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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Ein solcher Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt und in Richtung eines Dichtsitzes von der Federkraft einer Schließfeder beaufschlagt ist, sowie eine Aktoranordnung, welche in einem Niederdruckbereich angeordnet ist und mittels welcher die Düsennadel direkt betätigbar ist.
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Stand der Technik
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Ein Kraftstoffinjektor der vorstehend genannten Art geht beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 041 553 A1 hervor. Hierin wird ein Kraftstoffinjektor umfassend eine Düsennadel bzw. ein Einspritzventilelement mit einer in Öffnungsrichtung weisenden, mit Niederdruck beaufschlagten Niederdruckfläche in Kombination mit einer Drosselverbindung offenbart. Aufgabe der am Einspritzventilelement ausgebildeten Niederdruckfläche ist es, die stationär hydraulische Schließkraft zu reduzieren und im geöffneten Zustand eine hydraulische Öffnungskraft zu erzeugen. Die Drosselverbindung ist demgegenüber derart angeordnet und dimensioniert, dass der hydraulischen Öffnungskraft bei geöffnetem Einspritzventilelement eine hydraulische, in Schließrichtung wirkende Schließkraft entgegenwirkt, wodurch die Schließgeschwindigkeit des Einspritzventilelementes erhöht werden kann. Die Kombination aus Niederdruckfläche und Drosselverbindung bewirkt, dass die zur direkten Betätigung der Düsennadel erforderliche Aktorleistung herabgesetzt wird, so dass vergleichsweise leistungsarme Aktoren einsetzbar sind.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor anzugeben, welcher eine Steigerung der Effizienz der Einspritzung und der Verbrennung ermöglicht. Insbesondere soll ein schnell öffnender und schnell schließender direkt betätigbarer Kraftstoffinjektor angegeben werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß umfasst die Aktoranordnung des vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors einen ersten Magnetaktor zum Öffnen der Düsennadel und einen zweiten Magnetaktor zum Schließen der Düsennadel, wobei wenigstens ein Magnetaktor mit einem Ankerelement zusammenwirkt, das mit der Düsennadel wirkverbunden ist. Zum Öffnen und Schließen der Düsennadel weist die Aktoranordnung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors demnach wenigstens zwei Magnetaktoren auf, deren Wirkrichtung vorzugsweise entgegengesetzt ist. Um ein Öffnen und Schließen der Düsennadel bewirken zu können, sind die Magnetaktoren der Aktoranordnung unabhängig voneinander aktivierbar sind.
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Der ein Schließen der Düsennadel bewirkende Magnetaktor wird bei seiner Aufgabe von der Schließfeder unterstützt, deren Federkraft die Düsennadel in Schließrichtung, d.h. in Richtung des Dichtsitzes, beaufschlagt. Es kann demnach ein vergleichsweise kleiner Magnetaktor zum Schließen der Düsennadel eingesetzt werden. Die Ausbildung einer Schließdrossel, um in Offenstellung der Düsennadel eine in Schließrichtung auf die Düsennadel wirkende hydraulische Schließkraft zu erzeugen, ist entbehrlich.
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Durch die Optimierung des Schließvorgangs kann die Effizienz der Einspritzung derart gesteigert werden, dass die gleiche Leistung mit verringerter Einspritzmenge erzielbar ist. Dies wiederum hat zur Folge, dass Kraftstoff eingespart und CO2-Emissionen verringert werden können.
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Vorzugsweise ist wenigstens ein Magnetaktor der Aktoranordnung ein polarisierter oder elektrodynamischer Magnetaktor. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass der Magnetaktor mit einem als Flach- oder Tauchanker ausgebildeten Ankerelement zusammenwirkt. Vorzugsweise sind die Magnetaktoren und das wenigstens eine Ankerelement derart ausgebildet und angeordnet, dass das Ankerelement bei Bestromung des einen Magnetaktors in Öffnungsrichtung der Düsennadel und bei Bestromung des anderen Magnetaktors in Schließrichtung der Düsennadel bewegt wird. Jeder Magnetaktor kann ferner mit einem eigenen Ankerelement zusammenwirken.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Ankerelement mittelbar über einen Stößelkörper mit der Düsennadel wirkverbunden. Der Stößelkörper ist vorzugsweise kraft-, form- und/oder stoffschlüssig mit dem Ankerelement verbunden und mit der Düsennadel mechanisch oder hydraulisch in der Weise koppelbar, dass eine Bewegung des Ankerelementes unmittelbar oder mittelbar auf die Düsennadel übertragen wird. Dabei kann die Bewegungsrichtung des Ankerelementes der Bewegungsrichtung der Düsennadel entsprechen oder – bei inverser Ansteuerung der Düsennadel – dieser entgegengesetzt sein. Letzteres setzt jedoch eine Einrichtung zur Umkehrung der Bewegungsrichtung voraus. Ferner kann bei einer Übertragung der Bewegung des Ankerelementes auf die Düsennadel eine Kraft- oder Wegübersetzung bewirkt werden.
