehäuse 11 umfasst beispielhaft auf der dem Brennraum der Brennkraftmaschine abgewandten Seite einen Gehäusedeckel 12, der mit einem hülsenförmigen Gehäusemittelteil 13 verbunden ist. An das Gehäusemittelteil 13 schließen sich in axialer Richtung des Injektorgehäuses 11 ein erster, plattenartiger Kopplerkörper 14 und ein zweiter, ebenfalls plattenförmiger Kopplerkörper 15 an. An den zweiten Kopplerkörper 15 schließt sich wiederum auf der dem ersten Kopplerkörper 14 gegenüberliegenden Seite ein Injektorbodenteil 16 an.
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In dem Injektorbodenteil 16 ist eine Ausnehmung 17 ausgebildet, die einen Hochdruckraum 18 des Injektors 10 begrenzt. Hierzu ist der Hochdruckraum 18 mittels eines durch die beiden Kopplerkörper 14, 15, das Gehäusemittelteil 13 und den Gehäusedeckel 12 ausgebildeten Zuströmkanal 19 mit einer Druckquelle 20, insbesondere dem sogenannten Rail, verbunden.
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Am Grund der Ausnehmung 17 bildet eine Düsennadel 22 zusammen mit dem Injektorbodenteil 16 einen Dichtsitz 23 aus, der in einer Schließstellung der Düsennadel 22 vorzugsweise mehrere Durchgangsöffnungen 24 verschließt, über die bei geöffneter Düsennadel 22 unter Hochdruck stehender Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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Die Düsennadel 22 ist in der Ausnehmung 17 in einem Lagerkörper 25 geführt, wobei zwischen dem Lagerkörper 25 und der Düsennadel 22 eine Strömungsverbindung ausgebildet ist. Oberhalb des Lagerkörpers 25 weist die Düsennadel 22 eine Drosselstelle 27 in Form einer Drosselplatte 28 auf. Mittels der Drosselstelle 27 bzw. der Drosselplatte 28 lässt sich die Bewegung der Düsennadel 22 zusätzlich beeinflussen bzw. steuern.
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Die Düsennadel 22 weist weiterhin einen Bund 30 auf, an dem sich eine Düsenschließfeder 31 abstützt. Die andere Seite der Düsenschließfeder 31 stützt sich an der Unterseite des zweiten Kopplerkörpers 15 ab.
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Die Düsennadel 22 ist mit dem Schaft 32 eines Verbindungskolbens 33 verbunden. Der Schaft 32 ist in einer Dichthülse 35 gleitend geführt, die an der Unterseite des zweiten Kopplerkörpers 15 dicht anliegt und somit den zweiten Kopplerkörper 15 gegenüber dem Hochdruckraum 18 abdichtet bzw. von diesem trennt. An der der Dichthülse 35 zugewandten Stirnfläche des zweiten Kopplerkörpers 15 weist dieser im Bereich des Schaftes 32 einen Ringraum 36 auf, der über eine Ablaufbohrung 37 mit einer Ausnehmung 39 des Gehäusemittelteils 13 verbunden ist. Über den Ringraum 36 kann über die Dichthülse 35 eintretender, unter Hochdruck stehender Kraftstoff in eine Ausnehmung 39 abströmen. Die Ausnehmung 39 bildet einen Niederdruckbereich 40 des Injektors 10 aus, der über eine Rücklaufbohrung 41 mit einem Kraftstoffrücklauf des Kraftstoffeinspritzsystems verbunden ist.
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In der Ausnehmung 39 des Injektorgehäuses 11, d. h. im Niederdruckbereich 40, ist ein Aktor zur Betätigung der Düsennadel 22 in Form eines Piezoaktors 44 angeordnet. Der Piezoaktor 44 weist Anschlusskabel 45 auf, über die der Piezoaktor 44 elektrisch ansteuerbar ist. Hierbei ist die Auslegung des Piezoaktors 44 derart, dass dieser in unbestromtem Zustand seine in Längsrichtung des Injektors 10 betrachtet geringste Länge aufweist und sich bei einer Bestromung in Axialrichtung des Injektors 10 ausdehnt.
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In dem ersten Kopplerkörper 14 ist auf der der Ausnehmung 39 zugewandten Seite eine zylindrisch ausgebildete Führungsbohrung 46 für einen Geberkolben 47 ausgebildet, der Teil eines ersten hydraulischen Kopplers ist. Der Geberkolben 47 ist über eine Verbindungsstange 48 mit einer Abstützplatte 49 verbunden, auf der der Piezoaktor 44 angeordnet ist. Die Führungsbohrung 46 ist mit einer Abschlussplatte 52 dicht verschlossen, wobei die Abschlussplatte 52 eine Durchgangsbohrung 53 für die Verbindungsstange 48 aufweist.
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Zwischen der Abschlussplatte 52 und der Abstützplatte 49 stützt sich eine Vorspannfeder 55 ab, die zum einen die Abschlussplatte 52 gegen die ihr zugeordnete Stirnseite des ersten Kopplerkörpers 14, und andererseits die Abstützplatte 48 zusammen mit dem Piezoaktor 44 gegen den Gehäusedeckel 12 mit Druckkraft beaufschlagt.
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Der Schaft 32 des Verbindungskolbens 33 ist auf der der Düsennadel 22 gegenüberliegenden Seite mit einem Nehmerkolben 57 wirkverbunden. Der Nehmerkolben 57 ist in einer Führungsbohrung 58 gleitend geführt, die in dem zweiten Kopplerkörper 15 auf der dem ersten Kopperkörper 14 zugewandten Seite ausgebildet ist. Der erste Kopplerkörper 14 weist wiederum eine Führungsbohrung 59 mit gegenüber der Führungsbohrung 58 reduziertem Durchmesser auf, wobei die beiden Führungsbohrungen 58, 59 koaxial zueinander ausgerichtet sind.
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Die Führungsbohrung 58 bildet auf der der Düsennadel 22 zugewandten Seite unterhalb des Nehmerkolbens 57 einen ersten Kopplerraum 61 aus. Der Nehmerkolben 57 ist Bestandteil einer Kopplerkolbenanordnung 62 eines zweiten hydraulischen Kopplers, die neben dem Nehmerkolben 57 einen weiteren Kopplerkolben 63 umfasst, der in der Führungsbohrung 59 gleitend geführt ist und mit seiner dem Nehmerkolben 57 zugewandten Stirnfläche an der Stirnfläche des Nehmerkolbens 57 anliegt. Der weitere Kopplerkolben 63 begrenzt auf der dem Nehmerkolben 57 abgewandten Seite einen von der Führungsbohrung 59 ausgebildeten zweiten Kopplerraum 65.
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Der zweite Kopplerraum 65 ist über einen Verbindungskanal 66 mit einem dritten Kopplerraum 67 verbunden, der von der Führungsbohrung 46, der Abschlussplatte 52 und der Oberseite des Geberkolbens 47 begrenzt ist. Zwischen der Unterseite des Geberkolbens 47 und der Führungsbohrung 46 ist ein vierter Kopplerraum 69 ausgebildet, der über einen Verbindungskanal 71 mit dem ersten Kopplerraum 61 gekoppelt ist. Der Verbindungskanal 71 kann hierbei zur Beeinflussung der Bewegungsgeschwindigkeit der Düsennadel 22 als Drossel ausgebildet sein.
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Bevorzugt ist eine geometrische Ausbildung, bei der das Flächenverhältnis zwischen dem vierten Kopplerraum 69 und dem ersten Kopplerraum 61 gleich groß ist wie das Verhältnis zwischen dem dritten Kopplerraum 67 und dem zweiten Kopplerraum 65.
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Die Funktionsweise des soweit beschriebenen Injektors 10 ist wie folgt: In der in der 1 dargestellten Schließstellung der Düsennadel 22 ist der Piezoaktor 44 unbestromt. Zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine muss die Düsennadel 22 von ihrem Dichtsitz 23 abheben, um die Durchgangsöffnungen 24 freizugeben. Hierzu wird der Piezoaktor 44 bestromt bzw. aufgeladen. Die Bestromung des Piezoaktors 44 hat zur Folge, dass sich dieser in Axialrichtung ausdehnt. Durch die Kopplung des Piezoaktors 44 über die Verbindungsstange 48 mit dem Geberkolben 47 wird dieser entgegen der Federkraft der Vorspannfeder 55 in die Führungsbohrung 46 eingeschoben. Dadurch wird im vierten Kopplerraum 69 befindlicher Kraftstoff über den Verbindungskanal 71 in den ersten Kopplerraum 61 verdrängt, so dass eine Öffnungskraft entgegen der Kraft der Düsenschließfeder 31 auf den Nehmerkolben 57 erzeugt wird. Dabei wird gleichzeitig aus dem zweiten Kopplerraum 65 Kraftstoff über den Verbindungskanal 61 in den dritten Kopplerraum 67 verdrängt.
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Zum Schließen der Ventilnadel 22 wird der Piezoaktor 44 entladen. Dadurch verringert sich die Länge des Piezoaktors 44, so dass dieser unter Federkraft der Vorspannfeder 55 zusammen mit der Abstützplatte 49 in Richtung des Gehäusedeckels 12 bewegt wird. Die Abstützplatte 49 nimmt dabei über die Verbindungsstange 48 den Geberkolben 47 mit, so dass aus dem dritten Kopplerraum 67 Kraftstoff über den Verbindungskanal 66 in den zweiten Kopplerraum 65 verdrängt wird. Der in dem zweiten Kopplerraum 65 dadurch ansteigende Kraftstoffdruck bewirkt eine Bewegung der Kopplerkolbenanordnung 62 in Schließrichtung der Düsennadel 22. Hierbei wird aus dem ersten Kopplerraum 61 Kraftstoff über den Verbindungskanal 71 in den vierten Kopplerraum 69 verdrängt.
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Der Durchmesser des Kolbens 32 und der Durchmesser des Dichtsitzes 23 sind so aufeinander abgestimmt, dass die Ventilnadel 22 in ihrer Schließstellung zumindest näherungsweise kraftausgeglichen ist. Dies bedeutet, dass sich die hydraulischen Kräfte auf die Ventilnadel 22 in Bewegungsrichtung der Ventilnadel 22 gesehen ganz oder zumindest näherungsweise aufheben und die Ventilnadel 22 mit verhältnismäßig geringen Kräften und somit rasch im Hochdruckraum 18 bewegt werden kann.
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Der soweit beschriebene Injektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es beispielsweise möglich, dass der zweite Kopplerkörper 15 und die Dichthülse 35 auch zusammenhängend, d. h. als einteiliges Bauteil ausgebildet sein können. Auch kann es vorgesehen sein, dass lediglich einer der Kopplerkolben 57, 63 vorgesehen ist oder dass beide Kopplerkolben 57, 63 ein einstückiges Bauteil ausbilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008054421 A1 [0002]