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Eine Kraft- oder Wegübersetzung kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass das Ankerelement mittelbar über einen Kopplerkörper und/oder ein hydraulisches Kopplervolumen mit der Düsennadel wirkverbunden ist. Als Kopplerkörper kann dabei auch ein mit dem Ankerelement kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbundener Stößelkörper eingesetzt werden. Vorzugsweise sind sowohl am Kopplerkörper, als auch an der Düsennadel hydraulisch wirksame Flächen ausgebildet, deren Größenverhältnis derart gewählt ist, dass eine Kraftoder Wegverstärkung erfolgt. Der Kopplerkörper und/oder das Kopplervolumen können auch zur Umkehrung der Bewegungsrichtung eines Magnetaktors eingesetzt werden, wenn dessen Wirkrichtung bzw. die Bewegungsrichtung des Ankerelementes der Bewegungsrichtung der Düsennadel entgegengesetzt ist.
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Die Düsennadel kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Vorzugsweise besitzt sie einen Führungsabschnitt, mit welchem sie in einer mit Niederdruck beaufschlagten Bohrung eines Haltekörpers geführt ist. Der Führungsspalt zwischen dem Führungsabschnitt der Düsennadel und der Wandung der in dem Haltekörper ausgebildeten Bohrung ist weiterhin vorzugsweise als Dichtspalt ausgebildet, über welchen den Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors gegenüber dem Hochdruckbereich abgedichtet ist. Eine über den Führungsbereich abströmende Leckagemenge wird über den Niederdruckbereich vorzugsweise einem Rücklauf zugeführt. Indem der Führungsabschnitt der Düsennadel bis in den Niederdruckbereich geführt ist, weist die Düsennadel wenigstens eine Fläche auf, die in Schließrichtung mit Niederdruck beaufschlagt wird. Auf diese Weise kann die zum Öffnen der Düsennadel erforderliche Aktorkraft reduziert werden. Dies wirkt sich günstig auf die Auslegung des Magnetaktors aus, der zum Öffnen der Düsennadel vorgesehen ist.
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Vorteilhafterweise besitzt die mit Niederdruck beaufschlagte Bohrung des Haltekörpers einen Innendurchmesser DI, welcher kleiner als der Sitzdurchmesser DS des Dichtsitzes ist. In Schließstellung der Düsennadel ergibt sich dann näherungsweise folgende Kraft auf die Düsennadel: FNadel = –FFeder – (DS – DI)·pRail, wobei FFeder die Federkraft der die Düsennadel in Richtung des Dichtsitzes beaufschlagende Schließfeder ist. Die auf die geschlossene Düsennadel wirkende Kraft ist demnach direkt über die beiden Durchmesser DI und DS einstellbar.
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Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor ist vorzugsweise als Tophead-Injektor ausgebildet, da ein solcher Injektor ausreichend Bauraum zur Unterbringung einer wenigstens zwei Magnetaktoren umfassenden Aktoranordnung aufweist. Da jedoch kompaktbauende Magnetaktoren mit vergleichsweise geringer Leistung einsetzbar sind, kann ein erfindungsgemäßer Kraftstoffinjektor auch als Inline-Injektor ausgebildet sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors und
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2 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in den 1 und 2 dargestellten Kraftstoffinjektoren weisen jeweils eine Düsennadel 1 auf, welche in einer Hochdruckbohrung 2 eines Düsenkörpers 3 hubbeweglich geführt ist. Über die Hubbewegung der Düsennadel 1 ist wenigstens eine im Düsenkörper 3 ausgebildete Einspritzöffnung 4 freigebbar und verschließbar. Zum Freigeben der wenigstens einen Einspritzöffnung 4 muss die Düsennadel 1 von einem Dichtsitz 5 gehoben werden, der vorliegend kegelförmig ausgebildet ist und mit einer an der Düsennadel ausgebildeten kegelförmigen Dichtfläche dichtend zusammenwirkt. Zum Verschließen der wenigstens einen Einspritzöffnung 4 ist die Düsennadel 1 in den Dichtsitz 5 zurückzustellen.
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In Offenstellung der Düsennadel 1 wird der wenigstens einen Einspritzöffnung 4 über die Hochdruckbohrung 2 unter hohem Druck stehender Kraftstoff zugeführt. In die Hochdruckbohrung 2 gelangt der unter hohem Druck stehende Kraftstoff über eine Zulaufbohrung 16, welche über einen Hochdruckanschluss 17 mit einem Hochdruckspeicher (nicht dargestellt), vorzugsweise einem Rail, verbindbar ist. Die Zulaufbohrung 16 und der Hochdruckanschluss 17 sind in einem Haltekörper 15 ausgebildet, welcher mit dem Düsenkörper 3 über eine Düsenspannmutter 18 verbunden ist.
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Die Hubbewegung der Düsennadel 1, mittels welcher die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 freigebbar und verschließbar ist, wird mittels einer Aktoranordnung 7 gesteuert. Die Steuerung erfolgt direkt, das heißt ohne Zwischenschaltung eines Servoventils. Die direkte Steuerung weist gegenüber der indirekten Steuerung mittels eines Servoventils den Vorteil auf, dass die Düsennadel schneller öffnet und schließt. Ferner entfällt die Notwendigkeit, eine Absteuermenge des Servoventils einem Rücklauf zuführen zu müssen, so dass die Effizienz des Systems weiter gesteigert wird. Die zur direkten Steuerung der Düsennadel 1 vorgesehene Aktoranordnung 7 weist in den beiden in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen jeweils zwei Magnetaktoren 7.1, 7.2 auf. Die Magnetaktoren 7.1, 7.2 sind jeweils in einem Niederdruckbereich 8 angeordnet. Durch die Anordnung im Niederdruckbereich 8 kann zum Einen die Belastung der Magnetaktoren 7.1, 7.2 reduziert, zum Anderen die elektrische Kontaktierung der Magnetaktoren 7.1, 7.2 vereinfacht werden. Um die Kraft und/oder den Hub der Magnetaktoren 7.1, 7.2 auf die Düsennadel 1 zu übertragen, wirken diese jeweils mit einem Ankerelement 9 zusammen, das mit der Düsennadel 1 wirkverbunden ist. Dabei sind die Magnetaktoren 7.1 und 7.2 derart ausgelegt, dass das Ankerelement 9 bei Bestromung des Magnetaktors 7.1 in Öffnungsrichtung und bei Bestromung des Magnetaktors 7.2 in Schließrichtung der Düsennadel 1 bewegt wird. Aufgrund der Wirkverbindung des Ankerelementes 9 mit der Düsennadel 1 wird diese mitgeführt, so dass eine abwechselnde Bestromung der beiden Magnetaktoren 7.1, 7.2 ein Öffnen und Schließen der Düsennadel 1 bewirkt. Darüber hinaus ist die Düsennadel 1 in Schließrichtung von der Federkraft einer Schließfeder 6 beaufschlagt, so dass der Magnetaktor 7.2, welcher ein Schließen der Düsennadel 1 bewirken soll, eine vergleichsweise geringe Leistung aufweisen kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 erfolgt die Wirkverbindung der Düsennadel 1 mit dem Ankerelement 9 über einen Führungsabschnitt 13, mit welchem die Düsennadel 1 in einer Bohrung 14 des Haltekörpers 15 aufgenommen ist. Ein zwischen dem Führungsabschnitt 13 der Düsennadel 1 und dem Haltekörper 15 ausgebildeter Spalt ist als Dichtspalt ausgelegt, über welchen der Niederdruckbereich 8 gegenüber der Hochdruckbohrung 2 abgedichtet ist. Der Innendurchmesser DI der Bohrung 14 ist dabei kleiner als der Sitzdurchmesser DS des Dichtsitzes 5 gewählt. Der Führungsabschnitt 13 der Düsennadel 1 ist vorliegend kraftund formschlüssig mit dem Ankerelement 9 verbunden. Das als Flachanker ausgebildete Ankerelement 9 wird hierzu von dem Führungsabschnitt 13 durchsetzt. Das Ankerelement 9 wird in Schließrichtung der Düsennadel 1 zudem von der Federkraft einer Druckfeder 19 beaufschlagt, die wie die Aktoranordnung 7 im Niederdruckbereich 8 angeordnet ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 erfolgt die Wirkverbindung der Düsennadel 1 mit dem Ankerelement 9 über eine Kopplereinrichtung zur Verstärkung der Aktorkraft. Die Kopplereinrichtung umfasst einen als Kopplerkörper 11 einsetzbaren Stößelkörper 10, welcher mit dem Ankerelement 9 kraft- und formschlüssig verbunden ist, sowie ein hydraulisches Kopplervolumen 12, welches in der Bohrung 14 des Haltekörpers 15 ausgebildet ist und in axialer Richtung einerseits von einer Stirnfläche des Stößelkörpers 10 und andererseits von einer Stirnfläche der Düsennadel 1 begrenzt wird. Die Bewegung des Ankerelementes 9 wird über die Kopplereinrichtung derart auf die Düsennadel 1 übertragen, dass eine Kraftübersetzung erfolgt. Die Kraftübersetzung beträgt vorliegend > 1.
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Über das in der 2 dargestellte Ausführungsbeispiel hinaus sind ferner Kopplereinrichtungen möglich, mit welchen eine Kraftübersetzung < 1 oder = 0 darstellbar ist. Zudem kann ein inverser Koppler vorgesehen sein, mit welchem eine Umkehr der Bewegungsrichtung bewirkbar ist, so dass sich das Ankerelement 9 auch entgegengesetzt zur Düsennadel 1 bewegen kann. Ferner ist es möglich, die Kopplereinrichtung in den Hochdruckbereich des Injektors zu verlegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008041553 A1 [0003]
